Секция СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Кислюк Д.Я., асистент,

(Луцький національний технічний університет, м. Луцьк)

Робота двохшарнірних залізобетонних арок з регулюванням зусиль в затяжці при дії повторних навантажень

Наведені результати дослідження прогинів при різних режимах одноразового та малоциклового навантаження з натягом затяжки. Встановлено, що при попередньому натягу затяжки зберігається кінцевий та покращує жорсткість.

Залізобетонні арки широко використовуються в складі поперечних рам виробничих будівель, в різних спеціальних спорудах. Під час експлуатації арки, як і інші будівельні конструкції можуть піддаватися повторним малоцикловим навантаженням, які можуть впливати на зміну механічних характеристик матеріалів, перерозподіл зусиль між елементами арок тощо. В останні тридцять років дослідженням роботи арок увага не приділялася, а як показали експериментальні дослідження двохшарнірних та замкнутих залізобетонних рам, повторні навантаження суттєво впливають на прогини ригелів, ширину розкриття тріщин, внутрішній напружено-деформований стан тощо[1, 2].

З огляду на наведене поставив задачу експериментально встановити особливість роботи двохшарнірних арок при дії на них повторних малоциклових навантажень.

Дослідні зразки арок та методика їх випробування. З метою встановлення впливу повторних навантажень на напружено-деформований стан перерізів двохшарнірних арок та зміну їх прогинів і ширини розкриття тріщин було випробувано чотири залізобетонні двохшарнірні арки, які мали загальну довжину 2160 мм зі стрілою підйому 40 см та поперечний переріз 100×140 мм (рис. 1). Для виготовлення дослідних балок використовували важкий бетон за складом 1:1,4:3,33 при В/Ц=0,44. Застосовували портландцемент марки 500, гранітний щебінь фракції 5...20 мм та пісок середньої крупності 2,0. Одночасно з виготовленням арок бетонували куби розміром 15×15×15 см та призми 15×15×60см, які використовували для визначення кубикової та призмової міцності бутону та його деформаційних характеристик. Бетон мав такі механічні характеристики: кубкова міцність - R = 29,8МПа; призмова міцність - R_b= 21,35МПа, значення початкового модуля пружності для бетону другої серій E_b = 23325 МПа.

Для поздовжнього армування арок використовували арматуру класу A-500С діаметром Ø 10 мм, а для поперечного армування - хомути зі сталі Ø 4 Вр-І, які влаштовувались по всій довжині з кроком 70мм. За результатами випробовувань для поздовжньої арматури встановлені такі механічні характеристики: умовна межа текучості - s_у, = 615,1 МПа; опір при розтяганні - s_u = 754,8 МПа; модуль пружності - Е_s= 195997,8 МПа. Затяжку арок виконували зі стержнів Ø 28 АІІІ, на кінцях яких робили різьбу Ø 24 мм для анкеровки на торцях верхнього поясу[3].

Робота арок вивчається в гідравлічному пресі, обладнаному спеціальними траверсами[3]. Арки випробовувалися як вільно оперті з розрахунковим прольотом l=200 см. Навантаження прикладувалося у вигляді зосереджених сил на відстані 40 см від осі симетрії арки через траверсу гідравлічним пресом (рис. 3).

Деформації бетону вимірювали за допомогою індикаторів годинникового типу з ціною поділок 0,001 мм на базі 100 мм, а також за допомогою тензорезисторів на базі 50 мм, наклеєних ланцюжками через 20 мм.

Прогини балок визначали прогиномірами з ціною поділок 0,01 мм під силами та на відстані 40 см від крайніх опор. Також встановлювали прогиноміри для контролю можливого зміщення опор. Деформації бетону вимірюються за допомогою індикаторів годинникового типу МІГ-1 з ціною поділок 0,001 мм на базі 100 мм і наклеєних тензорезисторів на базі 50 мм ланцюжками через 20 мм, які розміщуються під силою та на віддалі 2/3 між силою та опорою. Деформації арматури в затяжці вимірюються за допомогою тензометра Гугенбергера з ціною поділок 0,001 мм на базі 20 мм, а зусилля в затяжці вимірювали динамометром, що дозволило розкрити статичну невизначеність двохшарнірних арок [4].

Рис. 1. Загальний вигляд випробовування арок

Арки навантажувалися ступенями, які приблизно становили 7 % від руйнівного навантаження. На кожному ступені навантаження втримувалось 5 ... 7 хв., на протязі яких знімали покази динамометра, прогиномірів, індикаторів і тензорезисторів, а також робили візуальний огляд арки, фіксували характер утворення й розвиток тріщин.

Результати експериментальних досліджень. Арка 2А-1 випробовувалась одноразовим монотонним навантаженням до руйнування, яке відбулося внаслідок роздроблення бетону на ділянці прикладання навантаження, рівного склала Р_u = 106,0 кH. Арка 2А-2 також випробовувалась одноразовим навантаженням до руйнування, однак на відміну від першої в роботу арки включали попереднє напруження затяжки. Значення додаткового зусилля визначали за допомогою розрахунку із врахуванням перерозподілу зусиль, яке становило ∆H = 8 кН. Руйнівне навантаження в арці 2А-2 склало Р_u = 98,0 кH. Арки 2А-3 і 2А-4 піддавали десятикратному мало цикловому навантаженню, яке в арці 2А-3 дорівнювало Р_cyc = 60 кН (приблизно 60% від руйнівного).

На арку 2А-4 навантаження повторювалось десять циклів з повним розвантаженням на третьому, шостому та дев’ятому циклі, а на одинадцятому напівциклі вона була довантажена до руйнування арка 2А-4 і на одинадцятому циклі довантажувалися до руйнування. Нижній рівень навантаження у випробуваннях прийнятий рівним ηcyc = 0,2, що імітує навантаження від власної ваги конструкцій (постійне навантаження). Для арки 2А-3 руйнівне навантаження склало Р_u = 100,8 кH, а для арки 2А-4 – Р_u = 109,5 кH. Арки руйнувалися в зоні дії максимального згинального моменту внаслідок роздроблення та зрізу стиснутого бетону (рис. 2).

Арка 2А-1

Арка 2А-2

Арка 2А-4

Рис. 2. Характер руйнування арок другої серії

Арка 2А-1 випробовувалась без роботи затяжки, так само як відбувалось випробування в першій серії зразків. Характер роботи(прогини, деформації бетону та арматури, утворення тріщин) та руйнування аналогічний як в арці 1А-1. Вже в арці 2А-2 затяжка попередньо напружувалась для вирівнення згинальних моментів в ході експерименту. Внаслідок чого в арці прогини та утворення тріщин значно зменшилось, тобто жорсткість арки збільшилась. В арках 2А-3 та 2А-4 піддавались малоцикловим навантаженням. На першому циклі робота арок відбувається як і в арці 2А-2, в наступних – прирости значень деформацій і прогинів більші та стабізація яких відбувається пізніше ніж в відповідних їм арках з першої серії 1А-2, 1А-3.

Теоретичне значення зусилля в арці визначено за формулами, наведеними в роботі [5]. При прийнятій схемі навантаження зусилля в затяжці дорівнює H_th = 1,41P, при коефіцієнті податливості затяжки k_th = 0,928. Якщо прийняти, що затяжка абсолютно жорстка, то зусилля в ній буде дорівнювати H_th = 1,52Р.

Рис. 5. Залежність зусилля в затяжці Н від зовнішнього навантаження: 1,2 – теоретичне; 3,4 – арка 2А-1, 2А-2; 5,6 – на 11 циклі для арок 2А-3 і 2А-4.

При одноразовому монотонному навантаженні арки 2А-1 зусилля в затяжці Н_exp менше порівняно з абсолютно жорсткою затяжкою, якій відповідає коефіцієнт її податливості k_r = 1,0. Так для Н_exp середні експериментальні значення коефіцієнта податливості k_exp,m = 0,874. Таким чином, експериментальне значення коефіцієнту податливості затяжки виявилося на 7,7 % менше, ніж теоретичне k_th = 0,928. В арці 2А-2 при напружені затяжки значення Н_exp перевищує H_th k_exp,m = 1,044. Це покращило роботу та жорсткість арки.

При вивчені прогинів криволінійного бруса необхідно враховувати податливість затяжки та вигин внаслідок її напруження. В арках 2А-3, 2А-4 при напружені затяжки до ∆H = 8 кН вигин склав f = 4,35; 4,59 мм. Внаслідок повторних навантажень залишкові прогини в арках 2А-3 і 2А-4 склали 2,91 і 2,22 мм (в середньому 2,56 мм), що складає 20 % від середнього прогину на першому циклі навантаження. Прогини в арках при повторних навантаженнях, які піддавались напруженню затяжки на перших ступенях значно переважають прогинам в арці без попереднього натягу(21%), а кінцеві прогини близькі один до одного.

Рис 6. Залежність прогинів верхнього пояса арок від навантаження: 1 – арка 2А-1, 2 - арка 2А-4.

Висновок: Попереднє напруження затяжки впливає на напружено-деформований стан арок і покращує роботу арки: дозволяє знизити податливість затяжки; зменшити кінцеві прогини; покращити тріщиностійкість конструкції.

4. Ільчук Н.І. Особливості роботи П-подібних залізобетонних рам при короткочасних малоциклових навантаженнях: Дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01.- Луцьк, 2007.- 229 с. 2. Бабич Є.М., Філіпчук С.В. Вплив повторних навантажень на роботу замкнутих залізобетонних рам // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій: Збірник наукових праць. – Львів: Каменяр, 2007. – Випуск 7. – С. 167 – 172. 3. Бабич Є.М., Кислюк Д.Я „Дослідження роботи двохшарнірних залізобетонних арок при короткочасному повторному навантаженні”. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди Збірник наукових праць Випуск 16 - Рівне : НУВГП, 2008р. 4. Кислюк Д.Я. Методика експериментальних досліджень роботи двохшарнірних залізобетонних арок при повторних навантаженнях // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. – Рівне: Видавництво Національного університету водного господарства та природокористування, 2005. – Випуск 12.- С. 169 – 174 5. Мурашев В.И., Сигалов Э.Е., Байков В.Н. Железобетонные конструкции. – Москва: Госстройиздат, 1962. – 659 с.

Сведения об авторах:

Кислюк Дмитрий Ярославович, асистент, кафедра промышленного и гражданского строительства Луцкого национального технического университета, тел. 8(0332) 6-24-60, E-mail: Ldtu_pcb@ukr.net