Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
1.1. Особенности конструктивных решений штепсельных стыков железобетонных колонн
1.2. Анализ российских и зарубежных исследований сдвиговой податливости железобетонных элементов и конструкций
1.3. Характеристика растворов, используемых для инъектирования стыков строительных конструкций
1.4. Основные результаты натурных обследований штепсельных стыков колонн
1.5. Способы усиления штепсельных стыков колонн 28
Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 30
Глава 2. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния штепсельных стыков железобетонных колонн при сдвиге
2.1. Методологические основы моделирования напряженно- деформированного состояния с использованием метода конечных элементов
2.2. Напряженно-деформированное состояние стыков проектных решений при сдвиге
2.2.1. Общая характеристика основной расчетной модели 37
2.2.2. Результаты компьютерного моделирования 40
2.2.3. Анализ полученных результатов. Выводы 52
2.3. Напряженно-деформированное состояние конструктивных решений стыков, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами
2.3.1. Дополнения к основной расчетной модели 56
2.3.2. Результаты компьютерного моделирования 57
2.4. Напряженно-деформированное состояние стыков 64
усиленных стальной обоймой
2.4.1. Дополнения к основной расчетной модели 65
2.4.2. Результаты компьютерного моделирования 69
2.4.3. Анализ полученных результатов. Выводы 74
Выводы по главе 2 75
Глава 3. Экспериментальные исследования штепсельных стыков железобетонных колонн
3.1. Программа исследований. Характеристика опытных образцов проектных, новых конструктивных решений и усиленных стыков
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 79
3.2.1. Описание опытных образцов 79
3.2.2. Приборы и оборудование 82
3.3. Результаты испытаний 87
3.3.1. Результаты испытаний образцов проектных решений 87
3.3.2. Результаты испытаний образцов новых конструктивных решений
3.3.3. Результаты испытаний усиленных образцов 93
3.4. Анализ результатов испытаний 103
Выводы по главе 3 104
Глава 4. Разработка методик расчета сдвиговой податливости штепсельных стыков колонн с использованием диаграмм деформирования
4.1. Методика расчета стыков проектного решения с описанием диаграмм деформирования, принятыми в СП для бетона при сжатии
4.1.1. Стыки с заполнением цементно-песчаными растворами 107
4.1.2. Стыки с заполнением полимеррастворами
4.2. Методика расчета стыков проектного решения с 110 применением энергетической теории
4.3. Прочность новых и усиленных стыков при сдвиге 116
4.4. Сравнение опытных и теоретических результатов 117
Выводы по главе 4 118
Глава 5. Рекомендации по проектированию штепсельных стыков железобетонных колонн
5.1. Общие положения 119
5.2. Материалы, применяемые для заполнения скважин и шва 119
5.3. Новые конструктивно-технологические решения стыков 120
5.4. Способы усиления стыков 122
Основные выводы.
Заключение 125
Список использованной литературы
- Характеристика растворов, используемых для инъектирования стыков строительных конструкций
- Напряженно-деформированное состояние стыков проектных решений при сдвиге
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Стыки с заполнением полимеррастворами
Введение к работе
Актуальность темы. Штепсельные стыки предназначены для соединения сборных железобетонных конструкций. Они разделены на два класса в зависимости от расположения по высоте этажа и, как следствие, восприятия действующих на них усилий, являются контактными и бессварными.
К первому классу отнесены стыки, расположенные в средней части по высоте сечения колонн, где действуют продольные и поперечные усилия. Стыки второго класса расположены в уровне междуэтажных перекрытий и воспринимают продольные, поперечные силы и изгибающие моменты.
В работе рассмотрены стыки первого класса. В последнее время они находят широкое применение в промышленном и гражданском строительстве ввиду высокой технологичности. Изучение российской и зарубежной научной, технической и нормативной литературы показало отсутствие методики расчета их сдвиговой податливости (деформативности), что может привести, особенно в многоэтажных зданиях и сооружениях, к аварийным ситуациям. Поэтому работа, направленная на создание методики расчета сдвиговой податливости штепсельных стыков, является актуальной.
Степень разработанности темы. Совершенствованию конструктивных решений и исследованиям бессварных стыков посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Васильева А.П., Горшкова В.М., Жансеитова М.Ф., Маткова Н.Г., Мордича А.И., Сорокина А.М., Теряева В.Г., Якушина В.А, Kim S. Elliott, Wolfgang R., Kriz L.B., Rats C.H. и других.
Вопросы податливости контактных стыков конструкций освещены в работах Адищева В.В., Василькова И.Н., Володина Н.М., Гранева В.В., Залесова А.С., Кудзиса А.П., Лишака В.И., Мамина А.Н., Митасова А.В., Ржаницина А.Р., Семченкова А.С., Трекина Н.Н., Тура А.В., Хасанова Р.Р., Холмянского М.М., Шапиро Д.М., Mattock A.H., Hawkins, Fillipou, Sugano S., Koreishi J. и других.
Несмотря на достаточно широкое применение изучаемых стыков, за рубежом нормативные документы и рекомендации на их проектирование отсутствуют.
В России существуют рекомендации и нормативные подходы к расчету только отдельных элементов стыка, которые не учитывают их совместную работу в рассматриваемом типе стыка.
Объектом исследования являются штепсельные стыки железобетонных колонн проектных, новых конструктивных решений, отмеченных патентами на полезную модель, а также усиленные углеволокном, стальной обоймой с преднапряжением хомутов из круглых стержней и без их преднапряжения.
Предметом исследования является изучение напряженно-деформированного состояния штепсельных стыков железобетонных колонн при сдвиге существующих проектных, новых конструктивных решений и усиленных углеволокном, стальной обоймой с преднапряжением хомутов и без их преднапряжения.
Целью диссертационной работы ставится разработка методики расчета сдвиговой податливости штепсельных стыков различных конструктивных решений на действие поперечной силы при статическом нагружении.
Поставленная цель достигнута решением следующих задач: - проанализированы существующие подходы к оценке сдвиговой податливости стыков сборных железобетонных элементов и конструкций;
проведено компьютерное моделирование сдвиговой податливости штепсельных стыков колонн проектных, новых конструктивных решений, усиленных стальной обоймой с преднапряжением хомутов и без их преднапряжения;
выполнены экспериментальные исследования стыков проектного, новых конструктивных решений и усиленных;
проведен анализ результатов численных и экспериментальных исследований, который сопоставлен с данными разработанных методик;
разработаны методики расчета сдвиговой податливости штепсельных стыков железобетонных колонн с использованием диаграмм деформирования;
разработаны рекомендации по проектированию и совершенствованию штепсельных стыков колонн с учетом их сдвиговой податливости.
Рабочая гипотеза. Предполагается рассматривать стык в виде сборного армированного контакта. Сдвиговую податливость учитывать путем суммирования перемещений, вызванных деформациями элементов, входящих в контакт. С учетом диаграмм деформирования, полученных экспериментально, описывать работу штепсельного стыка, обозначая параметрические точки, соответствующие этапам его деформирования. Основным преимуществом такого подхода является возможность определения сдвиговой податливости на каждой стадии работы штепсельного стыка вплоть до разрушения.
Научная новизна заключается в следующем:
разработаны две методики расчета сдвиговой податливости с использованием диаграмм деформирования (экспериментально-теоретическая и методика расчета на основе энергетического метода);
на основе экспериментальных исследований получены отсутствующие ранее данные о сдвиговой податливости штепсельных стыков;
разработаны новые конструктивные решения штепсельных стыков колонн, направленные на снижение деформативности и повышение прочности, отличающиеся от проектных решений тем, что в торцах колонн установлены стальные хомуты, опоясывающие продольную арматуру, полость скважин образована гофрированной трубой, в ребрах колонн установлены стальные уголки.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость состоит в разработке и развитии методик расчета сдвиговой податливости, базирующихся на основных положениях механики разрушения и методах предельных состояний строительных конструкций.
Практическая значимость заключается в обеспечении конструктивной
безопасности и эксплуатационной пригодности проектируемых новых и
реконструируемых зданий, несущая система которых выполнена с применением штепсельных стыков. Приведены рекомендации по проектированию и конструированию стыков с учетом их сдвиговой податливости.
Методология и методы исследования. В работе исследование напряженно-деформированного состояния штепсельных стыков колонн проводилось в следующей последовательности.
Компьютерное моделирование. Разработка информационной программы является отправным пунктом компьютерного моделирования. В ней в графической форме показаны различные факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние и их взаимосвязь. При выборе математической модели изучаемых в работе элементов и конструкций отдано предпочтение методу конечных элементов (МКЭ), реализованному
в современных сертифицированных программных комплексах. Полученные результаты позволили оптимизировать физический эксперимент.
Физический эксперимент. Для его проведения использованы принятые в соответствии с ГОСТ 8829-94 методы нагружения конструкций и обработки результатов испытаний, базирующиеся на действующих нормативных документах, являющиеся основой для получения исходных данных.
Анализ полученных результатов. Адекватность опытных результатов оценивалась их статистической обработкой в программных комплексах «Microsoft Excel» и «Mathcad».
Разработка методик расчета. При разработке методик расчета использованы принятые положения и допущения в теории расчета строительных конструкций по предельным состояниям.
Положения, выносимые на защиту:
экспериментально-теоретические методики оценки сдвиговой податливости, отражающие механизм разрушения контактной зоны в результате нарушения сцепления (адгезии) бетона колонн с раствором замоноличивания и особенности работы продольной арматуры в скважине на сдвиг на основе диаграмм деформирования;
данные многофакторного компьютерного моделирования стыка и его элементов;
результаты физических экспериментов на действие поперечной силы при статическом нагружении;
влияние различных способов усиления на несущую способность штепсельных стыков;
- рекомендации по проектированию и конструированию штепсельных стыков.
Личный вклад автора в полученных результатах, изложенных в диссертации,
заключается в выборе и обосновании актуальности темы исследования, в формулировании задач, направленных на достижение поставленной в работе цели, анализе работ российских и зарубежных авторов по проблеме оценки сдвиговой податливости стыков, в предложении расчетной модели и разработке методик расчета сдвиговой податливости, в разработке программ и проведении численных и экспериментальных исследований стыков проектного решения, новых конструктивных решений и усиленных, разработке рекомендаций для их проектирования.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов
научных исследований, выводов и рекомендаций обеспечивается применением
фундаментальных принципов предельного состояния, логичностью и
непротиворечивостью выдвинутых гипотез и полученных выводов.
Результаты исследований подтверждены удовлетворительной сходимостью данных компьютерного моделирования и экспериментальных исследований с аналитическими расчетами по разработанным методикам, применением современных методов исследований и инженерного оборудования, прошедшего метрологическую поверку, а также внедрением на реальных объектах строительства.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации докладывались на ежегодных конференциях КГАСУ 2009 – 2015 г.; на конференциях «НАСКР – 2012» и «НАСКР – 2014», г. Чебоксары; на Всероссийской научно-практической конференции «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья», г. Тольятти, 2009 г.; на V международной научно-практической конференции ИНЭКА-КамПИ «Наука и практика: проблемы, идеи и инновации», 2011 г.; опубликованы в сборнике материалов
международной научно-технической конференции VIII Академических Чтений РААСН «Механика разрушений строительных материалов и конструкций», 2014 г.
Основные результаты исследования отмечены: грантами РААСН по теме 2.3.10
«Теоретические и экспериментальные исследования штепсельных стыков
железобетонных колонн» 2009-2010 г.; 1 местом во Всероссийской студенческой
олимпиаде - конкурсе ВКР в номинации «Магистерская диссертация», 2010 г.; победой
в конкурсе «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации
«Старт инноваций», 2012 г.; дипломом лауреата всероссийской выставки «Золотой фонд
отечественной науки» РАЕ, 2010 г.; 1 местом в конкурсе на соискание стипендии
Научно-технического совета КазГАСУ в номинации «Инженерные науки», 2013г.; 1
местом в конкурсе молодых ученых в рамках международной научно-технической
конференции VIII Академических Чтений РААСН «Механика разрушений
строительных материалов и конструкций», 2014 г.
По теме опубликовано 11 научных статей, из них 4 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 3 патента на полезную модель.
Внедрение результатов исследований. Получено заключение от ПАО «ГипроНИИАвиапром» о том, что результаты научного исследования внедрены в проекты зданий и сооружений; использованы в учебном процессе в спецкурсе «Современные методы расчета железобетонных и каменных конструкций», а также при выполнении ВКР бакалавров и диссертаций магистров.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 149 страницах, включающих 127 страницы основного текста, 95 рисунков, 16 таблиц, список литературы, состоящий из 107 наименований, 4 приложения.
Автор выражает благодарность за советы и поддержку коллективу кафедры, в особенности научному руководителю д.т.н., проф. Соколову Б.С., д.ф.-м.н., проф. Каюмову Р.А.
Характеристика растворов, используемых для инъектирования стыков строительных конструкций
По существующей классификации штепсельные стыки относятся к бессварным контактным стыкам. Исследованиям таких стыков с разработкой методик расчета по прочности и рекомендаций по конструированию посвящены работы отечественных ученых [1, 4, 9, 31, 43, 46, 52, 71, 74, 81, 83 и др.] результаты которых включены в рекомендации по проектированию [66, 69, 70, 75], и зарубежных ученых [89, 106]. Вопросы податливости освещены в работах [7, 11, 23, 40, 42, 60, 88, 93, 99, 100].
Однако, несмотря на достаточно широкое применение штепсельных стыков, нормативные документы и рекомендации на их проектирование отсутствуют. За рубежом, возможно, это объясняется недопустимостью нарушения авторского права.
В России существуют рекомендации и нормативные подходы к расчету только отдельных элементов рассматриваемых стыков, которыми, по-видимому, пользуются при проектировании, но не учитывают их совместную работу.
В «Рекомендациях по расчету прочности и жесткости железобетонных рам с диаграммами деформирования узлов и элементов на горизонтальные нагрузки», разработанных в ЦНИИЭП жилища А.А. Оганяном, М.Я. Фрайнтом в 1976 году [66], при расчете железобетонных рамных каркасов на горизонтальные статические и динамические воздействия рекомендуется учитывать нелинейные зависимости между внутренними усилиями и деформациями элементов. Для упрощения расчета допускается сводить нелинейность работы элемента к нелинейности работы в одном или нескольких (обычно опорных) сечениях. При таком приближенном расчете предполагается, что все сечения элемента, кроме опорных, работают упруго, а условной сосредоточенной деформацией опорных сечений принимается сдвиговая деформация.
Диаграмму работы зоны узла, представленную на рисунке 4. в координатах - касательное напряжение «т » - угол сдвига «срт»» допускается представлять в виде трех прямых линий с тремя характерными точками: - точка с координатами Ty, pvсоответствует появлению трещин в зоне узла; - точка с координатами ттах,(рт0 соответствует предельной нагрузке; - точка с координатами т = 0, рт соответствует разрушению зоны узла. Касательные напряжения ту определяются по формуле: ту =mm(AjRp(Rp + a0),,JRp(Rпр -а0) , (1) где Rp и Rпр - сопротивление растяжению и призменная прочность бетона. а0 -нормальные напряжения от продольных сил в колонне.
Схема деформирования зоны узла от сдвигающих напряжений и диаграмма ее работы Деформации рекомендуется определять по формуле: ТУ (2) у о,юб где Gб – модуль сдвига бетона. Вывод: формулы, описанные выше, не пригодны для расчетов деформативности рассматриваемых в работе стыков, так как в них не учитывается работа продольного армирования, пронизывающего контакт.
В «Пособии по проектированию жилых зданий», созданном под руководством Лишака В.И. для соединений, имеющих несколько характерных стадий работы (до образования трещин в соединении и после), коэффициенты податливости (жесткости) следует принимать для каждой стадии дифференцированно. Деформация соединения в этом случае определяется как сумма деформаций от приращений усилий на отдельных этапах.
Жесткость или податливость горизонтального стыка при сдвиге определяют по кривой, характеризующей зависимость взаимного смещения «и» соединяемых элементов от сдвигающего усилия «Т» (рисунок 5).
Коэффициент податливости при сдвиге Ят (мм/Н) соединения двух сборных элементов принимается равным сумме коэффициентов податливости для сечений, примыкающих к каждому из соединяемых элементов. Для армированного шпоночного соединения до образования в стыке наклонных трещин коэффициент податливости при сдвиге определяют как для бетонного шпоночного соединения, состоящего из «щ» однотипных шпонок. Коэффициент податливости при взаимном сдвиге сборного элемента и бетона замоноличивания стыка определяют по формуле: /U = 1иЛ\1Еь + \1Етоп)1{А1оспк) (4) где hoc — условная высота шпонки, принимаемая при определении ее податливости при сдвиге, равной 250 мм; Аїос — площадь сжатия шпонки, через которую передается в соединении сжимающее усилие, мм2; Еъ — модуль деформации бетона сборного элемента, МПа; Етоп — то же, бетона замоноличивания вертикального стыка, МПа.
После образования наклонных трещин в соединении коэффициент податливости вычисляется по формуле: где ds — диаметр арматурных связей между сборными элементами, мм; ns — количество арматурных связей между сборными элементами; Еъ — модуль деформации бетона сборного элемента, МПа; Етоп — то же, бетона замоноличивания вертикального стыка, МПа.
Вывод: в пособии отсутствуют расчетные выражения (формулы) для определения сдвиговой податливости сборных армированных контактов. Существующие формулы не учитывают возможность разрушения бетона контакта под арматурой. Поэтому в представленном виде они не могут быть использованы для расчета штепсельных стыков.
В «Рекомендациях по проектированию каркасов зданий с учетом податливости узловых сопряжений сборных железобетонных конструкций», разработанных ЦНИИПромзданий [67], представлены формулы оценки податливости стыков железобетонных элементов зданий различного конструктивного решения: вертикального стыка колонн, сопряжения сборного перекрытия с колонной, стыка колонны с фундаментом, стыка сборных элементов перекрытия, соединения сквозных связевых панелей. Кроме того, показано формирование расчетных моделей несущей системы различных каркасов зданий. Из приведенного в пособии списка литературы следует, что оно составлено на основании работ отечественных ученых: Василькова Б.С., Кодыша Э.Н., Лемыша Л.Л., Маткова Н.Г., Семченкова А.С., Трекина Н.Н., Ханджи В.В., Шапиро Г.А. и др.
Напряженно-деформированное состояние стыков проектных решений при сдвиге
Для исследования поведения стыка на всех стадиях, в том числе при разрушении, сформирована модель из физически нелинейных элементов. Расчетная модель базового образца представлена на рисунке 17. Принятые геометрические и физические параметры базового образца соответствуют натурным: размеры расчетной модели 30х30х81см, продольное армирование принято 416А400, характеристики основного материала – бетон тяжелый бетону класса В25.
Размеры конечного элемента для колонн приняты 5х5х2,5см (x – y – z), в области растворного шва конечные элементы уменьшались до 5х5х1см (рисунок 17, а). Контурные условия – шарнирные, что позволяет исключить влияние на напряженно-деформированное состояние. При расчете моделей без учета растворного шва конечные элементы в его объеме удалялись (рисунок 17, б).
Конечные элементы арматуры и окружающего раствора в скважине задавали триангуляцией контура с количеством узлов на сетке разбивки до 12. Такое количество узлов позволяет создать контур, близкий к окружности. Конечные элементы выбирались четырехугольные. В местах стыковки элементов триангуляция выполнялась треугольными элементами. В плане разбивка расчетной модели на конечные элементы показана на рисунке 18.
Для раствора и бетона стыка физическая нелинейность описывается двумя критериями: законом деформирования чл.-корр. РААСН Гениева Г.А. и «экспоненциальной зависимостью для железобетона с расчетной прочностью», для арматуры – законом деформирования армирующего материала. Объемная модель стыка состоит из изопараметрических конечных элементов КЭ-236 для бетона и раствора и КЭ-410 – для продольной арматуры.
Предельные деформации бетона и арматуры приняты по нормативным документам [82]. Контактные поверхности моделировались двумя способами: - путем задания одноузловых элементов трения КЭ-263 на поверхности контакта «бетон-раствор»; - введением в расчетную схему модуля упругости в области контакта близкого к нулю.
Нагружение расчетных моделей производилось поэтапно с доведением до виртуального разрушения (достижением напряжений в бетоне предела прочности при сжатии – Rb, в арматуре – предела текучести). Нагружение осуществлялось пошаговым увеличением прикладываемой нагрузки по 10 % от предельного значения. Полученные результаты представлены в виде зависимостей «усилия (Q) – перемещения()».
Ниже приведено подробное описание результатов компьютерного моделирования. 2.2.2. Результаты компьютерного моделирования
Результаты расчетов в виде графиков, эпюр, изополей напряжений и перемещений представлены ниже по каждому образцу серий.
Базовый образец. На рисунке 19 приведено последовательное (по стадийное) изменение напряженно-деформированного состояния стыков в процессе нагружения.
В соответствии с поставленными задачами (таблица 5) и по результатам выполненного компьютерного моделирования получены данные о характере распределения главных напряжений в стыке с растворным швом и без растворного шва, деформаций в области контакта «раствор-бетон», в области смятия бетона под арматурными стержнями, схема разрушения стыка при сдвиге (рисунок 19).
При решении нелинейных задач задание характеристик физической нелинейности материалов конструкции выполнено введением законов нелинейного деформирования материалов. По результатам расчетов образцов стыков с использованием закона деформирования проф. Гениева Г.А. и «экспоненциальной зависимостью для железобетона с расчетной прочностью» получены зависимости « 2-Д» (рисунок 22), сравнение которых показало, что расхождение данных составляет не более 10%, поэтому дальнейшие расчеты принято производить с учетом нелинейности бетона по закону деформирования Гениева Г.А.
Результаты расчетов представлены в виде изополей напряжений и диаграмм, иллюстрирующих влияние перечисленных факторов на напряженно-деформированное состояние стыка из которых можно увидеть следующее: - изменение напряженно-деформированного состояния можно разбить на три стадии. На стадии I происходит образование трещин в зоне отрыва защитного слоя бетона. Стадия II – развитие трещин, изгиб арматурных стержней. Стадия III – разрушение образца вследствие достижения предела прочности бетона на растяжение; - образцы разрушились вследствие достижения максимальных напряжений в у граней колонн (в области отрыва защитного слоя бетона); - в момент разрушения напряжения в арматурных стержнях, пересекающих шов, достигли предела прочности на растяжение; - горизонтальные деформации стыка по мере увеличения нагрузки возрастали и достигли 12-14мм в предельном состоянии для стыков без растворного шва; 5 мм – для стыков с растворным швом. Характер распределения перемещений для стыков с растворным швом отличался от характера распределения перемещений в расчетных схемах стыков без шва. На стыках со швом образец работает как сплошное тело. Концентрация напряжений в области контакта, распространяется и на область вдоль арматурных стержней, на стыках без шва четко виден нагельный эффект арматуры и области смятия бетона под арматурными стержнями. Таким образом, подтверждена предпосылка работы сдвига на стык, сдвиговая податливость обусловлена работой контактной поверхности до нарушения сцепления «бетон-раствор», далее все усилия воспринимаются продольной арматурой. - на рисунке 19 можно увидеть изменение первоначального положения арматурных стержней (нагельный эффект), их геометрическую нелинейность.
Становится необходимым определить механизм работы нагеля (арматурного стержня) – изгиб, срез, что будет рассмотрено в расчетах. Рисунок 20. Схема деформирования образцов с растворным швом и без него, изополя перемещений по х - из рисунка 21 можно увидеть, что все напряжения сосредоточены в арматурных стержнях в области контакта, поэтому более подробно в сериях представлено изучение влияния продольного армирования на деформативность стыка. Также напряжения сосредоточены по длине стыка на длину близкую 8-10 ds (диаметр продольной арматуры); Изополя главных сжимающих и растягивающих напряжений в стыке с растворным швом - получены зависимости «Q - А», из которых видно трех стадийную работу стыка. С изменением угла наклона секущей модуля упругости элемента, наступают характерные стадии работы стыка. - из рисунка 22 можно увидеть, что деформативность стыков без растворного шва, превышает деформативность стыков с растворным швом в 2,5 раза; - напряжения в областях отрыва защитного слоя увеличивались, после нарушения контакта слоя раствор-бетон, значительно выросли предельные линейные перемещения, наблюдался нагельный эффект арматуры. В зоне среза напряжения перед разрушением достигли 11-12МПа, а непосредственно под арматурным стержнем 20-25МПа.
Методика проведения экспериментальных исследований
В главе приведены результаты экспериментальных исследований штепсельных стыков колонн проектных, новых конструктивных решений с различным составом раствора замоноличивания, усиленных стыков, направленных на разработку методики расчета их сдвиговой податливости Изучены материалы, применяемые для заполнения полости скважин и горизонтальных швов штепсельного стыка. В качестве монтажных составов использованы цементно-песчаные и полимеррастворы, принятые по рекомендациям по проектированию контактных стыков колонн, выполненных в НИИЖБ и приведенных заказчиком[70]: Цементно-песчаный раствор: Ц:П:В =1:3:0,45 с добавлением 0,8% С-3 (суперпластификатор);
Полимерраствор на основе эпоксидной смолы: эпоксидная смола ЭД-20 -100 масс.ч, отвердитель полиэтиленполиамин – 12-17 масс.ч, дибутилфталат – 30-50 масс.ч, наполнитель кварцевый песок – 60-70 масс.ч Полученные данные использованы при создании методик расчета, изложенных в четвертой главе.
Программа исследований. Характеристика опытных образцов проектных, новых конструктивных решений и усиленных стыков Целью экспериментальных исследований ставится определение качественного и количественного участия каждого элемента в работе стыка, для разработки методики расчета сдвиговой податливости существующих в реальных проектах, новых и усиленных конструктивных решений стыка.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработать программу экспериментов, включающую методику их проведения, выбор и описание опытных образцов, испытательного оборудования и приборов; - провести испытания с соблюдением существующих правил по режиму нагружения, сбору инструментальных данных; - выполнить анализ результатов испытаний с построением графиков зависимости «Q – » для разработки методики расчета.
Конструктивное решение образцов принято с учетом полученных в главе 2 результатов компьютерного моделирования и комплексной оценки напряженно-деформированного состояния изучаемого стыка, что позволило оптимизировать программу экспериментальных исследований и минимизировать количество образцов, были выбраны их размеры и армирование. Информационная схема программы экспериментальных исследований представлена на рисунке 60.
Для реализации поставленной цели исследований опытные образцы разделены на три группы по конструктивному решению стыков: - проектные; - новые конструктивные решения - образцы, изготовленные по патентам на полезную модель; - усиленные стальной обоймой с преднапряжением хомутов и без их преднапряжения, а также углеволокном. Фактическое конструирование которых, описано в Приложении 3. Размеры поперечного сечения всех образцов соответствуют натурным и приняты 300х300, 400х400 мм, исходя из номенклатуры типовых колонн. Общая высота образцов принята 1210 мм. Продольное армирование образцов принято из арматуры 418 мм по равным наиболее часто применяемому в проектных решениях проценту армирования \х = %, т.е., поперечное армирование
Образцы первой группы (рисунок 61) отличались между собой составом раствора в полостях скважин.
В образце Шст 1-ц скважина заполнялась цементно-песчаным раствором, состав которого предоставлен заказчиком (пункт.3.1), а в образце Шст 1-п в скважину вводился полимерный состав по рекомендациям [70].
Образцы второй группы выполнены по патентам на полезную модель. Первая подгруппа образцов (рисунок 61, а) выполнена по патенту на полезную модель [76], и принципиально отличается от проектного тремя особенностями: - установкой в торцах колонн вместо сеток косвенного армирования гнутых замкнутых стальных пластин, опоясывающих продольную арматуру, и поэтому выполняющих роль связей, препятствующих поперечным деформациям арматуры; - введением продольной арматуры верхней колонны в скважину нижней колонны, в которой располагается оголенная продольная арматура. Этим достигается двойной эффект (по сравнению с существующими проектными решениями) – снижение металлоемкости стыка за счет ликвидации дублирующих стержней, устанавливаемых вдоль продольной арматуры нижележащей колонны и обеспечением анкеровки продольных стержней выше- и нижележащих колонн после замоноличивания скважин раствором; - полость скважин образуется гофрированной трубой.
Вторая подгруппа образцов (рисунок 61, б), выполненная по патенту на полезную модель [77], отличалась от образцов проектного решения наличием в торцах колонн стальных уголков, способных выполнять двойную роль: - препятствовать поперечным деформациям стыка за счет положительного влияния на сопротивление разрушению бетона защитного слоя отрыву и увеличения жесткости стыка совместно с продольной арматуры; - при необходимости к уголкам для повышения сопротивляемости сдвигу можно приварить соединительные элементы – накладные уголки или арматурные стержни.
Армирование образцов второй группы не отличалось от существующего проектного решения, стальные уголки крепились с помощью закладных деталей из арматурной проволоки.
Образцы третьей группы. Пробные физические эксперименты [41], компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния стыков с варьированием большого числа факторов (глава 2) позволили выявить наиболее значимые из них, раскрыть механизм сопротивления стыков сдвигу и с учетом полученных результатов выбрать для проведения исследований два варианта усиления проектных решений: - с применением обоймы из стальных уголков и хомутов из круглой обычной и предварительно напряжнной арматуры (рисунок 62, а);
Стыки с заполнением полимеррастворами
В первой из них использован подход, принятый в действующем СП 63.13330.2012 [82]. Для описания диаграмм деформирования бетона при сжатии в виде трех- и двулинейных зависимостей «-», но параметрические точки диаграммы определялись по выполненным опытом данным, представленным в главе 3. В виде графиков (рисунок 89).
Во второй методике сдвиговая податливость вычисляется с применением энергетической теории решением условия энергетического баланса внешних и внутренних усилий, изменяющегося с увеличением нагрузки и ее перераспределения между элементами стыка. Проведены сравнения результатов расчетов с опытными данными, показавшие их удовлетворительную сходимость.
Кроме перечисленного выше, ниже изложены методики расчета новых и усиленных стыков по прочности. Результаты сравнены с опытными данными; показано их удовлетворительное совпадение. Полученные выражения предлагается использовать при продолжении работы по разработке диаграммного расчета этих стыков (с учетом диаграмм деформирования).
Методика расчета стыков проектных решений с описанием диаграмм деформирования, принятыми в СП для бетона при сжатии
В первой главе (рисунок 8) приведены диаграммы деформирования бетона при сжатии по СП 63.13330.2012 и аналитическое описание. В развитии этого подхода ниже приведены методики расчета рассматриваемых в работе стыков. 4.1.1. Стыки с заполнением цементно-песчаным раствором На рисунке 89 показана трансформированная трехлинейная диаграмма деформирования стыка, характеризующая работу стыка под нагрузкой. Рисунок 89. К определению сдвиговой податливости стыков, замоноличенных цементно-песчаным раствором Расположение параметрических точек в координатной системе (системе координат «Q-» определяет напряженно-деформированное состояние изучаемого стыка: - «Q1-1» - упругая стадия; - «Q2-2» - проявление неупругих деформаций, связанных с частичным нарушением контакта - «Q3-3» - стадия разрушения Выделить участие каждого из шести элементов стыка на первых двух стадиях затруднительно, но конечным результатом их совместного сопротивления внешнему воздействию (Qi, Q2) являются деформации j и 2.
Координаты параметрической точки 3, соответствуют предельной деформации 3 при действии разрушающей поперечной силы Q3… и определяют прочность стыка. Теоретически прочность стыка определяется по выражению (1), приведенной в статьях с участием автора диссертации. Предельное значение поперечной силы (Qult) определяется по выражению, приведенному в работе [81]: Quu = Qbt + Qs.+Qs (17)
Для штепсельного стыка колонн, в котором для заполнения каналов и шва используется цементно-песчаный раствор: - 0 Q Qu Qi=0,5Qult - упругая стадия работы стыка, где Qult - разрушающая поперечная сила (к концу стадии появляются трещины отрыва в защитном слое бетона, и разрушается растворный шов); - Qi Q Qi, 2=0,85gult - стадия неупругой работы стыка (развитие трещин в защитном слое бетона и нарушение сцепления продольной арматуры с бетоном, смятие бетона под стержнями продольной арматуры, возникновение нагельного эффекта, откол защитного слоя бетона в конце стадии;
В связи с выше перечисленным, удобно в качестве расчтной принять кусочно-линейную зависимость «Q–», состоящую из трх участков - для стыков, шов в которых заполняется цементно-песчаным раствором (рисунок 89), и из двух участков - для стыков, шов которых заполняется полимерраствором (рисунок 90). На рассматриваемых рисунках в точках 1,2 и 3 проведены секущие, тангенс угла наклона которых равен условному модулю деформаций стыка при сдвиге для данной стадии Grerf.=123, а i, 2, 3 - горизонтальное перемещение, соответственно при образовании трещин в шве, в бетоне стыка, и при разрушении. Аналитические выражения, описывающие рабочие двух- и трхлинейные диаграммы деформирования, имеют следующий вид: - для стыков, шов в которых заполняется цементно-песчаным раствором: A, A A К определению сдвиговой податливости стыков, замоноличенных полимерраствором Для штепсельного стыка колонн, в котором в качестве заполнения шва используется полимерраствор, можно выделить только две характерные стадии работы стыка (рисунок 90), поэтому:
По диаграммам рисунков 89 и 90 можно получить энергию деформирования стыка U, которая по модулю равна работе Аех, совершаемой внешней силой Q на перемещении . Геометрически эта работа равна площади фигуры, ограниченной сверху кривой деформирования, снизу - осью абсцисс, с крав вертикальными прямыми =0 и =i (=1,2,3). Приближенно площадь этой фигуры заменяется более простыми фигурами - треугольниками и трапециями.