CC BY
25Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 69.07.
М.Н. ВАУЧСКИЙ, д-р техн. наук (wow_2@mail.ru), А.М. БАКЕВИЧ, инженер
Военный институт (инженерно-технический) Военной академии материально-технического обеспечения им. Генерала армии А.В. Хрулева (191023, г. Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, 22)
Исследование эффекта обоймы несущих колонн
Приведена актуальность внедрения в строительную практику несущих металлобетонных (трубобетонных) колонн, при эксплуатации которых в полной мере проявляется эффект обоймы. Рассмотрены процессы, происходящие на различных стадиях нагружения металлобетонных колон двух типов: нагрузка передается на все сечение колонны; нагрузка передаётся только на бетонное ядро, металлическая оболочка не нагружена. Приведены результаты среднемасштабного эксперимента, выполненного для подтверждения теоретических предпосылок с шестью сериями моделей несущих колонн разных типов и основные выводы, сформулированные на основании экспериментальных данных. Обоснован выбор наиболее перспективного типа металло-бетонных колонн, у которого при запредельных нагрузках не только в полной мере проявляется эффект обоймы и ярко выраженный пластический характер разрушения, но и наблюдается высокая остаточная несущая способность (после приложения к конструкции запредельных нагрузок, она сплющивается без потери устойчивости).
Ключевые слова: трубобетон, колонна, эффект обоймы, потеря устойчивости, металлобетонная колонна, нагружение.
M.N. VAUCHSKY, Doctor of Sciences (Engineering), (wow_2@mail.ru) , A.M. BAKEVICH, Engineer Military (Engineering) Institute of the Military Academy for Logistic named after General of the Army A.V. Khrulev (22, Zakhar'evskaya Street, Saint-Petersburg, 191023, Russian Federation)
Study of Effect of a Casing of Bearing Columns
The actuality of introduction of bearing metal-concrete (tube-reinforced concrete) columns in the course of which operation an effect of the casing reveals itself is presented. Processes taking place at different stages of loading of metal-concrete columns of two types are considered: the load is transmitted to the whole cross-section of the column, the load is transmitted to the concrete core only, the metal casing isn't loaded. Results of the medium-scale experiment carried out to confirm the theoretical background with six series of models of bearing columns of different types, and main conclusions formulated on the basis of experimental data are presented. The choice of the most prospective type of metal-concrete column, which, at out-of-limit loads, reveals in full the effect of casing and pronounced plastic character of destruction and also the high residual bearing capacity is observed (after application of out-of-limit loads to the structure, it flattened without buckling) is substantiated.
Keywords: tube-reinforced concrete, casing effect, buckling, metal-concrete column, loading.
Одним из решений, способствующих уменьшению продолжительности работ и сокращению материальных затрат при строительстве, является использование эффекта обоймы при конструировании железобетонных колонн зданий и сооружений. В последнее время все большее распространение получают колонны, выполненные из стальных труб заполненных бетоном, - в них эффект обоймы проявляется наиболее полно. Такие колонны называются трубобетонны-ми (далее - ТБК). ТБК являются удачным примером того, как сталь и бетон заметно повышают несущую способность друг друга и всего элемента в целом.
В результате проведения многочисленных испытаний исследователями [1-3] доказано, что несущая способность ТБК по сравнению с железобетонными колоннами больше в 1,4-2 раза. Величина упрочнения зависит от различных факторов: вид и прочность бетонного ядра, толщина стенки и прочность стали оболочки, геометрические характеристики поперечного сечения, гибкость, усадка бетонной смеси, эксцентриситет приложения нагрузки, степень предварительного обжатия бетонного ядра, способ передачи нагрузки на колонну. Степень влияния большинства этих факторов в значительной степени изучена и описана множеством отечественных и зарубежных авторов [1-10].
В настоящей работе рассматриваются особенности работы ТБК при различных способах передачи нагрузки на колонну. При этом ТБК можно разделить на два вида:
- ТБК первого вида (далее - ТБК 1) представляют собой конструкцию, в которой в сопротивлении сжимающему усилию участвуют бетонное ядро, упрочненное давлением стальной оболочки, и сама оболочка.
- в ТБК второго вида (далее, ТБК 2) вертикальную нагрузку воспринимает только бетонное ядро, а роль оболочки сводится к созданию реактивного бокового давления на ядро. При этом нагрузка на колонну передается через установленную на бетонное ядро прокладочную пластину.
Сама идея передачи нагрузки только на бетонное ядро возникла в результате поиска способов исключения в работе ТБК 1 одного из отрицательных свойств - отслоения оболочки от бетонного ядра на одном из этапов нагружения.
Для более глубокого понимания данной проблемы рассмотрим стадии работы ТБК 1 под нагрузкой, предложенные Л.К. Лукшой [3].
На первой стадии в связи с тем что коэффициент Пуассона стали и бетона неодинаков (ист = 0,33; ибет = 0,15-0,2), под воздействием продольной нагрузки труба стремится расшириться в большей степени, чем ядро. На этой стадии вступают в действие силы сцепления стали и бетона, вызывая радиальные растяжения в ядре и оболочке (стоит отметить, что радиальное растяжение трубы может вызвать ее тангенциальное сжатие на всех стадиях нагружения). Так как силы сцепления малы, вскоре происходит отрыв обо-
Научно-технический и производственный журнал
Structural calculations
Рис. 1. Круглые ТБК2 под действием нагрузки
Рис. 2. Квадратные ТБК2 под действием нагрузки
лочки от ядра под действием прогрессирующего Пуассо-новского расширения.
Вторая стадия характерна тем, что бетон и металл работают в упругой области. Совместная работа происходит только в продольном направлении. На этой стадии из-за различных модулей деформаций, напряжения, возникающие в бетонном ядре, оказываются в несколько раз меньше, чем напряжения в оболочке. На этой стадии процесс отставания оболочки от бетонного ядра прогрессирует.
На третьей стадии начиная с момента появления в бетоне микротрещин происходит более интенсивное расширение бетонного ядра. Как только поперечные деформации бетона становятся больше поперечных деформаций стали, ядро начинает давить на стенки оболочки. В оболочке появляются поперечные напряжения, передающиеся на бетон. В результате оболочка препятствует чрезмерному расширению бетона, проявляя эффект обоймы. В бетоне продолжают развиваться микротрещины, однако, находясь в состоянии трехосного сжатия, он продолжает воспринимать нагрузку.
Третья стадия заканчивается, когда вследствие возрастающего давления со стороны ядра напряжения в металле оболочки достигают предела текучести. При этом в оболочке развиваются пластически деформации, что внешне сопровождается появлением линий Чернова-Людерса.
На второй стадии работы ядро и оболочка воспринимают нагрузку по отдельности, соответственно несущая способность элемента в целом снижается до двух раз. В подтверждение этому приведем реальный пример неэффективности применения трубобетонных элементов: при обследовании моста через реку Исеть было обнаружено отслаивание труб от бетона. Данное явление можно объяснить тем, что при эксплуатационных нагрузках конструкция находится во второй стадии работы.
Главной положительной характеристикой ТБК 2 является то, что в процессе их работы под нагрузкой фактически отсутствует вторая стадия. Такой эффект связан с тем, что стальная оболочка не подвергается сжатию, соответственно в ней не возникает поперечных деформаций.
Также стоит отметить, что третья стадия работы у ТБК 2 начинается раньше, чем у ТБК 1. Стальная оболочка начинает воспринимать усилия в ядре сразу же после появления в бетоне поперечных деформаций, соответственно эффект обоймы проявляется раньше.
У ТБК обоих видов наблюдается ярко выраженный пластический характер разрушения - они способны воспринимать часть критической нагрузки вплоть до потери общей устойчивости. Причем деформации укорочения, происходящие до потери устойчивости, могут составлять 15-20% от первоначальной длины колонн.
Рис. 3. Общий вид испытания 122016 —
Рис. 4. Электронный штангенциркуль на стойке
Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Характер разрушения моделей обычных колонн при относительной деформации 0,005
Учитывая наличие теоретических предпосылок, дающих основания сделать вывод об эффективности ТБК 2, авторами были проведены экспериментальные исследования количественной оценки влияния способа передачи нагрузки на несущую способность ТБК. При проведении экспериментов также была осуществлена оценка влияния на эффект обоймы прочности бетонного ядра.
Эксперименты проведены на производственной базе ЗАО «ДСК», г. Псков. Для создания сжимающего усилия был использован пресс, способный создавать нагрузку до 2500 кН, имеющий расстояние между сжимающими пластинами чуть больше 1 м. Исходя из ограничений характеристик оборудования, на котором проводился эксперимент, было принято решение о проведении среднемасштабных экспериментов 1:3. Масштабированию подвергались ТБК диаметром 426 мм, высотой 3 м и обычные железобетонные колонны сечением 380x380 мм высотой 3 м.
При конструировании масштабных моделей были максимально возможно сохранены параметры полномасштабных ТБК. Однако в связи с ограничениями сортаментов и соображениями обеспечения местной устойчивости оболочки был несколько увеличен коэффициент армирования У полномасштабных колонн он составлял 4,22 %, а у моделей - 5,84%. В результате были изготовлены и испытаны следующие серии моделей (по 6 образцов в каждой серии):
- обычные квадратные колонны со стороной 124 мм, высотой 1 м, 5,84 %, бетон В30, армирование каркаса выполнено восьмью стержнями арматуры АШ 12 мм;
- обычные квадратные колонны со стороной 124 мм, высотой 1 м, 5,84 %, бетон В50, армирование каркаса выполнено восемью стержнями арматуры АШ 12 мм;
- ТБК 1 диаметром 140 мм, высотой 1 м, бетон В30;
- ТБК 1 диаметром 140 мм, высотой 1 м, бетон В50;
- ТБК 2 диаметром 140 мм, высотой 1 м, бетон В30;
- ТБК 2 диаметром 140 мм, высотой 1 м, бетон В50.
В ТБК 2 круглого сечения передача нагрузки только на ядро обеспечивалась за счет установки на верхний торец ядра металлической пластины диаметром 131 мм, толщиной 10 мм (рис. 1, 2).
В процессе испытаний моделей колонн измерение деформаций осуществлялось с помощью электронного штангенциркуля, установленного на специально изготовленной стойке (рис. 3, 4). При этом фиксировались напряжения,
Рис. 6. Характер разрушения моделей ТБК при относительной деформации 0,05
возникающие при предельной деформации для неармиро-ванного бетона (1 мм), удвоенной предельной деформации (2 мм) и деформации, соответствующей разрушающим напряжениям.
Характер разрушения моделей обычных квадратных колонн на рис. 5, а ТБК1 и ТБК2 - на рис. 6. Как видно по фотографиям, модели ТБК отличаются значительно более высокой пластичностью при разрушении.
Сравнительный анализ эффективности ТБК проведен путем составления результатов, полученных в ходе экспериментов. В таблице приведены данные, полученные путем статистической обработки результатов испытания на сжатие трех серий моделей, изготовленных с использованием самоуплотняющейся бетонной смеси.
По результатам анализа данных, полученных в ходе эксперимента, сделаны следующие выводы.
1. Эффект обоймы позволяет увеличить несущую способность колонны до 47%. При этом, необходимо отметить, что в испытанных моделях обычных колонн был использован мощный армирующий каркас (^= 5,84%), который воспринял на себя около 36 % сжимающей нагрузки. В полномасштабных колоннах армирующий каркас воспринимает в лучшем случае несколько процентов сжимающей нагрузки. Таким образом, для ТБК 2 можно говорить об увеличении несущей способности полномасштабных колонн до 75%. При том, что для ТБК 1 показатели останутся неизменными так как в полномасштабных моделях относительная толщина стенки оболочки существенно меньше и, соответственно, она воспринимает меньшие сжимающие нагрузки. Это объясняется тем, что в состоянии объемного сжатия (в котором находится ядро ТБК под действием вертикальной нагрузки) бетон выдерживает существенно большие напряжения.
2. Эффективность ТБК 2 (у которых сжимающую нагрузку воспринимает только бетонное ядро) на 29% выше, чем у ТБК 1. Такой высокий показатель достигается за счет того, что оболочка работает только в поперечном направлении (давление ядра изнутри) и они вообще не деформируются в продольном направлении. Таким образом, не происходит отслаивания оболочки от ядра по всей плоскости соприкосновения, что позволяет эффекту обоймы проявиться в наибольшей степени.
3. Прочность ядра оказывает не слишком большое влияние на эффект обоймы. При использовании в ядре бетона
Научно-технический и производственный журнал
Structural calculations
В50 эффективность обоймы становится выше на 4-8%, чем при ядре из бетона В30. Причем у ТБК 2 и в этом случае показатели более высокие, чем у ТБК 1. Такой эффект достигается за счет того, что способность бетонного ядра к упрочнению тем больше, чем больше давление со стороны оболочки. Давление, в свою очередь, возрастает в результате роста числа микротрещин в ядре, а наибольшая скорость появления трещин наблюдается в высокопрочных бетонах.
Также в ходе эксперимента был проанализирован характер деформаций, возникающих в ТБК под действием нагрузки. Установлено, что ТБК имеют ярко выраженный пластический характер разрушения по достижении предельного состояния, что исключает опасность внезапного разрушения конструкции в целом или отдельной ее части под действием критических нагрузок (сейсмические нагрузки, взрывная волна).
Таким образом, ТБК в целом являются более эффективной конструкцией, а разработка и совершенствование методик их расчета и конструирования позволит упростить процесс внедрения ТБК в отечественный строительный комплекс.
Список литературы
1. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Использование трубо-бетона в жилищном строительстве // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 3. С.14-15.
2. Борисов А.О. Усиление сжатых железобетонных колонн обоймами // Жилищное строительство. 2009. № 7. С. 8-9.
3. Лукша Л.К. Прочность трубобетона. Минск, 1977. 96 с.
4. Кришан А.Л., Мельничук А.С. Прочность трубобетонных колонн квадратного сечения. Магнитогорск: МГТУ, 2013.104 с.
5. Кришан А.Л., Сабиров Р.Р., Суровцов М.М. Исследование прочности гибких трубобетонных колонн. Магнитогорск: МГТУ, 2014. 86 с.
6. Кришан А.Л., Сабиров Р.Р., Суровцев М.М. Трубобетон-ные колонны круглого, кольцевого и квадратного поперечного сечения. Магнитогорск: МГТУ. 2014. 209 с.
7. Кришан А.Л. Трубобетонные колонны с предварительно обжатым ядром. Ростов-Н/Д: РГСУ. 2011. 372 с.
8. Резван И.В., Несветаев Г.В., Маклян Д.Р., Резван А.В. Несущая способность трубобетонных колонн с учетом дила-тационного эффекта. Ростов-Н/Д: РГСУ, 2012. 187 с.
9. Серых И.Р., Чернышева Е.В. Напряженно-деформированное состояние сталебетонных брусьев прямоугольного сечения с составной обоймой при сжатии и изгибе. Белгород: БГТУ. 2015. 107 с.
10. Фардиев Р.Ф., Мустафин И.И. Обеспечение совместной работы железобетонной обоймы с усиленным внецен-тренно нагруженным элементом // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2008. № 1. С. 96-99.
References
1. Afanas'ev A.A., Kurochkin A.V. Using the pipe-concrete in housing construction. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2011. No. 3, pp.14-15. (In Russian).
2. Borisov A.O. Strengthening of compressed concrete columns collars. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2009. No. 7, рр. 8-9. (In Russian).
3. Luksha L.K. Prochnost' trubobetona [The pipe-concrete strength]. Minsk. 1977. 96 p. (In Russian).
12'2016 ^^^^^^^^^^^^^
4. Krishan A.L., Mel'nichuk A.S. Prochnost' trubobetonnykh kolonn kvadratnogo secheniya [The strength of the pipe-concrete columns of square section]. Magnitogorsk: MGTU, 2013. 104 p.
5. Krishan A.L., Sabirov R.R., Surovtsov M.M. Ispol'zovanie prochnosti gibkikh trubobetonnykh kolonn [Investigation of the strength of flexible pipe-concrete columns]. Magnitogorsk: MGTU. 2014, 86 p.
6. Krishan A.L., Sabirov R.R., Surovtsev M.M. Trubobetonnye kolonny kruglogo, kol'tsevogo i kvadratnogo poperechnogo secheniya [Round pipe-concrete columns, circular and square cross-section]. Magnitogorsk: MGTU, 2014. 209 p.
7. Krishan A.L. Trubobetonnye kolonny s predvaritel'no obzhatym yadrom [The pipe-concrete columns with pre-crimped the core]. Rostov-na-Donu: RGSU, 2011. 372 p.
8. Rezvan I.V., Nesvetaev G.V., Maklyan D.R., Rezvan A.V. Nesushchaya sposobnost' trubobetonnykh kolonn s uchetom dilatatsionnogo effekta [The bearing capacity of pipe-concrete columns considering dilatation effect]. Rostov-na-Donu: RGSU, 2012. 187 p.
9. Serykh I.R., Chernysheva E.V. Napryazhenno-deformirovan-noe sostoyanie stalebetonnykh brus'ev pryamougol'nogo secheniya s sostavnoy oboymoy pri szhatii i izgibe[Stress-strain state of the steel-concrete beams of rectangular section with an integral clip in compression and bending]. Belgorod: BGTU, 2015. 107 p.
10. Fardiev R.F., Mustafin I.I. Stress-strain state of the steel-concrete beams of rectangular section with an integral clip in compression and bending. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2008. No. 1, pp. 96-99. (In Russian).
_ИНФОРМАЦИЯ
Уважаемые авторы!
Приступая к оформлению статьи для публикации в журнале, внимательно ознакомьтесь с правилами и рекомендациями, размещенными на сайте издательства:
www.rifsm.ru/page/7
Следуйте рекомендациям, и вожделенная публикация не заставит себя долго ждать!
Информацию по оформлению подписки смотрите на странице:
www.rifsm.ru/page/5
25
