Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований .
1.1 Анализ результатов существующих экспериментальных исследований деревожелезобетонных изгибаемых элементов при статическом и циклическом нагружениях 18
1.2 Анализ существующих методов расчета прочности нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом нагружении 35
1.3 Анализ существующих методов расчета прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при однократном кратковременном статическом нагружении 51
1.3.1 Методика расчета по СНиП И-25-80 «Деревянные конструкции» 51
1.3.2 Методика расчета по рекомендациям по проектированию монолитных железобетонных перекрытий со стальным профилированным настилом, НИИЖБ Госстроя СССР 52
1.3.3 Методика расчета по прочности наклонных сечений сталежелезобетонных балок на основе РСН 64-88
Госстрой БССР 53
Выводы по первой главе 56
1.4 Цель и задачи исследований 58
2 Анализ напряженно-деформированного состояния, разработка методов расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях. анализ напряженно -деформированного состояния, метод расчета прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил .
2.1 Анализ напряженно - деформированного состояния нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне чистого изгиба 61
2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при однократном кратковременном статическом нагружении; 68
2.3 Определение сдвигающих усилий по плоскости.контакта в зоне чистого изгиба 73
2.4 Определение сдвигающих усилий по плоскости контакта в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил 79
2.5 Определение предельной сдвигающей силы, воспринимаемой связями при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях
2.5.1 Определение сдвигающей силы, воспринимаемой древесиной 95
2.5.2 Определение сдвигающей силы, воспринимаемой стальным гвоздем 98
2.5.3 Коэффициент жесткости соединения 100
2.5.4 Условие прочности соединения (сопряжения) при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях 102
2.6 Метод расчета прочности нормальных сечений на основе
аналитических диаграмм деформирования бетона и древесины 114
2.6.1 Общие физические соотношения для расчета прочности и малицикловой выносливости нормальных сечений без учета податливости соединения (связей) 114
2.6.2 Общие физические соотношения для расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений с учетом податливости (деформативности) соединения (связей сдвига) 120
2.6.3 Упрощенные методы расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетон ных изгибаемых элементов 130 Основные предпосылки 130
Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учета податливости
соединения 132
Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений с учетом податливости
соединения 137
Общие физические соотношения для расчета прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил без учета податливости соединения 144
Физическая модель 144
Расчет прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил без учета податливости
соединения (связей) 150
Усилия в бетоне и древесине сжатой зоны 150
Усилия в древесине растянутой зоны 154
Силы зацепления 159
Система расчетных уравнений, несущая способность и прочность элементов 161
Общие физические соотношения для расчета прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил с учетом податливости соединения
(связей сдвига) 164
Усилия в бетоне и древесине сжатой зоны 165
Усилия в древесине растянутой зоны 169
Система расчетных уравнений, несущая способность и прочность элементов 170
3 Экспериментальные исследования деревожелезобетонных элементов .
3.1 Характеристики и технология изготовления опытных образцов 173
3.2 Методика испытания деревожелезобетонных элементов на действие однократной кратковременной статической нагрузки 189
3.3 Методика испытания деревожелезобетонных элементов на действие малоцикловой нагрузки 202
3.4 Результаты испытания деревожелезобетонных плит на действие однократной кратковременной статической нагрузки 207
3.5 Результаты испытания деревожелезобетонных плит на действие малоцикловой нагрузки 226
3.6 Результаты экспериментальных исследований прочности нормальных сечений деревожелезобетонных балок при однократном кратковременном статическом нагружении.. 251
3.7 Результаты экспериментальных исследований малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных балок 261
3.8 Результаты экспериментальных исследований прочности деревожелезобетонных балок в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при однократном кратковременном статическом нагружении 287
3.8.1 Методика прроведения экспериментальных S исследований 287
3.8.2 Характеристики и технология изготовления образцов 287
3.8.3 Результаты испытаний деревожелезобетонных балок 292
3.9 Результаты исследований деревожелезобетонных призм на действие статической нагрузки 326
3.9.1 Изучение деформативности и прочности контакта деревобетонных образцов 333
3.9.2 Результаты исследований деревожелезобетонных призм
на действие малоцикловой нагрузки 335
3.10 Результаты испытаний фрагмента деревожелезобетон ного перекрытия 345
4 Сопоставление результатов эксперемен тальных и теоритических исследований. оценка достоверности предлогае мых методов расчета 361
Общие выводы 376
Список использованной литературы
- Анализ существующих методов расчета прочности нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом нагружении
- Определение предельной сдвигающей силы, воспринимаемой связями при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях
- Система расчетных уравнений, несущая способность и прочность элементов
- Методика испытания деревожелезобетонных элементов на действие однократной кратковременной статической нагрузки
Введение к работе
Актуальность темы: При реконструкции зданий и сооружений установлено, что деревянные балки перекрытий, применявшиеся вплоть до 40-х-50-х годов двадцатого столетия, в большинстве своем не потеряли несущей способности, за исключением, находившихся в неблагоприятных температурных и влажностных режимах эксплуатации.
Поэлементное обследование, лечение, усиление опорных зон балок предусматривают возможность продления сроков их дальнейшей эксплуатации, сохранения в целом конструкций перекрытий.
С 1994 по 2005 годы с участием автора реконструированы междуэтажные перекрытия в зданиях: «Ялта», «Сивилла», «Гете», «Ульрика» в Карловых Варах, министерства финансов, концертно-филармонического объединения «Идель», молодежного дома студентов медицинского университета в Казани. Предложены проектные решения по реконструкции здания резиденции Президента в Казанском Кремле, возведенного в 1845г. архитектором Тоном.
Выполненные работы продемонстрировали технологичность, исключение лесов, уменьшение веса перекрытий, исключение их зыбкости, сохранение статической устойчивости зданий.
В то же время следует отметить, что выполнение работ по реконструкции перекрытий осуществлено без достаточного научного и нормативного обоснования.
Неизменность авторских решений - требование международных Афинской 1934г. и Венецианской 1964г. хартий по реставрации и реконструкции зданий, памятников архитектуры, сформулированное «ЮНЕСКО». Наряду с архитектурным декором это: фундаменты, стены, междуэтажные перекрытия.
При проектировании деревожелезобетонных перекрытий использовались методы расчета железобетонных конструкций. Расчеты выполнялись в предположении упругой работы бетона и древесины, без учета податливости соединения слоев.
В ранних исследованиях:
- были определены основные закономерности разрушения, развития прогибов деревожелезобетонных элементов при однократных кратковременных статических нагружениях;
-предложены методы расчета прочности нормальных сечений из предположения упругого деформирования материалов,
что не могло быть принято, как основа для моделирования изменений прочности при неупругом деформировании материалов с учетом податливости соединения слоев железобетона и древесины.
Проблемы прочности нормальных сечений при циклических, длительных статических нагружениях, в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил экспериментально не изучены. Их детальное рассмотрение позволило обосновать направления дальнейших исследований.
Нерешенность проблемы, значительное количество зданий, подлежащих реконструкции и охраняемые по перечню «ЮНЕСКО», Российской Федерациии, субъектов РФ стали предпосылкой для экспериментальных и теоретических исследований, разработки новых методов расчета прочности и деформативности деревожелезобетонных изгибаемых элементов при реальных условиях деформирования бетона, стали и древесины с учетом податливости соединения железобетонного и деревянного слоев.
Цель работы и задачи исследований.
Цель заключается в разработке и внедрении в практику проектирования методов расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов. При этом учитывается физическая нелинейность бетона и древесины, податливость соединения железобетонной полки с деревянной балкой при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях, а также в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются:
-изучение особенности напряженно-деформированного состояния, изменения прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при действии статических и малоцикловых нагрузок, в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил, с учетом физической нелинейности бетона и древесины, податливости соединения слоев;
-проведение экспериментальных исследований прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов;
-разработка методов расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях, в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил, с учетом физической нелинейности бетона и древесины, податливости соединения слоев;
-сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований, оценка достоверности предлагаемых методов расчета.
Научную новизну диссертации составляют:
- аналитические зависимости для определения сдвигающих усилий по плоскости сопряжения железобетонной полки и деревянной балки в зоне чистого изгиба с учетом податливости сдвиговых связей при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях;
- аналитические зависимости для определения предельной сдвигающей силы, воспринимаемой связями сдвига в плоскости контакта между железобетонной полкой и деревянной балкой при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях;
- деформационные методы расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов на основе аналитических диаграмм деформирования бетона, стали и древесины при жестком соединении и с учетом податливости соединения железобетонной полки с деревянной балкой;
- упрощенные методы расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при жестком соединении и с учетом податливости соединения железобетонной полки с деревянной балкой;
- полученные экспериментальные данные о характере разрушения деревожелезобетонных балок, о развитии в них прогибов и деформаций бетона и древесины при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях.
Автор выносит на защиту:
- результаты экспериментальных исследований прочности нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом нагружении;
- результаты экспериментальных исследований малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов;
- результаты экспериментальных исследований прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при однократном кратковременном статическом нагружении;
- инженерный метод расчета прочности, малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов на основе аналитических диаграмм деформирования материалов при жестком соединении и с учетом податливости соединения железобетона и древесины;
- инженерный метод расчета прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при жестком соединении и с учетом податливости соединения (связей сдвига) железобетона и древесины;
- упрощенный метод расчета прочности, малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при жестком соединении и с учетом податливости соединения железобетона и древесины;
- упрощенный метод расчета прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при жестком соединении и с учетом податливости соединения (связей сдвига) железобетона и древесины.
Практическая значимость работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы, имеющее народно-хозяйственное значение, как в области реконструкции исторических зданий – памятников архитектуры, так и в области теории архитектурных и строительных наук.
Разработаны методы расчета прочности и выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях, методы расчета прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил без учета податливости соединения (связей сдвига) и с учетом податливости соединения (связей сдвига) железобетонной полки и деревянной балки.
Разработанные методы расчета прочности и выносливости деревожелезобетонных изгибаемых элементов при различных условиях нагружения, без учета податливости и с учетом податливости соединения железобетонной полки и деревянной балки позволяют значительно повысить надежность составных конструкций, их расчетную несущую способность, получить наиболее экономичные, научно обоснованные конструктивные решения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и опубликовывались в сборниках научных трудов международных и Всероссийских научно – практических конференций, посвященных совершенствованию методов проектирования, реконструкции зданий и сооружений, возрождению исторических городов, теории архитектурной и строительной наук. Обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Казанского ГАСУ в период с1997 по 2008г.г., на Российской научно-практической конференции «Актуальные проблемы транспорта России» (Саратов, 27-30 сентября 1999г.), на Российском научно-практическом семинаре «Проблемы реконструкции и возрождения исторических городов» (Казань, 22-24 марта 1999г), на международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции; теория и практика» (Пенза, 3-5 июля 2003г.), на международной научно-практической конференции «Город и экологическая реконструкция жилищно-коммунального комплекса ХХI века», Москва, 2006г. и др.
Выполнены практические работы по реконструкции междуэтажных перекрытий 7 исторических зданий – памятников архитектуры ХIХ, ХХ вв. в республиках Чехия, Татарстан.
Достоверность результатов работы.
Представленные в диссертации задачи решались на основе физических экспериментов, проводимых в заводских условиях, а также на основе теоретических исследований с использованием достигнутых результатов в области теории и практики физико-математического моделирования составных деревожелезобетонных конструкций в разный период времени. Достоверность исследований достигнута с использованием действующего оборудования технического контроля предприятий строительной индустрии и современной измерительной аппаратуры, обеспечивающих заданную точность измерений при испытаниях (отражено в диссертации). Достоверность результатов исследований, установленных зависимостей, методов расчета, расчетных моделей подтверждается сопоставлением опытных и расчетных величин.
Личный вклад в решение проблемы заключается в выборе и предложении актуальной темы, столь остро обозначенной в теории и практике проектных и реконструктивных работ, самостоятельной формулировке научно практической цели диссертационной работы и основных задач исследований. Автором предложена физическая и экспериментальная модель композиционной конструкции, осуществлено ее практическое применение. Памятники истории и архитектуры различных уровней охраны от субъекта РФ до государственного и международного (Юнеско), в которых проведена реконструкция перекрытий с участием автора, перечислены в диссертационной работе.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах по списку ВАК. Получены справочные подтверждения о внедрении предложенных автором методов обследования, проектирования, выполнения работ по реконструкции междуэтажных перекрытий от министерства строительства, архитектуры и ЖКХ Республики Татарстан, санаторно-курортного комплекса»Ульрика» Республики Чехия, управления капитального строительства и реконструкции г.Казани, строительно-монтажной фирмы №2 ОАО «Татстрой».
Структура и объем работы. Диссертационная работа выполнена в Казанском Государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Основания, фундаменты, динамика сооружений и инженерная геология» в 1998-2009г.г., научный консультант - Советник РААСН, доктор технических наук, профессор И.Т. Мирсаяпов.
Анализ существующих методов расчета прочности нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом нагружении
Деревобетон, как композиционная система представляет собой конструктивное соединение двух материалов с присущими им различными физико-механическими свойствами. Наиболее характерными в этой системе выступают две разновидности конструктивных элементов (балки и плиты), получившие в специальной технической литературе единый термин-«деревобетон». Монолитные бетонные балки, армированные в растянутой зоне продольными деревянными стержнями-по конструктивной аналогии с железобетонными. Составные композиционные элементы: деревянные балки в нижней ветви (растянутой зоне) и плиты в верхней ветви (сжатой зоне) из бетона, или железобетона. Аналогией для составных балок и плит служат сталежелезобетонные конструкции. Составные композиционные деревобетонные конструкции приобретают термин «деревожелезобетонные» в случае продольного армирования стальными стержнями верхней ветви - железобетонной плиты объединенной конструкции на длину расчетного пролета балки. Армирование железобетонной плиты составной конструкции в поперечном направлении обеспечивает ее работу на изгиб в пространстве между главными объединенными балками.
Идея совместного использования дерева и бетона в конструкциях, где растягивающие усилия воспринимаются древесиной, а сжимающие бетоном, возникла в конце 19 века. Первый патент на деревобетон был заявлен в Швейцарии в 1896 году. Здесь был зафиксирован первый случай применения дерева в качестве арматуры в бетонных конструкциях [133].
В 1912 году в Бригтоновском институте Лондона инженером Р. Кайзе были проведены опыты над деревобетонными балками, где в качестве арматуры были использованы деревянные бруски; [133]1
Аналогичные опыты были проведены в Италии инженерами В. Рикардини и П.Вискардини [23]. Данные опыты продемонстрировали возможность применения древесины в бетоне в качестве арматуры, так как она хорошо сцепляется с бетоном; не разбухает при применении в увлажненном виде. Во избежание: появления трещин от разбухания древесины арматурные деревянные стержни рекомендовано держать в водной среде в целях их максимального водного насыщения. В качестве арматуры были использованы еловые бруски, применен литой бетон. Для наиболее эффективного принятия главных растягивающих усилий в опорных: зонах; балок к продольным деревянным; арматурным; стержням были прикреплены;, наклонные- рейки сечением? 3x5 см.. и деревянные: хомуты. сечением 1,5x3 см. Испытание балок производилось по истечении 26 суток с приложением нагрузки в середине пролета балки. Трещины в: растянутой зоне балки возникли при значениях нагрузки Р=2490 кгс. Теоретическими расчетами были определены напряжения в древесине и в бетоне, которые составили соответственно ад = 75 кгс/см , аь =35 кгс/см . Разрушение балки произошло при нагрузке Р=6000 кгс, которой соответствовали напряжения в древесине уд =150 кгс/см и в бетоне сгь = 72,5 кгс/см .
Значительные и детальные исследования деревобетона проведены в России профессором И.А. Кириенко, инженером М.А. Киеня, профессором Н.И. Петровым и инженером Г.С. Пушкиным, доцентом Г.Д. Цискрелли. Профессор И.А. Кириенко [53] проводил экспериментальные исследования деревобетонной балки с размерами 230x28x15см. (рис.1.1.1). Продольная арматура была связана деревянными хомутами, установлены наклонные рейки, скрепленные с арматурой стальными нагелями (гвоздями), применен бетон в составе 1:2,5:4. Арматура из деревянных стержней до бетонирования балки была погружена на семь суток в водную среду. Деревобетонную балку испытали по истечении 13 суток. Первые нормальные трещины, в «растянутой зоне балки образовались при нагрузке 2500 кгс. Напряжения, вычисленные методом расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, имели значения сгд =309 кгс/см2 , УЬ = 156 кгс/см2. Разрушение балки произошло при нагрузке 3850 кгс. При этом напряжения в древесине и бетоне были равны: ад = 480 кгс/см , аь = 237 кгс/см .
Результаты исследований профессора И.А. Кириенко в сравнении с результатами инженера В. Рикардини продемонстрировали трехкратное превышение напряжения в древесине с разрушением балки по сжатой зоне бетона. бетон
Инженер М.А. Киеня [52] провел экспериментальные исследования 60-ти деревобетонных балок (рис. 1.1.2)1 размерами 276x28x23см., изготовленных из литого бетона, в некоторых из них бьши установлены деревянные и стальные хомуты, с целью вьыснения влияния материала хомутов на прочностные характеристики конструкций. Испытание балок проводили на специальном стенде, схема испытания показана на рис. 1.1.2. Напряжения в деревянных арматурных стержнях и в монолитном бетоне вычислялись по методике расчета железобетонных конструкций по допускаемым- напряжениям при отношении модулей упругости; дерева И бетона Ед/ Еь=0;5; Проведенные; опыты установили что» в момент
разрушенияїбалок напряжения в деревянной арматуре;составляли 453?кгс/см ,:вьбетоне сжатойізоньї колебалисьот 83-11 кгс/смз до290»кгс/см/ .Первые нормальные. трещины образовались, BV растянутой зоне- прш напряжениях в деревянной арматуре 250 кгс/см . Все деревобетонные балки, за исключением трех, разрушились в зоне действия максимальных изгибающих моментов- Исследования показали, что установка деревянных хомутові нецелесообразна, так как 30 % балок разрушилась по деревянным хомутам. Из общего числа 20 % деревобетонных балок разрушились в зонах реологических дефектов арматурных деревянных стержней.
Исследованиями доцента Г.Д. Цискрелли [120] установлено, что прочность деревобетонных балок в 3-3,5 раза больше прочности одноразмерных бетонных неармированных балок. Пролеты деревобетонных балок значительно превышают аналогичные параметры железобетонных балок при одинаковых размерах поперечного сечения и площади арматуры.
Определение предельной сдвигающей силы, воспринимаемой связями при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях
Оценка существующих экспериментальных и теоретических исследований прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях, прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил с учетом физической нелинейности бетона и древесины, податливости соединения слоев позволяет изложить понимание современного состояния проблем прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений, прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил деревожелезобетонных изгибаемых элементов.
Экспериментальные исследования проблем прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов, прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил — область в полной мере не изученная. В отдельных, разрозненных исследованиях выявлены основные закономерности разрушения составных стержней, развития в них прогибов, влияния на их прочность и выносливость конструктивных особенностей.
Определены основные виды разрушения по нормальному сечению: -по железобетонной полке в результате смятия верхних фибр бетона; -по деревянной балке в результате разрыва волокон (трахей древесины) в нижней растянутой зоне составного элемента.
Имеющиеся методы расчета прочности нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов разработаны, в основном, из предположения упругого деформирования материалов с учетом тех или иных особенностей поведения композиционных конструкций в целом и их составных элементов. Не учтены, в должной степени, изменения прочности с возникновением и дальнейшим развитием податливости соединения слоев бетона и древесины при однократных кратковременных статических нагружениях исследуемых элементов, что не может обеспечить получение надежных и одновременно экономичных решений.
Недостаточность разрешающих свойств имеющихся методов расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов, прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил — сдерживающий фактор в теоретически обоснованных решениях конструктивных задач.
Авторский аналитический обзор теоретических и практических проблем предопределил создание методик расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов, расчета прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил, раскрывающих особенности изменения напряженно - деформированного состояния сечений, фактические режимы деформирования бетона, арматуры и древесины в составе композиционной конструкции с учетом податливости соединения железобетонной полки и деревянной балки.
Наиболее приближенной к объективности представляется расчетная модель, отражающая действительную работу деревожелезобетонных композиционных конструкций в зоне действия максимальных изгибающих моментов и поперечных сил, позволяющая учитывать фактическое напряженно-деформированное состояние конструктивного элемента, податливость соединения слоев, реальные неупругие режимы деформирования бетона и древесины. Очевиден учет всех основных факторов, влияющих на прочность нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов, что раскрывает весь диапазон физико-механических свойств материалов в целях их мобилизации на повышение несущей способности создаваемых конструкций, их надежности и долговечности. Цель диссертационной работы - разработка методов расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом и малоцикловом нагружениях, прочности деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил с учетом физической нелинейности бетона и древесины, податливости соединения железобетонной полки с деревянной балкой.
В работе ставились следующие задачи: изучить особенности напряженно-деформированного состояния, изменения прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при действии статических и малоцикловых нагрузок, напряженно-деформированного состояния, изменения прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил, с учетом физической нелинейности бетона и древесины, податливости соединения слоев; провести экспериментальные исследования прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов, прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил; разработать методы расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений деревожелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом и малоцикловом! нагружениях, прочности в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил с учетом1 физической, нелинейности бетона и древесины, податливости соединения слоев;
Система расчетных уравнений, несущая способность и прочность элементов
Восприятие сдвигающей силы стальным гвоздем и деревянным массивом происходит на длине, где горизонтальные перемещения и поперечная сила в гвозде уменьшаются практически до нуля, а изгибающий момент возрастает до максимальной величины (рис.2.5.1).
При принятой расчетной схеме деформирования стальных гвоздей в зоне контакта (рис.2.5.1) максимальные значения изгибающих моментов, а, следовательно, и максимальные «нормальные» напряжения при действии сдвигающих усилий возникают на расстоянии Lx от плоскости контакта.
Это расстояние является зоной передачи усилия от стального гвоздя на древесину. Данная зона играет существенную роль при оценке несущей способности соединения, ее длина (длина активного деформирования) зависит от изгибной жесткости стальных гвоздей, диаметра гвоздя и коэффициента постели основания. Согласно (2.5.5) и (2.5.7) искомое значение Lx является одним из решений уравнения [21]: shcx.ch%. m(a-Q-sma.(X%.ch(a-$ =0. Численное решение этого уравнения для различных значений заделки стального гвоздя в массив и соотношения Es и к , показывает, что имеется область, где значение cos(a — ) стремится к нулю. Поэтому в целях упрощения можно в (2.5.5)и (2.5.7) принимать cos(a — Q=0.
Тогда длина1 активного деформирования Lx при статическом нагружении может быть вычислена исходя из (2.5.5) и рис. 2.5.1 принимая cas(a-g)=o. г Я 4KJ где Es - модуль деформации стали гвоздя; Js - момент инерции поперечного сечения гвоздя; ds- диаметр гвоздя; к - коэффициент постели основания. Длина активного деформирования Lx \t) при малоцикловом нагружении может быть вычислена исходя из (2.5.7) и рис. 2.5.1 принимая где Es - модуль деформации стали гвоздя; Js - момент инерции поперечного сечения гвоздя; ds- диаметр гвоздя; k\t)- коэффициент постели основания при малоцикловом нагружении.
Эпюра нормальных напряжений, возникающих в древесине под стальными гвоздями в зоне передачи усилия, в разных стадиях деформирования древесины имеет различные формы.
При работе древесины в упругой стадии эпюра отпора основания близка треугольной (рис.2.5.3). При увеличении сдвигающих усилий напряжения в материалах возрастают. Эпюра отпора основания принимает криволинейную форму аналогичную диаграмме деформирования древесины (рис.2.5.3). о: v
Расчетные схемы предельного состояния при возможных формах исчерпания несущей способности системы: деревянный массив стальной гвоздь при действии сдвигающего усилия по плоскости сопряжения железобетонной полки и деревянного бруса.
Полагая, что при однократном кратковременном статическом нагружении смятие древесины происходит на длине Lx , равной длине изгиба стального гвоздя в деревянном массиве по (2.5.13), величина предельной сдвигающей силы, соответствующая исчерпанию несущей способности предела текучести составляет (рис.2.5.3). Кхд = Чи-к- (2.5.1.1) где q и - величина предельной погонной нагрузки в массиве; W - коэффициент полноты эпюры погонных усилий. Величина предельной погонной нагрузки в массиве древесины под стальным гвоздем может быть определена по формуле: qu=Rcd ds, (2.5.1.2) где Rcd - сопротивление древесины смятию; ds - диаметр гвоздя. В практических расчетах приравнивается сопротивление древесины смятию вдоль волокон к сопротивлению сжатию вдоль волокон.
При определении сдвигающей силы, воспринимаемой деревянным основанием под стальным гвоздем, необходимо учитывать форму эпюры погонных усилий. В реальных условиях деформирования форма эпюры погонных усилий (эпюра отпора основания) отличается от эпюры прямоугольной.
В зависимости от стадии, деформирования древесины форма эпюры может быть как треугольной, так и криволинейной. Изменение формы эпюры отпора основания отражается введением в расчетную формулу коэффициента полноты эпюры W, учитывающего отклонение площади реальной эпюры от прямоугольной. Коэффициент полноты эпюры отпора основания определяется по формуле:
Предположив, что все гвозди загружены одинаково окончательное уравнение предельной сдвигающей силы, воспринимаемой деревянным основанием, имеет вид: Д& = crd.d,. x.w.n; (2.5.1.4) где П - количество стальных гвоздей. При разрушении соединения (контакта) по древесине гнезда принимается ад = JR , а при разрушении по стальному гвоздю напряжение в деревянном массиве основания определяется по диаграмме деформирования древесины, предполагая, что деформации древесины равны максимальному прогибу гвоздя.
При исчерпании стальным гвоздем несущей способности до наступления предельного состояния в деревянном массиве основания, величина воспринимаемой гвоздем предельной сдвигающей силы определяется из уравнения равновесия моментов внешних и внутренних сил. Эпюра погонных сжимающих напряжений принимает треугольную форму с максимальными значениями q qu (рис.2.5.3).
Момент, возникающий в условной заделке, при действии сдвигающего усилия на гвоздь, определяется при однократном кратковременном статическом нагружении по формуле : Kit= f, (2.5.2.1) Предположив, что эпюра напряжений в стальном гвозде имеет прямоугольную форму, момент внутренних усилий в нем равен: Hit = 2 2 4 (2.5.2.2) Из равенства правых частей уравнений (2.5.2.1) и (2.5.2.2) определяется величина сдвигающей силы, воспринимаемой стальным гвоздем: Ял = зoA Ad,. (25 2 3) где А; - площадь поперечного сечения гвоздя; Qtes)- фактические напряжения в стальном гвозде, вычисляемые по диаграмме « с — ф . При определении сдвигающей силы, воспринимаемой гвоздем, следует уточнить форму эпюры нормальных напряжений. По аналогии с расчетом сдвигающей силы деревянного массива основания в данном случае также вводится коэффициент полноты эпюры напряжений в стальном гвозде ws.
Методика испытания деревожелезобетонных элементов на действие однократной кратковременной статической нагрузки
Для определения прочности сопряжения бетона и древесины были изготовлены опытные деревобетонные составные призмы размерами: шириной - 100 мм (для статических), 150 мм (для малоцикловых нагружений), толщиной бетонной составляющей - 50 мм, толщиной деревянной составляющей - 40 мм, рабочей длиной - 450 мм, общей длиной -500 мм. Совместная работа бетона и древесины обеспечивалась стальными гвоздями 2,5/50 мм и 4/60 мм, вбитыми в древесину в предварительно высверленные отверстия 0,9 d гвоздя. Гвозди расположены с шагом 50 и 100 мм (для статических) и 50, 100 и 150 мм (для малоцикловых нагружений) по длине образцов. Всего было изготовлено 3 серии призм по 3 образца в каждой серии (для статических нагружений) c\ стальные гвозди
Схема забивки стальных гвоздей на контактные поверхности деревобетонных балок серии БДБЗ и БДБ4. и 5 серий по5 образцов (для малоцикловых нагружений). Конструкции опытных деревобетонных призм, формы сечений, геометрические характеристики приведены на рис.3.1.11-3.1.13.
В целях исключения разнородности структуры бетона в экспериментальных конструкциях все виды деревожелезобетонных элементов были забетонированы одновременно бетоном соответственно классов В20 и В35 на основе речного гравия Ф15 (для В20) и гранитного щебня (для В35). Смеси приготовлены в заводских условиях по индустриальным технологиям.
Изготовление опытных деревожелезобетонных л конструкции осуществлялось в следующей последовательности. Были изготовлены деревянные элементы конструкций с нестроганой контактной поверхностью, в которой высверлены отверстия диаметром 0,9d гвоздя, в предварительно высверленные отверстия вбиты гвозди. Затем уложены арматурные сетки и выполнена монолитная плита толщиной 50 мм.
Для исключения влияния на результаты испытаний нарастания прочности бетона, а также изменения начального напряженно-деформационного состояния опытных образцов вследствие усадки, испытание деревожелезобетонных конструкций было начато после их хранения в течение трех месяцев в условиях нормальной влажности и температуры, что способствовало стабилизации прочностных и деформативных свойств бетона.
Прочностные и деформативные характеристики бетона опытных образцов определены лабораторным испытанием кубов и призм, сформованных одновременно с основными образцами и хранившихся в равных температурно-влажностных условиях.
Прочность бетона на сжатие определена при испытании кубов размерами 100x100x100 мм (при статических) и 150x150x150 мм (при малоцикловых) нагружениях. Призменная прочность, прочность на растяжение и модуль упругости бетона определены по результатам испытаний бетонных призм размерами 100x100x400 мм. Предварительным центрированием образцов по физической оси обеспечено расхождение показаний по граням образцов от средних величин не более чем на 5 %.
Наращивание внешних усилий осуществлялось по 0,1 от прогнозируемой разрушающей нагрузки со снятием отчетов тензометрическими приборами. Величина разрушающей нагрузки фиксировалась по показаниям приборов силовых измерений испытательных машин П-125, ПСУ-50. Предельные деформации бетона измерены по четырем граням образцов тензодатчиками сопротивления базой 50 мм при помощи прибора AUD-4M. По трем призмам определен предел прочности на сжатие - Rb и начальный модуль упругости Еь, по трем другим - предел прочности на растяжение.
Испытание вспомогательных бетонных образцов осуществлено в соответствии с методикой ГОСТ 24452-80 и ГОСТ 10180-78. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 3.1.1
Механические характеристики бетона опытного состава. (для статического нагруженшф на 28 сутки 1-средние влериод испытаний Я,МПа ЩМПа К, МПа Еь,МПа R, МПа Ц МПа К, МПа Еь, МПа 40,6 23,4 0,73 23000 44,6 26,15 0,85 31000 184 Таблица 3.1.1(6) Механические характеристики бетона опытного состава. (для малоциклового нагружения) Средние характеристики в период испытаний Я, МПа ЯьМПа ЕьМПа 39.0 29.8 54 000 Испытания по определению механических характеристик стальных гвоздей осуществлены в соответствии с методикой по ГОСТ 12004-81, результаты испытаний приведены в таблице 3.1.2.
Фрагмент деревожелезобетонного перекрытия был испытан равномерно распределенной! по площади плиты нагрузкой, созданной калиброванными бордюрными плитами размерами 1000x100x80 мм с единичной массой 40 кг. Общий вид испытания фрагмента деревожелезобетонного перекрытия показан на рис. 3.2.6-3.2.9, деревожелезобетонных балок на рис.3.2.10.
