Міцність сталезалізобетонних елементів з поперечною тонколистовою арматурою при осьовому стисканні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міцність сталезалізобетонних елементів з поперечною тонколистовою арматурою при осьовому стисканні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. У теперішній час із ростом поверховості будівель і збільшенням прольотів навантаження на вертикальні несучі конструкції нижніх рівнів значно зростають. Особливо гостро ця проблема стосується колон нижніх поверхів, які сприймають дуже великі навантаження. Традиційні залізобетонні конструкції колон мають ряд недоліків і, зокрема, сильно розвинені розміри поперечних перерізів, що в остаточному підсумку значно погіршує об'ємно-планувальні рішення будівель.

Скорочення розмірів поперечного перерізу колон, достатніх для забезпечення їхньої міцності і стійкості, можна досягти:

- за рахунок збільшення кількості поздовжніх арматур, що у свою чергу, унеможливлює або робить скрутним їхнє бетонування та забезпечення спільної роботи арматури і бетону;

- за рахунок поліпшення механічних властивостей бетону застосуванням високоактивних цементів, підбору оптимального состава бетону, впровадження передової технології готування і укладання бетону, що лише частково вдається реалізувати на практиці;

- підвищенням несучої здатності за рахунок застосування непрямого армування (зварених сіток різної конструкції, спіралей, поперечних пластинок й ін.), тобто за рахунок перетворення простого напруженого стану в об'ємний.

Для розрахунку залізобетонних елементів з непрямим армуванням у нормативних документах використовуються емпіричні формули, які враховують ефективність такого армування залежно від площі поперечного перерізу та міцності на розтягання стержнів (сіток або спіралей). Умови об'ємного обтиснення, які створюються за допомогою непрямого армування, у теперішній час діючими нормами не регламентуються, також, як і реальний фізичний стан бетону. Актуальність досліджень з конструювання, оцінки та обліку додаткових резервів несучої здатності стислих сталезалізобетонних елементів за рахунок управління умовами об'ємно-напруженого стану, представляється цілком обґрунтованою.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках наукової теми «Дослідження та аналіз нових конструктивних рішень промислових і цивільних будівель з розробкою методів їх розрахунку», реєстраційний номер 01017U011517 (особистий внесок - дослідження напружено-деформованого стану стислих бетонних, залізобетонних і сталезалізобетонних елементів).

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці схем армування і методу розрахунку міцності стислого сталезалізобетонного стрижня симетричного поперечного перерізу з поперечними тонколистовими арматурами.

Завдання дослідження:

1 - проаналізувати роботу залізобетонних і сталезалізобетонних колон з непрямим армуванням (сітками Некрасова і Гнедовського, спіраллю Консідера, поперечними пластинами Шинке-Лезера та ін.);

2 - розробити робочі креслення касетних сталевих форм для виготовлення бетонних зразків і моделей бетонних, залізобетонних і сталезалізобетонних колон;

3 - дослідити характер руйнування бетонних зразків одного складу при осьовому стиску (з тертям по торцях), ідентичних по площі поперечного перерізу, але таких, що мають різну висоту, з виміром кута ковзання (руйнування) Ф;

4 - експериментальним шляхом дослідити характер зміни коефіцієнта поперечної деформації х важкого армованого та неармованого бетону при осьовому стиску від початку навантаження і аж до руйнування зразків;

5 - дослідити експериментальним шляхом ступінь ідентифікації міцності конструкційного бетону класу В35 і В50 у складі стислого сталезалізобетонного зразку квадратного перерізу при товщині пластинок t_п=1,8 мм і кроці по висоті S^*= b; 2b/3; 0,5b;

6 - за даними експериментальних досліджень установити залежність впливу на міцність стислого сталезалізобетонного зразка показника суцільності поперечних пластин;

7 - дослідити електротензометричним методом рівень напружено-деформованого стану поперечних пластин на всьому діапазоні навантаження;

8 - розробити алгоритм розрахунку сталезалізобетонних колон з урахуванням особливостей роботи бетону;

9 - зробити чисельні розрахунки і порівняти експериментальні дані з теоретичними результатами;

10 - впровадити результати досліджень у практику проектування та будівництва, а також у навчальний процес. Оцінити економічну ефективність запропонованої конструкції.

Об'єкт дослідження. Бетонні, залізобетонні і сталезалізобетонні колони квадратного перерізу.

Предмет дослідження. Напружено - деформований стан сталезалізобетонних коротких колон квадратного перерізу при осьовому стиску.

Методи дослідження. Експериментальними методами знайдені руйнівні навантаження для коротких сталезалізобетонних зразків. Сполученням аналітичного і графоаналітичного методів отримано функціональне рівняння, що зв'язує за допомогою функції кута ковзання Ц інтенсивність напружень у_i з першим інваріантом тензора напружень I_1у.

Наукова новизна:

У частині експериментальних досліджень отримано дані про міцність: бетонних зразків квадратного перерізу b х b =150 х 150 (мм) і висотою h=600 мм; 150 мм, 100 мм і 75 мм, виготовлених з важкого бетону класу В35 та В50, залізобетонних зразків, армованих поздовжньою стержневою 4Ш12 А400С та поперечною Ш4 Вр-1 арматурами; сталезалізобетонних зразків, армованих поздовжньою стрижневою 4Ш12 А400С та поперечною суцільною тонколистовою (товщиною аркуша t=1,8 мм) арматурами (у серіях «А» і «В»), поперечною тонколистовою t=1,8 мм із осьовими отворами d_вн= 0,4b = 60 мм (серія «Б») і d_вн=0,5 b =75 мм (серія «Г»).

У теоретичній частині: розроблено функціонал у рамках теорії ковзання із залученням і узагальненням ряду найважливіших властивостей звичайної циклоїди на координатній площині у₀ 0 S₃, де S₃ - найменше девіаторне, у₀ - гідростатичне напруження.

Практичне значення. Отримані експериментальні і теоретичні дані підтверджують доцільність проектування стислих елементів із застосуванням поперечного армування у вигляді тонколистових пластинок. Це приводить до скорочення розмірів поперечного перерізу колон нижніх поверхів виробничих будівель і споруд.

Впровадження. Результати роботи використано при проектуванні автовокзалу, розташованого в місті Діяна в іракському Курдистані, і в навчальному процесі Харківської національної академії міського господарства.

Особистий внесок здобувача:

1 - проведено аналіз літературних джерел, присвячених експериментальному і теоретичному дослідженню стислих залізобетонних елементів з непрямими арматурами;

2 - розроблено робочі креслення касетних сталевих форм для виготовлення моделей колон квадратного перерізу;

3 - розроблено технологію виготовлення експериментальних бетонних, залізобетонних і сталезалізобетонних елементів;

4 - розроблено методику проведення експерименту з підготовкою і проведенням тензометричних (механічних та електричних) вимірів напружено-деформованого стану поперечних пластин і бетону експериментальних конструкцій при осьовому стиску;

5 - експериментально і теоретично досліджено характер зміни коефіцієнта поперечної деформації стислих бетонних зразків від початку навантаження та до руйнування;

6 - проведено камеральну обробку результатів експериментальних досліджень;

7 - участь у розробці критеріального рівняння зв'язку між інтенсивністю напруження у_i (що обумовлена другим інваріантом девіатора напружень) і першим інваріантом тензора напруження на основі врахування властивостей циклоїди;

8 - впровадження результатів дисертаційної роботи.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на:

- Шостій науково - технічній конференції «Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація» (м. Кривий Ріг, 2004 р.);

- VI Міжнародному симпозіумі «Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій» (м. Ужгород, 2005 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції «Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології» (м. Макіївка, 2005 р.);

- ХХХIV науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської національної академії міського господарства. (Харків, ХНАМГ, 2008).

Публікації. Основні положення дисертації та результати досліджень опубліковано в 8 друкованих працях, 6 з яких входять у наукові збірники, рекомендовані ВАК України, як фахові видання.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків і списку літератури з 156 найменувань. Загальний обсяг роботи - 145 сторінок, у тому числі 45 рисунків, 23 таблиці i 2 сторінки додатка.

Основний зміст роботи

бетон ковзання арматура

У вступі наведені актуальність проведених досліджень і короткий огляд літературних джерел.

У першому розділі проведено огляд і аналіз експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану залізобетонних (ЗБ) елементів з різними видами армування. У розвиток ідей зовнішнього і внутрішнього армування будівельних конструкцій внесли вклад багато дослідників: Н.А. Абрамов, О.М. Альперіна, К.К. Бакіров, Ян. Брудка, А.П. Васильєв, П.Ф. Вахненко, О.Ф. Віноградова, О.О. Гвоздьєв, В.І. Гнедовський, М.М. Губій, В. І. Довгалюк, О.О. Долженко, Р. Залігер, А.С. Зурабян, В.І. Карпинський, Н.О. Котлова, Г.Ф. Кузнєцов, А.С. Курилло, А.Ф. Ліпатов, Л.К. Лукша, О.В. Лобяк, В.Ф. Маренін, М.Г. Матков, О.С. Мацкевич, Г.А. Молодченко, В.П. Некрасов, Г.П. Передерій, В.А. Росновський, В.М. Рудаков, Г.Ш. Салія,

Р.С. Санжаровський, О.В. Семко, Л.І. Стороженко, Б.П. Філіппов,

Е.А. Чистяков, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагін, В.С. Шмуклер та ін.

Огляд літератури підтверджує актуальність дослідження і показує, що армування тонколистовими пластинками має переваги перед іншими видами поперечного армування. Такий вид армування приводить до зниження витрати металу за рахунок більш повного використання показників міцності, як поздовжніх арматур, так і бетону.

Напружено-деформований стан сталезалізобетонних колон з поперечним армуванням у вигляді тонколистових арматур досліджено недостатньо, крім того, і теоретичний розрахунок вимагає подальшого вдосконалення. На підставі цього й була сформульована мета роботи.

У другому розділі розглянуто конструкції експериментальних зразків, технологія їхнього виготовлення, методика і основні результати експериментальних досліджень.

Програмою експериментальних досліджень було передбачене виготовлення чотирьох серій дослідних зразків, які надалі йменуються серіями А, Б, В, Г. У кожну із цих серій входило: дванадцять бетонних зразків, три залізобетонних і дев'ять сталезалізобетонних елементів. Таким чином, нами було виготовлено 96 зразків - (чотири серії по 24 зразка в кожній) для випробувань на осьовий стиск.

Зразки серій А, Б були виготовлені з важкого бетону класу В35 по міцності на стиск, а зразки серій В, Г- з важкого бетону класу В50. У таблиці 1 наведено склад важкого бетону за вагою.

Таблиця 1. Склад важкого бетону за вагою

Клас бетону по міцності на стиск	Витрата матеріалів на 1м3 бетонної суміші, кг	В/Ц
	Цемент М500	Пісок крупністю 2,4 мм	Гранітний щебінь фракцією 5..10 мм	Вода	Пластифікатор С-3
В35	280	631	1244	207	-	0,74
В50	480	464	1207	218	2,4	0,45

Дослідні зразки запроектовано у вигляді бетонних призм розміром 150х150х600 мм, 150х150х100 мм і 150х150х75 мм, а також кубиків з ребром 150 мм. Одночасно з бетонними зразками виготовляли залізобетонні і сталезалізобетонні елементи у вигляді призм розміром 150х150х600 мм. Поздовжні арматури складалися із чотирьох стрижнів Ш12 мм зі сталі класу А400С, що має наступні механічні характеристики: межа міцності у_в = 54,7 кН/см²; межа текучості у_т = 40,2 кН/см² і відносне подовження е = 0,39.

Поперечні стрижні залізобетонних і кінцеві поперечні стрижні арматурних каркасів сталезалізобетонних елементів виготовлені з холоднотягнутого дроту періодичного профілю Вр-I діаметром 4 мм.

Крок сталевих пластин сталезалізобетонних призм кожної серії прийнято у середній їхній частині рівним відповідно 150 мм, 100 мм і 75 мм. При цьому поперечні пластини сталезалізобетонних елементів серій А і В є суцільними (без отворів), а пластини елементів серій Б і Г мають осьові отвори діаметром відповідно Ш60 мм та Ш75 мм.

Виготовлення елементів арматурних каркасів та їхня зборка виконано в механічних майстернях Харківської національної академії міського господарства.

Бетонування проводили у формах спеціальної конструкції, які являють собою спарені одиночні форми касетного типу, змонтовані на загальному піддоні зі сталевого аркуша товщиною 6 мм. Бічні стінки зі сталевого аркуша товщиною 6 мм збірно-розбірні із внутрішніми пазами для перегородок-касет. Спарені форми виготовлено з високими технологічними параметрами: відхилення від площини опорних поверхонь кубів і призм, що прилягають до плит пресу, не перевищують 0,1 мм, а відхилення від ортогональності суміжних граней кубів і призм не перевищують 0,5 мм.

Кількість форм було підібрано таким чином, щоб одночасно з одного замісу бетонної суміші можна було виготовити всі 24 дослідних зразки даної серії. Ущільнення бетонної суміші у формах здійснювалось на вібростолі.

Всі зразки до випробування зберігали в герметичній поліетиленовій ємкості при постійних умовах температури та вологості від 90 до 210 днів у горизонтальному положенні. За 10 - 15 днів до випробування їх розгерметизували й зберігали в повітряно-сухих умовах у лабораторії.

Всі дослідні зразки було випробувано при короткочасних статичних навантаженнях на осьовий стиск у гідравлічному пресі ПСУ-250. Навантаження дослідного зразка проводили ступенями, рівними 0.25 - 0.3МПа, що становить приблизно 10% від передбаченого руйнівного навантаження, з витримкою навантаження на кожному ступені протягом 10 хвилин, аж до руйнування з фіксацією на кожному ступені величин деформацій. При цьому на кожному ступені відлік знімали на початку й кінці витримки.

Для виміру деформацій у пластинах було використано тензорезистори, розміщений на суцільних пластинах по два: один з одного боку, а другий із протилежної сторони перпендикулярно першому, а на пластинах, які мають отвори, по чотири тензорезистори навколо отвору.

Вимір поздовжніх і поперечних деформацій бетонних, залізобетонних і сталезалізобетонних зразків робили двома методами: інструментальним (механічним) і електротензометричним.

Аналіз результатів випробувань бетонних зразків всіх серій показує, що при відношенні, наприклад, руйнівне навантаження в порівнянні із кубиковим (ребро 150 мм) збільшується незалежно від класу (міцності) бетону в середньому на 72%, а призмова міцність R_bn становить (0,69 - 0,78) кубикової, тобто R_bn =(0,69 - 0,78) R_bк. При цьому для пластифікованого бетону (серії «В» і «Г») помітно зниження коефіцієнта зміцнення бетону з по мірі зменшення висоти дослідного зразка (2,12 і 2,21 проти 2,41 і 2,53 при h=75 мм; і 1,69 і 1,71 проти 1,86 і 2,03 при h=100 мм) (табл. 2, 3).

Експериментально підтверджено, що бетонні куби й призми висотою 100 мм та 75 мм незалежно від міцності і складу бетону при руйнуванні здобувають форму двох усічених пірамід, звернених один до одного вершинами, а руйнування призми висотою 600 мм супроводжується утворенням і поширенням похилих тріщин у площинах ковзання з наступним поділом її на окремі частини.

Дослідним шляхом установлена ідентичність кутів ковзання (руйнування) Ц для бетонних зразків у рамках кожної серії, величина яких для серій «А» і «Б» склала приблизно 65 - 67⁰, а серій «В» і «Г» відповідно 61 - 63⁰.

Таблиця 2. Характеристика і усереднені результати випробувань бетонних зразків перерізом 150х150 мм і висотою h_i серій «А», «Б», «В» й «Г» на осьовий стиск (без змащення торців)

ССе-рія	Марка зразків	Висота зразка hi, мм	Навантаження, що руйнує F, кН	Міцність, кН/см2	Коефіцієнт зміцнення бетону	Характер руйнування бетону
				Rbn	Rbi
« «А»	А-1	600	526,20	22,34	-	1	Руйнування за рахунок зрушення однієї частини зразка щодо іншої
	А-2	150	770,00	-	3,42	1,46
	А-3	100	1068,30	-	4,75	2,03
	А-4	75	1333,40	-	5,93	2,53
« «Б»	Б-1	600	630,00	2,80	-	1
	Б-2	150	864,90	-	3,84	1,37
	Б-3	100	1168,30	-	5,19	1,85
	Б-4	75	1518,33	-	6,75	2,41
« «В»	В-1	600	916,70	4,07	-	1
	В-2	150	1168,33	-	5,19	1,28
	В-3	100	1545,00	-	6,87	1,69
	В-4	75	1941,70	-	8,63	2,12
« «Г»	Г-1	600	841,70	3,74	-	1
	Г-2	150	1098,33	-	4,88	1,31
	Г-3	100	1460,25	-	6,49	1,74
	Г-4	75	1860,00	-	8,27	2,21

Також установлено, що при руйнуванні залізобетонних і сталезалізобетонних елементів характер поводження аналогічного бетону в їхньому складі практично не міняється, чого не можна сказати про його міцність.

Уже при кроці пластин S=150 мм, коли рівень нормального напруження у досягає призмової міцності (у ? R_bn), крайні «волокна» бетону в рамках захисного шару товщиною а=D, де D - діаметр поздовжніх арматур (за межами контуру пластини розміром сторони b_n=146 мм < b=150 мм) починають руйнуватися і втягувати в роботу сусідні «волокна», які в остаточному підсумку визначають границі ядра перерізу сталезалізобетонного елементу (СтЗБЕ). Шляхом виміру штангенінструментом нами зафіксовані границі ядра перерізу СтЗБЕ залежно від кроку поперечних пластин S, які не є постійними, а змінюються в міру насичення бетону пластинчастими арматурами.

В ході випробувань підтвердилась залежність площі перерізу ядра СтЗБЕ від товщини захисного шару бетону «а», розміру сторони поперечної пластини b_n, діаметрів поздовжньої D і поперечної d арматури, що у загальному вигляді, незалежно від якості і складу бетону та суцільності поперечних пластин, може бути виражена формулою

А_u = b₁², (1)

де b₁ - сторона квадратного перерізу ядра елемента.

Таблиця 3. Характеристика і усереднені результати випробувань бетонних, ЗБ і СтЗБ елементів перерізом 150х150 мм, висотою h=600 мм серій «А», «Б», «В» й «Г») на осьовий стиск (без змащення торців)

Се- рія	Марка елементу	Крок поперечних пластин, мм	Руйнівне навантаження, кН, сприймане	Площа перерізу ядра елемента, см2	Рівень напруження на стадії руйнування, кН/см2	Коефіцієнт зміцнення бетону ядра перерізу
			бетоном	арматурою		бетона ()	арматури ()
«А»	А-1	-	526,20	148,8	225,00	2,34	32,92	1
	А-5	-	526,20			2,34
	А-6	150	699,53		201,64	3,47		1,48
	А-7	100	806,20		184,96	4,36		1,87
	А-8	75	933,20		169,00	5,52		2,36
«Б»	Б-1	-	630,00	150,0	225,00	2,80	33,19	1
	Б-5	-	630,00			2,80
	Б-6	150	751,00		201,64	3,73		1,33
	Б-7	100	840,00		184,96	4,54		1,62
	Б-8	75	931,70		169,00	5,51		1,97
«В»	В-1	-	916,70	231,6	225,00	4.07	51,24	1
	В-5	-	916,70			4.07
	В-6	150	1074,40		201,64	5,33		1,31
	В-7	100	1190,10		184,96	6,44		1,58
	В-8	75	1290,70		169,00	7,64		1,88
«Г»	Г-1	-	841,70	220,0	225,00	3,74	48,67	1
	Г-5	-	841,70			3,74
	Г-6	150	951,70		201,64	4,72		1,26
	Г-7	100	1110,00		184,96	6,16		1,65
	Г-8	75	1260,00		169,00	7,46		2.00

При кроці пластин S=150 мм (приторцьові відсіки):

b₁= 0,5 [(b₀+D+2d)+b], (2)

те ж, при S=100 мм (середні відсіки):

b₁= 0,5 [(b₀+D)+b_n], (3)

те ж, при S=75 мм (середні відсіки):

b₁= 0,5 [b₀+b_n], (4)

b₀ - осьова відстань між стрижнями поздовжніх арматур:

b₀= b - 3D. (5)

На закінчення особливо слід зазначити і факт існування однозначної закономірності зміцнення бетону в складі СтЗБЕ як при наявності суцільних поперечних пластин, так і при пластинах з осьовими технологічними отворами (табл. 4).

Таблиця 4. Порівняння коефіцієнтів зміцнення ідентичного бетону з у складі бетонних зразків висотою h =150; 100 і 75 мм і відповідного бетону в складі СтЗБЕ з^* при кроці поперечних пластин S =150; 100 і 75 мм

Серія	Марка зразків	Коефіцієнт зміцнення бетону	Д= х 100%	Примітка
	бетон	СтЗБЕ	з	з*
«А»	А-2	А-6	1,46	1,48	-1,37	S=h=150 мм
	А-3	А-7	2,03	1,87	7,88	S=h=100 мм
	А-4	А-8	2,53	2,36	6,72	S=h=75 мм
«Б»	Б-2	Б-6	1,37	1,33	2,92	S=h=150 мм
	Б-3	Б-7	1,85	1,62	2,43	S=h=100 мм
	Б-4	Б-8	2,41	1,97	18,26	S=h=75 мм
«В»	В-2	В-6	1,28	1,31	-2,34	S=h=150 мм
	В-3	В-7	1,69	1,58	6,50	S=h=100 мм
	В-4	В-8	2,12	1,88	11,32	S=h=75 мм
«Г»	Г-2	Г-6	1,31	1,26	3,82	S=h=150 мм
	Г-3	Г-7	1,74	1,65	5,17	S=h=100 мм
	Г-4	Г-8	2,21	2,00	9,50	S=h=75 мм

У третьому розділі розглянуто результати експериментальних досліджень деформативності дослідних елементів. На основі даних побудовано графіки залежності поздовжніх і поперечних деформацій бетону від діючого стискального зусилля, досліджено характер зміни коефіцієнту поперечної деформації бетону та напружено-деформований стан поперечних пластин.

Для виміру поздовжніх і поперечних деформацій бетону застосовано тензорезистори типу ПКБ-50-400 і ПКБ-100-600 з базою відповідно 50 мм і 100 мм, важільні тензометри ТР із ціною поділки 0,001 мм та індикатори годинникового типу 1ИГМ із ціною поділки 0,001 мм.

У зразках серії А максимальні поздовжні деформації склали: бетонної призми А-1 1,05 ‰, куба А-2 2,2 ‰, призми А-3 3,1 ‰, призми А-4 5,6 ‰, залізобетонних зразків А-5 1,4 ‰, СтЗБЕ із кроком поперечних пластин 150 мм А-6 1,3 ‰, те ж із кроком 100 мм А-7 2,21 ‰ і із кроком 75 мм А-8 2,6 ‰, тобто, негнучкі бетонні конструкції працюють на осьовий стиск ефективніше і залізобетонних, і сталезалізобетонних. Поздовжні деформації елементів А-6, А-7 і А-8 розвивалися за лінійним законом до навантажень, що становлять 0,4 - 0,5 від руйнуючих, зі збільшенням стискального зусилля кривизна, як поздовжніх, так і поперечних деформацій, збільшувалася стосовно осі ординат.

У зразках серії Б максимальні поздовжні деформації склали: бетонної призми Б-1 1,2 ‰, куба Б-2 2,25 ‰, призми Б-3 3 ‰, призми Б-4 4,5 ‰, залізобетонних зразків Б-5 1,3 ‰, СтЗБЕ із кроком поперечних пластин 150 мм Б-6 1,6 ‰, те ж із кроком 100 мм Б-7 2,5 ‰ і із кроком 75 мм Б-8 3,07 ‰ (рис. 2).

У зразках серії В максимальні поздовжні деформації склали: бетонної призми В-1 1,3 ‰, куба В-2 3,01 ‰, призми В-3 3,3 ‰, призми В-4 3,38 ‰, залізобетонних зразків В-5 2,25 ‰, СтЗБЕ із кроком поперечних пластин 150 мм В-6 2,8 ‰, те ж із кроком 100 мм В-7 3,1 ‰ і із кроком 75 мм В-8 4,3 ‰.

Руйнування елементів В-6, В-7 і В-8 носило пластичний характер, на відміну від бетонних і залізобетонних зразків, при цьому до 0,3 - 0,4 від руйнівних навантажень деформація розвивалася прямолінійно, а зі збільшенням навантажень кривизна поздовжніх деформацій збільшувалася щодо осі ординат.

У зразках серії Г максимальні поздовжні деформації склали: бетонної призми Г-1 1,5 ‰, куба Г-2 3,3 ‰, призми Г-3 3,7 ‰, призми Г-4 3,9 ‰, залізобетонних зразків Г-5 2,45 ‰, СтЗБЕ із кроком поперечних пластин 150 мм Г-6 2,7 ‰, те ж із кроком 100 мм Г-7 2,5 ‰ і із кроком 75 мм Г-8 3,4 ‰.

При цьому, за характером руйнування елементи Г-6, Г-7 і Г-8 практично не відрізнялися відповідно від елементів В-6, В-7 і В-8.

У процесі експериментальних досліджень замірялися поздовжні деформації в поперечних пластинах. Для цього перед бетонуванням СтЗБЕ на пластинки наклеювали, на рівній відстані від осі арматурного каркаса, тензорезистори типу ПКБ-20-200: на суцільні пластинки по два тензорезистори хрестоподібно (один з одного боку, а другий із протилежної сторони перпендикулярно першому), а на пластини, що мають отвори, по чотири тензорезистори.

У процесі навантаження СтЗБЕ серії «А» на стадії поперед руйнування були зафіксовані наступні (середні) поздовжні деформації поперечних пластин: елемента А-6 е₁ = 51^.10^-5; те ж, А-7 е₁ = 14^.10^-5; те ж А-8 е₁ = 15^.10^-5.

Отримані результати дозволяють констатувати, що максимальні напруження, що розтягують у_р, у поперечних пластинах, незалежно від їхнього кроку, були в межах у_р=28-100МПа, тобто набагато менше границі текучості сталі у_T = 225 МПа.

Аналогічні результати вимірів деформацій у поперечних пластинах елементів Б-6, Б-7 і Б-8; В-6, В-7 і В-8 і Г-6, Г-7, Г-8 підтвердили характер поводження пластинок у складі СтЗБЕ і рівень напруженого стану їхнього матеріалу. У кожному елементі дослідних серій (А, Б, В і Г) рівень осьових напружень, що розтягують, у_р, у поперечних пластинах був у рамках 28 МПа ? у_р ? 100МПа.

Дослідні дані, які отримано, надали можливість дисертантові допустити, що тонколистові поперечні пластини незалежно від їх суцільності, кроку і класу бетону на всьому діапазоні навантаження працюють у пружній стадії, тобто вони виконують функцію проміжних опорних плит - розподільника силового потоку в «тілі» бетону елементарної призми СтЗБЕ.

Результати виміру усереднених поздовжніх і поперечних деформацій бетону дослідних бетонних призм і кубів, відповідно, серій А, Б, В і Г показано на графіках (рис. 5, 6). За цими даними, у межах лінійних залежностей е₁ = f (у) і е₂ = f (у), визначено середні коефіцієнти Пуассона н для бетону кожної серії: серії «А» - н = 0,133, серії «Б» - н = 0,145, серії «В» - н = 0,157 і серії «Г» - н = 0,151.

При рівні нормальних напружень у = 0,9R_bn середній коефіцієнт поперечної деформації н^* склав: для бетону серії «А» н^*= 0,28, те ж серії «Б» н^*= 0,37, те ж серії «В» н^*= 0,33, те ж серії «Г» н^*= 0,36.

У четвертому розділі розроблено методику розрахунку коротких стислих СтЗБЕ.

У рамках механіки руйнування МПС (мікрополяризованого середовища), яка розроблена В.М. Рудаковим, нами прийнято, що важкий бетон можна віднести до полікристала, основним мікроелементом якого є структурний елемент Полінга в образі «перекрученого» октаедру - тетрагональної біпіраміди з кутом нахилу бічної грані до основи Ф.

Бетон, як й інші реальні кристалічні матеріали, наділений механічними параметрами: коефіцієнтом поперечної деформації (коефіцієнтом Пуассона н) і кутом ковзання (руйнування) Ф. При цьому коефіцієнт н змінюється в межах:

, (6)

а кут ковзання (руйнування):

. (7)

При осьовому стиску (розтяганні) бетон подібно іншим полікристалам руйнується уздовж площин ковзання, напрямок яких щодо площини дії осьової сили визначається кутом ковзання Ф. Втрата міцності (руйнування) бетону при осьовому стиску (розтяганні) наступає в той момент, коли одне із двох напружень (нормальне або тангенціальне) від зовнішнього навантаження на поверхні, що обгинає лінії ковзання, не може бути врівноважено внутрішніми зв'язками.

Як основний критерій об'ємно-напруженого стану полікристалу, укладеного в гіпотетичну обойму з абсолютно твердими та ідеально гладкими стінками, тобто в умовах

, (8)

де - головні напруження, прийнято рівняння вигляду

, (9)

де S₃ - найменше девіаторне напруження, у_{0 -} гідростатичне напруження, що отримане з умови рівності інтенсивності напружень у_і (інваріантна характеристика) I-ому інваріанту тензора напружень I_1у за допомогою фрикційного параметра .

Для визначення фрикційного параметра застосована аналогія побудови діаграми Мора, відповідно до якої рівняння (9) може бути виражене графічно у формі закономірності на площині у₀ 0 |S₃| за допомогою звичайної циклоїди. Побудова циклоїди наведена на рис. 7. Як вихідний стан прийнята циклоїда, що утворюється ковзанням (поворотом) виробляючого кола радіусом r =|S₃| (і, відповідно, діаметром D=|S₁|, де S₁ - найбільше девіаторне напруження) на кут ц = 90⁰. Цей стан, на нашу думку, відповідає абсолютно твердому тілу, - для якого, як відомо,

, (10)

Ф_к = 90⁰, (11)

н_к = 0. (12)

Для одержання функціональної залежності Ф = f(н) рівняння (9) перетворено в рамках класичної механіки деформованого твердого тіла у вигляд

, (13)

і, відповідно, (з врахуванням (9))

. (14)

На рис. 8 наведено характер руйнування парних бетонних зразків: призми і куба площею поперечного перерізу b х b =b² і висотою: відповідно, призми і куба .

Шляхом аффінного перетворення поверхні руйнування на площині Х0У маємо:

для призми , (15)

для кубу , (16)

де - товщина поверхневого шару руйнування куба на площині Х0У:

x_i = 0,5b/tgФ_i. (17)

Кут ковзання (руйнування) одержимо з умови рівності

. (18)

Ввівши (15…17) в (18) і прийнявши відношення

R_bk/R_Rb = t, (19)

будемо мати

. (20)

Умова автомодельності для геометрично та фізично подібних бетонних зразків випливає з рівняння:

з = , (21)

де - те ж, що в рівнянні (15), - визначається з рівняння (16); при цьому величина - товщина поверхневого шару руйнування бетону, розташованого між пластинами на площині Х0У, дорівнює:

; (22)

S - крок пластин у межах h; t* - товщина пластини (рис. 8).

Величина кутів ковзання Ф, і порівняння експериментального та теоретичного коефіцієнта Пуассона бетону н для дослідних серій наведені в табл. 5, а дані порівняння експериментальної та теоретичної міцності СтЗБЕ в табл. 6.

Таблиця 5. Величина кутів ковзання Ф і порівняння експериментального і теоретичного коефіцієнта Пуассона н для серій А, Б, В та Г

Параметри	Серія А	Серія Б	Серія В	Серія Г
Цексп	66,380	64,42 0	61,83 0	62,680
хексп (хтеор.): призма	0,133 (0,13)	0,14 (0,141)	0,16 (0,154)	0,147 (0,15)
хексп (хтеор.): куб	0,134 (0,13)	0,15 (0,141)	0,15 (0,154)	0,155 (0,15)

Таблиця 6. Порівняння результатів дослідних і теоретичних досліджень міцності бетонних, залізобетонних і сталезалізобетонних елементів серій «А», «Б», «В» та «Г» при осьовому стиску

Се-рія	Марка елементу	Крок поперечних пластин, мм	Кут ковзання бетону, Ф, град	Площа перерізу ядра елементу, см2	Фактична міцність бетону, кН/ см2	Поверхня руйнування на площині ХОУ, см2	Коефіцієнт зміцнення бетону	Д= х 100%
							експ. зоп	теор. зт
А	А-1	немає	66,38	225,00	2,338	225,00	1	1	0
	А-2				3,422	153,75	1,464	1,464	0
	А-3				4,748	112,05	2,03	2,01	1,00
	А-4				5,926	87,63	2,534	2,568	-1,34
	А-5				2,338	225,00	1	1	0
	А-6	150		201,64	3,469	138,17	1,484	1,460	1,62
	А-7	100		184,96	4,360	100,94	1,865	1,833	1,72
	А-8	75		169,00	5,522	75,54	2,362	2,237	5,29
Б	Б-1	немає	64,42	225,00	2,80	225,00	1	1	0
	Б-2				3,844	168,29	1,373	1,337	2,62
	Б-3				5,193	124,59	1,85	1,806	2,38
	Б-4				6,748	98,09	2,41	2,294	4,81
	Б-5				2,80	225,00	1	1	0
	Б-6	150		201,64	3,725	146,89	1,331	1,373	-3,16
	Б-7	100		184,96	4,542	108,59	1,622	1,704	-5,06
	Б-8	75		169,00	5,513	81,63	1,969	2,070	-5,13
В	В-1	немає	61,83	225,00	4,074	225,00	1	1	0
	В-2				5,193	176,48	1,275	1,275	0
	В-3				6,867	132,00	1,686	1,705	-1,13
	В-4				8,63	104,38	2,118	2,156	-1,79
	В-5				4,074	225,00	1	1	0
	В-6	150		201,64	5,328	159,42	1,308	1,265	3,29
	В-7	100		184,96	6,434	120,25	1,580	1,538	2,66
	В-8	75		169,00	7,638	91,095	1,875	1,856	1,01
Г	Г-1	немає	62,68	225,00	3,741	225,00	1	1	0
	Г-2				4,882	172,41	1,305	1,305	0
	Г-3				6,493	128,28	1,736	1,754	-1,04
	Г-4				8,267	101,21	2,21	2,223	-0,59
	Г-5				3,741	225,00	1	1	0
	Г-6	150		201,64	4,720	154,22	1,262	1,308	-3,65
	Г-7	100		184,96	6,160	115,29	1,647	1,605	2,55
	Г-8	75		169,00	7,456	87,04	1,993	1,942	2,56

У п'ятому розділі наведено порівняння техніко-економічних показників трьох різних колон - ЗБ, СтЗБ і трубобетонної. Розрахунок підбора перерізу цих елементів проводився при осьовому стиску з випадковим ексцентриситетом і однаковим руйнівним навантаженням. Із цього розрахунку виходить, що при однаковому руйнівному навантаженні поперечний переріз СтЗБ і трубобетонної колони зменшується на ? 53% стосовно ЗБК. Виготовлення СтЗБК дешевше ЗБК і трубобетонної на 29,2% та 19,8% відповідно (табл. 7).

Таблиця 7. Порівняння техніко-економічних показників ЗБ, СтЗБ і трубобетонної колон довжиною l = 3200 мм

№ п/п	Тип колони	Поперечний переріз, мм	Характеристика поздовжньої арматури (труби)	Маса, кг	Руйнуюче навантаження, кН	Кошторисна вартість, грн.
1	ЗБ	450х450	4 Ш20 А400С Rs=40кН/см2	1643	4474	418
2	СтЗБ	310х310, tn=1,2, dотв=150 мм, S=153 мм		791	4465	296
3	Трубобетон	Ш351х7	Rт = 24,5 кН/см2	904	4427	369

Основні висновки

1. Експериментально встановлено, що досліджуваний конструкційний бетон при осьовому стиску, без усунення тертя по торцях зразків, руйнувався за рахунок зрушення уздовж площин ковзання, напрямок яких щодо площини дії нормальних напружень у₁ визначався кутом ковзання (руйнування) Ц.

2. Для прийнятого складу важкого бетону кут ковзання Ц є фізичною константою, тобто його величина не залежить від висоти призми.

3. Мінімальне руйнівне навантаження при осьовому стиску бетонних зразків квадратного перерізу b x b проявляється при висоті призми h ? b. tgЦ. При осьовому стиску бетонних призм висотою h < b. tgФ руйнівне навантаження зростає назад пропорційно їхній висоті.

4. Для важкого бетону з кутом ковзання Ц=61,83⁰ коефіцієнт Пуассона за даними випробувань трьох призм і трьох кубів склав н_експ = 0,157, проти теоретичного н_т = 0,154; те ж з кутом Ц=62,68⁰ н_експ = н_т =0,151, те ж з кутом Ц=64,42⁰ н_експ =0,145 проти н_т =0,141; те ж з кутом Ц=66,38⁰ н_експ=0,133 проти н_т =0,13. При цьому коефіцієнт Пуассона н_експ замірявся в початковій (пружній) стадії деформування бетону.

5. Результати дослідних випробувань коротких зразків на осьовий стиск показали, що по мірі зниження висоти (h) бетонних зразків або зменшення кроку (S^*) поперечних пластинок, бетон зміцнюється. При цьому середній коефіцієнт зміцнення бетону з залежно від співвідношення h(S^*)/b=1; 2/3; 0,5 досяг наступних значень, відповідно: для звичайного бетону класу В35 з=1,419; 1,94; 2,472; те ж у складі СтЗБК - з^*=1,407; 1,744; 2,166; для пластифікованого бетону класу В50 з=1,29; 1,711; 2,164; те ж у складі СтЗБК з^* =1,285; 1,614; 1,934.

6. Зменшення кроку поперечних пластин від S^*= b до S^*= 0,5 b викликає скорочення площі поперечного перерізу ядра стислої СтЗБК за рахунок збільшення товщини захисного шару поздовжніх стрежневих арматур діаметром d = 12 мм, яка склала: при кроці S^*= b а^/ = 1/3 d = 4 мм; те ж S^*= (2/3) b а^/ = (3,5/6) d = 7 мм; те ж S^*= 0,5 b а^/ = (5/6) d = 10 мм. Незалежно від кроку поперечних пластин товщина захисного шару поздовжніх арматур не досягла величини діаметра d.

7. Дослідним шляхом установлено, що тонколистова поперечна пластина незалежно від показника суцільності на всьому шляху навантаження випробовує напруження, що розтягують, у межах (0 - 0,4) у_т, де у_т - межа плинності листової сталі і, отже, поперечна пластина виконує функцію розподільника результуючого силового потоку інтенсивністю у_1.

8. Осьові отвори діаметром d_вн=(0,4 - 0,5) b, які вирізані в поперечних пластинах, не знижують міцність стислої СтЗБК і не змінюють під навантаженням характер поводження бетону в складі СтЗБК.

9. Оцінка міцності СтЗБК розглянутої конструкції в рамках розробленої методики дозволила встановити її високу надійність. Розбіжність прогнозованих результатів із практичними у всіх чотирьох серіях склала не більше 5,30%.

Список опублікованих праць автора за темою дисертації

1. Рудаков В.Н. «Экспериментальные основы применимости энергетического І-интеграла (критерия Черепанова-Райса) к мелкозернистым и тяжелым бетонам при монотонном (безинерционном) нагружении» / Рудаков В.Н., Рахим Соран // Тезисы докл. ХХХІІ научно - технич. конф. препод., асп., и сотрудников ХНАГХ. Ч. 1: Строительство, архитектура, экология. - Харьков: ХНАГХ, 2004. - С. 10-11.

Особистий внесок - участь у підготовці докладу.

2. Рудаков В.Н. «Управление надежности сжатых сталебетонных конструкций в рамках дискретной модели деформируемого тела» / Рудаков В.Н., Рахим Соран // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація // Зб. наук. статей. - Вип. 6. - Кривий Ріг: КТУ, 2004. - С. 97-106.

Особистий внесок - пошук літературних джерел, оформлення та підготовка до друку.

3. Рудаков В.Н. «К расчёту прочности сжатых сталежелезобетонных конструкций, армированных продольной и косвенной арматурой» / Рудаков В.Н., Рахим Соран // Вісник ДонНАБА: Макіївка, 2005. - Вип. 8 (56). - С. 30-37.

Особистий внесок - обробка результатів теоретичних та незалежних експериментальних досліджень.

4. Рудаков В.Н. «К применению энергетического критерия Райса-Черепанова для оценки прочности сталебетонных конструкций» / Рудаков В.Н., Рахим Соран, Стороженко И.А. // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій // Зб. наук. праць. - Вип. 6. За загальною ред. Й.Й. Лучка. - Львів: Каменяр, 2005. - С. 120-126.

Особистий внесок - пошук літературних джерел, оформлення та підготовка до друку.

5. Рудаков В.Н. «Расчёт сжатых сталежелезобетонных элементов с поперечной тонколистовой арматурой в рамках механики микрополяризованной среды»/ Рудаков В.Н., Рахим Соран // Вісник ДонНАБА: Макіївка, 2006. - Вип. 5 (61). - С. 37-44.

Особистий внесок - обробка результатів теоретичних та незалежних експериментальних досліджень.

6. Рудаков В.Н. «Исследование несущей способности сжатых сталежелезобетонных элементов, армированных продольной стержневой поперечной тонколистовой арматурой»/ Рудаков В.Н., Рахим Соран // Коммунальное хозяйство городов. - Харьков: ХНАГХ. - Вып. 76. - Киев «Техніка», 2007. - С. 33-49.

Особистий внесок - участь у плануванні та проведенні експерименту.

7. Рудаков В.Н. «О прочности внецентренно-сжатого сталежелезобетонного элемента квадратного сечения обобщенной конструкции Лезера - Шинке» / Рудаков В.Н., Молодченко Г.А., Рахим Соран // Науковий вісник будівництва. - Вип. 41. - Харків: ХДТУБА, 2007. - С. 84-99.

Особистий внесок - участь у плануванні та проведенні експерименту.

8. Рудаков В.Н. «Разработка конструкции и физического метода расчета прочности сталежелезобетонной колонны, армированной продольной стержневой и поперечной тонколистовой арматурой с осевым технологическим отверстием» / Рудаков В.Н., Рахим Соран // Тезисы докладов ХХХIV научно - техн. конф. препод., аспирантов и сотрудников ХНАГХ. Ч. 1: Строительство, архитектура, экология. - Харьков: ХНАГХ, 2008. - С. 72-76.

Особистий внесок - участь у підготовці докладу.

Размещено на Allbest.ru