CC BY
10
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2020, №1, Том 12 / 2020, No 1, Vol 12 https://esj.today/issue-1-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/08SAVN120.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Щуцкий В.Л., Насевич А.С., Кургин К.В., Слабуха С.С. Сравнение несущей способности стоек кольцевого сечения по различным нормам // Вестник Евразийской науки, 2020 №1, https://esj.today/PDF/08SAVN120.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Shchutsky V.L., Nasevich A.S., Kurgin K.V., Slabukha S.S. (2020). Comparison of the bearing capacity of the racks of the ring section by various norms. The Eurasian Scientific Journal, [online] 1(12). Available at: https://esj. today/PDF/08S AVN 120.pdf (in Russian)
УДК 69
ГРНТИ 67.11.31
Щуцкий Виктор Лукьянович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Профессор кафедры «ЖБК» Кандидат технических наук, профессор E-mail: x609km@mail.com
Насевич Алина Сергеевна
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Старший преподаватель кафедры «ЖБК»
Ассистент E-mail: x609km@mail.com
Кургин Константин Васильевич
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Доцент кафедры «ЖБК» Кандидат технических наук, доцент E-mail: kkonst77@yandex.ru
Слабуха Светлана Сергеевна
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Студентка факультета «ПГС» (кафедра «ЖБК») E-mail: Svetass98@gmail.com
Сравнение несущей способности стоек кольцевого сечения по различным нормам
Аннотация. Профессор, кандидат технических наук В.Л. Щуцкий большое внимание уделяет научно-исследовательским и проектным работам в направлении совершенствования конструкций опор и технологиям их изготовления. В данной статье описывается очередной научный эксперимент и его результаты, для помощи проведения которого были приглашены следующие авторы статьи.
Авторами представлено научное исследование сравнения несущей способности стойки, предназначенной для опор высоковольтных линий электропередач. Проведенные нами исследования физико-механических свойств центрифугированного бетона, прочности и деформативности цилиндрических и конических опор ЛЭП позволили выявить некоторую некорректность расчетов по старым и новым нормам. Для выявления расхождений при расчете стоек кольцевого сечения по СНиП 2.03.01-84 и по СП 63.13330.2012 в данной статье нами
были выполнены численные эксперименты на примере железобетонной конструкции кольцевого сечения, а точнее на примере стоек опор ЛЭП. В качестве исследуемого образца была принята цилиндрическая опора ЛЭП по ГОСТ 22687.2.
В статье проанализировано изменение изгибной жесткости, критической силы, несущей способности, в реальном поле возможных загружений при прочих равных условиях (геометрии сечений, процента армирования, классов бетона и арматуры) для стойки опоры ЛЭП.
Исследования этих авторов были положены в основу расчета железобетонных конструкций кольцевого сечения по СНиП 2.03.01-84.
Ключевые слова: железобетонные конструкции; кольцевое сечение; прочность; элемент; эксцентриситет; стойка; несущая способность; напрягаемая арматура; ненапрягаемая арматура; эксперимент; критическая сила; процент армирования; класс бетона
Введение
Железобетонные конструкции кольцевого сечения нашли большое применение в дорожном строительстве (безнапорные водопроводные трубы), в энергетическом строительстве (опоры ЛЭП, опоры контактный сетей), промышленном строительстве (колонны промышленных зданий) и др.
Наибольший вклад в исследование свойств центрифугированного бетона, а также прочности и деформативности конструкций кольцевого сечения при изгибе и внецентренном сжатии внесли И.Н. Ахвердов [1], А.П. Кудзис [2; 3], В.М. Баташев [5; 6], С.А. Дмитриев [6], Т.М. Пецольд [7], С.Т. Андросов, Т.Ф. Нагорная [5].
Исследования этих авторов были положены в основу расчета железобетонных конструкций кольцевого сечения по СНиП 2.03.01-84.
Результаты и эксперимент
В новых нормах СП 63.13330.2012 методика расчета элементов кольцевого сечения не претерпела существенных изменений, однако в основных уравнениях по определению относительной высоты сжатой зоны ^cir и несущей способности Mult не учитывается раздельное влияние напрягаемой арматуры Asp и ненапрягаемой As (рис. 1).
ri, r2 - внешний и внутренний радиусы сечения; rsp, rs - радиусы напрягаемой и ненапрягаемой арматуры; Asp, As - площади, соответственно, напрягаемой и ненапрягаемой арматуры
Рисунок 1. Схема армирования элемента кольцевого сечения (разработал В.Л. Щуцкий) Страница 2 из 10
Проведенные нами исследования физико-механических свойств центрифугированного бетона [8], прочности и деформативности цилиндрических и конических опор ЛЭП [9; 10] позволили выявить некоторую некорректность расчетов по старым и новым нормам.
Рассмотрим формулы определения относительной высоты сжатой зоны бетона ^г элементов кольцевого сечения по СНиП 2.03.01-84 в виде (1) и по СП 63.13330.2012 в виде (2):
^ __N+(д5р+щ5р^5р) А5р+ш5^5 А5_
Где ösp(s) = 1,5 + 6Rsp(s)10 4 ;
= 1; Шг-п = 1,1 ——
s , sp я
'sp
г _ N+RsAs,tot
^cir RbAb+(Rsc+1,7Rs)ASitot (2)
Где As, tot = Asp + As
Сравнение показывает, что в формуле (1) влияние напрягаемой арматуры Asp и ненапрягаемой As учитывается дифференцированно с учетом соответствующих коэффициентов влияния 8sp(s), ш5р(5), а в формуле (2) отсутствует дифференцированный подход учета влияния напрягаемой и ненапрягаемой арматуры.
Аналогично сравним формулы для определения несущей способности по старым нормам1 в виде (3) и новым нормам2 в виде (4):
Mult — + ^scpAsp^"sp + ^sc^s^s^- ~ ' + (^spAsppspzsp + RsAsps'zs), (3)
Где (sp(s)
— ^sp(s)(! ^sp(s)^cir);
Zsp(s) = (0,2 + 1,3$ cir)rsp(s), а 0,15 < ir <0,6
В частном случае при расположении напрягаемой и ненапрягаемой арматуры с одинаковым радиусом (рис. 1) rs = rsp, плечо внутренней пары сил для напрягаемой и ненапрягаемой арматуры будет постоянным Zs = zsp. Однако параметры 9sp и ps будут существенно отличаться.
Mult — (RbAbrm +
)smn cir + (1 - 1,7 $cir)Zs, (4)
Где Zs = (0,2 + 1,3^cir)rs, при этом 0,15< ^cir < 0,6
Сравнение показывает, что первые члены уравнения (3) и (4) идентичны при равенстве rs = rsp, однако относительная высота сжатой зоны c r будет отличаться. Второй член уравнений (3) и (4), отражающий влияние арматуры на несущую способность сечения значительно разнятся.
Следует заметить, что по формулам (2) и (4) не представляется возможным проанализировать в явном виде влияние соотношения между напрягаемой арматурой Asp и ненапрягаемой As, а также влияние уровня предварительного напряжения арматуры asp.
1 СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 80 с.
2 СП 63.13330/2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНип 52-01-2003. - М., 2012. - 161 с.
Для выявления расхождений при расчете стоек кольцевого сечения по СНиП 2.03.01-841 и по СП 63.13330.20122 нами были проведены численные эксперименты на примере стоек опор ЛЭП. В качестве исследуемого образца была принята цилиндрическая опора ЛЭП по ГОСТ 22687.2, параметры которой приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры, исследуемой опоры ЛЭП
Тип опоры по ГОСТ Диаметры стойки, мм Толщина стенки, мм Класс и кол-во арматуры Уровень преднапряжения арматуры
Внешний Внутренний Напряг. A-IV (А600) Ненапряг. A-IV (А600)
СЦ20.2-1.0 800 640 80 22d14 30d14 0,8RSp,n
СоставленоВ.Л. Щуцкий, А.С. Насевич, К.В. Кургин, С.С. Слабуха
Количество арматуры соответствует наиболее напряженному сечению стойки в
защемлении.
Изгибная жесткость стойки D и критическая сила Ncrc определялись соответственно по формулам (5) и (6):
D = 0,15 Еь'\ +0,7 ESIS, (5)
<Pi(0,3+8e) s s' (5)
»г -2D
Ncr = -2D, (6)
1 0
Где (pi = 1 при кратковременном действии нагрузки;
8е относительный эксцентриситет приложения внешней нагрузки N, а H - внешний диаметр стойки.
В численном эксперименте величина продольной силы N в формулах (1) и (2) варьировалась в пределах (0,1-1,0) Ncr, а величина 8е = 0,15-0,75.
Это позволило проанализировать в численном эксперименте для исследуемой стойки изменение изгибной жесткости D, критической силы Ncrc, несущей способности Mult, в реальном поле возможных загружений при прочих равных условиях (геометрии сечений, процента армирования, классов бетона и арматуры).
В табл. 2 приведены результаты расчета ^cir по СниП 2.03.01-841, а в табл. 3 результаты расчета ^cir по СП 63.13330/20122 в зависимости от отношения N/Ncr и 5е. На рис. 2 показаны графики изменения ^cir при значениях 5е = 0,15; 0,45; 0,75 в зависимости от отношения N/Ncr.
Анализ этих данных показывает, что при увеличении 5е значения ^cir уменьшаются, но при этом полученные значения в результате расчета по СНиП и по СП сближаются. Так, например, при расчете по СНиП1 при отношении N/Ncr = 0,5 значение ^cir изменяется от 0,4260 (5е = 0,15) до 0,3879 (5е = 1). А при расчете по СП2 при тех же параметрах значение ^cir изменяется от 0,3631 (5е = 0,15) до 0,3282 (5е = 1). Эта закономерность наглядно просматривается на графиках рис. 2.
Следует отметить, что значение ^cir по СНиП1 превышают их величины по СП2, при этом графики почти параллельны и имеет место их сближение с увеличением 5е.
Таблица 2
Изменение ^cir в зависимости от отношения N/Ncr и бе (СНиП)
5е ^cir при соотношении N/Ncr
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,15 0,3548 0,3726 0,3904 0,4082 0,4260 0,4437 0,4615 0,4793 0,4971 0,5149
5е £cir при соотношении N/Ncr
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0,3 0,3519 0,3668 0,3817 0,3965 0,4114 0,4263 0,4412 0,4561 0,4709 0,4858
0,45 0,3502 0,3633 0,3764 0,3896 0,4027 0,4158 0,4290 0,4421 0,4552 0,4684
0,6 0,3490 0,3610 0,3729 0,3849 0,3969 0,4089 0,4208 0,4328 0,4448 0,4567
0,75 0,3482 0,3593 0,3705 0,3816 0,3927 0,4039 0,4150 0,4261 0,4373 0,4484
0,9 0,3476 0,3581 0,3686 0,3791 0,3896 0,4001 0,4106 0,4212 0,4317 0,4422
1 0,3472 0,3574 0,3676 0,3778 0,3879 0,3981 0,4083 0,4185 0,4287 0,4388
СоставленоВ.Л. Щуцкий, А.С. Насевич, К.В. Кургин, С.С. Слабуха
Таблица 3
Изменение ^cir в зависимости от отношения N/Ncr и бе (СП)
5е £cir при соотношении N/Ncr
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,15 0,2978 0,3141 0,3304 0,3468 0,3631 0,3795 0,3958 0,4121 0,4285 0,4448
0,3 0,2951 0,3088 0,3224 0,3361 0,3498 0,3634 0,3771 0,3908 0,4044 0,4181
0,45 0,2935 0,3056 0,3176 0,3297 0,3418 0,3538 0,3659 0,3779 0,3900 0,4021
0,6 0,2924 0,3034 0,3144 0,3254 0,3364 0,3474 0,3584 0,3694 0,3804 0,3914
0,75 0,2917 0,3019 0,3121 0,3224 0,3326 0,3428 0,3531 0,3633 0,3735 0,3837
0,9 0,2911 0,3008 0,3104 0,3201 0,3297 0,3394 0,3490 0,3587 0,3684 0,3780
1 0,2908 0,3001 0,3095 0,3188 0,3282 0,3375 0,3469 0,3562 0,3656 0,3749
Составлено В.Л. Щуцкий, А.С. Насевич, К.В. Кургин, С.С. Слабуха
0.1 0.2 0.3 O.A. 0.5 0.6 О. 7 0.8 0.9 N/Ncrc Рисунок 2. Изменение i;cir в зависимости от отношения N/Ncr и ёе (разработал В.Л. Щуцкий)
В табл. 4 приведены результаты расчета несущей способности стоек Mult по СниП 2.03.01-841, а в табл. 5 результаты расчета Mult по СП 63.13330/20122 в зависимости от отношения N/Ncr и 5е. На рис. 3 показаны графики изменения Mult при значениях 5е = 0,15; 0,45; 0,75 в зависимости от отношения N/Ncr.
Анализ этих данных показывает, что при увеличении 5е значения M уменьшаются, но при этом полученные значения в результате расчета по СНиП и по СП сближаются. Так, например, при расчете по СНиП1 при отношении N/Ncr = 0,5 значение момента изменяется от 1288,8 кН*м (5е = 0,15) до 1271,9 кН*м (5е = 1). А при расчете по СП2 при тех же параметрах значение момента изменяется от 1330,29 кН*м (5е = 0,15) до 1297,86 кН*м (5е = 1). Эта закономерность наглядно просматривается на графиках рис. 3.
Таблица 4
Изменение M в зависимости от отношения N/Ncr и бе по СНиП
5е Mult (кНм) при соотношении N/Ncr
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,15 1242,1 1259,9 1273,6 1283,3 1288,8 1290,1 1287,1 1279,8 1268,2 1252,3
0,3 1238,8 1254,5 1267,4 1277,4 1284,6 1288,8 1290,1 1288,5 1283,8 1276,1
0,45 1236,8 1251,1 1263,2 1273,1 1280,7 1286,1 1289,3 1290,1 1288,6 1284,8
0,6 1235,4 1248,7 1260,2 1269,8 1277,6 1283,5 1287,6 1289,8 1290,0 1288,3
0,75 1234,4 1247,0 1257,9 1267,3 1275,1 1281,3 1285,9 1288,8 1290,1 1289,7
0,9 1233,7 1245,6 1256,2 1265,3 1273,1 1279,4 1284,3 1287,7 1289,6 1290,1
1 1233,3 1244,9 1255,2 1264,3 1271,9 1278,3 1283,3 1287,0 1289,2 1290,1
СоставленоВ.Л. Щуцкий, А.С. Насевич, К.В. Кургин, С.С. Слабуха
Таблица 5
Изменение M в зависимости от отношения N/Ncr и бе по СП
5е M ult (кНм) при соотношении N/Ncr
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,15 1259,3 1281,2 1300,3 1316,7 1330,3 1341,0 1348,8 1353,7 1355,7 1354,8
0,3 1255,5 1274,3 1291,2 1306,3 1319,4 1330,5 1339,6 1346,7 1351,8 1354,8
0,45 1253,2 1270,1 1285,5 1299,5 1311,9 1322,9 1332,3 1340,1 1346,4 1351,1
0,6 1251,6 1267,2 1281,5 1294,7 1306,6 1317,3 1326,7 1334,7 1341,5 1347,0
0,75 1250,5 1265,1 1278,7 1291,2 1302,6 1313,0 1322,3 1330,4 1337,4 1343,3
0,9 1249,7 1263,5 1276,5 1288,5 1299,5 1309,6 1318,8 1326,9 1334,0 1340,1
1 1249,2 1262,9 1275,3 1287,0 1297,9 1307,8 1316,8 1324,9 1332,1 1338,3
Следует отметить, что несущая способность Mult по СНиП1 постоянно возрастает с увеличением N/Ncr, а по СП2 наблюдается снижение Mult при определенных значениях N/Ncr в зависимости от величины относительного эксцентриситета 5е. Так например при 5е = 0,15 Mult по СП2 начинает уменьшаться при N/Ncr > 0,6, а при 5е = 0,45 снижение начинается при N/Ncr > 0,85 (см. графики рис. 3).
Причину этой некорректности в расчетах несущей способности стоек кольцевого сечения следует объяснить тем, что в новых нормах2 отсутствует дифференцированный подход к учету влияния напрягаемой арматуры Asp и ненапрягаемой As при определении относительной величины сжатой зоны ^cir по формуле (2) и Mult по формуле (4). Как следует из графиков изменения несущей способности стоек (рис. 4) сходимость в расчетах заметно улучшается с увеличением 5е.
Это улучшение сходимости связано также с характером изменения жесткости стойки D по формуле (5) и критической силы Ncrc по формуле (6).
Рисунок 3. Изменение M в зависимости от отношения N/Ncr и де (разработал В.Л. Щуцкий)
В табл. 6 приведены результаты расчета жесткости (D) стойки по СП 63.13330/20122 в зависимости от эксцентриситета (5е). На рис. 4 показаны графики изменения D бетона, арматуры и общей жёсткости стойки при различных значениях 5е от 0,15 до 1,5.
Таблица 6
Изменение жесткости стойки в зависимости от эксцентриситета
5е 0бетона*10-7 Н*мм2 D*10-7 Н*мм2
0,15 1525,29 2332,06
0,30 1143,97 1950,74
0,45 915,17 1721,95
0,60 762,64 1569,42
0,75 653,70 1460,47
0,90 571,98 1378,76
1,00 527,98 1334,76
1,05 508,43 1315,20
1,20 457,59 1264,36
1,35 415,99 1222,76
1,50 381,32 1188,10
Составлено В.Л. Щуцкий, А.С. Насевич, К.В. Кургин, С.С. Слабуха
Анализ этих данных показывает, что при увеличении 5е значения Б бетона уменьшается, а Б арматуры остается постоянным и равным 806,77 Н*мм2. Таким образом при увеличении эксцентриситета жесткость стойки уменьшается, что наглядно показано на рис. 4.
Рисунок 4. Изменение жесткости в зависимости ёе Разработал В.Л. Щуцкий
Рассматривая формулы (5) и (6) и графики изменения жесткости стойки (рис. 4) не трудно убедиться в том, что графики изменения критической силы Ncrc функции 5е будут аналогичны графикам D = f(5c).
По этой причине сходимость значений ^cir по формулам (1) и (2) улучшается (см. рис. 2), а также улучшается сходимость Mult по формулам (5) и (6) (см. рис. 2) с увеличением 5е и N/Ncr.
Выводы
1. Значения относительной величины высоты сжатой зоны стоек кольцевого сечения ^cir, определенные по СНиП1 значительно превышает их величину по СП2.
2. Величина ^cir уменьшается с увеличением относительного эксцентриситета продольной силы 5е, при этом с увеличением 8е и N/Ncr графики ^cir = f(5e) сближаются (рис. 2).
3. Несущая способность стоек кольцевого сечения Mult по СНиП1 постоянно увеличивается с возрастанием N/Ncr, а по СП2 наблюдается снижение Mult при определенных значениях N/Ncr (см. рис. 3). При этом сходимость графиков Mult = f(N/Ncr) по разным нормам улучшается с увеличением 8е.
4. Выявленная в численном эксперименте некорректность расчетов несущей способности стоек кольцевого сечения по нормам СНиП1 и СП2 связано с тем, что в новых нормах2 отсутствует дифференцированный учет влияния напрягаемой арматуры Asp и ненапрягаемой As при определении ^cir по формуле (2), а также Mult по формуле (4).
5. В новых нормах2 для расчета стоек кольцевого сечения заложены более высокие коэффициенты надежности по сравнению с нормами1. Однако при проведении научных экспериментов и исследований с элементами кольцевого сечения по сравнению опытных результатов с теоретическими следует отдавать предпочтение нормам1.
ЛИТЕРАТУРА
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Ахвердов Н.Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. Госстройиздат, 1969.
Кудзис А.П. О расчете по прочности внецентренно сжатых элементов кольцевого сечения при малых эксцентриситетах. Труды КПИ «Исследования по железобетонным конструкциям» Вильнюс, 1969.
Кудзис А.П. Железобетонные конструкции кольцевого сечения. Вильнюс: Минтис, 1975. 224 с.
Баташев В.М., Нагорная Т.Ф. Исследования прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов кольцевого сечения // Реферативный сборник Межотраслевие вопросы строительства. 1969. Вып. 12. ЦНИИС Госстроя СССР.
Баташев В.М., Андросов, С.Т., Лебедев В.Н., Нагорная Т.Ф., Расчет прочности изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов кольцевого и круглого сечения // Бетон и железобетон. N5. С. 31-34.
Дмитриев С.А., Батащев В.М., Деформации (прогибы) железобетонных элементов кольцевого сечения и раскрытие трещин в них. Сборник трудов НИИЖБ "Особенности деформаций бетона и железобетона и использование ЭВМ для оценки их влияния на поведение конструкций". Стройиздат, Москва, 1969, С. 157-189.
Пецольд Т.М. Железобетонные центрифугированные конструкции промышленных зданий и сооружений: Дис. ... док. тех. наук: Минск, 1983. 459 с.
Щуцкий В.Л., Дедух Д.А., Гриценко М.Ю. Исследование физико-механических свойств центрифугированного бетона // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», №2 ч.2, 2015. -http://ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_81_Shucki.pdf_4abcf9232c.pdf свободный. -Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.
Щуцкий В.Л., Шилов А.В., Талипова Т.Д. Прочность конических опор линий электропередач с учетом ограничений по второй группе предельных состояний // Электронный научный журнал «Науковедение», Том 8 №2 (2016) http: // naukovedeni e.ru.
«Crack strength and deformability of power transmission line conical poles (Трещиностойкость и деформативность конических опор ЛЭП)» Авторы: A.S. Nasevich, V.L. Shchutskiy, S.A. Stelmakh, O.V. Antipov (А.С. Насевич, В.Л. Щуцкий, О.В. Антипов).
Shchutsky Victor Lukyanovich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: x609km@mail.com
Nasevich Alina Sergeevna
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: x609km@mail.com
Kurgin Konstantin Vasilievich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: kkonst77@yandex.ru
Slabukha Svetlana Sergeevna
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: Svetass98@gmail.com
Comparison of the bearing capacity of the racks of the ring section by various norms
Abstract. Our studies of the physical and mechanical properties of centrifuged concrete, strength and deformability of cylindrical and conical transmission towers allowed us to reveal some inaccuracy of calculations according to the old and new standards. To identify discrepancies in the calculation of the racks of the ring section according to SNiP 2.03.01-84 and SP 63.13330.2012, we conducted numerical experiments on the example of the racks of transmission towers. A cylindrical power line support according to GOST 22687.2 was taken as the test sample.
Keywords: reinforced concrete structures; annular section; strength; element; eccentricity; stand; load-bearing capacity; tensile reinforcement; non-tensile reinforcement; experiment; critical force; percentage of reinforcement; concrete class
