Обгрунтування ефективності застосування сучасних матеріалів в огороджуючих конструкціях

Размещено на http://allbest.ru

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

(National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»)

Обгрунтування ефективності застосування сучасних матеріалів в огороджуючих конструкціях

(Rationale of the efficiency of application modern materials in fencing structures)

Ган А.Л., к.т.н., доцент

Стовпник С.М., к.т.н., доцент

Шайдецька Л.В., к.т.н.

(Han Anatolii, Cand. Eng. Sc., Assoc. Prof.

Stovpnik Stanislav, Cand. Eng. Sc., Assoc. Prof.

Shaidetska Liubov, Cand. Eng. Sc.)

Анотація

Вступ

Актуальність теми. У зв'язку з активною забудовою територій, особливо у мегаполісах, в умовах земельного дефіциту зростає роль ділянок зі складним рельєфом, гідрогеологічною будовою та можливим розвитком небезпечних інженерно - геологічних процесів. Проектування в таких умовах передбачає застосування додаткових заходів щодо забезпечення стійкості зсувонебезпечних ділянок і вимагає комплексного підходу до вирішення задач надійної експлуатації будівель і споруд та збереження навколишнього середовища, які б у повній мірі враховували напружено-деформований стан ґрунтового масиву. Одним з таких заходів при будівництві підземних споруд є застосування огороджуючих залізобетонних конструкцій. Багаторічний досвід використання залізобетону показав, що стійкість бетону та його здатність захищати арматуру не завжди є достатніми. В першу чергу це стосується конструкцій, які знаходяться під дією атмосферного впливу або ж контактують з агресивними середовищами. Через відкриті капілярні пори та мікротріщини бетону на поверхню сталевої арматури потрапляють вода, лужні, кислотні, соляні розчини, що призводить до її корозії [1].

В сучасній світовій практиці поряд з традиційною металевою арматурою все більш широке застосування знаходить композитна неметалева арматура, яка застосовується в несучих конструкціях різного призначення в умовах агресивного середовища. Композитна неметалева арматура являє собою жмуток тонких волокон діаметром 10...16 мм, змащених в'яжучою термореактивною смолою (пластиком) [1].

Отже, дослідження формування напружено-деформованого стану ґрунтового масиву навколо огороджуючої конструкції із застосуванням сучасних матеріалів є актуальним в сучасному будівництві.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. У раніше проведених дослідженнях [2-4] наведено загальні положення щодо застосування композитних матеріалів. Виконано аналіз сфери застосування та технологічних особливостей монтажу композитної арматури. Розглянуто переваги та недоліки цього матеріалу. Наведено порівняння композитної арматури зі сталевою, а також приклади застосування такої арматури у різних країнах світу. Встановлено, що застосування композитної арматури є економічно ефективним в окремих видах конструкцій.

Постановка завдання - Проаналізувати доцільність застосування композитних матеріалів в несучих огороджуючих конструкціях та вплив її на стійкість і несучу здатність.

Основна частина

При проектуванні заглиблених огороджуючих конструкцій, які взаємодіють з навколишнім ґрунтом, виникає багато невизначеностей, пов'язаних з достовірним визначенням фізико-механічних властивостей ґрунтів основи, величин активного і пасивного тиску[5].

Для встановлення доцільності застосування композитної арматури в несучих конструкціях, що знаходиться в подібних умовах, було виконано моделювання напружено-деформованого стану «ґрунтовий масив-конструкція». залізобетонний конструкція будівельний деформація

Моделювання виконано на основі інженерно-геологічних вишукувань ділянки будівництва багатоповерхового житлового будинку з приміщеннями загального користування і підземним паркінгом в Шевченківському районі м. Києва з врахуванням складного рельєфу місцевості, фізико-механічні характеристики ґрунтів яких наведено в таблиці 1, а геологічний розріз на рисунку 1.

Таблиця 1 - Фізико-механічні властивості ґрунтів

Моделювання та розрахунки виконано у програмному комплексі Midas GTS NX, основаному на теорії кінцевих елементів і призначеного для виконання комплексних геотехнічних розрахунків [6, 7].

У даній роботі за допомогою програмних засобів виконано моделювання огороджуючої конструкції котловану під час будівництва підземного паркінгу, виготовленої з бетону, залізобетону і композитбетону.

Геометричні параметри досліджуваної підземної споруди наступні: глибина занурення огороджуючої конструкції становить 17 м, протяжність 68,5 м (рис. 1).

Рисунок 1 -- Інженерно-геологічний розріз ґрунтового масиву

На основі інженерно-геологічних умов ґрунтового масиву ділянки будівництва була побудована розрахункова схема з врахуванням рівня ґрунтових вод. Побудована модель в програмному комплексі Midas GTS NX дозволяє оцінити напружено- деформований стан системи «ґрунт-конструкція» (рис.2).

Рисунок 2 -- Розрахункова схема в Midas GTS NX

Під час моделювання розглядалися три типи огородження котловану, а саме: бетонне, залізобетонне та із композитбетону. Характеристики конструкції огородження наведені у табл. 2.

Конструкція огородження котловану виконана із бетону класу В30, товщина стінки конструкції 0,42 м, глибина занурення - 17м. Арматурний каркас: для залізобетонної конструкції виконаний із арматури А400 016; для композитбетону - арматура АКС600 012 (табл. 2) [8].

За результатами розрахунків видно, що деформації нижньої відмітки конструкції з бетону складають 15,22 мм, загальні деформації верхньої відмітки конструкції досягають 113,64 мм, що виходить за межі нормативних вимог (за ДБН В.2.1 -10-2009 [9] деформації не можуть перевищувати 100 мм) і призведе до руйнування огороджуючої конструкції.

Таблиця 2 -- Характеристики матеріалів огороджуючої конструкції

В цьому випадку необхідно застосовувати вищий клас бетону або збільшувати товщину самої конструкції, що призведе до перевитрат матеріалів. При використанні залізобетонної конструкції деформації становлять 14,13 мм, загальні деформації лівого борту котловану досягають 35,93 мм, що відповідають нормативним вимогам. Аналогічна картина спостерігається при використанні бетону, деформації складають 13,85 мм, загальні деформації лівого борту котловану досягають 34,7 мм, що також відповідає нормативним вимогам.

При цьому в залізобетонній конструкції формується напружено-деформований стан з наступними параметрами: максимальна повздовжня сила становить N=86,95 кН, поперечна сила Q=41,603 кН, а згинаючий момент М=56,47 кН-м. Напружено деформований стан композитбетонної конструкції носить наступний характер: максимальна повздовжня сила становить N=83,23 кН, поперечна сила Q=39,84 кН, згинаючий момент М=33,34 кН-м.

На основі отриманих результатів розрахунку побудовано графіки залежності згинаючих моментів від певної відмітки висоти огороджуючої конструкції (рис. 3).

Рисунок 3 -- Графік залежності згинаючих моментів від певної відмітки глибини огороджуючої конструкції

У зоні, де стискаючі напруження досягають максимуму огороджуюча конструкція працює на стиск.

Найбільші значення стискаючих напружень знаходяться на відмітці дна котловану (6,5 м від поверхні). Вони являються критичними і становлять: для бетонної конструкції - 2,55 кН-м, для залізобетонної конструкції - 56 кН-м, для композитбетонної конструкції - 33 кН-м.

У зоні, де розтягуючі напруження досягають максимуму огороджуюча конструкція працює на розтяг. Найбільші значення розтягуючих напружень наведено далі.

На глибині 3 м від поверхні вони будуть критичними і становитимуть: для бетону - - 1 кН-м, для залізобетону - -24 кН-м, для композитбетону - -22 кН-м; на глибині 11,3 м: для бетону --0,1 кН-м, для залізобетону --25 кН-м, для композитбетону --8 кН-м (рис. 3).

За результатами розрахунку побудовано діаграму залежності повздовжніх сил від певної відмітки висоти огороджуючої конструкції (рис. 4). Найбільші значення повздовжніх сил знаходяться на глибині 6,5 м (дно котловану). Найбільше значення повздовжньої сили бетонної конструкції становить 41 кН, залізобетонної конструкції - 87 кН, композитбетонної конструкції - 83 кН.

За результатами розрахунку побудовано діаграму залежності поперечних сил від певної відмітки висоти огороджуючої конструкції (рис. 5). Найбільші значення поперечних сил знаходяться на глибині 6 м. Найбільше значення поперечної сили бетонної конструкції становить -2,7 кН, залізобетонної конструкції - -38 кН, композитбетонної конструкції - -28 кН.

За результатами виконаних розрахунків та моделювання встановлено закономірності зміни деформацій від глибини занурення несучої огороджуючої конструкції, які свідчать про наступне: зі збільшенням глибини занурення конструкції спостерігається зменшення загальних деформацій до відмітки дна котловану незалежно від конструктивних рішень, причому найбільша розбіжність діапазону деформацій спостерігається для звичайного бетону і становить 113,64 мм, а найменша - для композитбетону - 34,7 мм.

Рисунок 4 -- Графік залежності повздовжніх сил від певної відмітки глибини огороджуючої конструкції

Рисунок 5 -- Графік залежності поперечних сил від певної відмітки глибини огороджуючої конструкції

Для підтвердження достовірності отриманих результатів моделювання необхідно виконати перевірку даних конструкцій за критерієм утворення тріщин.

Одним із критеріїв перевірки на утворення тріщин у залізобетонних конструкціях є умова, що N < N сг , де N - повздовжня сила, N сг - критична сила.

Від дії повздовжньої стискаючої сили гнучкі елементи згинаються, що приводить до збільшення початкового ексцентриситету е 0.

Вплив прогину позацентрового стиснутого елемента на ексцентриситет повздовжньої сили враховують множенням е0 на коефіцієнт ц. Значення цього коефіцієнта визначається за формулою:

Якщо ї] > 2,5 , то необхідно збільшити розміри поперечного перерізу. Коефіцієнт П враховують при гнучкості І0 / її > 4.

Критична сила визначається за формулою:

де І0 - розрахункова довжина, яку беруть із таблиць норм; /, /5 - моменти інерції відповідно всього перерізу і арматури відносно центра ваги; р г - коефіцієнт, який враховує вплив тривалої дії навантаження на прогин, <5е - коефіцієнт, значення якого

- коефіцієнт зведення перерізу арматури до бетонного перерізу [10].

Розрахунок на утворення тріщин буде доцільно провести для двох варіантів конструкції - залізобетонної та бетонної з використанням композитної арматури, так як перший варіант моделювання «стіна бетонна» за моделюванням уже не задовольняє нормативні вимоги [10].

За результатами розрахунків стійкість залізобетонної і композитбетонної огороджуючих конструкцій забезпечується виконанням умови відповідно: N < N с г (87 <393,4) і N < N сг (83,23 <248,6).

Значення коефіцієнту повздовжнього вигину за результатами розрахунку для залізобетонної стінки складає = , а для композитбетонної стінки = , що знаходиться в межах допустимих значень.

Отже, відповідно до вище наведених розрахунків, тріщини в залізобетонній і композитбетонній огороджуючих конструкціях утворюватись не будуть. А це, в свою чергу, підтверджує достовірність отриманих результатів моделювання і можливість застосування неметалевої композитної арматури в несучих огороджуючих конструкціях.

Висновки

На основі проведеного моделювання огороджуючих конструкцій: бетонної, залізобетонної та композитбетонної сформовано напружено-деформований стан конструкцій та оточуючого масиву.

За допомогою програмного комплексу Midas GTS NX було проведено розрахунок деформацій, згинаючих моментів, поперечних та повздовжніх сил. Для підтвердження достовірності отриманих результатів моделювання було проведено розрахунок на утворення тріщин та визначено критичні сили у конструкціях.

Аналіз отриманих результатів свідчить про доцільність застосування залізобетонної та композитбетонної огороджуючих конструкцій, деформації яких знаходяться в межах допустимих значень і становлять відповідно: від 13,85 мм. до 34,7 мм для композитбетонної конструкції; від 14,13 мм. до 35,93 мм для залізобетонної конструкції.

При застосуванні бетонної огороджуючої конструкції необхідно застосовувати вищий клас бетону або збільшувати товщину самої конструкції, що призведе до перевитрат матеріалів.

За результатами розрахунків за ІІ групою граничних станів на утворення тріщин встановлено, що для залізобетонної конструкції: умова N < iVcr (87 < 393,4) виконується, отже тріщини не утворюються, умова п < 2,5 ( 1, 2 8 < 2,5 ) виконується, отже конструкція підпірної залізобетонної стіни підходить для заданих умов; для композитбетонної конструкції: умова N < Ncr (83,23 < 248,6) виконується, отже тріщини не утворюються, умова виконується, отже тріщини не утворюються, несуча здатність підпірної композитбетонної конструкції забезпечується.

Аналіз напружено-деформованого стану конструкцій свідчить про те, що найбільші значення згинаючих моментів і повздовжніх сил знаходяться на глибині 6,5 м (дно котловану) і становлять для бетонної конструкції: згинаючий момент - 2,55 кН-м, повздовжня сила - 41 кН; для залізобетонної конструкції: згинаючий момент - 56 кН-м, повздовжня сила - 87 кН; для композитбетонної конструкції: згинаючий момент - 33 кН-м, повздовжня сила - 83 кН.

Найбільші значення поперечних сил знаходяться на глибині 6 м і становлять відповідно -2,7 кН, -38 кН, -28 кН для бетонної, залізобетонної і композитбетонної конструкції.

Список використаної літератури

1. Клімов, Ю.А., Вітковський, Ю.А., & Солдатченко О.С. (2011) Використання неметалевої композитної арматури для армування бетонних конструкцій. Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. Вип. 42, 13-17. - Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/bmvs_2011_42_3

2. Хозин, В.Г., Пискунов, А.А., Гиздатуллин, А.Р., & Куклин А.Н. (2013) Сцепление полимер композитной арматуры с цементным бетоном. Известия КГАСУ. № 1(23), 214-220.

3. Климов, Ю.А. (2010) Современная композитная базальтовая арматура для армирования бетонных конструкцій. Технологии бетонов. № 11/12, 56-57.

4. Таран, В.В., & Янков, А.В. (2013) Особенности применения композитной арматуры при возведении строительных конструкций зданий и сооружений. Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури, № 6(104), 35-39.

5. В.П. Петрухин, Д.Е. Разводовский, И.В. Колыбин, & Б.Ф.Кисин (2008).

Проектирование и расчет подземных сооружений [Электронный ресурс] / - НИИОСП. Режим доступу: https://docplayer.ru/33378301 -Proektirovanie-i-raschet-podzemnyh-sooruzheniy-petruhin-v-p-razvodovskiy-d-e-kolybin-i-v-kisin-b-f-niiosp.html

6. Савенко, В.О.,. Тімченко, Р.О, Крішко, Д.А. (2016) Застосування програм заснованих на методі скінченних елементів (мсе) для моделювання роботи системи "основа - інженерна споруда". Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия : Компьютерные системы и информационные технологии в образовании, науке и управлении. Вып. 94, 143-148. Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/smmcs_ 2016_94_25

7. Midas GTS NX аналоги и альтернативы [Електронний ресурс] http://lostapp.ru/soft/gts-nx

8. ДСТУ-Н Б В.2.6-185-2012. (2012) Настанова з проектування та виготовлення бетонних конструкцій з неметалевою композитною арматурою на основі базальто - і склоровінгу. Мінрегіон України. Київ. 32 с.

9. ДБН В.2.1-10-2009. (2009) Основи та фундаменти споруд. Основні положення проектування. Мінрегіон України. Київ. 144 с

10. Бучок Ю.Ф. (1994) Будівельні конструкції. Основи розрахунку. Київ: Вища школа, 421с.

References

1. Klimov, Y.A., Vitkovskyi, Y.A., Soldatchenko O.S. (2011) Vykorystannia nemetalevoi kompozytnoi armatury dlia armuvannia betonnykh konstruktsii. Budivelni materialy, vyroby ta sanitarna tekhnika. Vyp. 42, 13-17. - Rezhym dostupu: http://nbuv. gov.ua/UJRN/bmvs_2011_42_3

2. Khozyn, V.H., Pyskunov, A.A., Hyzdatullyn, A.R., Kuklyn A.N. (2013) Stseplenye polymer kompozytnoi armaturbi s tsementnbim betonom. Yzvestyia KHASU. № 1(23), 214220.

3. Klymov, Y.A. (2010) Sovremennaia kompozytnaia bazaltovaia armatura dlia armyrovanyia betonnbikh konstruktsii. Tekhnolohyy betonov. № 11/12, 56-57.

4. Taran, V.V., Yankov, A.V. (2013) Osobennosty prymenenyia kompozytnoi armaturbi pry vozvedenyy stroytelnbikh konstruktsyi zdanyi y sooruzhenyi. Visnyk Donbaskoi natsionalnoi akademii budivnytstva i arkhitektury, № 6(104), 35-39.

5. V.P. Petrukhyn, D.E. Razvodovskyi, Y.V. Kolybyn, & B.F.Kysyn. (2008) Proektyrovanye y raschet podzemnykh sooruzhenyi [Elektronnyi resurs] NYYOSP. https://docplayer.ru/33378301-Proektirovanie-i-raschet-podzemnyh-sooruzheniy-petruhin-v- p-razvodovskiy-d-e-kolybin-i-v-kisin-b-f-niiosp.html

6. Savenko, V.O.,. Timchenko, R.O, Krishko, D.A. (2016) Zastosuvannia prohram zasnovanykh na metodi skinchennykh elementiv (mse) dlia modeliuvannia roboty systemy "osnova - inzhenerna sporuda". Stroytelstvo. Materyalovedenye. Mashynostroenye. Seryia : Kompiuternbie systembi y ynformatsyonnbie tekhnolohyy v obrazovanyy, nauke y upravlenyy. Vbip. 94, 143-148. Rezhym dostupu: http://nbuv.gov.ua/UJRN/smmcs 2016 94 25

7. Midas GTS NX analohy y alternatyvbi [Elektronnyi resurs] http://lostapp.ru/soft/gts- nx

8. DSTU-N B V.2.6-185-2012. (2012) Nastanova z proektuvannia ta vyhotovlennia betonnykh konstruktsii z nemetalevoiu kompozytnoiu armaturoiu na osnovi bazalto- i sklorovinhu. Minrehion Ukrainy. Kyiv. 32 s.

9. DBN V.2.1-10-2009. (2009) Osnovy ta fundamenty sporud. Osnovni polozhennia proektuvannia. Minrehion Ukrainy. Kyiv. 144 s

10. Buchok Y.F. (1994) Budivelni konstruktsii. Osnovy rozrakhunku. Kyiv: Vyshcha shkola, 421s.

Размещено на Allbest.ru