Експериментально - теоретичні дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних балок, підсилених зовнішньою арматурою

Abstract

UK: На сьогодні більшість тривало експлуатованих об’єктів будівельного комплексу України потребують переоснащення, реконструкції. Тому вибір ефективного і зручного варіанту підсилення є важливою науковою та інженерною задачею. В статті представлено нову конструкцію підсилення для залізобетонних згинаних елементів. Нова регульована конструкція включає зовнішню гнучку сталеву арматуру та жорсткі важелі. Особливістю роботи даної системи підсилення є розвантаження стиснутої зони балки, обтиск нижньої її грані та влаштування піддатливої опори посередині прольоту балки, що дає можливість раціонально перерозподіляти напруження в балці, значно збільшувати її несучу здатність та зменшувати деформативність, на відміну від традиційних шпренгельних затяжок, що довантажують її. Крім цього, система ефективно працює при асиметричному навантаженні.Запропоновано розрахункову схему для балки прямокутного перерізу, підсиленою даною системою із зовнішньою арматурою. Розроблено методику розрахунку залізобетонних балок з урахуванням системи зовнішнього підсилення за сучасними нормами з використанням спеціально розроблених комп’ютерних програм в середовищі Mathcad. Визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів по довжині балки виконується з урахуванням повної діаграми роботи бетону та дискретно-лінійної діаграми роботи арматури. Розроблено методику експериментальних досліджень та випробувано залізобетонні балки, підсилені запропонованою системою, та еталонні звичайні. Вдосконалено силову установку для випробування підсилених балок. В рамках випробування визначався деформований стан небезпечних перерізів, деформації зовнішньої арматури підсилення. Отримані результати теоретичних розрахунків за несучою здатністю співставлені з експериментальними дослідженнями. Розбіжність знаходиться в допустимих межа, що свідчить про достовірність експериментальних та теоретичних досліджень, а значне підвищення несучої здатності та зниження деформативності – про доцільність застосування запропонованої конструкції.При цьому, для підсилених конструкцій балок спостерігається зменшення величини пластичних залишкових деформацій, що свідчить про їх більш пружну роботу під навантаженням.

RU: На сегодняшний день большинство длительно эксплуатируемых объектов строительного комплекса Украины нуждаются в переоснащении, реконструкции. Поэтому выбор эффективного и удобного варианта усиления является важной научной и инженерной задачей. В статье представлена новая конструкция усиления для железобетонных изгибаемых элементов. Новая регулируемая конструкция включает внешнюю гибкую стальную арматуру и жесткие рычаги. Особенностью работы данной системы усиления является разгрузка сжатой зоны балки, обжатие нижней ее грани и устройство податливой опоры посередине пролета балки, что позволяет рационально перераспределять напряжения в балке, значительно увеличивать ее несущую способность и уменьшать деформативность, в отличие от традиционных шпренгельных затяжек, которые догружают ее. Кроме этого, система эффективно работает при асимметричной нагрузке. Предложена расчетная схема для балки прямоугольного сечения, усиленной данной системой с внешней арматурой. Разработана методика расчета железобетонных балок с учетом системы внешнего усиления по современным нормам с использованием специально разработанных компьютерных программ в бреде Mathcad. Определение напряженно-деформированного состояния нормальных сечений по длине балки выполняется с учетом полной диаграммы работы бетона и дискретно-линейной диаграммы работы арматуры. Разработана методика экспериментальных исследований и испытаны железобетонные балки, усиленные предложенной системой, а также эталонные обычные. Усовершенствована силовая установка для испытания усиленных балок. В рамках испытания определялось деформированное состояние опасных сечений, деформации внешней арматуры усиления. Полученные результаты теоретических расчетов по несущей способности сопоставлены с экспериментальными исследованиями. Расхождение находится в допустимых граница, что свидетельствует одостоверности экспериментальных и теоретических исследований, а значительное повышение несущей способности и снижения деформативности - о целесообразности применения предложенной конструкции. При этом, для усиленных конструкций балок наблюдается уменьшение величины пластических остаточных деформаций, что свидетельствует об их более упругой работе под нагрузкой.

EN: Today, the majority of long-maintained construction objects of the Ukrainian building complex require upgrading and reconstruction. Therefore, the choice of an effective and convenient strengthening method is an important scientific and engineering problem. The paper presents a new structure for strengthening reinforced concrete bending elements. The new regulating system includes external flexible steel bars and rigid levers. The specific feature of the work of this system is the unloading of the beam’s compressed zone, compression of it bottom fiber and placement of a pliable support in the middle of beam span, which results in efficient redistribution of stresses in the beam, significant increase in its carrying capacity and reduction in deformability, in contrast to a traditional strutted system that increases the negative impact of external load. In addition, the system effectively works under asymmetrical loads. The authors propose a design scheme for reinforced concrete beams of rectangular cross-section, strengthened with this system with external bars. The article reveals a computation method based on the building codes in force, which takes into account the work of the external strengthening system. The computation method is realized due to the specially designed computer programs. The stress-strain state of the beam’s cross-sections is determined considering the full « σ-ε» diagram and specified discrete linear diagram of steel work. Besides this, the method of experimental research and testing of concrete beams, strengthened by the proposed system, and regular beams is presented in the paper. We also improved the power stand for testing such beams. During the testing, strain state of the beam’s dangerous cross-sections and deformations of external bars were determined. The results of theoretical calculations of strengthened beams’ carrying capacity were compared with experimental research. The discrepancy is within permissible limits, indicating the reliability of experimental and theoretical studies, while a significant increase in carrying capacity and reduction in the beam’s deformability confirms the expediency of this proposed strengthening system. Along with this, strengthened beams showed a decrease in the residual deformation, which indicated their more elastic work under load.