19

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прочность, трещиностойкость и деформативность монолитных ядер жесткости многоэтажных зданий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные высотные здания по сложности и значимости занимают важное место в гражданском строительстве, в научно-исследовательской тематике и конструкторских разработках, проводимых во многих странах мира. Высота возводимых в настоящее время в Москве зданий нередко превышает 30 этажей, достигая в отдельных случаях 60 и более этажей. Это обуславливается ростом населения городов и ограниченностью их территории.

С повышением этажности возрастает и ответственность высотных зданий, в которых одновременно могут пребывать тысячи человек. Обеспечение прочности и устойчивости таких сооружений требует тщательного и полного инженерного расчета несущей системы в целом и отдельных ее элементов.

Кроме этого, современные высотные здания отличаются разнообразием объемно-планировочных решений, вызванных требованиями архитектурной выразительности, причем большинство из них имеет несимметричный план, что вызывает наряду с изгибными деформациями здания в плоскости и деформации кручения. В этом случае плоские расчетные модели не могут достаточно полно отразить напряженно-деформированное состояние здания и необходимо переходить к более сложным пространственным расчетным моделям.

Ядра жесткости довольно часто встречаются в конструктивных системах высотных зданий и являются одной из основных вертикальных несущих конструкций.

При проектировании усилия в конструкциях ядер жесткости и их деформации в настоящее время определяются практически исключительно с использованием вычислительных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Вместе с тем отсутствуют однозначные рекомендации по формированию оптимальной структуры конечно-элементной модели, обеспечивающей достаточное для инженерных целей сближение модели и конструктивного прототипа, авторы программных средств настойчиво подчеркивают необходимость творческого подхода при решении этой задачи.

Требования к надежности несущих систем высотных зданий неуклонно возрастают, а их конструктивные особенности, связанные с большим насыщением арматуры при многорядном ее расположении в пределах высоты сечения, использованием высокопрочных бетонов, новых видов арматуры и с другими факторами, заставляют с особым вниманием относиться к выбору методов оценки обеспеченности конструкций по предельным состояниям.

Наиболее перспективными представляются так называемые «диаграммные методы», рассматривающие напряженно-деформированное состояние сечений и учитывающие физико-механические свойства материалов с помощью полных диаграмм деформирования бетона и арматуры. Эти методы, именуемые в нормативных документах расчетами на основе нелинейной деформационной модели (НДМ), позволяют выполнять расчет по прочности, по образованию и раскрытию трещин и по деформациям с единых позиций.

Анализ показал, что реализация нелинейной деформационной модели требует уточнения предпосылок, разработки алгоритма и соответствующей программы.

Целью исследований является разработка оптимальных методов моделирования и определения напряженно-деформированного состояния (НДС) монолитных ядер жесткости, разработка уточненных предпосылок расчета железобетонных конструкций на основе НДМ, разработка алгоритма, реализующего НДМ для анализа прочности, трещиностойкости и деформативности элементов монолитных ядер жесткости многоэтажных зданий.

Автор защищает:

· проверку точности методов определения напряженно-деформированного состояния конструкций путем сопоставления результатов расчета и эксперимента;

· результаты сравнительного анализа эффективности использования дискретных и дискретно-континуальных моделей ядер жесткости;

· основные положения и алгоритм расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям на основе нелинейной деформационной модели.

Объектом исследований являются железобетонные конструкции ядер жесткости многоэтажных зданий.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

· сформулированы уточненные предпосылки расчета железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели;

· разработан оригинальный алгоритм и программа расчета железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели;

· предложены принципы интерпретации результатов расчета железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели и их практического использования при расчете конструкций ядер по предельным состояниям.

Достоверность результатов исследования основывается на сопоставлении теоретических и экспериментальных данных, полученных при испытании моделей ядер жесткости на изгиб, внецентренное сжатие, кручение и изгиб с кручением, а также внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанный метод расчета позволяет уточнить напряженно-деформированное состояние ядер жесткости и выполнить проверки по предельным состояниям с учетом различных факторов конструкционной неоднородности и физической нелинейности железобетона, повысить надежность и экономичность проектирования широко применяемых в гражданском и общественном строительстве конструкций.

Внедрение результатов. Результаты исследований использованы при разработке ОАО «СТРОЙПРОЕКТ» г. Москва проекта жилого дома с офисными и торговыми помещениями и с подземной автостоянкой по адресу Переведеновский пер., вл. 8-12; при разработке конструкций жилого квартала по Ломоносовскому проспекту, вл. 27 Б, г. Москва; при разработке конструкций жилого комплекса с подземной автостоянкой г. Москва, по Мичуринскому проспекту, к. 11, 58; разработано учебно-методическое пособие «Расчет железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели» для студентов, аспирантов, которое может быть использовано в реальном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

1. Второй Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития» (г. Москва, 5-9 сентября 2005 г.);

2. Шестой традиционной (Международной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 21-22 мая 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, а также разработано и находится в печати учебно-методическое пособие «Расчет железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели» для студентов строительных специальностей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования.

Первая глава содержит анализ методов расчета несущих систем высотных зданий и проблем, возникающих при практической реализации существующих расчетных моделей. Описаны результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности ядер жесткости. Рассмотрены основные методы и методики оценки предельных состояний железобетонных конструкций.

Значительный вклад в развитие теории и методов расчета многоэтажных каркасных зданий внесли многие отечественные и зарубежные ученые: А.А. Александров, Т.А. Балан, Б.С. Васильков, В.З. Власов, Н.Н. Володин, П.Ф. Дроздов, Н.И. Карпенко, Ю.И. Немчинов, Л.Л. Паньшин, Д.М. Подольский, А.Р. Ржаницын, В.И. Травуш, В.В. Ханджи, A. Coull, E. Horacek, A.W. Irwin, D. Michael и многие другие.

Согласно П.Ф. Дроздову наибольшее распространение получили дискретная (метод конечных элементов), континуальная и дискретно-континуальная модели.

В практике проектирования расчет многоэтажных каркасных зданий осуществляется с применением программных комплексов, использующих метод конечных элементов, который базируется на дискретной расчетной модели. Методы расчета, основанные на дискретной модели, имеют преимущество в том случае, когда жесткостные характеристики несущих элементов изменяются по высоте.

Для проверки достоверности разработанных методов расчета пространственных несущих систем проводят экспериментальные исследования, которые позволяют с достаточной точностью выявить действительное напряженно-деформированное состояние статически неопределимых конструкций.

Так как проведение испытаний ядер жесткости в натуральную величину сложно, трудоемко и порой даже невозможно, то обычно прибегают к моделированию таких конструкций. В зависимости от поставленных задач выбирается масштаб и материал модели. Для изучения несущих систем многоэтажного здания в упругой постановке в качестве материала моделей использовалось органическое стекло, работающее под нагрузкой в определенных пределах практически упруго. В России и других странах проводились эксперименты и на моделях из неупругого материала (мелкозернистый бетон, железобетон) с цель изучения нелинейного характера деформирования ядер, характера трещинообразования и схем разрушения при различных силовых воздействиях.

Для оценки сжатых железобетонных конструкций по предельным состояниям наиболее эффективными и перспективными являются так называемые «диаграммные методы», рассматривающие напряженно-деформированное состояние сечений и учитывающие физико-механические свойства материалов с помощью полных диаграмм деформирования бетона и арматуры. Эти методы позволяют выполнять расчеты по прочности, по образованию и раскрытию трещин, по деформациям с единых позиций. Они получили развитие во многих отечественных и зарубежных нормах и рекомендуются новыми нормами СНиП 52-101-2003, СП 52-101-2003, в которых они именуются «методами расчета по неупругой деформационной модели». «Диаграммные методы» широко были освещены в работах В.Н. Байкова, С.В. Горбатова, М.И. Додонова, А.В. Забегаева, А.С. Залесова, О.Ф. Ильина, Н.И., Карпенко, Т.А. Мухамедиева, А.И. Плотникова, Н.Н. Попова, Б.С. Расторгуева, Е.А. Чистякова и других.

Вторая глава посвящена расчетным исследованиям работы ядер жесткости. При этом принималось во внимание, что при конструировании монолитных ядер жесткости высоких зданий инженерные расчеты включают два этапа.

Первый этап связан с определением компонентов напряженно-деформированного состояния ядра при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок с учетом взаимодействия ядер с другими элементами пространственной несущей системы здания и производится при фиксированных значениях жесткостей, что позволяет использовать упругие расчетные модели.

В рамках второго этапа выполняются проверки обеспеченности ядра в целом или его отдельных участков по предельным состояниям, используя критерии прочности, трещиностойкости и деформативности, и уточняются жесткостные характеристики.

Объединение этих этапов в итерационном процессе создает условия для последовательного сближения жесткостных параметров конструкций с их напряженно-деформированным состоянием, что дает возможность получить картину распределения усилий в элементах ядра и значения его деформаций с учетом физической нелинейности железобетона.

Таким образом, расчет ядер жесткости в упругой стадии при фиксированных значениях жесткостей конструкций является необходимым разделом вычислительной процедуры.

Основное внимание в этой главе уделено поиску наиболее эффективных способов построения расчетных моделей ядер жесткости, обеспечивающих определение компонентов напряженно-деформированного состояния конструкций с достаточной для практических целей точностью при ограниченных требованиях к ресурсам вычислительной техники.

В качестве основного расчетного аппарата в диссертации принят метод конечных элементов. В рамках проведенных исследований были рассмотрены расчетные модели, отличающиеся типом использованных конечных элементов - плоских прямоугольных и треугольных, стержневых (для перемычек ядер с проемами); густотой конечно-элементной сетки, способом соединения стержневых элементов с плоскими.

Критерием эффективности расчетной модели являлось сопоставление значений усилий и деформаций с результатами испытаний моделей ядер жесткости, выполненных Н.И. Сениным.

По исходным экспериментальным данным были проведены сравнительные расчеты моделей ядер жесткости методом конечных элементов с использованием программы «ЛИРА 9.2». Всего было рассчитано 3 модели ядер жесткости 36-этажного здания. Две модели (модели №1и №2) с симметричным расположением проемов по двум сторонам. Одна модель (модель №3) с несимметрично расположенными проемами. Ядра жесткости в основании жестко заделаны и моделировались с физико-механическими свойствами органического стекла.

Модели №1 и №3 рассчитывались на действие равномерно распределенного по высоте крутящего момента. Указанная нагрузка создавалась посредством передачи сосредоточенных сил к концам равноплечных загрузочных рычагов, расположенных на равном расстоянии друг от друга в пяти уровнях по высоте. Модель №2 рассчитывалась на действие кручения (как и модели №1 и №3) и изгиба с кручением. Последний тип нагрузки создавался посредством сосредоточенных сил, прикладываемых с одной стороны загрузочных рычагов.

Стенки моделей членились на прямоугольные конечные элементы (КЭ №41 - универсальный прямоугольный КЭ оболочки), размером от 6х6 мм до 12,7х12,7 мм. Перемычки делились по длине и высоте на прямоугольные конечные элементы, при этом размеры этих элементов изменялись в пределах 2.75х2.75 мм до 3.1х3.1 мм.

Результаты расчета с использованием метода конечных элементов имеют хорошую сходимость с результатами экспериментов (рис. 1). Отклонения не превышают 7 % при оценке усилий и составляют 7 -11 % для деформаций.

В заключение во второй главе представлены результаты сопоставительного расчетного анализа ядер жесткости прямоугольной формы в плане с различным расположением и количеством проемов и различной высоты, выполненных на основе конечно-элементных и дискретно-континуальных расчетных моделей.

Всего было рассмотрено 6 моделей ядер жесткости. Три модели с симметрично расположенными по двум сторонам проемами, три других модели без проемов (глухие). Модели принимались высотой по 15 м, 30 м, 60 м. Модели рассчитывались на действие горизонтальной силы, приложенной в верхней части модели.

Как выяснилось, в ходе расчетов получены близкие результаты, отличающиеся не более чем на 6 %. Погрешность в значениях прогибов ядер жесткости местами значительна (рис. 2). Эта разница возрастает с ростом соотношения , где B - ширина ядра жесткости; H - высота ядра. Это связано с тем, что алгоритмы, реализующие дискретно-континуальную модель, не учитывают действие касательных сил в ядрах, которые оказывают значительное влияние в коротких элементах.

Рис. 1. Графики углов закручивания моделей ядер жесткости

Рис. 2. Графики прогибов для моделей высотой 15м, 60 м

В заключение во второй главе представлены результаты сопоставительного расчетного анализа ядер жесткости прямоугольной формы в плане с различным расположением и количеством проемов и различной высоты, выполненных на основе конечно-элементных и дискретно-континуальных расчетных моделей.

Всего было рассмотрено 6 моделей ядер жесткости. Три модели с симметрично расположенными по двум сторонам проемами, три других модели без проемов (глухие). Модели принимались высотой по 15 м, 30 м, 60 м. Модели рассчитывались на действие горизонтальной силы, приложенной в верхней части модели.

Как выяснилось, в ходе расчетов получены близкие результаты, отличающиеся не более чем на 6 %. Погрешность в значениях прогибов ядер жесткости местами значительна (рис. 2). Погрешность возрастает с ростом соотношения В/Н, где B - ширина ядра жесткости; H - высота ядра. Это связано с тем, что алгоритм на основе дискретно-континуальной модели, не учитывает действие касательных напряжений в стенах ядер, которые оказывают значительное влияние в коротких элементах.

Третья глава посвящена расчету внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций ядер жесткости по предельным состояниям.

Наиболее перспективными представляются так называемые "диаграммные методы", рассматривающие напряженно-деформированное состояние сечения и учитывающие физико-механические свойства материалов с помощью полных диаграмм деформирования бетона и арматуры. Эти методы позволяют выполнять расчет по прочности, по образованию и раскрытию трещин и по деформациям с единых позиций. Они получили развитие в работах многих отечественных и зарубежных исследователей и рекомендуются действующими нормативными документами СНиП 52-01-2003, СП 52-101-2003, в которых они именуются "методами расчета на основе нелинейной деформационной модели", в качестве предпочтительных при расчете различных железобетонных конструкций.

Выполненные в диссертации исследования выявили необходимость уточнения некоторых исходных предпосылок расчета:

· расчет целесообразно организовать в форме последовательного процесса, отражающего развитие напряженно-деформированного состояния сечения с ростом нагрузок;

· диаграмму деформирования бетона предпочтительно принять криволинейной, используя, например, зависимость, предложенную в проекте СП 52-101-2003;

· расчетную диаграмму деформирования арматуры представляется полезным увязать с экспериментальными данными;

· целесообразно также при оценке предельного состояния сечения по прочности применять дополнительный критерий, учитывающий достижение внутренними усилиями максимальных значений.

Алгоритм позволяет проследить процесс последовательного изменения напряжений в бетоне и арматуре по мере увеличения деформаций сечения. Рассматривается нормальное сечение с одной осью симметрии, которая лежит в плоскости внешних нагрузок (рис. 3, а). Расчетная схема сечения получена путем деления его по высоте на малые участки (полосы), для каждой полосы задаются значения ее высоты h _bi, ширины полосы b _bi и расстояния z _bi от растянутой (менее сжатой) грани сечения до центра данной полосы. Для четкой локализации крайних волокон высота первой и последней полосы принимается равной нулю. Арматура располагается по высоте сечения в несколько рядов, для каждого из которых задают значения площади A _si , а также расстояние z _si от растянутой (менее сжатой) грани сечения до центра тяжести арматуры данного ряда (см. рис 3, б).

Задание физико-механических характеристик бетона и арматуры осуществляется в форме диаграмм деформирования.

Для описания криволинейной диаграммы деформирования с ниспадающей ветвью сжатого бетона использовалась зависимость, предложенная в статье А.И. Звездова, А.С. Залесова, Т.А. Мухамедиева, Е.А. Чистякова. Диаграммы деформирования бетона представлены на рис 4.

Для арматуры, имеющей площадку текучести, задавали двухлинейную диаграмму по СНиП 52-101-2003.

Значение предельной относительной деформаций арматуры _s2 = 0,025, рекомендуемое в СНиП 52-101-2003, представляется неоправданно преувеличенным.

По-видимому, целесообразно увязать эту деформацию с известными экспериментальными данными о протяженности площадки текучести арматурных сталей. Так для арматуры класса А400 (A-III) площадка текучести ограничивается предельной деформацией _s2 0.0075, для арматуры класса А230 (A-I) - предельной деформацией _s2 0,02.

Структура алгоритма предусматривает выполнение ряда последовательных этапов расчета. В рамках каждого этапа устанавливается распределение деформаций по высоте сечения, удовлетворяющее условиям равновесия внешних и внутренних сил при соответствующем данному этапу значении базового параметра деформирования, роль которого играет деформация _fс наиболее сжатого волокна. На каждом этапе расчета базовому параметру деформирования сечения последовательно с выбранным шагом задаются значения в диапазоне 0 _{fс b2} .

Алгоритм ориентирован на исследование различных вариантов нагружения.

В первом варианте продольная сила считается известной постоянной величиной, в результате расчета определяются значения изгибающего момента при различных деформированных состояниях сечения. Этот вариант соответствует загружению элемента осевыми и поперечными нагрузками.

а) б)

Рис. 3. Схема нагрузок, действующих в нормальном сечении железобетонного элемента (а) и распределение деформаций и напряжений в модели сечения (б)

Рис. 4. Диаграммы деформирования для бетонов различных классов

Во втором варианте фиксированной величиной является эксцентриситет продольной силы, а в результате расчета при различных деформированных состояниях сечения определяются значения продольной силы, удовлетворяющие условиям равновесия внутренних и внешних усилий. Этот вариант соответствует нагружению элемента осевыми нагрузками с заданным эксцентриситетом.

Для первого варианта режима загружения при заданном значении продольной силы N_с алгоритм предусматривает выполнение на каждом этапе расчета следующих операций.

Сначала при соответствующем текущему этапу значении деформации _fc,k сжатого волокна (здесь k - номер этапа расчета) находят значения деформации растянутого (менее сжатого) волокна _ft,k , при котором удовлетворяется условие равновесия проекций внешних и внутренних сил на продольную ось элемента (рис. 3, б):

N_c + N_bi + N_si = 0 (1)

где N _bi - усилие в бетонной полосе, N _si - усилие в ряду арматуры; суммирование выполняют по всем слоям бетона и рядам арматуры.

Затем по найденным краевым деформациям ( _fc,k ; _ft,k) определяются окончательные для данного этапа расчета значения деформаций, напряжений и усилий в слоях бетона и в рядах арматуры, и вычисляют значение момента M _k, отвечающего напряженно-деформированному состоянию данного этапа :

M_k = N_bi (Z_bi - C_a) + N_si (Z_si - C_a) = 0 (2)

где С_а - расстояние от растянутой (менее сжатой) грани до оси сечения.

Для второго варианта режима загружения отдельные процедуры алгоритма несколько изменяются.Поиск значений деформаций нижнего волокна _ft осуществляется в этом случае на основе равенства

(_f) = (3)

где - заданный эксцентриситет продольной силы; (_f) - эксцентриситет внутренних сил, отвечающий паре значений деформаций (_fc,k ; _ft,j) и вычисляемый по формуле

(_f) = M_k / N_k (4)

Равнодействующие внутренних усилий M_k и N_k определяются по формуле (4) и по формуле, вытекающей из уравнения (1) после очевидных преобразований.

В остальном структура алгоритма для второго варианта загружения аналогична вышеизложенному.

Информация, полученная в результате расчета, включает массивы значений усилий M_k и N_k , соответствующих различным этапам деформирования сечения, и корреспондирующиеся с этими усилиями значения деформаций крайних волокон сечения _fc,k ; _ft,k , напряжений и усилий в бетоне и в арматуре. Эту информацию можно рассматривать в качестве параметров, описывающих диаграмму состояния нормального сечения на различных стадиях его работы; в своей совокупности она позволяет выполнить проверки железобетонной конструкции по всем предельным состояниям, т.к. на основе этой информации можно установить значения усилий, отвечающих конкретным деформациям бетона и арматуры, или значения деформаций бетона и арматуры, отвечающих конкретным значениям усилий.

Несущая способность сечения F_ult (для первого варианта режима нагружение - это значение предельного момента M _ult при заданном значении продольной силы N_с; для второго варианта режима нагружение - это значение предельной продольной силы N_ult при заданном значении эксцентриситета ) принимается равной наименьшему из трех возможных значений:

F_ult = F_k ( _fc,max = _b2 ) (5)

F_ult = F_k ( _{s, max} = _s2 ) (6)

F_ult = F_k,max (7)

где F_k (_{fc, max}=_b2) - усилие, при котором деформации сжатой фибры _{fc, max} достигает предельных деформаций бетона при сжатии _b2;

F_k (_{s, max}=_s2 ) - усилие при достижении растянутой арматурой предельных деформаций _{s, max};

F_k,max - максимальное значение усилия из набора значений внутренних сил, полученные расчетом.

Уравнения (5) и (6) соответствуют условиям СНиП 52-101-2003. Использование уравнения (7) СНиП 52-101-2003 и СП 52-101-2003 не предусмотрено, однако его применение представляется необходимым, поскольку иначе могут быть получены результаты, противоречащие физическому смыслу. Кроме того при определении несущей способности по (7) отпадает необходимость корректировки предельных деформаций бетона для сечений с однозначной эпюрой деформаций, предусмотренной СНиП 52-101-2003 и уменьшающей длину ниспадающего участка диаграммы деформирования. Эта корректировка не только делает расчетную процедуру излишне громоздкой, но и вступает в противоречие с данными экспериментов, например, исследований Таля К.Э., в которых при испытании центрально сжатых железобетонных образцов были получены диаграммы деформирования бетона с весьма протяженной ниспадающей ветвью.

Дополнительные исследования показали также, что основным фактором, определяющим возможность реализации полной диаграммы деформирования сжатого бетона, является степень насыщения сжатой зоны сечения арматурой - при высоком проценте армирования предельные деформации бетона могут достигать значения _b2 даже для равномерно сжатого сечения. Определенное влияние оказывают и другие конструктивные факторы - переармированное изгибаемое сечение также разрушается при фибровых напряжениях равных _b2.

По описанному алгоритму, реализованному в ком программе АРКАН - ПК для IBM-совместимых компьютеров, были выполнены расчетные исследования железобетонных сечений при различных классах бетона и арматуры, схемах армирования, значениях продольных сил. Некоторые результаты, полученные для прямоугольного сечения, выполненного из бетона класса В20 и армированного арматурой класса А400, представлены на рис. 5, 6 и в таблице 1. К расчету принимались сечения с различными значениями процента армирования = A _s / bh_o (рассмотрены значения = 0,5; = 1,5; = 3,0) и различным количеством арматуры A _c в сжатой зоне, оцениваемого коэффициентом армирования = A _c/ bh_o (рассмотрены значения _c=0; _c=0,5; _c=. Результаты расчетов по неупругой деформационной модели, были сопоставлены с результатами расчетов по действующим методикам.

Приведенные данные свидетельствуют, что расчеты, выполненные по неупругой деформационной модели и на основе приближенных практических методик, дают близкие результаты. Отклонение не превышает 2 % при оценке прочности и составляет 3-5 % для показателей второй группы предельных состояний. Весьма близкое соответствие результатов расчета на основе нелинейной деформационной модели и приближенных зависимостей для основных конструктивных вариантов позволяет ожидать достаточной надежности метода при расчете конструктивных вариантов, не рассмотренных в действующих документах: изгибаемых сечений с симметричным армированием, конструкций с многорядным армированием и др.

Таблица 1 Сравнение результатов расчета при классе бетона В20

Рис. 5. Диаграммы состояния сечения при изгибе

Рис. 6. Напряженно-деформированное состояние сечения при изгибе

Для экспериментальной проверки элементов ядер жесткости по предельным состояниям были сопоставлены результаты экспериментов натурных моделей балок при изгибе, колонн при сжатии и результаты расчетов этих моделей по программе АРКАН-ПК, с целью проверки данного метода.

Для проверки методики использовались опыты Беккиева М.Ю., Маиляна Л.Р.; Мулина М.Н., Гущи Ю.П., Мамедова Т.Н.; Гвоздева А.А.; Давыдова Н.Ф., Донченко О.М.; Бондаренко В.М.; Петровой К.П. и Таля К.Э., Чистякова Е.А..

Программа испытаний включала около 120 опытных образцов различного сечения с одиночным и двойным армированием, отличающиеся процентом армирования, эксцентриситетом продольной силы, прочностью бетона и арматуры. Частично результаты сопоставления представлены в таблице 2.

Таблица 2 Сравнение опытных и теоретических разрушающих нагрузок (опыты Петровой К.П., Таля К.Э., Чистякова Е.А )

Данные полученные в ходе расчета по алгоритму, рассмотренному выше были сопоставлены с результатами экспериментов внецентренно сжатых элементов и показали хорошую сходимость. Отклонение не превышает 5% при оценке прочности. В этой связи следует отметить высокую эффективность неупругой деформационной модели при расчете нормальных сечений железобетонных конструкций, позволяющей на единой основе выполнить расчет по обеим группам предельных состояний с достаточной для практических целей точностью. Дополнительные преимущества этой модели связаны с возможностью в рамках общего алгоритма выполнения расчетов для сечений с распределенной арматурой и других конструктивных решений, встречающихся в практике проектирования. Внедрение неупругой деформационной модели в практику проектирования не вызовет противоречивых оценок конструктивных решений, разработанных в различные периоды.

Общие выводы

железобетонный конструкция алгоритм программа

1. Анализ отечественной и зарубежной практики строительства многоэтажных жилых и общественных зданий повышенной этажности показывает, что монолитные железобетонные ядра жесткости находят довольно широкое применение во многих конструктивных системах высотных зданий как одна из основных вертикальных несущих конструкций, воспринимающая горизонтальную и вертикальную силы.

2. Проведенный сравнительный анализ результатов статического расчета ядер жесткости с использованием метода конечных элементов и метода дискретно-континуальной модели показал, что полученные в ходе расчета значения напряжений имеют погрешность не превышающую 6%. Погрешность в значениях прогибов ядер жесткости местами значительна. Погрешность возрастает с ростом соотношения В/Н, где B - ширина ядра жесткости; H - высота ядра. Это связано с тем, что алгоритм на основе дискретно-континуальной модели, не учитывает действие касательных напряжений в стенах ядер, которые оказывают значительное влияние в коротких элементах.

3. Проверка точности методов расчета моделей ядер жесткости на основе результатов эксперимента показал, что результаты расчета с использованием метода конечных элементов имеют хорошую сходимость с результатами экспериментов. Отклонения не превышают 7 % при оценке усилий и составляют 7 -11 % для деформаций.

4. В результате проведенных исследований установлено, что при оценке несущей способности конструкций на основе нелинейной деформационной модели целесообразно при оценке предельного состояния сечения по прочности использовать дополнительный критерий, учитывающий достижение внутренними усилиями максимальных значений, организовав расчет в форме последовательного процесса, отражающего развитие напряженно-деформированного состояния сечения с ростом нагрузок.

5. Параметры расчетной диаграммы деформирования арматуры представляется необходимым увязать с экспериментальными данными. Так для арматуры класса А400 (A-III) площадка текучести ограничивается предельной деформацией _s2 0.0075, для арматуры класса А230 (A-I) - предельной деформацией _s2 0,02.

6. Установлено, что основным фактором, определяющим возможность реализации полной диаграммы деформирования сжатого бетона, является степень насыщения сжатой зоны сечения продольной арматурой, которая составляет: для бетона класса В10 - 2,5%; бетона класса В30 - 6%; бетона класса В50 - 13%.

7. Оценка точности решения путем сопоставления нелинейной деформационной модели с расчетами по нормативным методам показала, что полученные в ходе расчета по этим методикам значения имеют хорошую сходимость. Отклонения не превышают 2 % при оценке прочности и составляет 3 -5 % для показателей второй группы предельных состояний.

8. Результаты расчета с использованием нелинейной деформационной модели подтверждены экспериментами. Всего было рассчитано и сопоставлено с результатами опытов 120 железобетонных конструкций при изгибе и внецентренном сжатии. Отклонения не превышают 5 % при оценке прочности и составляет в среднем 13 % для показателей второй группы предельных состояний изгибаемых элементов, для внецентренно сжатых элементов отклонения в среднем составляют 5% при оценке прочности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Крашенинников М.В. - Экспериментальная проверка прочности метода расчета железобетонных конструкций по проекту новых норм. /В кн. «Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Материалы шестой традиционной (Первой международной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (21-22 мая 2003 г.) Кн. 2 /Московский Государственный Строительный Университет. - М.: МГСУ, 2003. - стр. 117.

2. Паньшин Л.Л., Крашенинников М.В. - Оценка эффективности неупругой деформационной модели при расчете нормальных сечений. - Бетон и железобетон, 2003, № 3, с. 19-22.

3. Паньшин Л.Л., Крашенинников М.В. - Расчет сжатых конструкций многоэтажных зданий. /В кн. «Железобетонные конструкции зданий большой этажности». Сб. науч. Тр. / Моск. гос. строит. Ун-т. М.: МГСУ, 2004. 146 с.

4. Паньшин Л.Л., Крашенинников М.В. - Опыт реализации неупругой деформационной модели в практических расчетах конструкций высотных зданий. /В кн. «Бетон и железобетон - пути развития. Научные труды 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону», г. Москва, 5-9 сентября 2005, НИИЖБ 2005, т. 2. стр. 527.

5. Паньшин Л.Л., Крашенинников М.В. - Расчет железобетонных конструкций на основе неупругой деформационной модели. / Учебно-методическое пособие. / Моск. гос. строит. Ун-т. М.: МГСУ, в печати.

Размещено на Allbest.ru