Усиление строительных конструкций с использованием постнапряженного железобетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

9

УСИЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТНАПРЯЖЕННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Сыродоева Л.В., Герц В.А., Слётина Е.В.

Оренбургский государственный университет

Железобетон - один из самых популярных строительных материалов. Широкому применению монолитного железобетона в строительстве способствовало: освоение новых строительных технологий, материалов и оборудования; использование современных опалубок; применение современных технологий изготовления, укладки и ухода за бетоном; возникновение новых научно-производственных коллективов; проектирование современных и авангардных строительных конструкций; современные темпы жизни и развития общества. Несомненно, усиление железобетонных конструкций является одним из важных этапов строительства.

К настоящему времени в отечественной и зарубежной практике накоплено множество различных способов и конструктивных приемов усиления, выбор которых обусловливается рядом конкретных условий. Обычно выделяют три наиболее важных фактора:

1) минимальные сроки производства работ по усилению и, соответственно, минимальные сроки остановки действующего производства;

2) минимум трудозатрат при изготовлении и монтаже усиливающих конструкций;

3) надежность и долговечность усиленной конструкции.

Можно выделить два основных направления при производстве усиления конструкций: без разгрузки и с разгружением конструкции. В свою очередь, первое направление можно подразделить на два метода усиления: с изменением расчетной схемы и напряженного состояния конструкции и без изменения расчетной схемы и напряженного состояния конструкции.

При производстве работ по усилению с разгружением конструкции условно выделяют:

а) способы усиления при полном разгружении с последующим исключением конструкции из работы и ее заменой на новую (этот способ реконструкции скорее следует считать возведением нового строительного объекта либо его конструктивно независимого элемента);

б) способы усиления при частичном разгружении конструкции либо ее элемента.

Устройство шпренгельных преднапрягаемых затяжек позволяет переносить нагрузку из пролета непосредственно на опору, тем самым разгружая конструкцию.

При обеспечении совместной работы дополнительной арматуры с усиливаемой конструкцией только закреплением по концам с помощью анкерных устройств, без сцепления ее в пролете с бетоном конструкции, дополнительная арматура размещается снаружи конструкции и выполняет роль затяжки.

В зависимости от места закрепления концов дополнительной арматуры может быть горизонтальная и шпренгельная затяжки, а также их сочетание (Рисунок 1).

а - горизонтальная затяжка; б - шпренгельная затяжка;

в - сочетание горизонтальной и шпренгельной затяжек

1 - усиливаемая конструкция, 2 - горизонтальная затяжка, 3 - шпренгельная затяжка, 4 - стяжной болт, 5 - анкерное устройство, 6 - прокладка, 7 - ограничитель

Рисунок 1 Усиление изгибаемых конструкций затяжками

Обратим внимание на тот факт, что применение предварительно напряженных железобетонных конструкций, особенно с появлением высокопрочных сталей и бетонов, позволило перекрывать большие пролеты зданий и сооружений. Из предварительно напряженного железобетона сооружаются мосты, оболочки, купола, резервуары и другие конструкции.

В нашей стране большую роль в развитии предварительно напряженных железобетонных конструкций сыграли профессора В.В. Михайлов, П.Л. Пастернак, С.А. Дмитриев, Г.И. Бердичевский, Н.В. Никитин и др., а за рубежом - Э. Фрейсине, Т. Лин, И. Гийон, Ф. Леон-гард, Б. Гервик и др.

Большое значение в дальнейшем развитии общей теории железобетона имеют труды академиков Российской академии архитектуры и строительных наук В.М. Бондаренко, Н.И. Карпенко, а также других современных ученых.

С целью повышения трещиностойкости железобетонных конструкций, а также более полного использования механических свойств арматурной стали и сокращения ее расхода используют предварительное напряжение арматуры. Использование предварительного напряжения арматуры при изготовлении конструкций позволяет железобетону сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

Предварительно напрягаемая арматура применяется в системах пола, в жестком пространственном каркасе, поперечных балках и плитах, в центральном ядре жесткости, фундаментах, в грунтовых анкерах и бутовых кладках. Также для поддержания больших консолей и кровель ангаров. Напрягаемая арматура может быть использована в качестве основы в наклонных колоннах или арках [5].

Расчет конструкций выполняется обычно методом конечных элементов с использованием шаговоитерационных процедур на базе общих принципов механики деформируемого твердого тела и численных методов решения нелинейных задач. Это позволяет отказаться от статических и кинематических «балочных» гипотез и проследить за характером напряженно-деформированного состояния конструкций на различных этапах нагружения, включая предельные. Однако, в этом случае, достоверность расчетных результатов будет определяться, в основном, используемыми физическими моделями материала и соответствующими им определяющими соотношениями.

Метод конечных элементов в настоящее время занимает ведущее место среди всех остальных численных методов, что подтверждается огромным количеством промышленных программных комплексов его реализующих. Расчетный анализ любой конструкции начинается с попытки установить, что именно в рассматриваемом случае является существенным, а чем можно пренебречь. Такого рода упрощение задачи производится всегда, поскольку выполнение расчета с учетом всех свойств реальной конструкции возможно лишь с определенной степенью приближения.

В основу используемых алгоритмов положен метод перемещений -- общая система разрешающих уравнений, где неизвестными являются смещения и повороты узлов. Идеализация конструкции должна быть выполнена в форме, приспособленной к использованию этого метода, а именно: система должна быть представлена в виде набора тел стандартного типа (стержней, пластин, оболочек и т.д.), называемых конечными элементами и присоединенных к узловым точкам.

Напряженно-деформированное состояние каждой материальной точки конечного элемента, имеющего объем V и поверхность S, описывается векторами напряжений и деформаций, которые для линейной задачи теории упругости выражаются через вектор перемещений

(1)

где В -- линейный матричный дифференциальный оператор;

М -- симметричная, положительно определенная матрица упругости закона Гука, зависящая только от жесткостных характеристик материала конструкции.

Полная потенциальная энергия элемента определяется по формуле

(2)

где р и q -- векторы объемных и поверхностных сил соответственно.

Перемещениялюбой точки рассматриваемого элемента приближенно представляются через неизвестные смещения узлов Z выражениями вида

(3)

где -- интерполяционные функции, называемые обычно функциями формы и подчиняющиеся определенным условиям гладкости для обеспечения сходимости метода;

-- матрица интерполяционных функций;

-- вектор всех неизвестных смещений узлов рассматриваемого элемента Подстановкой (1) и (3) в (2) получаем

(4)

Выражение (4) можно представить в следующем виде

(5)

где -- матрица жесткости элемента

-- вектор приведенных узловых сил.

Полная потенциальная энергия системы получается суммированием по всем ее элементам

(6)

а ее минимизация дает систему разрешающих уравнений МКЭ

(7)

с глобальной матрицей жесткости и вектором узловых сил, полученными путем суммирования соответствующих членов матриц жесткости и векторов отдельных конечных элементов, что является преимуществом рассматриваемого подхода.

Для МКЭ в перемещениях известны условия сходимости и оценки погрешности. Условиями сходимости являются линейная независимость и полнота системы базисных функций, а также их совместность (конформность) или условия, компенсирующие несовместность.

Известны легко проверяемые условия, позволяющие установить полноту базисных функций, их совместность или выполнение условий, компенсирующих несовместность. Для полиномиальных аппроксимаций эти условия имеют вид равенств, которым должны удовлетворять базисные функции на каждом конечном элементе. Такая теоретическая основа позволяет не только исследовать корректность применения известных конечных элементов, но и разработать принципы конструирования новых совместных и несовместных элементов и получить для них оценки погрешности.

Библиотека конечных элементов комплекса содержит большое количество элементов, моделирующих работу различных типов конструкций. Имеются широко известные элементы стержней, четырех- и треугольные элементы для расчета плоского напряженного состояния, плиты, оболочки, элементы пространственной задачи -- тетраэдр, параллелепипед, трехгранная призма. В библиотеку включены следующие элементы: несовместные треугольные и прямоугольные элементы изотропных и ортотропных плит и оболочек, плит на упругом основании, многослойных плит и оболочек; построенные методом подобластей совместные четырех- и треугольные элементы для расчета плоского напряженного состояния, плиты и оболочки, допускающие узлы на сторонах. Основой этих элементов являются элементы для расчета плоского напряженного состояния с двумя и плиты с тремя степенями свободы в узле.

После того, как заданная конструкция представлена в виде конечноэлементной структуры, задача об определении перемещений узлов сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений вида

(8)

где К -- симметричная матрица размером NxN. Отметим, что матрица К, как правило, содержит значительное число нулевых коэффициентов разреженная матрица) и положительно определена;

F -- матрица правых частей (загружений) размером Nxk (к -- количество загружений);

Z -- искомая матрица перемещений размером kxN.

Среди методов решения систем линейных алгебраических уравнений используются как прямые методы, так и итерационные. Прямые методы являются мощным средством решения систем линейных алгебраических уравнений с разреженными матрицами, если удается найти эффективный способ упорядочения, существенно уменьшающий заполнение при факторизации матрицы. Достоинство этих методов состоит в том, что они менее чувствительны к плохой обусловленности системы уравнений, позволяют выявить ошибки моделирования, приводящие к геометрической изменяемости расчетной модели, и продолжительность решения почти не зависит от количества правых частей, если последних относительно мало.

К настоящему времени в отечественной и зарубежной практике накоплено множество различных способов и конструктивных приемов усиления.

При выборе метода усиления конструкции в конкретных условиях необходимо учитывать приемлемость того или иного способа с точки зрения нагрузок и технического состояния усиливаемой конструкции, агрессивной среды, пожаро- и взрывоопасности среды, возможности достижения необходимой степени увеличения несущей способности, технологичности и экономичности, возможности выполнения усиления без остановки производства, выполнения работ по усилению в минимальные сроки, уменьшения габаритов помещения, эстетичности и т.д.

При разработке проектных решений, возможно, использовать как традиционные способы усиления, так и современные, в основе которых применяется технология приклеивания высокопрочных углеродных и стеклянных волокон к несущим строительным конструкциям, усиление с использованием предварительно напряженной арматуры.

Использование системы усиления с помощью напрягаемой арматуры позволяет увеличить прочность конструкций и уменьшить трещины. Усиление с использованием напрягаемой арматуры является общим техническим приемом для увеличения несущей способности участка из-за относительно недорогих материалов и трудовой стоимости.

усиление железобетон затяжка изгибаемая конструкция

Список литературы

1.Ситников С.Л. Технологии преднапряженного монолитного железобетона. Режим доступа [http:// /www.sts-hydro.ru/].

2.Thiru Aravinthan, IS EXTERNAL POST-TENSIONING AN EFFECTIVE SOLUTION FOR SHEAR STRENGTHENING OF BRIDGE ELEMENTS? ,University of Southern Queensland

3.BE, Grad.Dip(Tech.Mgt), MIEAust, CPEng, POST-TENSIONING IN BUILDING STRUCTURES

4.Вопросы технологии усиления строительных конструкций. Развитие способов усиления. // СиН №31, 2004г.

5.Franz A. Zahn, PhD, Dipl. Ing. Hans R. Ganz POST-TENSIONED IN BUILDINGS // INTERNATIONAL LTD., Switzerland, 1992.

Размещено на Allbest.ru