close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Напряженное состояние изгибаемых железобетонных элементов с учетом деформативности сжатой зоны усиленной косвенным армированием

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Манаенков Иван Константинович
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЕТОМ ДЕФОРМАТИВНОСТИ СЖАТОЙ ЗОНЫ,
УСИЛЕННОЙ КОСВЕННЫМ АРМИРОВАНИЕМ
Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении
высшего
образования
«Национальный
исследовательский
Московский государственный строительный университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Тамразян Ашот Георгиевич
Официальные оппоненты:
Кришан Анатолий Леонидович
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова»,
кафедра «Проектирования зданий и
строительных конструкций», профессор
кафедры
Арленинов Петр Дмитриевич
кандидат технических наук,
АО «НИЦ Строительство»,
механики железобетона №8
А.А. Гвоздева,
заместитель
лабораторией
Ведущая организация:
лаборатория
НИИЖБ им.
заведующего
АО «Центральный научно-исследовательский и
проектно-экспериментальный институт
промышленных зданий и сооружений (АО
«ЦНИИПромзданий»), г. Москва
Защита состоится «26» декабря 2018 г. в 13:00 (по местному времени) на заседании
диссертационного совета Д 212.138.04, созданного на базе ФГБОУ ВО
«Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Зал Ученого
совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного
строительного университета и на сайте www.mgsu.ru.
Автореферат разослан «___» ___________ 20__ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Каган Павел Борисович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в России, да и во всем мире, в связи
с ростом городов наращиваются темпы промышленного и гражданского
строительства, увеличивается этажность возводимых зданий, возрастают нагрузки
и усложняются узлы конструкций. При этом одним из наиболее широко
распространенных материалов, применяемых для возведения несущего каркаса
здания,
является
железобетон.
Данные
обстоятельства
требуют
выбора
рациональных и экономически оправданных конструктивных решений и методик
расчета, позволяющих использовать особенности работы и задействовать резервы
несущей способности традиционных строительных материалов.
Одним
из
способов
повышения
прочностных
и
деформационных
характеристик железобетонных конструкций является применение косвенного
армирования. Такое армирование, расположенное перпендикулярно сжимающему
усилию, за счет ограничения поперечных деформаций создает объемное
напряженное состояние и повышает эффективность работы бетона на сжатие. И
если для центрально и внецентренно сжатых элементов с косвенным армированием
существует большое число экспериментальных и теоретических исследований, то
для
изгибаемых
элементов
объем
исследований
относительно
невелик,
опубликованные данные носят фрагментарный характер и не позволяют полностью
описать механизм работы и разрушения. В связи с этим в настоящее время
актуальным является разработка методики расчета изгибаемых железобетонных
элементов со сжатой зоной, усиленной сетками косвенного армирования. Такая
методика
позволит
оценивать
напряженно-деформированное
состояние
конструкций, учитывать резервы несущей способности и применять более
экономичные конструктивные решения.
Учет существенного повышения предельной деформативности балок с
косвенным армированием в расчетах будет возможно использовать в расчетах
зданий на прогрессирующее обрушение, так как имеющийся у таких конструкций
запас по прогибам даст возможность избежать хрупкого разрушения конструкций
и перераспределить усилия на соседние менее загруженные элементы.
3
Степень
разработанности
темы
исследования.
Исследованиями
центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов с косвенным
армированием сварными сетками занимались Консидер М., Гнедовский В.И.,
Гамбаров Г.А.,
Зелигер Р.,
Саргин М.,
Долженко А.А.,
Людковский И.Г.,
Кришан А.Л., Ямамото Т., Лолейт А.Ф., Лукша Л.К., Довгалюк В.И., Хензел Я.,
Филиппов Б.П., Зурабян А.С., Чистяков Е.А., Бакиров К.К., Стороженко Л.И.,
Тамразян А.Г., Матков Н.Г., Трекин Н.Н. и др.
Для изгибаемых элементов, в отличие от сжатых, объем исследований
относительно невелик. Изучению изгибаемых железобетонных элементов с
косвенным армированием посвящены работы Казанкина Ю.Н., Цепелева С.В.,
Гринева В.Д., Яркина P.А., Вануса Д.С., Расторгуева Б.С., Хади М. и др.
Большинство имеющихся исследований с изгибаемыми железобетонными
элементами
с
косвенным
армированием
носят
скорее
характер
поиска
оптимальных конструктивных решений и, ввиду фрагментарности представленной
в публикациях информации и акцентирования внимания на отдельных
особенностях работы, не позволяют полностью описать механизм деформирования
и разрушения образцов и разработать единую методику расчета. Относительно
подробно параметры образцов и результаты экспериментов представлены в
диссертационной работе Вануса Д.С. Но основной акцент в его исследовании
сделан на изучении стадии эксплуатации и расчетах по второй группе предельных
состояний в стадии эксплуатационных нагрузок и практически не рассматривается
характер разрушения балок. Также не были рассмотрены переармированные
образцы.
Ввиду
вышесказанного,
помимо
необходимости
разработки
единой
методики расчета, для анализа действительной работы и напряженного состояния,
возникает
необходимость
проведения
экспериментальных
исследований
изгибаемых железобетонных элементов с косвенным сетчатым армированием
сжатой зоны.
Научно-техническая
гипотеза
заключается
в
предположении,
что
косвенное армирование сжатой зоны изгибаемых железобетонных элементов
4
приводит к проявлению продолжительного этапа пластического деформирования с
сохранением высокой остаточной несущей способности.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчета
изгибаемых железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны с
учетом повышения несущей способности, снижения прогибов и изменения
характера разрушения.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

анализ отечественного и зарубежного опыта изучения железобетонных
конструкций с косвенным армированием;

получение аналитических диаграмм работы на сжатие бетона,
усиленного сетками косвенного армирования, и сравнение с существующими
экспериментальными данными;

разработка методики расчета изгибаемых железобетонных элементов с
косвенным армированием сжатой зоны с учетом предложенных диаграмм;

выбор эффективного варианта косвенного армирования сжатой зоны
балок;

экспериментальные исследования работы изгибаемых железобетонных
элементов с различными коэффициентами продольного армирования балок и
поперечного армирования сжатой зоны бетона;

моделирование
работы
и
численный
анализ
изгибаемых
железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны в
расчетном комплексе Femap-Nastran;

подтверждение достоверности разработанной методики расчета на
основании сравнения с результатами эксперимента.
Объектом исследования являются изгибаемые железобетонные элементы с
косвенным армированием сжатой зоны в виде сварных сеток.
Предметом исследования являются прочностные и деформативные
характеристики
изгибаемых
железобетонных
элементов
с
косвенным
армированием сжатой зоны в виде сварных сеток при кратковременном
нагружении статической нагрузкой.
5
Научную новизну работы составляют:

методики построения криволинейной и линеаризованной диаграмм
работы на сжатие бетона, усиленного сетками косвенного армирования;

методика расчета балок с косвенным армированием сжатой зоны в виде
сварных сеток, позволяющая оценивать напряженно-деформированное
состояние на различных этапах нагружения при действии статической
нагрузки;

новые
экспериментальные
данные
для
балок
с
различными
коэффициентами продольного армирования и различными коэффициентами
поперечного армирования бетона сжатой зоны;

выявление
значительного
удлинения
пластической
стадии
деформирования с увеличением на порядок предельных прогибов балок с
косвенным армированием при одновременном сохранением высокой
остаточной несущей способности;

научное обоснование повышения несущей способности, снижения
прогибов и изменения характера разрушения изгибаемых железобетонных
элементов с косвенным армированием сжатой зоны в виде сварных сеток.
Теоретическая значимость работы:

изучение повышенной деформативности и разрушения изгибаемых
железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны в виде
сварных сеток;

моделирование работы изгибаемых железобетонных конструкций с
косвенным
армированием
сжатой
зоны
в
расчетных
комплексах,
реализующих метод конечных элементов, и анализ их напряженнодеформированного состояния на основании результатов проведенных
исследований.
Практическая значимость работы:

предложены
криволинейная
и
упрощенная
линеаризованная
диаграммы работы на сжатие бетона с косвенным армированием,
применимые в инженерных расчетах различных конструкций;
6

разработана методика расчета изгибаемых железобетонных элементов
с косвенным армированием сжатой зоны, позволяющая оценивать
напряженно-деформированное состояние на различных этапах работы и
выбирать наиболее эффективные варианты армирования; в среде Matlab
написана программа для ЭВМ, реализующая предложенную методику;

выявленное повышение предельных прогибов и отсутствие хрупкого
разрушения балок с косвенным армированием позволяет применять такие
конструкции
для
обеспечения
устойчивости
здания
против
прогрессирующего обрушения.
Методологической основой диссертационного исследования послужили:
труды отечественных и зарубежных ученых, изучавших работу бетона в условиях
объемного напряженного состояния, созданного при помощи косвенного
армирования, гипотезы, принятые в строительной механике, теории упругости и
пластичности,
теория
железобетона
и
общепринятые
методы
расчетов
железобетонных конструкций с учетом нелинейных свойств материалов.
Положения, выносимые на защиту:

анализ и обоснование принятых параметров косвенного армирования
сжатой зоны железобетонных балок;

методики построения криволинейной и линеаризованной диаграмм
работы на сжатие бетона, усиленного сетками косвенного армирования;

методика расчета кривизны на различных этапах нагружения и
несущей способности для железобетонных балок с косвенным армированием
сжатой зоны в виде сварных сеток при кратковременном нагружении
статической нагрузкой;

результаты
экспериментальных
исследований
изгибаемых
железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны в виде
сварных сеток при кратковременном нагружении статической нагрузкой;

результаты численного анализа нелинейных статических расчетов
балок с косвенным армированием сжатой зоны в виде сварных сеток в
расчетном комплексе Femap-Nastran;
7

сравнение новых экспериментальных данных с результатами расчета
на различных этапах нагружения для изгибаемых железобетонных элементов
с косвенным армированием в виде сварных сеток.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности
результатов
применением
и
выводов
диссертационного
стандартных
методов
исследования
испытаний,
подтверждается
нормативных
методов
исследования прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры,
использованием поверенных и аттестованных приборов и испытательного
оборудования,
результатами
экспериментальных
данных.
Достоверность
предложенной диаграммы подтверждается сравнением с большим числом
существующих экспериментальных данных. Результаты расчетов железобетонных
балок
основываются
на
теориях
железобетона,
сходимости
результатов
аналитических и численных методов. Выводы и результаты работы получили
положительную оценку и были внедрены в строительную практику.
Полученные результаты полноценно отражены в публикациях, выполненных
по теме диссертационного исследования, и в докладах на международной научной
конференции «Современные проблемы расчета железобетонных конструкций,
зданий и сооружений на аварийные воздействия» (Москва, 2016г.); на
международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда
России. Проблемы и решения» (Курск, 2017г.); на международной научнотехнической конференции «Теория и практика исследований и проектирования в
строительстве с применением систем автоматизированного проектирования
(САПР)» (Брест, 2018г.).
Личный вклад автора в научные результаты, полученные в данной работе,
заключается в выборе объекта и методики исследования, разработке программы
проведения экспериментальных испытаний, получении и обработке результатов
исследований, их обобщении и анализе, разработке методик построения
криволинейной и линеаризованной диаграмм работы на сжатие бетона, усиленного
сетками косвенного армирования, разработке методики расчета изгибаемых
8
железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны в виде
сварных сеток.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 8 статьях, из них 4
опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
(№2018611497).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы – 202
страницы, в том числе 165 страниц основного текста, включающего 73 рисунка и
14 таблиц, 36 страниц приложений. Количество источников использованной
литературы – 186 шт., в том числе 63 шт. зарубежных источника. Количество
приложений – 5 шт.
Содержание диссертации соответствует п.п. 1, 3 Паспорта научной
специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения:
 обоснование, исследование и разработка новых типов несущих и
ограждающих конструкций зданий и сооружений;
 создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных
исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых
строительных конструкций наиболее полно учитывающих специфику
воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных
решений и другие особенности.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы
научно-техническая
гипотеза,
цели
и
задачи
диссертационной
работы,
представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы,
данные о методологической основе, апробации результатов, структуре и объеме
диссертационного исследования.
9
В первой главе рассмотрены основные особенности работы бетона на сжатие
в условиях объемного напряженного состояния и возможность получения данного
эффекта посредством применения косвенного армирования.
Описаны основные типы косвенного стального армирования, их особенности
и недостатки, а также возможные варианты применения в конструкциях. Отмечена
эффективность применения косвенного армирования в виде сварных сеток в
изгибаемых и внецентренно сжатых элементах, так как из-за относительно малого
размера ячейки сетка включается в работу на том участке сечения элемента, на
котором возникают сжимающие усилия.
Обобщены результаты экспериментальных и теоретических исследований
сжатых элементов. Проанализированы результаты испытаний на сжатие более 300
прямоугольных призм с косвенным сетчатым армированием по опытным данным
различных исследователей. Выявлены параметры косвенного армирования, при
которых обеспечивается сходимость экспериментальных и теоретических
значений прочности бетона, усиленного сетками: S≤150 мм; S≤0,8hef; dxy≤8 мм.
Рассмотрены существующие формулы по вычислению прочности и предельных
деформаций. Изучены предлагаемые зависимости для описания диаграммы
деформирования.
Также
рассмотрены
существующие
исследования
изгибаемых
железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны. Отмечено,
что в существующих экспериментах выявлены лишь отдельные особенности
работы таких балок, нет общей картины деформирования и разрушения образцов и
отсутствует единая методика расчета.
Во второй главе разработана методика построения аналитической диаграммы
работы на сжатие бетона с косвенным армированием. Задавая диаграмму,
состоящую из восходящего и нисходящего участков, наиболее важным является
определение характерных точек: напряжение и деформации в конце восходящей
ветви; напряжение и предельные деформации в конце нисходящей ветви.
Напряжения в конце восходящей ветви предлагается определять на
основании зависимости (1), предложенной Кришаном А.Л.:
10
2
1  
 
 1   xy 
xy
 Rb ;
Rb 3  
 

9

xy

2
 2
 


(1)

 ,

R
 xy   b  s , xy s

Rb

где ψb – коэффициент неравномерности бокового обжатия бетонного ядра (для
прямоугольного сечения ψb=0,375; для круглого сечения ψb=0,95).
Для верификации данной зависимости были обработаны существующие
экспериментальные данные более 300 центрально сжатых образцов, усиленных
сетками косвенного армирования (рисунок 1).
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента К от параметров испытанных образцов на
основании опытных данных различных исследователей: ― – по формуле (1)
Для дальнейшего рассмотрения были отобраны образцы, соответствующие
критериям, обозначенным в первой главе. В таблице 1 представлено сравнение
средних отклонений теоретических значений прочности от опытных для
предлагаемой зависимости и для зависимости из СП 63.13330.2012 «Бетонные и
железобетонные конструкции». Как можно увидеть, для большинства диапазонов
предложенная
формула
обеспечивает
лучшую
сходимость
опытных
и
теоретических значений.
Относительные деформации в вершине диаграммы сжатия предлагается
определять по аналогии с формулой, приведенной в работе Аттарда М.
(с пересчетом на российские нормы):
11

 0,31240,0022 Rb   .
(2)

  b , xy 
n   2,9224  0,00408 Rb   0,9


Rb 


Таблица 1 – Средние отклонения теоретических значений прочности от опытных
 b 03  e n b 0 ;
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Характеристики бетона (Rb),
характеристики косвенной
арматуры (Rs)
Число
опытных
образцов
n

i 1
.
Rbтеор
 Rbоп3 . 100%
3
Rbоп3 .
n
по формуле (1)
Арматура периодического профиля
Rb=10,1-15,4 МПа
5
2,35%
Rs=590-600 МПа
Rb=18,7-25,0 МПа
37
7,19%
Rs=400-654 МПа
Rb=25,5-35,0 МПа
66
9,73%
Rs=400-600 МПа
Rb=38,9-42,9 МПа
14
7,30%
Rs=400-550 МПа
Rb=46,2-58,0 МПа
10
5,65%
Rs=365-445 МПа
Гладкая арматура
Rb=8,0-17,2 МПа
10
7,12%
Rs=729-1008 МПа
Rb=18,4-22,2 МПа
7
10,15%
Rs=283-348 МПа
Rb=27-34,5 МПа
17
5,60%
Rs=300-302 МПа
Rb=45,5-60,4 МПа
22
13,50%
Rs=300 МПа
СП 63.13330.2012,
13,20%
11,23%
13,54%
9,39%
7,96%
21,93%
9,45%
8,20%
9,21%
Усилие бокового обжатия σb,xy в случае косвенного армирования сетками
приложено дискретно по длине элемента и неравномерно в пределах сечения. Это
создает сложности в определении приведенного усилия бокового обжатия σb,xy.
Определить σb,xy можно через коэффициент эффективности косвенного
армирования (бокового обжатия) K по формуле:
K
1
0,1  0,9m
 2,9  lnRb ,
(3)
где m=σb,xy/Rb3.
Для верификации зависимости (2) были отобраны результаты испытаний
центрально сжатых железобетонных элементов с продольным армированием из
12
арматуры класса не выше А-III (современный аналог – А400). На рисунке 2
представлено сравнение опытных деформаций с теоретическими, посчитанными
по формулам (2) и по формулам, предложенным в СП 63.13330.2012.
Рисунок 2 – Сравнение теоретических значений относительной деформации в
вершине диаграммы деформирования с опытными данными:
– по (2);
– по СП 63.13330.2012
Относительные деформации εbu3 в конце нисходящей ветви принимаются в
соответствии с приложением К СП 63.13330.2012.
В итоге получаем совокупность выражений (4) для определения характерных
точек диаграммы сжатия.
2

1  

Rs
 1   xy 
xy
n
Rb 3  
 
  9  xy  Rb ;  xy   b  xy R ;  b 03   b 0e ;
2
 2



b



 0,3124  0,0022 R 

  b , xy 
n   2,9224  0,00408 Rb   0,9
;  b , xy  mRb 3 ;
(4)
.

Rb 



R  Rb
1
K  b3

 2,9  lnRb ;  bu 3  0,8 Rb 3 ;  bu 3   bu e n ; 
mRb 3
0,1  0,9m


Для низких классов бетона с высоким коэффициентом армирования при
b
построении аналитической диаграммы дополнительно вводится горизонтальный
участок εb33-εb03 в конце восходящей ветви:
13
 b 33   b 03 (0,38Rb  3,31)  s , xy  e(0,039 Rb 1)    b 03 .
(5)
На этапе деформирования от 0 до εb33 для восходящей ветви диаграммы
предлагается использовать зависимость в виде многочлена четвертой степени:
 b  p3 b4  p4 b3  p5 b2  p6 b ,
коэффициенты которого находятся из решения системы уравнений:
(6)


0,62 Rb 3  p3 b423  p4 b323  p5 b223  p6 b 23 
(7)
.
Rb 3  p3 b433  p4 b333  p5 b233  p6 b 33

3
2

0  p3 4 b 33  p4 3 b 33  p5 2 b 33  p6

Сравнение аналитических диаграмм, полученных по предлагаемой методике,
Eb 0  p3 4 b313  p4 3 b213  p5 2 b13  p6
с опытными диаграммами из опытов Маткова Н.Г. и Хензела Я. представлено на
рисунке 3.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 3 – Сравнение аналитических и опытных диаграмм сжатия бетона,
усиленного сетками косвенного армирования:
▬ ▪ ▬ – аналитические диаграммы; —— – опытные диаграммы
На основании полученной диаграммы разработана методика расчета
изгибаемых железобетонных элементов с косвенным сетчатым армированием
сжатой зоны и в среде Matlab написана программа для ЭВМ, реализующая данную
методику. Пошагово увеличивая деформации сжатой грани бетона и решая
уравнения равновесия нормального сечения (8)-(9) на каждом шаге, происходит
14
переход между этапами работы 1-5 (рисунок 4), включая работу конструкции после
разрушения защитного слоя.
x1
x
 s As   y( z ) b ( z )dz   (b  c) b 3 ( z )dz ;
0
x
(8)
0
x1
M   y ( z ) b ( z ) zdz   y3 ( z ) b ( z ) zdz   s As (h0  x) ,
0
(9)
0
Этап 1
Этап 5
Рисунок 4 – Схема работы нормального сечения железобетонного изгибаемого,
усиленного сетками косвенного армирования
Расчеты выполняются до момента разрушения образца, когда либо
деформации бетона с косвенным армированием достигнут предельного значения
εbu3, либо деформации арматуры достигнут предельного значения εs2.
На рисунке 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая алгоритм работы
написанной программы для ЭВМ.
Рисунок 5 – Блок-схема программы расчета изгибаемых железобетонных
элементов с косвенным армированием сжатой зоны
15
В третьей главе на первом этапе выбирался наиболее эффективный вариант
косвенного армирования сжатой зоны изгибаемых железобетонных элементов. Для
этого были проведены испытания на центральное сжатие двух серий коротких
(L/d≤4) трубобетонных образцов малого диаметра (рисунок 6), которые
предполагалось в последующем заложить в сжатую зону балок.
В
результате
опытных
анализа
диаграмм
было
установлено, что в балках до
разрушения
можно
защитного
получить
до
слоя
30%
повышения несущей способности
бетона в трубе. Но так как трубы
составляют
порядка
20%
Рисунок 6 – Схема испытаний трубобетонных
образцов и вид образца после испытания
от
предполагаемой площади сжатой зоны, а рост несущей способности балок будет
существенно меньше, чем рост прочности бетона сжатой зоны, то данный вариант
армирования дает незначительный выигрыш, по сравнению со стержневой
арматурой, заложенной в сжатую зону. Ввиду этого, а также необходимости
дополнительных мероприятий для обеспечения сцепления трубы с бетоном такое
армирование было признано менее эффективным для усиления сжатой зоны балок.
Принимая во внимание данный факт, основным для проведения дальнейшего
экспериментального исследования был выбран вариант косвенного армирования
сжатой зоны в виде сварных сеток.
В соответствии с программой экспериментального исследования были
изготовлены и испытаны (рисунок 7) три серии железобетонных балочных
образцов. Каждая серия состояла из эталонного образца без сеток косвенного
армирования и двух образцов с различным процентом косвенного армирования
сжатой зоны в виде сварных сеток. Серии отличались между собой процентом
продольного армирования. Параметры опытных образцов представлены в
таблице 2.
16
Рисунок 7 – Схема испытания образцов балок:
П – прогибомер; М – мессура на основе индикатора часового типа; 114 – тензорезисторы
Таблица 2 – Фактические параметры опытных образцов
Шифр
образца
h,
см
h 0,
см
b,
см
c,
см
c3, Rb,
Eb0,
см МПа МПа•103
As,
см2
Rs,
МПа
μs,xy
Rs,xy,
МПа
БС-I-0
БС-I-1
БС-I-2
БС-II-0
БС-II-1
БС-II-2
БС-III-0
БС-III-1
БС-III-2
19,7
19,8
19,9
19,9
19,8
20,0
20,0
20,0
20,1
16,4
16,5
16,6
16,1
16,0
16,2
15,8
15,8
15,9
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
1,4
1,5
1,4
1,6
1,6
1,7
7,33
7,33
7,33
9,43
9,43
9,43
12,4
12,4
12,4
439
439
439
437
437
437
411
411
411
0
0,025
0,05
0
0,025
0,05
0
0,025
0,05
492
492
492
492
492
492
Разрушение
образцов
28,4
28,4
28,4
30,1
30,1
30,1
28,6
28,6
28,6
прототипов
30,9
30,9
30,9
31,4
31,4
31,4
30,9
30,9
30,9
произошло
так,
как
и
было
запроектировано. Потеря несущей способности фиксировалась либо при
достижении арматурой деформаций текучести, либо при разрушении сжатой зоны.
В любом случае фактическое разрушение образцов завершалось хрупким
раздроблением бетона сжатой зоны (рисунок 8).
У образцов с сетками характер разрушения принципиально отличался
(рисунок 9). При достижении в зоне чистого изгиба значения момента Mр.з.
происходило отслоения бетона защитного слоя, что сопровождалось некоторым
падением несущей способности (до 15%) и скачком прогибов. При дальнейшем
нагружении с ростом прогибов по всем образцам наблюдался некоторый рост
несущей способности, а далее, в зависимости от шага сеток, происходило: в
образцах с сетками С1 (шаг 5см) плавный рост несущей способности и только при
больших значениях прогибов начиналось ее плавное падение; в образцах с сетками
17
С2 (шаг 8см) – плавное падение несущей способности. Плавное падение несущей
способности можно объяснить выкрашиванием бетона в промежутках между
сетками при больших прогибах.
Нагружение завершалось либо при исчерпании запаса хода гидроцилиндра,
либо при существенном выкручивании опорной пяты гидроцилиндра и
невозможности дальнейшего корректного приложения нагрузки. Вплоть до конца
испытания несущая способность падала плавно без существенных скачков.
Единственным исключением стал образец БС-III-2, в котором произошел разрыв
сеток по сварке, но это произошло при больших прогибах, которые существенно
превышали 80мм. После этого на данном участке началось интенсивное
выкрашивание бетона и быстрое нарастание кривизны.
Рисунок 8 – Образец без сеток после испытания
Рисунок 9 – Образец с сетками после испытания
После отслоения защитного слоя бетона продолжался рост прогибов с
сохранением высокой остаточной несущей способности (для испытанных образцов
минимум 76% при 80 мм прогиба).
С ростом площади продольного армирования возрастает влияние сеток
косвенного армирования на работу сжатой зоны, о чем свидетельствуют
относительные деформации стержней сеток, которые составили: для балок серии
БС-I – 0,0009…0,0012; для балок серий БС-II и БС-III – 0,0015…0,0017.
Деформации стержней сеток не превышали предел текучести вплоть до момента
разрушения защитного слоя, т.е. стержни сеток работали в упругой стадии.
18
Снижение прогибов для образцов с сетками составило 7,2…14,4% в
зависимости от коэффициента косвенного армирования и площади продольного
армирования.
Повышение значения изгибающего момента, соответствующего разрушению
защитного слоя (т.е. окончанию стадии нормальной эксплуатации) относительно
образцов без косвенного армирования, составило 11…33% в зависимости от
коэффициента косвенного армирования и площади продольного армирования.
Характерные значения изгибающих моментов представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Характерные значения изгибающих моментов для опытных образцов
Маркировка
образца
БС-I-0
БС-I-1
БС-I-2
БС-II-0
БС-II-1
БС-II-2
БС-III-0
БС-III-1
БС-III-2
Mcrc,
кНм
9,3
10,0
10,2
Mult,
кНм
Mр,з,,
кНм
Mост,80/Mр,з,
Mр,з,/Mult
38,9
45,2
39,6
-
43,2
43,1
53,2
56,4
48,1
52,5
0,76
1,06
0,83
1,07
0,89
1,11
1,11
1,11
1,18
1,25
1,21
1,33
В четвертой главе был произведен нелинейный статический расчет конечноэлементных моделей балок, соответствующих опытным образцам. КЭ модели
собирались в пре/постпроцессоре Femap 11.1.1. В качестве решателя использовался
NX Nastran. Для продольной арматуры использовалась приведенная диаграмма,
учитывающая влияние трещин в растянутой зоне. Для бетона, усиленного сетками
косвенного армирования, использовалась предложенная во второй главе
криволинейная диаграмма. Получена хорошая (качественная и количественная)
сходимость характера деформирования расчетных моделей с экспериментальным
данным.
Было произведено сравнение полученных экспериментальных данных с
результатами расчетов несущей способности и кривизны на различных этапах
нагружения. Несущая способность считалась по криволинейным диаграммам в
написанной в среде Matlab программе для ЭВМ и инженерным методом по
19
упрощенным линеаризованным диаграммам, в основу которых положена
трехлинейная диаграмма состояния сжатого бетона из СП 63.13330.2012 с учетом
предложенных во второй главе зависимостей для определения параметрических
точек.
Таблица 4.4 – Сравнение экспериментальной и теоретической несущих
способностей балок
M ultт. , кНм
Шифр
образца
M ultоп. ,
кНм
(по
криволинейным
диаграммам)
БС-I-0
БС-I-1
БС-I-2
БС-II-0
БС-II-1
БС-II-2
БС-III-0
БС-III-1
БС-III-2
38,9
43,2
43,1
45,2
53,2
56,4
39,6
48,1
52,5
40,2
41,3
41,7
44,7
48,4
49,7
43,2
47,0
48,3
M ult  M ult
т.
M ultт. , кНм
оп .
оп .
M ult
+3,3
-4,4
-3,2
-1,1
-9,0
-11,9
+9,1
-2,3
-8,0
100%
(по
линеаризованным
диаграммам)
39,7
41,1
42,2
43,8
47,6
50,1
42,2
46,9
51,3
M ult  M ult
т.
оп .
оп .
100%
M ult
+2,1
-4,9
-2,1
-3,1
-10,5
-11,2
+6,6
-2,5
-2,3
Расчет кривизны в Matlab был произведен на всех этапах работы
конструкции, включая стадию после разрушения защитного слоя. При этом для
диаграммы арматуры учитывалась стадия текучести, а для бетона с косвенным
армированием – нисходящая ветвь. Расчет по всем образцам завершился при
достижении деформациями сжатой зоны значения εbu3. Сравнение результатов
расчета с экспериментальными данными для образцов с сетками серии III
представлено на рисунке 10. Характер деформирования образцов по результатам
расчетов хорошо (с некоторым запасом) соотносится с результатами эксперимента.
Также в главе приведен пример ручного расчета балок эквивалентной
несущей способности с сетками в сжатой зоне и без. В образце с сетками показана
экономия стали и отсутствие опасности хрупкого разрушения при использовании
бетонов высокой прочности.
20
300
а)
P, кН
300
200
200
100
100
f, мм
0
0
10
20
30
40
P, кН
б)
f, мм
0
0
50
10
20
30
40
50
Рисунок 10 – Зависимость прогибов f от приложенной нагрузки P для БС-III-1 (а)
и БС-III-1 (б): ▬ ▬ – эксперимент; ▬▬ – Matlab
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На
основании
проведенных
экспериментальных
и
теоретических
исследований изгибаемых железобетонных элементов с косвенным армированием
сжатой зоны при действии статической нагрузки, а также анализа опытных данных,
полученных другими авторами, можно заключить что поставленная цель
диссертационного исследования выполнена в полною объеме. Основные выводы
проведенного исследования:
1. Установка сварных сеток признана эффективным вариантом косвенного
армирования сжатой зоны железобетонных балок.
2. По результатам проведенного эксперимента до разрушения защитного
слоя снижение прогибов для балок с сетками составило 7,2…14,4% в зависимости
от коэффициента косвенного армирования сжатой зоны и площади продольного
армирования.
3. По результатам проведенного эксперимента повышение значения
изгибающего момента, соответствующего разрушению защитного слоя для балок с
сетками, составило 11…33% в зависимости от коэффициента косвенного
армирования и площади продольного армирования.
4. Косвенное
сетчатое
армирование
сжатой
зоны
меняет
характер
разрушения балок, значительно удлиняя пластическую стадию работы. При этом
на порядок возрастают предельные прогибы с сохранением высокой остаточной
несущей способности (для испытанных образцов минимум 76% при 80мм прогиба).
5. Разработана методика построения диаграммы сжатия, которая может
применяться для расчетов различных конструкций с косвенным армированием.
21
Обозначены параметры косвенного армирования, обеспечивающие повышение
прочностных и деформационных характеристик сжатого бетона, а также
сходимость экспериментальных и теоретических значений: S≤150мм; S≤0,8hef;
dx(y)≤8мм.
6. Предложенная диаграмма позволяет корректно моделировать работу
железобетонных элементов с косвенным армированием в расчетных комплексах,
реализующих метод конечных элементов, что подтверждается произведенными
расчетами в Femap-Nastran.
7. Разработана методика, позволяющая по предложенным диаграммам
вычислять напряжения и деформации для балок с косвенным армированием на
различных этапах нагружения, и в среде Matlab написана программа для ЭВМ,
реализующая предложенную методику.
8. Для
инженерных
расчетов предложен
прямой
алгоритм расчета
изгибаемых железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны
на основе линеаризованных диаграммам деформирования бетона.
9. Произведенные
расчеты
по
предложенным
методикам
показали
удовлетворительную сходимость результатов расчета деформаций и несущей
способности с экспериментальными данными.
Перспективы дальнейшей разработки темы
На основании проведенных исследований можно наметить следующие
направления
для
дальнейшего
изучения
и
использования
изгибаемых
железобетонных элементов с косвенным армированием:
1. Проведенные эксперименты и расчеты свидетельствуют об изменении
характера разрушения железобетонных балок с сетками в сжатой зоне и наличии
продолжительной стадии пластического деформирования после разрушения
защитного слоя с сохранением высокой несущей способности. Данное
обстоятельство позволяет применять такие элементы в зданиях со статически
неопределимой конструктивной схемой. В случае запроектных или аварийных
воздействий на элемент (например, прогрессирующего обрушения) наличие
запасов
по
деформациям
и
отсутствие
22
хрупкого
разрушение
позволит
перераспределить усилия на другие менее нагруженные элементы здания и
избежать
обрушения.
Данный
вопрос
требует
выбора
рациональной
конструктивной схемы, разработки узлов и определения зон для размещения сеток
косвенного армирования.
2. Для более полного использования стадии пластического деформирования
требуется совершенствование нисходящей ветви аналитической диаграммы сжатия
бетона с косвенным армированием (в частности, предельных деформаций) и
выявление влияния шага сеток на возможность выкрашивания бетона сжатой зоны
при больших значениях кривизны.
3. В случае размещения сеток косвенного армирования не по всей высоте
сжатой зоны изгибаемых элементов, а локально в местах наибольших напряжений,
и при этом использования стадии работы после разрушения защитного слоя,
видится возможным отслоение участка сжатой зоны с сетками с образованием
продольной трещины. Данный вопрос требует дальнейшего изучения и
обоснования необходимости постановки дополнительных связей между сетками
сжатой зоны и продольным армированием.
ПУБЛИКАЦИИ
Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Тамразян А.Г. К расчету плоских железобетонных перекрытий с учетом
фактической жесткости сечения / А.Г. Тамразян, И.К. Манаенков // Научное
обозрение. – 2015. – № 8. – С. 87-92. – 0,31 п.л. (авторский вклад –0,15 п.л.)
2. Тамразян А.Г. К расчету изгибаемых железобетонных элементов с
косвенным армированием сжатой зоны / А.Г. Тамразян, И.К. Манаенков //
Промышленное и гражданское строительство. – 2016. – № 7. – С. 41-44.
– 0,3 п.л. (авторский вклад –0,13 п.л.)
3. Тамразян А.Г. Испытание трубобетонных образцов малого диаметра с
высоким коэффициентом армирования / А.Г. Тамразян, И.К. Манаенков //
Строительство
и
реконструкция.
– 0,31 п.л. (авторский вклад –0,15 п.л.)
23
– 2017.
– №4 (72).
– С. 57-62.
4. Манаенков И.К. К совершенствованию диаграммы сжатого бетона c
косвенным армированием / И.К. Манаенков // Строительство и реконструкция.
– 2018. – № 2 (76). – С. 41-50. – 0,49 п.л. (авторский вклад –0,49 п.л.)
Материалы, опубликованные в других научных изданиях:
5. Манаенков И.К. Учет свойств ограниченного бетона в российских нормах
проектирования бетонных и железобетонных конструкций / И.К. Манаенков //
Новая наука: Стратегии и векторы развития. – 2015. – № 4. – С. 89-92.
– 0,21 п.л. (авторский вклад –0,21 п.л.)
6. Тамразян А.Г. Проблемы расчета железобетонных изгибаемых элементов
с косвенным армированием / А.Г. Тамразян, И.К. Манаенков // В сб.: Современные
проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на
аварийные воздействия. Под ред. А.Г. Тамразяна, Д.Г. Копаницы. – НИУ МГСУ,
2016. – С. 421-424. – 0,2 п.л. (авторский вклад –0,1 п.л.)
7. Тамразян А.Г. К расчету плоских железобетонных перекрытий при
локальном приложении нагрузки / А.Г. Тамразян, И.К. Манаенков // В сб.:
Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. – Курский
государственный университет, 2017. – С.154-159. – 0,3 п.л. (авторский вклад –
0,14 п.л.)
8. Манаенков И.К. Напряженное состояние изгибаемых железобетонных
элементов с учетом деформативности сжатой зоны, усиленной косвенным
армированием / И.К. Манаенков, А.Г. Тамразян // В сб.: Теория и практика
исследований и проектирования в строительстве с применением систем
автоматизированного
проектирования
(САПР).
БрГТУ,
2018.
С. 90-98.
– 0,44 п.л. (авторский вклад – 0,3 п.л.)
9. Тамразян А.Г. Нелинейный расчет железобетонных элементов с
косвенным армированием / А.Г. Тамразян, И.К. Манаенков // Свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018611497. 2 февраля 2017
года
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа