Работа перемычек в зданиях из монолитного бетона при действии интенсивных горизонтальных нагрузок

Огромные масштабы и стабильность программ жилищного и гражданского строительства в СССР являются выражением постоянной заботы партии и правительства о максимальном удовлетворении материальных и духовных потребностей народа, об этом говорят решения ХХУ1 съезда и последующих пленумов КПСС.

Практика послевоенного периода строительства в СССР и социалистических странах показала, что в решении жилищной и градостроительной проблем все более ощутимую роль, в сочетании с полносборным домостроением, играет индустриальное домостроение из монолитного бетона.

К числу достоинств зданий из монолитного бетона относятся: эффективное использование несущей способности конструкций, особенно при строительстве в сейсмических районах, в районах с интенсивными ветровыми нагрузками, на территориях с просадочными грунтами и на участках с подземными выработкаминадежность и капитальность несущих и ограждающих конструкцийхорошие эксплуатационные качества, обеспечиваемые монолитными сопряжениями элементовдостаточная гибкость конструктивно-технологических решений, позволяющая, наряду с монолитными конструкциями, при необходимости применять изделия заводского или полигонного изготовленияразнообразие архитектурно-пространственных решений. В большинстве социалистических стран, в которых применяются методы монолитного домостроения, оно занимает видное место по объемам ежегодно вводимой в эксплуатацию общей площади и обнаруживает устойчивую тенденцию к их увеличению. Так, в Румынии монолитный бетон применяется при строительстве около 502^ жилых зданий, в Венгрии — 16% [29], в Болгарии объем монолитного домостроения в текущей пятилетке будет увеличен с 1726 до 2% общего объема жилищно-гражданского строительства [п] .

Продолжают развиваться и совершенствоваться методы строительства зданий с применением монолитного бетона в ряде капиталистических стран — Франции, ФРГ, Швеции, США, Канаде [29].

В СССР к настоящему времени построено свыше ста жилых и гражданских зданий из монолитного бетона, суммарная общая площадь которых составляет примерно I млн. м^ [Ю2]. Монолитные конструкции успешно внедряются в различных сферах гражданского строительства — жилищном (жилые дома, гостиницы, пансионаты, туристические комплексы), санаторно-курортном (спальные корпуса санаториев и домов отдыха), культурно-общественном (театры, книгохранилища, учреждения) [88]. Этажность зданий из монолитного бетона достигает в отечественной практике 22−25 этажей.

Планами на XI пятилетку предусмотрено дальнейшее расширение монолитного домостроения, что требует разработки и реализации мер по сокращению материалоемкости основных строительных конструкций зданий, в первую очередь, по снижению расхода арматурной стали.

К числу важных элементов несущих конструкций бескаркасных зданий, в том числе монолитных и сборно-монолитных, относятся надпроемные перемычки. Они служат связями между глухими участками (простенками) вертикальных диафрагм, воспринимая часть усилий, возникающих в диафрагмах при действии горизонтальных и вертикальных нагрузок, и активно участвуя в формировании жесткостных и динамических параметров системы.

Перемычки являются наиболее уязвимыми элементами диафрагм: при интенсивных горизонтальных воздействиях (сейсмических, ветровых) в них раньше, чем в других элементах, возникают локальные повреждения в виде вертикальных и наклонных трещин, а также неупругие деформации бетона и арматуры. Вследствие этого перемычки переходят в нелинейную стадию работы, в которой рост деформаций и перемещений опережает рост нагрузок (усилий).

В то же время, расчеты, выполняемые с учетом нелинейности, позволяют отразить влияние упруго-пластического деформирования элементов и их связей на перераспределение усилий в системе, что дает возможность более рационально разместить материалы в несущих конструкциях. При работе в этой стадии перемычки образуют наиболее активную зону гашения энергии внешних колебаний и существенно влияют на энергоемкость всей системы. По этим причинам правильная оценка их участия в общей пространственной работе всех несущих конструкций необходима при проектировании зданий, возводимых как в сейсмических, так и в обычных районах.

Диссертация посвящена экспериментально-теоретическому исследованию работы перемычек в зданиях из монолитного бетона при действии интенсивных горизонтальных знакопеременных нагрузок. Деформирование перемычек в этих условиях будем называть циклическим перекосом. На основе анализа опубликованных данных и по результатам собственных исследований разработаны практические предложения по совершенствованию методов расчета системы несущих конструкций с учетом особенностей деформирования перемычек с трещинами, даны рекомендации по их конструированию.

Актуальность темы

определяется расширяющимся строительством многоэтажных жилых и общественных зданий из монолитного бетона и необходимостью дальнейшего повышения его эффективности путем сокращения расхода основных строительных материалов, в первую очередь, арматурной стали.

Учет неупругих свойств железобетона, в частности, трещинооб-разования в перемычках и пластических деформаций их арматуры позволяет выявить резервы прочности системы за счет перераспределения усилий от внешних силовых воздействий и повысить технико-экономическую эффективность конструктивных решений путем более рационального размещения арматуры в диафрагмах и более точной оценки степени вовлечения различных элементов в работу системы.

Границы исследования.

Усилия в перемычках зданий повышенной и большой этажности от действия горизонтальных сейсмических либо ветровых нагрузок значительно превышают по величине усилия от вертикальных нагрузок, передаваемых перекрытиями. Поэтому исследование выполнено для зданий из монолитного бетона этажностью 9 и более этажей, испытывающих интенсивные горизонтальные нагрузки. Ряд предложений, разработанных в диссертации, применим и для крупнопанельных зданий ввиду сходства, в той или иной степени, конструктивных решений их элементов (перемычек, простенков) с решениями тех же элементов в монолитных либо сборно-монолитных зданиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— выявлены особенности образования и развития вертикальных и наклонных трещин в тавровых перемычках при их знакопеременном циклическом перекосе в системе многоэтажного здания из монолитного бетона;

— разработан универсальный аналитический аппарат для качественной оценки вида трещинообразования и определения величин жест-костных характеристик перемычек при циклическом перекосе в стадии деформирования с трещинами, учитывающий изменения расчетных схем во всех фазах деформирования и их особенности в зависимости от формы сечения и соотношения пролета и высоты, а также все виды перемещений — от изгиба, сдвига бетона и растяжения арматуры в зонах трещинообразования;

— сформулированы практические предложения по совершенствованию методики расчета бескаркасных зданий на действие горизонтальных нагрузок с учетом перераспределения усилий в системе, реализованные на ЭВМ с помощью действующей автоматизированной программы.

На защиту выносятся:

— данные экспериментальных исследований деформирования перемычек зданий из монолитного бетона при циклическом перекосе в стадии образования и развития трещин;

— методика определения жесткостных характеристик прямоугольных и тавровых перемычек с учетом образования и развития вертикальных и наклонных трещин в бетоне и деформаций растяжения арматуры;

— результаты сравнения величин поперечных сил, вызывающих образование вертикальных и наклонных трещин, и податливостей перемычек, подсчитанных по предложенной методике, с данными испытаний;

— результаты расчетов натурных зданий с помощью ЭВМ с использованием сформулированных предложений по учету перераспределения усилий в системе вследствие нелинейного деформирования перемычек.

Практическое значение. Разработанные в диссертации предложения по расчету и конструированию несущих диафрагм зданий из монолитного бетона позволяют сократить расход арматурной стали в 9−16-этажных зданиях сейсмостойкостью 7 баллов на I м2 общей площади в количестве 1,5−1,9 кг, т. е. на 3,0−3,5^ от общего расхода стали, или на 0,3−0,4 руб. в денежном выражении. В расчете на планируемый объем строительства в г. Кишиневе и в г. г.Кавказских р минеральных вод на оставшийся период XI пятилетки около 100 тыс. м общей площади, экономия стали составит около 170 т, денежных средств — около 35 тыс. руб.

Методика определения жесткостных характеристик перемычек с трещинами может быть использована при расчетах бескаркасных зданий на сейсмические нагрузки по записям реальных землетрясений, а также при расчетах зданий большой этажности на действие ветровых нагрузок.

Достоверность научных результатов диссертации обеспечена применением отработанной методики, высокочувствительных измерительных приборов и аппаратуры в ходе испытаний, современных методов обработки экспериментальных данных, высокой степенью совпадения величин жесткостных характеристик, подсчитанных теоретически по предложенным формулам и полученных из экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на И республиканской конференции «Проектирование и строительство сейсмостойких зданий в Молдавской ССР» (Кишинев, 1972 г.), V Международной конференции по сейсмостойкому строительству (Рим, 1973 г.), Международном симпозиуме по сейсмостойкому строительству (Сент-Луис, 1976 г.), | Международном симпозиуме 3−41 МСС и Объединенного комитета по высотным зданиям (Москва, 1976 г.), Всесоюзном совещании «Научно-технический прогресс в области индустриализации монолитного домостроения» (Кишинев, 1978 г.), координационном совещании «Результаты исследований и методы расчета высоких зданий и их элементов из монолитного железобетона» (Москва, 1981 г.), координационном совещании «Совершенствование расчета высоких зданий как единых пространственных систем с учетом специфики железобетона» (Харьков, 1982 г.).

Внедрение результатов работы осуществлено путем их использования при разработке «Рекомендаций по определению податливости перемычек бескаркасных монолитных зданий» — М.: ЦНИИЭП жилища,.

1981, «Руководства по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий» — М.: Стройиздат,.

1982, совместных советско-болгарских «Рекомендаций по проектированию конструкций монолитных бескаркасных сейсмостойких зданий и по технологии их возведения с помощью крупнощитовой опалубки». — Тула: КТИ Минпромстроя СССР, 1983, при проектировании и строительстве жилых домов из монолитного бетона — 12-этажного по ул. Флорилор в Кишиневе и 9-этажных в микрорайоне № 3 г. Ессентуки.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 16 печатных работ, в том числе I книга, 12 статей и докладов (из них -6 самостоятельно) и 3 рекомендательных и методических документа общим объемом 8,3 п.л.

Исследования, результаты которых включены в диссертацию, выполнены в лаборатории индустриального домостроения из монолитного бетона и лаборатории прочностных испытаний ЦНИИЭП жилища по плану важнейших научно-исследовательских работ Госстроя СССР и Госгражданстроя, проблема 0.55.04-, и отражены в следуюИдах научно-технических отчетах:

Осуществить проверку конструкций из монолитного железобетона в условиях экспериментального строительства", тема 0.55.04.04.03.С13д, 1979 г., Ш гос. регистрации 78 069 102;

Натурные исследования опытно-экспериментального фрагмента монолитного здания повышенной этажности с применением вибрационной машины и доведением фрагмента до разрушения", хоздоговор № 6019 с Госстроем Молдавской ССР, 1981 г., № гос. регистрации 0I820I038886;

Разработать рекомендации по расчету бескаркасных зданий из монолитного железобетона для условий строительства в сейсмических районах", тема Щ^х (0.74.03.03.01. СД 9д2), 1983 г.

П# 1. с гос. регистрации 81 063 272.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. В диссертации разработана универсальная (для любой возможной формы сечения и любых геометрических размеров) методика определения жесткостных характеристик перемычек бескаркасных зданий при перекосе в стадии деформирования с трещинами. Предложения по применению этой методики в автоматизированных расчетах системы, выполняемых с учетом перераспределения усилий в несущих диафрагмах, дают возможность снизить материалоемкость зданий.

2. В процессе циклического перекоса перемычек в стадии деформирования с трещинами в общем случае могут быть выделены три последовательные фазы: образования вертикальных трещин в опорных зонах от действия изгибающих моментовобразования наклонных трещин в пролете от действия поперечных силразвития системы вертикальных и наклонных трещин.

Для каждой фазы предложена соответствующая расчетная схема, учитывающая также форму сечения и соотношение пролета и высоты перемычек.

3. Фаза развития системы вертикальных и наклонных трещин характеризует предельное состояние перемычки по прочности при циклическом знакопеременном перекосе. Оно наступает на нисходящей вет' ви графика. зависимости «поперечная сила — взаимное смещение опор перемычки» .

Экспериментально выявлено, что перемычки в системе монолитного либо сборно-монолитного здания работают как элементы таврового сечения, если примыкающие к ним участки плит перекрытий выполнены монолитными либо сборными с упругим закреплением их в стенах.

5. Вертикальные трещины в верхних опорных зонах тавровых перемычек либо не образуются вовсе, либо возникают при усилиях значительно больших, чем усилия, вызывающие образование трещин в нижних опорных зонах.

Наклонные трещины в тавровых перемычках локализуются в их стенках, не заходя в полки.

6. Подтверждено, что образование наклонных трещин в перемычках при работе их в системе здания не вызывает опасности хрупкого разрушения, если их прочность по поперечной силе обеспечена с запасом на 20−30% по сравнению с прочностью по изгибающему моменту.

7. Доказано, что принятые автором предпосылки и допущения и выведенные на их основе формулы для определения величин податли-востей прямоугольных и тавровых перемычек объективно отражают характер процесса образования и развития в них трещин. Расчеты, выполненные по методике автора, показали хорошее совпадение с результатами экспериментов.

8. После образования трещин их влияние на формирование жест-костных характеристик перемычек становится преобладающим: так, после образования первой вертикальной трещины на опоре податливость перемычки увеличивается в 3−5 раз по сравнению с упругой стадией, в фазе образования наклонной трещины в пролете — до 8−11 раз, в фазе развития системы вертикальных и наклонных трещин — до 22 раз.

9. Путем сравнительных расчетов показано, что жесткость монолитных перемычек больше жесткости составных как в упругой стадии (до 4,8 раз), так и в стадии деформирования с трещинами (до 4,7 раз). Следовательно, роль перемычек в работе системы здания из монолитного бетона при действии горизонтальных нагрузок, как правило, более значительна, чем в системе крупнопанельного здания при сопоставимых условиях.

10. В тех случаях, когда, согласно расчету, деформирование перемычек при циклическом перекосе может вступить в фазу развития системы вертикальных и наклонных трещин, для исключения опасности ее хрупкого разрушения по наклонному сечению рекомендуется усиливать поперечное армирование на среднем участке пролета путем уменьшения шага хомутов либо увеличения их диаметра, а также устраивать замкнутые хомуты на протяжении всей перемычки.

11. Внедрение разработанных в диссертации предложений по совершенствованию практических методов определения жесткостных характеристик перемычек с трещинами и расчета зданий с учетом перераспределения усилий в диафрагмах в рекомендательные документы, в проектирование и строительство сейсмостойких сборно-монолитных зданий в г. г.Ессентуки и Кишиневе позволило достигнуть сокращения расхода арматурной стали в количестве 1,5−1,9 кг, т. е. на 3,0−3,5%, и экономии денежных средств в размерах 0,3−0,4 р руб. на м общей площади соответственно.

В расчете на суммарную общую площадь упомянутых зданий, вводимых в эксплуатацию в 1984;85 г. г., в размерах около 100 тыс. м, сокращение расхода арматурной стали составит около 170 т, экономия денежных средств — около 35 тыс. руб.

Принципиальные положения диссертации отражены в 16 публикациях, основными из которых являются следующие:

1. Барков Ю. В., Глина Ю. В. Экспериментальные исследования работы монолитных зданий при испытании крупномасштабной модели.—В кн.: Исследование работы конструкций жилых зданий. -М.: ЦНИИЭП жилища, 1974, с.47−57.

2. j", Barkov, J. Glina. Theoretical and experimental investigations of precast and monolitic frameless buildings on large-scale reinforced concrete models.- Proceedings of V World Conference Earthquake Engineering. Session 7D. 35o a.- Rome: Edigraf — Roma, 1973.

3. Глина Ю. В. Экспериментальные исследования работы монолитных зданий. — В кн.: Индустриальное домостроение из монолитного бетона. -М.: Стройиздат, 1976, с.35−50.

Глина Ю.В., Грабойс Н. Д. Сейсмостойкость зданий из монолитного бетона. — Жилищное строительство, 1978, И? 7, с.3−5.

5. Глина Ю. В. О влиянии некоторых конструктивных параметров монолитных зданий на величину сейсмической нагрузки. — В кн.: Научно-технический прогресс в области индустриализации монолитного домостроения. — М.: ЦНТИ Госгражданстроя, 1978, с.123−127.

6. Глина Ю. В. О податливости перемычек бескаркасных монолитных зданий. — В кн.: Монолитное домостроение. — М.: ЦНИЙЭП жилища, 1979, с.29−39.

7. Глина Ю. В., Соколов М. Е. Рекомендации по определению податливости перемычек бескаркасных монолитных зданий. — М.: ЦНИИЭП жилища, 1981. 32 с.

8. Глина Ю. В. Учет трещинообразования при определении жест-костных характеристик железобетонных перемычек в нелинейной стадии при перекосе. — В реф. сб.: Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. — М.: ВНИИИС, 1981, вып.9, с.5−10.

9. Руководство по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий. — М.: Стройиздат, 1982, с. 37−41, 166−173.

10. Соколов М. Е., Глина Ю. В. Работа перемычек в системе бескаркасного здания. — В кн.: Монолитное домостроение. — М.: ЦНИИЭП жилища, 1982, с.38−50.