автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние напряженно-деформированного состояния на несущую способность усиливаемых железобетонных элементов при осевом сжатии



ВИЛЬНЮССКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЗАБУЛЕНАС Арунас Ремигиюс

УДК 624. 012. 45: 69. 059. 3

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО -ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ УСИЛИВАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ОСЕВОМ СЖАТИИ

05. 23. 01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВИЛЬНЮС „ТЕХНИКА" 1992

Работа выполнена на кафедре железобетонных конструкций Вильнюсского технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г.МАРЧЮКАИТИС

Официальные опоненты - доктор технических наук,

профессор Л.К.ЛУКША кандидат технических наук, доцент А. КВЯДАРАС

Ведущая организация - Государственный институт

"Компровктас"

Защита диссертации состоится 12 ион« 1692 г. в /fO часов н; заседании специализированного совета К 061.03.01 в Вильнюсское техническом университете по адресу; 20Б4 г.Вильнюс, ал. Саулетекш 11, о аале заседания.

С диссертацией мохсно ознакомится а библиотеке университета £034 г.Вильнюс, ул. Дидхсеи 78.

Автореферат раоосл&и ¿Z. май Ю9Е г.

Ученая секретарь

специализированного сонета

д . т . и. ,проф. д . КАцБлЯВЙчБ'

, г ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1

Актуальность темы. При реконструкции здания 'и сооружений

роиэводится перестройка конструкций, приходится пристраивать и адстраивать здания и сооружения, используя существующие элементы онструкций и передавая на них дополнительные, ранее не редусмотренные нагрузки. Это, как правило, приводит к еобходимости увеличения их несуиея способности, т.е. усилению.

Кроме того, как показывает практика, большие обьемы работ по силению строительных' конструкция бывают вызваны потерей их есущей способности »следствие длительной эксплуатации, случайных оареждений. воздействия динамических нагрузок и агрессивной реды.

В частности, достаточно■ часто приходится решать оадачи величания несущей способности сжатых железобетонных элементов.

В случаяе усиления элементов без их вывода из напряженно-еформированного состояния, для правильного прогнозирования введения конструкции после усиления необходимо анать влияние анального нагружения. Поэтому необходимо теоретически выявить пияние начального напряженно-деформированного состояния на общую гсущую способность составной конструкции после усиления. Также ^обходимо экспериментальным путем определить возможность эименения на практике разработанных теоретических предпосылок и »тодик учета данного фактора при расчете усиления обоймами.

Для оценки эффектвности применения той или иной конструкции :иления необходимо изучить влияние параметров продольного и теремного армирования, прочности бетона усиливаемого элемента и ЗоЯмы, а также уровня начального нагружения до усиления.

Целью диссертационной работы является:

1. Теоретическое исследование влияния начального напряженно деформированного состояния сжатого элемента на общую несуиук способность конструкции после усиления.

2. Экспериментальное исследование работы сжатых железобетонных элементов, усиленных обоймами под нагрузкоП.

3. Усовершенствование расчета и проектирования усилени: сххатых элементов железобетонными обоймами.

Научная новизна и основные положения, выкоскиае на защит;

1. Предложения по учету влияния начального напряженно ■ деформированного состояния колонны в момент усиления на обиу* несущую способность составной конструкции.

2. Новые результаты теоретических и экспериментальных исследований усиления сжатых элементов железобетонными обоймами.

3. Предложения по оценке несущая способности и стелен! -использования прочности бетона и продольной арматурь

железобетонной конструкции усиления с учетом уровня начальног< обжатия.

4. Предложения по усовершенствованию расчета и конструирования железобетонных обойм при усилении сжатых элементов < учетом влияния уровм» начального нагруасения.

Практическая ценность. Выполненная работа позволяет оценит! влияние напряженно-двфспмированного состояния на несущук способность усиливаемых железобетонных элементов при осевол сжатии. Предложена методика, позволяющая проводить проверка иесувеп способности сжатых железобетонных элементов, усиленны} под нагруокоя. Методика доведена до программ для ЭВМ, которы« могут быть использованы для оценки проектных решений I

г

втоматизированного проектирования конкретных конструкция 'силения. Предложены коэффициенты условий работы бетона и арматуры онструкции усиления, позволяющие учесть влияние начального бжатия при расчете усиления по суиествуюгаим рекомендациям.

Достоверность результатов. Научные положения, выводы н екомендации, приведенные в работе, основываются на общепринятых опушениях строительной механики, теория упруго-полэучего тела и елезобетона, широко применяемых в практике проектирования гроительных конструкция. Степень обоснованности и достоверности езультатов подтверждается собственными экспериментальными ^следованиями и сравнением численных результатов автора" с азультатами экспериментальных исследования, полученными другими агорами.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы при заработке рекомендаций и содействии при восстановлении (сплуатационных качеств конструкция зданий цехов Вильнюсского •анкостроительного завода "Жальгирис".

Апробация работы. Основные положения теоретических и экспе-гментальных исследований доложены на республиканыких конферен-¡ях Литвы по делам строительства в 1988-1ЭЭ0 г .г., на научко-юизвояственном семинаре "Проблемы обследования, испытания и •конструкции сооружений" в 1039 г. в г.Даугавпилс , а также на I Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования женерных еоорз'жений" в сентябре 1991 г. в г. Сумы.

Публикации. По теме диссертации автором опубликование пять бет-.

Структура и объем работы- Диссертационная работа состоит из едения, четырех глав, заключения и списка литературы,

содержащего 110 наименований. Объем работы 114 страниц, в то» числе 82 страницы основной части, 21 рисунок, 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования 1 дается общая характеристика работы.

I

В первой главе отмечается, что к иас-ояиему времени накопле] значительный опыт усиления различных железобетонных конструкция Проанализированы экспериментальные работы, посвященные исследованию усиления сжатых элементов строительных конструкция.

Представлены результаты исследований по изучению алиями; продольного и поперечного армирования на механические свог.ства I напряженно-деформированное состояние сжатых жолозобетониы: алиментов. Отмечается особенности работы бетона на сжатие пр; стеснённых поперечных деформациях. Рассматриваются работ! 0.Я.Борга, В.Г.Щелкунова, Л.К.Лукши, П.И.Васильева, Н.И.Карпенко др. исследователей в этой'области.

На основе проведенного анализа напряженно-деформирозанноп состояния бетона в ст*ты>< элементах, покаоанно, что существенно! влияние на деформативность оказывает их поперечное армировани

В известных работах, посвященных вопросам оценки несуще; способности усиленных под нагрузкой железобетонных сжаты: алемонтоа предлагаются приближенные методы ее оценки, основанны< на данных малочисленных экспериментов, непозволяющих учесть и: действительную работу в процессе эксплуатации.

Вопросы расчета усиленных под нагрузкой сжатых железобе тонных элементов в научной литературе рассмотрении недостаточно.

»ботах Н.М.Онуфриева, С.Т.Захарова, Е.А.Рабиновича предложены »тодики расчета, разработаны на основе экспериментальных ¡следования несущей способности данных конструкчий, с учетом •хомендаций СНиП. Однако, в основу расчета положены теоретические зедпосылки, по которым выведены расчетные формулы, неполностью гражает действительную картину напряженно-деформированного »стояния составной конструкции.

Отмечается, что почти не изучена работа сжатых железобетонных !ементов, геометрия которых формируется в различных промежутках ¡емени при разном напряженно-деформированном состоянии.

Проведенный анализ позполяет сделать вывод о необходимости юведения теоретических и экспериментальных исследования ¡пленных под нагрузкой сжатых железобетонных элементов.

Во второй главе излагаются теоретические основы и принципы !ета напряженно-деформированного состояния усиливаемых под ^грузкой сжатых железобетонных элементов. Исследование выполнено

основе деформационной теории пластичности бетона и глезобетона. Предложен аналитический метод учета влияния сального напряжемно-деформированноого состояния на несущую особность сжатых элементов , усиленных железобетонными обоймами д нагрузкой.

Из анализа напряженно-деформированного состояния сжатых лезобетонных элементов, усиленных под нагрузкой, выделяются едуюиие стадии: 13 напряженно-деформированное состояние сжатого емента под нагрузкой до усиления; 25 напряженно-деформированное стояние элемента и обоймы в процессе усиления ; ЗЭ состояние вливаемого элемента и конструкции усилений после догружения .

Предельное значение внешнего усилия железобетонного элемента

при осевом сжатии определяется по формуле:

H <» А. С а. + fuer 5 , CID

u Ь bu ^ su

где и » / А^ - коэффициент продольного армирования элемента.

Относительный уровень нагружения элемента, к которому в

момент времени t приложена нагрузка FÇO , создающая усилие

центрального сжатия N , составляюиео некоторую долю от

максимальной разрушающей N , обозначим:

">1 " N ' Nu С2:) Зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне и арматуре принимаем в общем виде :

о. " р. Сг> Э j С33

Ьс ГЬ 'í '

О » <р Cxi Э .' С4Э

se *s 'с

где 1} „ " с ✓ с- относительный уровень деформирования

* vi

¡келвосбетонного элемента. Бетон и арматура деформируются совместш и продольные деформации в бетоне соответствуют деформациям при максимальных напряжениях s бетоне'ег . Учитывая выражения СЗЗ-С40 , н согласно формуле С13:

" ** *>ь CV *ь + *e с»

Подставляя выражения С1Э л CS3 в условие С2Э:

' еь спр Сг)£з - Ч1С о<Ьц + н csu3 » о . саз

Уравнение С СО в обком случае определяет относительный уровень

деформирования сжатого железобетонного элемента « в зависимости

£

от относительного уровня начального нагружеиия Г)1.

Уравивкил деформированного состояния сжатого элемента, загружаемого в момент времени С , имеет вид:

с СО=-

X

ЕхСО

С7Э

& со*

к

КС О

К, гас)

К а" V

Ь,к ^

С 05

КкС г,. гЭ »-

<5т

ЕКСТЭ

+ скс1,тэ

С9Э

кСО и о^СО - компоненты напряжения и деформация в колонне вдоль ертикальной оси. Е^СО - модуль упругомгновениой деформации

злонны; СкС1.тЗ - мера лолэучести;

А^ - приведенная

эперечная площадь сечения колонны; аСО - соотношение модулей пругости арматурной стали и бетона колонны.

Процесс усиления начинается в момент Ъ и происходит в зомежутке ДЪ .

Для всех моментов Ъ Уравнение равновесия будет:

РСО

Р„СО + Г СО , к а

С105

е РкСО и Р СО- доля нагрузки, воспринимаемая усиленным ементом и конструкцией усиления соответственно.

Если сила РСО постоянна, предельное значение Р С«Э

а

гпоненцкально стремится к нулю с увеличением интервала времени т.е. конструкция усиления не воспринимает нагрузку, йствующую на колонну в процессе усиления.

Приращение деформация Д«к в колонне, начиная с момента . равняется

Р СО

р « 3 К 8

Д£ СО- £ СО к к

с СЪ 3 =

К 3

\ ,Ё СО к,г«а к

А Е СЪ Э к.гоА к я

FC-гЭ

К, r.d

dr

FKCO

KK£t,r5dT C113

Деформации в обойме tíСО после усиления определяете соотношением

F СО - а

«СО«

Аа JE СО a,r«da

F СтЭ а

К Ct,T3 dr . С12Э а

a, r»d

где Е СО. А ___, и К Ct,r> определяются по С8Э и CQ3 для обой*

л. а, г •<* &

Приравнивая Де^СО « «аСО, используя соотношения СИЗ и С1£

rv

и уравнение равновесия C10Í, получим следующее интегрально уравнение для определения усилия F^CO:

F СОуСО - f F CT5K„Ct.O dT - qCO. в JA °

С13Э

Здесь функции ц>, KQ и q определяются формулами:

уСО - СА Е„С ОЗ"1 + СА Е (О)"', к к а а

С14Э

K0Ct.r5 - Ак *KKCt.T5 + Аа *KaCt,T3,

t

ЯСО

FCO FCV

W" WV J A,

f FCtí

ПГК»

C1B3

CL,t3 dT +

ÍFCrí

— vv

тЗ dr

C1S3

К. red

Таким обраэом, задача состояния усиленной под нагрузкой олонны и конструкции усиления сводится к решению интегрального 'равнения Волтерра С133. Оно является исходным соотношением, огласно которому определяется закон перераспределения усилий в олонне и обойме после их стыковки.

После усиления составная конструкция в состоянии воспринимать [агруэку, пока соблюдается условия деформированного состояния и |рочности:

е > cCt ■> + ДсСО С17Э

К,Ц S

F г FCO - F СО. С18}

к,и а

Напряженно - деформированное состояние колонны и обоймы в юмент разрушения составной конструкции определяется решая галученную систему уравнений средствами расчета на ЭВМ.

В третьей главе излагаются методика моделирования работы на IBM и провед* ния экспериментальных исследований усиленных под гагрузкоп сжатых железобетонных элементов и приведены результаты >пытов,

В ходе численного эксперимента изучались: степень [спольэования прочности бетона обоймы в зависимости от начального 1апряжеино-деформированного состояния колонны в момент усиления; »лияние прочностных и деформативных характеристик бетона, юличества армирования колонны и обоймы на общую ^несущую :пособнос ь конструкции после усиления под определенной начальной •агрузкой. Уровень начального нагружения колонны изменялся в феделах т^ = О.. .0.9, прочность колонны и обоймы Rb » IS... 30 МРа, гродольное армирование колонны и обоймы арматурой класса A-III р » —3 Я. Соотношение площадей бетона колонны й обоймы А^ У

изменяли в пределах 0,9...1,2.

Выявлено, что при усилении под нагрузкой .сотавляющей 0.6 от разрушающей N^, использование прочности железобетонной обоямь снижается на 10...15J4. Однако, при начальном нагружении О»6^ коэффициент использования прочности железобетонной обоймы составляет лишь 0.6Q...0.78 своего значения при усилениин бес предварительной нагрузки. Расчетами определено, что изменчивость коэффициента исйольэования прочности продольных стержней арматур на сжатие у зависит только от прочности бетона и количества продольного армирования колонны, т.е. он оказывается инвариантным к конструкции усиления.

Испытаниям были подвергнуты сжатые элементы прямоугольного сечения 150 х 150мм длиной 60см. Они были изготовлены из бетона прочностью R в 20...25МРа, армированы четырьмя продольными стержнями из арматуры класса A-III диаметром 6мм и хомутами с шагом 130мм из арматуры класса Вр-I .диаметром 4мм. Усиление опытных образцов осуществлялось железобетонной обоймой толщиной Зсм, армированной четырмя продольными стержнями из арматуры класс A-XIX диаметром 6мм. В качестве поперечного армирования применялись хомуты с шагом 150мм и спираль с шагом 40мм из арматурной проволоки класса Вр-I диаметром 4мм.

Установление, что с увеличением уровня начального нагружения колонны, коэффициент использования прочности продольных стержней арматуры обоймы на сжатие ^ снижается гораздо интенсивнее, чем значение коэффициента использования прочности Сетона обоймы г^- По этому использование дополнительной продольной арматуры для усиления сжатых железобетонных элементов под нагрузкой. особенно с уровней начального "эагружения Т), = и выше, является

Ю

ерациональным и мало эффективным способом усиления.

Как показали расчеты и подтвердили экспериментальные сследовання, предел прочности в сжатом элементе, усиленном под ачальным нагружемием, достигается раньше, чем в конструкт»! силения. Продольная арматура таких элементов достигает предел экучести и теряет устойчивость, а продольная арматура конструкции силения при относительно высоких уровнях начального нагружения еформируется незначительно.

В четвертой главе представлены предложения по оценке иесумеп

юсойности усиленных под нагруокоП сасатых железобетонных 1ементов. Вследствии проведенного анализа выявлена возможность :овергаенствования расчета железобетонных обойм усиления, жазано, что несущую способность железобетонных элементов, ¡пленных железобетонными обоймами при осевом сжатии более точно >жно определять по формуле:

N = 1? Г СА. R. + A R ) + у, A -i. + у A R Э ] . C1QJ fc> b s se ba ba ba sa sa sea J

Здесь r¡ - коэффициент продольного изгиба усиленной колонны; и - расчетные сопротивления бетона колонны и обоймы при

атии; Rsc и ^sca - расчетные сопротивления сжатой арматуры в лонне и обойме; А^. - площади поперечного сечения бетона и

> Asa - арматуры колонны и обоямы соответственно; и у -

эффициен^ы условий работы бетона и арматуры обоймы, предлагается рейелять

>Ьа = »V"b ' • СЗОЭ

cai>

3 ab и as ~ коэ1<)Фицивнты условия работы бетона и арматуры «струкции усиления, которые по результатам проведенных

исследований рекомендуется определять по зависимостям:

о^ = 1 ■+ 0. 38У)Х - О. 73г>* . С 223

- 1 + 0.41^ - 1.еап* сгзэ

Г - коэффициент условий работы обоймы, определяемый пс существующим рекомендациям по расчету конструкций усиления.

Сопоставление опытных и расчетных данных показалс приемлемость предлагаемой методики для определения несуще! способности сжатых элементов, усиленных железобетонными обоймам] под нагрузкой.

Отмечено, что определяя эффективность усиления следует исключить влияние несущей способности усиливаемого элемента. Так при применении обоймы небольшой толщины, несущая способность ядрг нивелирует, а при значительном увеличении поперечного сечени* становится малооначным при определении эффективности усиления Показатель эффективности следует, применять только к конструкцш усиления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги исследования, изложенных в работе, состоят е следующем:

1. На основ» результатов теоретических и экспериментальны! исследований аыявленно влияние уровня начального нагружени: сжатого железобетонного элемента на общую несущую способност! конструкции после усиления обоймой.

2. Предложен аналитический метод учета влияния начальное напряженно-деформированного состояния на несущую спосоСносТ1

атых элементов, усиленных железобетонными обоймами под грузкой.

3. Предложен способ определения усилий в колонне и обойме :л© их стыковки и дальнейшего деформирования, позволяющий эеделить перераспределение напряженный в составной конструкции, уведенный способ расчета очень просто реализуется средствами :чета на ЭВМ. . .

4, Теоретически выявлено, что степень использования прочности

эймы главным образом зависит от неисчерпанных продольных

# *

{юрмааип усиливаемого элемента, которые претерпевает конструкция разрушения после усиления.

Исследования показали, чтр степень использования прочности >дольной арматуры и бетона обоймы с ростом уровня начального ' -ружения снижается с разной мнтенс5!»ностыо. Для учйта этого, на ¡ове теоретических и экспериментальных исследований предлагается ;сти вместо обобщенного коэффициента условий работы обоймы -ффициенты условий работы арматуры у_ и бетона у.__обоймы.

В. Расчетами определена изменчивость коэффициента исполь-юния прочности продольных стержней- арматуры обоймы на сжатие зависит только от прочности йэтона н количества продольного шрования усиливаемого элемента, т.е. он оказывается 1арнантным к конструкции усиления.

7. С увеличением уровня начального иагружония колонны, коэф-1иент интенсивно снижается, по этому использование

юлнительной продольной арматуры для усиления сжатых !вэобетонных элементов под нагрузкой, особенно с уровней 1ального загружения т)1 = О.вЗ и выше, является нерациональным и ю эффективным способом.

в. Предложена методика учета влияния начального напряженно деформированного состояния при расчете несущей способности сжаты: железобетонных элементов, усиленных обоймами под нагрузкой.

По теме диссертации опубликовании следующие работы:

1. Марчюк&йтис Г., 'Забуленас А. Работа сжатых элементов усиленных железобетонными обоймамы, с учетом начальной напряженно-деформированного состояния в усиливаемом элементе

J— -

Проблемы совершенствования строительных материалов, конструкций оснований X Тез. докл. респ. конф. Вильнюс, 1S8S. С. 27-28.

2. Забуленас А., Марчюкайтис Г. Испытание конструкций усиленных под нагрузкой после длительного сжатия // Боллетеш строительной техники. 1Э09. No 12. С. 34.

3. Забуленас А., Марчюкайтис Г. Расчет сжатых элементов усиленных под нагрузкой железобетонными обоймами /V Тез. док л научно-произв. семинара. Рига: РПИ, 1989. С. 96-98.

4. Дулинскас Е., Марчюкайтис Г.. Вайнюнас П., Забуленас А Усиление подкрановых балок в Вильнюсском станкостроительном зава; "Жальгирис" // Тез. докл. респ. научно-тех. конф. Вильнюс, 1S89 С. 41.

5. Марчюкайтис Г., Забуленас А. Применение математического моделирования для исследования напряженно-деформированногс состояния усиливаемых железобетонных конструкций //Тез. докладе! VII Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследовани« инженерных сооружений", г .Суммы, .1091. С. 266-267.