Згинальні несучі конструкції зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном - Автореферат

Це дає можливість збільшити робочу висоту перетину й одержати відповідний приріст міцності та жорсткості або зменшити розміри поперечного перетину конструкції. Однак дотепер не розвязані проблеми проектування цих конструкцій, які полягають у визначенні кількості арматури, розмірів поперечного перерізу та способів армування складних конструктивних елементів. Вищевикладене визначає актуальність теми дисертаційної роботи й дозволяє кваліфікувати дослідження опору елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, дії згинаючого моменту і поперечних сил та розробленням методів їх розрахунку як наукову задачу, що має велике народногосподарське значення. Виконана робота являє собою частину загальної наукової програми досліджень за темою “Дослідження напружено-деформованого стану та впровадження у будівництво сталезалізобетоних конструкцій” кафедри конструкцій із метала, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Розробити методику оцінки напружено - деформованого стану та розрахунку міцності при дії згинального моменту і поперечної сили балок зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.Питання теорії розрахунку конструкцій із зовнішнім армуванням і звязаних із ними комбінованих конструкцій розглянуті в роботах О.Я.Берга, О.О.Гвоздєва, Г.А.Генієва, О.А.Долженка, В.І.Єфіменка, О.І.Кікіна, Ф.Є.Клименка, Л.К.Лукші, Г.П.Передерія, В.О.Пермякова, В.А.Росновського, Р.С.Санжаровського, Л.І.Стороженка, В.М.Сурдіна, М.М.Стрєлецького, В.А.Трулля, Е.Д.Чихладзе, О.Л.Шагіна, О.В.Шимановського, В.М.Фонова й інших. У даних роботах досить широко висвітлені проблеми сталезалізобетону, але значна кількість практично і теоретично важливих задач усе ще вимагає вирішення.При навантаженнях 60-70% від руйнівних відзначався початок розвитку похилих тріщин під кутом 40-45° до поздовжньої осі елемента в зоні дії поперечної сили між місцем прикладання навантаження й опорою. При навантаженнях 70-75% від руйнівних був відзначений початок плинності крайніх волокон сталевого двотавра, який спостерігався аж до руйнування, та елемент усе ще міг сприймати зростаюче навантаження за рахунок роботи бетону стиснутої зони і поздовжньої арматури, в якій деформації відповідні межі плинності, вищі, ніж у двотавра. При проведенні експериментальних досліджень несучої здатності за нормальними перетинами визначалися навантаження відповідно до моменту утворення тріщин Mcrc, моменту початку плинності сталевого двотавра My, максимальному навантаженню, яке сприймає елемент Mu та момент Mf, що викликає прогин елемента, рівний 1/250 прогону. Момент, відповідний максимальному навантаженню, що сприймає елемент, збільшується на 64% для зразків серії Б-II, 65% для зразків серії Б-III і 71% для зразків серії Б-IV. Руйнування відбувалося пластично, про що свідчить різниця між моментом виникнення пластичних деформацій у двотаврі та моментом руйнування, що складає 43% для зразків серії Б-II, 42% для зразків серії Б-III і 50% для зразка серії Б-IV.У роботі викладено результати експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану й міцності елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, при дії згинаючого моменту і поперечних сил. Аналіз існуючих методів розрахунку сталебетонних конструкцій показав, що питання розрахунку сталебетонних елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, вивчені недостатньо. Експериментальні дослідження сталезалізобетонних балок показали, що заповнення бічних порожнин двотавра залізобетоном дозволяє збільшити несучу здатність сталевого профілю при згині на 30-40%, а при зрізі на 40-50% порівняно із сталевим елементом, а також визначені особливості їх роботи та руйнування при дії навантаження. Результати проектування і техніко-економічне порівняння з відомими конструкціями, що згинаються, дали можливість оцінити доцільність застосування конструкцій зі сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном, у будівництві, а також показали, що сталезалізобетонні конструкції значно ефективніше від залізобетонних, тому що дозволяють зменшити розмір поперечного перерізу і тим самим знизити масу конструкції. Дисертацію присвячено питанням дослідження несучої здатності та деформативності і розробленню теоретичних методів визначення напружено - деформованого стану згинальних конструкцій зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У роботі викладено результати експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану й міцності елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, при дії згинаючого моменту і поперечних сил.

Проведений аналіз отриманих результатів дає можливість зробити такі висновки: 1. Аналіз існуючих методів розрахунку сталебетонних конструкцій показав, що питання розрахунку сталебетонних елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, вивчені недостатньо.

2. Уперше проведені експериментально-теоретичні дослідження міцності нормальних і похилих перетинів балок зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, залежно від процентного вмісту і способу закріплення поздовжньої арматури, а також класу бетону при короткочасній дії навантаження.

3. Експериментальні дослідження сталезалізобетонних балок показали, що заповнення бічних порожнин двотавра залізобетоном дозволяє збільшити несучу здатність сталевого профілю при згині на 30-40%, а при зрізі на 40-50% порівняно із сталевим елементом, а також визначені особливості їх роботи та руйнування при дії навантаження.

4. Розроблена методика та програма розрахунку на ПК із застосуванням методу скінчених елементів та з урахуванням впливу фізичної нелінійності при деформуванні матеріалів на міцність і деформативність конструкцій дозволив теоретично описати особливості роботи досліджуваних елементів під дією навантаження. Розрахунок з використанням МСЕ дає змогу одержати дані про несучу здатність і деформативність, що відрізняються високою точністю.

5. Запропонований інженерний метод розрахунку дозволяє з достатньою точністю визначити несучу здатність по нормальних і похилих перетинах, а також обчислити прогини елемента;

6. Результати проектування і техніко-економічне порівняння з відомими конструкціями, що згинаються, дали можливість оцінити доцільність застосування конструкцій зі сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном, у будівництві, а також показали, що сталезалізобетонні конструкції значно ефективніше від залізобетонних, тому що дозволяють зменшити розмір поперечного перерізу і тим самим знизити масу конструкції.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Згинальні несучі конструкції із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном. // Зб. “Таврійський науковий вісник”, вип. 11, частина 3. - Херсон. - 1999. с. 32-34. (Особистий внесок: автором описані нові типи сталезалізобетоних елементів, що згинаються, та наведена програма експериментальних досліджень несучої здатності й деформативності та деякі результати досліджень).

2. Яхін С.В. Експериментальні дослідження згинальних елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, по нормальних перетинах // Зб. наук. пр. ПДТУ імені Юрія Кондратюка: Галузеве машинобудування, будівництво. - Вип. 5. - Полтава: ПДТУ. - 2000. с. 207-212.

3. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Несуча здатність сталевих двотаврів, підсилених залізобетоном, під дією згину // Зб. “VII Українська науково-технічна конференція Металеві конструкції”. - Дніпропетровськ. - 2000. (Особистий внесок: автором отримані експериментальні дані про несучу здатність елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном у порівнянні із сталевими елементами).

4. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Несучі конструкції зі сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном // Наук.-техн. зб. “Комунальне господарство міст” . - Вип. 33. - серія технічні науки. - Харків: ХДАМГ. - 2001. с. 59-62 (Особистий внесок: автором на прикладі деяких обєктів описана доцільність використання у будівництві згинальних елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном у порівнянні із сталевими елементами).

5. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Розрахунок балок із сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном, за методом кінцевих елементів // Наук.-техн. зб. “Комунальне господарство міст” . - Вип. 38. - серія технічні науки. - Харків: ХДАМГ. - 2002. с. 81-84. (Особистий внесок: автором розроблений алгоритм та програма розрахунку для ПК балок зі сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном).

АННОТАЦІЇ

Яхін С.В. Згинальні несучі конструкції зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, 2002.

Дисертацію присвячено питанням дослідження несучої здатності та деформативності і розробленню теоретичних методів визначення напружено - деформованого стану згинальних конструкцій зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном. Проведено експериментальне дослідження конструкцій, що згинаються, зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном різних класів за міцністю та різними типами армування. Показані особливості роботи зразків під навантаженням. Розроблені метод оцінювання напружено - деформованого стану сталезалізобетонного елементу з використанням методу скінчених елементів та рекомендації щодо інженерного методу розрахунку. Основні результати праці знайшли впровадження при проектуванні згинальних несучих конструкцій, що дозволило зменшити витрати матеріалів і вартість будівництва.

Ключові слова: двотавр, сталезалізобетонні конструкції, напружено-деформований стан, поперечна сила, згинаючий момент, несуча здатність.

Яхин С.В Изгибаемые несущие конструкции из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, 2002.

Диссертация посвящена вопросам исследования несущей способности и деформативности, а также разработке теоретических методов определения напряженно - деформированного состояния изгибаемых конструкций из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном. Рассмотрены существующие методы расчета сталежелезобетонных конструкций с жестким армированием и выполнен их анализ. Показано, что вопросы расчета и конструирования изгибаемых элементов из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном, изучены недостаточно. Поэтому задачи настоящей работы были сформулированы таким образом: необходимо исследовать прочность нормальных и наклонных сечений балок из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном; выявить влияние различного способа и количества продольного и поперечного армирования, а также классов бетона по прочности на несущую способность и деформативность; экспериментально выявить особенности образования и развития нормальных и наклонных трещин в бетоне и деформаций предложенных балок; экспериментально исследовать характер разрушения; разработать предложения по расчету и проектированию сталежелезобетонных балок; провести внедрение несущих конструкций из двутавров с заполненными бетоном полостями в строительство и выявить их технико-экономическую эффективность.

Все образцы запроектированы на основе двутавра №20. Согласно принятой методике проведения исследований несущей способности и деформативности балок пролетом 2 м с целью исключения влияния усилий среза, измерение деформаций проводилось в зоне чистого изгиба, которая составляла 50 см. При исследовании деформаций в опорной зоне деформации измерялись по наклонным сечениям, при этом пролет среза составлял 1,5h. В ходе проведения исследований напряженно-деформированного состояния нормальных и наклонных сечений экспериментальных образцов под действием нагрузки отмечались особенности возникновения и развития нормальных и наклонных трещин, характерные особенности распределения деформаций по высоте сечений и длине элементов, а также интенсивность роста прогибов. Выявлено, что эффективность заполнения боковых полостей, по сравнению с чисто металлическим двутавром, составляет 40-50% в зависимости от прочности бетона и количества продольной арматуры.

Разработаны методы оценки напряженно-деформированного состояния конструкций из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном по методу конечных элементов (МКЭ). Расчетная модель принята плоской. Точность работы предложенной математической модели расчета обеспечена учетом нелинейности физико-механических характеристик составляющих материалов. Для учета неупругих свойств бетона, стального профиля и стержневой арматуры использованы математические зависимости для описания их полных реальных диаграмм деформирования "s - e".

Задача решается поупругой схеме, физическая нелинейность стали и бетона учтена при помощи последовательных приближений с уточнением секущих модулей деформаций конечных элементов согласно их реальным диаграммам деформирования. Увеличение внешней нагрузки выполняется ступенчато, при этом на каждом этапе вычисляются деформации e x, e y и напряжения sx, sy и sxy в конечных элементах, секущие модули и прогибы с проверкой прочности материалов. На основе разработанного алгоритма реализована программа расчета для ПК на языке “Delphi”. Также разработаны предложения по уточнению инженерного метода расчета. Полученные результаты расчетов несущей способности и деформативности свидетельствуют о том, что предложенные методы расчета конструкций хорошо учитывают реальную работу элемента. Теоретические значения разрушающих нагрузок исследуемых сталежелезобетонных изгибаемых элементов имеют расхождения с экспериментальными значениями: 5% для МКЭ и 8% для инженерного метода.

Основные результаты работы нашли внедрения при проектировании изгибаемых несущих конструкций, что позволило уменьшить затраты материалов и снизить стоимость строительства.

Ключевые слова: двутавр, сталежелезобетонные конструкции, напряженно-деформированное состояние, поперечная сила, изгибающий момент, несущая способность.

Jahin S.V. Bended I-beams with the cavities filled with concrete. - The Manuscript

Dissertation for the scientific degree of the Candidate of Technical sciences by speciality 05.23.01 - building constructions, buildings and structures. The Poltava National Technical University named in honor of Jury Kondratyk, 2002.

The dissertation is devoted to questions of research of bearing strength and deformability, and also to development of theoretical methods of estimation of tensely-deformed condition of bended I-beams with the cavities filled with concrete. The existing computational methods of composite constructions with rigid reinforcement and their analysis are executed. The experimental research of elements out of I-beams with the cavities filled concrete of different strength classes and different types of reinforcing is carried out. The features of work of samples under action of loading are shown. The efficiency of filling of cavities, in comparison with steel I-beams, composes 40-50 %, depending on strength of concrete and amount of reinforcement. Method of estimation a tensely-deformed condition by method of finite elements with use of the complete diagrams of a deforming of materials and recommendation concerning an engineering calculation method of strength and deformability is developed.

The basic results of dissertation work were applied at designing bended load-carrying constructions, which has allowed to reduce expenses of materials and to lower cost of buildings.

Key words: I-beams, steel-concrete designs, the rigid reinforcement, tensely-deformed condition, the shearing force, the bending moment, the bearing strength, the method of finite elements.

Размещено на .ru