Особенности расчета трубобетонных конструкций

Далее излагаются результаты теоретической оценки величины разрушающей нагрузки для коротких трубобетонных элементов (ТБЭ) при кратковременном действии осевой сжимающей нагрузки.

Следует сразу же заметить, что с чисто практической стороны величина разрушающей нагрузки для таких элементов не всегда представляет особый интерес, так как продольные деформации конструкций с относительно толстостенными стальными оболочками перед разрушением слишком велики (более 8…15%), что совершенно недопустимо для вертикальных несущих конструкций. Однако лишь на основе методики определения разрушающей нагрузки можно установить с необходимой обеспеченностью допустимые (в смысле деформаций) значения нагрузок, что очень важно при проектировании высотных зданий.

Теоретический путь решения этой задачи был предложен А. А. Гвоздевым [1]. Трубобетонный элемент рассматривался в предельном состоянии, когда оба компонента системы (бетонное ядро и стальная оболочка) исчерпали свои прочностные свойства, т. е. механизм разрушения задавался, и для решения задачи достаточно только уравнений равновесия. Такой подход предполагает, что величина разрушающей нагрузки прямым образом не связана с условиями деформаций и зависит лишь от предельных условий для бетона и стали. Предложенная А. А. Гвоздевым зависимость в современных обозначениях может быть записана так.

N = AbRb + 2AsRs, (1).

где Rb и Rs — расчетные сопротивления осевому сжатию бетона и стали; Аb и As — площади поперечных сечений бетонного ядра и стальной оболочки.

Сопоставление экспериментальных данных различных авторов с теоретическими величинами разрушающих нагрузок, вычисленными по (1), показывает, что в ряде случаев имеются существенные расхождения.

Отмеченные обстоятельства свидетельствуют, что формула (1) нуждается в корректировке, и попытка в этом направлении излагается в данной статье. Приняв за основу те же теоретические постулаты, и используя современные знания о работе бетона в условиях объемного сжатия, прежде всего получили новое выражение для определения разрушающей нагрузки центрально сжатого ТБЭ.

Значение коэффициента k (коэффициент бокового давления (КБД)) сейчас принято назначать переменным в интервале 3…6 в зависимости от уровня обжатия и прочности бетона. Следует заметить, что перед разрушением ТБЭ величина бокового давления может достигать 10…20 МПа, поэтому даже незначительные неточности в определении коэффициента к могут привести к существенным ошибкам в определении величины разрушающей нагрузки.

Достаточно строго теоретически обоснованное выражение для определения коэффициента бокового давления (КБД) выведено Н. И. Карпенко. В частности, для плотных бетонов им предложена дробная функция вида.

(2).

или ее упрощенный вариант.

(3),.

где, а и b — константы материала, определяемые опытным путем.

Величины КБД, получаемые по (2) или (3), зависят главным образом от уровня обжатия бетона m. Вместе с тем, в ряде других исследований, отмечалось заметное влияние и прочности бетона на величину КБД в условиях объемного сжатия. Так, по многочисленным опытным данным, для бетонов повышенной прочности, при прочих равных условиях, значение КБД примерно на единицу меньше, чем для бетонов низкой и средней прочности. В современных условиях, при широком применении высокопрочных бетонов, это обстоятельство становится особенно важным.

Следовательно, при определении КБД по формуле (2) необходимо устанавливать коэффициенты материала практически для каждой конкретной прочности бетона, а в формуле (4) отмеченное выше обстоятельство вовсе не учитывается.

Предлагается, приняв за основу выражение (3) для нахождения КБД, включить в него поправку, учитывающую влияние прочности бетона.

(4).

Выражение (4) получено на основании статистической обработки достаточно большого числа экспериментальных данных (рассмотрены результаты 56 опытов) и справедливо для всех практически используемых классов бетона по прочности на сжатие, Тогда формула для определения КБД приобретает вид.

(5).

Необходимо отметить, что для ТБЭ круглого или кольцевого сечения основой для назначения расчетного сопротивление бетона осевому сжатию должна служить не призменная, а цилиндрическая прочность. Полное продольное усилие в коротком центрально сжатом ТБЭ на любой стадии его работы определяется, как сумма вкладов компонентов системы «бетонное ядро — стальная оболочка» :

Введем коэффициент, учитывающий долю сопротивления стальной оболочки усилиям от внешних нагрузок в продольном направлении.

тогда окончательное выражение для определения разрушающей нагрузки короткого центрально сжатого ТБЭ примет вид.

Таким образом, при сохранении структуры и физического смысла слагаемых формулы (1), получено выражение, более полно учитывающее особенности напряженного состояния ТБЭ. Причем следует заметить, что в зависимости от конструктивных геометрических параметров величина коэффициента as может изменяться в достаточно широком диапазоне, но чаще находится в интервале от 0,1 до 0,5.

В таблице приведено сопоставление опытных величин разрушающих нагрузок для центрально сжатых ТБЭ из опытов авторов статьи и других исследователей, а также теоретических знаний. При нахождении теоретических величин разрушающих нагрузок на ЭВМ начальное значение коэффициента бокового давления к задавалось равным 4, а в процессе расчета оно уточнялось.

Средние арифметические значения отклонений экспериментальных предельных нагрузок от теоретических составили, по данным наших исследований, + 4%, по данным исследований П. И. Стороженко + 5%, по результатам опытов И. Г. Людковского и А. П. Нестеровича — 4%.

Отмечаемое в единичных случаях существенное расхождение между значениями фактических и расчетных разрушающих нагрузок может быть объяснено несколькими основными причинами. Завышение экспериментальных данных для отдельных образцов до 21% обусловливается холоднодеформируемым «упрочнением» металла внешней обоймы за площадкой текучести. Вследствие очень больших деформаций стальных труб к моменту разрушения элементов такое явление весьма вероятно.

С другой стороны, перед разрушением конструкций часто наблюдается нарушение сцепления между бетоном и стальной обоймой. В результате происходит местная потеря устойчивости стенок обоймы и разрушение бетонного ядра в этом месте. При таком варианте разрушения теоретическое значение разрушающей нагрузки может оказаться выше экспериментального.

Наконец, для трубобетонных элементов больших диаметров нельзя исключать возможность разрушения от среза бетонного ядра.

В целом же, результаты выполненного сопоставления свидетельствуют об удовлетворительном совпадении теоретических данных с опытными. Таким образом, получена методика расчета прочности нормальных сечений сжатых трубобетонных элементов, базирующаяся на четких теоретических постулатах.

Изоляция бетона от окружающей среды создает лучшие условия для работы бетона под нагрузкой. Эксперименты показывают, что в неизолированном бетоне нагрузка вызывает более значительную деструкцию во времени, чем в изолированном. В неизолированном бетоне развитие микротрещин все время прогрессирует, у изолированного бетона при том же напряжении оно полностью прекращается в первые 2—3 дня. В неизолированных образцах нелинейность деформаций ползучести наблюдается в течение 20—30 суток, а в изолированных нелинейность исчезает при аналогичных напряжениях в первые 2—7 суток.

Применяя стальные конструкции вместо железобетонных, необходимо учитывать условия, в которых они будут находиться при эксплуатации. Обследованиями установлено, что при повышенных температурах конструкции из железобетона с бетонами обычных марок разрушаются через 5—10 лет вследствие пересушивания бетона и дегидратации цементного камня. В агрессивных средах агломерационных фабрик в условиях воздействия мышьяковистого ангидрита были случаи разрушения конструкций за 4 года. Значительна коррозия железобетона в цехах цветной металлургии. В этих и других подобных неблагоприятных условиях с успехом можно применять трубобетон, в котором бетон защищен от агрессивных воздействий стальной оболочкой.

Таблица 1.

Полная стоимость сооружений из трубобетона значительно ниже стоимости аналогичных железобетонных и стальных. Меньшая масса трубобетонных элементов в сравнении с железобетонными облегчает их транспортирование и монтаж. Трубобетон экономичнее железобетона из-за отсутствия опалубки, кружал, хомутов, отгибов, петель, закладных деталей; он более вынослив, менее подвержен механическим повреждениям. Отсутствие распределительной и рабочей арматуры позволяет получить более высококачественную укладку жестких бетонных смесей.