Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное строительство характеризуется увеличением высотности и перекрываемых пролетов зданий и сооружений, ростом технологических нагрузок, настоятельно требуя применения стержневых вертикальных несущих элементов, обладающих высокой несущей способностью, надежностью и долговечностью при малых поперечных сечениях. В связи с этим все более востребованными становятся трубобетонные колонны (ТБК). Сжатые трубобетонные элементы, имеющие небольшую гибкость и малые эксцентриситеты приложения продольной силы (что характерно для вертикальных несущих элементов каркасов высотных зданий) обладают исключительно высокой несущей способностью при относительно малых поперечных сечениях, являясь примером удачного сочетания наиболее ценных свойств металла и бетона. Это дает существенную экономию материалов, приводит к уменьшению размеров сечений элементов, их массы и транспортных затрат, а также сохранения всех достоинств металлических конструкций в плане монтажа.
Широкому применению ТБК в России препятствуют два обстоятельства. Первое - отсутствие отечественных норм по их проектированию и расчету. Существующие методики расчета существенно отличаются друг от друга, не учитывая или учитывая не в комплексе свойства материалов и особенности сопротивления трубобетонных элементов деформированию как при кратковременной, так и при длительной нагрузке.
Второе - обусловлено наличием существенного конструктивного недостатка сжатых трубобетонных элементов, состоящего в сложности обеспечения совместной работы бетонного ядра и внешней стальной оболочки при эксплуатационных нагрузках. В результате оболочка включается в работу в качестве стальной обоймы только после начала процесса микротрещинообразования в бетоне. Это отрицательно влияет на эффективность работы ТБК. Кроме того, в местах передачи нагрузок на колонну от перекрытий может оказаться недостаточным сцепление между бетонным ядром и стальной оболочкой.
Данные обстоятельства свидетельствуют об актуальности и перспективности проведения дальнейших экспериментально-теоретических исследований работы ТБК.
Цель работы - решение проблемы повышения эффективности трубобетонных колонн путем разработки новой конструкции и комплекса новых методов расчета прочности на кратковременное и длительное нагружение с позиций единого системного подхода.
Автор защищает:
новое конструктивное решение трубобетонных элементов, имеющих предварительно обжатое бетонное ядро;
результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности трубобетонных элементов с предварительно обжатым бетонным ядром при центральном и внецентренном действии кратковременной сжимающей нагрузки;
результаты экспериментальных исследований реологических свойств и длительной прочности образцов ТБК с предварительно обжатым бетонным ядром;
итерационный метод расчета прочности ТБК, включая:
- построение расчетной модели деформирования внецентренно сжатого трубобетонного элемента с учетом физической нелинейности железобетона и приобретаемой в процессе нагружения неоднородности и анизотропии;
- построение диаграмм деформирования бетонного ядра и стальной оболочки при осевом сжатии;
- зависимости для основных параметров НДС бетонного ядра и стальной оболочки в упруго-пластической и пластической стадиях работы конструкции, учитывающие, в том числе, предварительное обжатие ТБК;
упрощенный метод расчета прочности ТБК на основе нелинейной деформационной модели;
приближенный метод оценки прочности ТБК по предельным усилиям;
новые конструктивные решения узлов сопряжения трубобетонных колонн с междуэтажными перекрытиями.
Научная новизна работы:
- новая конструкция сжатого трубобетонного элемента с предварительно обжатым бетонным ядром;
-результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния трубобетонных элементов обычных и с предварительно обжатым бетонным ядром при кратковременном и длительном, осевом и внецентренном сжатии;
- итерационный метод расчета прочности и оценки НДС ТБК при кратковременном и длительном сжатии, учитывающий физическую нелинейность компонентов (бетонного ядра и стальной оболочки), неоднородность их напряженного состояния, наличие предварительного обжатия бетона;
- упрощенный метод расчета прочности ТБК с использованием нелинейной деформационной модели железобетона;
- приближенный метод расчета прочности ТБК по предельным усилиям;
- зависимости для основных параметров, отражающих особенности НДС ядра и оболочки в упруго-пластической и пластической стадиях работы (прочность бетона, коэффициент бокового давления, коэффициенты поперечных деформаций, величина относительной деформации бетона ядра для вершины диаграммы состояния «-» и др,.); выражение для характеристики линейной ползучести объемно-напряженного бетона.
Достоверность и обоснованность положений и выводов диссертации обеспечивается методически обоснованным комплексом исследований с использованием современного оборудования и приборов поверенных и метрологически аттестованных; применением вероятностно-статистических методов обработки опытных данных; общепринятых допущений теорий сопротивления материалов, упругости, пластичности и современной нелинейной теории железобетона; подтверждается соответствием результатов расчета по разработанным методикам с экспериментальными данными, полученными другими исследователями.
Практическое значение работы:
- разработаны новая конструкция, технология, оснастка и способы изготовления ТБК с предварительно обжатым ядром;
- разработан комплекс из итерационного, упрощенного и приближенного методов для расчета прочности ТБК как на ЭВМ, так и вручную;
- разработана нормативно-техническая документация с рекомендациями по расчету и конструированию колонн со стальной обоймой (трубобетонных колонн) для многоэтажных промышленных и гражданских зданий, в том числе узлов сопряжения колонн с перекрытиями.
Внедрение результатов. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований сформулированы предложения по расчету и конструированию трубобетонных колонн, которые положены в основу нормативного документа СТО 36554501-025-2011 «Трубобетонные колонны», разработанного и изданного НИИЖБ ОАО «НИЦ «Строительство» в 2011 г. Материалы данного стандарта предназначены для использования при проектировании трубобетонных колонн многоэтажных зданий и сооружений, а также других сжатых элементов, выполненных из тяжелого бетона классов по прочности на сжатие от В15 до В100.
Опытное внедрение ТБК усовершенствованной конструкции осуществлено на шести объектах в г. Магнитогорске и Челябинской области, в том числе при строительстве Комплекса толстолистового стана 5000 ОАО «ММК». Суммарная экономическая эффективность практического использования новых конструкций составила 4,2 млн. руб.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ряда вузов страны –Магнитогорском государственном техническом, Ростовском государственном строительном, Воронежском государственном архитектурно-строительном и Кабардино-Балкарском университетах.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на:
- международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций» в г. Томске в 2002 г.;
- III международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» в г. Волгограде в 2003 г.;
- II…YIII международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» в г. Пенза в 2003…2008 гг.;
- всероссийской научно-практической конференции «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья» в г. Тольятти в 2004 г.;
- 2-й всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон – пути развития» в г. Москве в 2005 г.;
- YI и YII Международных Конгрессах в г. Данди, Шотландия, в 2005 и 2008 гг.;
- 63-й научно-технической конференции «Строительные конструкции и расчет сооружений» в г. Новосибирске в 2006 г.;
- IY-й международной научно-технической конференции «Бетон и железобетон в III тысячелетии» в г. Ростове-на-Дону в 2006 г.;
- 63-й всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре» в г. Самара в 2006 г.;
- IY-й международной научно-практической конференции «Развитие вуза через развитие науки» в г. Тольятти в 2006 г.;
- международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячилетие – новый мир» в г. Москве в 2006 г.;
- III и IYмеждународных конференциях «Предотвращение аварий зданий и сооружений» в г. Москве в 2008, 2009 гг.;
- международной конференции «Актуальные проблемы исследований по теории сооружений» в г. Москве в 2009 г.;
- международных научно-практических конференциях «Инженерные системы» в г. Москве в 2009…2011 гг.;
- YI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» в г. Оренбурге в 2010 г.;
- III международной научно-практической конференции «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» в г. Москве в 2010 г.;
- XXXI Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий в г. Миассе в 2011 г.;
- научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» по итогам научно-исследовательских работ в г. Магнитогорске в 2002-2011 гг.
Опытный образец трубобетонного элемента новой конструкции получил серебряную медаль и диплом II степени на XI Петербургском международном экономическом форуме-выставке «Инновационные достижения» в 2006 году, Гран-при за победу в конкурсе «Лучший инновационный проект и научно-техническая разработка» на III салоне инноваций Челябинской области в 2007 г.; диплом и серебряную медаль на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2008 г.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 65 работах, в том числе в 14 рекомендованных ВАК изданиях, в 2 монографиях, в 11 авторских свидетельствах и патентах и в 38 других изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка использованных источников из 236 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 380 страницах, содержит 31 таблицу и 166 рисунков.
