Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Строительство
Размещена 04.03.2014. Последняя правка: 04.03.2014.

Некоторые вопросы экспериментального исследования работы сталебетонных балок

Назаренко Дмитрий Игоревич

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.


Аннотация:
Необходимым условием прогресса любой отрасли производства, как известно, является повышение эффективности и качества предоставляемой продукции. Разработка и внедрение новых эффективных и качественных строительных конструкций вот одна из самых важных задач развития строительства, использование которых обеспечивает снижение расхода строительных материалов, уменьшение трудоемкости, энергоемкости и стоимости, повышение промышленного строительства. Огромное значение в решении этих вопросов принадлежит бетону и железобетону доля которых в общей массе используемых в строительстве материальных ресурсов составляет порядка 25 %.


Abstract:
A prerequisite for progress of any branch of production is known to increase the efficiency and quality of products. Development and implementation of innovative, efficient and quality constructions that is one of the most important tasks of development of construction, the use of which reduces the flow of construction materials, reducing the complexity , energy consumption and cost , increased industrial construction. Great importance in these matters belongs to concrete and concrete whose share in the total mass used in construction material resources of the order of 25%.


Ключевые слова:
сталебетонная балка, внешнее армирование, нормальные сечения, прочность балок, жесткость балок

Keywords:
reinforced concrete beam, the external reinforcement, normal sections, beams strength, rigidity beams


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
при нагрузке 30 кН

кН

%

 мм

%

Сталебетонная балка
серии BOM-3

69.03

100.0

3.87

24.3

Металлическая балка из листа толщиной 3 мм

34.81

50.4

15.25

95.7

Железобетонная
балка с условным армированием 2∅21 А-400

59.68

86.5

15.93

100.0

Сталебетонная балка
серии BOM-5

134.85

100.0

1.22

3.9

Металлическая балка из листа толщиной 5 мм

71.62

53.1

9.63

31.0

Железобетонная
балка с условным армированием 2∅27 А-400

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:

  •  серии BOМ-3 по сравнению с металлической на 49,6%  и с железобетонной  на 13,5%;
  •  серии BOМ-5 соответственно на 46,9%  и на 55,5%.

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.

Библиографический список:

1. Клименко Ф.Е., Гайдаш Н.Л. Исследования сталежелезобетонных изгибаемых элементов с листовой сталью // Вестн. Львов, политехн, ин-та. Вопросы современного строительства. - 1971. - № 51. - С. 30 - 35.
2. Клименко Ф.Е., Барабаш В.М., Орловский Ю.И. и др. Сталебетонные неразрезные ригели с внешним полосовым армированием // Бетон и железобетон. - 1985. - №4. -С. 15-17.
3. Матвеев В.Г. Экспериментальные исследования работы нормальных сечений тонкостенных изгибаемых элементов // Современные методы исследований строительных конструкций, технологий и систем: Межвуз. сб. - Магнитогорск: Магнитогорск. техн. ун-т. - 1998. - С. 37 - 47.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх