Експериментально-теоретичні дослідження нерозрізних сталезалізобетонних балок з гнучкими анкерами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Експериментально-теоретичні дослідження нерозрізних сталезалізобетонних балок з гнучкими анкерами

Семко О.В.

Викладено методику визначення внутрішніх зусиль в нерозрізних сталезалізобетонних балках. Наведено порівняльний аналіз значень згинальних моментів, визначених із застосуванням експериментальних даних, і результатів розрахунку несучої здатності балок.

Постановка проблеми у загальному вигляді. Сталезалізобетонні конструкції дозволяють значно поліпшити показники матеріалоємності, вартості, трудомісткості будівництва. Вони дають змогу в ба-гатьох випадках найповніше використати властивості сталі та бетону, зменшити витрати будівельних матеріалів, підвищити економічну ефективність будівництва. Одним з прикладів сталезалізобетонної конструкції є складена балка, в якій сталеву балку поєднано за допомогою анкерів з монолітною залізобетонною плитою. Сталезалізобетонні балки входять до складу перекриттів і покриттів різноманітних будівель і споруд. Серед них особливе місце займають статично невизначні (нерозрізні) сталезалізобетонні балки, в яких найбільш раціонально використовуються їх складові частини: бетон, жорстка та гнучка арматура, з'єднувальні елементи (анкери). Виходячи з вищенаведеного, удосконалення методики розрахунку нерозрізних сталезалізобетонних балок на основі експериментально-теоретичного дослідження їхньої роботи є актуальною технічною задачею, що потребує вирішення.

Аналіз останніх досліджень. Ефективність застосування сталезалізобетонних балок доведена в багатьох дослідженнях [1-5], але дійсна робота і поведінка конструкції під навантаженням залишається малодослідженою. До того ж, увага дослідників головним чином приділяється вивченню роботи однопролітних статично визначних сталезалізобетонних балок.

Постановка мети і задач досліджень. Звичайні методи визначення внутрішніх зусиль не дають можливості точно встановити напружено-деформований стан сталезалізобетонної балки на будь-якій стадії навантаження, врахувати особливості роботи конструкції, викликані впливом ступеня забезпечення сумісної роботи сталевої балки і залізобетонної плити, нелінійною поведінкою бетону, перерозподілом згинального моменту, і достеменно оцінити її несучу здатність. На поведінку сталезалізобетонної балки під навантаженням суттєво впливає міцність і розподіл з'єднувальних засобів. В граничному стані несучої здатності потрібно перевіряти, щоб між критичними перерізами конструкції була достатня кількість анкерів для сприйняття поздовжньої зсувної сили у шві з'єднання сталевої балки та залізобетонної плити. Тому при дослідженні поставлено за мету розв'язати такі завдання:

визначити вплив кроку анкерів на несучу здатність нерозрізних сталезалізобетонних балок;

вдосконалити методику визначення внутрішніх зусиль у нерозрізних сталезалізобетонних балках;

порівняти результати розрахунку несучої здатності балок і значення згинального моменту, визначені з використанням експериментальних даних.

Виклад основного матеріалу. Для експериментального дослідження сталезалізобетонних нерозрізних балок були виготовлені двопролітні дослідні зразки, що складаються зі сталевого двотавра № 12 (ГОСТ 8239-89) висотою 120 мм, довжиною 3000 мм і залізобетонної плити завтовшки 50 мм, шириною 250 мм. Залізобетонна плита армована поздовжніми стрижнями 3 5 мм класу Вр-I, розташованими на відстані 45 мм від нижньої грані плити. Крок поперечних стрижнів становить 200 мм. Конструкцію та поперечний переріз дослідних зразків наведено на рис. 1.

Рис. 1. Конструкція та поперечний переріз дослідних зразків.

Зв'язок між сталевим двотавром і залізобетонною плитою забезпечується за допомогою гнучких болтових анкерів висотою 50 мм, діаметром 6 мм, приварених до верхньої полички двотавра з різним кроком. У балці Б1 анкери розміщені рівновіддалено з кроком 150 мм. Дослідні зразки Б2 і Б3 мають змінний по довжині крок анкерів для виявлення впливу густини їх розміщення на несучу здатність балки. В середній частині балки Б2 анкерування розріджене, балки Б3 - згущене. Схема розташування анкерів по довжині балок наведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема розташування анкерів по довжині балки.

Статичне навантаження на балку - дві зосереджені сили, розташовані посередині прольотів. Навантаження прикладалось поступово, але його дія була короткотривалою, щоб усунути вплив повзучості на несучу здатність балки. Руйнування дослідних зразків із частковим (гнучким) анкеруванням відбувалось внаслідок зрушення залізобетонної плити відносно сталевої балки при повному навантаженні на балку 15,2-16,8 т. Після цього забезпечувалось повне (жорстке) анкерування за допомогою торцевих упорів і продовжувалось завантаження конструкції. В такому випадку дослідні зразки руйнувались пластично з практично одночасним утворенням пластичних шарнірів у перерізах на середній опорі та в прольотах при повному навантаженні на балку 22,8-23,2 т. Дослідний зразок Б1 після випробування зображено на рис. 3.

Рис. 3. Вигляд дослідного зразка Б1 після випробування.

Балка вважається повністю заанкерованою, якщо несуча здатність на дію згинального моменту не обмежується несучою здатністю на дію поздовжньої зсувної сили. При частковому анкеруванні перед досягненням пластичного згинального моменту відбувається відмова шва з'єднання. Під навантаженням у поперечному перерізі встановлюється розподіл деформацій з двома нульовими лініями, що підтверджується появою тріщин у нижній частині залізобетонної плити при випробуванні.

Розрахункову схему балки, основний і одиничний стан статично невизначуваної системи, епюру згинального моменту, побудовану для сталезалізобетонної балки за допомогою методу сил з урахуванням дійсного розподілу жорсткості внаслідок утворення тріщин у розтягнутому бетоні в зоні дії від'ємного згинального моменту, представлено на рис. 4. Спосіб визначення згинального моменту наведений у табл. 1. Для знаходження моменту інерції поперечного перерізу сталезалізобетонної балки I0 використовується коефіцієнт приведення бетону до сталі.

Рис. 4. Розрахункова схема балки, основний і одиничний стан системи, перерозподіл згинального моменту:

--- - згинальний момент для балки, що має постійну жорсткість;

----- - згинальний момент для балки, що має змінну жорсткість.

Таблиця 1

Визначення згинального моменту для сталезалізобетонної балки з урахуванням зміни жорсткості

Для оцінки запропонованої методики було виконано порівняння значень несучої здатності поперечного перерізу балки та згинального моменту в ній від зовнішнього навантаження. Результати порівняння зведено в табл. 2.

Таблиця 2

Порівняння несучої здатності балки та згинального моменту в ній, визначеного за наведеною методикою

Значення повної несучої здатності поперечного перерізу сталевої балки Mpl,st у табл. 2 визначалось за формулою:

(1)

де - межа плинності сталі, визначена за результатами випробувань стандартних зразків у вигляді смужок на розтяг;

- пластичний момент опору поперечного перерізу балки.

Згинальний момент у поперечному перерізі сталезалізобетонної балки від руйнуючого навантаження без урахування зміни жорсткості балки на згин Mu,const визначався за правилами опору матеріалів для статично невизначної системи з постійною жорсткістю. Згинальний момент з урахуванням зміни жорсткості балки на згин Mu,var визначався відповідно до таблиці 1. При дії зосередженої сили Fзр відбувалось зрушення залізобетонної плити відносно сталевої балки.

Пластична несуча здатність сталезалізобетонної балки Mpl, stb в перерізах з максимальним додатним і від'ємним моментом (1-1 та 2-2) отримувалась шляхом множення повнопластичного моменту, що визначався згідно з ЕC4 [6] в залежності від положення нульової лінії, на коефіцієнт пониження згинального моменту при глибоко розташованій нульовій лінії. Формули для визначення повнопластичного моменту наведені в табл. 3.

Згинальні моменти від руйнуючого навантаження, визначені за наведеною методикою, мають дещо більші значення, ніж повна несуча здатність поперечного перерізу сталезалізобетонної балки, оскільки при їх визначенні не були враховані впливи короткочасної повзучості, усадки бетону, незначної податливості жорсткого анкерування та інших несприятливих чинників. Однак це суттєво не вплинуло на точність кінцевого результату, яка може вважатись задовільною для практичного розрахунку.

сталезалізобетонний балка анкер

Таблиця 3

Визначення пластичної несучої здатності сталезалізобетонної балки

Проаналізувавши значення в таблиці 2, можна стверджувати, що за рахунок забезпечення сумісної роботи сталевої балки і залізобетонної плити несуча здатність конструкції збільшилась у даному випадку (при класі бетону В15) на 15 %. Проте при застосуванні бетону вищих класів, що більш характерно для практики будівництва, цей ефект може збільшитись у декілька разів.

Звичайна методика визначення внутрішніх зусиль у нерозрізних балках не може бути використана для сталезалізобетонних балок, оскільки дає суттєву похибку внаслідок неврахування перерозподілу згинального моменту. Так, для поперечного перерізу в прольоті балки значення згинального моменту, визначені за звичайною методикою, в даному випадку занижені на 19-24 %, а для поперечного перерізу на середній опорі балки згинальний момент має на 29-31% завищені значення.

Закономірно, що зрушення залізобетонної плити відносно сталевої балки відбувалось при більшому навантаженні для сталезалізобетонних балок із густішим анкеруванням у середній частині. Окрім цього, при рівномірному і розрідженому анкеруванні напруженішими були саме ті анкери, які розміщувались у середній частині, адже вони сприймали збільшене за рахунок напружень в арматурі зсувне зусилля. Тому в середній частині сталезалізобетонної балки анкери доцільно розташовувати густіше.

Висновки. Наведена методика розрахунку внутрішніх зусиль у нерозрізних сталезалізобетонних балках, яка підтверджується результатами експерименту, дозволяє точніше визначати значення максимального згинального моменту внаслідок урахування зменшення жорсткості балки на згин в області середньої опори. Це дозволяє підібрати оптимальний з точки зору витрат сталі поперечний переріз сталевої балки та розмістити гнучкі анкери раціональніше.

Література

1.Богданов А.А., Карповский М.Г. Совместная работа балок с железобетонными плитами перекрытий и покрытий / Современные проблемы строительства. - Донецк: ПромстройНИИпроект, 1997. - С.149-154.

2. Клименко Ф.Є., Фабрика Ю.М., Шпиг Р.А. Характер розвитку деформацій в сталезалізобетонних балках, що працюють на згин /Зб. „Дороги і мости”, вип. 7, в 2-х т., т.1. - К.: ДерждорНДІ, 2007. - С.230-237.

3. Либерман А.Д., Клименко Ф.Е., Барабаш В.М. Исследование прочности и деформативности сталежелезобетонных изгибаемых элементов с листовой сталью на тяжелом и легком бетонах / Бетон и железобетон, 1972. - № 8. - С. 13-16.

4. Либерман А.Д., Янкелевич М.А., Сирота А.В. Сталежелезобетонные конструкции производственных зданий / Промышленное строительство, 1979. - №5. - С. 10-12.

5. Семко О.В. Експериментальні дослідження несучої здатності гнучких анкерів в сталезалізобетонних конструкціях / Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Випуск 15. - Полтава: ПолтНТУ, 2005. - С.66-72.

6. prEN 1994-1-1: Eurocode 4 - Design of composite steel and concrete structures - Part 1.1: General rules and rules for Buildings, 2004 - 315 p.

Размещено на Allbest.ru