Полегшені багатошарові перекриття для архітектурно-будівельних систем з широким кроком несучих конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Основним напрямком розвитку житлового будівництва було і залишається підвищення якості нового житла при супутньому зниженні його вартості і наступних витрат на експлуатацію. Під підвищенням якості житла тут насамперед розуміється збільшення площі квартир, а також поліпшення їхньої тепло- і звукоізоляції. Досягти цих взаємовиключних цілей можна тільки йдучи по шляху зниження вартості одиниці загальної площі житла і підвищення його техніко-експлуатаційних якостей. В даний час у вітчизняній будіндустрії ці задачі вирішуються в основному шляхом упровадження будинків з монолітним залізобетонним каркасом і огороджувальними начіпними конструкціями з підвищеним опором теплопередачі. Намітилася тенденція до збільшення ширини корпусу з 11-12 до 17-20 м - переходу до будинків з "широким корпусом", що дає зниження вартості 1 м2 загальної площі і економію енергоресурсів.

Важливою вимогою до житлових будинків стає забезпечення можливості вільного перепланування квартир за бажанням замовника, що має на увазі в першу чергу відсутність несучих стін усередині квартири. Згадувані каркасно-монолітні будинки задовольняють цій вимозі умовно, оскільки усередині квартир залишаються несучі залізобетонні колони, пілони і діафрагми, що утруднює можливість перепланування, а найчастіше і псує інтер'єр квартир.

Явно, що рішення проблеми полягає в повному видаленні вертикальних несучих конструкцій із простору квартири і розміщення їх усередині зовнішніх стін і міжквартирних перегородок. Таке рішення має на увазі улаштування перекриттів "розміром на квартиру", обпертих по контуру на несучі стіни чи колони каркасу. Проліт подібних перекриттів може досягти 10 - 12 м. При цьому дане перекриття повинно мати по можливості низьку матеріалоємність, малу власну вагу, а також задовольняти експлуатаційним вимогам, у першу чергу звуко- і теплоізоляційної здатності.

Перераховане визначає необхідність і важливість створення нових конструктивних систем перекриттів, що задовольняють вищевикладеним вимогам, чому присвячена дана робота.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка конструкції монолітних тришарових перекриттів збільшеного прольоту для цивільних будинків, улаштованих без попереднього напруження арматури, зі зниженими вагою і витратою арматури. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1) розробити конструктивне рішення монолітного ненапруженого великопрольотного тришарового перекриття для цивільних будинків з заповненням середнього шару вкладишами-порожниноутворювачами;

2) розробити інженерний метод розрахунку перекриттів пропонованої конструкції за граничними станами першої групи, який є варіантом теорії конструктивно-ортотропної пластини, орієнтованим на розрахунок МКЕ складеної залізобетонної пластини;

3) розробити інженерний метод розрахунку перекриттів пропонованої конструкції за граничними станами другої групи, який є варіантом методу Гвоздєва-Корольова визначення прогинів залізобетонних плит, обпертих по контуру, при короткочасному навантаженні;

4) експериментально дослідити закономірності деформування і руйнування перекриттів пропонованої конструкції;

5) порівняти експериментальні характеристики деформативності перекриттів пропонованої конструкції з теоретичними, визначеними за пропонованими методиками розрахунку й оцінити їх збіжність;

6) обчислити значення розрахункових коефіцієнтів для визначення прогинів залізобетонних перекриттів по пропонованому методу;

7) визначити область ефективного застосування перекриттів пропонованої конструкції, дати рекомендації щодо їх впровадження.

1. Принципи конструювання, розрахунку і технології улаштування перекриттів пропонованої конструкції

Конструкція монолітного міжповерхового перекриття являє собою тришарову складену пластину, нарис в плані може бути довільним. Обпирання може бути як на несучі стіни, так і на колони чи діафрагми жорсткості монолітного каркасу, при чому розташування опор у плані може бути довільним. Нижній і верхній шари, що сприймають згинаючі зусилля в перекритті, виконуються з залізобетону без попереднього напруження арматури. Зв'язок між нижнім і верхнім шарами, що забезпечує їхню спільну роботу при згині, здійснюється системою залізобетонних ребер, що перетинаються, розташованих у товщі середнього шару. Об`єм середнього шару між ребрами заповнюється вкладишами-порожниноутворювачами, при цьому самі вкладиші виконують функцію незйомної бортової опалубки для ребер і нижньої опалубки для верхнього шару.

Пропонований метод розрахунку за граничними станами першої групи являє собою варіант теорії конструктивно-ортотропної пластини орієнтований на розрахунок МКЕ складеної залізобетонної пластини (тобто тришарового залізобетонного перекриття з нижнім і верхнім залізобетонними шарами і пересічними залізобетонними ребрами в середньому шарі). В основу методу покладені наступні допущення:

1) тришарове залізобетонне перекриття приводиться до тонкої ортотропной пластини, однорідної по товщині, з малими прогинами, з довільними конфігурацією в плані і умовами обпирання;

2) осі ортотропії пластини збігаються з напрямком ребер (в окремому випадку, з напрямком координатних осей перекриття);

3) матеріал перекриття, неоднорідний по фізико-механічним властивостям і нерівномірно розподілений по товщині, приводиться до однорідного, рівномірно розподіленому по товщині матеріалу, шляхом уведення модулів пружності , , а також модуля зсуву приведеного матеріалу розрахункового перетину;

4) крутильний момент у перекритті утворюється дотичними напруженнями, що діють у нижньому і верхньому залізобетонних шарах, напруги розподіляються по висоті шарів рівномірно, участю ортогонального армування шарів у сприйнятті дотичних напружень зневажаємо.

Розрахунок перекриття виконується засобами програмних комплексів, що реалізують МКЕ. Перекриття апроксимується скінченими елементами ортотропної, однорідної по товщині пластини. Товщина пластини відповідає будівельній висоті перекриття. Значення модулів пружності , приведеного матеріалу розрахункового перетину визначаються з виражень циліндричних жорсткостей перекриття:

. (1)

Розрахунковий перетин перекриття являє собою двотавр, ширина полиць , якого приймається рівною кроку ребер уздовж координатних осей.

Значення модулів пружності , визначаються з виразу:

, (2)

де , - положення нульової лінії розрахункового перетину на стадії пружної роботи перекриття по вісях Х, Y відповідно, яке визначається з виразу:

, (3)

де , - відношення товщини ребер до кроку по вісях Х, Y відповідно;

, і , - площі розтягнутої і стиснутої арматури на одиницю ширини розрахункового перетину по вісях Х, Y відповідно (розмірність - мм2/мм).

Значення модуля зсуву приведеного матеріалу розрахункового перетину визначаються з виразу жорсткості перекриття на крутіння:

; (4)

. (5)

Підбір армування нижнього та верхнього шарів перекриття, а також армування ребер середнього шару виконується розрахунком за граничними станами першої групи як згинаємого балочного елементу.

Розрахунок за деформаціями виконується з урахуванням зміни жорсткості перекриття внаслідок утворення і розвитку тріщин у розтягнутій зоні при короткочасному навантаженні.

Метод визначення прогинів залізобетонних перекриттів при короткочасній дії навантаження являє собою варіант методу Гвоздєва-Корольова для визначення прогинів залізобетонних плит, обпертих по контуру, що забезпечує урахування нелінійності деформування залізобетону від тріщиноутворення при розрахунку перекриття МКЕ в лінійній постановці задачі.

В основу метода розрахунку покладені припущення, викладені нижче.

1. Жорсткість перекриття D, обчислена для найбільш напруженої зони на кожній ділянці, у межах якого згинальний момент не змінює знака, приймається постійною і далі. Це припущення приймається за аналогією з положенням, що допускає кривизну стрижневого елемента, що згинається, (1/r)х, обчислену для найбільш напруженого перетину, приймати для інших перетинів змінюючись пропорційно значенням згинального моменту.

2. Прогин перекриття при короткочасному навантаженні визначається на основі графічної залежності між зусиллями (М) і деформаціями (f) вільно обпертого елемента, що згинається, з ненапруженою арматурою. У даному випадку залежність апроксимується ламаною з двома стадіями деформування: до утворення тріщин - на ділянці I і після утворення тріщин - на ділянці II. Розрахунок на обох стадіях ведеться в лінійній постановці задачі.

Навантаження на перекриття, яке розраховується по деформаціях, приводяться до еквівалентного рівномірно розподіленого навантаження р, значення максимального згинаючого моменту в перекритті при навантаженні р виражається через .

Відповідно до графічної залежності, прогин перекриття при дії еквівалентного рівномірно розподіленого навантаження р визначиться з наступного виразу:

; (6)

де - погонний момент тріщиноутворення розрахункового перетину перекриття; - максимальний погонний згинаючий момент в перекритті при дії одиничного рівномірно розподіленого навантаження =1 Н/м2, прикладеного в напрямку дії навантаження р; - швидкість збільшення прогинів на стадії до утворення тріщин (ділянка I теоретичної залежності), чисельно визначається як прогин перекриття при дії рівномірно розподіленого навантаження величиною 1 Н/м2 на стадії до утворення тріщин; - швидкість збільшення прогинів на стадії після утворення тріщин (ділянка II теоретичної залежності), чисельно визначається як прогин при дії рівномірно розподіленого навантаження величиною 1 Н/м2 на стадії після утворення тріщин.

Розрахунок по запропонованій методиці виконується таким чином. У програмному комплексі, що реалізує МКЕ, створюються дві розрахункові схеми, які відрізняються модулем пружності матеріалу. Розрахунок по одній схемі моделює роботу перекриття на стадії до утворення тріщин, розрахунок по другій - роботу на стадії після утворення тріщин. Розрахунок в обох випадках виконується в лінійній постановці задачі як для пружного матеріалу.

При розрахунку на стадії I (для визначення і ) значення початкових модулів пружності , і зсуву приведеного матеріалу розрахункового перетину визначаються з виражень (2), (5).

При розрахунку на стадії II (для визначення ) значення початкових модулів пружності , визначаються з виразу циліндричних жорсткостей перекриття на стадії після утворення тріщин В, яке приймається аналогічним виразу для жорсткості згинаємого залізобетонного балочного елементу з тріщинами , армованого арматурою без попередньої напруги:

. (7)

Оскільки жорсткість залізобетонного елементу з тріщинами залежить від величини прикладеного до нього навантаження, значення визначається при значенні погонного згинального моменту, рівному погонному моменту , який сприймається розрахунковим перетином при розрахункових опірах арматури і бетону за граничними станами II групи.

При визначенні модулю зсуву на стадії деформування II приймаємо що значення жорсткості перекриття на крутіння рівняється жорсткості суцільної залізобетонної пластини товщиною рівною товщині стиснутого залізобетонно шару. Тоді значення визначиться з виразу:

. (8)

2. Результати експериментальних досліджень перекриття пропонованої конструкції, які проводилося з метою перевірки коректності і точності розроблених методик розрахунку по граничних станах першої і другої груп

Об'єктом дослідження була прийнята тришарова плита перекриття з найбільшими розмірами в плані 3,9 х 3,3 м і загальною товщиною по проекту 100 мм. Схема обпирання при іспиті плити приймалася як вільно обперта по контурі.

Були визначені фактичні прогини (з урахуванням деформацій за час технологічних перерв) і ідеалізовані прогини, що відповідають безупинному навантаженню короткочасно діючим навантаженням.

За отриманими значеннями прогинів були побудовані деформована схема перекриття, а також графічні залежності "навантаження-прогин".

3. Порівняння теоретичних даних з даними експериментального дослідження, оцінка їхньої збіжності, висновки про коректність і точність розроблених методик розрахунку

Для теоретичного дослідження дослідної плити була побудована її кінцево-елементна модель. Як розрахункова схема моделі була задана однорідна по товщині плита, що згинається. Жорсткістні і міцнісні характеристики матеріалу плити визначалися відповідно до положень розділу 1 даної роботи з урахуванням фактичних фізико-механічних параметрів матеріалів досліджуваної конструкції.

Кінцево-елементна модель була створена засобами обчислювального комплексу "Міраж". Була побудована теоретична залежність "навантаження-деформація" досліджуваної конструкції при короткочасно діючому навантаженні.

Для оцінки збіжності теоретичних даних, отриманих кінцево-елементним моделюванням, з даними експериментальних досліджень, графік теоретичної залежності "навантаження-деформація" був накладений на графік залежності експериментальної. Аналіз накладених графіків показує, що якісний характер теоретичних залежностей у цілому відповідає характеру залежностей експериментальних, збіжність теоретичних значень прогинів з експериментальними є задовільною.

4. Коефіцієнти переходу від модуля пружності основного матеріалу перекриття (бетону) до модулів пружності і зсуву приведеного матеріалу розрахункового перетину - , , і відповідно

Досліджується техніко-економічна ефективність пропонованої конструкції перекриття на прикладі спеціально розробленої для цього серії монолітних плит перекриття, описується досвід її впровадження будівельною організацією.

Фізичний зміст введених коефіцієнтів полягає в тому, що вони є коефіцієнтами приведення фактичного перетину перекриття (двотаврового, з урахуванням робочого армування) до прямокутного, із суцільного приведеного однорідного матеріалу.

Для спрощення і прискорення розрахунків при інженерному проектуванні доцільно попередньо скласти таблиці перевідних коефіцієнтів для розрахунку перекриттів різного перетину, різного матеріалу і т.д. Складання таких таблиць, що враховують усе різноманіття можливих конструктивних рішень, у цілому виходить за рамки цієї роботи. У якості ж паліативного рішення можна запропонувати скорочені таблиці вихідних розрахункових перемінних, обмеживши будь-якою вузькою групою конструкцій перекриттів.

З метою дослідження техніко-економічних характеристик перекриттів пропонованої конструкції і визначення області її ефективного застосування, було виконано техніко-економічне дослідження групи монолітних перекриттів, спеціально розроблених для цієї мети і призначених для житлового будівництва.

Дослідження містило в собі: конструювання плит перекриття, їхній розрахунок за граничними станами 1-ї і 2-ї груп, визначення їхніх техніко-економічних характеристик і порівняння з існуючими конструкціями перекриттів.

Як показують дані дослідження, пропонована конструкція дозволяє влаштовувати перекриття розмірами до 18,0 х 12,0 м і відрізняється низькою матеріалоємністю.

Висновки

монолітний великопрольотний порожниноутворювач залізобетонний

Результатами дисертації є розроблені принципи конструювання монолітного великопрольотного перекриття, та інженерні методи його розрахунку за граничними станами першої і другої груп. Головні наукові та практичні результати роботи містяться у наступному:

1. Розроблено нову конструкцію монолітного великопрольотного перекриття з ненапруженою арматурою, що відрізняється зниженими власною вагою і матеріалоємністю. Пропонованою конструкцією є тришарова складена залізобетонна пластина, в якій нижній і верхній шари, які сприймають згинаючий момент, зроблені з залізобетону, середній шар заповнюється вкладишами-порожниноутворювачами. Зв'язок між нижнім та верхнім шарами, який забезпечує їх сумісну роботу при згині, здійснюється системою залізобетонних ребер, що перетинаються, розташованих в середньому шарі.

2. Розроблено інженерний метод розрахунку перекриттів пропонованої конструкції за граничними станами першої групи, який є варіантом теорії конструктивно-ортотропної пластини, орієнтованим на розрахунок МКЕ складеної залізобетонної пластини.

3. Розроблено інженерний метод розрахунку перекриттів пропонованої конструкції за граничними станами другої групи, який є варіантом методу Гвоздєва-Корольова визначення прогинів залізобетонних плит, обпертих по контуру, при короткочасному навантаженні.

4. Проведено експериментальні дослідження перекриття пропонованої конструкції на дослідній плиті. Визначено картину тріщиноутворення і деформування дослідної плити в процесі дослідження. Побудовано експериментальну залежність "навантаження - деформація".

5. Побудовано теоретичну кінцево-елементну модель дослідної плити. При побудові моделі враховані фактичні фізико-механічні параметри матеріалів досліджуваної конструкції. Побудовано теоретичну залежність "навантаження - деформація" дослідженої плити.

6. Оцінено збіжність теоретичних значень зусиль тріщиноутворення і зусиль руйнування у дослідженій плиті з експериментальними даними. Зроблено висновок про задовільну збіжність теоретичних значень зусиль і з фактичними, визначеними в ході експерименту.

7. Зіставлено теоретичну й експериментальну залежності "навантаження - деформація", оцінена їхня збіжність. Зроблено висновок про те, що в якісному відношенні обидві залежності ідентичні одна одній. У кількісному відношенні визначено, що величина середньоарифметичного відхилення є задовільною для інженерних розрахунків.

8. Обчислено вихідні розрахункові перемінні, необхідні для розрахунку за граничними станами 1-ї і 2-ї груп обраної вузької групи перекриттів пропонованої конструкції , придатні для безпосереднього впровадження в інженерну практику.

9. Проведено порівняння техніко-економічних характеристик існуючих перекриттів з характеристиками перекриттів пропонованої конструкції, за результатами порівняння визначена область ефективного застосування перекриттів пропонованої конструкції.

10. Перекриття пропонованої конструкції було впроваджено при проектуванні і будівництві житлового будинку, отриманий досвід їхнього зведення.

Література

1. Коляков М.И., Евстафьев В.И. Итерационная модель напряженно-деформируемого состояния железобетонной пластинки // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. КиевЗНИИЭП. - К.: КиевЗНИИЭП. -2001. -С. 68 - 72.

2. Евстафьев В.И. Большепролетное многослойное перекрытие. Метод расчета по предельным состояниям первой группы // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. Вип. 57 / НДІБК. - К.: НДІБК, 2002. - С. 57 - 64.

3. Волга В.С., Евстафьев В.И. Облегченное большепролетное трехслойное перекрытие // Конструкции гражданских зданий: Сб. научн. тр. / КиевЗНИИЭП. - К.: КиевЗНИИЭП, 2003. - С. 25 - 31.

4. Евстафьев В.И. Инженерный метод определения прогибов железобетонных перекрытий // Конструкции гражданских зданий: Сб. научн. тр. / КиевЗНИИЭП. - К.: КиевЗНИИЭП, 2003. - С. 125 - 132.

5. Евстафьев В.И. Опыт внедрения большепролетных трехслойных монолитных перекрытий // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. Вип. 59 / НДІБК. - К.: НДІБК, 2003. - С. 241 - 247.

Размещено на Allbest.ru