Напряженно-деформированное состояние, трещиностойкость и прочность опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками

Сложившаяся к настоящему времени в республике экономическая ситуация требует резкого в 1,5 — 2 раза сокращения удельного расхода в строительном производстве 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, снижения затрат на энергообеспечение, последующий ремонт и модернизацию жилья.

Применяемые в республике 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.

Применение, как альтернативной, каркасной системы, которая хотя и обладает большой гибкостью в планировочных решениях, но ухудшает интерьер помещений из-за выступающих колонн и ригелей.

Вместе с тем есть и достоинства каркасных зданий — относительно низкий расход материалов, возможность применения легких трансформируемых межкомнатных перегородок наряду с более свободной планировкой квартир. Из-за современных требований по резкому снижению материалоемкости, себестоимости и трудоемкости изготовления конструкций, простота их монтажа наряду с высоким качеством архитектурно-планировочных решений на базе минимального числа типоразмеров конструкций, привлекает к себе внимание специалистов строительного комплекса.

Проектный институт «Белпромпроект» и Белорусская государственная политехническая академия разработали серии экспериментальных жилых зданий с плоскими перекрытиями, для свободных планировочных решений в каркасном исполнении (шифр 92 023;Э-01/92).

При разработке новых конструктивных схем каркасных зданий различной этажности, была поставлена задача использовать только выпускаемые сегодня в республике железобетонные конструкции.

Одним из основных элементов Предложенных каркасах является предварительное напряжение многопустотных плит с подрезками на опоре.

Такой вид опирания многопустотных плит, т. е. с подрезкой опорных зон, в мировой практике строительства не применялся.

Как показывает практика, напряженно-деформированное состояние конструкций с подрезкой (балок и плит) существенно отличается от напряженно-деформированного состояния конструкций, опирающихся на нижние грани.

Поэтому возникла необходимость исследования напряженно-деформированного состояния, прочности и трещиностойкости опорных зон (подрезок) предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками.

Наличие подрезки, предварительное напряжение, форма поперечного сечения, отсутствие специальных опалубочных форм, сложность конструирования — этим и некоторым другим вопросам расчета и конструирования подрезок посвящена настоящая работа.

Диссертация выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Белорусской государственной политехнической академии под руководством заслуженного деятеля науки Республики Беларусь, доктора технических наук, профессора Пецольда Т.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы: Недостаточная изученность напряженного состояния прочности, трещиностойкости балочных конструкций с подрезками, отсутствие в норматинвых документах достаточных рекомендаций по их проектированию и методике расчета ограничивает их применение. Диссертация посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния опорных зон предварительно-напряженных многопустотных плит с подрезками на опоре для их применения в конструкциях предлагаемых каркасных зданий.

Связь темы с научно-исследовательскими работами. Исследования выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ Госстроя РБ по теме «Разработать и внедрить конструкции каркаса жилого дома со свободной планировкой квартир» ХД N 10−92, 18−202/92 от 20.04.92.

Цель диссертационной работы: исследование напряженно-деформированного состояния, прочности и трещиностойкости и разработка рекомендаций по расчету и конструк-k тированию опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками для их применения в конструкциях покрытий и перекрытий предлагаемых многоэтажных каркасных зданий с плоскими потолками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать конструкции опытных образцов и методику экспериментальных исследований;

— экспериментальное исследование влияния предварительного напряжения, сосредоточенной арматуры у подрезки и продольной арматуры в подрезке на прочность наклонных сечений из входящего угла подрезки и вне подрезки;

— исследование напряженного состояния опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками методом конечных элементов при действии различных видов нагрузок;

— совершенствование инженерной методики расчета наклонных сечений из входящего угла подрезки вне подрезки при действии поперечной нагрузки;

— разработать конструктивные мероприятия, позволяющие повысить несущую способность и трещиностойкость опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками.

Научную новизну работы составляют:

— впервые проведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками при действии поперечных нагрузок;

— получены качественные и количественные характеристики напряженного состояния опорных зон многопустотных плит с подезками при действии усилия предварительного обжатия и поперечных нагрузок, расположенных на различных расстояниях по длине плиты;

— механизм образования и развития трещин и разрушения опорных зон многопустотных плит с подрезками при действии поперечных нагрузок;

— теоретические и экспериментальные данные по влиянию формы поперечного сечения предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками на прочность по наклонным сечениям;

— предлагаемая на основе экспериментальных исследований методика расчета прочности элементов с подрезками по наклонным сечениям на действие изгибающего момента.

Практическое значение работы состоит I в том, что разработанные рекомендации позволяют надежно проектировать перекрытия и покрытия с плоскими потолками с использованием многопустотных плит с подрезками в опорной зоне.

Автор защищает:

— конструктивные решения многоэтажных каркасных жилых зданий с плоскими потолками, со свободной планировкой квартир;

— результаты исследования напряженно-деформированного состояния опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками методом конечных элементов при действии различных комбинаций нагрузки;

— результаты выполненных экспериментальных исследований предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками, при разных вариантах армирования опорных зон (поперечная и наклонная арматура расположена за подрезкой и продольная арматура в короткой консоли подрезки) и их влияние на несущие способности по наклонным сечениям;

— методику расчета прочности предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками на действие поперечных сил с учетом особенностей форм поперечного сечения;

— методику расчета прочности элемента с подрезками на действие изгибающих моментов;

— рекомендации по проектированию опорных зон предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками, конструктивные мероприятия, позволяющие повысить их прочность и трещиностойкость.

Внедрение результатов работы. Результаты исследования учтены:

— при составлении отчета о научно-исследовательской работе учебно-научно-инженерного центра «Белстроительство» по теме «Разработать и внедрить конструкцию каркаса жилого дома со свободной планировкой квартир» ХД N 10−92, 18−202/92 от 20.04.92;

— результаты работы использованы институтом «Белпромпроект» и БГПА при разработке альбома рабочих чертежей многопустотных плит с подрезкой, шифр 92 023 (3−01−92) выпуск 3;

— частично использовано при проектировании банка «Поиск», г. Минск.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Белорусской государственной политехнической академии (1992, 1993 гг.) и научно-технической конференции, проведннной в проектном институте «Белпромпроект» в июле 1992 г.

Основное содержание работы опубликовано в двух печатных работах. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 104 наименования и содержит 13 $ страниц, в том числе 58 рисунков и 11 таблиц.

4.5. Выводы по четвертой главе.

1. При проектировании приопорных участков преднапряженных многопустотных плит с подрезками следует производить расчет в соответствии со СНиП с учетом предложенного уточнения.

2. Расчет на прочность по наклонным сечениям с учетом особенности формы поперечного сечения, показал сходность с экспериментальными данными.

3. Расчет прочности элемента с подрезками по наклонным сечениям из нижней части торца и на действие изгибающего момента рекомендуется производить по предлагаемой методике с учетом горизонтальной арматуры в подрезке. Следует рассматривать ряд наклонных сечений из нижней части торца, начиная от оси сосредоточенной поперечной арматуры в зоне анкеровки рабочей арматуры, включая и сечение, огибающее горизонтальную арматуру в подрезке.

4. Конструирование опорных зон преднапряженных многопустотных плит с подрезками рекомендуется производить с учетом предложенных в настоящей работе конструктивных решений, для предотвращения образования продольных трещин при обжатии и увеличения несущей способности по наклонным сечениям при действии поперечной нагрузки.

ГЛАВА 5.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Конструктивные решения каркасных зданий с плоскими перекрытиями с применением многопустотных плит с подрезками.

Проектный институт Белпромпроект и БГПА разработали серии экспериментальных жилых зданий в каркасном исполнении (шифр Э-01/92). При разработке новых конструктивных схем каркасных зданий различной этажности была поставлена задача использовать только выпускаемые сегодня в Республике Беларусь промышленностью железобетонные конструкции.

Было разработано три основных типа каркасов: (рис. 5.1).

1. Колонны многоэтажные сечением 300×300, ригели сборные высотой 260 мм с продольным и поперечным расположением и пустотные плиты перекрытия с подрезкой на опоре. Сетка колонн 6×6м. Ригели по серии 1.020 уменьшенной высоты. Пустотные плиты по серии 1.141−1. Вып.60 и 63.

2. Колонны многоэтажные сечением 300×300 мм, ригели сборные Г-образные высотой 260 мм с установкой в продольном и поперечном направлении. Плиты перекрытия пустотные с подрезкой на опоре. Сетка колонн 6×6 мм. При таком решении пустотные панели располагаются в каждой ячейке перпендикулярно друг другу.

3. Колонны по этажной разрезке сечения 200×400 и 200×600 мм. Ригели сборные, сечение 200×400 мм. Плиты перекрытия с подрезкой на опоре. Сетка колонн 6×6м, колонны и ригели изготавливают в опалубках прогонов. Серии 1−225. Вып.II.

Каркасы зданий всех предложенных конструктивных схем — рам-но-связевые. Пространственная устойчивость зданий обеспечивается системой вертикальных устоев, объединенных дисками перекрытий. Вертикальными устоями служат связевые панели, образуемые сборными железобетонными диафрагмами и лифтовыми шахтами.

Колонны многоэтаэные, сечением бесконсольные, стык колонн по высоте — жесткий?" Ригели опираются на стальные консоли, прйваривае-мые к закладным изделиям колонн. Колонны имеют сквозные отверстия для пропуска соединительных арматурных стержней, обеспечивающих не-разрезанность ригелей на опоре. Колонны по этажам имеют подрезку в оголовках для опирания ригелей. Ригели двухполочные, однополочные и прямоугольные. Подрезки и вырез в опорных частях служат для уста.

ПЛчТН пг-реЖрНТиЛ о '.

Ч—7 о.

• у о.

— Г i !) ! ! !) П / ! П / / / П.

1)1/1/ I II IIt I 1 ! ! ! ГТ у (5~о у 'So у.

0?.коПоЛоТ.нЬыр и 1лдь.

Рлстбор

I II II I / / шип ///.

II I / III III т ! ! ! ! ! II.

U I II II II I /7 л.

II II I I / ГТ.

PureAU.

Рис. 5.I. Предлагаемая схема опирания многопустотных плит с подрезками на ригель, образуя плоский потолок новки соединительных стержней и скрытого размещения опорной консоли. Подрезка в пустотных плитах служит для уменьшения высоты этажа и выполнения гладких потолков. Перегородки из штучных (гипсовых плит) или крупноразмерных (каркасно-облегченных конструкции с эффективной звукоизоляцией, в том числе из составных материалов) элементов. Сантехнические блоки — кабины приняты самонесущими. Ввиду того, что деформированность каркасных зданий выше, чем крупнопанельных, при конкретном проектировании следует предусматривать соответствующее крепление перегородок к конструкциям здания, обеспечивающее целостность перегородок при деформациях каркаса.

5.2. Экономическая эффективность, предлагаемые конструктивные решения.

Факторами, определяющими эффективность применения предлагаемого конструктивного решения многоэтажных каркасных зданий являются:

— относительно низкий расход материалов, себестоимости и трудоемкости изготовления конструкций, простота их монтажа;

— возможность применения легких трансформируемых межкомнатных перегородок наряду с высоким качеством архитектурно-планировочных решений;

— применение любых конструктивных решений и материалов наружного стенового ограждения;

— уменьшение высоты этажа и общей высоты многоэтажного каркасного здания ведет к экономии материалов несущих конструкций;

— экономия энергозатрат и снижение эксплуатационных расходов.

Но самое главное заключается в том, что этот тип зданий сегодня не требует разработки и создания новой технологии и оборудования по выпуску сборного железобетона, сокращает в сотни раз номенклатуру сборных железобетонных конструкций и сводит до минимума монолитные работы при монтаже здания. Для оценки технико-экономической эффективности экспериментального жилого дома по расходу материалов, изготовлению, привязке и монтажу установлено сравнение показателей с бескаркасными крупнопанельными зданиями серии 90−058−85 и сборно-монолитным жилым домом без предварительного напряжения ригеля в построечных условиях, имеющим абсолютно идентичные объемно-планировочные характеристики (табл.5.1).

Как следует из анализа показателей (табл.5.1) в конструктивной схеме здания, разработанного АП «Белпроект» по расходу материалов (без учета стенового ограждения, лестничных клеток, балконов и.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации содержатся новые конструктивные решения многоэтажных каркасных зданий с плоскими перекрытиями для свободной планировки квартир, разработанные проектным институтом «Белпромпроект» и Белорусской государственной политехнической академией. Основными конструкциями здания являются предварительно напряженные многопустотные плиты с подрезкками на опоре. Работа таких конструкций до сегодняшнего дня в мировой практике строительства не исследована.

Проектирование, изготовление опытных образцов и испытание предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками в опорных зонах позволило сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Шесть натурных опытных образцов предварительно напряженных многопустотных плит с подрезками (12 подрезок опоры) запроектированы АП «Белпромпроект» и БГПА и были изготовлены на действующем оборудовании завода железобетонных изделий ПО «Минскжелезобетон». Причем, каких-либо осложнений с устройством подрезок в опорных зонах плит с использованием специального вкладыша не возникало.

2. Испытанные образцы имели три вида конструктивного решения опорной зоны многопустотных плит с подрезками. Сами панели запроектированы для восприятия нормативной полезной нагрузки равной 1,48 кН/м (для перекрытий жилых домов).

3. При испытании оказалось невозможным добиться разрушения плиты по наклонным сечениям в зоне подрезки при приложении равномерно распределенной нагрузки. Поэтому, чтобы вызвать образование наклонных трещин и разрушение по наклонному сечению, было принято решение дальнейшие испытания образцов проводить двумя сосредоточенными силами.

4. В результате предварительного напряжения арматуры в продольных сечениях многопустотных плит с подрезками возникают отрывающие усилия, которые при определенном уровне обжатия могут привести к образованию продольных трещин. Величина отрывающих усилий зависит от степени предварительного напряжения.

5. При действии поперечных нагрузок в продольных сечениях многопустотных плит с подрезками возникают растягивающие напряжения, достигающие максимальных величин на уровне подрезок. Величина растягивающих напряжений зависит от положения поперечной нагрузки в пролете. Ширина раскрытия трещин при действии поперечной нагрузки в плитах которых не образовалось трещины при обжатии, меньше ширины раскрытия аналогичных трещин в плитах, в которых при обжатии образовались трещины.

6. Расчет прочности по наклонным сечениям из нижней грани плиты (конструкции с подрезками) в отличие от расчета по нормативным документам рекомендуется производить с учетом работы горизонтальной арматуры в подрезке по предлагаемой методике. При этом должен рассматриваться ряд наклонных сечений в зоне анкеровки рабочей арматуры, начиная от оси сосредоточенной у подрезки поперечной арматуры.

7. Расчет прочности по наклонным сечениям из входящего угла подрезки на действие изгибающего момента, рекомендуется производить с учетом полного расчетного сопротивления сосредоточенной поперечной арматуры. А при действии поперечной силы рекомендуется производить с учетом особенностей формы поперечного сечения.

8. Расчет прочности по наклонным сечениям из входящего угла подрезки на действие поперечной силы, рекомендуется производить с учетом особенности формы поперечного сечения, на действие изгибающего момента рекомендуется производить с учетом полного расчетного сопротивления сосредоточенной поперечной арматуры.

9. Установлено, что предварительное напряжение не оказывает влияния на прочность по наклонным сечениям из входящего угла подрезки на действие изгибающего момента. В связи с этим в расчете прочности не учитывается влияние предварительного напряжения.

9. Анализ напряженно-деформированного состояния приопорных участков многопустотных плит с подрезками, полученные численным методом (метод конечных элементов) подтвердили картину напряженно-деформированного состояния, полученную опытами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующей работе: «Отчет о научно-исследовательской работе учебно-научно-инженерного центра «Белстроительство» по теме «Разработать и внедрить конструкцию каркаса жилого дома со свободной планировкой квартир» ХД N 10/92, 18−202/92 от 20.04.92.