Совместная сопротивляемость, деформативность железобетонных элементов перекрытия сборно-монолитных каркасов с плоскими плитами и скрытыми ригелями

В 30-е годы прошлого века железобетон преимущественно применялся в промышленном и гидротехническом строительстве. Веским аргументом в пользу железобетона явилась большая огнестойкость конструкций, выполненных в железобетоне, по сравнению с конструкциями из других материалов, а также коррозионная стойкость. Для тех лет было характерно использование монолитного железобетона. В последующие годы область применения железобетона расширилась. В 50-е годы в нашей стране началось широкое применение сборного железобетона и внедрение его в самые различные отрасли строительства. Дальнейшее развитие строительной индустрии в нашей стране пошло именно в направлении сборных железобетонных конструкций, и монолитное строительство отошло на задний план.

Спустя три десятилетия незаслуженно забытый монолитный железобетон начал возвращаться в строительство, причем такие его преимущества, как возможность свободной планировки и большая архитектурная выразительность зданий в монолитном исполнении, определили область его применения в гражданском строительстве. В 1987 г ЦНИИПжилища была разработана научно-техническая программа по дальнейшему совершенствованию монолитного домостроения, которая затем переросла в комплексную программу «Монолит-90». В настоящее время практика возведения зданий из монолитного железобетона широко распространена и объемы монолитного домостроения неуклонно растут. Так в 1999 г. в г. Москве доля монолитного домостроения составила 25% от общего объема строительства жилых и общественных зданий, а в 2000 г. уже 50% [51].

Это связанно с тем, что сложившаяся к настоящему времени экономическая ситуация в стране требует сокращения в строительном производстве удельного расхода материальных и энергетических ресурсов за счет рационального их использования. С другой стороны, имеется постоянная потребность общества существенно наращивать темпы и объемы ввода жилья и объектов соцкультбыта. Выдвигаются новые более жесткие требования к архитектурной выразительности зданий, комфортности жилья, его стоимости. На передний план выдвигаются также требования экономичности эксплуатации, снижение затрат на энергообеспечение, последующий ремонт и модернизацию жилья.

Применяемые в стране системы гражданских зданий, особенно выполняемые в крупнопанельных элементах, отличаются простотой, высоким уровнем заводской готовности и достаточно высоким темпом возведения. Однако, крупнопанельное домостроение в традиционном исполнении для создания гибкой конструктивной системы зданий непригодно. Оно характеризуется большой материалоемкостью, не обеспечивает разнообразия архитектурно-конструкторских и объемно-планировочных решений.

Монолитное домостроение открывает возможность создания свободных планировок помещений с большими пролетами за счет перехода к неразрезным пространственным системам.

Другим преимуществом данной технологии является возможность создания практически любых криволинейных форм, что также расширяет спектр решений при создании уникальных архитектурных образов зданий.

Конструкции, выполненные по монолитной технологии, практически не имеют швов, вследствие этого не возникает проблем со стыками и с их герметизацией, также повышаются их теплотехнические и изоляционные свойства.

При всех достоинствах монолитного домостроения данная технология не лишена и некоторых недостатков.

Производственный цикл в данном случае переносится на строительную площадку под открытым небом, а это значит, что дождь, снег, ветер, жара и холод будут создавать дополнительные трудности в производстве монолитных конструктивных элементов, увеличивая сроки строительства.

Особые сложности возникают при бетонировании в зимних условиях. Главная проблема состоит в замерзании несвязанной воды затворения в начальный период структурообразования бетона, в результате чего в конструкциях появляются дефекты и повреждения.

Наиболее рационально сочетаются положительные качества двух строительных систем в сборно-монолитных конструкциях. Особенно эффективны системы, основанные на применении ограниченной номенклатуры сборных изделий простейшей конструктивной формы (колонн прямоугольного сечения, многопустотных плит перекрытий т.п.). Внедрение таких систем в практику строительства требует минимальных капиталовложений в базу стройиндустрии.

Среди возможных вариантов выделяется новая конструктивная система РАДИУСС, разработанная институтом ИНРЕКОН и успешно применяемая в ряде регионов, а также система АРКОС разработанная БелНИИС’ом.

Однако наиболее привлекательная модификация этих систем с плоскими плитами не получила достаточно широкого применения в связи с отсутствием практических рекомендаций по расчету и конструированию элементов, условия работы которых изучены в недостаточно полном объеме.

Таким образом, возникла необходимость разработки метода расчета, позволяющего исследовать напряженно-деформированное состояние, прочность и трещиностойкость каркаса в целом.

Актуальность выбранной темы работы. Как выше отмечено, новые сборно-монолитные конструкции являются перспективными.

Одна из наиболее рациональных областей строительства для применения сборно-монолитных конструкций — это гражданское домостроение. Строительство с применением новых сборно-монолитных конструкций позволит сократить сроки строительства, уменьшив при этом трудозатраты и себестоимость. Использование предварительно напряженных конструкций в сборно-монолитном строительстве уменьшает расход стали, которая является самым дорогим материалом в железобетоне. Также при применении заводских изделий улучшается качество и надежность строительства, но при этом сохраняется свобода планировки помещений, что является положительным качеством монолитного домостроения. Применение сборных элементов уменьшит количество дефектов, свойственных монолитному строительству. Сборно-монолитные конструкции позволят исключить недостатки сборных конструкций, которые не позволяют создавать сложные здания в плане из-за ограниченности набора элементов.

Широкое внедрение сборно-монолитных конструктивных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями (РАДИУСС, АРКОС) затруднено в силу их малой изученности, недостатка экспериментальных данных и, как следствие, практически полного отсутствия нормативно-технической базы для проектирования. Уже первые исследования данных сборно-монолитных систем [4] показали всю сложность решения задач по оценке напряженно-деформированного состояния. В настоящей работе предпринята попытка решения комплексной проблемы по расчету сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями.

Результаты работы не только внесут вклад в формирование общей теории сборно-монолитных конструктивных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями, но и позволят решить целый ряд прикладных задач, связанных с разработкой и проектированием новых эффективных сборно-монолитных конструкций для строительства, что позволит снизить материалоемкость и одновременно повысить надежность зданий и сооружений.

Цель диссертационной работы. Приведенные выше положения предопределили основную цель настоящей работы — разработать метод расчета сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями, удовлетворяющий всем современным требованиям и нормам.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

• Выявить особенности взаимодействия конструктивных элементов в сборно-монолитных конструктивных системах с плоскими плитами и скрытыми ригелями.

• Разработать конечно-элементную модель (КЭМ) для каждого элемента сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями с учетом возможности объединения их в единую систему.

• Разработать систему связей, обеспечивающих совместную работу элементов каркаса. Свойства связей КЭМ должны соответствовать свойствам соединений элементов в сборно-монолитном каркасе с плоскими плитами и скрытыми ригелями.

• Разработать метод расчета сборно-монолитных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями.

• Исследовать на основе разработанной КЭМ напряженно-деформированное состояние сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями.

• Разработать предложения по оценке несущей способности стыка многопустотной плиты с несущим монолитным ригелем.

• Выполнить оценку погрешности предложенного метода путем сопоставления теоретических и экспериментальных результатов.

На защиту выносятся.

• Рекомендации по определению жесткостных характеристик железобетонных элементов с учетом образования трещин и развития неупругих деформаций бетона и арматуры.

• Рекомендации по учету фактических жесткостных характеристик в элементах сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями при расчете с использованием метода конечных элементов в формате разработанных программных комплексов.

• Разработанные конечно-элементные модели конструктивных элементов сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями.

• Конечно-элементные (КЭ) модели связей, обеспечивающих взаимодействие между моделями конструктивных элементов систем.

• Методика учета исключения связей из работы каркаса.

• Расчетная модель сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями, состоящая из КЭ моделей отдельных конструкций и связей.

• Анализ результатов натурных испытаний предварительно напряженных многопустотных плит перекрытий, шарнирно опертых по двум сторонам, и сопоставление их с известным теоретическим и предлагаемым методом расчета.

• Результаты расчета фрагмента сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями с учетом нелинейной работы конструктивных элементов.

Научную новизну и значимость полученных результатов работы составляет комплексное решение проблемы применения в строительстве сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями, включающее в себя.

• Комплексный метод расчета сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями, позволяющий определять усилия в элементах конструктивной системы и деформации (перемещения) как системы в целом, так и отдельных ее элементов, с использованием конечно-элементного метода расчета пространственных систем с применением жесткостных характеристик железобетонных элементов, учитывающих неупругие деформации и образование трещин.

• Впервые разработанную КЭ модель сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями, которая учитывает все особенности работы каркаса и позволяет выполнять нелинейные расчеты. В модели учитывается распор, возникающий от деформации многопустотных плит, взаимосвязь между монолитными ригелями с плитами и наличие шва между плитами.

• Рекомендации по определению нелинейных жесткостных характеристик изгибаемых железобетонных элементов и их учет в статическом расчете сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами и скрытыми ригелями с использованием современных программных комплексов.

Практическое значение работы заключается в том, что на основании разработанной модели каркаса возможно с высокой степенью надежности проектировать здания и сооружения с использованием сборно-монолитных систем с плоскими плитами перекрытия и скрытыми ригелями.

Апробация работы. Материалы диссертации были опубликованы в двух печатных статьях.

Результаты исследований были доложены и одобрены на двух научных семинарах кафедры ЖБК МГСУ проведенных 31.01.2003 г. и 25.05.2007 г.

Диссертация состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 69 наименований и содержит 219 страниц, в том числе 103 рисунков и 21 таблицу.

Работа выполнена в период с 2003 по 2008 год на кафедре железобетонных и каменных конструкций МГСУ под научным руководством доктора технических наук, профессора JI.JI. Оаныпина.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам БелНИИС Мордичу А. И. и Белевичу В. Н. за предоставление данных по испытаниям фрагментов и частей сборно-монолитного каркаса.

Общие выводы.

Приведенные исследования и сформулированные на их основании расчетные предложения, доведенные до состояния практического использования, позволяют на базе единого методологического подхода комплексно решить проблему применения в строительстве новых «сборно-монолитных каркасных систем.

Базируясь на результатах исследований, следует сделать следующие обобщающие выводы.

1. На основании анализа отечественных и зарубежных каркасных систем установлено, что сборно-монолитные каркасные системы с плоскими плитами и скрытыми ригелями является весьма перспективными для применения в строительстве. Опыт строительства и эксплуатации зданий на основе данных систем показал, что они отличаются минимальной себестоимостью строительства, высокими потребительскими качествами (комфорт, экономичность и т. д.), а также высокой надежностью и долговечностью.

2. Из анализа современных методов расчета конструктивных систем и выполненных исследований следует, что наиболее полную и близкую к фактической картину распределения усилий и перемещений в несущих элементах сборно-монолитного каркаса с плоскими плитами позволяет получить пространственный расчет системы методом конечных элементов. При этом основным фактором, влияющим на результаты расчета, является учет в жесткостных характеристиках конечных элементов особенностей работы железобетона (образование трещин, неупругих деформаций бетона и арматуры).

3. Показано, что физическую нелинейность железобетонных элементов рекомендуется учитывать в формате разработанных программных комплексов прямой заменой упругих жесткостных характеристик на жесткостные характеристики, определенные с учетом возникновения трещин и неупругих деформаций в зависимости от усилий, действующих в элементах конструктивной системы. Для практического использования предложен упрощенный метод определения жесткостных характеристик железобетонных элементов с учетом трещин и неупругих деформаций, с использованием диаграммы «момент-кривизна».

4. Разработана конечно-элементная модель сборно-монолитного каркаса, позволяющая учитывать ранее не учитываемые эффекты: наличие реактивного распора при изгибе сборных многопустотных плит, перераспределение усилий на менее нагруженные элементы перекрытия.

5. Разработан комплексный метод расчета, сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами перекрытиями и скрытыми ригелями, позволяющий определять усилия в элементах конструктивной системы и деформации, значительно более точный по сравнению с существующими методами расчета данных каркасных систем.

6. Натурные испытания фрагмента каркаса подтвердили правильность методики моделирования и расчета сборно-монолитных каркасных систем с плоскими плитами и скрытыми ригелями без трещин и с трещинами.

7. Установлено, что в плитах, работающих в каркасе, возникают знакопеременные моменты, на опорах растянута верхняя полка плиты, в пролете — нижняя. Наибольшие напряжения возникают на краях возле опор в крайних плитах. Качественный и количественный характер перераспределения усилий в перекрытии сборно-монолитного каркаса зависит в каждом конкретном случае от конструктивных особенностей перекрытия (условия сопряжения плит с ригелем, геометрических размеров, армирования).

8. Определено влияние распора на жесткость перекрытия каркаса. Установлено, что при работе перекрытия каркаса без трещин распор уменьшает прогиб плит перекрытия в среднем на 6.1%. После образования трещин в несущих ригелях влияние распора на значения прогиба в плитах перекрытия снижается до 2%. Распор в крайних пролетах каркаса вызывает изгиб крайнего несущего ригеля в горизонтальной плоскости, а совместно с вертикальной реакцией от многопустотных плит — косой изгиб с кручением.

9. Показано, что в сборно-монолитных каркасных системах с плоскими плитами и скрытыми ригелями осуществляется перераспределение усилий между их элементами под нагрузкой, что подтверждается расчетами.

Ю.Разработаны практические рекомендации по оценке несущей способности шпоночного стыка плиты перекрытия с ригелем.