Экспериментальные и аналитические модели продольного деформирования трубобетонных образцов малогабаритных сечений
- Авторы: Хазов П.А.1, Ерофеев В.И.2, Никитина Е.А.2, Помазов А.П.1
-
Учреждения:
- Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
- Институт проблем машиностроения РАН - филиал «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. Гапонова-Грехова Российской академии наук»
- Выпуск: Том 19, № 4 (2023)
- Страницы: 410-418
- Раздел: Экспериментальные исследования
- URL: https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/36840
- DOI: https://doi.org/10.22363/1815-5235-2023-19-4-410-418
- EDN: https://elibrary.ru/VPVGFF
- ID: 36840
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Приводятся и анализируются результаты экспериментальных исследований вопросов деформирования трубобетонных образцов малогабаритных сечений. Исследуется и сравнивается напряженно-деформированное состояние стальной трубы и трубы, заполненной бетоном. Приводятся экспериментальное определение зависимостей между осевой нагрузкой и деформациями трубобетонных и стальных стержней, а также оценка вклада бетона и стальной трубы в общую несущую способность составного сечения. Испытания проведены для коротких трубобетонных образцов с размерами трубы 60×2, 76×3 и 102×3,5, а также полых стальных труб с соответствующими размерами. По результатам экспериментов построены диаграммы деформирования. Деформация трубобетонного элемента при центральном сжатии происходит пропорционально деформации полого стального элемента того же диаметра, что позволило оценить вклад бетона в работу трубобетонного сечения, который оказался постоянным на каждом этапе деформирования. Предложена методика, позволяющая аналитически описать деформативность трубобетонных элементов при центральном сжатии при помощи аналитической модели, основанной на экспериментальных данных.
Полный текст
1. Introduction One of interesting engineering solutions is the use of steel-concrete structures in construction, which, unlike classic reinforced concrete, use steel not only as a reinforcing material, but also as a full-fledged load-bearing element. One of the types of the steel-and-reinforced concrete structures is piped concrete, consisting of a closed steel pipe into which concrete mixture is specially placed and compacted, resulting in a complex jointed composite structure combining the main advantages of classical steel and reinforced concrete elements, leveling and significantly reducing the impact of their disadvantages. Many scientists and research groups of the world community have been engaged in the study of strength and stability of pipe-concrete elements. Despite the existence of calculation methods reflected in domestic and foreign regulatory documents, all of them do not allow to objectively describe the stress-strain state of pipe-concrete structures under the action of axial compressive load. Various scientific communities in the last decade conducted experimental [1-8], analytical [9-12] and numerical studies [14-16] in order to determine the bearing capacity and deformability of composite structures. Special attention has been paid to numerical and analytical calculations in a nonlinear formulation [17; 18], however, there is no unified engineering methodology capable of describing the stress-strain state of pipe-concrete rods. Depending on the approach for evaluation of the load-bearing capacity of a pipe-concrete section, two interrelated statements of the problem are conditionally accepted: either the influence of concrete on the increase of the load-bearing capacity of the pipe [15], or the reverse variant is considered, i.e. taking the pipe as a steel shell of a concrete rod [6; 7; 9; 19]. Obviously, pipe-concrete is a composite material with mutual influences of concrete core and a steel shell on each other, and both of the above approaches can be considered as approximated models of work. Dimensional ratios of the steel tube-shell (diameter-to-wall thickness ratio - D∕t [2; 12; 20]) or the type of concrete infilling [3] are usually considered as the main factors affecting the strength and strain characteristics of a pipe-concrete structure. The problem of determining the actual stress-strain state of composite structures made of pipes filled with concrete is being raised by many scientific teams, since the existing design standards underestimate the loadbearing capacity of pipe-concrete, defining it as the sum of the load-bearing capacities of the pipe and the concrete core. For example, articles [9; 20] analyze and compare the existing approaches to determine the ultimate compressive load on pipe-concrete columns. The authors of articles [13; 19] analytically consider the effect of casing by introducing an additional summand, which represents the side pressure at the interface between the pipe and concrete. However, experimental studies show that the nature of deformation of the pipe-concrete rod is more similar to the deformation of a hollow steel pipe, and filling with concrete only enhances the performance of the structure. In this regard, the authors of this paper propose a methodology that allows describing the deformation process of a pipe-concrete specimen on the basis of the deformational characteristics of a steel pipe and considering the contribution of concrete to the structure operation, which is constant at all stages of deformation, by using of a correcting coefficient. 2. Materials and methods For conducting the experiment, 12 specimens of 100 mm length were made using steel pipes with the following cross sections: a pipe with a diameter of 60 mm and a wall thickness of 2 mm, a pipe with a diameter of 76 mm and a wall thickness of 3 mm, and a pipe with a diameter of 102 mm and a wall thickness of 3.5 mm. The dimensions of the experimental specimens were taken to exclude the influence of flexibility on the load-bearing capacity of short pipe-concrete rods, i.e. to exclude the loss of stability. Two pipe-concrete specimens and two hollow specimens, i.e. not filled with concrete, were made from each pipe diameter. Additional reinforcement of the specimens was not used. Conditional marking of the specimens is given in Table 1 for the convenience of processing the results. Each specimen was tested in the laboratory of the Department of Building Structures of Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering using a P-125 compression machine with maximum compressive load equal to 1250 kN. In this study, the longitudinal deformations of the samples at each stage of loading with an axial compressive load were determined by the convergence of the pipe-concrete cylinders end sections, for the registration of which the plate convergence indicator had been installed. Figure 1 shows the basic scheme of the experimental equipment for testing specimens of 100 mm in length. Table 1 Marking of specimens Specimens mark Specimen characteristic Steel pipe dimensions, mm Diameter of concrete rod crimped by the pipe, mm P1.1 Hollow Steel Pipe 60×2 - P1.2 PC1.1 Pipe filled with concrete (pipe-concrete) 60×2 56 PC1.2 P2.1 Hollow Steel Pipe 76×3 - P2.2 PC2.1 Pipe filled with concrete (pipe-concrete) 76×3 70 PC2.2 P3.1 Hollow Steel Pipe 102×3.5 - P3.2 PC3.1 Pipe filled with concrete (pip-concrete) 102×3.5 95 PC3.2 a b Figure 1. Testing of specimens with 100 mm length: a - general view; b - basic scheme of the experimental setup: 1 - specimen under test; 2 - movable loading plate; 3 - fixed loading plate; 4 - indicator for registration of plates convergence 3. Results of the research On the basis of the experimental results for each specimen, the diagrams of longitudinal deformation were generated in variables P - ∆, where P is the axial compressive load, ∆ is the convergence between the pressing plates. For visual clarity and further analysis, the diagrams of pipe-concrete specimens (hereinafter referred to asОб авторах
Павел Алексеевич Хазов
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: khazov.nngasu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1220-6930
кандидат технических наук, доцент кафедры теории сооружений и технической механики, заведующий лабораторией непрерывного контроля технического состояния зданий и сооружений
Нижний Новгород, Российская ФедерацияВладимир Иванович Ерофеев
Институт проблем машиностроения РАН - филиал «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. Гапонова-Грехова Российской академии наук»
Email: erof.vi@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6637-5564
доктор физико-математических наук, профессор, директор Института проблем машиностроения РАН
Нижний Новгород, Российская ФедерацияЕлена Александровна Никитина
Институт проблем машиностроения РАН - филиал «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. Гапонова-Грехова Российской академии наук»
Email: nikitina.ea.nn@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-1189-1062
кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Института проблем машиностроения РАН
Нижний Новгород, Российская ФедерацияАртём Павлович Помазов
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
Email: pomazov.a.p@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-5465-3692
аспирант кафедры теории сооружений и технической механики, ассистент кафедры строительных конструкций
Нижний Новгород, Российская ФедерацияСписок литературы
- Lazovic Radovanovic M.M., Nikolic J.Z., Radovanovic J.R., Kostic S.M. Structural Behavior of Axially Loaded Concrete-Filled Steel Tube Columns during the Top-Down Construction Method // Applied Sciences. 2022. No. 12(8). 3771. https://doi.org/10.3390/app12083771
- Manikandan K.B., Umarani C. Understandings on the Performance of Concrete-Filled Steel Tube with Different Kinds of Concrete Infill // Advances in Civil Engineerin. 2021. Vol. 2021. Article 6645757. https://doi.org/10.1155/2021/6645757
- Li P., Zhang T., Wang C. Behavior of Concrete-Filled Steel Tube Columns Subjected to Axial Compression // Advances in Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 2018, Article 4059675. 2018.https://doi.org/10.1155/2018/ 4059675
- Римшин В.И., Семенова М.Н., Шубин И.Л., Кришан А.Л., Астафьева М.А. Исследования несущей способности внецентренно сжатых сталетрубобетонных колонн // Строительные материалы. 2022. № 6. С. 8–14. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-803-6-8-14
- Римшин В.И., Кришан А.Л., Астафьева М.А., Семенова М.Н., Курбатов В.Л. Исследования несущей способности центрально-сжатых сталетрубобетонных колонн // Жилищное строительство. 2022. № 6. С. 33–38. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2022-6-33-38
- Тамразян А.Г., Манаенков И.К. Испытание трубобетонных образцов малого диаметра с высоким коэффициентом армирования // Строительство и реконструкция. 2017. № 4(72). С. 57–62. EDN: ZHHHIZ
- Резван И.В, Маилян Д.Р. Несущая способность бетонного ядра трубобетонных колонн // Вестник Майкопского государственного технологического университета. 2011. № 3. С. 18–25. EDN: OOGARN
- Хазов П.А., Ерофеев В.И., Лобов Д.М., Ситникова А.К., Помазов А.П. Экспериментальное исследование прочности композитных трубобетонных образцов малогабаритных сечений // Приволжский научный журнал. 2021. № 3. С. 36–43. EDN: MHSZBO
- Кришан А.Л., Заикин А.И., Купфер М.С. Определение разрушающей нагрузки сжатых трубобетонных элементов // Бетон и железобетон. 2008. № 2. С. 22–25. EDN: ISDKDH
- Белый Г.И., Ведерникова А.А. Исследование прочности и устойчивости трубобетонных элементов конструкций обратным численно-аналитическим методом // Вестник гражданских инженеров. 2021. № 2(85). С. 26–35. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2021-18-2-26-35
- Несветаев Г.В., Резван И.В. Оценка прочности трубобетона // Фундаментальные исследования. 2011. № 12–3. С. 580–583. EDN: OVXWDB
- Wang Z.B., Tao Z., Han L.H., Uy B., Lam D., Kang W.H. Strength, stiffness and ductility of concrete-filled steel columns under axial compression // Engineering Structures. 2017. № 135. P. 209–221. https://doi.org/10.1016/j.engstruct. 2016.12.049
- Кришан А.Л., Римшин В.И., Рахманов В.А., Трошкина Е.А., Курбатов В.Л. Несущая способность коротких трубобетонных колонн круглого сечения // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. № 4(370). С. 220–225. EDN: NOYQNT
- Лапшин А.А., Хазов П.А., Кожанов Д.А., Лихачева С.Ю. Оценка прочности и устойчивости композитных сталежелезобетонных элементов с совместным применением стержневых и твердотельных расчетных моделей // Приволжский научный журнал. 2021. № 3. С. 9–16.
- Канищев Р.А. Анализ местной устойчивости трубобетонных конструкций прямоугольного сечения // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 4(64). С. 59–68. EDN: RKFLGL Kanishchev R.A. Analysis of local stability of rectangular concrete filled steel tubes. Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 4(64). P. 59–68. https://doi.org/10.5862/MCE.64.6
- Мансурова А.Р. Расчет трубобетонных колонн высотного здания и их сравнение с железобетонными конструкциями // Молодой ученый. 2018. № 52 (238). С. 20–23. URL: https://moluch.ru/archive/238/55166/ (дата обращения: 02.10.2022)
- Хашхожев К.Н. Определение предельной нагрузки для центрально сжатых трубобетонных колонн на основе деформационной теории пластичности бетона // Инженерный вестник Дона. 2021. № 8. С. 408–414. EDN: WOXBVI
- Snigireva V.A., Gorynin G.L. The nonlinear stress-strain state of the concrete-filled steel tube structures// Magazine of Civil Engineering. 2018. № 7. С. 408–414. https://doi.org/10.18720/MCE.83.7
- Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Трубобетонные конструкции для возведения каркасных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2016. № 2. С. 113–118. EDN: WFFVFL
- Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С. О проблеме расчета трубобетонных конструкций с оболочкой из разных материалов. Часть 2. Расчет трубобетонных конструкций с металлической оболочкой // Науковедение. 2015. Т. 7. № 4. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/112TVN415.pdf (дата обращения: 15.09.2022).
- Krishan A.L., Shubin I.L., Rimshin V.I., Astafeva M.A., Stupak A.A. Compressed Reinforced Concrete Elements Bearing Capacity of Various Flexibility // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Vol. 182. P. 283–291. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85236-8_26
- Брагов А.М., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Баландин В.В. Оценка радиальной деформации образца на основе теоретико-экспериментального анализа методики динамических испытаний материалов в жесткой обойме // Проблемы прочности и пластичности. 2016. Т. 78. № 4. С. 378–387. DN: XEGSMV
- He Z., Song Y. Triaxial strength and failure criterion of plain high-strength and high-performance concrete before and after high temperatures // Cement and Concrete Research. 2010. Vol. 40. Is. 1. Р. 171–178. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.08.024
- Карпенко Н.И., Корсун В.И., Карпенко С.Н., Анущенко А.М. Критерий прочности бетона при трехосном сжатии // Приволжский научный журнал. 2022. № 4 (64). С. 8–16. EDN: IRGIPX
Дополнительные файлы










