Features of calculation and design of the installation for testing the load of reinforced concrete wall ring

Full Text

Испытательные стенды относятся к основным видам оборудования при статическом нагружении железобетонных конструкций [1–3]. Выявление экономической эффективности усовершенствований проектных и конструкторских решений испытательной установки для оценки прочности железобетонных стеновых колец (не допуская чрезмерного запаса прочности) является актуальной темой научно-исследовательской работы.

Цель данной работы заключается в разработке конструктивного решения установки для испытания нагружением железобетонного стенового кольца смотрового колодца.

Основным в предлагаемом конструктивном решении является изготовление компактной, легкой, автономной установки для статического испытания нагружением стенового кольца смотрового колодца, снижение материалоемкости элементов установки. При этом отсутствует необходимость применения силового пола, изготовление элементов силовой рамы установки упрощено, как и система передачи нагрузки на испытуемый образец, а статическая схема испытуемого образца приближена к действительной работе стенового кольца. Материалоемкость стальных элементов силовой рамы установки снижена относительно аналогов [1].

Испытанию статическим нагружением подвергают стеновое кольцо заданных геометрических размеров. Стеновые железобетонные кольца имеют широкое применение в различных сферах человеческого существования ввиду своей простоты и универсальности. Модернизации подвергается как конструкция самого кольца, так и установка для его изготовления [4–8].

Конструкция испытательной установки вместе со стеновым кольцом представлена на риc. 1. Компактный сборно-разборный стенд обеспечивает возможность проведения испытания нагружением как в горизонтальном, так и вертикальном положении испытуемого стенового кольца.

 

Риc. 1. Установка для испытания нагружением цилиндрического стенового кольца: 1 – стеновое кольцо; 2 – деревянные бруски; 3 – резиновые прокладки; 4 – стальной составной брус упорной траверсы; 5 – грузовой гидродомкрат с манометром; 6 – стальной составной брус опорной траверсы; 7 и 8 – упорная и опорная составная стальная балка силовой рамы; 9 – металлические тяжи, оборудованные гайками и шайбами; 10 и 11 – натяжная и упорная гайки; 12 – ребра жесткости – ограничители размещения гидродомкрата и траверс; 13 – установочные винты; 14 – опорные столики

 

Установка для испытания включает в себя: стеновое кольцо, деревянные бруски, резиновые прокладки, упорную распределительную траверсу, две опорные распределительные траверсы, грузовой гидравлический домкрат, упорную и опорную составные балки силовой рамы, ребра жесткости составных стальных балок, металлические тяжи с нарезкой резьбы на концах, натяжные и упорные гайки, пружинные шайбы, установочные винты и опорные столики.

Стеновое кольцо устанавливают (ГОСТ 8020-2016. Конструкции бетонные и железобетонные для колодцев канализационных сетей (п. 7. Методы испытания и контроля. Приложение В) в рабочее положение (вертикально или горизонтально). Определяют геометрические характеристики элементов силовой рамы и упорной распределительной траверсы (риc. 2) по результатам расчета на прочность сечений элементов силовой рамы и упорной траверсы (СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Поправкой, с Изменением № 1).

 

Риc. 2. Схема силовой рамы испытательной установки: 7 и 8 – упорная и опорная составная балка силовой рамы; 9 – металлические тяжи; 10 и 11 – натяжные и упорные гайки; 15 – сварные швы; P – усилие сжатия на упорную траверсу; Nb – усилие растяжения в тяже

 

Испытательную нагрузку принимают в виде сосредоточенной силы и прикладывают ее по середине длины упорной распределительной траверсы с упругим опиранием на бетонную поверхность стенового кольца (риc. 4). Величину испытательной нагрузки принимают равной контрольной разрушающей нагрузке по прочности и/или контрольной нагрузке по ширине раскрытия трещин.

 

Риc. 4. Схема испытания стенового кольца (А); схема к расчету прочности центрально-сжатого железобетонного элемента прямоугольного сечения А-А с симметричной арматурой As = As’ (Б): 1 – стеновое кольцо; 2 – упорная траверса; 3 – реакция опоры; 2 – упорная траверса: δст и Hст – толщина и высота стенового кольца; b и h – ширина и высота прямоугольного сечения; din и dex – внутренний и наружный диаметр стенового кольца; As и As’ – площадь арматуры, мм2; Abc и A′bc – рабочая площадь сжатого бетона, мм2; P – контрольная разрушающая нагрузка по прочности, кН; O – точка приложения нагрузки на траверсу

 

Максимальное усилие грузового домкрата на силовую раму испытательной установки N_max, кН, определяют по уравнению

N_max = 0,475 × δ_ст^0,125 × (R_b × A_bc + R_sc × A_s,tot), (1)

где δ_ст – толщина стенового кольца, мм; R_b, R_sc – расчетное сопротивление бетона и арматуры на сжатие (СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 (с Изменением № 1), МПа; A_s,tot – площадь сечения всей рабочей арматуры, мм².

Рабочую площадь сечения сжатого бетона , мм, вычисляют по формуле

A_bc = 2 × δ_ст × H_ст, (2)

где δ_ст и H_ст – толщина и высота стенового кольца, мм.

Условия опирания распределительной траверсы принимают в виде жесткой составной стальной упругой опоры с деревянным брусом, закрепленным в пазу швеллера основания траверсы (риc. 3).

 

Риc. 3. К расчету стальных элементов металло-деревянной траверсы: 1 – стеновое кольцо; 2 – деревянный брусок; 3 – резиновая прокладка; 7 – упорная составная стальная балка силовой рамы; 13 – установочные винты; 15 – сварные швы; P – нагрузка от грузового домкрата, кН

 

Элемент силовой рамы – упорная и опорная составная стальная балка – представляет собой основание в виде тонкостенного швеллера с ребрами жесткости и усилительного элемента в виде отрезка двутавра, соединенного с основанием на сварке (см. риc. 2).

Геометрические характеристики элементов упорной и опорной составной стальной балки, воспринимающей испытательную нагрузку от грузового домкрата после ее компоновки и подбора составного сечения, определяют расчетом на прочность и устойчивость.

Распределительная траверса содержит усилительный элемент в виде двутавра и сочлененное с ним основание в виде облеченного швеллера, с укрепленным в его пазу деревянным бруском с резиновой прокладкой (см. риc. 3).

Геометрические характеристики усилительного элемента траверсы, воспринимающего испытательную нагрузку от грузового домкрата, определяют по результатам расчета на срез и изгиб усилительного элемента как бесконечной двухсторонней балки на упругом основании с сосредоточением нагрузки в середине длины.

Диаметр металлического тяжа d_тяж, мм, силовой установки определяют расчетом на осевое растяжение по уравнению

d_тяж = 2 × [(N_b/π)/R_bt × (γ_c/γ_m)]^0,5, (3)

где N_b – продольная сила, воспринимаемая тяжем, кН; R_bt – сопротивление болтовой стали растяжению, МПа; γ_c и γ_m – коэффиценты условия работы и надежности по материалу; π = 3,142 – постоянная величина.

Металлические тяжи силовой рамы, принятые диаметром, который определяют по результатам расчета на растяжение элемента, выполняют из круглой болтовой стали.

Ширину деревянного бруска b_дб, мм, распределительной траверсы вычисляют по формуле

b_дб = N_max/L_дб × R_b,loc, (4)

где N_max – максимальное усилие от силового домкрата, кН; L_дб – длина деревянного бруска, мм; R_b,loc – сопротивление бетона стенового кольца сжатию, МПа (R_b,loc ≥ 2,5 × R_b, где R_b – сопротивление бетона на сжатие).

В качестве измерителей деформации бетона и арматуры могут приниматься тензодатчики, которые устанавливают в основном сечении стенового кольца.

Измерение показаний давления в грузовом домкрате осуществляют техническим манометром класса точности ±2,5 %.

Для проверки прочности упорной составной балки при изгибе требуемый момент сопротивления составной стальной балки W_тр, см³, силовой рамы вычисляют по уравнению

W_тр = (P_i × l₀/2) / R_y × γ_c, (5)

где P_i – усилие от смежной пары металлических тяжей, кН; l₀ – расстояние между спаренными тяжами в плане, мм; R_y – расчетное сопротивление прокатной стали, Н/мм²; γ_c – коэффицент условий работы стали.

Линейную характеристику жесткости распределительной траверсы S_ж, м, вычисляют по формуле

S_ж = (4 × E_b × J_sy / b_n × k_b)^1/4, (6)

где E_b – модуль деформации бетона стенового колодца, МПа; J_sy – момент инерции стального бруска траверсы, см⁴; b_n – ширина деревянного бруска траверсы, см; k_b – коэффицент постели для бетона стенового кольца.

Расчетный изгибающий момент M₀, кН∙м, в нулевой точке распределительной траверсы определяют по уравнению

M₀ = S_ж × π/4, (7)

где S_ж – линейная характеристика жесткости траверсы, кН∙м; π = 3,142 – постоянная величина.

Величину поперечной силы в нулевой точке траверсы Q₀, кН, вычисляют по формуле

Q₀ = P/2, (8)

где P – давление от грузового домкрата на траверсу, кН.

Приведём примеры расчётов по изложенным выше формулам.

Пример 1. Дано: упорная балка силовой рамы выполнена составной; основание в виде отрезка швеллера № 40 (h_ш = 400, b_ш = 115, δ = 13,5 мм, W_шγ = 73,4 см³) принято из условий размещения в его пазу силового домкрата (ширина домкрата 400 мм) грузоподъемностью 1000 кН (100 тс); усилительный элемент – в виде отрезка двутавра; концы оснований составной балки оборудованы отверстиями для пропуска двух пар металлических тяжей; расстояние между парами тяжей в плане принимают не менее величины наружного диаметра испытуемого стенового кольца I₀ ≥ d_ex = 2000 мм (2 м); усилие от грузового домкрата в каждой паре металлических тяжей равно N_2b = P/2 = 1000/2 = 500 kH , для изготовления составной балки силовой рамы принимают сталь C235 с расчетным сопротивлением проката R_y = 230 Н/мм²; коэффицент условий работы γ_c = 1,1.

Требуется подобрать сечение элементов составной стальной балки силовой рамы и проверить ее прочность.

Расчет: 1) Требуемый момент сопротивления составной стальной балки вычисляют по уравнению (5):

W_тр = (N_2b × l₀/2)/(R_y × γ_c) = (500/2)/(230 × 1,1) = 1976 см³.

2) Требуемый момент сопротивления для усилительного элемента составной балки составляет:

W_yc = W_тр - W_шy = 1976 - 73,4 = 1903 см³.

3) По сортаменту подбирают усилительный элемент в виде короткого отрезка двутавра № 55; W_yc = 2035 см³; h_т = 550 мм; b_т = 180 мм.

Пример 2. Дано: стеновые железобетонные кольца высотой H_ст = 890 мм , толщина δ_ст = 80 мм, бетон класса B15, R_b = 8,5 МПа; арматура класса А240, R_sc = 215 МПа; площадь сечения 4∅4 мм (A_s = A_s’ = 50,2 мм²); схема расчета короткого центрально сжатого железобетонного элемента прямоугольного сечения с симметричной арматурой.

Требуется определить максимальное усилие грузового домкрата на силовую раму испытательной установки N_max, кН.

Расчет: 1) Площадь сечения всей рабочей арматуры вычисляют по условию

A_s,tot = A_s + A_s’ = 2 × 50,2 = 100,4 мм².

2) Площадь сечения сжатого бетона A_bc, мм², вычисляют по условию (2):

A_bc =2 × (δ_ст × Н_ст) = 2 × (80 × 890) = 142,4 × 10³ мм².

3) Максимальное усилие гидродомкрата N_max, кН, вычисляют по уравнению (1):

N_max = N_cc = 0,475 × δ_ст^0,125 × (R_b × A_bc + R_s × A_s,tot) = 0,475 × 80^0,125 × (8,5 × 142,4 × 10³ + 215 × 100,4) = 0,82 × (1210,4 × 10³ + 21,586 × 10³) = 1010 × 10³ Н = = 1010 кН = 100 тс.

Пример 3. Дано: на металлический тяж действует продольная сила N_b = 250 кН; сталь класса 4,8; расчетное сопротивление растяжению R_bt = 160 МПа; коэффицент условий работы γ_с = 0,9; коэффицент надежности по материалу γ_m = 1,05. Требуется определить диаметр круглого металлического тяжа (d_тяж, мм).

Расчет: требуемый диаметр тяжа вычисляют по уравнению (3):

d_тяж = 2 × [(N_b / π) / R_bt × (γ_c / γ_m)]^0,5 = 2 × [(250 / 3,142) / 160 × (0,9 / 1,05)]^0,5 = 2 × (79,57 / 137,14)0,5 = 1,52 см =15,2 мм (принято в проекте d_тяж = 16 мм).

Выводы. 1. Предложено конструктивное решение установки для испытания нагружением железобетонного стенового кольца смотрового колодца.

2. Предложены уравнения для расчета максимального усилия грузового домкрата на силовую раму испытательной установки, выявления диаметра металлических тяжей силовой рамы установки и ширины деревянного бруска распределительной траверсы, определения величины изгибающего момента в нулевой точке распределительной траверсы и выявления линейной характеристики жесткости распределительной траверсы.
3. Дальнейшие исследования по теме научно-исследовательской работы предполагают изготовление испытательной установки и проведение статических испытаний нагружением модели железобетонного стенового кольца.

About the authors

Nikolay A. Ilyin

Samara State Technical University; Academy of Architecture and Civil Engineering

Email: qaer1@yandex.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Water Supply and Waste Water Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Sergey S. Mordovsky

Samara State Technical University; Academy of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: qaer1@yandex.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Reinforced Concrete Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files