Введение 5
1. Возведение монолитных безригельных каркасов в построечных условиях. Постановка
задачи исследования 11
1.1. Классификация плит перекрытий и каркасов зданий 11
1.2. Технология строительства на базе преднапряженных железобетонных конструкций
12
1.3. Применение предварительного напряжения арматуры 15
1.4. Возможные методы решения задачи создания безригельного постнапряженного
каркаса с плоским перекрытием 20
1.4.1. Методы моделирования и расчета постнапряженных железобетонных конструкций
20
1.4.2. Численные исследования 22
1.4.3. Метод конечных элементов 24
1.5. Выводы по главе. Постановка задачи исследования 29
2. Моделирование монолитных безригельных преднапряженных каркасов с натяжением
арматуры в построечных условиях в ПК SCAD 32
2.1. Безригельный каркас. Основные параметры 32
2.1. Модели перекрытий и каркасов с преднапряженной арматурой и без неё 34
2.3.1. Плиты перекрытий 35
2.3.2. Модели безригельных каркасов с плоским перекрытием 52
2.2. Расчет конструкций каркасов 52
2.4.1. Каркас 6х6 м без напряженной арматуры 53
2.4.2. Каркас 6х6 м с напряженной арматурой 61
2.4.3. Каркас 7.5х7.5 м без напряженной арматуры 70
2.4.4. Каркас 7.5х7.5 м с напряженной арматурой 77
2.4.5. Каркас 9х9 м без напряженной арматуры 87
2.4.6. Каркас 9х9 м с напряженной арматурой 94
2.4. Исследование моделей безригельных каркасов с плоским перекрытием 104
2.4. Сравнение результатов расчета с нормативными 107
2.5. Выводы по главе 110
3. Конструктивные требования и решения безригельных постнапряженных каркасов.
Внедрение результатов 112
3.1. Конструктивные требования 112
3.1.1. Общие требования 112
3.1.2. Анкеровка напрягаемой арматуры 114
3.1.3. Анкеровка ненапрягаемой арматуры 115
3.1.4. Анкеровка концов напрягаемой арматуры 117
3.1. Конструктивные решения 118
3.2.1. Армирование плиты перекрытия 6х6 без напряженной арматуры 119
3.2.2. Армирование плиты перекрытия 6х6 с напряженной арматурой 120
3.2.3. Армирование каркаса 6х6 м без напряженной арматуры 121
3.2.4. Армирование каркаса 6х6 м с напряженной арматурой 123
3.2.5. Армирование каркаса 7,5х7,5 без наряженной арматуры 125
3.2.6. Армирование каркаса 7,5х7,5 с напряженной арматурой 127
3.2.7. Армирование каркаса 9х9 без наряженной арматуры 131
3.2.8. Армирование каркаса 9х9 с напряженной арматурой 133
Заключение 136
Список использованных источников 139
Актуальность работы
Строительная индустрия России, а в прошлом СССР, относилась к инновационно малоразвитым отраслям экономики. Но, несмотря на инертность и консерватизм строительной сферы, внедрение инноваций способно обеспечить динамичное развитие отрасли. Инновации обусловливают прогрессивные изменения, в первую очередь, за счёт снижения стоимости и сроков строительства, повышения качества возводимых объектов, комфортности проживания и эксплуатации.
В настоящее время усиливается тенденция повышения доли монолитных конструкций в общем объеме строительных работ. Мировая практика строительства показывает, что на сегодняшний день из существующих технологий возведения зданий и сооружений наиболее перспективным является именно монолитное строительство.
Однако наряду с этим, в монолитном строительстве наблюдается рост себестоимости из-за перерасхода материальных ресурсов, повышение трудоёмкости процессов и спад темпов строительства. Эти негативные факторы являются следствием применения необоснованных, зачастую морально устаревших технологических способов возведения зданий, неудачных конструктивных решений, отсутствия точности в проектировании, грамотной организации производственного цикла и необходимой подготовки строителей.
Многие из перечисленных недостатков монолитного строительства представляется возможным устранить за счёт применения прогрессивных строительных технологий и современных конструктивных схем возведения зданий, предполагающих использование предварительно напряженных арматурных элементов.
Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся во время изготовления, путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части или всего бетона).
При проектировании подобных конструкций основополагающим является определение усилий отпора каната (эффект вывешивания), который определятся в зависимости от пролета, величины усилия натяжения в канате и формы раскладки каната. В дальнейшем отпор каната прикладывается к конструкции как внешняя нагрузка.
Расчет может производиться при помощи специализированного программного обеспечения, а так же при помощи традиционных программных средств путем приложения к расчетной схеме внешней нагрузки [1].
Прочность преднапряженных железобетонных конструкций не зависит от величин предварительного напряжения арматуры. Вот почему расчет на прочность любых предварительно напряженных конструкций ничем не отличается от расчета на прочность железобетонных конструкций без предварительного напряжения (расчет по I предельному состоянию). А при проверке трещиностойкости (расчет по II предельному состоянию) силы обжатия являются внешними силами наряду с внешней полезной нагрузкой [2, 3].
Новые технологии в строительстве позволяют осуществлять обжатие бетона в преднапряженных конструкциях на заданную величину посредством натяжения арматурных элементов [4], стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, или без сцепления арматуры с бетоном [5] - специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.
В следствии, трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 - 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона [6].
Анализ имеющихся статей и публикаций по этой теме показывает, что результатов по исследованию преднапряженных монолитных каркасов не достаточно. При этом отсутствуют вариации расчета данных задач при использовании ПК с применением метода конечных элементов.
Задачи исследования
Получить наиболее точную картину напряженно-деформируемого состояния конструкции с преднапряжением и без преднапряжения возможно при помощи конечно-элементного моделирования.
В связи с этим основной задачей данного исследования является разработка концепции и построение конечно-элементных моделей безригельных постнапряженных каркасов (БПК) с плоским перекрытием ВК SCAD, адекватно описывающую физическую сущность данных каркасов. Кроме того необходимо произвести исследование поведения модели конструкции с целью установления зависимостей от изменения внешних и внутренних параметров. Сравнительная оценка данных моделей с каркасами без преднапряжения. Построение зависимостей: толщины перекрытия,
расхода бетона и арматуры в каркасе здания от длины пролета при применении обычного и преднапряженного железобетон .
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем
Построение и разработка моделей постнапряженных монолитных безригельных каркасов в ВК SCAD, исследована работа данных каркасов, выведены зависимости.
Научная новизна
Предложенные модели позволяют более точно исследовать работу постнапряженных каркасов, используя ПК.
Значение полученных результатов для теории
Полученные результаты и зависимости могут использоваться для дальнейших исследований в области предварительно-напряженных монолитных конструкций.
Достоверность
Достоверность полученных результатов базируется на теоретических материалах, подтвержденных результатами практического внедрения в производство и опыта зарубежного строительства.
Значение полученных результатов для практики
Результаты работы имеют практическую значимость для проектирования монолитных железобетонных безригельных каркасах с постнапряжением.
Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования
Результаты работы рекомендуется использовать при проектировании и обосновании эффективности устройства монолитных постнапряженных конструкций.
Апробация работы
Результаты работы были представлены:
1. XXXVIII неделя науки СПБГПУ. Материалы всероссийской
межвузовской научной конференции студентов и аспирантов в качестве устного доклада. - СПб, 2009;
2. Политехнический симпозиум: Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона в качестве стендового доклада. - СПб, 2009;
3. Третий всероссийский форум студентов аспирантов и молодых ученых: Наука и инновации в технических университетах в качестве стендового доклада. - СПб, 2009.
Инновации обусловливают прогрессивные изменения, обеспечивают динамическое развитие строительной отрасли, в первую очередь, за счёт снижения стоимости и сроков строительства, повышения качества возводимых объектов, комфортности проживания и эксплуатации.
Выполненная работа посвящена созданию и исследованию таких инновационных конструкций, которые предполагают применение технологии натяжения арматурных канатов непосредственно в построечных условиях.
Работа посвящена актуальной задаче исследования конструкций с использованием постнапряжения арматуры. В пособии [1] рассматривается методика моделирования и расчета монолитного большепролетного ребристого перекрытия с использованием метода постнапряжения, но не рассматриваются проекты на основе безригельных постнапряженных каркасов.
Также в дисертации описывается применение предварительного
напряжения арматуры в качестве системы для усиления перекрытия.
Также была разработана система сталежелезобетонных перекрытий для высотных зданий которая отвечает высоким экономическим показателям: малую строительную высоту и материалоемкость, технологичность с ориентацией на отечественный опыт строительства и недостаточно высокое качество применяемых материалов. Особенностью предлагаемой системы перекрытий является то, что основной элемент системы - стальная листовая арматура, которая выполняет такие функции как: полное восприятие поперечной силы; за счет имеющихся отверстий в листах является своеобразным шаблоном при устройстве арматурных каркасов; в зоне рамных узлов создает «эффект обоймы» благодаря ограничению деформаций бетона; выполняет функции несъемной опалубки в случае необходимости применения специального бетона или дисперсного армирования при
устройстве рамного узла; уменьшения собственного веса плиты за счет установки легкобетонных вкладышей.
В связи с этим была поставлена задача о разработке метода моделирования безригельного каркаса с применением напрягаемых элементов на основе метода конечных элементов и на основе полученных результатов великих специалистов, озвученных ранее. Также создать принципиальную схему и разработать конструктивные решения безригельного каркас с плоским перекрытием, предполагающая применение технологии натяжения арматурных канатов непосредственно в построечных условиях.
В работе моделировались монолитные безригельные каркасы с напрягаемой арматурой и без таковой, с пролетами 6, 7,5 и 9 м, для получения зависимостей толщины перекрытия, расхода бетона и арматуры от величины пролета и обоснования рациональности применения такой технологической схемы, как БПК с плоским перекрытием. Армированием канатной арматурой выполняется на расстоянии половины ширины колонны от осей конструкции, с шагом 200 мм. Перед формированием моделей таких каркасов были проведены исследования на отдельных моделях плит перекрытий с напрягаемой арматурой и без нее.
Полученные результаты требуют, несомненно, экспериментальной базы, однако такая работа не была проведена из-за высокой стоимости испытаний. Тем не менее, полученные результаты не противоречат имеющимся представлениям по характеру напряженно-деформированного состояния преднапряженных конструкций и качественно соответствуют данным по расчету конструкции каркасов, рассмотренных специалистами в области поиска рациональных конструкций компании «Стефс».
2. На примере отдельных плит показана рациональность применения конструкций с напрягаемой арматурой по отношению к конструкциям без напрягаемой арматуры, а именно: уменьшение прогибов плит перекрытий, снижение толщины пит перекрытий, следовательно, расход бетона и общий вес конструкции, а также уменьшение второго по значимости показателя материалоёмкости - расхода арматурной стали.
3. На примере рассмотренных моделей монолитных каркасов,
определено, что возведение зданий и сооружений на базе БПК с плоским перекрытием дает большие преимущества перед
стандартными конструктивно-технологическими схемами
монолитного строительства: снижение расхода бетона и арматуры более чем на 20%.
4. Из построенных зависимостей толщины перекрытия, расхода бетона и арматуры от величины пролета, показано, что эффективность применения преднапряженного бетона ещё более возрастает с увеличением пролетов здания. Об этом свидетельствует усиливающееся расхождение графиков преднапряженного и обычного бетона по мере движения по оси абсцисс в сторону увеличения значений размера пролетов (слева направо).
5. Разработаны конструктивные решения безригельного каркаса с плоским перекрытием, предполагающая технологию натяжения арматурных канатов непосредственно в построечных условиях.
1. И.С. Дзюба, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов. Монолитное большепролетное ребристое перекрытие с постнапряжением. Технология и конструкции. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. 67 с.
2. Голышев А.В., Бачинский В.Я., Полищук В.П. и др. Проектирование железобетонных конструкций. Справочное пособие. Киев: Изд-во Будхвельник, 1990. 544 с.
3. СП 52-102-2004. Предварительно напряженные железобетонные конструкции./ НИИЖБ Госстроя России. М.: Изд-во Сройиздат, 2004. 300 с.
4. Мадатян С.А. Новые технологии и материалы для арматурных работ в монолитном железобетоне // Технологии бетонов. - № 3. М.: 2006, с. 52-54.
5. Черныгов Е.А. Исследование эффективности применения технологии натяжения арматуры на бетон без сцепления // Научные труды ОАО ЦНИИС (Молодые ученые в транспортной науке). М.: 2005, с. 87-95.
6. Васильев Б.Ф., Никитин И.К, Гвоздев А.А., Дмитриев С.А. Предварительно-напряженные железобетонные конструкции из тяжелого бетона. Руководство по проектированию. М.: Изд-во Стройиздат, 1977. 288 с.
7. Современные технологии эффективного строительства
//http: //www.stefs .ru/
8. Charles W. Dolan, David Darwin, Arthur H Nilson. Design of Concrete Structures. США.: Изд-во: McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2003. 896 с.
9. Franz A. Zahn, PhD, Dipl. Ing. Hans R. Ganz. Post-tensioned in buildings //http://www.vsl.net/Portals/0/vsl_techreports/PT_Buildings.pdf
10.Stefano Pampanin, Claudio Pagani, Sergio Zambelli. Cable-stayed and suspended post-tensioned solutions for precast concrete frames: the
brooklyn system
//http://ir.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/204/1/12605029_Main.pdf
11. Е.В. Кишиневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов. Усиление
железобетонных конструкций с использованием постнапряженных стрендов и композиционных материалов // Инженерно строительный журнал, №3, 2009 г. с. 29-32.
12. Ngo D., Scordelis A.C. Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Beam // ACIJournal, №3, 1967, с.152-163.
13. Nilsen A.H. Nonlinear Analysis of Reinforced Concrete by the Finite Element Method // ACI Joarnal, №9, 1968, с. 757-766.
14. Lutz L.A. Analysis of Stress in Concrete Hear a Reinforcing Bar Due To Bond and Transverse // ACI Journal, №10, 1979, с. 778-787.
15. Cedolin L., Crutzen Y.R.J., Dei Poly S. Triaxial Stress-Strain Relationship for Concrete // J. Eng. Mech. Div. ASCE, EM3, 1977, с. 423-439.
16. Карпиловский В.С., Криксунов Э.З., Маляренко А.А., Перельмутер А.В., Перельмутер М.А. Вычислительный комплекс SCAD. М.: Изд-во АСВ, 2007. с. 19-58.
17. Группа SCAD Soft //http://www.scadgroup.com/
18.Черныгов Е.А. Исследование эффективности применения технологии натяжения арматуры на бетон без сцепления // Научные труды ОАО ЦНИИС (Молодые ученые в транспортной науке). М.: 2005, с. 87-95.
19. В.Г. Карнилов. Каркасные здания с преднапряжением в процессе строительства // Бетонные и железобетонные конструкции, №3, 2006 г, с. 10-12.
20. Ситников С.Л. Технологии преднапряженного монолитного
железобетона //http://www.sts-
hydro .ru/about/publications/publications_14.html
21.Sunidja, Harianto, Ph.D., University of Illinois at Urbana-Champaign. Response of prestressed concrete plate-edge column connections //http://proquest.umi.com/pqdweb?did=752859361&sid=1&Fmt=2&clientI d=87985&RQT=309&VName=PQD
22. El Semelawy, Mohamed, M.A.Sc., University of Toronto (Canada). Effects of axial prestress on the punching behaviour of plain and fibre reinforced concrete slabs
//http://proquest.umi.com/pqdweb?did=1338919301 &sid=2&Fmt=2&clientI d=87985&RQT=309&VName=PQD
23. Trygstad, Steinar, Dr.ing., Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (Norway). Structural behaviour of post tensioned concrete structures: Flat slab. Slabs on ground
//http://proquest.umi.com/pqdweb?did=1338919301 &sid=2&Fmt=2&clientI d=87985&RQT=309&VName=PQD
24. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. / НИИЖБ Госстроя России. М.: Изд-во Сройиздат, 2004. 300 с.
25. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. / ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. М.: ГУП ЦППС, 2003. 61 с.
26. Тихонов И.Н. Армирование элементов монолитных железобетонных зданий. М.: Изд-во ГУП ЦППС. 2007. 80 с.
27. Бондаренко В.М. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций. Учебное пособие. М: Изд-во Стройиздат, 1984. 728 с.
28. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции./ НИИЖБ Госстроя России. М.: Изд-во Сройиздат, 1989. 140 с.
29. ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. /Министерство металлургии СССЗ. М.: Изд-во ИПК издательство стандартов, 1989. 59 с.