CC BY
74
УДК 691.32+666.982+624.012.45.04:539.319
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ БЕЗНАПОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРУБ МАЛОГО ДИАМЕТРА
Б.А. Ракитин, Б.В. Соловьёв
В статье представлены результаты проектирования и лабораторных испытаний нового вида продукции, изготавливаемого по технологии виброформования с немедленной распалубкой свеже-отформованного изделия и набором прочности в естественных условиях. Исследовано напряжённо-деформированное состояние железобетонных труб для прокладки подземных трубопроводов, в зависимости от глубины заложения с учётом свойств массива грунта.
Введение
Бетон - один из наиболее универсальных, надежных и экономичных материалов, применяемых для ливневой и сантехнической канализации, а также для ирригационных сооружений.
В результате применения передовых технологий и конструктивных решений использование бетонных труб в мире продолжает расти. Проектировщики и службы стандартизации считают их долговечной и рентабельной системой транспортировки жидкостей. Правильно разработанные подземные трубопроводы, будучи однажды проложены, сохраняют свою работоспособность без ремонта или расходов на обслуживание в течение многих лет.
Сегодня в нашей стране появились новые технологические решения, обеспечивающие производство безнапорных железобетонных труб в широком диапазоне диаметров, построены современные заводы для их изготовления.
В этой статье рассматривается первый этап работы по внедрению в производство продукции, изготавливаемой по технологии немецкой фирмы «ЗСНШЗЗЕЯ-РРЕПФЕК».
Трубы железобетонные безнапорные предназначены для прокладки подземных трубопроводов, транспортирующих самотеком, не заполняя все сечение трубы, бытовые жидкости и атмосферные сточные воды, а так же подземные воды и производственные жидкости, не агрессивные к железобетону и уплотняющим резиновым кольцам.
Самыми распространёнными являются железобетонные трубы двух типов (рис. 1):
ТС - цилиндрические раструбы со ступенчатой стыковой поверхностью втулочного конца трубы и стыковыми соединениями, уплотняемыми резиновыми кольцами;
ТСП - то же, с подошвой.
а)
Р7>>.
а'
/ ‘/у/// ‘////У ‘/////*?шГТ77~ГГу/// ‘/у/
Рис. 1. Конструкция железобетонных безнапорных труб: а - продольное сечение трубы; б - поперечное сечение цилиндрической трубы; в - поперечное сечение трубы с подошвой; г - гибкий раструбный стык; £. - длина трубы; - внутренний диаметр; < - толщина стенки
Чтобы увеличить точность расчетов и уменьшить вероятность возникновения ошибок, было принято решение выполнить расчёт двумя различными способами и сравнить полученные результаты с лабораторными испытаниями труб.
Расчёт железобетонных безнапорных труб по прочности и трещиностойкости в стадии транспортирования
Ручной расчёт железобетонных безнапорных труб по прочности и трещиностойкость в стадии транспортирования, был выполнен по методике, изложенной в [2].
Теория расчета строительных конструкций
Конструкция рассчитывалась как балка на двух опорах. Общая длина трубы равна 2,6 м, а длина пролета между опорами составляет 1,8 м. Схема, принимаемая при расчёте кольцевого сечения, показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема, принимаемая при расчёте кольцевого сечения
В результате расчёта получили, что коэффициент запаса по прочности в стадии транспортирования равен 9,62. После этого был произведён расчёт по раскрытию трещин в стадии транспортирования.
В результате выполненного расчёта были получены следующие результаты:
1. Трещины при действии полной нагрузки не образуются и расчёт по раскрытию трещин не нужен;
2. Запас по трещиностойкости составляет 26 %.
Исследование напряжённо-деформированного состояния безнапорных железобетонных труб
Задача была решена по методике, описанной в [4], и реализована в программном комплексе Lira 9.2 с использованием расчётной модели с постоянным коэффициентом постели (основание Винклера).
Расчётная схема безнапорной железобетонной трубы разбита на 290 конечных элементов типа пластина размером 50x100 мм (КЭ 41 - универсальный прямоугольный элемент оболочки) и 319
узлов. Элементы задаются двумя типами жёсткостей [1].
Основание трубы моделируется элементами с заданным коэффициентом отпора грунта [5]: для песка - С = 70-103 кН/м3; для глины - С = 250-103 кН/м3; для скального грунта - С = 1000-103 кН/м3. Нагрузки на проектируемый трубопровод приняты по результатам статического расчёта, выполненного по методике, изложенной в [4]. Всего в расчётной схеме 5 загружений (рис. 3):
Загружение 1 - нагрузка от собственного веса; Загружение 2 - нагрузка от вертикального давления грунта;
Загружение 3 - нагрузка от горизонтального давления грунта;
Загружение 4 - вертикальное давление грунта от временной нагрузки НК-80;
Загружение 5 - горизонтальное давление грунта от временной нагрузки НК-80.
Все материалы данной модели считаем сплошными и постоянными по своим механическим свойствам. Данное предположение даёт возможность считать напряжения, деформации и перемещения отдельных точек непрерывными функциями координат. Кроме того, принимаем материалы упругими, поэтому можем решать задачу в рамках линейной теории упругости.
В результате проведённых исследований в программном комплексе Lira 9.2 было рассмотрено 9 расчётных схем сегмента трубы диаметром условного прохода 400 мм в зависимости от расчётной высоты засыпки грунтом: 2 м, 4 м, 6 м и подстилающего основания: песок, глина, скала (рис. 4).
Результаты расчётов позволили установить зависимости численных значений осадок трубопровода от расчётной высоты засыпки грунтом и
1,2м
1,2м
1,2м
Рис. 3. Сбор нагрузок на конструкцию: а - нагрузки, действующие на конструкцию от вертикального и горизонтального давления грунта; б - вертикальное и горизонтальное давление грунта на конструкцию от временной нагрузки НК-80 (при расчётной высоте засыпки грунтом 4 метра)
Ракитин Б. А., Соловьёв Б.В.
Игополя напряжении по № Единицы измерения - тАи2
Рис. 4. Пример результата расчёта: изополя напряжений по А/х (расчётная высота засыпки грунтом 4 метра, подстилающий слой - глина)
типа подстилающего слоя (рис. 5), так у песка она в 3,5 раза больше, чем у глины и в 15 раз больше, чем у скального грунта.
Рис. 5. Осадка трубы в зависимости от типа грунта: 1 - подстилающий слой - песок, 2 - подстилающий слой - глина, 3 - подстилающий слой - скала
В табл. 1 представлены напряжения в конструкции от совместного действия собственного веса массива грунта и временной нагрузки на поверхности земли класса НК-80.
Напряжения, действующие в конструкции, сильно зависят от высоты расчётного слоя засыпки грунтом. При глубине засыпки грунтом 6 метров они примерно в 1,3 раза выше, чем при 4 метрах, и почти в 2 раза, чем при двух метрах.
Проведение лабораторных испытаний
Лабораторные испытания труб на прочность, трещиностойкость и водонепроницаемость проводились в испытательном центре строительных материалов, изделий и конструкций ГРЦ «КБ имени академика В.П. Макеева» по методике описанной
Перемещения и напряжения в конструкции
Таблица 1
Показатели Расчётная высота засыпки грунтом
2 метра 4 метра 6 метров
шах тіп тах тіп тах тіп
Перемещения по X, мм -1,14 -1,03 -1,7 -1,53 -2,14 -1,94
Перемещения по У, мм -0,0478 0,0474 -0,0732 0,0727 -0,0872 0,0865
Напряжения Ых, МПа -0,609 -0,0875 -0,912 -0,121 -1,16 -0,213
Напряжения МПа -0,0783 0,0269 -0,114 0,041 -0,156 0,0515
Напряжения Т„, МПа -0,0679 0,0678 -0,102 0,102 -0,128 0,128
Напряжения Мх, кН м/м 1,85 -1,72 2,62 -2,82 3,4 -3,16
Напряжения Мг, кН м/м 0,376 -0,354 0,572 -0,538 0,689 -0,65
Напряжения 0Х, кН/м -18,6 18,5 -28,1 28,1 -34,1 34,1
Напряжения О,, кН/м 2,15 -2,15 3,26 -3,26 4,01 -4
Подстилающий слой - глина.
Теория расчета строительных конструкций
в ГОСТ 6482-88 «Трубы железобетонные безнапорные. Технические условия» (рис. 6).
Рис. 6. Испытание раструбной железобетонной трубы на прочность и трещиностойкость в испытательном центре
Результаты испытаний труб на прочность и трещиностойкость приведены в табл. 2.
Так же при помощи программного комплекса Lira 9.2 был проведён машинный эксперимент, в результате были определены самые опасные места в конструкции (рис. 7).
При увеличении нагрузки до разрушающей образовались трещины по всей длине трубы под нагрузочной балкой, под опорами и по обеим боковым поверхностям (рис.8).
Лабораторные испытания показали, что:
1. Характер напряжённо-деформированного состояния трубы, полученный при расчёте по разработанной расчётной схеме (см. рис. 4), подтвердился лабораторными испытаниями.
2. Железобетонные трубы, изготавливаемые ООО «ПКО «ЧелСИ» по технологии немецкой фирмы «SCHLOSSER-PFEIFFER», имеют резерв по прочности и трещиностойкости.
Таблица 2
Контрольные и испытательные нагрузки Марка трубы
ТСП 120.25-3 ТС 40.25-3
Трещино- стойкость Прочность Трещино- стойкость Прочность
Контрольная нагрузка, кН/м 66,64 121,17 26,98 49,05
Контрольная нагрузка, Рк, тс 16,9 30,9 6,88 12,5
Испытательная нагрузка, Ри, тс 17,7 32,0 6,89 12,5
Испытательная нагрузка, кН/м 69,4 125,4 27,0 50,0
Испытательная максимальная (разрушающая) нагрузка, тс - 40,15 - 18,2
Испытательная максимальная (разрушающая) нагрузка, кН/м - 157,4 - 71,4
Вид разрушения - Трещины по всей длине трубы - Трещины по всей длине трубы
1' 1 |'...|"1111 [ j~----Т-------Г~'"ТТИИИИ
-188 -89,в >71,7 -53.8 -35.9 -17.9 -1.05 1,05 17.9 35.9 S3.8 71.7 89.6 №
Зафужвние 1 Иполя напряжении по Hz Единицы измерения - тАй
Рис. 7. Напряженно-деформированное состояние поперечного сечения трубы при проведении испытания на прочность
Рис. 8. Разрушение железобетонной трубы при испытании на прочность и трещиностойкость
3. Возможно дополнительное армирование железобетонных труб в тех участках конструкции, где произошло разрушение, с целью экономии арматуры в малонапряжённых местах конструкции.
Литература
1. Карякин, А.А. Расчёт конструкций, зданий и сооружений с использованием персональных ЭВМ / А.А. Карякин. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. -194 с.
2. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжёлого бетона без предварительного напряжения арматуры
(к СП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. -М.: ОАО «ЦНИИПромзданий», 2005. - 214 с.
3. Сенкевич, Т.П. Железобетонные трубы / Т.П. Сенкевич, С.З. Раголъский, В.Н. Померанец; под ред. С.З. Рагольского. - М.: Стройиздат, 1989.-272 с.
4. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы. - М.: Госстрой России, 2000.
5. СП 32-105—2004 Метрополитены.
6. Ракитин, Б.А. Исследование напряжённо-деформированного состояния безнапорных железобетонных труб с учётом свойств массива / Б.А. Ракитин, Б.В. Соловьёв // Строительная механика и расчёт сооружений. -2008. -Вып. 1. — С. 17-22.
