Курск, Курская область, Россия
сотрудник с 01.01.2014 по 01.01.2021
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 624.92.012.3/.4 Массивные сооружения из бетона, железобетона, предварительно напряженного железобетона, легкого железобетона, сборных бетонных блоков-массивов
В доступных для исследования и анализа источниках, в том числе и действующих нормативных документах, крайне сжато рассматриваются методики расчета усиленных внешних армированием элементов при работе на кручение. В данной статье рассмотрен ряд существующих апробированных методик расчета железобетонных изгибаемых элементов с внешним композитным армированием, в том числе при работе с кручением. Описана необходимость введения в существующие расчетные зависимости предпосылок обоснования поведения железобетонных изгибаемых элементов, в том числе с внешним композитным армированием, при работе в сложном напряженно-деформированным состоянии. Рассмотрены случаи возникновения дополнительных крутящих усилий в условиях классических вариантов нагрузок и воздействий на элемент. Предположено описание работы железобетонных элементов с внешним армированием композитными материалами при изгибе с кручением. Приведены основные положения работы железобетонных конструкций при изгибе с кручением. Приведены основные предельные состояния, а также сделаны предположения о возможном наличии дополнительных предельных состояний железобетонных элементов с внешним армированием композитными материалами. Предложен вариант условия пропорциональности продольных относительных деформаций для железобетонных элементов с внешним армированием композитными материалами при изгибе с кручением
железобетонные конструкции с внешним композитным армированием, сопротивление кручению с изгибом, расчет на прочность, сложное напряженно–деформированное состояние, пространственная трещина
Введение. В современной практике строительства все чаще встречаются сложные очертания строительных конструкций, требующие особого подхода к проектированию и конструированию. Для достижения всех требований безопасной эксплуатации зданий и сооружений, при экономической обоснованности и эффективности, необходимо применение самых современных методик проектирования.
Для реализации различных конструктивных особенностей сложных очертаний, целесообразно применение железобетона, а внешнее композитное армирование, получающее в последнее время широкую популярность, будет способствовать увеличению несущей способности строительного элемента, при экономии бетона и арматурной стали.
При работе конструкций на простой изгиб, может произойти ряд ситуаций: появление случайных эксцентриситетов приложения нагрузки, асимметрия несущего сечения, неоднородность конструкции, неравномерная осадка здания или сооружения. Данные ситуации заставляют конструкции дополнительно воспринимать усилие кручения, вызывая в изгибаемых элементах сложно-деформированное состояние – кручение с изгибом.
Кроме случайных факторов, строительные конструкции первоначально могут работать на кручение с изгибом, например, балки с боковыми консолями, краевые балки, наклонные арки и др. При эксплуатации зданий и сооружений, в случае недооцененности влияния кручения, на несущую способность сечения при изгибе, может произойти обрушение строительных конструкций.
Материалы и методы. Работа железобетонных конструкций при совместном воздействии изгибающего момента и кручении является достаточно полно изученной отраслью современной строительной науки. За последние несколько лет ряд проведенных исследований [1-5] способствовали актуализации накопленных знаний по данному вопросу и появлению пособия по расчету железобетонных элементов, работающих на кручение с изгибом, выпущенному Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации в 2020 году.
В соответствии с методикой расчета, изложенной в пособии, прочность железобетонных элементов прямоугольного поперечного сечения при действии крутящих моментов производится на основании модели пространственных расчетных сечений.
Предполагается, что при воздействии изгибающих и крутящих моментов в железобетонном элементе возникает спиральная трещина, располагающаяся в пределах трех граней элемента, а замыкающей четвертой гранью является линия между сжатой и растянутой зонами, которые в совокупности образуют пространственное сечение. В таком варианте могт быть три схемы расположения сжатой зоны (рисунок 1 б-г): у верхней грани элемента, сжатой от изгиба (схема I), у боковой грани элемента, параллельной плоскости изгиба (схема II), у нижней грани элемента, растянутой от изгиба (схема III).
Рис. 1. Усилия в пространственном сечении (а) и схемы (I, II, III) расположения сжатой зоны (б – г) в железобетонном элементе при изгибе с кручением
В качестве внешних усилий будут оказывать влияние: для схемы I – крутящий (Т) и изгибающий (М) моменты; для схемы II — крутящий момент (Т) и дополнительный изгибающий момент (M), возникающий от действия поперечной силы (Q), которая действует по оси сечения расположенной в центре тяжести сжатой зоны, принимается приближенно Q*h/2; для схемы III — крутящий момент (Т) и изгибающий момент (М), действующий с обратным знаком. Для всех схем, крутящий момент (Т) рассчитывается от действия поперечной нагрузки относительно оси сечения, расположенной в центре тяжести.
При расчете усилий в статически неопределимых элементах, дополнительно работающих с кручением, крутильный момент инерции сечения этого элемента определяется как для упругого тела, при использовании справочных данных, методов сопротивления материалов или теории упругости. Для сечений, которые имеют дефекты в виде трещин, учитывается только неповрежденная часть бетона и арматура.
Для вычисления расчетного момента внешних сил учитываются нагрузки, расположенные с одной стороны от расчетного пространственного сечения. При учете нагрузок, действующих по длине элемента в зоне пространственного сечения, используется следующее правило: расчетный крутящий момент (Т), изгибающий момент (М) и поперечная сила (Q) вычисляются в поперечном сечении, проходящем через центр тяжести сжатой зоны пространственного сечения.
По причине различного расположения сжатой зоны бетона при расчете по различным схемам разрушения, в общем случае обозначения дополняются индексом (і) (i = 1,2,3, см. рисунок 1) и для конкретных схем разрушения им присваиваются соответствующие номера. В расчет принимаются нормальные и касательные напряжения в бетоне сжатой зоны.
Многочисленными экспериментами [1-5] установлено, что угол наклона спиральной трещины к продольной оси рассматриваемого элемента всегда превышает 45°, по этой причине длина проекции пространственного сечения (c) при проверке любой схемы разрушения, для первого приближения принимается равной 2*h+b, после чего уточняется последовательными приближениями. Рекомендуется производить несколько расчетов, при разных положениях пространственного сечения и выбрать расчет, предполагающий наименьшую предельно допустимую нагрузку, для рассчитываемого сечения. Более того, в ряде случаев, место расположения расчетного сечения становится очевидным.
В качестве моментов внутренних сил учитываются моменты от усилий в продольной и поперечной арматуре.
В расчетные условия принимается продольная и поперечная арматура со своими расчетными сопротивлениями. Однако, при избытке продольной арматуры в сравнении с поперечной, напряжения в продольной арматуре могут не достигать предела текучести, в то время как бетон сжатой зоны будет подвержен разрушению в пространственном сечении, а напряжения в поперечной арматуре будут на уровне предела текучести. Противоположная ситуация будет происходить при большом количестве поперечной арматуры в сравнении с продольной, что бывает значительно реже. Таким образом, в общем случае напряжения в продольной и поперечной арматуре могут не достигать предела текучести при разрушении бетона сжатой зоны в пространственном сечении. По этой причине в качестве критерия разрушения принимается достижение интенсивностью деформаций укорочения бетона, над пространственной трещиной своих предельных значений.
Основная часть. Совместное действие железобетонного элемента с внешним композитным армированием при изгибе детально разобрано в [6-20].
Автор отмечает, что железобетонный элемент с внешним армированием композитными материалами представляет собой конструкцию, учитывающую работу трех отличных друг от друга материалов: бетон, стальная внутренняя арматура и композитное внешнее армирование. Этим фактором определяется и ряд специфических вопросов расчета таких конструкций, а именно: обеспечение прочности контактной зоны; учёт ползучести и усадки бетона.
Выделяются следующие предельные состояния изгибаемых конструкций, усиленных композитными материалами:
– разрыв внешней арматуры при достижении стальной арматуры предела текучести без разрушения сжатой зоны бетона;
– разрушение бетона сжатой зоны при уровне напряжений во внешней арматуре ниже расчетных (случай переармированных элементов);
– разрушение бетона сжатой зоны при совместном достижении стальной арматуры предела текучести и пластических деформаций в зоне контакта композитное внешнее армирование – бетон;
– отслоение элементов из композитных материалов.
В общем случае, введение в расчет на изгиб с кручением железобетонного элемента композитного армирования повлечет за собой увеличение компонентов внутренних сил. В стадии упругой работы сопротивление внешнего композитного армирования будет разделятся на две составляющие: продольное, которое зависит от площади сечения композитного армирования и его расчетного сопротивления; поперечное, которое является следствием возникновения пространственного сечения, зависит от площади сечения композитного армирования, его расчетного сопротивления и угла наклона спиральной трещины.
Таким образом, можно предположить, что при расчете на прочность железобетонного элемента с внешним композитным армированием на изгиб с кручением, необходимо в расчетные уравнения добавить слагаемые, которые будут характеризовать положение, площадь сечения и прочность внешнего композитного армирования.
На рисунке 2 представлены предполагаемые усилия в пространственном сечении в железобетонном элементе с внешним композитным армированием при изгибе с кручением, для схемы I расположения сжатой зоны. При данной схеме сжатая зона расположена в верхней части сечения, композитное армирование под растяжением, таким образом оно будет оказывать влияние на сумму изгибающих моментов в нормальном и пространственном сечении, а также на сумму усилий вдоль оси X в нормальном и пространственном сечении. В работе будет участвовать вся площадь сечения композитного армирования, для нормального сечения, а для пространственного сечения необходимо учитывать всю площадь среза, которая проходит под углом α к боковой грани элемента.
Рис. 2. Предполагаемые усилия в пространственном сечении в железобетонном элементе с внешним композитным армированием при изгибе с кручением, для схемы I расположения сжатой зоны.
На рисунке 3 представлены предполагаемые усилия в пространственном сечении в железобетонном элементе с внешним композитным армированием при изгибе с кручением, для схемы II расположения сжатой зоны. При данной схеме сжатая зона расположена в боковой части сечения, композитное армирование частично под растяжением, таким образом оно будет оказывать влияние на сумму изгибающих моментов в нормальном и пространственном сечении, а также на сумму усилий вдоль оси X в нормальном и пространственном сечении. В работе будет участвовать площадь растянутой части сечения композитного армирования, для нормального сечения, для пространственного сечения будет учитываться площадь среза растянутой части сечения, которая проходит под углом α к боковой грани элемента.
Рис. 3. Предполагаемые усилия в пространственном сечении в железобетонном элементе с внешним композитным армированием при изгибе с кручением, для схемы II расположения сжатой зоны.
На рисунке 4 представлены предполагаемые усилия в пространственном сечении в железобетонном элементе с внешним композитным армированием при изгибе с кручением, для схемы III расположения сжатой зоны. При данной схеме сжатая зона расположена в нижней части сечения, композитное армирование полностью под сжатием, таким образом оно не будет оказывать влияние на работу такого элемента.
Рис. 4. Предполагаемые усилия в пространственном сечении в железобетонном элементе с внешним композитным армированием при изгибе с кручением, для схемы III расположения сжатой зоны.
Также, для возможности совместной работы всех компонентов, при условии достижения стадии разрушения всех материалов одновременно, необходимо соблюсти условие пропорциональности продольных деформаций. Без учета внешнего композитного армирования, оно будет иметь вид:
А при добавлении внешнего композитного армирования, примет следующий:
Однако, при введении в расчет композитного армирования, соблюдения условия пропорциональности продольных деформаций недостаточно. Композитное армирование может выйти из расчета при отслоении его элементов или потере прочности зоны контакта композитное внешнее армирование – бетон. Также, при увеличении деформации нет точного понимания о характере работы композитного внешнего армирования, при появлении пространственной трещины.
Выводы. При всей проработанности тем работы железобетонных конструкций при действии изгиба с кручением и внешнего композитного армирования, нет общего понимания о поведении железобетонных элементов с внешним армированием композитными материалами при действии изгиба с кручением.
Композитное армирование несомненно увеличит несущую способность конструкции в целом для упругой стадии работы элемента. Но нет точного понимания о поведении таких конструкций в упругопластической стадии работы, что требует дальнейших научных исследований.
1. Демьянов А.И., Сальников А.С., Колчунов В.И. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций при кручении с изгибом и анализ их результатов // Строительство и реконструкция. 2017. № 4(72). С. 17-26.
2. Колчунов В.И., Сальников А.С. Результаты экспериментальных исследований трещинообразования железобетонных конструкций при кручении с изгибом // Строительство и реконструкция. 2016. № 6(68). С. 22-28.
3. Демьянов А.И., Покусаев А.А., Колчунов В.И. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций при кручении с изгибом // Строительство и реконструкция. 2017. № 5(73). С. 5-14.
4. Демьянов А.И., Наумов Н.В., Колчунов В.И. Некоторые результаты экспериментальных исследований составных железобетонных конструкций при кручении с изгибом // Строительство и реконструкция. 2018. № 5(79). С. 13-23.
5. Сальников А.С., Колчунов В.И., Яковенко И.А. Расчетная модель образования пространственных трещин первого вида в железобетонных конструкциях при кручении с изгибом // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. С. 35-40.
6. Меркулов С.И., Есипов С.М. Экспериментальные исследования сцепления внешней композитной неметаллической арматуры с бетоном // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. 2017. № 1. С. 93-97.
7. Римшин В.И., Меркулов С.И., Есипов С.М. Бетонные конструкции, усиленные композитным материалом // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2018. № 2(35). С. 93-100. DOI:https://doi.org/10.5281/zenodo.1286034
8. Есипов С.М., Есипова Д.В. Критерии совместности работы композитного внешнего армирования и железобетонной конструкции при силовых воздействиях // Международный студенческий строительный форум - 2018 (к 165-летию со дня рождения В.Г. Шухова) : Сборник докладов. В 2-х томах, Белгород, 26 ноября 2018 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2018. С. 64-69.
9. Меркулов С.И., Есипов С.М. Бетонные конструкции с неметаллической композитной арматурой // Безопасность строительного фонда России проблемы и решения: материалы Международных академических чтений, Курск, 15 ноября 2019 года. Курск: Курский государственный университет, 2019. С. 218-226.
10. Кузнецова М.С., Попова М.В. Особенности расчета железобетонных изгибаемых элементов, усиленных композитными материалами // Дни науки студентов ИАСЭ - 2021 : Материалы научно-практической конференции, Владимир, 22 марта - 09 2021 года. Владимир: Владимирский государственный университет, 2021. С. 178-181.
11. Гаврилова Е.О. Усиление изгибаемых элементов композиционными материалами // Академическая публицистика. 2021. № 8-2. С. 111-119.
12. Волик А.Р., Новицкий Я.Я. Экспериментальные исследования железобетонных балок с внешним армированием растянутой грани композитными тканями // Вестник Гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника. 2022. Т. 12. № 1. С. 117-125.
13. Старовойтова И.А., Шакиров А.Р., Зыкова Е.С., Семёнов А.Н., Сулейманов А.М. Исследование физико-механических характеристик модифицированных клеевых связующих для систем внешнего армирования строительных конструкций // Строительные материалы. 2021. № 1-2. С. 98-104. DOIhttps://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-788-1-2-98-104
14. Карась М.С., Кушель Р.О. Экспериментальные исследования несущей способности железобетонных балок, усиленных композитными тканями в середине пролёта // Традиции, современные проблемы и перспективы развития строительства : Сборник научных статей, Гродно, 13-14 мая 2021 года. Гродно: Гродненский государственный университет имени Янки Купалы, 2021. С. 122-125.
15. Масловская В.Е. Исследование и выбор методов и технологий армирования монолитных бетонных и многослойных конструкций с применением композитных материалов и композитной арматуры // Наука и молодежь : Материалы XVIII всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Барнаул, 19-23 апреля 2021 года. Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 2021. С. 137-138.
16. Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Зюзина О.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, усиленных предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2021. Т. 17. № 3. С. 288-298. DOI:https://doi.org/10.22363/1815-5235-2021-17-3-288-298
17. Курнавина С.О., Антонов М.Д. Поле направлений трещин в железобетонных изгибаемых элементах, усиленных композитными материалами // Строительство и реконструкция. 2020. № 1(87). С. 3-13. DOIhttps://doi.org/10.33979/2073-7416-2020-87-1-3-13
18. Балдин Д.Ю., Краев А.Н., Жайсамбаев Е.А. Сравнительный анализ способов усиления железобетонных тавровых балок // Транспортные сооружения. 2020. Т. 7. № 2. С. 3-20. DOIhttps://doi.org/10.15862/05SATS220
19. Адамович Д.Н. Нормирование прочностных характеристик композитной арматуры при проектировании и расчёте бетонных и железобетонных конструкций // Традиции, современные проблемы и перспективы развития строительства : Сборник научных статей, Гродно, 21-22 мая 2020 года. Гродно: Гродненский государственный университет имени Янки Купалы, 2020. С. 30-34.
20. Умаров А.Г., Меретуков З.А., Умаров Р.Г. К вопросу внедрения современных материалов и технологий в строительстве // Инженерный вестник Дона. 2021. № 2(74). С. 285-293.
