Введение 6
Глава 1 9
1. Обзор литературы. Постановка задачи исследования 10
1.1. Основные понятия и терминология 10
1.2. Обзор литературы 11
1.2.1. Общие сведения 11
1.2.2. Обзор исследований работы стыка колонны без капители с плоской
плитой перекрытия 12
1.2.3. Обзор конструктивных решений стыка колонны без капители с
плоской плитой перекрытия 14
1.3. Основные классификации плоских плит перекрытий 22
1.3.1. Классификация конструктивных решений безбалочных перекрытий 2 22
1.3.2. Классификация распределительных систем 25
1.4. Обзор систем автоматизированного проектирования, применяемых для
расчетов в строительстве 31
1.5. Методика расчета при конечно-элементном моделировании в
программном комплексе SCAD 36
1.6. Методы расчёта 42
1.6.1. Метод расчета по допускаемым напряжениям 42
1.6.2. Расчет сечений по разрушающим нагрузкам 43
1.6.3. Метод расчета по предельным состояниям 43
1.7. Существующие документы по расчету 44
1.8. Выводы по главе. Постановка задачи исследования 47
Глава II 49
2. Аналитическое исследование 50
2.1. Цель проводимых исследований 50
2.2. Экспериментальная модель 50
2.3. Последовательность действий для решения поставленной задачи 52
2.4. Расчет плиты на продавливание 53
2.4.1. Основные положения расчёта 53
2.4.2. Расчёт плоской плиты перекрытия на продавливание 56
2.5. Выбор варианта дополнительного армирования узла 57
2.5.1. Формирование расчетной модели 57
2.5.2. Исходные данные для расчета 59
2.5.3. Определение допустимых напряжений в узле 64
2.5.4. Определение напряжений в узле при действии заданной нагрузки 67
2.5.5. Определение напряжений в узле с жёсткой арматурой при действии
заданной нагрузки. Вариант №1 72
2.5.6. Определение напряжений в узле с жёсткой арматурой при действии
заданной нагрузки. Вариант №2 75
2.5.7. Определение напряжений в узле с жёсткой арматурой при действии
заданной нагрузки. Вариант №3 79
2.5.8. Анализ полученных результатов 83
2.6. Определение геометрических параметров зоны дополнительного армирования 84
2.6.1. Определение границ зоны теоретического обрушения. Расчет плиты на
продавливание 85
2.6.1.1. Основные положения расчёта 85
2.6.1.2. Расчёт длины элементов жёсткой арматуры для рассматриваемой 87
задачи
2.6.2. Проверка длины элементов жёсткой арматуры в узле средствами ПК
SCAD 88
2.6.2.1. Проверка напряжений в новом расчётном сечении 88
2.6.2.2. Определение напряжений, возникающих в бетоне в местах обрыва
элементов жёсткой арматуры 90
2.6.2.3. Определение фактической длины жёсткой арматуры в узле 96
2.6.3. Анализ полученных результатов 97
2.7. Конструирование закладной детали из жёсткой арматуры в узле
сопряжения колонны и плиты перекрытия 98
2.7.1. Особенности использования жёсткой арматуры 98
2.7.2. Предлагаемое конструктивное решение 98
2.7.3. Проверка работы предложенной закладной детали 100
2.7.4. Сцепление металлических пластин и бетона в узле 102
Глава III 103
Заключение 104
Список использованных источников 108
В настоящее время приоритетным направлением в строительстве является возведение жилых и административных многоэтажных зданий. В нашей стране значительную долю в жилищном строительстве составляют монолитные железобетонные здания с безбалочными перекрытиями. Это обусловлено тем, что данное решение обеспечивает возможность строительства зданий любой конфигурации в плане, с различными объемно-планировочными решениями. Возведение зданий из монолитного железобетона позволяет избежать монтажных стыков в несущих конструкциях и повысить их жесткость.
Одним из вопросов при проектировании монолитных железобетонных конструкций является расчет и конструирование стыков колонн с плоскими перекрытиями. С конструктивной точки зрения данные узловые сопряжения являются «слабым местом» в каркасе здания из-за небольшой толщины плиты перекрытия и насыщенности её продольной и поперечной арматурой.
Исследованиями конструкций стыков колонн с перекрытиями в железобетонном каркасе в разное время занимались такие ведущие научноисследовательские, проектные и учебные заведения России и стран ближнего зарубежья, как НИИЖБ, ЦНИИПС, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, Харьковский ПромстройНИИпроект, Санкт-Петербургский, Пензенский, Самарский и другие инженерно-строительные вузы.
Разработкой и исследованиями стыков колонн с перекрытиями в железобетонном безбалочном каркасе занимались такие исследователи, как Лолейт А.Ф., Залесов А.С., Карпенко Н.И., Кукша Л.Л., Дорфман А.Э., Левонтин Л.Н., Мурашкин Г.В., Пыжов Ю.К., Fischer J., Grimm R., Leonhardt F., Walter R. и др.
Следует отметить, что действующие в настоящее время нормативные документы были разработаны несколько десятилетий назад, когда конструктивные системы с плоскими плитами перекрытий имели ограниченное применение в отечественной практике строительства. Недостаток теории подкрепляется очень скудными экспериментальными данными на практике.
Вопросам применения современных программных комплексов для решения таких задач не уделялось достаточно внимания. В нормативной документации не рассматриваются возможности расчёта железобетонных конструкций методом конечных элементов.
Задачи исследования
- обзор методик расчета узла сопряжения колонны с бескапительным безбалочным перекрытием;
- определение последовательности действий при формировании численной модели исследуемого узла конструкции;
- анализ результатов автоматизированного расчёта модели и расчёта узла на продавливание по методике, представленной в действующих нормах;
о выбор варианта дополнительного армирования узла с использованием жёсткой арматуры;
о обоснование нового контура, по которому возможно продавливание в узле при введении жёсткой арматуры;
о выполнение расчета для определения зависимости геометрических параметров жёсткой арматуры в зоне опирания плиты на колонну для исключения продавливания при действии внешней нагрузки;
о выполнение расчёта в SCAD для проверки полученных результатов;
о определение рационального конструктивного решения узла.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем
о Разработана новая численная модель приопорной зоны плиты перекрытия;
о определена зависимость геометрических параметров жёсткой арматуры в узле сопряжения колонны и плиты перекрытия от внешней нагрузки;
о предложено рациональное конструктивное решение узла с применением в качестве жёсткой арматуры четырёх пластин, изогнутых под 90° и расположенных в углах колонны.
Оценка достоверности и обоснованности научных результатов и выводов
Достоверность научных результатов и основных выводов подтверждается использованием в расчётах интегрированных систем анализа конструкций методом конечных элементов, согласованных с НИИЖБ и рекомендованных нормами.
Научная новизна
Вопросам применения современных программных комплексов для решения задач по расчету узла сопряжения колонны с безбалочным бескапительным перекрытием в последнее время не уделялось достаточно внимания. В настоящий момент в РФ решения упомянутой инженерной проблемы нет, поскольку на момент проведения более ранних исследований задача в такой форме не ставилась.
В данной работе рассмотрен стык колонны и плоской монолитной плиты перекрытия. Сформирована математическая модель рассматриваемой конструкции. Инструментом исследования стал метод конечных элементов (МКЭ/FEM).
Значение полученных результатов для теории
Полученные зависимости могут быть использованы для дальнейших исследований узла сопряжения колонны с плоской плитой перекрытия в монолитном железобетонном каркасном здании.
Значение полученных результатов для практики
Результаты работы имеют практическую значимость для выбора рациональной конструкции узла сопряжения колонны с плоской плитой перекрытия в монолитном железобетонном каркасном здании.
Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования
Результаты работы рекомендуется использовать при проектировании узла сопряжения колонны с плоской плитой перекрытия в монолитном железобетонном каркасном здании.
В настоящее время в России по технологии монолитного бетонирования возводится по разным оценкам до 65% всех новых зданий. Возведение зданий из монолитного железобетона позволяет избежать монтажных стыков в несущих конструкциях и повысить их жесткость. Практически в каждом здании, возведённом по такой технологии, встречаются элементы монолитной безбалочной плиты перекрытия, опирающейся на колонны без капителей. Возросшая его популярность объясняется многими причинами. Это обусловлено тем, что данное решение обеспечивает возможность строительства зданий любой конфигурации в плане, с различными объемно-планировочными решениями. В современных условиях практически для каждого участника процесса строительства, от заказчика-инвестора до конечного покупателя, такая конструкция является выгодным решением, имеющим много преимуществ перед возможными альтернативами. Особенно часто такая конструкция применяется при строительстве различных общественных зданий: бизнес центров, развлекательных и торговых центров. Инженеры-проектировщики достаточно часто сталкиваются с расчётом и конструированием плоских плит перекрытий. Особую сложность в такой конструкции представляет стык колонны и плиты перекрытия. Затруднения возникают как при расчете плит перекрытий, так и при обеспечении экономической эффективности проектного решения, поскольку большой расход арматуры в таких плитах перекрытий всегда является проблемой.
Исследованиями конструкций стыков колонн с плитами перекрытий в железобетонном монолитном здании каркасного типа в разное время занимались такие ведущие научно-исследовательские, проектные и учебные заведения России и стран ближнего зарубежья, как НИИЖБ, ЦНИИПС, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, СПиЗНИИПИ (бывший ЛенЗНИИЭП), Уральский Промстройниипроект, СибЗНИИЭП, ЛатНИИстроительства, Харьковский ПромстройНИИпроект, Санкт-Петербургский, Пензенский,Самарский, Новосибирский. Томский, Красноярский и другие инженерностроительные вузы.
Разработкой и исследованиями стыков колонн с перекрытиями в железобетонном безбалочном каркасе занимались такие исследователи, как Лолейт А.Ф., Залесов А.С., Карпенко Н.И., Кукша Л.Л., Анпилов С.М., Васильев П.И., Власов В.В., Гвоздев А.А., Голышев А.Б., Дорфман А.Э., Качановский С.Г., Клевцов В.А., Крылов С.М., Левонтин Л.Н., Мурашкин Г.В., Пыжов Ю.К., Штаерман М.Я., Щепотьев А.С, Fischer J., Grimm R., Konig G., Leonhardt F., Walter R. и др. В СССР исследованиями в этой области занимались такие учёные, как проф. Карпенко Н.И., проф. Залесов А.С., проф. Рочняк О.А., проф. Васильев П.И. [32].
Неоценимый вклад в развитие МКЭ в строительной механике и теории упругости, как инструмента решения проблемы, внёс Розин Л.А. Работы в этом направлении продолжаются и в настоящее время, в том числе и профессорами СПбГПУ Беловым В.В. и Лалиным В.В.
Вопросам применения современных программных комплексов для решения таких задач не уделялось достаточно внимания. В нормативной документации отсутствуют методики расчёта узла стыка рассматриваемых элементов с учётом современных расчётных комплексов.
Цель проводимых исследований заключалась в разработке метода моделирования узла сопряжения колонны и плиты перекрытия с жёсткой арматурой, а также разработка конструктивных решений узла с жёсткой арматуры в узле для исключения продавливания плиты.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
о определена последовательности действий при формировании численной модели исследуемого узла конструкции;
о произведён сравнительный анализ результатов автоматизированного расчёта модели и расчёта узла на продавливание по методике, представленной в действующих нормах; о выбран варианта дополнительного армирования узла с использованием жёсткой арматуры;
о обоснован новый контур, по которому возможно продавливание в узле при введении жёсткой арматуры;
о определена зависимость геометрических параметров жёсткой арматуры в зоне опирания плиты на колонну для исключения продавливания при действии внешней нагрузки;
о произведён расчёт в SCAD для проверки полученных результатов; о определено рациональное конструктивное решение узла.
Объектом исследования в данной работе выступает стык колонны и плоской плиты перекрытия. Для решения поставленной задачи формируется расчётная оболочечно-стержневая модель трёхэтажного здания. Несущей системой здания является каркас с плоскими плитами перекрытий. Исследуемый узел уточняется при помощи объёмных конечных элементов с учётом реального расположения стержневой и жёсткой арматуры. Основными исходными параметрами при решении поставленной задачи были шаги колонн в двух направлениях, количество этажей в здании, высота этажей, жесткостные характеристики элементов конструкции. Искомыми параметрами являлись: количество жёсткой арматуры в узле и её длина.
По итогам проделанных исследований проведен анализ полученных результатов и получены следующие выводы:
о периметр контура расчётного сечения, по которому возможно продавливание в узле при введении жёсткой арматуры в виде четырёх пластин отличен от расчётного сечения без жёсткой арматуры; о предложена формула для определения периметра контура нового расчётного сечения:
о предложена удобная с точки зрения конструктивного исполнения закладная деталь, которая может быть установлена в узел сопряжения колонны и плиты перекрытия для исключения продавливания.
Предложенная методика может быть применена при расчётах аналогичных узлов, отличающихся исходными параметрами. После проведения значительного количества расчётов возможно получение простых расчётных зависимостей для подбора жёсткой арматуры в узле, не требующих детальных исследований в программных комплексах.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
