Оценка напряженно-деформированного состояния каркаса сборно-монолитного здания с учетом поэтапности монтажа и загружения
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Современное состояние и перспективы существования конструктивных
систем сборно-монолитного домостроения 9
1.1 Обзор существующих конструктивных решений сборно- монолитных и
монолитных каркасов 9
1.2 Обзор существующих исследований конструкций сборно-монолитных
зданий 18
1.3 Выводы по главе 1 23
2 Экспериментальные исследования НДС сборно-монолитных плоских
рам 25
2.1. Общие сведения 25
2.2. Экспериментальные модели 25
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 30
2.4. Методика определения напряженно-деформированного состояния
опытных образцов 37
2.5. Результаты испытаний опытных образцов 37
2.5.1. Прогибы 38
2.5.2. Трещины 41
2.5.3 Деформации бетона (сборного и монолитного) 45
2.6 Выводы 50
3 Численные исследования НДС сборно-монолитных плоских рам 52
3.1 Формулировка задач численных исследований 52
3.2 Основные теоретические положения 52
3.3 Параметры расчетной модели сборно-монолитной рамы 54
3.3.1 Диаграммы деформирования материалов 55
3.4 Анализ перемещений рамы 58
3.5 Анализ НДС бетона верхней (монолитной), нижней (сборной) части
сборно-монолитных рам и продольной арматуры 65
3.6 Выводы по главе 3 74
4 Сравнительный анализ результатов численных расчетов в ПК Lira с натурными испытаниями 75
4.1 Вертикальные перемещения 75
4.2 Относительные деформации 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82
1 Современное состояние и перспективы существования конструктивных
систем сборно-монолитного домостроения 9
1.1 Обзор существующих конструктивных решений сборно- монолитных и
монолитных каркасов 9
1.2 Обзор существующих исследований конструкций сборно-монолитных
зданий 18
1.3 Выводы по главе 1 23
2 Экспериментальные исследования НДС сборно-монолитных плоских
рам 25
2.1. Общие сведения 25
2.2. Экспериментальные модели 25
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 30
2.4. Методика определения напряженно-деформированного состояния
опытных образцов 37
2.5. Результаты испытаний опытных образцов 37
2.5.1. Прогибы 38
2.5.2. Трещины 41
2.5.3 Деформации бетона (сборного и монолитного) 45
2.6 Выводы 50
3 Численные исследования НДС сборно-монолитных плоских рам 52
3.1 Формулировка задач численных исследований 52
3.2 Основные теоретические положения 52
3.3 Параметры расчетной модели сборно-монолитной рамы 54
3.3.1 Диаграммы деформирования материалов 55
3.4 Анализ перемещений рамы 58
3.5 Анализ НДС бетона верхней (монолитной), нижней (сборной) части
сборно-монолитных рам и продольной арматуры 65
3.6 Выводы по главе 3 74
4 Сравнительный анализ результатов численных расчетов в ПК Lira с натурными испытаниями 75
4.1 Вертикальные перемещения 75
4.2 Относительные деформации 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82
Актуальность темы исследования. В настоящее время сборно-монолитное домостроение пользуется всё большей популярностью, что выражается в существенном приросте удельной доли данного вида строительства на фоне общей массы возводимых зданий. Такое развитие является вполне логичным и ожидаемым, так как сборно-монолитный каркас здания представляется более гибкой строительной системой. На сегодняшний день сборно-монолитное домостроение актуально по следующим причинам:
- сборно-монолитные здания подходят для применения в многообразных климатических условиях России, в том числе и холодных. Важной составляющей в этом является возможность хотя бы временного, но отдельного существования сборной части от монолитной, что позволяет при неблагоприятных условиях окружающей среды, выполнить только лишь работы по монтажу сборных конструкций. При этом часть каркаса, образованная только лишь сборными элементами, способна самостоятельно воспринимать монтажные нагрузки. С момента возникновения благоприятных условий для бетонных работ, происходит укладка монолитного бетона с последующим набором прочности;
- возможность разделения и отдельности существования сборного железобетона от монолитного в процессе монтажа (что в настоящее время не делается);
- возможность снижения массы конструкций сборно-монолитного каркаса, за счёт применения монолитного бетона с меньшим удельным весом, а также применения сборной конструкции с меньшей массой за счёт возможностей завода ЖБИ создавать конструкции сложного поперечного сечения;
- возможность создавать перекрытия с улучшенными тепло- и звукоизоляционными свойствами за счёт применения монолитного бетона с лучшими тепло- и звукоизоляционными свойствами.
Известные и порой трудно решаемые недостатки отдельно сборной или монолитной строительных систем, достаточно просто могут быть решены при возведении зданий и сооружений из сборно-монолитного железобетона. Интенсивность роста популярности системы неизбежно привела к потребности в разработки оптимальных конструктивных сборно-монолитных каркасов и одновременному интересу к получению новых опытных данных, учитывающих все предлагаемые современными строителями нововведения. Многие учёные проводили различные исследования по изучению особенностей напряжённо- деформированного состояния сборно-монолитных конструкций, причём исследования проводились как на зданиях или фрагментов зданий, рассматривая особенности деформирования здания в целом [1,2, 26, 28, 29], так и на отдельных конструктивных его элементах [5, 6, 12, 13, 16]. Кроме того, инженеры и учёные активно разрабатывают всё более эффективные строительные системы сборно-монолитных каркасных зданий [15, 17...21, 25, 26], включая и конструктивные системы выполняемые с использованием технологии несъёмной опалубки.
После проведённых исследований конструкций из сборно-монолитного каркаса, а также изучения опыта данного вида строительства, было сделано заключение о том, что на данный момент имеется относительно мало исследований, посвящённых совместному деформированию сборного тяжёлого и монолитного лёгкого бетонов. Вместе с тем, такая комбинация бетонов является достаточно перспективной. При проектировании сборно- монолитных зданий существуют моменты, требующие особого внимания. Так как они очень трудоемки в процессе моделирования, а также требуют определенного понимания и осознания для грамотного учета в расчетной схеме, но многие проектировщики пренебрегают ими. К таким факторам следует, отнести нелинейность деформирования конструкции, причем кроме физической и геометрической нелинейности нужно отметить ещё и генетическую, т.е. нелинейность деформирования конструкции в результате изменения НДС в процессе монтажа.
Цель исследования: оценка напряжённо-деформированного состояния каркаса сборно-монолитной конструкции с учётом предыстории процесса монтажа и поэтапности загружения статическими нагрузками.
Для достижения поставленных целей определенны и сформулированы следующие задачи:
- Проанализировать современное состояние и перспективы существующих конструктивных систем сборно-монолитного домостроения;
- Изучить основные вопросы влияния накопленных напряжений и деформаций на НДС конструкции на последующих этапах существования;
- Испытания жестко защемленных двухэтажных двухпролетных сборно-монолитных рам, монтируемых с имитацией процесса монтажа тс целью оценки изменения НДС изгибаемого элемента по мере нагружения;
- Получение экспериментальных результатов и их анализ.
Научную новизну составляют:
- результаты экспериментальных исследований несущей способности и деформативности железобетонных сборно-монолитных рамных элементов с учетом предыстории нагружений, свойств материалов и податливости шва контакта между сборным и монолитным бетонами.
- установленные опытным путем закономерности изменения НДС, образования и развития трещин железобетонных сборно- монолитных рам, сборная часть которых выполнена из тяжелого бетона В25 и легкого конструкционного бетона В15, являющегося составляющей монолитной части.
- новые результаты экспериментальных исследований
железобетонных сборно-монолитных изгибаемых элементов, в которых в качестве монолитного бетона применяется легкий монолитный бетон класса В15, обеспечивая тем самым уменьшение собственного веса элемента, и как следствие и уменьшение нагрузок на фундаменты и другие конструктивные элементы здания.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования состоит в дополнении и развитии проектирования сборно-монолитных зданий и сооружений, ключевые выводы и результаты данного исследования могут быть использованы для решения теоретических и практических проблем в конкретной области строительства.
Практическая значимость работы заключается в доведении результатов исследования до конкретных рекомендаций по возможному практическому использованию при проектировании и создании железобетонных конструкций сборно-монолитного каркаса зданий. Основные научно-практические результаты работы носят научно-прикладной характер и могут быть использованы в деятельности строительных организаций, проектных институтов, а также заводов по производству строительных конструкций.
Апробация и внедрение результатов исследований. Основные результаты дипломной работы докладывались и обсуждались в рамках международных и всероссийских конференций: «Проспект Свободный - 2020» СФУ (Россия, г. Красноярск, 2020 г.),
Структура и объем научного исследования. Дипломная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы - 96 страниц, в том числе 51 рисунок, 14 формул, список источников содержит 53 наименования.
- сборно-монолитные здания подходят для применения в многообразных климатических условиях России, в том числе и холодных. Важной составляющей в этом является возможность хотя бы временного, но отдельного существования сборной части от монолитной, что позволяет при неблагоприятных условиях окружающей среды, выполнить только лишь работы по монтажу сборных конструкций. При этом часть каркаса, образованная только лишь сборными элементами, способна самостоятельно воспринимать монтажные нагрузки. С момента возникновения благоприятных условий для бетонных работ, происходит укладка монолитного бетона с последующим набором прочности;
- возможность разделения и отдельности существования сборного железобетона от монолитного в процессе монтажа (что в настоящее время не делается);
- возможность снижения массы конструкций сборно-монолитного каркаса, за счёт применения монолитного бетона с меньшим удельным весом, а также применения сборной конструкции с меньшей массой за счёт возможностей завода ЖБИ создавать конструкции сложного поперечного сечения;
- возможность создавать перекрытия с улучшенными тепло- и звукоизоляционными свойствами за счёт применения монолитного бетона с лучшими тепло- и звукоизоляционными свойствами.
Известные и порой трудно решаемые недостатки отдельно сборной или монолитной строительных систем, достаточно просто могут быть решены при возведении зданий и сооружений из сборно-монолитного железобетона. Интенсивность роста популярности системы неизбежно привела к потребности в разработки оптимальных конструктивных сборно-монолитных каркасов и одновременному интересу к получению новых опытных данных, учитывающих все предлагаемые современными строителями нововведения. Многие учёные проводили различные исследования по изучению особенностей напряжённо- деформированного состояния сборно-монолитных конструкций, причём исследования проводились как на зданиях или фрагментов зданий, рассматривая особенности деформирования здания в целом [1,2, 26, 28, 29], так и на отдельных конструктивных его элементах [5, 6, 12, 13, 16]. Кроме того, инженеры и учёные активно разрабатывают всё более эффективные строительные системы сборно-монолитных каркасных зданий [15, 17...21, 25, 26], включая и конструктивные системы выполняемые с использованием технологии несъёмной опалубки.
После проведённых исследований конструкций из сборно-монолитного каркаса, а также изучения опыта данного вида строительства, было сделано заключение о том, что на данный момент имеется относительно мало исследований, посвящённых совместному деформированию сборного тяжёлого и монолитного лёгкого бетонов. Вместе с тем, такая комбинация бетонов является достаточно перспективной. При проектировании сборно- монолитных зданий существуют моменты, требующие особого внимания. Так как они очень трудоемки в процессе моделирования, а также требуют определенного понимания и осознания для грамотного учета в расчетной схеме, но многие проектировщики пренебрегают ими. К таким факторам следует, отнести нелинейность деформирования конструкции, причем кроме физической и геометрической нелинейности нужно отметить ещё и генетическую, т.е. нелинейность деформирования конструкции в результате изменения НДС в процессе монтажа.
Цель исследования: оценка напряжённо-деформированного состояния каркаса сборно-монолитной конструкции с учётом предыстории процесса монтажа и поэтапности загружения статическими нагрузками.
Для достижения поставленных целей определенны и сформулированы следующие задачи:
- Проанализировать современное состояние и перспективы существующих конструктивных систем сборно-монолитного домостроения;
- Изучить основные вопросы влияния накопленных напряжений и деформаций на НДС конструкции на последующих этапах существования;
- Испытания жестко защемленных двухэтажных двухпролетных сборно-монолитных рам, монтируемых с имитацией процесса монтажа тс целью оценки изменения НДС изгибаемого элемента по мере нагружения;
- Получение экспериментальных результатов и их анализ.
Научную новизну составляют:
- результаты экспериментальных исследований несущей способности и деформативности железобетонных сборно-монолитных рамных элементов с учетом предыстории нагружений, свойств материалов и податливости шва контакта между сборным и монолитным бетонами.
- установленные опытным путем закономерности изменения НДС, образования и развития трещин железобетонных сборно- монолитных рам, сборная часть которых выполнена из тяжелого бетона В25 и легкого конструкционного бетона В15, являющегося составляющей монолитной части.
- новые результаты экспериментальных исследований
железобетонных сборно-монолитных изгибаемых элементов, в которых в качестве монолитного бетона применяется легкий монолитный бетон класса В15, обеспечивая тем самым уменьшение собственного веса элемента, и как следствие и уменьшение нагрузок на фундаменты и другие конструктивные элементы здания.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования состоит в дополнении и развитии проектирования сборно-монолитных зданий и сооружений, ключевые выводы и результаты данного исследования могут быть использованы для решения теоретических и практических проблем в конкретной области строительства.
Практическая значимость работы заключается в доведении результатов исследования до конкретных рекомендаций по возможному практическому использованию при проектировании и создании железобетонных конструкций сборно-монолитного каркаса зданий. Основные научно-практические результаты работы носят научно-прикладной характер и могут быть использованы в деятельности строительных организаций, проектных институтов, а также заводов по производству строительных конструкций.
Апробация и внедрение результатов исследований. Основные результаты дипломной работы докладывались и обсуждались в рамках международных и всероссийских конференций: «Проспект Свободный - 2020» СФУ (Россия, г. Красноярск, 2020 г.),
Структура и объем научного исследования. Дипломная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы - 96 страниц, в том числе 51 рисунок, 14 формул, список источников содержит 53 наименования.
Сборно-монолитный железобетон обладает важной, присущей только ему особенностью, которая заключается в его «разножесткой послойности», приводящей к сложному НДС конструкции в силу изменения жесткости сечения, а возможно, и расчетной схемы конструкции, по мере набора монолитным бетоном прочности, происходящего на фоне загруженной сборной части ригеля.
Изменение расчетной схемы в процессе возведения происходит также при «объединении» ригеля слоем включающегося в работу монолитного бетона, из-за чего он начинает работать, как неразрезная многопролетная балка, что объясняет характер возникающих в конструкции трещин и напряжений на втором этапе загружения.
Неучет при расчете сборно-монолитных конструкций генетической нелинейности способен существенно исказить реальные усилия как значений, так и картины их распределения, привести к переармированию одних сечений и недоармированию других с соответствующими последствиями.
Другой отличительной чертой сборно-монолитных конструкций является меньшая жесткость конструкций на первом этапе возведения, чем на втором. Для улучшения характеристики конструкции до замоноличивания возможно применение преднапряженных сборных конструкций.
Учет в аналитических расчетах сборно-монолитных конструкций процесса монтажа позволяет получить более точную аналитическую картину деформаций, в данной работе расхождение численных и экспериментальных данных составило менее 10%.
Изменение расчетной схемы в процессе возведения происходит также при «объединении» ригеля слоем включающегося в работу монолитного бетона, из-за чего он начинает работать, как неразрезная многопролетная балка, что объясняет характер возникающих в конструкции трещин и напряжений на втором этапе загружения.
Неучет при расчете сборно-монолитных конструкций генетической нелинейности способен существенно исказить реальные усилия как значений, так и картины их распределения, привести к переармированию одних сечений и недоармированию других с соответствующими последствиями.
Другой отличительной чертой сборно-монолитных конструкций является меньшая жесткость конструкций на первом этапе возведения, чем на втором. Для улучшения характеристики конструкции до замоноличивания возможно применение преднапряженных сборных конструкций.
Учет в аналитических расчетах сборно-монолитных конструкций процесса монтажа позволяет получить более точную аналитическую картину деформаций, в данной работе расхождение численных и экспериментальных данных составило менее 10%.