Введение к работе
Актуальность темы. Практическое использование железобетона во все более сложных и ответственных зданиях и сооружениях вызывает необходимость развития теории и совершенствования методов расчета железобетонных конструкций.
В любом конструктивном элементе, работающем на изгиб, возникает кручение за счет случайного эксцентриситета, обусловленного асимметрией сечения, неоднородностью материалов или внецентренным приложением вертикальной нагрузки. Существует целый класс конструкций (краевые балки, балки с боковыми консолями, наклонные арки, Г-образные рамы при действии ветровой нагрузки, опоры ЛЭП при одностороннем обрыве проводов и т.п.), в которых неучет кручения в расчетах может привести к конструктивным неполадкам и авариям, а также к неверному представлению картины распределения усилий в системе. Обследованиями, проведенными в США и Канаде Ассоциацией портландцемента, выявлено несколько случаев аварий, связанных с кручением железобетонных элементов.
Кручение в железобетоне представляет собой весьма сложное явление, для описания которого требуется привлечение ряда гипотез, подтвержденных экспериментом. Проблема изгиба с кручением в недалеком прошлом была малоизученной и поэтому постоянно включалась в "Планы важнейших научно-исследовательских работ по бетону и железобетону" научно-исследовательских институтов и вузов.
При кручении наблюдаются четыре случая разрушения. При изгибе с кручением происходит “наложение” этих случаев с несколькими случаями разрушения при изгибе, что еще более осложняет решение задачи. В свою очередь характер разрушения зависит от формы поперечного сечения, схемы поперечного и продольного армирования, соотношения силовых интенсивностей продольного и поперечного армирования, а также от соотношения ресурса прочности бетона на сжатие и ресурса прочности арматурной стали на растяжение.
В настоящее время имеется больше десятка предложений по оценке прочности железобетона при наличии кручения. Наиболее прогрессивные методы и предложения, как правило, включаются в нормы. Тем не менее, в действующих нормативных документах присутствует ряд положений, касающихся оценки прочности при наличии кручения, которые, несмотря на имеющийся опыт проектирования, пока освещены недостаточно и не всегда согласуются с реальной работой железобетона. В них отсутствуют целые разделы, например, по определению напряжений в арматуре, воспринимающей нормальные и касательные усилия; по определению секущих модулей упругости спиральных полос бетона вдоль и поперек трещин; значения нормативных и расчетных сопротивлений кручению для различных классов бетона; не учитывается снижение предела призменной прочности бетона за счет сложного напряженного состояния и др.
Отсюда следует, что проведение исследований по детальному изучению прочности железобетонных конструкций произвольного сечения при кручении с изгибом с учетом влияния важнейших расчетных параметров является достаточно актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка методики расчета прочности железобетонных конструкций произвольного сечения при кручении с изгибом с учетом влияния основных расчетных параметров, таких как нормальные и касательные усилия в бетоне сжатой зоны; составляющих осевых усилий в продольной и поперечной арматуре; концентрации деформаций во входящих углах поперечного сечения элементов L-образного сечения.
Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:
- на основании выполненного анализа экспериментальных и теоретических исследований разработать методику расчета прочности железобетонных конструкций произвольного сечения, в том числе для элементов L-образного сечения при кручении с изгибом, позволяющую увеличить точность решения задачи по сравнению с существующими способами;
- выполнить экспериментальные исследования с определением основных параметров, связанных с прочностью железобетонных конструкций при кручении с изгибом, с наличием входящих углов в поперечном сечении, и по результатам их анализа провести проверку предлагаемого расчетного аппарата по оценке предельного сопротивления;
- провести численные исследования и выполнить сравнительную оценку предлагаемой расчетной методики с экспериментальными данными и существующими способами расчета.
Объект исследования – железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Предмет исследования – методика расчета прочности железобетонных конструкций произвольного сечения при кручении с изгибом.
Методы исследования – используется экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела и теории железобетона.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
- разработана методика испытаний и выполнены экспериментальные исследования с реализацией двух схем работы обвязочных ригелей – в стадии свежеуложенной кладки и в эксплуатационной стадии, позволившие выявить новую двухблочную модель предельного сопротивления железобетонных конструкций при кручении с изгибом, характер развития пространственных трещин и их характерные типы, получить опытные данные при наличии входящих углов в контуре сечения, в значительной степени дополняющие имеющийся фактический материал;
- сформулированы предпосылки и предложена методика расчета прочности железобетонных конструкций произвольного сечения на кручение с изгибом, базирующаяся на новой двухблочной расчетной модели, которая, опираясь на критерий предельного сопротивления и диаграмму связи (путем ее проецирования), позволяет учитывать влияние важнейших расчетных параметров, в том числе составляющие нормальных и касательных усилий в бетоне сжатой зоны, в конце фронта пространственной трещины и проекции осевых усилий в арматуре;
- предложен алгоритм и практическая методика реализации разработанного способа расчета железобетонных конструкций произвольного сечения при сложном сопротивлении – кручении с изгибом, учитывающие концентрацию деформаций во входящих углах L-образного поперечного сечения, а также существенно упрощающие расчет, сохраняя при этом необходимую точность;
- выполнен численный и сравнительный анализы в широком диапазоне изменения формы поперечного сечения, схем нагружения и соотношений крутящего и изгибающего моментов, классов и видов бетона при различных схемах продольного и поперечного армирования и уровнях предварительного напряжения.
Автор защищает:
- методику и результаты экспериментальных исследований, позволившие выявить характер развития пространственных трещин, и новую двухблочную модель предельного сопротивления железобетонных конструкций при кручении с изгибом;
- статические и деформационные уравнения для выполнения расчета прочности железобетонных конструкций произвольного сечения на кручение с изгибом, базирующиеся на двухблочной расчетной модели, позволяющей учитывать влияние важнейших расчетных параметров, в том числе составляющих нормальных и касательных усилий в бетоне сжатой зоны, в конце фронта пространственной трещины, составляющих осевых усилий в арматуре;
- практическую методику и алгоритм реализации разработанного способа расчета железобетонных конструкций произвольного сечения на сложное сопротивление – кручение с изгибом, учитывающие концентрацию деформаций во входящих углах L-образного поперечного сечения и обеспечивающие инженерную обозримость расчета;
- результаты численного и сравнительного анализов с использованием собственных опытов и накопленных экспериментальных данных в широком диапазоне изменения формы поперечного сечения, схем нагружения и соотношений крутящего и изгибающего моментов, классов и видов бетона при различных схемах продольного и поперечного армирования и уровнях предварительного напряжения.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов основывается на использовании общепринятых допущений строительной механики и механики железобетона, сопоставлении теоретических результатов с экспериментальными (включая и опыты других авторов), а также подтверждается результатами многовариантных численных исследований, в т.ч. расчетами реальных конструкций.
Практическое значение полученных результатов заключается в том, что расчеты прочности железобетонных конструкций произвольного сечения при кручении с изгибом, выполненные по предлагаемой методике, дают более точные результаты при проектировании железобетонных конструкций без проведения трудоемкого и дорогостоящего экспериментирования обвязочных ригелей ограждающего контура жилых зданий. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования Орловским академцентром РААСН и используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета в рамках дисциплины “Железобетонные конструкции”.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции (г. Орел, 2007), на Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве. SIB-2008» (г. Воронеж, 2008).
В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы» Орловского государственного технического университета (г. Орел, июнь 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть научных статей в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 151 наименования и трех приложений, в состав которых входят материалы внедрения работы. Основной текст изложен на 143 страницах, который иллюстрируется 51 рисунком и включает 6 таблиц.
