С. В. БАБИЧ, канд. техн. наук (Ровенский государственный технический ун-т), Исследование и расчет внецентренно сжатых элементов с переменными эксцентриситетами по длине
Известно, что методика расчета сжатых элементов по недеформированной схеме, которая используется в действующих нормах расчета и проектирования железобетонных конструкций [1], имеет высокую надежность. Однако формула для определения условной критической силы была получена путем статистической обработки результатов испытаний внецентренно сжатых элементов с равными и направленными в одну сторону эксцентриситетами на концах (так называемая основная схема испытаний). При этом как бы предполагается, что несоответствие основной схемы действительной работе внецентренно сжатого элемента в реальной стержневой системе при расчете его несущей способности идет в запас прочности. Таким образом, для сжатых элементов стержневых систем с переменным эксцентриситетом (моментом) по их длине нормы [1] игнорируют схему его загружения и вследствие этого дают заниженное значение несущей способности (завышают площадь сечения рабочей арматуры). Важность поднятого нами вопроса заключается в том, что большинство сжатых элементов так или иначе входят в состав стержневых систем (каркасы промышленных и гражданских зданий, фермы, арки и др.) и имеют переменные по длине начальные эксцентриситеты, полученные в результате расчета системы известными методами строительной механики.
С целью выяснения влияния схемы загружения на несущую способность внецентренно сжатых элементов в лаборатории кафедры инженерных конструкций Ровенского государственного технического университета были испытаны на действие кратковременной нагрузки 15 колонн из обыкновенного тяжелого бетона. Они были условно разделены на 5 серий по 3 элемента в серии. Изменяли две величины: между сериями — отношение эксцентриситетов на концах элемента к = е/е2(1; 0,5; 0; -0,5; -1); внутри серии — отношение большего концевого эксцентриситета к высоте сечения e2/h(0,2; 0,5; 1).
Колонны изготовляли в деревянной опалубке в горизонтальном положении. Прочностные и деформативные свойства бетона контролировали путем испытания кубов со стороной 150 мм и призм с размером сечения 150x150 мм (по 6 на серию). В качестве рабочей использовали симметрично размещенную в углах сечения арматуру 010 А-Ill (А400), которую собирали в пространственный вязаный каркас с помощью поперечной арматуры — хомутов из проволоки 04 Bpl, установленных с шагом 150 мм.
Испытания колонн проводили при шарнирном опирании их концов в специальной пружинной установке. Создаваемую домкратом нагрузку контролировали по показаниям образцового динамометра системы Токаря и через пружинный пакет передавали на образец. Незначительная погрешность на трение, возникающее в пружинных пакетах, была определена и учтена. Колонны испытывали до разрушения ступенчатой нагрузкой. В зависимости от серии величина ступени на начальных стадиях составляла 1/10... 1/15 предполагаемой разрушающей нагрузки. При нагрузках, которые превышали 0,8 разрушающей, величину ступени уменьшали до 1/20...1/25 разрушающей. Для закрепления колонны в проектном положении и передачи на нее нагрузки применяли опорные башмаки. Для измерения перемещений использовали прогибомеры системы 6ПАО, которые размещали в 8 сечениях по длине колонны: на опорах, в четвертях и в характерных точках деформированной оси. Характеристики опытных колонн представлены в табл. 1.
По нашему мнению, сжатые элементы с переменным эксцентриситетом по длине можно рассчитывать по методике норм [1], корректируя расчетные формулы на основании результатов эксперимента. О необходимости такой корректировки свидетельствуют результаты проведенных испытаний, представленные в табл.2. Их анализ показывает, что в зависимости от схемы загружения и значения начальных эксцентриситетов экспериментальная несущая способность Nexp превышает несущую способность, вычисленную по методике действующих норм Л/СНиП, в 1,11...2,31 раза. Значения несущей способности опытных колонн, вычисленные с учетом их геометрической и физической нелинейности Ntheor по методике [4], дают неплохое совпадение с результатами эксперимента.
Предлагаемые дополнения к методике норм [1] для колонн с переменными эксцентриситетами по длине сводятся к следующему:
1. В качестве расчетного принимают сечение с максимальным начальным эксцентриситетом.
2. Коэффициент продольного изгиба вычисляют по формуле 1
Относительные значения несущей способности колонн, вычисленные по скорректированной методике норм [1] ЛГСНиП, представлены в табл.2.
Поскольку сжатый элемент так или иначе входит в состав стержневой системы, стойки рамных конструкций, испытанные различными авторами, были рассчитаны по нормам [1] и по предлагаемой скорректированной методике. Результаты проведенных вычислений приведены в табл.3. Они свидетельствуют о значительном превышении экспериментальной несущей способности сжатых элементов Nexp над этой же величиной, вычисленной по двум указанным методикам. Таким образом, очевидным является существенное влияние на работу стоек других элементов системы в результате перераспределения внутренних усилий. Следовательно, совершенствование методики расчета сжатых элементов должно проходить в направлении уточнения характера такого влияния. Это возможно, по нашему мнению, после проведения направленных экспериментальных испытаний плоских и пространственных рамных конструкций и их частей.
Выводы
1. Проведенные экспериментальные исследования и обработка их результатов показала, что при расчете сжатых элементов с переменными по длине эксцентриситетами методика норм [1] существенно (в 1,11 ...2,31 раз) занижает их несущую способность.
2. Расчет несущей способности сжатого элемента, входящего в состав стержневой системы, до выяснения характера влияния на его работу других элементов системы можно производить по методике норм [1] с предлагаемыми дополнениями.
Бетон и железобетон, 1999 №2