Теоретико-экспериментальные исследования несущей способности и деформативности комплексных конструкций при различных методах их загружения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

министерство народного образования

азербайджанской республики

азербайджанский технический университет

На прозах рукописи

ИСХАГИ ЖАЛЕ НАСРУЛЛА кызы

ТЕОРЕТИКО — ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И

ДЕФОРМАТИВНОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ КОНСТРУКЦИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ИХ ЗАГРУЖЕНИЯ

(01. 02. 04 — механика деформируемого твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАКУ — 1032

/ уУ * / ■■)

Работа выполнена в нау"ко-исследозательском и проектно-конструкторскоы институте строительных материалов им. С. А. Дадашева Госконцерна «Азерпромстройматериалы».

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, главный научный

сотрудник ИСАЕВ Ф. К. кандидат технических наук, доцент ФИГАРОВ А. Г. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, проф. 'ГАГИЗАДЕ А. Г. Доктор технических наук, проф. АЛИЕВ К. А. Ведущая организация — «Гиироморнефтегаз»

Защита диссертации состоится « ^_» _

1992 года в ¡й час. на заседании Специализированного совета К 054. 04. 02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Азербайджанском техническом университете (370602, г. Баку, пр. Азизбекова, 25).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Азербайджанского технического Университета.

Автореферат разослан __^ __ ¡092 г.

Ученый секрстг"1-

СпецналнзироЕаЕшого доцент

СЕйуЫ ХАРАКТЕРЛСТИКЯ РАБОТЫ

Актуальности роботы. Развитие современной техники, строительства оевреленних инженерных сооружений нуждается в тенпшх ' расчетах. Цдесь имеется рвмду, например, уоет начального несовершенства, снецентренноогь'нагрузки, реэльнке свойства г/аториа-лов конструкпий ч т.п. Для увеличения сопротивляемости на различные нагрузки V повышения несущей способности сооружений, требуется усиление конструкций, используемых в этих сооружениях, различными способам!!. Одним из таких решений является армирование или усиление железобетонными элементами.

В комплексных конструкциях железобетонные стойки служат для ьосприятия возникавших рзстягиватмх напряжений и пов.¿гения • её несущей способности при стати!-.

При ркеиектренном скатки комплексные конструкции экономичнее продольно гркировангох, так как они требуют меньшего расхода аркатуры, а при центральном смани: комплексные конструкции эффективнее, чек сетшто-аркировчннке кладки, феимуеества сооружений с когплексньп,:;: конструкциями по сравнению с каркасными сооружениям"/ заключается е то«, что несущая способность используется полностью, в связи с чем расход бетона и арматуры уменьшается.

Несмотря на большие преимущества зданий с комплексными конструкциями по сравнению с .другими гидами зданий, проектирование и строительство их из-за отсутствия необходимых данных связано с определенными трудностями.

В связи с зтим теоретико-экспериментальные исследования несущей способности и деформативности комплексных конструкций при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок является весьма важной к актуальной задачей. * ' •

- н -

Целью диссертационной работы является всестороннее исследование и обобщение несущей способности и дефсрмативности комплексных конструкций на центральное и инецентренкое сжатие и при действии горизонтальной нагрузки (без обжатия и с обжатием'' с рекомендациями по рациональному и эффективному проектированию сооружений из этих конструкций.

Научная новизна работы заключается в получении ноьых данных о несущей способности и деформативности комплексных конструкций при центральном и внечентре-нном сжатии и на горизонтальную нагрузку ( с обжатием и без обжатия).

Впервые проведены экспериментальные исследования комплексных конструкций на -горизонтальную нагрузку'и выведена корреляцио ная 'зависимость между горизонтальны*»! нагрузками и деформациями сжвтых диагоналей.

Впервые разработана методика расчета на прочность и устойчивость стержней, изготовленных из материалов, ' 1 диаграмме "напряжение-деформация" которых имеется' площадка текучести с последуем упрочнением.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивает! корректностью постановок решенных задач на основе тщательно проведенных ¡экспериментальных исследований, выполненных с использованием современных способов и измерительных приборов, сопоо-.ставланкем некоторых результатов с имеющимися, результатами других авторов.

црактическал иеннсс/гь. Результаты исследований оцобрены Госстроем Азербайджанской Республики (Акт о внедрении имеется^ и используются при расчете и проектировании зданий л сооружений из комплеснж конструкций ъ проектных ор1 анизащшх "Бак-гирогор", "Азтоспромт", "Аз1 ипросельетрок". Результаты работы »шли в республиканский нормативный цоку^ент "Указания по

проектированию и возведению стен кз известняковых камней правильной формы в Азерб.Республике" (ГСН 14-73, Госстрой Азербайджана) . •

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на X и XI сессиях НИИ Закавказье республик по строительству (1975, 1977).

Диссертация в целом доложена и обсуждена на расширенном заседании лаборатории прочности стеновых материалов и каменных конструкций НИИСм им.С.А.Дадаиева и на семинаре отдела теория упругости и пластичности Института математики и механики АН Азербайджана (1992.)

Публикация ■ По материалам выполненной диссертации опубликовано б работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, тести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. 'Диссертация содержит ли страниц, включавших в себя рисунков, таблиц, библиографию из 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, .сформулирована цель исследования и научная новизна.

В первой главе приведен краткий обзор работ, посвященных пучение комплексных конструкций на вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Во второй главе приведены характеристики используемых материалов к методика исследований.

В экспериментальных исследованиях было испытано Ш образцов Размеры образцов комплексных конструкций на центральное и вне-центренное сжатие из плоскости стен имели сечение 40x100 см при -высоте 140 см, а на горизонтальную нагрузку, действующ» в плоек стен - сечение 40x140 см при высоте 200 см. По конструкции образ цы разделяются на два вида, В образцах первого вида железобетонная стойка размещена в центре кладки.

Для упрощения схемы испытания образцов и сгздания на испытательном стенде' реальных условий работы простенков нами был разработан силовой стенд.

Б третьей глава описаны прочностные и дефорыативные свойства комплексной конструкции (I и П вида) при центральном сжатии .

Наблюдения аа поведением и характером разрушения образцов комплексных конструкций I вида показали, что вначале трещины появляются в кладке и далее во многих образцах ио контакту с . • целезобетонншш стойками, а затем в железобетонных стойках.

Лри сравнении результатов испытания обычной кладки и комплексной кспструпцип с процентом армирования - 0,1 i ьидно, что uüia«ji<se.'aHoe усиленна кладки увеличивает её ноауиую способность на 347р. Сравнение же ьрочности комплексных

образцов с процентами армирования и^к - 0,11; 0,18 н 0,37 показывает, что дальнейшее увеличение процента армирования незначительно (всего на 10 и 4$) влияет на увеличение их несущей способности.

На основе гроьеденных якспериленгов построен график зависимости <5 (рис.1, 2"1.

Эксперименты показывали, что предельная деформация железобетонной стойки при калом проценте армирования незначительно отличается от предельной деформации-кладки, а при большом проценте аримревания предельные деформации практически спвпг.цают, кроме того, предельные деформации комплексных образцов бсльшв, чем предельные деформации «елезобетонных стоек (рис.3.41. Эти обстоятельства позволяют считать, что несущая способность железобетонного сердечника в комплексной конструкции используется полностью.

На основе сксперимснгальнкх данных показано, что формула, приведенная э руководстве по проектированию каменных и армо-какенннх конструкций, для расчета комплексных конструкций на центральное сжатие для после,дуемых кладок, приобретает следующий вид:

+ <1 )

где /V - предельная сила, ,¡\а , /¿¿р - расчетные сопротивления соответственно кладкк, арматуры и бетона; (- , , /у- - площадь сечения кладки, арматуры и бетона; - коэффициент, учитывающий влияние длительности нагрузки.

В большинстве образцов второго вида при разрушении в середине торцовой грани пояплллиеь горизонтальные трещины.

Результаты игштаниГ; комплексных образцов а проценте»

- Ь -

армирования^^ = 0,18 показали, что прочность образцов второго вида (7,47 ¿и1а) составляет 83% от прочности образцов первого вида (8,95 Ша).

В четвертой главе приводите^ результаты исследований прочности и дефориатиЕнссти комплексных конструкций при вне-центренном сжатии.

При внецентренном сжатии с эксцентриситетом = 1/оА разрушение образцов I вида началось со сжатой стороны (смятие кладки), и при достижении сжатой арматурой предела текучести наступало исчерпание несущей способности их. При разрушении в . растянутой зона отмечались горизонтальные трещины по растворным швам.. - - •

Яри действии нагрузки-с эксцентриситетом = 1/3 ¿1 .•образцах I вица первые трещины появляются в растянутой зоне, по горизонтальным ивам кладки, а затем и в железобетонной стойке, при достижении в растянутой арматуре .предела текучести раскрытие трепан резко увеличивается, затем с возрастанием нагрузки наступает полное разрушение сжатой зоны.

Сравнение результатов испытаний комплексных.образцов с процентами армирования ~ 0.09 и 0,19 при внецентренном сжатии (= 1/6 и = ) показывает, что увеличение процента армирования незначительно влияет на их прочность.

Анализ экспериментальных данных показывает, что усиление кладки при внецентренном сжатии более ¿эффективно, чем ■при центральном сжатии.

С учетом полного использования несущей способности сос-' гацгйяюыих комплексных конструкций Действующие фориулн'для ' расчета несущей о.пссобногтя их при 1внец'ентренноу гжатии щшоб-

ретают следующий вид:

при малых эксцентриситетах ( $ ? 0,о

£ %С (М** ) (21

при больших эксцентриситетах ( £^<0,8 1

Для повышения несущей способности образцов ¡1 вица при налом эксцентриситете ( = 1/6 1 необходимо, как к в образцах, испытанных на центральное сжатие, увеличить количество горизонтальной арматуры, которая непосредственно связывала бы ме^ду собой рабочие аркатуры железобетонных стоек.

Из сравнения разрушающих нагрузок образцов I к П вида = 0, СУ" , испытанных с эксцентриситетом = 1/3 Ь ей дно, что они практически равны.

В пятой главе приводятся резу;ьгаты экспериментальных исследований комплексных конструкций на горизонтальную нагрузку.

Анализ последствий землетрясений показывает, что при землетрясении е каменных зданиях простенки и глухие стены в пределах каждого этавд подвергаются ксосимметричному нагрутг.ению. В предельном состоянии в широких простенках зданий появляются диагональное трецини. В узких простенках перед образованием циагональ-ннх трещин в опорных сечениях с сейсмспоясами сверху и сциЗу возникают кссосимметрнчные горизонтальные трепаны. Для сохранности зданий как диагональные, так и горизонтальные трещины являются опасными.

С уменьгением величины вертикальнчх нагрузок сопротивление

простенков на.л оризонтальную нагрузку уменьшается, штс».<у

проверка несущей способности простенков верхних этгжей является важным условием. Довести такие простенки до разрушения по диагональному сечения не представляется возможным из-за раскрытия горизонтальных тревога в опорных печениях, т.к. после р?ск-рытия этих трещин они теряют отпор в своей плос-Кисти, особенно узкие простенки, в которых тенденция к опрокидыванию в плоскости стен болыге. Доатоыу их нацо усилить продольной арматурой. При действии горизонтальней нагрузки на образцы, арматура своим .натяжением заменяет функцию вертикальной нагрузки, приложенной сверху образца и препятствующей опрокидывании простенков в своей плоскости. В образцах Л вида, в стойке которых были уста _новлены ? едингаы арматуры диаметром 18 ш, при неинаиительной горизонтальной нагрузке в опорных сечениях простенка го птороны растянутой диагонали- появляются горизонтальные трещины. С увеличением нагрузки эти трещины углубляются и раон;\ -аотся. Лри нагрузке 162,5 кн образцы получают диегональные трещшк.

Образцы, идентичные образцам предццущеи серии, был» испытаны на горизонтальную нагрузку также сЛ5жатием вертикальной нагрузкой (505 кн). Обжатие задерживает появление горизонтальных и. диагональных трещин, а также повышает несущую способность образцов на 60% по сравнении с образцами, испытанными без обжатия.

Е образцах ¡1 вида, имеющих в кавдой стойке но Р. един'.ш" грматуры диаыегрсм 12 мм и испытанных обжатиеь- нертикалмюи , нагрузкой, щ'ивеценная вертикальная нагрузка иО от натяжений арматуры и вертикальная нагрузка, непосредственно приложенная сверху образца, выше, чем приведенная вертикнлт.чя нагрузка (3-1? кн\ роэнышилцан от натяче.сш! йр/лтуры в сбраачяз il нипа, имеспмх по нее ewwts.j чрл'атуры г,иа>:<ггр{*. U r.iv в ки«п<

стойке ч испытанных без вертикального сбкатия.

Несмотря на это, в образцах предыдущей серии диагональные трешины не возникли. Однако характер измеряем« деформаций простенков свидетельствует об их перекосе. Разрушения происходили из-за отрыва аркатуры снизу или сверху о опорных сечениях со стороны растянутой зоны. Это ыс:шс • объяснить теп, что в образцах вертикальная нагрузка, возникающая от натяжения аркатуры, дейсгвуег по грани сечения простенка, увеличивая плечо внутренней пары сил, а обжатие образцов вертикальной нагрузкой происходит в центре простенка.

В образцах, усиленных в центре, раскрытие ширины горизонтальных ч'еов между кладкой и сейсмопоясами значительно выше, ''ем в образцах усиленных по торцам.

Зависимость не*ду деформациями сгатых диагоналей простенков и горизонтальными нагрузками с достаточной точностью может определяться по предложенным нами корреляционным уравнениям в виде полинома (которые подсчитаны по методу Л.Я.Чебккева): а1 для образцов, испытанных на горизонтальную нагрузку без обтсэтия вертикальной нагрузкой:

С основными ошибками (Г^]^ = 0,8Ь4, коэффициент корреляции Ъ = 0,9с9;

б1 для образцов, испытанных на■горизонтальную нагрузку с обжатием вертикальной нагрузкой:

- <, 795? + О;/О0,0008^<} ( 5 >

(я)

С основными ошибками (¡^ ( = 0,297 ; коэффициент корреляции -2 = 0,997:'

Шестая глава диссертационной работы состоит из трех параграфов и посвящена разработке методики расчета на прочность и устойчивость однослойных и двухслойных стержней из кусочно-упрочняющегося материала.

В первом параграфе ислепуетсн устойчивость иентраяьноскато стержня. Опиты показали, что для некоторых материалов на диаграмме "напряжения-дефсрмация"- ( £ ) имеется плошадка текучести с последующим упрочнением (ри;.Ь). В этом случае при наг. ружении стержня продольной нагрузкой б до.-фитичосксм состоянии поперечное сечение разбивается па сле.дующие области: область первичной упругости, область идеальной пластичности и область' „ вторичйой упругости.

После-определения.связи между вариациями напряжений и деформаций вычисляются вариации усилий и момента. Уравнения устойчивости получено в виде:

При.шарнирном закреплении концов стержня (т.е. - 0 при

где К2 ~ приведенная жесткость стержня.

критической нагрузки получим:

Для стержня прямоугольного поперечного сечения жесткость

Для конкретного случая произведены численные расчеты и построены графики зависимости "Критическое напряжение - гибкое т.." стержня (рис. 6). Здесь пунктирной линией отмечено решение чисто упругой задачи.

Во втором парагра(£е исследуется устойчивость двухслойных стержней при сжатии. Предполагается, что один слой работает •• пределах упругости {-^ £ О ), а другой слой (Обе, } работает за пределом упругости. Цусть пластический слой изготовлен из кусочноупрочняюшегосн материала. Б момент потери устойчивости в пластическом слое идет перераспределение напряжений и появляется зона упругой разгрузки и зона активного нагружен ия. Определяется граница зон догрузки и разгрузки. Аналогично к первому параграфу получено уравнение устойчивости и найдена формула для определения критической нагрузки в виде (V), где К1 определяется по формуле: •

В третьем параграфе исследуется устойчивость двухслойною стержня при оксцентричнсм сжатии. Как и в параграфе 2 предполагается, что один слой работает в пределах упругости, а цругой с лай* работает :за пределом упругости, причем, пластический слои изготовлен из кусочно упрочняющегося материала. -Определено докритичегкоэ гоеточниз, найцени границы у г руг иг А гипс.?« че^к« зоч. 'Получены основные соотношения воэму кепи его Ьоггояния.

¿х* ' ' <им

При шарнирном закреплении конпов стержня определен прогиб и найдена формула для стрелы прогиба и критического напряжения.

осношуе вывода и рекомендащи

Проведенные исследования по несущей способности и деформа-тивности комплекс конструкций при центральном и внецентренно сжатии (из плоскости стен) и при действии горизонтальной нагрузки в плоскости стен, а также ниблюдения за характером разрушения образцов, позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. При центральном и внеценгренном сжатии и при действии, горизонтальной негрузки в плоскости стен комплексных конструкт подтвердилась возможность учета совместной работы кладки и железобетона вплоть до их разрушения. При проектировании комплексных конструкций также подтвердилась необходимость в пре.пус мотрении жестких железобетонны5^б55спечивеющих равномерное эагружение всего печения.

2. Как установлено опытами, продольные деформации кла'дки из известняка и железобетонных стоек близки, поэтому их несущ способности в комплексных конструкциях при центральном и вне-центренном сжатии используются полностью.

Расчет прочности комплексных конструкций из известняково кямня при центральном и внецентренном сжатии рекомендуется производить по действуш^м формулам "Руководство по проектирс ния каменных и прмокаменных конструкций" с учетом коэффициенэ

- Ib -

_ = I ; А км = I, полученных автором при обработке о;г..

ж ^

данных.

3. Включение в кладку железобетонного усиления с мтш процентом армирования при центральном и внецентревном пт.-.тии способствует значительному увеличению ей несущей способности, что согласуется с литературными данными.

!1ри нейтральном сжатии и проценте армирования^^ =0,11 (к площади комплексного сечения-' несущая способность увеличивается на 34%. При внецентрениом сжатии и проценте врмироввния

- 0,06% несущая способность при = 1/6 и 1/Я //

увеличивается "оотвестьенно на 40 и ЪА%.

Дальнейшее увеличение процента армирования не оказывает существенного влияния на г.овьтеиие несущей способности комп-лееннх конструкций. Поптому увеличение процента армирования при центральном сжатии более чем на = 0,Ь нецелесообраз-

l/ CL

но. При внецентрениом сжатия и якснентриситете =1/0/7 , в растянутой зоне рабочую арматуру можно принять конструктивно, а в сжатой зоне увеличение процента армирования более, чем на --■ 0,2Ь, нецелесообразно. При эксцентриситете же (5^, •» = 1/3/4 в растянутой зоне увеличение процента армирования более чем на = 0,2Ь также нецелесообразно.

4. При перекосе разрушение простенков по диагональному сечению ^'расслоением кладки наступает в результата среза вертикальных и горизонтальных швов.

На основании анализа опытов,'выполненных автором диссертации, распет прочности простенков на горизонтальную нагрузку при появлении пичгонильмнх третин предлагается производить г.о формуле» Г .Г.Терехова.

•'>. fv-ли прострцук \<ч«яп арника ян. за *р«ирле*им<» с и«-

дежно заделанными в сейсмопоясах концами, то они заставляют простенки работать на перекос. Опрокидывание простенке наступает только после отрыьа арматуры.

Учитывая кососо-мметричное раскрытие горизонтальных трещин, целесообразно железобетонные стойки располагать по торцам простенков.

6. Подтвердилось, что вертикальное обжатие увеличивает несущую способность простенков при сейсмических нагрузках.

7. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований позволила подучить в работе корреляционную зависимость между горизонтальными нагрузками и деформациями сжптьос диагоналей простенков, которая достаточно совпадает с экспериментальными денными.

8. Разработана методика расчета на прочность и устойчивость однослойных и двухслойных стержней при центральном и внецентрен-ном сжатии, изготовленных иэ различных материалов ( на диаграмме "напряжения-деформация" имеется площадка текучести с последующи упрочнением).

9. Анализ полученных решений показывает, что учет площедки текучести и вторичной упругости существенно влияет на значение критических параметров.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. А.Г.Фигаров, Ж.Н.Исхаги и др. О факторах, повышающих несущую способность кладки иэ известнякового камня. Материалы IX Объединенной сессии научно-исследовательских институтов Закавказских республик по строительству, 1 том, Ереван, 1975.

2. А.Г.Фигаров, Ж.Н.Исхаги. Исследование прочностных и деформативных свойств кладки комплексной конструкции из иярргт-

някового камня при центральном сяатии. Сейсмостойкое строительство, реферативная информация, серил Х1У, выпуск 3, М.» 1977.

3. А.Г.Фигаров, Ж.Н.Исхаги. Напряженно-деформотишов состояние простенков каменных зданий от вертикальной нлгруа

(X Юбилейная объединенная сессия научно-исследовательски тет<л-тутов Закавказских ресцублик по строительству, посвященная СО--летию Великой Октябрьской социалистической революции, Беку, 1977.

4. Ж.Н.Исхаги, А.Й.Джафаров. Прочностные и деформатигаы-„' характеристики комплексной конструкции из известнякового

при внецентренном сжатии. Сейсмостойкое строительство, реферативная информация, серия Х1У, выпуск 12, Ы. ,1978.

5. Ж.Н.Исхаги. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость неупругой колонны- Деп.. в АэНШНТИ, 1992т,

6. Ж.Н.Исхаги." Эксцентричное сжатие неупругой колонки. Деп. в АвНИИНТИ, 1992., <ЛП€,1Сс

дср<з/"ч&ции абразцаб гулэтлда»" ё&рорпоцоа зкысязбстона сжЛ«/

игналруялЛ

7гТч *ё <3 75 25 55 гс

Рис. / . Относительнее продольные деформации кладкя. г.елезобетоыа л комплексных конструкций X серки ( I вид) ■

Ргс 2 . .Кривые деЗтожвдак кладкл, кел.езосвтоы» к комплексной конструкции а - огхелько работающий железобетон б _ ^«еэобетск Е гсег-текско».;^сеченго:

— К,'

Й К;П<1

1 1

/ г

/

/ к ■ "1 1 ь

/ к г 1

/ 1

/ (

V 4 7 / э г* * / ' /

3 Крявке -деформации .келезобетопа л г_*адкл из яэпост1!якового камня

'.,2,3 - жглегс?е?оя прл пгслелте арютога-главно:.*. 0,55;'1.07 п 2,58* гсотьёгстг-гшо; 4 - к.тллка

Рис.'^ . Кривые деформации кладки, железобетона и комплексной конструкции

I - железббетоп прл ка = 0,59% . 2 - казенная кладка ' 3 - кладка коилзексной конструкции пря - 0,11%

s

Рис.*