Введение к работе
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.
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
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.
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 напряженно-деформированного 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;
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;
- 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 и выводов диссертационного исследования подтверждается применением стандартных методов испытаний, 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 «» (Москва, 2016г.); на международных академических чтениях «» (Курск, 2017г.); на международной научно-технической 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
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.