УДК 624.072

Лаврова О.В.

кандидат технических наук, доцент

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Фомина А.В.

магистрант

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОРОТКИХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ КАРКАСНО-СТЕРЖНЕВЫХ МОДЕЛЕЙ

Аннотация. Методология реконструкции железобетонных элементов, основанная на расчетных каркасно-стержневых моделях.

Abstract. Methodology of reconstruction of reinforced concrete elements, based on the calculated wireframe-rod models.

Ключевые слова: железобетон, строительные конструкции здания, расчет прочности, реконструкция.

Keywords: reinforced concrete, building construction, calculation of strength, reconstruction.

В данной статье речь пойдет о методологии реконструкции железобетонных элементов, которая гармонически связывает методологию конструирования и расчета стержневых систем усиления и разгружения поврежденных элементов. Она базируется на предпосылках копирования физической работы коротких элементов, а также на предварительном определении функционального назначения каждого элемента новой конструкции усиления или разгружения.

Расчетные модели железобетонных элементов с малым пролетом среза описывают два вида разрушения – по наклонной сжатой полосе бетона и растянутому арматурному поясу. Именно такого рода повреждения и аварийные разрушения возникают в коротких балках и в приопорных участках обычных балок. Следовательно, задачей усиления является повышение сопротивления указанных зон элементов. Задачей разгружения является снижение внешних усилий, воспринимаемых указанными зонами элементов.

Суть расчета усиления и разгружения поврежденных элементов заключается в определении усилий обжатия и величины разгружающей силы, передаваемой на новую стержневую систему, разгружающую поврежденные элементы.

При построении расчетных моделей усиленных и разгруженных элементов использован принцип построения каркасно-стержневых моделей неповрежденных коротких элементов. Обоснованием этого служит экспериментально обоснованная каркасно-стержневая модель, повторяющия принцип работы элементов.

Рассмотрим расчетные модели усиления КСМ-У коротких балок и приопорных участков обычных балок при одновременном усилении наклонных расчетных сжатых полос бетона и растянутого арматурного горизонтального пояса поврежденной балки.

Модель усиления может быть представлена двумя симметрично расположенными по левой и правой стороне балки, плоскими моделями КСМ-У (рис. 1 - б), которые являются полной аналогией расчетных моделей КСМ неповрежденных балок. Они состоят из наклонных стержней, которые имитируют работу двух наклонных пакетов арматурных стержней, расположенных симметрично относительно оси действия силы. Работу растянутого пояса, состоящего из прокатных уголков, имитируют горизонтальные стержни КСМ-У. Угол наклона сжатых стержней модели КСМ определяется с учетом условий эксплуатации поврежденной балки. Ключевая точка модели поверху определяется пересечением наклонных осей, проходящих через центр тяжести пакетов арматурных стержней с осью действия внешней силы. Ключевые точки модели понизу определяются точками пересечения указанных осей арматурных пакетов с горизонтальной осью прокатных уголков, которая проходит через их центр тяжести.

Рис. 1. Схема усиления балок (а, б) и расчетная модель усиления (в, г)

Таким образом, расчетные модели КСМ-У усиления и модели КСМ-П поврежденной балки отличаются количеством плоских моделей и углом наклона сжатых стержней.

Суть такого усиления заключается в увеличении размеров грузовых и опорных площадок. С инженерной точки зрения такое усиление является известным, его решение очевидно. Принцип и порядок построения модели КСМ-У не изменяется по сравнению с моделью КСМ. В результате искусственного увеличения размеров грузовых и опорных площадок увеличивается расчетная ширина сжатых полос и уменьшается внешнее наклонное усилие сжатия за счет увеличения угла наклона сжатых полос (рис. 2).

Рис. 2. Схема построения расчетной модели при увеличении размеров грузовых и опорных площадок

Рассмотрим расчетные модели разгружения КСМ-Р (рис. 3 - 1, 2, 5) коротких балок и приопорных участков обычных балок. Построение моделей КСП-П (рис. 3 - 3) и КСМ-Р (рис. 3 - 4) отличается друг от друга. Сжатые бетонные полосы поврежденной балки в модели КСМ-П имитируются наклонными стержнями. Сжатые наклонные элементы разгружающей модели КСМ-Р представляют собой ромбовидные стержневые фермы. Поперечный стержень этих ферм технологически необходим для предварительного напряжения наклонных элементов разгружающей системы. При этом создаются наклонные распорные усилия между грузовой и опорными площадками. Тем самым происходит разгружение поврежденных балок с соответствующим регулированием усилий разгружения. Принцип определения ключевых точек разгружающей стержневой модели КСМ-Р принимается аналогичным модели КСМ-П поврежденной балки. Угол наклона сжатых ромбообразных ферм максимально приближается к углу наклона сжатых стержней модели КСМ-П. Таким образом, работу поврежденных балок совместно с конструкцией разгружения предлагается моделировать тремя плоскими моделями КСМ и 2хКСМ-Р (рис. 3 - 2).

Рис. 3. Расчетная модель разгружения КСМ-Р коротких балок

Рассмотрим, как определяются усилия в расчетных моделях усилений и разгружений поврежденных элементов. При расчете стержневых моделей усиления и разгружения КСМ-У и КСМ-Р сопряжение элементов в узлах принимается шарнирным (рис.3 - 6, 7). В общем случае для коротких балок величины усилий определяются по зависимостям:

S = F_y / (2 sinθ), (1)

T = F_y / (2 tgθ), (2)

где S, T – суммарные усилия в наклонных и горизонтальных стержнях расчетных моделей симметрично расположенных систем усиления – разгружения;

F_y = (F - F_n) – внешняя суммарная сила, передаваемая на симметрично расположенные конструкции усиления, либо разгружения;

F_n – внешняя сила, передаваемая на поврежденный элемент;

F – внешняя сила, передаваемая на элемент до его повреждения, либо внешняя планируемая сила при реконструкции.

Величина внешней силы, передаваемой на поврежденный элемент, либо величина внешней силы, передаваемой на конструкцию усиления-разгружения определяется в зависимости от степени повреждения конструкции.

В общем случае для коротких балок в расчетных моделях, которые включают в себя икс- и ромбообразные элементы, величины усилий определяются по зависимостям:

S = S_l / (2 sinθ_p), (3)

T = S_l / tgθ_p, (4)

где S_l – усилие в вертикальных или наклонных стержнях расчетной модели КСМ коротких балок.

По величине предварительного обжатия T определяется величина внешней силы F_y, которая передается на разгружающую систему и определяется по формуле:

F_y = 2 T sinθ tgθ_p, (5)

Величина внешней силы F_y определяется аналогично вышерассмотренному случаю.

Расчет прочности сжатых бетонных полос элементов, в которых усиление сжатой зоны достигалось путем увеличения размеров грузовых, либо опорных площадок, производится аналогично расчету неповрежденных элементов.

В общем случае прочность расчетных сжатых полос бетона коротких элементов, усиленных за счет предварительного обжатия, определяется по зависимости:

S_y ≤ γ_b^* R_b l_b b, (6)

где γ_b^*R_b – предельное сопротивление предварительно обжатой полосы бетона, определяемое по критерию прочности в зависимости от величины напряжений обжатия. Напряжения обжатия находятся по зависимости:

σ_об = Т_об / L, (7)

где Т_об – равнодействующая усилий поперечного обжатия, L – длина сжатой бетонной полосы.

Величина внешней силы, которая передается на разгружающую систему, определяется из условия оценки степени аварийности поврежденной конструкции. При высокой степени аварийности внешняя нагрузка полностью передается на разгружающую систему.

Разработанную систему экспериментальных характеристик сопротивления и механики разрушения коротких элементов можно использовать в качестве основных критериев оценки степени их повреждений [1, 2, 3].

Выводы:

1. Расчетные модели коротких элементов описывают два вида разрушения – по наклонной сжатой полосе бетона и растянутому арматурному поясу.

2. Разработанный метод расчета и конструирования в значительной степени совершенствует процесс проектирования при реконструкции. Экспериментально установлено, что разработанные инженерные решения усиления и разгружения являются эффективными, не изменяют характера работы коротких элементов и совместно работают с поврежденной конструкцией. Разрушающая сила увеличивается в 1,7-2,5 раза и может регулироваться при проектировании. Отклонение расчетных и опытных величин составляет F_test / F_calc = 1,07-1,18.

Литература

1. Т.И. Баранова. Расчет коротких железобетонных консолей на действие поперечных сил // Бетон и железобетон. 1976. №9. С. 12-31.

2. А.В. Фомина, О.В. Лаврова. Жилой дом с монолитным железобетонным безригельным каркасом // Эффективные Строительные Конструкции. Пенза 2017. С. 84-87.

3. А.Д. Маслов, О.В. Лаврова. Здание со сборно-монолитным железобетонным каркасом межвидового применения // Эффективные Строительные Конструкции. Пенза 2017. С. 49-52.