Исследование работы железобетонной монолитной плиты перекрытия на продавливание
|
Введение
Обзор литературы, постановка задачи исследования 11
1.1. Обзор исследований конструкций безбалочных перекрытий 11
1.2. Исследования работы стыка плиты с колонной 15
1.3. Анализ известных конструктивных решений стыков колонн с перекрытиями в конструкциях перекрытий. 17
1.4. Фибробетон и его применение в конструкциях перекрытии зданий 27
1.5. Выводы по главе. Постановка задачи исследования. 30
2. Теоретические исследования продавливания монолитной гладкой плиты перекрытия колонной. 34
2.1. Построение модели объекта исследования 34
2.1.1. Задачи теоретических исследований 34
2.1.2. Основные предпосылки и допущения при математическом моделировании 35
2.2. Определение напряженно-деформируемого состояния исследуемого узла стыка плоского монолитного перекрытия с колонной (первая расчетная задача) 39
2.2.1. Параметры моделей стыков 40
2.2.2. Анализ полученных результатов 42
2.2.3. Определение продавливающих сил 45
2.2.4. Выводы 48
2.3. Определение влияния комбинированного армирования стыков на работу плоского монолитного железобетонного безбалочного перекрытия (вторая расчетная задача) 49
2.3.1. Параметры моделей и нагрузка 50
2.3.2. Анализ полученных результатов 51
2.3.3. Выводы 55
2.4. Выводы по главе 55
3. Расчет на продавливание монолитной железобетонной плиты перекрытия колонной 57
3.1. Методика расчета на продавливание, основанная на рекомендациях нормативных документов. 57
3.2. Сопротивление железобетонного элемента срезу 61
3.3. Методика расчета на продавливание на основе модели наклонных сечений 64
3.4. Методика расчета на продавливание с учетом нагельного эффекта 69
3.5. Выводы по главе 76
4. Рекомендации по проектированию и изготовлению стыков с комбинированным армированием и их технико-экономическая оценка. 78
4.1. Рекомендации по проектированию 78
4.1.1. Материалы 78
4.1.2. Рекомендации по расчету и конструированию 79
4.1.3. Изготовление, транспортировка и укладка сталефибробетонной смеси 80
4.2. Технико-экономическая оценка предлагаемого конструктивного решения стыка 81
4.3. Общие выводы 88
Заключение 89
Список использованной литературы 95
Приложения 100
Приложение 1: Виды распределительных систем
Обзор литературы, постановка задачи исследования 11
1.1. Обзор исследований конструкций безбалочных перекрытий 11
1.2. Исследования работы стыка плиты с колонной 15
1.3. Анализ известных конструктивных решений стыков колонн с перекрытиями в конструкциях перекрытий. 17
1.4. Фибробетон и его применение в конструкциях перекрытии зданий 27
1.5. Выводы по главе. Постановка задачи исследования. 30
2. Теоретические исследования продавливания монолитной гладкой плиты перекрытия колонной. 34
2.1. Построение модели объекта исследования 34
2.1.1. Задачи теоретических исследований 34
2.1.2. Основные предпосылки и допущения при математическом моделировании 35
2.2. Определение напряженно-деформируемого состояния исследуемого узла стыка плоского монолитного перекрытия с колонной (первая расчетная задача) 39
2.2.1. Параметры моделей стыков 40
2.2.2. Анализ полученных результатов 42
2.2.3. Определение продавливающих сил 45
2.2.4. Выводы 48
2.3. Определение влияния комбинированного армирования стыков на работу плоского монолитного железобетонного безбалочного перекрытия (вторая расчетная задача) 49
2.3.1. Параметры моделей и нагрузка 50
2.3.2. Анализ полученных результатов 51
2.3.3. Выводы 55
2.4. Выводы по главе 55
3. Расчет на продавливание монолитной железобетонной плиты перекрытия колонной 57
3.1. Методика расчета на продавливание, основанная на рекомендациях нормативных документов. 57
3.2. Сопротивление железобетонного элемента срезу 61
3.3. Методика расчета на продавливание на основе модели наклонных сечений 64
3.4. Методика расчета на продавливание с учетом нагельного эффекта 69
3.5. Выводы по главе 76
4. Рекомендации по проектированию и изготовлению стыков с комбинированным армированием и их технико-экономическая оценка. 78
4.1. Рекомендации по проектированию 78
4.1.1. Материалы 78
4.1.2. Рекомендации по расчету и конструированию 79
4.1.3. Изготовление, транспортировка и укладка сталефибробетонной смеси 80
4.2. Технико-экономическая оценка предлагаемого конструктивного решения стыка 81
4.3. Общие выводы 88
Заключение 89
Список использованной литературы 95
Приложения 100
Приложение 1: Виды распределительных систем
В современных условиях строительства промышленных и гражданских зданий необходимо применять такие технологии, которые наиболее полно отвечали бы требованиям по безопасности, удобству эксплуатации, архитектурно-строительным требованиям, технико-экономическим показателям. В последние годы в нашей стране существенно увеличился объем применения монолитного железобетона в гражданском строительстве. Его широкое внедрение приводит к снижению расхода арматуры и объема капитальных вложений по сравнению с использованием сборного железобетона. Кроме того, монолитный железобетон позволяет избежать монтажных стыков, что повышает жесткость несущих систем здания и упрощает процесс его возведения. Наибольший простор для архитектурных фантазий представляют современные строительные технологии, основанные на монолитных и сборно-монолитных безбалочных бескапительных каркасных конструкциях. Это обусловлено тем, что данное решение обеспечивает возможность строительства зданий любой конфигурации в плане, с различными объемно-планировочными решениями.
Преимущества перекрытий с гладкими плитами перед другими видами перекрытий заключаются в простоте изготовления и меньшем расходе материалов на опалубку, удобстве отделки и прокладки инженерных коммуникаций, благодаря плоской форме и минимальной площади поверхности из-за отсутствия балок и капителей, возможности применения более жестких бетонов, что экономит расход цемента и уменьшает усадку бетона. Наличие консольной части по периметру перекрытия позволяет удобно решать температурно-осадочные швы примыкания к другим зданиям, а также наружные ограждающие конструкции.
С другой стороны при проектировании безбалочных перекрытий инженеры сталкиваются с рядом проблем: повышенный расход арматуры (несоответствие принципу концентрации арматуры), отсутствует однозначное решение проблемы продавливания плит перекрытия колоннами и обеспечения требуемой трещиностойкости, не решён до конца вопрос деформативности.
Одним из основных вопросов при проектировании монолитных железобетонных зданий с безригельным каркасом является расчет и конструирование стыков колонн с плоскими перекрытиями. Данные узловые сопряжения являются одними из самых насыщенных арматурой мест в каркасе здания, при проектировании которых требуется обеспечить несущую способность, трещиностойкость и технологичность. До недавнего времени изучению напряженно-деформированного состояния, разработкам методик расчета и конструирования рассматриваемого узла уделялось не достаточно внимания. С появлением мощных расчетных процессоров стало возможным использование численного моделирования работы узла, было предложено несколько методик расчета для частных случаев армирования узла. Методик для расчёта узла сопряжения колонны и плоского перекрытия в монолитном железобетонном каркасе с учётом современных расчётных комплексов и современных рекомендаций отечественных и международных норм, учитывающих влияние любого вида армирования, физическую нелинейность, а так же возможность образования трещин пока не разработано.
Конструкция безбалочных перекрытий была предложена в начале XX в. инженером Торнером в США и профессором А.Ф. Лолейтом в России [20]. Применялись они в основном на предприятиях пищевой промышленности, в промышленных зданиях, станциях метро, подземных резервуарах. Первые конструкции безбалочных плит с заменой капителей воротниками появились в 1905г. в США. Первые расчётные обоснования в нашей стране были даны в 1933 году А.А. Гвоздевым и В.И. Мурашевым [18]. Наряду со сложными «точными» методами были предложены и практические способы расчета, метод заменяющих рам, разработанный А.Ф Лолейтом и М.Я. Штаерманом [19] был взят за основу при разработке в 70х нормативных документов, регламентирующих расчёт безбалочных перекрытий [14] и [15]. Первое безкапительное перекрытие в СССР было спроектировано в 60-х во Владивостоке А.Э. Дорфманом и Л.Н. Левонтином [20]. Оригинальную методику расчета гладких плит предложил проф. Карпенко Н.И. Активные исследования в разные годы проводились научными школами проф. Залесова А.С. [20], проф. Рочняка О.А, проф. Васильева П.И.
Работы по изучению продавливания в разное время проводились А.И.Тальботом, Ф.Рихардом и Р.В.Клуге, И. Мое и др., в СССР - А.А. Гвоздевым, С.М. Крыловым, А.Д Сергиевским, Л.Г. Курбатовым и др. Исследованиями продавливания плит при помощи МКЭ занимались М. Сталлер, С. Лесе, А. Слато и Т. Северсен, X. Марзук и Д. Янг. Неоценимый вклад в развитие МКЭ в строительной механике и теории упругости, как инструмента решения проблемы, внёс Л.А. Розин [23]. В настоящее время интерес к этой теме не иссяк, ее развитие продолжено, в том числе и политехниками, такими как проф. Беловым В.В., В.В. Лалиным, В.Д. Кузнецовым, А.Д. Ивановым.
Развитие численного моделирования с помощью современных расчетных процессоров позволяет получить более реальную картину напряженно-деформированного состояния, учесть нелинейную зависимость между компонентами напряжений и деформаций бетона и арматуры, учесть возможность применения разных видов армирования стыка и использования бетона разной прочности. Схема разрушения получается в результате исключения из работы конечных элементов, в которых достигнут предел прочности в зависимости от выбранного критерия прочности материала.
Обзор показывает, что рекомендации различных авторов по расчету на продавливание железобетонных плит от сосредоточенных сил дают большие расхождения с экспериментами или относятся к частным случаям конструктивного решения опорных зон. Недостаточно проведено теоретических и экспериментальных исследований по оценке напряженно- деформированного состояния конструкций с учетом нелинейной работы материалов. Работа перекрытий с различным видом армирования на продавливание изучена недостаточно. В современных нормах отсутствует строгое решение проблемы, даны лишь рекомендации по расчету на продавливание, основанные на полуэмпирических зависимостях.
Поиск опытно-конструкторских разработок стыковых соединений колонн и перекрытий в монолитном безбалочном каркасе, обеспечивающих достаточную несущую способность и невысокую материало- и трудоемкость, продолжается.
В данной работе исследовалась область продавливания плиты перекрытия колонной с учетом конструктивных особенностей стыкового соединения и нелинейной работы материалов. Объект исследования был представлен в виде дискретной математической модели. Инструментом исследования стал метод конечных элементов (МКЭ/FEM). В результате проведённых исследований проведена экспериментальная оценка его напряженно-деформированного состояния (НДС). Была предложена методика расчета на продавливание плит перекрытия с различным армированием стержневой арматурой и фиброй узла опирания на колонну, разработаны рекомендации по расчету, конструированию и исполнению предложенного в работе конструктивного решения стыка с комбинированным армированием и выполнена его технико-экономическая оценка.
Цель работы: исследование области продавливания монолитной железобетонной плиты перекрытия колонной, теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) при различных видах армирования стыка и разработка методики расчета прочности по предельным состояниям элементов с учетом нагельного эффекта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- теоретически исследовать НДС стыка с учетом его конструктивных особенностей и физической нелинейности работы материалов при различных вариантах загружения;
—определить степень влияния комбинированного армирования стыков на работу безбалочного бескапительного перекрытия;
- разработать методику расчета на продавливание по предельным состояниям с учетом нагельного эффекта работы арматуры;
- разработать рекомендации по проектированию и изготовлению предложенной конструкции стыка;
- дать технико-экономическую оценку предложенному
конструктивному решению.
Оценка достоверности и обоснованности научных результатов и выводов. Научная новизна и значимость результатов.
Результаты представляются достоверными, могут быть перенесены на сам объект исследования. Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных программных средств с конечно-элементным методом расчета.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; формулировке основных положений научной новизны и практической значимости работы; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований, составлении рекомендаций по проектированию и изготовлению.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определены НДС стыков при различном армировании с учетом физической нелинейности работы материалов;
- предложена методика расчета стыковых соединений колонн и перекрытия на продавливание по предельным состояниям элементов с учетом нагельного эффекта.
- предложено новое решение конструкции стыка колонны и перекрытия с комбинированным армированием в монолитном безбалочном бескапительном каркасе.
Полученные результаты расширяют научные представления о работе узла примыкания гладкой плиты к колонне, дают представление о работе стыка с учетом физической нелинейности, о характере и степени влияния на прочность различного армирования узла.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенный вариант стыка обладает достаточной несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью и может применяться при строительстве зданий с монолитным железобетонным безбалочным каркасом; предложенных рекомендациях по проектированию стыков колонн с перекрытием с различным армированием стержневой и фибровой арматурой.
Решение задачи по совершенствованию методик расчёта и конструирования данного узла конструкции является комплексной задачей. Её можно рассматривать с точки зрения фундаментальных исследований теории сопротивления железобетона и с точки зрения решения конкретных инженерных задач с учётом имеющихся у современного инженера инструментов. Оба аспекта тесно связаны друг с другом и успех по одному направлению исследования не может быть признан без положительных результатов на другом. Иными словами, ценность законченной теоретической проработки в данной сфере без возможности её реализации в современной инженерной деятельности снижается.
Представленная работа является одним из шагов по решению указанных проблем и посвящена в основном изучению современных методов расчета. В дальнейшем планируется исследования по теоретическому обоснованию решаемых проблем. Инструментом работы в данном направлении являются натурные физические эксперименты и методы теории упругости, при этом необходимо учитывать результаты представляемой работы. Только тогда практическая ценность таких работ будет заранее гарантирована возможность практической реализации и экономической целесообразности.
Содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, проаннотированы результаты обзора литературы, сформулирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также описан метод и ход исследования. Кратко изложено содержание диссертационной работы.
В первой главе приведен краткий исторический обзор развития строительной науки по выбранной теме, обзор опытно-конструкторских разработок стыковых соединений колонны с безбалочным перекрытием, выполнен анализ существующих конструкций перекрытий с использованием сталефибробетона. Определены цели и задачи исследований.
Вторая глава содержит задачи, методику и анализ результатов исследований напряженно-деформированного состояния стыков с учетом их конструктивных особенностей, процента фибрового армирования и физической нелинейности работы материалов, приведены результаты теоретических исследований влияния комбинированного армирования из стержневой и фибровой арматуры стыков на работу безбалочного бескапительного перекрытия. Исследования проведены с помощью программного комплекса «Лира» (Лицензия №521821425).
В третьей главе приведены различные методики расчета перекрытий на продавливание, методика расчета составляющей перерезывающей силы за счет нагельного эффекта, проведен сравнительный анализ результатов, полученных по разным методикам расчета.
В четвертой главе даны рекомендации по проектированию и изготовлению предложенного решения стыка колонны с перекрытием в безбалочном монолитном каркасе, приведен его технико-экономический анализ.
Преимущества перекрытий с гладкими плитами перед другими видами перекрытий заключаются в простоте изготовления и меньшем расходе материалов на опалубку, удобстве отделки и прокладки инженерных коммуникаций, благодаря плоской форме и минимальной площади поверхности из-за отсутствия балок и капителей, возможности применения более жестких бетонов, что экономит расход цемента и уменьшает усадку бетона. Наличие консольной части по периметру перекрытия позволяет удобно решать температурно-осадочные швы примыкания к другим зданиям, а также наружные ограждающие конструкции.
С другой стороны при проектировании безбалочных перекрытий инженеры сталкиваются с рядом проблем: повышенный расход арматуры (несоответствие принципу концентрации арматуры), отсутствует однозначное решение проблемы продавливания плит перекрытия колоннами и обеспечения требуемой трещиностойкости, не решён до конца вопрос деформативности.
Одним из основных вопросов при проектировании монолитных железобетонных зданий с безригельным каркасом является расчет и конструирование стыков колонн с плоскими перекрытиями. Данные узловые сопряжения являются одними из самых насыщенных арматурой мест в каркасе здания, при проектировании которых требуется обеспечить несущую способность, трещиностойкость и технологичность. До недавнего времени изучению напряженно-деформированного состояния, разработкам методик расчета и конструирования рассматриваемого узла уделялось не достаточно внимания. С появлением мощных расчетных процессоров стало возможным использование численного моделирования работы узла, было предложено несколько методик расчета для частных случаев армирования узла. Методик для расчёта узла сопряжения колонны и плоского перекрытия в монолитном железобетонном каркасе с учётом современных расчётных комплексов и современных рекомендаций отечественных и международных норм, учитывающих влияние любого вида армирования, физическую нелинейность, а так же возможность образования трещин пока не разработано.
Конструкция безбалочных перекрытий была предложена в начале XX в. инженером Торнером в США и профессором А.Ф. Лолейтом в России [20]. Применялись они в основном на предприятиях пищевой промышленности, в промышленных зданиях, станциях метро, подземных резервуарах. Первые конструкции безбалочных плит с заменой капителей воротниками появились в 1905г. в США. Первые расчётные обоснования в нашей стране были даны в 1933 году А.А. Гвоздевым и В.И. Мурашевым [18]. Наряду со сложными «точными» методами были предложены и практические способы расчета, метод заменяющих рам, разработанный А.Ф Лолейтом и М.Я. Штаерманом [19] был взят за основу при разработке в 70х нормативных документов, регламентирующих расчёт безбалочных перекрытий [14] и [15]. Первое безкапительное перекрытие в СССР было спроектировано в 60-х во Владивостоке А.Э. Дорфманом и Л.Н. Левонтином [20]. Оригинальную методику расчета гладких плит предложил проф. Карпенко Н.И. Активные исследования в разные годы проводились научными школами проф. Залесова А.С. [20], проф. Рочняка О.А, проф. Васильева П.И.
Работы по изучению продавливания в разное время проводились А.И.Тальботом, Ф.Рихардом и Р.В.Клуге, И. Мое и др., в СССР - А.А. Гвоздевым, С.М. Крыловым, А.Д Сергиевским, Л.Г. Курбатовым и др. Исследованиями продавливания плит при помощи МКЭ занимались М. Сталлер, С. Лесе, А. Слато и Т. Северсен, X. Марзук и Д. Янг. Неоценимый вклад в развитие МКЭ в строительной механике и теории упругости, как инструмента решения проблемы, внёс Л.А. Розин [23]. В настоящее время интерес к этой теме не иссяк, ее развитие продолжено, в том числе и политехниками, такими как проф. Беловым В.В., В.В. Лалиным, В.Д. Кузнецовым, А.Д. Ивановым.
Развитие численного моделирования с помощью современных расчетных процессоров позволяет получить более реальную картину напряженно-деформированного состояния, учесть нелинейную зависимость между компонентами напряжений и деформаций бетона и арматуры, учесть возможность применения разных видов армирования стыка и использования бетона разной прочности. Схема разрушения получается в результате исключения из работы конечных элементов, в которых достигнут предел прочности в зависимости от выбранного критерия прочности материала.
Обзор показывает, что рекомендации различных авторов по расчету на продавливание железобетонных плит от сосредоточенных сил дают большие расхождения с экспериментами или относятся к частным случаям конструктивного решения опорных зон. Недостаточно проведено теоретических и экспериментальных исследований по оценке напряженно- деформированного состояния конструкций с учетом нелинейной работы материалов. Работа перекрытий с различным видом армирования на продавливание изучена недостаточно. В современных нормах отсутствует строгое решение проблемы, даны лишь рекомендации по расчету на продавливание, основанные на полуэмпирических зависимостях.
Поиск опытно-конструкторских разработок стыковых соединений колонн и перекрытий в монолитном безбалочном каркасе, обеспечивающих достаточную несущую способность и невысокую материало- и трудоемкость, продолжается.
В данной работе исследовалась область продавливания плиты перекрытия колонной с учетом конструктивных особенностей стыкового соединения и нелинейной работы материалов. Объект исследования был представлен в виде дискретной математической модели. Инструментом исследования стал метод конечных элементов (МКЭ/FEM). В результате проведённых исследований проведена экспериментальная оценка его напряженно-деформированного состояния (НДС). Была предложена методика расчета на продавливание плит перекрытия с различным армированием стержневой арматурой и фиброй узла опирания на колонну, разработаны рекомендации по расчету, конструированию и исполнению предложенного в работе конструктивного решения стыка с комбинированным армированием и выполнена его технико-экономическая оценка.
Цель работы: исследование области продавливания монолитной железобетонной плиты перекрытия колонной, теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) при различных видах армирования стыка и разработка методики расчета прочности по предельным состояниям элементов с учетом нагельного эффекта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- теоретически исследовать НДС стыка с учетом его конструктивных особенностей и физической нелинейности работы материалов при различных вариантах загружения;
—определить степень влияния комбинированного армирования стыков на работу безбалочного бескапительного перекрытия;
- разработать методику расчета на продавливание по предельным состояниям с учетом нагельного эффекта работы арматуры;
- разработать рекомендации по проектированию и изготовлению предложенной конструкции стыка;
- дать технико-экономическую оценку предложенному
конструктивному решению.
Оценка достоверности и обоснованности научных результатов и выводов. Научная новизна и значимость результатов.
Результаты представляются достоверными, могут быть перенесены на сам объект исследования. Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных программных средств с конечно-элементным методом расчета.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; формулировке основных положений научной новизны и практической значимости работы; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований, составлении рекомендаций по проектированию и изготовлению.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определены НДС стыков при различном армировании с учетом физической нелинейности работы материалов;
- предложена методика расчета стыковых соединений колонн и перекрытия на продавливание по предельным состояниям элементов с учетом нагельного эффекта.
- предложено новое решение конструкции стыка колонны и перекрытия с комбинированным армированием в монолитном безбалочном бескапительном каркасе.
Полученные результаты расширяют научные представления о работе узла примыкания гладкой плиты к колонне, дают представление о работе стыка с учетом физической нелинейности, о характере и степени влияния на прочность различного армирования узла.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенный вариант стыка обладает достаточной несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью и может применяться при строительстве зданий с монолитным железобетонным безбалочным каркасом; предложенных рекомендациях по проектированию стыков колонн с перекрытием с различным армированием стержневой и фибровой арматурой.
Решение задачи по совершенствованию методик расчёта и конструирования данного узла конструкции является комплексной задачей. Её можно рассматривать с точки зрения фундаментальных исследований теории сопротивления железобетона и с точки зрения решения конкретных инженерных задач с учётом имеющихся у современного инженера инструментов. Оба аспекта тесно связаны друг с другом и успех по одному направлению исследования не может быть признан без положительных результатов на другом. Иными словами, ценность законченной теоретической проработки в данной сфере без возможности её реализации в современной инженерной деятельности снижается.
Представленная работа является одним из шагов по решению указанных проблем и посвящена в основном изучению современных методов расчета. В дальнейшем планируется исследования по теоретическому обоснованию решаемых проблем. Инструментом работы в данном направлении являются натурные физические эксперименты и методы теории упругости, при этом необходимо учитывать результаты представляемой работы. Только тогда практическая ценность таких работ будет заранее гарантирована возможность практической реализации и экономической целесообразности.
Содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, проаннотированы результаты обзора литературы, сформулирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также описан метод и ход исследования. Кратко изложено содержание диссертационной работы.
В первой главе приведен краткий исторический обзор развития строительной науки по выбранной теме, обзор опытно-конструкторских разработок стыковых соединений колонны с безбалочным перекрытием, выполнен анализ существующих конструкций перекрытий с использованием сталефибробетона. Определены цели и задачи исследований.
Вторая глава содержит задачи, методику и анализ результатов исследований напряженно-деформированного состояния стыков с учетом их конструктивных особенностей, процента фибрового армирования и физической нелинейности работы материалов, приведены результаты теоретических исследований влияния комбинированного армирования из стержневой и фибровой арматуры стыков на работу безбалочного бескапительного перекрытия. Исследования проведены с помощью программного комплекса «Лира» (Лицензия №521821425).
В третьей главе приведены различные методики расчета перекрытий на продавливание, методика расчета составляющей перерезывающей силы за счет нагельного эффекта, проведен сравнительный анализ результатов, полученных по разным методикам расчета.
В четвертой главе даны рекомендации по проектированию и изготовлению предложенного решения стыка колонны с перекрытием в безбалочном монолитном каркасе, приведен его технико-экономический анализ.
Повышение качества проектных и строительно-монтажных работ для зданий любого назначения и архитектуры в минимальные сроки имеет большое значение для экономики страны.
В современных условиях строительства промышленных и гражданских зданий необходимо применять такие технологии, которые наиболее полно отвечали бы требованиям по безопасности, удобству эксплуатации, архитектурно-строительным требованиям, технико-экономическим показателям. Современные строительные технологии, основанные на монолитных безбалочных бескапительных каркасных конструкциях, позволяют снизить расхода арматуры и бетона, избежать монтажных стыков, тем самым повысить жесткость несущих систем здания и упростить процесс его возведения, обеспечивают возможность строительства зданий любой конфигурации в плане, с различными объемно-планировочными решениями.
Одним из основных вопросов при проектировании монолитных железобетонных зданий с безригельным каркасом является продавливание плит перекрытия колоннами. Данные узловые сопряжения являются одними из самых насыщенных арматурой мест в каркасе здания, при проектировании которых требуется обеспечить несущую способность, трещиностойкость и технологичность. До недавнего времени изучению напряженно- деформированного состояния, разработкам методик расчета и конструирования рассматриваемого узла уделялось не достаточно внимания. С появлением мощных расчетных процессоров стало возможным использование численного моделирования работы узла, было предложено несколько методик расчета, которые либо рассматривают частные случаи армирования узла, либо основываются на эмпирических формулах.
Научная проблема заключается в недостаточном исследовании зоны опирания плиты на колонну с учетом нелинейной работы материалов конструкций, отсутствии методик расчёта плиты перекрытия на продавливание в месте сопряжения с колонной с учетом нагельного эффекта.
Конструкция безбалочных перекрытий была предложена в начале XX в. инженером Торнером в США и профессором А.Ф. Лолейтом в России [20]. Применялись они в основном на предприятиях пищевой промышленности, в промышленных зданиях, станциях метро, подземных резервуарах. Первые конструкции безбалочных плит с заменой капителей воротниками появились в 1905г. в США. Первые расчётные обоснования в нашей стране были даны в 1933 году А.А. Гвоздевым и В.И. Мурашевым [18]. Наряду со сложными «точными» методами были предложены и практические способы расчета, метод заменяющих рам, разработанный А.Ф Лолейтом и М.Я. Штаерманом [19] был взят за основу при разработке в 70х нормативных документов, регламентирующих расчёт безбалочных перекрытий [14] и [15]. Первое безкапительное перекрытие в СССР было спроектировано в 60-х во Владивостоке А.Э. Дорфманом и Л.Н. Левонтином [20]. Оригинальную методику расчета гладких плит предложил проф. Карпенко Н.И. Активные исследования в разные годы проводились научными школами проф. Залесова А.С. [20], проф. Рочняка О.А, проф. Васильева П.И.
Работы по изучению продавливания в разное время проводились А.И.Тальботом, Ф.Рихардом и Р.В.Клуге, И. Мое и др., в СССР - А.А. Гвоздевым, С.М. Крыловым, А.Д Сергиевским, Л.Г. Курбатовым и др. Исследованиями продавливания плит при помощи МКЭ занимались М. Сталлер, С. Лесе, А. Слато и Т. Северсен, X. Марзук и Д. Янг.
Неоценимый вклад в развитие МКЭ в строительной механике и теории упругости, как инструмента решения проблемы, внёс Л.А. Розин [23]. В настоящее время интерес к этой теме не иссяк, ее развитие продолжено, в том числе и политехниками, такими как проф. Беловым В.В., В.В. Лалиным, А.Д. Ивановым.
Однако в работах перечисленных авторов не содержится решения обозначенной научной проблемы в явном виде. Причиной этого является то, что в связи с развитием современных инженерных инструментов по численному моделированию зданий и их элементов появились новые возможности по анализу взаимодействия элементов рассматриваемого узла, и данная задача в такой форме ранее не ставилась.
Целью настоящей работы является исследование напряженно- деформируемого состояния стыкового соединения колонны и монолитного безбалочного бескапительного перекрытия с различным армированием с учетом физической нелинейности и составление рекомендаций по расчету, проектированию и изготовлению предложенного конструктивного решения.
Методика решения поставленных в работе задач основана на проведении исследовании численно-математических моделей фрагментов перекрытия. Исследование представляет собой серию численных экспериментов, направленных на определение напряженно-деформируемого состояния моделей.
В первой главе дан краткий обзор литературы, предложена классификация конструктивных решений опорных узлов безбалочного монолитного перекрытия с гладкими плитами, проведен их анализ и предложено новое решение в виде комбинированного армирования стыка плиты с колонной стальной фиброй и дополнительной продольной стержневой арматурой. Стык обладает повышенной прочностью, трещиностойкостью при меньшей металлоемкости и трудозатратах, повышает жесткость всего каркаса в целом.
Во второй главе проведены теоретические исследования предложенного решения, построена числено-математическая модель фрагмента плиты в зоне продавливания из объемных конечных элементов. Расчет производился в программном комплексе «Лира» шагово-итерационным методом с учетом физической нелинейности. Нагрузка прикладывалась равномерно по 5 0 кН до стадии разрушения. Таким образом определялась разрушающая нагрузка, которая сравнивалась с нагрузкой, рассчитанной по СП52-101-2003 [5]. Учет фиброармирования осуществлялся согласно [7] путем замены расчетных показателей бетона на соответствующие показатели фибробетона. Вторая часть главы посвящена определению эффективности и степени влияния комбинированного армирования на работу перекрытия. Модель представляла собой перекрытие с тремя равными пролетами в каждом направлении, опертыми на колонны. Перекрытие моделировалось плоскими конечными элементами, колонны - объемными. Расчет производился в программном комплексе «Лира» с учетом физической нелинейности. Полученные результаты показали повышение жесткости и трещиностойкости перекрытия, уменьшение пролетных прогибов за счет увеличения жесткости узлов, что благоприятно сказывается на работе всей конструкции.
В третьей главе была предложена методика расчета на продавливание на основе модели наклонных сечений, полеченные результаты сравнивались с нагрузкой, рассчитанной по СП52-101-2ОО3. Была разработана методика расчета составляющей перерезывающей силы от нагельного эффекта, полученный результат сравнивался с данными численного эксперимента.
В четвертой главе были разработаны рекомендации по проектированию и исполнению предлагаемого конструктивного решения. Расчеты предлагается вести по эмпирическим формулам [5,7], и по модели плоских сечений, предложенной в третьей главе. В формулы, приведенные в нормах, для учета влияния дополнительной арматуры, введено дополнительное слагаемое, представляющее собой несущую способность продельных стержней дополнительных сеток в середине сечения плиты, основанную на нагельном эффекте сцепления арматуры с бетоном. Здесь же приведена технико-экономическая оценка нового решения.
Основные новые научные результаты и положения, выдвигаемые автором для публичной защиты, полученные в работе, заключаются в следующем:
- предложено новое конструктивное решение стыка колонны с перекрытием в монолитном железобетонном безбалочном бескапительном каркасе;
- получены результаты теоретических исследований стыков с учетом конструктивных особенностей и физической нелинейности работы материалов;
- получены результаты теоретического изучения влияния комбинированного армирования стыков на работу безбалочного бескапительного перекрытия;
- разработана методика расчета составляющей поперечной силы, основанную на нагельном эффекте;
- разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению стыка;
- дано обоснование экономической эффективности предложенной конструкции стыка.
Основные выводы по проделанной работе
1) Предложено новое конструктивное решение стыка колонны и перекрытия в монолитном безбалочном бескапительном каркасе с комбинированным армированием из дополнительной продольной стержневой арматуры и стальной фибры, обладающего достаточной несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью.
2) Сформированы численно-математические модели фрагментов перекрытий, установлены их параметры.
3) Численными методами исследовано напряженно-деформированное состояние стыков с учетом конструктивных особенностей и нелинейного закона деформирования материалов. В результате установлено, что:
- дисперсное армирование и армирование продольной арматурой в стыковом соединении не влияет на характер распределения напряжений, при этом повышается его жесткость и трещиностойкость;
- равномерно распределенная по объему стальная фибра в опорной зоне стыка повышает его несущую способность на продавливание;
- применение дисперсного армирования не изменяет принципиальную схему разрушения. Разрушение стыка, при достаточной несущей способности по моменту в сечении по грани колонны, происходит в результате разрушения по наклонным сечениям, образующим пирамиду продавливания;
— предлагаемое решение конструкции стыка колонны с перекрытием дает возможность осуществлять регулирование его несущей способности. Варьируя процент содержания фибры, можно легко подбирать рациональный вариант армирования стыков монолитных перекрытий для конкретных исходных данных (интенсивности полезных нагрузок, граничных условий, размеров перекрытий в плане и др.).
4) Численными методами исследовано напряженно-деформированное состояние перекрытия с комбинированным армированием опорных зон. Включение в опорную зону перекрытия стальной фибры влияет на распределение напряжений в перекрытии. Максимальные прогибы, возникающие в середине крайних угловых пролетов перекрытия в зависимости от процента фибрового армирования в опорных зонах, при нормативной нагрузке уменьшаются до 20%.
5) Разработана методика расчета продавливающей силы на основе модели наклонных сечений, позволяющая учесть положение наиболее опасного сечения, вид нагрузки и наиболее опасное нагружение. Разработана методика расчета составляющей поперечной силы от нагельного эффекта сцепления арматуры с бетоном.
6) Разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению предложенной конструкции стык.;
7) Проведенный технико-экономический анализ показал, что применение дисперсного армирования в опорных зонах перекрытия, по сравнению с поперечным стержневым и комбинированным армированием без дополнительных сеток обеспечивает снижение расчетной производственной себестоимости на 8 % и 14% соответственно, трудоемкости изготовления конструкции на 12% по сравнению с поперечным стержневым армированием.
В современных условиях строительства промышленных и гражданских зданий необходимо применять такие технологии, которые наиболее полно отвечали бы требованиям по безопасности, удобству эксплуатации, архитектурно-строительным требованиям, технико-экономическим показателям. Современные строительные технологии, основанные на монолитных безбалочных бескапительных каркасных конструкциях, позволяют снизить расхода арматуры и бетона, избежать монтажных стыков, тем самым повысить жесткость несущих систем здания и упростить процесс его возведения, обеспечивают возможность строительства зданий любой конфигурации в плане, с различными объемно-планировочными решениями.
Одним из основных вопросов при проектировании монолитных железобетонных зданий с безригельным каркасом является продавливание плит перекрытия колоннами. Данные узловые сопряжения являются одними из самых насыщенных арматурой мест в каркасе здания, при проектировании которых требуется обеспечить несущую способность, трещиностойкость и технологичность. До недавнего времени изучению напряженно- деформированного состояния, разработкам методик расчета и конструирования рассматриваемого узла уделялось не достаточно внимания. С появлением мощных расчетных процессоров стало возможным использование численного моделирования работы узла, было предложено несколько методик расчета, которые либо рассматривают частные случаи армирования узла, либо основываются на эмпирических формулах.
Научная проблема заключается в недостаточном исследовании зоны опирания плиты на колонну с учетом нелинейной работы материалов конструкций, отсутствии методик расчёта плиты перекрытия на продавливание в месте сопряжения с колонной с учетом нагельного эффекта.
Конструкция безбалочных перекрытий была предложена в начале XX в. инженером Торнером в США и профессором А.Ф. Лолейтом в России [20]. Применялись они в основном на предприятиях пищевой промышленности, в промышленных зданиях, станциях метро, подземных резервуарах. Первые конструкции безбалочных плит с заменой капителей воротниками появились в 1905г. в США. Первые расчётные обоснования в нашей стране были даны в 1933 году А.А. Гвоздевым и В.И. Мурашевым [18]. Наряду со сложными «точными» методами были предложены и практические способы расчета, метод заменяющих рам, разработанный А.Ф Лолейтом и М.Я. Штаерманом [19] был взят за основу при разработке в 70х нормативных документов, регламентирующих расчёт безбалочных перекрытий [14] и [15]. Первое безкапительное перекрытие в СССР было спроектировано в 60-х во Владивостоке А.Э. Дорфманом и Л.Н. Левонтином [20]. Оригинальную методику расчета гладких плит предложил проф. Карпенко Н.И. Активные исследования в разные годы проводились научными школами проф. Залесова А.С. [20], проф. Рочняка О.А, проф. Васильева П.И.
Работы по изучению продавливания в разное время проводились А.И.Тальботом, Ф.Рихардом и Р.В.Клуге, И. Мое и др., в СССР - А.А. Гвоздевым, С.М. Крыловым, А.Д Сергиевским, Л.Г. Курбатовым и др. Исследованиями продавливания плит при помощи МКЭ занимались М. Сталлер, С. Лесе, А. Слато и Т. Северсен, X. Марзук и Д. Янг.
Неоценимый вклад в развитие МКЭ в строительной механике и теории упругости, как инструмента решения проблемы, внёс Л.А. Розин [23]. В настоящее время интерес к этой теме не иссяк, ее развитие продолжено, в том числе и политехниками, такими как проф. Беловым В.В., В.В. Лалиным, А.Д. Ивановым.
Однако в работах перечисленных авторов не содержится решения обозначенной научной проблемы в явном виде. Причиной этого является то, что в связи с развитием современных инженерных инструментов по численному моделированию зданий и их элементов появились новые возможности по анализу взаимодействия элементов рассматриваемого узла, и данная задача в такой форме ранее не ставилась.
Целью настоящей работы является исследование напряженно- деформируемого состояния стыкового соединения колонны и монолитного безбалочного бескапительного перекрытия с различным армированием с учетом физической нелинейности и составление рекомендаций по расчету, проектированию и изготовлению предложенного конструктивного решения.
Методика решения поставленных в работе задач основана на проведении исследовании численно-математических моделей фрагментов перекрытия. Исследование представляет собой серию численных экспериментов, направленных на определение напряженно-деформируемого состояния моделей.
В первой главе дан краткий обзор литературы, предложена классификация конструктивных решений опорных узлов безбалочного монолитного перекрытия с гладкими плитами, проведен их анализ и предложено новое решение в виде комбинированного армирования стыка плиты с колонной стальной фиброй и дополнительной продольной стержневой арматурой. Стык обладает повышенной прочностью, трещиностойкостью при меньшей металлоемкости и трудозатратах, повышает жесткость всего каркаса в целом.
Во второй главе проведены теоретические исследования предложенного решения, построена числено-математическая модель фрагмента плиты в зоне продавливания из объемных конечных элементов. Расчет производился в программном комплексе «Лира» шагово-итерационным методом с учетом физической нелинейности. Нагрузка прикладывалась равномерно по 5 0 кН до стадии разрушения. Таким образом определялась разрушающая нагрузка, которая сравнивалась с нагрузкой, рассчитанной по СП52-101-2003 [5]. Учет фиброармирования осуществлялся согласно [7] путем замены расчетных показателей бетона на соответствующие показатели фибробетона. Вторая часть главы посвящена определению эффективности и степени влияния комбинированного армирования на работу перекрытия. Модель представляла собой перекрытие с тремя равными пролетами в каждом направлении, опертыми на колонны. Перекрытие моделировалось плоскими конечными элементами, колонны - объемными. Расчет производился в программном комплексе «Лира» с учетом физической нелинейности. Полученные результаты показали повышение жесткости и трещиностойкости перекрытия, уменьшение пролетных прогибов за счет увеличения жесткости узлов, что благоприятно сказывается на работе всей конструкции.
В третьей главе была предложена методика расчета на продавливание на основе модели наклонных сечений, полеченные результаты сравнивались с нагрузкой, рассчитанной по СП52-101-2ОО3. Была разработана методика расчета составляющей перерезывающей силы от нагельного эффекта, полученный результат сравнивался с данными численного эксперимента.
В четвертой главе были разработаны рекомендации по проектированию и исполнению предлагаемого конструктивного решения. Расчеты предлагается вести по эмпирическим формулам [5,7], и по модели плоских сечений, предложенной в третьей главе. В формулы, приведенные в нормах, для учета влияния дополнительной арматуры, введено дополнительное слагаемое, представляющее собой несущую способность продельных стержней дополнительных сеток в середине сечения плиты, основанную на нагельном эффекте сцепления арматуры с бетоном. Здесь же приведена технико-экономическая оценка нового решения.
Основные новые научные результаты и положения, выдвигаемые автором для публичной защиты, полученные в работе, заключаются в следующем:
- предложено новое конструктивное решение стыка колонны с перекрытием в монолитном железобетонном безбалочном бескапительном каркасе;
- получены результаты теоретических исследований стыков с учетом конструктивных особенностей и физической нелинейности работы материалов;
- получены результаты теоретического изучения влияния комбинированного армирования стыков на работу безбалочного бескапительного перекрытия;
- разработана методика расчета составляющей поперечной силы, основанную на нагельном эффекте;
- разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению стыка;
- дано обоснование экономической эффективности предложенной конструкции стыка.
Основные выводы по проделанной работе
1) Предложено новое конструктивное решение стыка колонны и перекрытия в монолитном безбалочном бескапительном каркасе с комбинированным армированием из дополнительной продольной стержневой арматуры и стальной фибры, обладающего достаточной несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью.
2) Сформированы численно-математические модели фрагментов перекрытий, установлены их параметры.
3) Численными методами исследовано напряженно-деформированное состояние стыков с учетом конструктивных особенностей и нелинейного закона деформирования материалов. В результате установлено, что:
- дисперсное армирование и армирование продольной арматурой в стыковом соединении не влияет на характер распределения напряжений, при этом повышается его жесткость и трещиностойкость;
- равномерно распределенная по объему стальная фибра в опорной зоне стыка повышает его несущую способность на продавливание;
- применение дисперсного армирования не изменяет принципиальную схему разрушения. Разрушение стыка, при достаточной несущей способности по моменту в сечении по грани колонны, происходит в результате разрушения по наклонным сечениям, образующим пирамиду продавливания;
— предлагаемое решение конструкции стыка колонны с перекрытием дает возможность осуществлять регулирование его несущей способности. Варьируя процент содержания фибры, можно легко подбирать рациональный вариант армирования стыков монолитных перекрытий для конкретных исходных данных (интенсивности полезных нагрузок, граничных условий, размеров перекрытий в плане и др.).
4) Численными методами исследовано напряженно-деформированное состояние перекрытия с комбинированным армированием опорных зон. Включение в опорную зону перекрытия стальной фибры влияет на распределение напряжений в перекрытии. Максимальные прогибы, возникающие в середине крайних угловых пролетов перекрытия в зависимости от процента фибрового армирования в опорных зонах, при нормативной нагрузке уменьшаются до 20%.
5) Разработана методика расчета продавливающей силы на основе модели наклонных сечений, позволяющая учесть положение наиболее опасного сечения, вид нагрузки и наиболее опасное нагружение. Разработана методика расчета составляющей поперечной силы от нагельного эффекта сцепления арматуры с бетоном.
6) Разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению предложенной конструкции стык.;
7) Проведенный технико-экономический анализ показал, что применение дисперсного армирования в опорных зонах перекрытия, по сравнению с поперечным стержневым и комбинированным армированием без дополнительных сеток обеспечивает снижение расчетной производственной себестоимости на 8 % и 14% соответственно, трудоемкости изготовления конструкции на 12% по сравнению с поперечным стержневым армированием.
Подобные работы
- Разработка и исследования стыков колонн с перекрытиями
Дипломные работы, ВКР, технология строительных процессов. Язык работы: Русский. Цена: 6300 р. Год сдачи: 2018 - 17-этажный дом вставка в монолитно-кирпичном исполнении в мкр. «Покровский»
Бакалаврская работа, технология строительных процессов. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2016 - Возведение 28-ми этажного монолитного здания в городе Москва
Магистерская диссертация, технология строительных процессов. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019 - Первая очередь жилого дома №1 переменной этажности в микрорайоне Преображенский г.Красноярска
Дипломные работы, ВКР, технология организации строительного производства (ТСП). Язык работы: Русский. Цена: 5970 р. Год сдачи: 2016 - Автомойка с шиномонтажем и минимаркетом по ул. Енисейская 61в в г. Железногорске
Бакалаврская работа, технология строительных процессов. Язык работы: Русский. Цена: 5750 р. Год сдачи: 2017 - Школа на 450 учащихся
Бакалаврская работа, строительство . Язык работы: Русский. Цена: 1500 р. Год сдачи: 2021 - Использование ТИМ в проекте библиотечно-издательского комплекса СФУ
Бакалаврская работа, строительство . Язык работы: Русский. Цена: 4220 р. Год сдачи: 2022 - Проектирование многофункциональных комплексов
Дипломные работы, ВКР, строительство . Язык работы: Русский. Цена: 4930 р. Год сдачи: 2018 - Склад готовой продукции АО «Метзавод «Электросталь»
Бакалаврская работа, строительство . Язык работы: Русский. Цена: 4250 р. Год сдачи: 2020
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (149577)
- Бакалаврская работа (38342)
- Диссертация (978)
- Магистерская диссертация (22138)
- Дипломные работы, ВКР (60355)
- Главы к дипломным работам (2138)
- Курсовые работы (10522)
- Контрольные работы (6265)
- Отчеты по практике (1357)
- Рефераты (1481)
- Задачи, тесты, ПТК (631)
- Ответы на вопросы (155)
- Статьи, Эссе, Сочинения (942)
- Бизнес-планы (51)
- Презентации (106)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1692)
- Диссертации (РГБ) (1882)
- Прочее (458)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
