МГТУ им. Носова
Магистрант
Научный руководитель: А.Л. Кришан, МГТУ им. Г.И. Носова, зав. каф. ПЗиСК, кафедра проектирования зданий и строительных конструкций , д.т.н., проф.
УДК 69.07
Стержневые железобетонные конструкции массового применения выполняются, в большей части, прямоугольного, двутаврового или таврового поперечного сечения. Намного реже форма сечения принимается пустотной, преимущественно коробчатой без наполнения бетоном.
Практика европейских стран и Японии свидетельствует о применении в больших объемах сталебетонных конструкций при возведении различных зданий, что говорит об экономической целесообразности их использования в практике строительства.
Применение нашли данные конструкции и в нашей стране, где используются бетоны с относительно невысокими прочностными характеристиками. Рассматривая производства несущих железобетонных конструкций в общем объеме, то конструкции из бетонов классов В15…В30 занимают наибольший удельный, а, к примеру, конструкции из высокопрочного бетона класса В45 составляют около 0,1%. Если проанализировать структуры производства железобетонных конструкций то можно заметить, что из высокопрочного бетона можно изготавливать до 5% общего объема изделий. Все это обуславливается незначительным объемом производства высокопрочных цементов, в связи, с чем вынуждает промышленность стройиндустрии использовать цементы средних и низких марок для изготовления подавляющего большинства железобетонных конструкций. Второй значимой причиной можно назвать отсутствие качественных заполнителей. Все это в сочетании с традиционной технологией формования и изготовления в целом не позволяют получать высокопрочные бетоны.
Самым значительным конструктивным недостатком изгибаемых сталебетонных элементов является сложность обеспечения совместной работы бетонного ядра и внешней стальной оболочки при эксплуатационных нагрузках. Из-за разности начальных коэффициентов поперечной деформации бетона и стали (vb ≈ 0,18 ÷ 0,25, vs ≈ 0,3), в процессе постепенного увеличения приложенной к сталебетонной балке изгибающей силы, обойма и ядро работают совместно только в начальный период загружения на некотором промежутке времени. Затем, из-за указанной разницы в деформативных свойствах, внешняя оболочка норовит оторваться от поверхности бетона, способствуя возникновению в нем радиальных растягивающих напряжений. Это может привести к нарушению сцепления между стальной оболочкой и бетонным ядром. Факторами, усиливающие этот процесс, может стать усадка бетона и низкая прочность сцепления бетона с оболочкой.
Эффективность железобетонных конструкций может быть повышена за счет совершенствования схем армирования и особенных конструктивных решений. Рядом исследований доказано, что одна из оптимальных схем связана с применением внешнего армирования[1, 2]. В этом случае в качестве продольной арматуры используются стальные прокатные профили. Применение внешней арматуры позволяет:
- увеличить рабочую высоту сечения конструкций;
- улучшить работу бетона за счет эффекта обоймы;
- упростить конструкцию опалубки.
Главные преимущества железобетонных элементов с внешним армированием по сравнению с металлическими конструкциями:
- большая экономия металла за счет замены части металлического сечения бетоном;
- не требуется проведения дополнительных работ по обеспечению местной устойчивости уголка;
- значительное повышение огнестойкости (огнестойкость элементов с внешним армированием составляет 80 % от огнестойкости колонн из обычного железобетона и в четыре раза выше огнестойкости металлических колонн).
Для сокращения расхода металла на 50% в одноэтажных промышленных зданиях заменяют стальной каркас железобетонным, выполненным из высокопрочного бетона.
По сравнению с традиционными железобетонными конструкциями недостатками конструкций с внешним армированием будут являться пониженная огнестойкость и коррозия внешней арматуры. Для защиты от неблагоприятных воздействий в настоящее время внешнюю арматуру обрабатывают специальными покрытиями, которые одновременно являются антикоррозионными и огнезащитными.
Вышеперечисленные недостатки доказывают, что на данном этапе изготовления конструкций массового использования остается весьма актуальной задача разработки и практического использования более совершенной конструкции сталебетонных балок.
Особенности характера работа традиционных стальных и железобетонных конструкций, существенно отличается от работы элементов из стальных труб, заполненных бетоном. Анализ действительной работы сталебетонных конструкций под нагрузкой может служить ключевым моментом к пониманию особенностей их поведения.
По характеру работы элементы из стальных труб, заполненных бетоном, существенно отличаются от традиционных стальных и железобетонных конструкций. Ключевым моментом к пониманию особенностей поведения сталебетонных конструкций может служить анализ их действительной работы под нагрузкой [3].
Поэтому целью данной работы является оценка эффективности конструкции сталебетонных балок по результатам исследования их прочности и жесткости при действии изгибающего момента.
Для решения поставленной задачи были изготовлены и испытаны 4 серии сталебетонных образцов. Лабораторные образцы имели поперечное сечение 80х160 мм из стали марки 09Г2С с пределом текучести σp,y = 370 МПа закрытые с торцов пластинами 170х90 толщиной 10 мм. Две серии изготавливались из бетона класса В30 с толщиной металла 3 мм (ВОМ-3) и две серии из такого же бетона с толщиной металла 5 мм (ВОМ-5). Длина образцов составляла 1500 мм. Принятая схема загружения обеспечивала разрушение балок от действия изгибающего момента.
Испытания балок производили на специальном стенде, прикладывая нагрузку на образец в третях пролета в виде двух сосредоточенных сил. Нагрузку создавали с помощью гидравлических домкратов, подключенных параллельно к ручному гидравлическому насосу марки НВ-140. Величину прикладываемой нагрузки фиксировали с помощью образцового манометра марки МО-160.
Для измерения продольных и поперечных деформаций бетона и стали во время кратковременных испытаний применялись следующие приборы:
1) индикаторы часового типа с ценой деления 0.01 мм;
2) датчики Аистова ТА-2;
3) прогибомеры ПАО-6;
4) электротензорезисторы типа ПКБ с базами 20 мм.
Всего на один образец с длиной 1500 мм при испытании на действие изгибающего момента крепилось два ИЧТ, два датчика Аистова, наклеивалось девятнадцать электротензорезисторов и устанавливалось два прогибомера.
Все опытные элементы закрывались с торцов металлическими пластинами, выполненными из стали Ст.3 толщиной 10 мм и размерами 170х90 мм. Непосредственно перед проведением испытаний лабораторных образцов сталебетонных элементов определялись предел текучести и модуль упругости материала стальной трубы, кубиковая, призменная прочности и начальный модуль упругости исходного бетона конструкций.
Ввиду отмечаемой многими исследователями концентрации напряжений в приопорных частях, на торцах стальные трубы укладывали на неподвергающиеся деформации стержни.
Для оценки эффективности сталебетонных балок предложенной конструкции было выполнено сопоставление их прочности и жесткости с результатами расчетов, выполненных для стальных балок (без учета бетона), а также железобетонных балок, имеющих геометрические и конструктивные характеристики аналогичные исследованным сталебетонным балкам (табл.1).
В маркировке серий приняты следующие условные обозначения: образцы с бетонным ядром класса В30 – ВОМ – сталебетонная балка из бетона класса В30 испытываемая на действие изгибающего момента; X – толщина стенки металлической обоймы равной 3 мм и 5 мм.
Таблица 1 – Сопоставление балок рассчитанных на действие момента
Тип конструкции |
Максимальная нагрузка Fu |
Максимальный прогиб f |
||
кН |
% |
мм |
% |
|
Сталебетонная балка |
69.03 |
100.0 |
3.87 |
24.3 |
Металлическая балка из листа толщиной 3 мм |
34.81 |
50.4 |
15.25 |
95.7 |
Железобетонная |
59.68 |
86.5 |
15.93 |
100.0 |
Сталебетонная балка |
134.85 |
100.0 |
1.22 |
3.9 |
Металлическая балка из листа толщиной 5 мм |
71.62 |
53.1 |
9.63 |
31.0 |
Железобетонная |
60.72 |
45.0 |
31.13 |
100.0 |
Результаты таблицы 1 свидетельствуют о том, что в образцах всех серий проявилась несущая способность большая, чем у металлической и железобетонной балки. Наибольшую эффективность показали образцы серии ВОМ-3.
Сталебетонные балки предложенной конструкции имеют большую несущую способность:
Еще более значительно отличаются прогибы при одинаковой нагрузке, которые для сталебетонной балки оказались на 86 % меньше по сравнению с железобетонными балками и на 37% - по сравнению с металлическими.
Характер разрушения образцов сталебетонных балок прямоугольного сечения соответствовало характеру работы сталебетонных образцов, проведенных другими исследователями [1, 2, 3]. Для всех серий разрушение сопровождалось образованием гофры в верхней зоне сжатия балки и раздроблением бетона в прилегающих областях. В стадии перед непосредственным разрушением наблюдались существенные деформации отклонения от горизонтальной оси, достигающие 15 % и более.
При усилии F = Fu оболочка в центральной части образца выгибалась, стремясь принять в верхней части волнистую форму, и далее на шкале испытательного пресса наблюдалось снижение нагрузки.
Рост прочности бетонного ядра работающего в условиях объемного напряженного состояния напрямую повышает несущую способность сталебетонной балки. При этом прогибы исследованных балок меньше, чем у металлических за счет заполнения стального профиля бетоном, который существенно повысил эффективную жесткость их нормального сечения.
Комментарии пользователей:
Оставить комментарий