Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Хунагов Руслан Азметович

Двухслойные железобетонные панели с комбинированным преднапряжением арматуры

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону 2012

Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ростовский государственный строительный университет

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Маилян Дмитрий Рафаэлович

Официальные оппоненты: профессор кафедры строительных конструкций Сочинского государственного университета, доктор технических наук, профессор Пересыпкин Евгений Николаевич декан факультета строительства и управления недвижимостью Кубанского государственного технологического университета кандидат технических наук, доцент Крамской Владимир Петрович

Ведущая организация: ООО СевКавНИПИагропром

Защита состоится л18 мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая,162, корпус 1, ауд. 232. Т/ф 8(863)2635310, e-mail:

dissovet@rgsu.donpak.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан л17 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Налимова А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из недостатков бетона является то, что масса изготовленных из него конструкций велика по сравнению с полезной нагрузкой, которую они могут нести; поэтому даже небольшое снижение массы конструкций может привести к существенному техникоэкономическому эффекту.

Сжатые железобетонные элементы, в т.ч. панели-весьма ответственный элемент конструкций зданий и сооружений, на который могут опираться вышележащие конструкции. Их надежная работа обеспечивает не только возможность нормальной эксплуатации зданий и сооружений, но нередко и само существование последних.

Повышение эффективности таких конструкций возможно как за счет использования более совершенных конструктивных форм, так и за счет уточнения существующих методов расчета.

Следует отметить, что исследования, выполненные в последние годы в России и за ее пределами, касались в основном сжатых слоистых железобетонных элементов с обычным и реже предварительно напряженным армированием. Вместе с тем очевидно, что в ряде случаев весьма эффективными будут сжатые слоистые железобетонные элементы с комбинированным армированием, когда арматура растянутой зоны подвергается предварительному растяжению, а арматура сжатой зоны- предварительному сжатию.

В таких конструкциях значительный экономический эффект достигается за счет снижения материалоемкости и массы, что ведет за собой снижение транспортных расходов, стоимости конструкции в деле.

Кроме того, использование конструкций, одновременно выполняющих несущие и теплоизолирующие функции, позволит повысить полносборность сооружения за счет сокращения номенклатуры применяемых изделий, сократить число монтажных элементов и т.д.

Цель работы - совершенствование методов расчета двухслойных железобетонных панелей с комбинированным преднапряжением арматуры;

получение новых экспериментальных данных о работе указанных конструкций под нагрузкой и установление областей их наиболее рационального применения.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований гибких двухслойных железобетонных панелей с разнозначно преднапряженной арматурой;

- конечно-элементную модель такой конструкции, позволяющую анализировать ее устойчивость с учетом трещинообразования, нелинейности деформирования разных бетонов, физических параметров конструкции;

- алгоритм расчета критической нагрузки при шаговом методе на основе аппроксимации расчетных характеристик вблизи предельного состояния;

- методику определения приведенного сечения двухслойной гибкой внецентренно сжатой панели с учетом уровня нагружения;

- предложения по расчету железобетонных элементов, содержащих предварительно сжатую арматуру при обоих случаях расчета, состоящие из предложенных формул для определения предельно допустимых значений предварительных сжимающих напряжений в арматуре при которых отсутствуют или имеют ограниченную ширину раскрытия технологические трещины;

- усовершенствованную методику расчета двухслойных панелей по образованию трещин, разработанную с учетом предложенных эпюр нормальных напряжений, учете влияния продольной силы и изменения свойств бетонов при предварительных воздействиях;

- программу деформационного расчета двухслойных железобетонных панелей с реализованными в ней предложениями автора по определению коэффициента приведения, усилий трещинообразования и др.;

- результаты анализа влияния различных факторов на работу двухслойных железобетонных панелей и установление границы рационального использования таких конструкций при различных гибкостях и эксцентриситете внешней силы.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается статистической обработкой опытных данных автора, а также результатов численного эксперимента с расширенными границами варьирования изучаемых факторов.

Научная новизна работы:

- получены и проанализированы новые экспериментальные данные о несущей способности, деформативности и трещиностойкости двухслойных железобетонных панелей с разнозначно преднапряженной арматурой;

- построена конечно-элементная модель такой конструкции, которая позволяет проводить анализ ее устойчивости с учетом нелинейного деформирования тяжелого и легкого бетонов и трещинообразования в зависимости от геометрических характеристик и физических параметров конструкции, а также установить условия оптимальной несущей способности;

- разработан алгоритм определения критической нагрузки при шаговом расчете на основе аппроксимации расчетных характеристик вблизи предельного состояния;

- разработана методика определения приведенного сечения двухслойной панели с комбинированным преднапряжением арматуры с учетом уровня нагружения;

- предложена формула для определения предельно допустимых значений предварительных сжимающих напряжений в арматуре, при которых в элементах с комбинированным преднапряжением технологические трещины отсутствуют или имеют ограниченную ширину раскрытия, которые используются в откорректированной методике расчета прочности нормальных сечений двухслойных панелей;

- предложена усовершенствованная методика расчета двухслойных панелей по образованию трещин, основанная на предлагаемых эпюрах нормальных напряжений, учета влияния продольных сил и изменении свойств тяжелого и легкого бетонов от предварительных напряжений;

- проанализировано влияние различных факторов на работу двухслойных железобетонных панелей с комбинированным армированием и построены области прочности таких конструкций на основе результатов численного эксперимента, выполненного по разработанной программе деформационного расчета конструкций на ЭВМ;

Практическая ценность работы. Разработаны практические рекомендации по проектированию двухслойных железобетонных панелей с комбинированным преднапряжением арматуры. Определены области рационального применения комбинированного армирования в двухслойных панелях, использование которых позволит в зависимости от гибкости конструкции и эксцентриситета внешней силы проектировать панели наиболее рационально и экономично.

Разработана программа деформационного расчета двухслойных панелей, пригодная для практического использования в проектной практике.

Внедрение результатов работы. Рекомендации по проектированию двухслойных железобетонных панелей с комбинированным преднапряжением арматуры и программа деформационного расчета таких конструкций используется в проектной практике в проектных организациях ООО СевКавНИПИагропром, ООО Югстройпроект и др.

Результаты исследований автора внедрены также в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, ЮжноРоссийском федеральном университете, Майкопском государственном технологическом университете - они включены в лекционные курсы по железобетонным конструкциям, в спецкурс, дипломное проектирование и научно-исследовательскую работу студентов.

Апробация результатов. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях Строительство-2010, Строительство-2011, Строительство-2012 Ростовского государственного университета в 2010-2012гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 печатных работ, из них 3-в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАКом РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 184 страницах, содержит 12 таблиц, 58 рисунков, библиографический список из 91 наименования.

Работа выполнена при научных консультациях кандидата технических наук, доцента Польского Петра Петровича.

Содержание работы В первой главе приведен обзор известных методов расчета многослойных железобетонных конструкций, выполнен анализ существующих исследований работы сжатых железобетонных элементов под нагрузкой, приведены конструктивные решения железобетонных элементов, обеспечивающих снижение расхода стали. Совместную работу различных бетонов в едином сечении исследовали: Б.В. Горенштейн, В.С. Денисов, А.А. Евдокимов и Л.Н. Брускова, И.Л. Жодзишский и В.Г. Золотухин, Н.А.

Корнев и А.А. Акбаров, А.А. Кудрявцев, Ю.С. Беленький, А.Э.Лопато, Е.В.

ысенко, В.И. Майоров, Ю.И. Мешкаускас, Н.В. Морозов, НЛ. Спивак и Ш.А. Акбулатов, А.М. Окландер и В.И. Лишак, В.К. Осипов и В.Г.Акопов, И.Д. Передериенко, Я.Г. Сунгатуллин, Н.Г. Стулий и др. Выполненные работы носят, в основном, экспериментальный характер, исследования проводились для двух видов сечений: двухслойных с расположением бетона низкой прочности в сжатой или растянутой зонах и трехслойных. В этих работах выполнены расчеты многослойных железобетонных конструкций как для сплошных приведенного таврового или двутаврового сечений без учета сдвига. Однако отсутствует единое мнение о том, через какие прочностные или деформативные характеристики осуществлять переход к приведенному сечению на различных стадиях напряженнодеформированного состояния конструкций.

Исследования А.Г. Азизова, В.Я. Бачинского и А.Н. Бамбуры, В.Н.

Бойцова, Л.А. Вайцекаускаса, А.А. Гвоздева, А.Б. Голышева,В.Н. Гусакова, В.Г. Житушкина, В.Г. Казачка, А.Н. Ковальского, К.К. Лазаревичуса, Г.А. Лакюнаса, Д.Р. Маиляна, Н.Ф. Махновского, И.Н. Набокова, Д.Н. ПекусСахновского, Т.М. Пецольда, А.А. Светова, В.В. Симейко, В.И. Чернобаева, Е.А. Чистякова, У. Алкока, С. Арони, К.И. Брауна, А. Кабайло, Н.Д. Натана и др. показали, что с целью повышения эффективности использования высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных элементах в одних случаях ее следует подвергать предварительному растяжению, а в других - предварительному сжатию. Для элементов средней гибкости при определенном диапазоне эксцентриситетов внешней силы наиболее рационально сочетать в сечении предварительно растянутую и предварительно сжатую арматуру (комбинированное преднапряжение).

Наличие предварительно растянутой арматуры позволяет повысить жесткость сечений и снизить прогибы, а наличие предварительно сжатой - повысить предельные напряжения в ней и сократить количество арматуры.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований двухслойных железобетонных панелей с комбинированным армированием. Программа исследования включала в себя 20 железобетонных панелей, из которых 12 имели ненапрягаемую продольную арматуру, а 8 - разнозначно преднапряженную.

Все образцы изготавливались двухслойными из тяжелого бетона прочностью 25 МПа, и керамзитобетона прочностью 15 МПа. Опытные образцы армировались одинаково: сталью класса А800 диаметром 12 мм.

Варьируемыми факторами в проведенных экспериментальных l0 / h исследованиях являлись следующие: гибкость ( ) - 5,4; 15 и 20; - e0 / h относительный эксперимент внешней силы - 0; 0,15; 0,3 и 0,5; - уровень предварительного растяжения арматуры растянутой зоны и sp предварительного сжатия арматуры сжатой зоны ; и spc sp 700 МПа; и 400МПа.

spc Панели имели сечения размером 200х150 мм и длину 3000 мм (гибкие) 2250 мм (средней гибкости) и 810 мм (короткие).

e / h 0,Опытные панели с разрушились в результате раздробления бетона сжатой зоны, при этом напряжения в арматуре, более удаленной от линии действия внешних сил, не достигали условного предела текучести.

e Панели при =0 разрушались от общей потери устойчивости, остальные панели - при исчерпании лустойчивой прочности. Увеличение 5,4 гибкости панелей с до привело к снижению h h максимального продольного усилия, воспринимаемого конструкцией в 1,9Е2,5 раз. Степень снижения несущей способности конструкций при увеличении гибкости существенно зависит от относительного эксцентриситета внешней силы и комбинированного преднапряжения арматуры.

Отношение несущей способности гибкой двухслойной панели ( 15 и 20) к соответствующей короткой ( 5,4) при h h ГИБ КОР e / h 0 N / N 0,35... 0,имеет наименьшее значения, 0 u u т.е. в этом случае наблюдается самое существенное влияние гибкости на несущую способность двухслойных железобетонных панелей. С увеличением относительного эксцентриситета внешней силы отношение ГИБ КОР N / N повышается.

u u Проведенные исследования подтвердили условие целесообразности неравномерного предварительного напряжения гибких железобетонных элементов, которое для стоек шарнирными опорами можно представить следующим образом:

e kf >, (1) 0 B e f где - осевой эксцентриситет продольного усилия, - выгиб по 0 В k середине элемента, вызванный неравномерным преднапряжением; - коэффициент, зависящий от свободной длины элемента, жесткости сечения и величины внешнего продольного усилия.

Проведенные исследования показали, что если условие (1) соблюдается, наличие начального выгиба существенно повышает относительную трещиностойкость и уменьшает прогибы элементов, при чем положительный эффект наблюдается с увеличением относительного эксцентриситета до 0,5.

eС ростом эффективность создания начального выгиба гибких железобетонных панелей будет снижаться. Это вызвано тем, что при eувеличении отношение усилия, погашающего предварительный выгиб exp exp f f N / N (при ) к максимальному будет уменьшаться. Т.е. с b ПОГ u ростом эксцентриситета внешней силы несущая способность панелей с комбинированно преднапряженной арматурой приближается к несущей способности обычных панелей, но всегда остается выше последней.

e0 / h Увеличение снижает относительный уровень усилий exp exp N / N e0 / h трещинообразования =0Е0,5 в панелях с crc u. При exp exp N / N комбинированным армированием величина оказалась выше, crc u чем в обычных панелях.

С увеличением гибкости относительный уровень усилий exp exp N / N трещинообразования уменьшается.

crc u Увеличение относительного эксцентриситета внешней силы привело к некоторому повышению максимального приращения продольных относительных деформаций крайнего волокна растянутой зоны бетона max e0 / h. Это вызвано тем, что с увеличением повышается связность bt деформирования и степень реализации полной диаграммы растяжения max бетона. По этой же причине величина снижалась с уменьшением bt гибкости опытных железобетонных панелей.

При уровнях внешней нагрузки, близких к эксплуатационной cp М / М a ( 0,8) средняя ширина раскрытия трещин в гибких панелях с и crc e0 / h преднапряженной арматурой при 0,15 оказалась выше, чем в обычных, т.к. в гибких железобетонных панелях с предварительно напряженной арматурой высота сжатой зоны имеет более низкие значения по сравнению с ненапряженными элементами. Это вызывает повышенную депланацию сечений с трещинами, что приводит к увеличению высоты трещин и ширины их раскрытия на уровне арматуры.

При уровнях внешней нагрузки М >0,9 Ми влияние комбинированного преднапряжения арматуры на среднюю ширину раскрытия трещин несколько снижается. Вместе с тем при одинаковых абсолютных значениях cp a действующих усилий М(N) величина в панелях с комбинированным crc армированием на 15-25% ниже, чем в обычных ненапряженных.

С увеличением относительного эксцентриситета внешней силы при одинаковых уровнях внешней нагрузки средняя ширина раскрытия трещин повышается. Причина этого явления в том, что с увеличением эксцентриситета прирост напряжений в арматуре при трещинообразовании несколько повышается. Это вызывает удлинение арматуры в сечении с трещиной, что в свою очередь ведет к нарушению сцепления арматуры с бетоном на большей длине.

С увеличением относительного эксцентриситета внешней силы приращение продольных относительных деформаций крайнего сжатого волокна бетона возрастает. Это объясняется повышением степени b неоднородности деформирования и связанного с этим более полного перераспределения внутренних усилий. Снижение гибкости конструкций с = 20 до = 5,4 приводит к уменьшению их прогибов, степени h h пр перераспределения внутренних усилий и, как следствие, величины.

b В элементах с комбинированным преднапряжением арматуры при прочих равных условиях (относительном эксцентриситете внешней силы и пр гибкости) величина оказалась меньше, чем с обычным b ненапряженным армированием.

При e0 0,15 прогибы панелей с комбинированным армированием оказались меньше, чем у элементов с обычным армированием. При этом наиболее существенные расхождения наблюдались в эксплуатационной стадии работы конструкций (N/Nu= 0,6...0,7). Причина этого - наличие начального выгиба, на погашение которого идет часть внешней нагрузки. В стадиях, близких к разрушению, различия в прогибах панелей несколько уменьшаются.

В третьей главе диссертации представлены результаты моделирования устойчивости железобетонной панели методом конечного элемента. В качестве пакета МКЭ - анализа был выбран ANSYS, позволивший провести описание поведения железобетона, характеризующегося физической нелинейностью, неоднородностью свойств, в том числе различным поведением при растяжении-сжатии, трещинообразованием, а также реализовать параметрическую оптимизацию конструкции.

Общая схема исследования конструкции представлена на рис.1.

На начальном этапе решения задачи был проведен анализ устойчивости двухслойной панели в линейной постановке с целью определения начального уровня критической нагрузки и оптимального размера конечного элемента.

Для выбора размера сетки использовано сравнение результатов по величине критической силы решения задачи о потере устойчивости для рассматриваемой пространственной конструкции и стержневой и оболочечной моделей. Второй критерий основывался на выявлении сходимости результатов решения исследования конструкции при действии заданного усилия с уменьшением размеров сетки.

Нелинейный анализ устойчивости двухслойной панели проведен на основе построения двух моделей.

инейный анализ устойчивости пространственная модель двухслойной стержневая модель оболочки модель - начальный уровень критической нагрузки - оптимальный размер конечного элемента Нелинейный анализ устойчивости упруго-пластическая модель модель нелинейного трещинообразования деформирования выбор оптимального шага нагружения (приращения нагрузки ) шаговый расчет до достижения предельного роста эквивалентных пластических деформаций или перемещений определение критического усилия по аппроксимационной формуле Рис. 1 Схема линейного и нелинейного анализа устойчивости Модель 1. При описании нелинейного поведения материала с учетом пластических деформаций с различными пределами прочности на растяжение и сжатие, модели данного типа опирались на использование трехмерного объемного элемента SOLID185 и трехмерного стержневого элемента LINK8. При этом усилия в предварительно напряженной арматуре задавались с использованием вводимого начального удлинения (ISTRN) стержня арматуры.

Рис. 2. Конечно-элементная модель исследуемой конструкции Модель 2- хрупкого разрушения материала, учитывающего процессы трещинообразования и дробления. В данной модели использовались трехмерный объемный элемент SOLID65 и трехмерный стержневой элемент LINK8. В этом случае вводится критерий разрушения бетона при сложном напряженном состоянии в виде:

F(1,2,3) / fc S 0, (2) где F - функция состояния главных напряжений (1,2,3) ;

S - поверхность разрушения, определяемая значениями главных напряжений и параметрами ft, fc, fcb, f1 и f2 [K.J. Willam, E.D. Warnke].

Существенно, что при приближении к состоянию потери устойчивости (разрушению) для достижения необходимой степени точности получаемых решений требуется уменьшение шага по приращению нагрузки (времени). В этом случае можно использовать процедуры автоматического контроля за изменением шага. Однако во многих случаях проведенных расчетов железобетонной панели это приводило к существенному увеличению времени расчетов, а в некоторых случаях - к потере точности определения критической нагрузки. Поэтому для оценки характера сходимости процедуры получения решения по обратной схеме Эйлера был предложен алгоритм расчета критического усилия по характеру поведения пластических деформаций (модель 1) или перемещений (модель 2) вблизи предельного состояния:

1. Предварительно выбирается постоянный шаг нагружения (приращения нагрузки), исходя из скорости сходимости внутренних итерационных процессов схемы Эйлера.

2. При увеличении нагрузки с выбранным шагом контролируется скорость роста эквивалентных пластических деформаций путем достижения pl величиной n некоторого предельного значения.

3. По последним трем шагам расчета: n 2,n 1,n со значениями критических усилий Pn2, Pn1, Pn вводится аппроксимация развития пластических деформаций: *pl (P) A B ln(Pkp P ), приводящая к отысканию величины критического усилия Pkp из нелинейного уравнения.

*pl Pkp Pn Pkp Pn1 n / ln ln.

Pkp Pn1 Pkp Pn2 *pl n Соответствующие расчеты по п.3 проводились в системе MathCad.

В качестве примера расчета на рис. 43 приведены характеристики эквивалентных пластические деформации двухслойной панели высотой 2.25 м.

Рис. 3. Эквивалентные пластические деформации В соответствии с выбранными диапазонами изменения геометрических параметров конструкции и характера ее нагружения был проведен системный анализ элементов напряженно-деформированного состояния и расчета критической нагрузки, основными элементами которого являлись:

- исследование влияния эксцентриситета приложения нагрузки;

- влияние длины двухслойной панели;

- влияние учета предварительных напряжений конструкции;

- варьирование толщиной слоев конструкции.

На рисунках 4-5 показаны расчетные и экспериментальные зависимости величины критического усилия от безразмерного эксцентриситета приложения нагрузки e0/(t1+t2).

Установлено, что с увеличением высоты железобетонной панели становится выраженным существование максимума характеристик при ненулевом значении эксцентриситета. Указанный характер поведения еще более усиливается при учете преднапряжений арматуры, что видно из рис. 5, соответствующего высоте панели b=3.0 м Рис. 4. Без учета предварительных напряжений Рис. 5 Учет преднапряжений В четвертой главе рассматриваются вопросы совершенствования расчета двухслойных внецентренно сжатых панелей с разнозначно напряженной арматурой. Напряженно-деформированное состояние сечений различно при расчете потерь преднапряжения, усилий трещинообразования, прогибов и прочности. Поэтому приведенное сечение, а также напряжение в арматуре и бетоне целесообразно вычислять с помощью отношения секущих модулей деформации тяжелого и легкого бетона, учитывающего уровень напряжений.

Отношение призменной прочности двух видов бетона, совместно работающих в двухслойной конструкции, есть отношение их секущих модулей деформаций при исчерпании несущей способности:

Rbl bl E' E' Rbl bl E ' bl bl bl , (3) Rb b E' E' Rb b E ' b b b где коэффициенты учитывают изменения соответствующих характеристик при предварительном напряжении.

Из условий совместности деформирования получим:

b bl s E' E' Es. (4) E' b E' bl b,1 bl При этом усилие N, действующее на любой стадии загружения образца, можно выразить зависимостью:

E' b Abl b Es As E' bl bl N b Ab . (5) E ' E' E' b E ' b b b Напряжение в слое тяжелого бетона может быть вычислено по выражению:

N E' E' b b b Es As 2Ab E' E' Abl, (6) E' b E' bl b bl где знаменатель представляет собой площадь приведенного к более прочному тяжелому бетону двухслойного сечения:

E' Abl Es As E' bl bl Ared Ab s As Ab bl Abl, (7) E' E' E' b E' b b b s Es / E' bl E' / E' где ;

E' b E' bl E' b b bl b. (8) По аналогии с выражением (7) момент инерции приведенного сечения можно выразить следующим образом:

Ired Ib bl Ibl s Is (9).

Отношение модулей деформации бетонов различных видов зависит от уровня нагружения, так как с ростом напряжений развитие неупругих деформаций в тяжелом и легком бетонах развивается по различным законам.

b / Rb Так, при < 0,3, т.е. в начале загружения тяжелый бетон Rb работает практически в упругой стадии, при этом легкий также работает упруго. В самом деле, отношение призменной прочности тяжелого и легкого Rb / Rbl бетонов в нашем случае составляет около 1,5...1,8, тогда Rb Rbl b bl, то при как отношение модулей упругости Ч 2Е2,5. Поскольку / Rbl b / Rb упругой работе тяжелого бетона получаем <. В bl Rbl Rb этой стадии работы конструкции отношения модулей деформаций тяжелого и легкого бетонов постоянны и равны отношению их начальных модулей упругости. В дальнейшем по мере повышения внешней нагрузки при b / Rb > 0,3 отношение модулей деформации изменяется, т.е. является Rb функцией уровня загружения.

В соответствии с полученными данными были построены зависимости секущих модулей деформации тяжелого и легкого бетонов от относительного уровня напряжений. Опытные точки с некоторым приближением могут быть аппроксимированы в расчетную прямую:

b / Rb -при > 0,Rb E' Eb 1,32 / Rb 0,3 Eb Rb Es / Rsc E' b E' b Rb Eb Rb b b,(10) / Rbl -при > 0,bl Rbl E' Eb,1 3,8 / Rb,1 0,75 Eb,1 Rb,1 E / R E ' b,1 E ' b,1 Rb,1 Eb,1 Rb,1 s sc b,1 b,.(11) Были определены также значения отношений секущих модулей деформаций тяжелого и легкого керамзитобетона в зависимости от уровня напряжений в тяжелом бетоне приведенного сечения. Для этого, учитывая совместимость деформирования слоев двухслойного железобетонного b b,l вычисляли Е', E' элемента, при каждой деформации и их b b,' E' / E' отношение.

b,1 E' b,1 E' b b,1 b ' Опытные значения аппроксимированы расчетной прямой с b,b / Rb учетом необходимости соблюдения условия, что при = 1, Rb E' / Eb Rb,1 / Rb.

E ' b,1 E' Rb,1 Rb b,1 b b / Rb -при 0,Rb ' E' / E' E' / Eb ;

b,l E' b,1 E' b E' b,l Eb b,1 b b,l E' Eb,l ; E' Eb E' b,l E' E' b Eb b,1 b,1 b. (12) b / Rb -при > 0,Rb E' Eb,1 b Rb / Rb 0,3R E ' b,1 Eb,b,' b,l E' Eb 0,E' b Eb b Eb,Eb, 1/ 32b / Rb 0,3R ; (13) Rb Eb Eb Rb,1 Eb,Rb,1 Eb,R Rb Eb.

Rb Eb Eb Eb, В приведенных формулах и - начальные модули упругости E' E' тяжелого и легкого бетонов; и - секущие модули деформации b b,тяжелого и легкого бетонов.

Порядок расчета прочности следующий. Сначала устанавливают положение нейтральной линии относительно слоев бетона. При соблюдении условия:

Rb,1 bhN< Rb,, (14) она проходит в слое легкого бетона высотой h1.

В этом случае прочность проверяют по условию:

N.e Rb,1 b b,1 хh0 0,5 х R A' h0 ' Rb,1 s,c s. (15) ' E' / Eb При расчете прочности. Высоту сжатой зоны b,l E' b,1 Eb b,определяют из выражений:

х / h0 R -при N R Rb,1 b,1 х Rs,c spc As Rs AS ; (16) b, х / h0 R -при > N Rb,1 b,1 x Rs,c spc A' s AS. (17) Rb,1 s Для проверки рекомендаций норм и возможности применения их к трехслойным железобетонным элементам все опытные образцы были рассчитаны по приближенной методике норм. Сопоставление результатов расчета и опытных данных показало их существенное расхождение.

Нами была поставлена задача разработки методики определения критической силы двухслойных железобетонных элементов с учетом неупругой работы тяжелого и легкого керамзитобетона.

Массив полученных опытных данных позволил установить exp корреляционную зависимость коэффициента от параметра e e0 fb/ h emin, но не менее, определяемого по нормам.

Сравнительный анализ показал, что искомая функция может быть представлена выражением:

0.45 / е (18), которое является уравнением равносторонней гиперболы асимптоты, которые совпадают с осями координат.

Таким образом, выражение для определения условной критической силы двухслойных железобетонных элементов примет вид:

2 Ncr k EIb b,l Ib,l 0,05p /l е s Is/ l0 (19).

Анализ результатов расчета позволил установить, что при нахождении критической силы по предлагаемой методике наблюдается гораздо более близкая сходимость опытных и теоретических значений несущей способности - отклонения не превышали 10Е15%, тогда как по методике СНиПа они достигали 45%.

Методика расчета железобетонных элементов, принятая в нормах не распространяется на элементы, содержащие в сечении предварительно сжатую арматуру.

R При первом случае ( ) расчет прочности производится по уравнению:

с с Rb Ab Rsc A' Rsc ' A' Asc As (20) N s6 0, s spc sc s6 0,, RbAbZb Rsc A' h0 a' Rsc ' A' h0 a' Ne . (21) s s spc sc p R При втором случае ( > ) уравнение (20) примет вид:

Rb Ab Rsc A' Rsc ' A' Asc As. (22) N s spc sc S SA Поскольку в этом случае появились две дополнительные неизвестные и, уравнения равновесия дополняются зависимостями:

SA S -для предварительно сжатой арматуры - SC,U 1 S SPC , (23) 1 1, -для ненапрягаемой - то же, но при =0.

SPC Если образование технологических трещин по условиям эксплуатации недопустимо, то максимальное предварительное сжатие арматуры необходимо ограничить.

Получена формула для определения предельно допустимых напряжений предварительного сжатия арматуры, не вызывающих образования начальных (технологических) трещин:

1 As As Rbtp 2a1 spc(24) sc Asc so Asc, sc Asc / A -где.

eOР1 РСПри внецентренном приложении ( 0) усилия преднапряжения условие отсутствия трещин примет вид:

РС1еор1 r Rbtp Wpl, (25) Wpl r где и - упруго - пластический момент сопротивления и ядровое расстояние, определяемые как для внецентренно растянутых элементов по нормам.

Из уравнений (25) и (23) получим предельно допустимое значение предварительных сжимающих напряжений в арматуре Rbtp Wpl As spc1 so Asceop1 r Asc. (26) Влияние продольной силы на усилия трещинообразования в двухслойных сжатых элементах удобней всего учитывать решением двух уравнений равновесия статики, составленных на основе действительной эпюры напряжений в бетоне в момент появления трещин и положения нейтральной линии по отношению к слоям элемента.

b / Rb > 0.При относительном уровне напряжений в бетоне Rb должна быть учтена неупругая работа бетона сжатой зоны. При этом напряжение в крайнем сжатом волокне бетона определяется выражением:

b E', (27) b b E ' b b b bt,R x /h x Rbt x / Ebh x где, (28) b bt Rbt Eb откуда b Rbt v x. (29) Rbt v Коэффициент представляет собой отношение секущего модуля деформации к начальному модулю упругости и учитывает неупругую работу бетона сжатой зоны. При относительном уровне напряжений в бетоне b / Rb < 0.3 последний работает в упругой стадии. Поэтому для Rb построения расчетных эпюр напряжений в бетоне необходимо располагать xel значением высоты упругого ядра.

xel Формулу для определения можно получить следующим образом:

0,3 Rb / xel Rbt /h x, (30) Rb Rbt откуда xel 0,3 Rbh x/ Rbt h x, (31) Rb Rbt 0,3 Rb / Rbt где. (32) Rb Rbt На основании этих закономерностей были приняты расчетные эпюры напряжений в момент появления трещин, учитывающие неупругую работу сжатой зоны бетона и положение нейтральной линии по отношению к слоям элемента.

Исходя из принятых расчетных эпюр в момент появления трещин, уравнения статистики следующие:

Ncrc R R b h x Assp s R R bt bt bt bt A' ' R R v x ' /h x s sp bt s bt (33) R R xel 0,5b ' /h xx xelh1 b' /h x bt bl bl bt R R v x b h1 /h x 0;

bt bt Ncrcecrc h0 x R Rbt b h h x 0,5h bt Assp s R Rbt h0 x A' s bt ' R Rbt v x /h xx a' R R x3 bbl / sp bt el bt bt (34) /sh x b ' xel x xel h1/h x/ bl /h x R Rbt v x b h1x 0,5h1/h x 0.

bt Сумма квадратов отклонений при расчете по двум уравнениям статики составила 699,08, а по методике ядровых моментов 12728,42, т. е. в 18,2 раза больше.

Разработана программа деформационного расчета гибких двухслойных элементов, которая базируется на предложении определять приведенное сечение и усилия трещинообразования, учитывая неупругие свойства тяжелого и легкого бетонов, особенности напряженно-деформированного состояния перед появлением трещин и влияние продольной силы.

В пятой главе диссертации определены области наиболее эффективного применения гибких двухслойных панелей с комбинированным армированием. По программе деформационного расчета, учитывающей расчетные предложения автора были просчитаны 144 "условных" железобетонных стоек. В программе численного эксперимента широко варьировались гибкость, процент армирования, эксцентриситет внешней силы, комбинации преднапряжения арматуры растянутой и сжатой зон.

Результаты численного эксперимента позволили построить области прочности для внецентренно сжатых двухслойных железобетонных элементов с обычным и равномерно напряженными и комбинированного напряженными сечениями при различных гибкостях и процентах армирования. Для удобства, анализа при построении области прочности использовались зависимости между относительной предельной несущей Nu / bh способностью и относительным моментом, соответствующим Mu / bhпредельному усилию.

h В элементах невысокой гибкости ( = 10) комбинированное преднапряжение несколько увеличило область прочности сечений, как обычных, так и равномерно преднапряженных. Причина этого - эффект разгрузки бетона сжатой зоны стоек. В элементах более высокой гибкости h ( = 15,20) эффект влияния комбинированного преднапряжения значительно заметней.

Таким образом, проведенные нами исследования показали, что наиболее эффективно комбинированное армирование и преднапряжение сечений железобетонных двухслойных панелей может быть использовано при h гибкости конструкций 15. Проектировать стойки с комбинированным преднапряжением рационально по второму случаю. Процент армирования предварительно напряженной арматурой в элементах невысокой гибкости рекомендуется принимать минимальным, а в стойках более высокой гибкости - повышенным.

Для определения экономической эффективности гибких сжатых двухслойных железобетонных элементов с комбинированным преднапряжением арматуры было проведено технико-экономическое сравнение элементов трех типов: типовой предварительно напряженной сжатой конструкции по серии 01-1.000-085 (марка элемента 4К I29-4A1У);

предлагаемой конструкции с комбинированным преднапряжением арматуры и конструкции с ненапрягаемой арматурой.

Проведенный анализ показал, что по сравнению с типовыми конструкциями, содержащими равномерно предварительно напряженную арматуру, в сжатых элементах с комбинированным преднапряжением арматуры расход стали на продольную арматуру уменьшается на 10%.

Основные выводы 1. Выполнены новые экспериментальные исследования работы под нагрузкой двухслойных железобетонных панелей с обычным и комбинированным армированием. Опыты показали, что несущая способность гибких двухслойных железобетонных панелей существенно зависит от относительного эксцентриситета внешней силы и комбинированного преднапряжения арматуры. Подтверждено, установленное ранее условие целесообразности начального выгиба гибких элементов: e0 0,83fb, при выполнении которого несущая способность панелей с начальными выгибами существенно выше обычных.

2. Комбинированное предварительное напряжение двухслойных железобетонных панелей при выполнении условия e0 0,83 fb увеличивает трещиностойкость сечений по сравнению с обычными элементами. В панелях с комбинированным преднапряжением арматуры ширина раскрытия трещин при e0 0,83 fb меньше, чем в обычных. Отношение максимальной ширины раскрытия трещин к средней для опытных гибких железобетонных панелей составило 1,15Е1,25.

3. При выполнении условия целесообразности (e0 0,83 fb) кривизны, прогибы и приращения деформаций гибких двухслойных панелей с комбинированным преднапряжением арматуры оказались меньше, чем у элементов с ненапрягаемой арматурой. При этом наибольшие расхождения наблюдались в эксплуатационной стадии работы конструкции.

4. На основе конечно-элементного моделирования устойчивости двухслойной железобетонной панели проведен анализ напряженнодеформированного состояния конструкции в зависимости от ее геометрических характеристик и физических параметров, показавший возможность выбора соотношения оптимальных толщин панелей, уровней предварительных напряжений арматуры для повышения несущей способности панели, а также зависимость критической нагрузки от эксцентриситета ее приложения.

5. Разработанная МКЭ-модель на языке APDL позволяет проводить автоматическую параметрическую оптимизацию конструкции двухслойной панели с использованием возможностей комплекса Ansys.

6. Обоснован алгоритм определения критической нагрузки при шаговой процедуре расчета на основе предложенной аппроксимации расчетных характеристик вблизи предельного состояния, показавший высокую эффективность в задачах определения критической нагрузки при нелинейных процессах пластичности и трещинообразования.

7. Предложен метод расчета сжатых двухслойных железобетонных панелей с комбинированным армированием с использованием коэффициента приведения, представляющего собой отношение секущих модулей деформации тяжелого и легкого бетонов слоев. При небольших уровнях / Rb 0,нагружения коэффициент приведения равен отношению b / Rb модулей упругости, а в предельной стадии отношению b призменных прочностей бетонов. Предложены зависимости для определения / R коэффициента приведения при 0,3 < 1, с помощью которых можно b рассчитать двухслойный элемент на любой стадии его работы.

8. Разработаны предложения по расчету железобетонных панелей с предварительной сжатой арматурой и комбинированным армированием при двух возможных случаях расчета. Предложения включают в себя формулы для определения предельно допустимых значений предварительных сжимающих напряжений в арматуре, при которых отсутствуют или имеют ограниченную ширину раскрытия технологические трещины.

9. Предлагается усовершенствованная методика расчета двухслойных элементов по образованию трещин, основанная на предложенных эпюрах нормальных напряжений, учете влияния продольной силы на положение нейтральной линии и упругопластический момент сопротивления и влияния предварительных напряжений на свойства бетонов. Расчет опытных элементов по предлагаемой методике существенно сблизил опытные и теоретические данные.

10. Разработан алгоритм расчета сжатых двухслойных железобетонных элементов по деформированной схеме, в котором реализованы предложения автора по определению коэффициента приведения, усилий трещинообразования, влияния предварительных воздействий на свойства материалов и другие факторы.

11. Определены области наиболее эффективного использования комбинированного армирования в двухслойных железобетонных панелях.

Показано, что при втором случае достигается наибольший эффект от применения комбинированной предварительно напряженной арматуры.

Проанализировано влияние процента армирования предварительно напряженной арматуры на области прочности сечений сжатых железобетонных панелей.

12. Перепроектированы натурные типовые сжатые железобетонные элементы, содержащие равномерно предварительно напряженную арматуру (серия 01-1.000-085, марка 4К 129-4А-1У) с использованием комбинированного предварительного напряжения. Технико-экономическое сравнение предлагаемой сжатой железобетонной конструкции с типовой показало, что применение комбинированной предварительно напряженной арматуры позволяет сократить расход стали на 10%.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

издания, рекомендованные ВАК РФ 1. Хунагов Р.А., Маилян Д.Р. Расчет двухслойных предварительно напряженных железобетонных панелей// Вестник МГТУ. Выпуск №4.

Майкоп, 2011. С.33.

2. Хунагов Р.А., Маилян Д.Р., Блягоз А.М. Двухслойные железобетонные панели с неравномерно обжатыми сечениями// Вестник МГТУ. Выпуск №4. Майкоп, 2011. С.37.

3. Хунагов Р.А., Маилян Д.Р. Влияние неравномерного предварительного напряжения сечений железобетонных элементов// Вестник МГТУ. Выпуск №4. Майкоп, 2011. С.29.

Сборник материалов международных конференций 4. Маилян Д.Р., Хунагов Р.А. Двухслойные предварительно напряженные внецентренно сжатые железобетонные панели: материалы Международной научно-практической конференции Строительство-2010.

Ростов-на-Дону: С.42-44. РГСУ, 2010.

5. Хунагов Р.А., Маилян Д.Р. Двухслойные предварительно напряженные железобетонные колонны: материалы Международной научнопрактической конференции. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2011.

Подписано в печать 11.04.2012. Формат 60 х 84/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч. - изд. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 161/12.

--------------------------------------------------------------------------------------------------- Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов-на-Дону, Социалистическая, 1    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям