Содержание к диссертации
Введение
РОЗДІЛ 1 Стан питання вивчення напружено-деформованого стану і надійності сталезалізобетону з урахуванням кручення 10
1.1 Використання сталезалізобетонних балок з зовнішнім листовим та жорстким армування в умовах складного напружено-деформованого стану 10
1.2 Особливості розрахунку різних типів будівельних конструкцій на кручення 17
1.3 Застосування методів теорії надійності для розрахунку сталезалізобетонних конструкцій 26
1.4 Висновки за розділом 1 .33
РОЗДІЛ 2 Експериментальні дослідження сталезалізобетонних конструкцій на кручення 36
2.1 Методика експерименту .36
2.2 Конструкція зразків для випробувань сталезалізобетонних балок на кручення 37
2.3 Опис установки для випробування сталезалізобетонних балок на кручення 46
2.4 Фізико-механічні характеристики матерыалыв сталезалызобетонних балок
2.4.1 Фізико-механічні характеристики зразків серії 1 51
2.4.2 Фізико-механічні характеристики зразків серії 2 65
2.4.3. Фізико-механічні характеристики зразків серії 3 .70
2.5 Висновки за розділом 2 73
РОЗДІЛ 3 Аналіз результатів експериментальних досліджень зразків сталезалізобетонних балок на кручення .75
3.1 Процес тріщиноутворення та руйнування зразків .75
3.2 Результати експериментальних досліджень зразків серії 1 83
3.2 Результати експериментальних досліджень зразків серії 2 93
3.3 Результати експериментальних досліджень зразків серії 3. 98
3.4 Висновки за розділом 3 .112
РОЗДІЛ 4 Теоретичний аналіз міцності сталезалізобетонних балок при дії на згину з крученням .
1 4.1 Загальні передумови розрахунку міцності різних типів сталезалізобетонних балок при дії згину з крученням 114
4.2 Теоретичний розрахунок міцності сталезалізобетонних балок за методом граничних станів при дії згину з крученням 115
4.3 Розрахунок міцності сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим та жорстким армуванням при дії згину з крученням
4.3.1 Основні передумови та допущення, прийняті при розрахунку міцності сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим та жорстким армуванням 118
4.3.2 Аналіз впливу способів формування приведеного перерізу на міцність сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням при дії згину з крученням .121
4.3.3 Аналіз впливу способів формування приведеного перерізу на міцність сталезалізобетонних балок із жорсткою арматурою при дії згину з крученням 125
4.4 Розрахунок міцності легких сталезалізобетонних балок при дії
згину з крученням 130
4.4.1 Основні передумови та допущення, прийняті при розрахунку легких сталезалізобетонних балок при дії згину з крученням 130
4.4.2 Теоретичні моделі розрахунку міцності легких сталезалізобетонних балок без засобів забезпечення сумісної роботи складових комплексного перерізу при дії згину з крученням 136 4.4.3 Теоретичні моделі розрахунку міцності легких сталезалізобетонних балок за умови забезпечення сумісної роботи складових комплексного перерізу при дії згину з крученням 139
4.5 Висновки за розділом 4 141
РОЗДІЛ 5 Аналіз надійності сталезалізобетонних конструкцій з урахуванням кручення 142
5.1 Передумови визначення надійності сталезалізобетону з урахуванням кручення в техніці випадкових величин 142
5.2 Визначення імовірності безвідмовної роботи методом лінеарізації 146
5.3 Визначення імовірності безвідмовної роботи методом Монте-Карло...152
5.4 Висновки за розділом 5 163
Загальні висновки 164
Список використаних джерел
- Особливості розрахунку різних типів будівельних конструкцій на кручення
- Фізико-механічні характеристики матерыалыв сталезалызобетонних балок
- Результати експериментальних досліджень зразків серії 2
- Розрахунок міцності сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим та жорстким армуванням при дії згину з крученням
Особливості розрахунку різних типів будівельних конструкцій на кручення
На сьогодні, сталезалізобетонні конструкції, що являють собою сполучення профільної сталі, стрижневої арматури й бетону для їх сумісної роботи, отримали широке розповсюдження в усьому світі. Це пояснюється їх високою техніко-економічною ефективністю. Сталезалізобетонні конструкції якнайкраще відповідають конкретним вимогам, які висуваються при будівництві того чи іншого об єкта, і дозволяють порівняно легко розв язувати складні інженерні задачі.
Незважаючи на широке застосування сталезалізобетону в Україні, лише у 2011-му році з явився нормативний документ, присвячені сталезалізобетонним конструкціями: ДБН В.2.6-160:2010 «Сталезалізобетонні конструкції» [56]. Однак ці норми не пропонуються чіткої методики розрахунку СЗБ балок, що працюють на згин з крученням, а рекомендації до розрахунку таких конструкцій знаходяться в стадії розробки. Вони містять лише розрахунок втрати стійкості сталезалізобетонних балок при крученні із площини. Розробники даних норм пропонують вважати, що у з єднаних із бетоном сталевих полиць або комбінованих плит із зсувним з єднанням поперечна стійкість забезпечується за умови запобігання можливості втрати бетонною плитою поперечної стійкості. Усі інші стиснуті сталеві полиці повинні перевірятись на поперечну стійкість.
Розрахунок за ДБН В.2.6-160:2010 «Сталезалізобетонні конструкції» [56] враховує дію моментів кручення тільки для моделі U-подібної рами однією балкою, що зображена на рисунку 1.5. Він включає в себе визначення крутильної жорсткості ks на одиницю довжини сталевої балки на рівні верхньої сталевої полиці, через визначення згинальної жорсткості сталевої стінки та згинальної жорсткості комбінованої плити у напрямі, перпендикулярному до сталевої балки.
У нормативному документі ДБН В.2.6.-98.: 2009 «Конструкції будинків і споруд. Бетонні та залізобетонні конструкції. Основні положення» [57] розрахунок залізобетонних елементів на кручення подано в скороченому варіанті, з посиланням на ДСТУ В.2.6.-156 [64]. У ДСТУ В.2.6.-156 [64] наведені наступні передумови до розрахунку залізобетонних елементів на кручення: – у випадках, коли статична рівновага конструкції залежить від опору кручення елементів конструкції, то необхідно виконувати повний розрахунок на кручення, що охоплює граничні стани І і II груп; – якщо у статично невизначеній конструкції кручення виникає тільки як результат сумісності, а стійкість конструкції не залежить від опору крученню, то нема потреби враховувати кручення при перевірці граничного стану за несучою здатністю і стійкістю. У таких випадках необхідно передбачати мінімальне армування у вигляді хомутів і поздовжніх стрижнів для запобігання надмірному тріщиноутворенню; – опір перерізу крученню можна визначити на основі замкнутого тонкостінного перерізу, у якому рівновага забезпечується замкненим розподілом зсуву. Суцільні перерізи можна моделювати еквівалентними тонкостінними перерізами. Поперечні перерізи складної форми, наприклад, Т-подібні, можуть розділятись на декілька складових перерізів, кожен із яких може моделюватись еквівалентним тонкостінним, а загальний опір крученню приймається як сума опорів окремих елементів; – розподіл діючих крутних моментів у окремих складових перерізах повинен здійснюватися пропорційно їх крутним жорсткостям без тріщин. Для несуцільних перерізів еквівалентна товщина стінки не повинна перевищувати фактичної товщини; – кожен окремий складовий переріз може розраховуватись окремо.
Розрахунок, що наведений у даних нормах, складний для використання та не може бути застосований для сталезалізобетонних елементів.
Питання дослідження і теорії розрахунку сталезалізобетонних конструкцій з різними видами армування розглядалися в роботах Ю.Г. Аметова [17], В.В. Биби [24], Р.В. Воронкова [35], А.В. Гасенка [41], В.М. Джури [60], М.Ю. Ізбаша [77], Ф.Є. Клименка [88 – 91], В.І. Козаря [95], О.А. Крупченка [102], О.В. Семка [142 – 144, 147, 148], О.В. Сколибога [161 – 163], Л.І. Стороженка [91, 175 – 177, 179], Е.Д. Чихладзе [190 – 192], О.Л. Шагіна [77], С.В. Яхіна [201, 202] та ін. У цих працях достатньо широко освілені проблеми сталезалізобетону, але значна кількість практично і теоретично важливих задач все ж потребують рішення.
Сталезалізобетонні згинальні елементи, армовані листовою арматурою без захисного шару, відкривають нові напрямки розвитку конструкцій та висвітлені авторами: Т.Н. Азізов [3 – 6, 10, 11], Ю.Г. Аметов [17], А.П. Васильєв [30], Р.В. Воронков [35], М.Є. Гібшман [47], В.І. Козарь [95], Ф.Е. Клименко [88 – 90], В.М. Барабаш [22], О.В. Сколибог [161 – 163], Р.І. Кінаш [86], Л.І. Стороженко [169, 175 – 177], О.В. Семко [142 – 144, 147, 148], Л.М. Фомиця [188], Е.Д. Чихладзе [190 – 192], О.Л. Шагін [77], А.Д. Шеховцов [197], R. Bergman [254], J. Nie [238], J.D. Bars [204], A. Bishara [206], C. Cai [207], C.E. Chalioris [209], M.P. Collins [211], H.J. Cowan [213 –215], A. Deifala [216], K. Sennah [243], J. Wahba [243], S. Sener [203], B.J.G. Barr [203], H.F. Abusiaf [203] та інші [221, 222, 228, 239, 244 – 248, 251, 253, 255 – 257, 261, 263, 267].
У різні часи питання сумісної роботи збірних та монолітних залізобетонних перекриттів вивчали Т.Н. Азізов [9, 12], Р.Л. Айвазов [13], О.В. Алєксєєв [16], К.М. Арзуманян [18], Є.М. Бабич [20], В.М. Байков [21], А.Я. Барашиков [23], З.Я. Бліхарський [26], О.І. Верещага [33], Б.Г. Гнідець [48], В.С. Дорофєєв [62], С.А. Дмітрієв [61], В.Г. Крамар [100], С.Ф. Клованіч [92], О.С. Савченко [135], О.В. Семко [147, 148], О.Л. Шагін [193, 194, 196] та інші [239, 244 –246, 268].
У цих роботах було доведено, що при розрахунках конструкцій, без врахування сумісної їх роботи, ігнорується факт виникнення перерозподілу зусиль та змін жорсткості елементів у зв язку з утворенням тріщин. Такий підхід не дозволяє достовірно запроектувати елементи, що працюють у системі перекриттів. Показано, що на перерозподіл зусиль між окремими елементами суттєво впливає як згинальна, так і крутильна жорсткість.
Напружений стан конструкцій каркасів та перекриттів будівель, що виникає при згині з крученням – це одне з найбільш складних явищ в сталезалізобетоні. При цьому, кручення в елементах виникає як вторинний силовий фактор, найчастіше за все, у силу сумісної роботи в каркасі будівлі. Чисте кручення елементів сталезалізобетонних конструкцій практично не зустрічається. У той же час, білоруські норми, пропонують розраховувати елементи, які працюють на кручення зі згином, на основі моделі просторового перерізу. Так, в СНБ 5.03.01-02 [164] (на зміну радянського СНиП 2.03.01-84 [165]), показано, що при дії на елемент крутних моментів руйнування відбувається по просторовому перерізу, який утворений спіральною тріщиною і замикається стислою зоною, розташованою під кутом в до поздовжньої осі елемента. Розрахунок просторового перерізу виконують з умови рівноваги моментів всіх зовнішніх і внутрішніх сил в площині, нормальній до лінії, що обмежує стиснуту зону просторового перерізу, щодо осі, перпендикулярної цій площині і проходить через точку прикладення рівнодіючого зусилля у стиснутій зоні .
Фізико-механічні характеристики матерыалыв сталезалызобетонних балок
Метою проведення експериментальних досліджень у рамках даної роботи було отримання даних, щодо роботи та напружено-деформованого стану (НДС) сталевих та сталезалізобетонних балок, що працюють при складних видах деформування – при сумісній дії згину (косого згину) та кручення. Результати було проаналізовано та порівняно з результатами отриманими аналітичними методами, описаними в розділі 4.
У рамках експериментальних досліджень проведено випробування трьох серій сталезалізобетонних балок: сталезалізобетонні ригеля коробчастого перерізу із зовнішнім листовим армуванням; обетоновані двотаврові та таврові складені прокатні профілі; легкі сталезалізобетонні балки в незнімній опалубці.
При досліджені сталезалізобетонної балки коробчастого перерізу із зовнішнім листовим армуванням була поставлена задача вивчити роботу ригеля на різних стадіях монтажу, що у експерименті було враховано, як наявністі зварення торців та різної кількості об єму бетонування конструкції. При досліджені обетонованних прокатних профілів була поставлена задача вивчити роботу балок з різного виду прокату, різної довжини та вплив прогину балки на несучу здатність. При дослідженні надлегких сталезалізобетонних балок в незнімній опалубці була поставлена задача вивчити роботу конструкцій при різних типах поперечного перерізу та підсиленні їх різними видами анкерування.
Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану зразків сталезалізобетонних балок, що працюють на складні види деформування – при сумісній дії згину (косого згину) та кручення проводились в акредитованій Держстандартом України лабораторії випробувального центру Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. 2.1 Конструкція зразків для випробувань сталезалізобетонних балок на кручення
Для вирішення поставлених задач було виготовлено три серії зразків, в які входять 6 типів експериментальних зразків, що зображено на рисунку 2.1: перша серія зразків СЗБ 1 являють собою сталезалізобетонні ригеля коробчастого перерізу довжиною l=1,5 м, з товщиною вертикальних стінок tст=2 мм, товщиною нижнього листа tос=3 мм, та заповнені бетоном класу С 12/15 та С 25/30. Серія поділяється на два види, кожен з яких на підвиди: 1. СЗБзп – сталезалізобетонні балки, що складаються зі стального зварного коробчастого каркасу із завареними торцями та повністю заповненого бетоном (рис. 2.2, б): – СЗБзч: зразки сталезалізобетонних балок частково заповнені бетоном, що моделює роботу СЗБ ригелів на ІІ-й стадії монтажу до влаштування монолітної підлоги, що слугує полицею утвореної СЗБК конструкції таврового перерізу (рис. 2.2, а); 2. СЗБп – сталезалізобетонні балки, що складаються зі стального зварного коробчастого каркасу, без заварення торців та повністю заповненого бетоном (рис. 2.2, в). – СЗБч сталезалізобетонні балки частково заповнені бетоном без заварювання опорних ребер (рис. 2.2, г). Зразки сталезалізобетонних балок частково заповнені бетонною сумішшю кожного підвиду піддавалися навантаженню до появи перших тріщин, потім підсилювалися заповненням бетонною сумішшю до краю бокових стінок, та випробовувалися вдруге: СЗБзчд та СЗБчд (рис. 2.2 ґ та д відповідно). обетоновані таврові Балки сталезалізобетонні ригелі коробчастого перерізу СЗБ балки з жорсткою арматурою обетоновані двотаврові Балки надлегкі ста леза лізобетонні балки із зовнішнім листовим армуванням
Сумісна робота стального каркасу утвореної сталезалізобетонної конструкції та бетону у дослідних зразках Серії СЗБ 1 (рис. 2.2, е) забезпечувалась за рахунок встановлення поперечних діафрагм (виготовлених зі сталевих листів шириною 35 мм товщиною 2 мм), що приварювались до верхньої частини поперечного перерізу балки з кроком 150 мм (рис. 2.2, є).
Дослідні зразки серії СЗБ 1: а-д) конструктивний вигляд; е) загальний вигляд; є) розміщення поперечних діафрагм
Підбір складу бетону класу С 16/20 для заповнення порожнин зразків проводився шляхом стандартного розрахунку. Для виготовлення усіх експериментальних зразків були використані матеріали відповідно до табл. 2.1. Перемішування матеріалів відбувалося у гравітаційній бетономішалці, об ємом 0,12 м3. У зв язку з цим, було виготовлено 6 замісів бетонної суміші, що вміщували в себе об єм одного експериментального зразка; 3 кубики розміром 150х150х105 мм, та 1 призма розміром 150х150х600 мм.
До складу суміші входили: в яжуче – портландцемент марки М 400, щебінь (фракції 5…20 мм), вода, кварцовий пісок з модулем крупності 1,4.
Всі експериментальні зразки, стандартні призми і куби бетонувалися одночасно з бетону одного замісу, який виготовлялася безпосередньо в лабораторії. Ущільнення бетонної суміші проводилося за допомогою глибинного вібратору ИВ-17 з гнучким валом (діаметр булави 70 мм), число коливань якого становить 2800 об/хв. та штикуванням.
Перші 28 діб відкриті поверхні бетону зволожувалися та покривалися тканиною для утримання вологи. Потім зразки зберігалися у лабораторному приміщенні при температурі +16…18С та відносній вологості повітря 70…75 %. Після терміну набирання бетоном проектної міцності, поверхня бетону вирівнювалась на рівні верху зразків цементним розчином. Друга серія зразків СЗБ 2 це сталезалізобетонні балки обетонованих зварних профілів. Серія поділяється на два види, кожен з яких має по три підвиди: 1. СЗБдв – сталезалізобетонні балки з жорсткою арматурою у вигляді зварного двотавра загальною висотою поперечного перерізу 160 мм та шириною поличок 80 мм (рис. 2.3, а):
Результати експериментальних досліджень зразків серії 2
Розглянемо виготовлення та фізико-механічні характеристики матеріалів експериментальних зразків серії СЗБ 2.
Спочатку виконувалось зварювання сталевих листів для утворення двотаврового чи таврового перерізів. Потім до листів приварювались анкерні засоби: для зразків першої групи П-подібні анкери до поличок двотавру; для зразків другої групи - петлеподібні анкери між стінками двох таврів. Зварені таким чином двотаври першої групи заповнювались бетоном у горизонтальному положенні за два прийоми: спочатку заповнювалась одна сторона, потім, через 5 діб зразок перевертався і заповнювалась друга сторона. Зразки ж другої групи заповнювались бетоном за один прийом, що забезпечило однорідність бетонної суміші по всьому сталебетонному елементу. Разом з бетонуванням сталебетонних зразків для визначення фізико-механічних властивостей використовуваного бетону та для кожного прийому бетонування груп зразків виготовлялись призми розміром 150х 150x600 мм та куби з ребром 150 мм.
Перші 5 - 28 діб відкриті поверхні бетону експериментальних зразків регулярно зволожувались та покривались шаром тирси для утримання вологи, температура в приміщенні була постійною і дорівнювала 25С. Після проходження вказаного терміну зразки зберігались до проведення випробувань в лабораторних умовах при температурі 17 - 23С та відносній вологості повітря 70 - 75 %.
На кубах 150x150x150 мм визначалась кубикова міцність, на призмах 150x150x600 мм - призмова міцність бетону і вимірювались поздовжні та поперечні деформації в залежності від величини навантаження за допомогою індикаторів годинникового типу та електротензорезисторів. Внаслідок проведення випробувань сталевих зразків було визначено межу текучості і тимчасовий опір сталі на розтяг, відносне видовження зразка після розриву та модуль пружності сталі.
Для бетонування бокових порожнин експериментальних зразків використовувався важкий бетон на дрібному щебені (діаметр фракцій 10…20 мм) проектного класу класів по міцності С 16 / 20. У якості в яжучого використовувався портландцемент активністю 400. Склад бетону приведений в таблиці 2.11. З метою визначення фізико-механічних властивостей використовуваного бетону, були виготовлені одночасно із основними зразками та випробувані стандартні куби 150150150 мм і призми 150150600 мм.
Міцність бетону визначалась шляхом випробування на стиск стандартних бетонних кубиків та призм по три для кожного замісу. Зразки виготовлялися у металевих формах, які відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-214:2009. Перед їх використанням внутрішні поверхні були покриті тонким шаром змазки [65].
Випробування бетонних кубів та призм проводилося на гідравлічному пресі 2ПГ-125 в лабораторії кафедри ЗБ і КК та ОМ. Опорні грані відформованих зразків-кубів вибирались таким чином, щоб стискаюча сила при випробуванні була направлена паралельно шарам укладання бетонної суміші в форми. За руйнуюче навантаження приймалося максимальне зусилля, яке було досягнуте в процесі випробування.
Міцність бетону при випробуванні на стиск визначалася із точністю до 0,1 МПа для кожного зразку по формулі 2.4
Середня кубикова міцність бетону fc cube в серії з трьох зразків визначалася як середнє арифметичне значення по двом найбільшим за міцністю зразкам. Так само була визначена середня призмова міцність fc rism по двом найбільшим
Таким чином, за результатами розрахунків (табл. 2.12) було встановлено, що дрібнозернистий важкий бетон для кожної групи дослідних зразків відповідає проектному класу бетону за міцністю С 16 / 20 на стиск. Коефіцієнт варіації міцності контрольних бетонних зразків згідно табл. 2.13 рівний 2,77 %, що свідчить про досить високу культуру виготовлення дослідних зразків.
У процесі випробування серії бетонних призм вимірювалися поздовжні та поперечні деформації за допомогою електротензорезисторів розміщених по чотирьом граням призм. Для дублювання виміру поздовжніх деформацій встановлювалися індикатори годинникового типу ІЧ-10. За заміряними деформаціями були обчислені при навантаженні 30 % від руйнуючого початковий модуль деформацій бетону Eb і коефіцієнт поперечних деформацій vс, що занесені до табл. 2.13 та побудовані залежності поздовжніх і поперечних деформацій від напруження (рис. 2.18), коефіцієнту Пуассона vc від відносного рівня напружень.
Для визначення фізико-механічних властивостей сталі зварних конструкцій, виготовлені та випробувані стандартні пропорційні смужки із листового металу та оброблені згідно з вимогами [63].Відповідно до цих вимог, так як товщина пропорційних плоских зразків (вирізаних із стінки зварного двотавра) у робочій частині t0 = 4 мм, то початкова ширина Ь0 становила 20 мм та початкова розрахункова довжина /0 = 11,3-yJAS0 =11,3- V80 «100 мм, де Aso - початкова площа поперечного перерізу. Робоча довжина зразків / = /0 + 2 yJAS0 = 100 + 2 V80 = 120 мм. Загальна довжина зразків становить L = l + 2-f\ =120 + 2-50 = 220 мм, де \ - довжина зразка необхідна для захвата у розривну випробувальну машину. Відношення ширини до товщини в робочій частині зразків b0 /10 = 20 / 4 = 5, що не перевищує 8.
Розрахунок міцності сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим та жорстким армуванням при дії згину з крученням
При 3 балки СЗБзп (повністю заповнені бетоном та з завареними торцями), 1 СЗБп (повністю аналізу роботи зразків першої серії досліджувався вплив таких факторів, як: повне та часткове (на 2/3 висоти балки) заповненя бетоном порожнини конструкції, що моделює роботу реальної конструкції на різних стадіях монтажу; наявність заварювання торців балки, що моделює роботу реальної конструкції на стадії монтажу при приварюванні опорних частин ригеля; варіювання класу бетонної суміші. Було випробувано кілька зразків без заповнення бетоном, щоб визначити несучу здатність самого стального каркасу балки та порівняти вплив наявності та кількості бетону на роботу балок. При навантажені на балки до моменту текучості зразків, вертикальна стінка, котра знаходиться зі сторони полички зразка – на яку прикладалось навантаження, втратила стійкість і почала випучуватися в місці між привареними діафрагмами (рис. 3.7). Значення кута закручування в обох зразках було однаковим, та досягло майже 3 при максимальному навантаженні до початку втрати стійкості – 1,70 кН (рис. 3.8). Було випробувано заповнені бетоном та без заварювання торців), 1 СЗБзч (частково заповнена бетоном та з завареними торцями) та 1 СЗБч (частково заповнені бетоном та без заварювання торців).
Максимальне навантаження, що сприйняла кожна з балок варіювалося в межах 1,4…3,6 т. Розглянемо детальніше, фактори що вплинули на таку розбіжність несучої здатності експериментальних зразків. Перший фактор – повне та часткове бетонування експериментальних зразків. По даним експерименту, він став найвпливовішим на несучу здатність зразків.
Недобетонування балок на 1/3 від висоти зразка, призводить до зменшення несучої здатності на 45,5 % в середньому (рис. 3.9).
Несуча здатність експериментальних зразків серії 1: а) середнє значення несучої здатності повністю та частково забетонованих зразків; б-в) вигляд повністю та частково забетонованих зразків відповідно
Другий фактор – варіювання класу бетонної суміші. По даним експерименту, це також суттєво вплинув на роботу зразків. Особливо наявно це можна побачити, розглянувши зразки типу СЗБзп № 1, 2, 3, так як зразки мали однакові геометричн характеристики, заварення торців, повне заповнення бетоном і різниця між ними складає тільки в варіюванні класу бетонної суміші.
Так збільшення класу бетону з С 12 / 15 у зразках СЗБзп № 1, 2 до С 25 / 30 у зразку СЗБзп № 3, призводить до збільшення несучої здатності на 28,6 %.
Порівнявши зразки СЗБзч (з класом бетону С 25/30) та СЗБч (з класом бетону С 12/15) маємо збільшення несучої здатності на 36,4 %, але в даних зразках має вплив заварення торців, тому не можна об єктивно сказати, що збільшення несучої здатності має місце лише за рахунок збільшення класу бетонної суміші. Третій фактор – наявність заварювання торців балки, що моделює роботу реальної конструкції на стадії монтажу при приварюванні опорних частин ригеля.
По даним експерименту, цей фактор майже не впливає на несучу здатність зразків, особливо з використанням бетонів вищих класів. Наявно це можна побачити, розглянувши зразки повністю заповнені бетоном, типу СЗБзп та СЗБп, що мали однакові геометричні характеристики та клас бетонної суміші, а різниця між ними складала тільки в наявності заварення торців балки. Несуча здатність цих балки була однаковою і склала 36 кН.
Розглянемо детальніше значення прогинів (рис. 3.10) та кутів закручування (рис. 3.11) по центру експериментальних зразків.
Аналіз кутів закручування та прогинів експериментальних зразків показує різке збільшення значень у зразках СЗБч та СЗБзч. На це особливо треба звернути увагу, так як саме часткове заповнення бетоном зразка моделює крайні ригелі на стадії монтажу конструкції, при якій балка сприймає більшу частину розрахункового навантаження.
Залежність прогинів від навантаження у експериментальних зразках серії СЗБ 1 Рисунок
Навантаження на зразки СЗБч та СЗБзч відбувалося до появи перших похилих тріщин, так як в подальшому ці зразки добетоновувалися та підлягали повторним дослідженням. Зразок СЗБзч навантажувався не тільки до появи тріщин, але й до їх певного розкривання. Зусилля, що сприйняла ця балка рівно 22 кН. Зразок СЗБч був навантажений тільки до появи відшарування сталевої опалубки від бетону (рис. 3.12) та перших похилих тріщин, при цьому максимальне зусилля склало тільки 14 кН. Зважаючи на це, максимальне зусилля при повторному завантаженні склало 28 кН та 32 кН відповідно. Що може свідчити про доцільність добетонування навіть при наявності перших похилих тріщин, але при більшому їх розмірі та розкритті доцільність бетонування зменшується.
Проведені в другому розділі експериментальні дослідження сталезалізобетонних балок з зовнішнім листовим армуванням, що працюють при дії згину з крученням (див. п. 3.2.1, 3.5.1), свідчать про суттєвий кількісний вплив бетонного заповнення та наявності добетонування конструкції на характер роботи під навантаженням. Адже, у випадку наявності добетонування балок при забезпечені їх сумісної роботи на всіх етапах завантаження має місце відмінний характер роботи такого типу конструктивних елементів.
Таким чином, зважаючи на встановлені в результаті проведення експериментальних досліджень особливості роботи сталезалізобетонних балок з зовнішнім листовим та жорстким армуванням при дії згину з крученням (розділ 3) для конструкцій повністю та частково заповнених бетоном без добетонування під час їх завантаження можливо виділити три характерні стадії напружено-деформованого стану: I стадія: характеризує напружено-деформований стан СЗБ балки на початкових етапах завантаження. При цьому бетон та сталевий профіль працюють пружньо – епюри нормальних напружень близькі до трикутних. II стадія: характеризує напружено-деформований стан СЗБ балки, коли в бетоні утворюються спіральні тріщини, що в межах трьох граней елемента разом із четвертою замикаючої її стиснутою зоною утворюють просторовий переріз. Критерієм переходу до наступної стадії напружено-деформованого стану слугує порушення сумісної роботи складових комплексного перерізу, що супроводжується відшаруванням зовнішнього листового армування від бетону підсилення, тобто досягненням граничного моменту сумісної роботи (Mult). ІІІ стадія: руйнування, що має пластичний характер, та відбувається внаслідок випучування бетону із зовнішнього листового армування між просторовими тріщинами при одночасну досягнені текучості в найбільш напруженій частині сталевого профілю. Розрахунок міцності СЗБ балки виконується як для суцільного однорідного пружнього тіла, що має переріз приведений до сталевого відповідно до схеми, наведеної на рисунку 4.3. При цьому враховується площа перерізу усього зовнішнього листового армування (Asf) та повний переріз бетону підсилення (Ас/), помножена на співвідношення модуля деформацій бетону (Е ст) до модуля пружності сталі (Es), тобто приведена площа перерізу {Ac,red) A c,red =aE-A c,f s (4.5) де Ac,red - приведена до сталі розрахункова площа бетону; Ас/- фактична площа перерізу бетону підсилення; (ХЕ - коефіцієнт приведення: aE =v-E cm /E s (46) де Ест - середнє значення початкового модуля пружності бетону; v - коефіцієнт пружних характеристик бетону, що відповідно рекомендацій [134] приймається рівним 0,85 при короткочасній та 0,4 при довготривалій дії навантаження. Всі необхідні геометричні характеристики при згині та крученні визначаються для приведеного до сталі перерізу відповідно до схеми на рисунках 4.2. та 4.3. Умова міцності конструкції при дії згину з крученням відповідно до однієї з прийнятих теорії міцності має вигляд: - за теорією найбільших нормальних напружень (перша теорія міцності):
Аналіз впливу способів формування приведеного перерізу на міцність сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням при дії згину з крученням
Для розрахунку сталезалізобетонних балок з зовнішнім листовим армуванням, скористаємося способом приведення перерізу, до одного матеріалу, до сталі, через коефіцієнт СНЕ (4.6). Виконаємо приведення площі бетону 2-ма способами: через відношення модулів пружності (табл. 4.1) та опорів матеріалів (визначених експериментальним шляхом) (табл. 4.1). Виберемо кілька схем приведення, що наведені на рисунку 4.1, в яких варіюватимемо такими параметрами, як: 1) розташування площі приведеного бетону; 2) частковий перерозподіл площі приведеного бетону на стійки та поличку, що враховується коефіцієнтом д, який показує частину площі, що входить до стійок; 3) висота приведеного бетону: а) по всій висоті конструкції (рис. 4.3, а); б) з врахуванням коефіцієнту rj (рис. 4.3, б). Приведений поперечний переріз конструкції являє собою коробчастий переріз, у якого протилежні сторони рівні по товщині. Розглянемо більш детальніше 2 експериментальних зразки один з яких повністю заповнений бетоном, а другий до середини діафрагми класу С 25/30, довжиною / = 1,50 м, ексцентриситетом прикладання навантаження є = 0,225 м при різних схемах приведення бетону.