CC BY
321
УДК 624.012.35.539.38
РАСЧЕТ БЕТОННОЙ КОЛОННЫ СПЛОШНОГО СЕЧЕНИЯ СО СТАЛЬНОЙ ОБОЙМОЙ
А.В. Игнатенко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Предложен метод расчета сталебетонных колонн при действии силовых и температурных нагрузок.
Ключевые слова: сталебетонная конструкция, огнестойкость сталебетонных конструкций, несущая способность, напряженно-деформированное состояние.
РОЗРАХУНОК БЕТОННОЇ КОЛОНИ СУЦІЛЬНОГО ПЕРЕРІЗУ ЗІ СТАЛЕВОЮ ОБОЙМОЮ
А.В. Ігнатенко, асистент, ХНАДУ
Анотація. Запропоновано метод розрахунку сталебетонних колон при дії силових та температурних навантажень.
Ключові слова: сталебетонна конструкція, вогнестійкість сталебетонних конструкцій, несуча здатність, напружено-деформований стан.
CALCULATION OF CONTINUOUS SECTION CONCRETE COLUMN WITH
STEEL IRON RING
A. Ignatenko, assistant, KhNAHU
Abstract. The calculation method of steel-aggregate granolithic concrete columns at force and temperature loading has been proposed.
Key words: steel-aggregate, granolithic concrete structures, refractoriness limit, bearing capacity, stress-strain condition.
Введение
Трубобетонные конструкции применяются в различных зданиях и сооружениях, в частности как опорные конструкции (колонны), дымовые трубы, градирни.
Одним из самых опасных воздействий на сооружение является пожар, который может возникнуть как от небрежного или неграмотного обращения с огнем, легко воспламеняющимися веществами или электрооборудованием, так и при различных чрезвычайных ситуациях - глобальных или локальных катаклизмах природного, антропогенного иди технического характера. Число пожаров во всем мире ежегодно возрастает. Убытки
от разрушения несущих конструкций во время пожара составляют 13-18 % общего ущерба. Обеспечение пожарной безопасности строительных объектов является сложной комплексной задачей, которая решается совместными усилиями конструкторов, материаловедов и специалистов пожарного дела. Особая роль здесь отводится конструктивной безопасности сооружений, выражающейся в обеспечении огнестойкости несущих конструкций, в первую очередь колонн, а также их огнесохранности после пожара.
Исследование пожаров показывает, что строительные конструкции, рассчитанные без учета огнестойкости, в условиях пожара
могут очень быстро потерять несущую способность. Общую устойчивость сооружения обычно определяет целостность колонн, так как колонна является основным несущим элементом. Поэтому сохранение несущей способности колонн в течение необходимого времени является важной задачей.
В соответствии с ДСТУ 2272-93 [1], огнестойкостью строительных конструкций и элементов называется свойство сохранять несущую способность, сопротивляться образованию сквозных отверстий и прогреву до критических температур, а также препятствовать распространению огня.
Предел огнестойкости - интервал времени от начала огневого испытания образцов до возникновения одного из предельных состояний элементов и конструкций по огнестойкости: потеря несущей способности; потеря теплоизолирующей способности; потеря целостности.
Анализ публикаций
В настоящее время разработаны основные положения теории расчета прочности, деформаций и раскрытия трещин железобетонных и сталебетонных конструкций, работающих в условиях высоких температур, а также установлено влияние температуры на некоторые основные физико-механические свойства бетона и стали [2].
Однако эти исследования рассматривают нагрев бетонных массивов от экзотермии цемента без учета изменения его свойств или же учитывают эти изменения при стационарном нагреве элементов малого объема. Расчет ведется, как правило, упрощенными методами. Задачи о напряженном состоянии бетона при его высокотемпературном нагреве решены, главным образом, для жаростойких бетонов в стационарном периоде их нагрева.
Цель и постановка задачи
Цель работы - получить достоверную и удобную для практических расчетов методику расчета силовых и температурных воздействий на сталебетонные колонны со сплошным и кольцевым поперечными сечениями, а также бетонные колонны круглого сечения при различных условиях опирания.
В данной работе ведется исследование напряженного состояния бетона с учетом разных степеней его нагрева в элементах конструкции: при мало нагретом бетоне считается справедливой теория термоупругости, а при рассмотрении случая высокотемпературного нагрева проводится исследование напряженного состояния в бетоне при его нестационарном нагреве, протекающем с большой скоростью.
В этом случае уровень нагрева бетона принят разным при двух стадиях температуры источника нагрева - подъема и стабилизации.
В процессе подъема температуры на источнике нагрева, когда она еще не превышает 100 °С, решение температурной задачи и задачи о напряженном состоянии бетона может быть проведено как для однородного изотропного тела с постоянными физикомеханическими характеристиками. При более высоких температурах этот метод решения становится неприемлемым. Разделение нагретого бетона на две зоны - сухую (7>100 °С) и влажную (Г<100 °С) с различными термическими постоянными требует дополнительного исследования температурно-влажного поля.
Решение задачи о совместной работе стальной обоймы и бетонного ядра
Рассматривается цилиндрическая сталебетонная консольная колонна, находящаяся под действием равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q, равномерного теплового воздействия Tf и собственной
массы (рис. 1). Решалась эта задача раскрытием контакта между ядром и обоймой.
Принимаем, что стальная обойма защищена от потери местной и общей устойчивости. Общая потеря устойчивости предотвращается соотношением размеров колонны (D/h~5). Местная потеря устойчивости круговой цилиндрической оболочки мало зависит от высоты колонны. Согласно [3] сжатая длинная труба при этом подразделяется на полуволны, длина которых определяется по формуле
Х = %
2с2
Rz5
12 (1 -V2 )
(1)
4
Рис. 1. Расчетная схема сталебетонной колонны: а - колонна; б - бетонное ядро радиусом Rbet; в - стальная обойма внешнего радиуса Rst
Фрагмент оболочки при местной потере устойчивости приведен на рис. 2, а.
іг іг і і-
Рис. 2. Местная потеря устойчивости круговой цилиндрической колонны
В сталебетонной колонне обойма не может принять такую форму, так она заполнена бетонным ядром. Поэтому возможна только деформация, приведенная на рис. 2, б. В этом случае причиной потери несущей способности является достижение предела текучести. Критерием наступления предельного состояния стали считаем достижение ст по Мизесу [4]
ст
П ='
(2)
п -п
Критерием потери прочности бетона считается нарушение условий [5]
где сг - предельное напряжение, которое определялось в соответствии с критерием А.В. Яшина; пг - вертикальное перемещение точек сечения. Снижение прочности при нагреве учитывалось введением коэффициента условий работы.
Волокна, в которых не выполнялось условие (3), то есть выполнялось одно из условий сг >сг, пг > 0,01h , исключались из работы. Кроме разрушения под действием внешней нагрузки, при пожаре возможно взрывное разрушение бетона. Поэтому проверялось также условие того, что внутрипоровое давление не превышает предельного напряжения на растяжение
'Ы •
(4)
Волокна, для которых не выполняется условие (4), также исключались из работы. Так как прогрев происходил со стороны поверхности колонны, то после исключения этих волокон сечение оставалось круговым, но радиус его уменьшался и становился равным КЪе{. Значение интенсивности q также изменялось
R,
'bet
R,
(5)
'bet
После этого производился пересчет напряжений.
2
5.Г
2
При превышении предела текучести стали (сж >ст ) обойма исключается из работы в продольном направлении, то есть нагрузка передается только на бетонное ядро. При этом сохраняется возможность контакта стали и бетона в радиальном направлении, то есть наличие сжимающей контактной силы. Если контактная сила является растягивающей, то возможен отрыв обоймы от ядра. В работе [4] приведены результаты экспериментальных исследований контактных сил, возникающих в сталебетонных колоннах. В соответствии с этими исследованиями, напряжения, характеризующие прочность контакта между ядром и обоймой для бетонов RЪ = 15, 20, 25, 35 МПа, составляют, соответственно, ХЦт = 0,3; 0,48; 0,6 и 0,68 МПа. Поэтому при достижении контактной силой величины ХЦт принимается, что обойма отрывается от ядра и исключается из работы в радиальном направлении.
Выводы
Разработана методика расчета на силовые и температурные воздействия бетонных колонн; сталебетонных колонн сплошного сечения; сталебетонных колонн кольцевого сечения. Изучена несущая способность бетонной колонны в стальной обойме при нормальной температуре. Изучена зависимость эффекта обоймы (отношение прочности бетона в обойме к прочности изолированного бетона) от прочности бетона, толщины обоймы, радиуса бетонного ядра, способа нагружения колонны. Исследовано силовое сопротивление колонны при пожаре; огнестойкость сталебетонной колонны кольцево-
го сечения при пожаре изнутри колонны; огнестойкость сталебетонной колонны сплошного сечения с различными видами тепловых защитных материалов. Сделан вывод о необходимости ее армирования.
Литература
1. ДСТУ 2272-93. Система стандартів безпе-
ки праці. Пожежна безпека. Терміни та визначення. - Чинний від 01.01.95 - К. : Держстандарт України, 1993. - 256 с.
2. Методические рекомендации по расчету
огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. МДС 21-2.2000. Второе издание: от 27 апреля 2000 г., зарегистрированы 09.06.2000 - М. : ГУП «НИИЖБ», 2000. - 120 с.
3. Динник А.Н. Устойчивость упругих сис-
тем / А.Н. Динник. - М.-Л. : ОНТИ НКТП СССР, 1935. - 183 с.
4. Чихладзе Э.Д. Расчет сталебетонных эле-
ментов прямоугольного сечения на прочность при осевом сжатии / Э. Д. Чихлад-зе, А.Д. Арсланханов // Бетон и железобетон. - 1993. - № 3. - С. 13-15.
5. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобе-
тонные конструкции. Нормы проектирования; утверждены постановлением Госстроя СССР от 20 августа 1984 г. № 136. - М. : ГУП ЦПП, 1984. - 201 с.
Рецензент: Э.Д. Чихладзе, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 27 октября 2010 г.
