Прочность железобетонных плитных конструкций при продавливании

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Прочность железобетонных плитных конструкций при продавливании

Мурзабаев Н.С.

Расчет на продавливание ранее относился к числу редко применяемых в массовой практике проектирования. Им пользовались, в основном, тогда, когда к перекрытиям прикладывалась большая нагрузка по небольшой площади, при проектировании свайных ростверков и еще реже - при проектировании стаканных фундаментов под колонны (в большинстве случаев использовали типовые сборные фундаменты).

Положение резко изменилось в 1990-е годы, когда популярными стали так называемые безригельные перекрытия, т.е. плоские перекрытия не только без балок (ригелей), но и без капителей. Самой нагруженной частью таких перекрытий стал опорный участок, испытывающий одновременно максимальный изгибающий момент отрицательного знака и огромную продавливающую силу (опорную реакцию колонны от действия нагрузки на перекрытие).

Проблема надежности усугубилась насыщенностью таких опорных участков арматурой при не всегда должном (а порой и откровенно низком) качестве строительных работ, особенно в зимнее время.

Очевидно, этими причинами объясняется то, что расчету на продавливание в новых Нормах и Своде правил уделено более пристальное внимание, чем в старых Нормах. Если в старых Нормах рассматривался только случай (условно назовем его первым) осевого приложения продавливающей силы, то в СП к нему добавился и случай внецентренного ее приложения, т.е. случай, когда вместе с продавливающей силой действует и момент, вызывающий неравномерные скалывающие (касательные) напряжения по поверхности пирамиды продавливания. Именно второй случай характерен для безригельных перекрытий рамных и рамно-связевых каркасов.

Вопросы моделирования продавливания железобетонных плит по мере развития строительного производства и новых тенденций в архитектуре приобретают с каждым годом все большую значимость[10,12,13,14,21,23].

Исследования продавливания железобетонных плит имеют почти столетнюю историю. Это работы А.П. Васильева [5-7], Elstner R.C., Hognestad E. [26,27], Forsell C., Holmberg A [28]., Graf O. [25,29,30], Kinnunen, Nylander [31,32], Talbot A.N. [37], Richart F. [35,36], Yitzhaki и др. Экспериментальные результаты перечисленных авторов позволили выявить влияние таких факторов, как прочность бетона, наличие или отсутствие изгибающих моментов, геометрия плит и площадок передачи нагрузок, расстояния от опор до штампа, типа и концентрации армирования, нагельного эффекта в арматуре, формы поверхности пирамиды продавливания, последовательность и характер трещинообразования и т.д. Исследования большинства авторов были направлены на получение полумпирических зависимостей для продавливающего усилия в бетоне с учетом перечисленных выше факторов. В основу же была положена методика расчета по предельным состояниям.

Так, Whitney C.S. [38] еще в 1957 году предложил, что прочность при продавливании является функцией предельного момента сопротивления Мu

, (1)

где - продавливающая нагрузка;

- рабочая высота плиты;

- размер сечения квадратной колонны;

- максимальный изгибающий момент;

- ширина нижнего тела пирамиды продавливания, боковые стороны который наклонены под углом 45°.

Это направление получило развитие в работе Moe J [33]. На основании проверенных им испытаний опертых по контуру плит была предложена зависимость

(2)

где - периметр штампа, которой принимается за расчетное критическое сечение;

- коэффициент, равный отношению разрушающих нагрузок при продавливание и изгибе;

- цилиндрическая прочность бетона на сжатие;

,, - те же, что и в формуле.

В дальнейшем Moe J. [33] констатировал, что прочность при продавливании напрямую зависит от прочности бетона на растяжение при скалывании, которая принимается пропорционально . На рис. 1. показана взаимосвязь между перерезывающей (продавливающей) силой и изгибающим моментом . Критическое сечение при определение несущей способности принимается по периметру грузовой площади.

Рис.1. Взаимосвязь между перерезывающей силой и изгибающим моментом

Обобщив данные перечисленных исследований Американский институт бетона (ACI-ASCE Committee 326) [34] рекомендовал формулу

4ц•, (3)

где ,, - те же, что и в формуле

ц - эмпирический коэффициент;

- цилиндрическая прочность бетона на сжатие.

При этом принималось, что критическое сечение находиться на расстоянии от продавливающего штампа (колонны).

В отечественном нормативном документе [22] для определения несущей способности при продавливании была принята предложенная проф. А.А.Гвоздевым зависимость

< , (4)

где - те же, что и в формуле

- расчетное сопротивление бетона растяжению;

- среднее арифметическое величин периметров верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания в пределах рабочей высоты сечения;

= 0,75 - коэффициент, принятый по результатам зарубежных экспериментальных исследований.

Меньшим основанием пирамиды продавливания служит площадь действия нагрузки, а боковые грани наклонены под углом 45° к горизонтали.

В последующие годы усилия советских исследователей были направлены, в основном, на совершенствование и уточнение параметров формулы. Предприняты попытки учесть такие факторы, как силы зацепления берегов трещин, диаметр и шаг продольной арматуры, наличие поперечной арматуры, нагельный эффект в арматуре в трещине, мембранный эффект сетки продольной арматуры, стесненные и нестесненные условия продавливания, конструктивные особенности сопряжений элементов и др.

Определению этих уточняющих факторов посвящены многочисленные работы, выполненных под руководством А.А.Гвоздева [8,9,3], А.С.Залесова [12-14], Н.Н.Коровина [18-19], а также работы К.Е.Ермуханова [11], Т.А.Мухамедиева [20], С.Г.Качановского [17], И.В.Шеховцова [24] и др. Эти уточнения вводились в практические расчеты и требования, заложенные в нормативных документах.

Рис. 2. Типы продавливания: а) свободное; б) стесненное

Следует отметить, что большинство авторов рассматривали разрушение от продавливания по замкнутой наклонной поверхности: наклонная трещина в растянутой зоне бетоне переходила в сжатую зону, но под другим углом. Кроме этого, рассматривались случаи, так называемых, свободного продавливание и продавливания в стесненных условиях и (рис.2).

В 2003 году А.С.Залесов и А.Иванов [15,16] предложили при расчетах узлов сопряжения колонн с плитами перекрытия форму разрушения, представленную на рис.3. В качестве расчетной модели авторы предложили заменить наклонную поверхность пирамиды разрушения на условное вертикальное сечение, проходящее в середине наклонной поверхности, с высотой, равной рабочей высоте поперечного сечения. Похожая модель механизма продавливания лежит в основе нормативного документа по железобетонным конструкциям Российской Федерации и сопутствующих документов .

Рис.3.Формы разрушения: 1 - фактическая поверхность разрушения; 2 - теоретическая поверхность разрушения;

3 -расчетное вертикальное сечение

Аналитические и численные исследования. В целом ряде работ на основе экспериментальных данных и анализа поведения конкретных конструкций авторы предлагали свои аналитические модели по определению несущей способности плитных конструкций при продавливании.

Так Kinnunen S. и Nylander H. [32] предложили модель продавливания круглых плит с кольцевым и радиальным армированием колоннами круглого поперечного сечения, основанную на результатах статических испытаний. Позже она была дополнена [31] и для круглых плит с ортогональным армировнием в растянутой зоне.

Рис. 4. Предполагаемая форма разрушения

В дальнейшем Hawkins N.M. и другие исследователи пришли к выводу, что целесообразно располагать растянутую арматуру над колонной, что сдерживает развитие пластических деформаций в продольной арматуре и уменьшает ширину раскрытия трещин при одних и тех же условиях загружения.

В середине 70-х годов Brastrup M.W. и др. предложили модель продавливания для осесимметричной плиты, опертой на круглое кольцо с диаметром D, где бетон считался идеально пластическим материалом. На рис.4. показана форма разрушения согласно этой модели. Здесь d - диаметр штампа; 1 d - диаметр распространения радиальной трещины на нижней поверхности плиты; кривая А-В-Е представляет собой наклонную трещину, возникающую при продавливании. Предельную нагрузку авторы получили на основе равенства возможных работ внешних и внутренних сил.

Alexander S.D.B. и Simmonds S.H.предложили рамную модель механизма продавливания в узле сопряжения колонны с плитой. Модель условно представляет арматуру и тело бетона в виде своеобразной фермы (рамы). Верхние арматурные стержни представляют собой горизонтальные пояса, а бетон от нижней грани плиты до верхнего армирования работают как наклонные стойки (раскосы). Бетонные нисходящие «раскосы» препятствуют перемещению вниз, в то время как восходящие «раскосы» препятствуют перемещению вверх (к восходящим раскосам относят нижнюю арматуру и бетон от верха плиты до нижней арматуры).

ТакNilsson L. [43] с помощью МКЭ изучал поведение арматурных стержней в круглых железобетонных плитах. Бетон на начальных этапах нагружения принимался упругим изотропным материалом, а в процессе трещинообразования приобретал деформационную анизотропным.

Loseth S. и др. [42] одними из первых показали, что конечно-элементные программы, разработанные для нелинейного анализа бетонных конструкций, могут быть использованы для расчета конструкций при продавливании.

В работеAndra H.-P. [39] для расчета на продавливание использовался программный комплексADINA, в котором реализована физическая модель железобетона с трещинами. Результаты расчета сравнивались с экспериментальными данными. В целом расчетный процесс разрушения при продавливании совпадает с опытным.

De Borst R. иNauta P. [40] изучали продавливание на примере плоской задачи.

Gonzalez-Vidoza F., KotsovosM.D., Pavlovic M.N. [41] также изучали продавливание на примере расчета балок-стенок, с приложенной к ним сосредоточенной нагрузкой. Ими использовались плоские изопараметрические конечные элементы и определяющие соотношения для бетона, полученные на основе теории течения. Бетон и арматура работали совместно без проскальзывания. Арматура моделировалась стержневыми элементами. Обзор численных исследований также не дает удовлетворительного ответа на вопрос о форме поверхности разрушения даже для штампов простейших форм, несмотря на то, что в целом для таких штампов нелинейные конечно элементные расчеты адекватно описывают процесс разрушения. Траектории наклонных трещин не всегда совпадают с гипотетическими предельными поверхностями

Актуальность темы. Проведенная научная работа дает возможность установление различных форм разрушения железобетонных плит при действий концентрированной нагрузки. Открывает возможность расчета прочности железобетонных элементов на продавливания в различных не типовых условиях. Повышение эффективности строительного производства невозможно без совершенствования проектирования конструкций, обеспечения их надежности, долговечности и экономичности. В равной степени это зависит от снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, применение новых усовершенствованных материалов и конструкций. нагрузка плитный продавливание прочность

Цель экспериментально-теоретическое исследования прочности железобетонных элементов в различных формах разрушения и разработать предложения по расчету прочности. Результаты работы доложить в научных семинарах и конференциях и подготовить публикации(статьи)

Литература

Александровский С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменение температуры и влажности с учетом ползучести/Александровский С.В.- М.: Стройиздат, 1973. - 432 с.

Ахвердов И.Н. Основы физики бетона/ Ахвердов И.Н. - М. : Стройиздат, 1981. - 464 с.

Байков В.И. Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс/ В.И. Байков, Э.Е. Сигалов- М. : Стройиздат, 1985. - 782с.

Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона/ Берг О.Я. - М.: Госстройиздат, 1961. - 96 с.

Васильев А.П. Башмаки стаканного типа для сборных железобетонных конструкций/ Васильев А.П. - Журнал НОИС.-1932, №4-5. - С.12-14.

Васильев А.П. Элементы сборных железобетонных конструкций и их соединения/ Васильев А.П. М.: Промстройпроект, ОНТИ, 1935. - (Справочник проектировщика промышленных сооружений, т.4.)

Гвоздев А.А. Переходные формы между разрушением по наклонному сечению и продавливанием/ А.А. Гвоздев, А.С. Залесов, К.Е. Ермуханов. - Бетон и железобетон. - 1980, №3. - С.27-29.

Гвоздев А.А., Карпенко Н.И. Работа железобетона с трещинами при плоском напряженном состоянии/ А.А. Гвоздев, Н.И. Карпенко. - Строительная механика и расчет сооружений. -1965, №2. -С. 20-23.

Голышев А.Б. Курс лекцій з основ розрахунку будівельних конструкцій із опору залізобетону/ Голышев А.Б. - Киев, 2004. - 340 с.

Ермуханов К.Е. О переходных формах между разрушением плит по наклонному сечению и их продавливанием/ Ермуханов К.Е. - Бетон и железобетон. - 1981, №1. - С. 17-18.

Залесов А.С. Краевое продавливание/ А.С. Залесов, В.А. Гундарь, В.В. Чижевский. - Бетон и железобетон. - 1990, №2 - С. 36-38.

Залесов А.С. Научно-технический отчет по теме: «Разработка методики расчета и конструирования монолитных железобетонных безбалочных перекрытий, фундаментных плит и ростверков на продавливание» / А.С. Залесов, Е.А. Чистяков, А.С. Махно. - М.: ГУП НИИЖБ. - 2002 - 55 с.

Залесов А.С. Прочность плит с поперечной арматурой на продавливание/ А.С. Залесов, К. Е. Ермуханов И.А. Момбеков. - Бетон и железобетон.- 1990, №6. - С. 23-24.

Иванов. А. Расчет прочности плоских плит перекрытий без поперечной арматуры монолитных каркасных зданий на продавливание. А. Иванов., А.С. Залесов- Известия вузов. Строительство и архитектура. - 2003. - С.200-205.

Иванов. А. Расчет прочности плоских плит перекрытий с поперечной арматуры монолитных каркасных зданий на продавливание/ А. Иванов. - Известия вузов. Строительство и архитектура. - 2003. - С.206-210.

Качановский С.Г. Переход от разрушения по наклонному сечению к продавливанию для плит с поперечной арматурой/ Качановский С.Г. - Развитие технологии расчета и конструирование железобетонных конструкций. - Труды ин-та НИИЖБ. - С. 57-60.

Коровин Н.Н. Продавливание плит ростверков прямоугольными колоннами/ Коровин Н.Н. - В кн. «Элементы и узлы каркасов многоэтажный зданий» - Сборник трудов, под ред. А.П.Васильева. - М.: Стройиздат, 1980 - С. 30-40.

Коровин Н.Н., Голубев А.Ю. Продавливание толстых железобетонных плит/ Коровин Н.Н., Голубев А.Ю. - Бетон и железобетон. - 1989, №11. - С. 20-23.

Мухамедиев Т.А. Совершенствование метода расчета изгибаемых в двух направлениях плит/ Т.А. Мухамедиев, М.И. Леви, А.В. Мельник- Новые экспериментальные исследования и методы расчета железобетонных конструкций. - М., 1989. - С.153-161.

Размещено на Allbest.ru