автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Несущая способность и деформативность монолитных зданий с учетом образования технологических трещин в диафрагмах жесткости

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Анализ ранее проведенных исследований по учету влияния трещин при проектировании.

1.2. Анализ ранее проведенных исследований о причинах появления трещин в монолитных зданиях.

1.2.1. Классификация трещин.

1.2.2. Влияние технологических факторов на появление трещин.

1.2.3. Влияние конструктивных факторов на появление трещин.

1.3. Классификация монолитных зданий.

1.4. Выводы по главе и задачи исследования.

2. Методика проведения исследований.

2.1. Выбор методики и ^теоретической основы исследований.

2.2. Основные принципы построения расчетных моделей монолитных зданий Методом Конечных Элементов (МКЭ).

2.3. Методика определения минимальной жесткости диафрагм рамно - связевого каркаса.

2.3.1. Теоретическая основа определения минимальной жесткости диафрагм рамно - связевого каркаса.

2.3.2. Обоснование применения упругих расчетных моделей.

2.3.3. Параметры моделируемых несущих систем.

2.3.4. Последовательность определения минимальной жесткости диафрагм рамно - связевого каркаса.

2.4. Принятые подходы к оценке влияния трещин в диафрагмах на работу элементов рамно - связевых каркасов.

2.5. Методика оценки трещиностойкости сопряжения разнонагруженных стен по критериям прочности при неодноосном напряженном состоянии.

2.6. Выводы по главе.

3. Разработка методики моделирования трещин в расчетных схемах МКЭ.

3.1. Методика дискретного моделирования трещин в расчетных моделях зданий при расчете с помощью МКЭ.

3.2. Определение податливости конечных элементов, моделирующих работу арматуры в трещине.

3.3. Выводы по главе.

4. Минимальная жесткость диафрагм без трещин.

4.1. Исследование минимального количества пролетов рамной несущей системы, допускающего отсутствие диафрагмы.

4.2. Определение минимальной жесткости диафрагм по критерию расчета прочности колонн.

4.3. Определение минимальной жесткости диафрагм по критерию перемещений рамно - связевого каркаса.

4.4. Определение минимальной жесткости диафрагм по критерию перекосов рамно - связевого каркаса.

4.5. Сравнение минимальной жесткости диафрагм, определяемой по различным критериям.

4.6. Выводы по главе.

5. Исследование влияния технологических трещин и некачественных горизонтальных швов бетонирования на работу диафрагм жесткости.

5.1. Данные обследования существующих зданий.

5.1.1. Конструктивные особенности обследованных зданий.

5.1.2. Методика проведения обследования.

5.1.3. Результаты обследования зданий.

5.2. Учет дефектов в расчетных моделях.

5.3. Исследование влияния трещин на жесткость диафрагм.

5.4. Исследование влияния трещин на перераспределение напряжений в диафрагмах жесткости.

5.5. Выводы по главе.

6. Анализ трещинообразования в стенах бескаркасных зданий.

6.1. Данные обследования существующих зданий.

6.1.1. Конструктивные особенности обследованных зданий.

6.1.2. Параметры трещин и швов бетонирования в стенах зданий.

6.2. Исследование причин появления трещин.

6.3. Расчет трещиностойкости по существующей методике.

6.4. Использование критериев прочности при неодноосном напряженном состоянии при расчете трещиностойкости сопряжения разнонагруженных стен.

6.4.1. Поэтажно возрастающая расчетная модель.

6.4.2. Исследование сходимости данных расчета по поэтажно возрастающей модели с данными обследований зданий.

6.5. Исследование влияния трещин на работу стен.

6.6 Выводы по главе.

За последние годы резко возросли объемы монолитного домостроения: в 1999 году его объем в г. Москве составил 25 % от общего объема строительства жилых и общественных зданий, а в 2000 г. объем монолитного домостроения достиг 50 % [27]. Начало применения монолитного железобетона для строительства многоэтажных жилых зданий можно отнести к восьмидесятым годам. В 1987 году в ЦНИИЭП жилища была разработана научно - техническая программа 0.55.04 по дальнейшему совершенствованию монолитного домостроения [11]. Затем она переросла в комплексную программу «Монолит-90». По результатам проведенных работ подвился ряд нормативных и рекомендательных документов [38, 50 и др.].

В этих документах существенное внимание уделено обеспечению трещиностойкости монолитных зданий при их возведении. Основные методы борьбы с трещинами: подбор составов бетонов, уход за бетоном, ограничение размеров захваток. Однако опыт строительства последних лет показывает, что ряд требований ранее разработанных документов (например, по размерам захваток), становятся невыполнимыми при современных темпах строительства. Так, например, рекомендуется размеры захваток назначать таким образом, чтобы отношение их длины к высоте не превышало двух [38]. При изготовлении протяженных стен данная рекомендация соблюдается не всегда.

Трещины в железобетоне - естественное явление. Нормативные документы [56] допускают образование трещин при воздействии эксплуатационной нагрузки различной ширины раскрытия, в зависимости от армирования и условий эксплуатации конструкции. Например, при эксплуатации конструкции в неагрессивной и слабоагрессивной среде при арматуре класса AIII допускается непродолжительное асгс1 = 0,25 мм и продолжительное асгс2 = 0,2 мм раскрытие трещин.

За последние годы проведен ряд работ, на основе которых были определены параметры допустимых технологических трещин [22]. Однако эти требования в основном касались сборных конструкций заводского изготовления.

В руководствах и пособиях по проектированию конструкций монолитных зданий не даны способы учета технологических трещин. Проектировщик вынужден полагаться на нередко противоречивые заключения по результатам обследований зданий или собственный опыт, возникают различные мнения о влиянии трещин на работу несущих конструкций здания и о необходимости борьбы с ними, или необходимость ограничений по характеру и раскрытию трещин в зависимости от особенностей конструктивного решения здания.

В данной работе не рассматриваются причины появления технологических трещин, за исключением трещин в зданиях с монолитными стенами и сборными перекрытиями. Работа посвящается методам учета технологических трещин при проведении поверочных расчетов и при проектировании.

Актуальность работы определяется необходимостью установления требуемого уровня одного из важнейших показателей качества диафрагм жесткости многоэтажных монолитных зданий - параметров допустимых технологических трещин.

Целью диссертационной работы является определение допустимых, с точки зрения несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации монолитных зданий, параметров технологических трещин в диафрагмах жесткости.

Автор защищает:

- результаты теоретического исследования минимальной жесткости диафрагм связевого каркаса;

- методику моделирования трещин в диафрагмах жесткости расчетных моделей монолитных зданий, принятых для расчетов на основе МКЭ;

- результаты исследования работы арматуры в трещине и анализ предложений различных авторов по назначению жесткости моделирующим арматуру конечным элементам;

- результаты численного эксперимента по оценке влияния количества и расположения трещин в диафрагмах жесткости на условия работы внутренних колонн связевого каркаса и всего каркаса в целом;

- методику построения расчетной модели здания с монолитными стенами, с учетом срока его возведения, и оценки на основе этой модели трещиностойкости сопряжения разнонагруженных стен.

Научная новизна:

- даны предложения по назначению минимальной жесткости диафрагм рамно - связевого каркаса многоэтажных монолитных зданий;

- установлено, что при существующем подходе к назначению жесткости диафрагм закладываются значительные запасы и в ряде случаев встречающиеся на практике трещины не влияют на работу несущей системы здания;

- установлены условия (жесткость диафрагм, шаг и расположение трещин) при которых трещины не оказывают влияние на несущую способность здания;

- предложена методика расчета трещиностойкости сопряжения разнонагруженных железобетонных стен бескаркасных зданий, с учетом срока их возведения.

Практическое значение работы заключается в том, что впервые сформулированы условия и даны ограничения по параметрам технологических трещин в диафрагмах жесткости, при которых трещины не влияют на работу внутренних колонн и каркаса здания, поэтому допускаются. Результаты работы позволяют оценивать качество изготовления и пригодность к нормальной эксплуатации диафрагм жесткости с трещинами и исходя из этого назначать мероприятия по устранению дефектов изготовления. Результаты работы позволяют так же уменьшить расход материалов и трудоемкость изготовления диафрагм жесткости рамно-связевых каркасов.

Апробация работы: Результаты диссертации были опубликованы в трех печатных статьях, двух депонированных работах, использовались при принятии решений по ряду объектов, построенных в гг. Москве, Самаре и Ставрополе в 1998 - 2001 годах.

Диссертация состоит из шести глав, основных выводов, рекомендаций по учету трещин, примеров расчета с учетом трещин, списка литературы из 84 названий. Работа изложена на 261 страницах машинописного текста, содержит 93 рисунка, 35 таблиц, пять приложений.

Работа выполнялась в лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества ГУП НИИЖБ в 1998-2001 годах.

Автор выражает глубокую признательность за научное и методическое руководство заведующему лабораторией члену-корреспонденту РААСН, доктору технических наук, профессору, Заслуженному деятелю науки и техники РФ Клевцову В.А. и другим сотрудникам лаборатории за помощь в проведении исследований.

Общие выводы.

1. Проведенные исследования позволили разработать методику моделирования трещин и работы пересеченной ими арматуры в расчетных моделях плоских железобетонных элементов (диафрагм жесткости) при расчете с помощью МКЭ. Работа арматуры в трещине моделируется с помощью КЭ№55, заданием его податливости. При этом учитывается влияние на податливость прочности бетона, ширины раскрытия трещин, диаметра арматуры и напряжений в арматуре.

2. Для любой рамно - связевой системы существует такое значение жесткости диафрагмы (минимальная жесткость), при котором можно не учитывать действие ветровой нагрузки. Значение минимальной жесткости должно определяться из условий обеспечения прочности и ограничения деформаций.

В диссертации разработана методика определения минимальной жесткости и дано ее значение для разных высот здания, в зависимости от жесткости ригелей и жесткости колонн.

3. В период возведения монолитных зданий возникают дефекты в виде технологических трещин и некачественных швов бетонирования, влияющие на прочность и жесткость стен и диафрагм.

4. В диссертации разработана методика расчетной оценки влияния технологических трещин на работу диафрагм, в зависимости от количества и расположения трещин, податливости пересекаемой арматуры.

5. Определены параметры технологических трещин, при которых они не влияют на работу диафрагм.

6. В диссертации разработана методика оценки влияния качества выполнения технологических швов бетонирования на работу диафрагм.

7. В диссертации предложена методика расчета трещиностойкости сопряжения разнонагруженных стен зданий с монолитными стенами и со

1. Александров А.В. Карпенко Н.И. Травуш В.И. Толотказин Д.Б. Учет взаимодействия фундамента с грунтом при анализе температурных напряжений в протяженных зданиях / Вестник отделения строительных наук РААСН. М, 2000. - № 3. - с. 3.

2. Адлер Ю. П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1968. - 157 с.

3. Байков В. Н. Железобетонные конструкции. Специальный курс: Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1981. - 767 с.

4. Бороздкин Ю. Г. Научно технический отчет по теме: Провести исследования, разработать и проверить предложения по повышению трещиностойкости монолитных зданий. - М., 1982.

5. Васильев Б.С., Володин Н.М. Расчет сборных конструкций зданий с учетом податливости соединения. М.: Стройиздат, 1985.

6. Гвоздев А.А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М , 1949.

7. Дроздов П. Ф. Конструирование и расчет несущих систем многоэтажных зданий и их элементов. М.: Стройиздат, 1977.-351 с.

8. Заключение НИЛ бетона и железобетона «Исследование состояния стен строящегося 16-ти этажного жилого дома из монолитного керамзитобетона в г. Ставрополе», Ставрополь, 1995г.

9. Залесов А.С., Кодыш Э.Н., Лемыш Л.Л., Никитин И.К. Расчет железобетонных конструкций по прочности, трещиностойкости и деформациям. М.: Стройиздат, 1988.- 320 с.

10. Ю.Иванов Г. П. Напряженное состояние монолитных стен при температурно усадочных деформациях бетона в период возведения. Дис. . канд. техн. наук. -М., 1983.

11. Индустриальные методы монолитного домостроения // Сб. тезисов докладов / Тезисы всесоюзного совещания в Вильнюсе в 1987 г. Вильнюс, 1987.

12. Карпенко Н. И. Теория деформирования железобетона с трещинами. М.: Стройиздат, 1976, - 208 с.

13. И.Карпенко Н. И. Общие модели механики железобетона.- М.: Стройиздат, 1996.-416 с.

14. Карпенко Н.И. О двух общих условиях прочности для железобетонных элементов.// Расчет и конструирование железобетонных конструкций. -М, 1972. с. 146-159.

15. Карпенко Н.И., Судаков Г.Н. Сцепление арматуры с бетоном с учетом развития контактных трещин // Бетон и железобетон.-1984.-№12.-с. 42-44.

16. Клевцов В. А. Заключение по договору: Провести исследование по установлению влияния трещин в стенах железобетонных 18 ти этажных домов на их качество. - М., 1995.

17. Клевцов В.А. Действительная работа предварительно напряженных железобетонных конструкций покрытий производственных зданий. Диссертация . доктора техн. наук. -М., 1977. 375 с.

18. Клевцов В.А., Юозайтис И.Б. Расчет одиночных ребристых плит покрытия с учетом влияния на них строительных конструкций // Строительное проектирование промышленных предприятий. -1973. №6.

19. Кольнер В.М., Тевелев Ю.А. Работа арматурного стержня в бетоне при поперечном нагружении // Труды ВНИИ железобетона.-М., 1967.-вып. 13.

20. Коревицкая М. Г. Исследование преднапряженных изгибаемых элементов таврового сечения. Дис. . канд. техн. наук. М., 1968. - 119 с.

21. Ласьков Н. Н. Прочность стен крупнопанельных и монолитных зданий при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил. Дис. . канд. техн. наук. Пенза,- 1993. - 190 с.

22. Маркаров Н.А., Лиходеевский А.А. Влияние технологических трещин на прочность центрально-сжатых железобетонных элементов // Реферативный сборник / ЦНИИС. М., 1973. - Вып. 8. - Общие вопросы строительства.

23. Мартынова Н. Г. Прочность и деформативность вертикальных стыковых соединений стен бескаркасных монолитных зданий. Дис. . канд. техн. наук. -М., 1985.

24. Методические рекомендации по классификации дефектов и повреждений в несущих железобетонных конструкциях промышленных зданий. -Харьков, 1984.

25. Мизернюк В.Н. Виды трещины и оценка их значения // Сб. тр. / НИИЖБ.-М. 1975.- Вып. 21. -Методика обследования железобетонных конструкций.

26. Мурашев В.И., Сигалов Э.Е, Банков В.Н. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов. М.: Госстройиздат. - 1962. - 659 с.

27. Научно-технический отчет НИИЖБ по теме: «Разработать концепцию монолитного строительства и создать эффективные ограждающие конструкции, отвечающие по сопротивлению теплопередаче второму этапу энергосбережения. Договор № 1-3-9/99. М. 1999 г.

28. Отчет по хоздоговору: Контроль качества бетонирования конструкций надземной части административного здания по адресу: Дубининская ул., д. 33.-М.: НИИЖБ, 1997.

29. Отчет по хоздоговору: Краткое заключение о качестве бетонирования конструкций высотного здания по адресу: Перовская ул., владение 20. -М, 1998.

30. Петросян А.В. Расчет прочности железобетонных элементов при совместном действии изгибаемых моментов и поперечных сил. Дис. . канд. техн. наук. М., 1988.

31. Попкова О. М. Монолитные железобетонные конструкции высотных зданий с раскосной решетчатой оболочкой наружных стен (США)//Сб: Строительство и архитектура./ Серия 8. Строительные конструкции. - М. 1985. - Вып. 23.

32. Портер Э.Г. Исследование трещиностойкости растянутых элементов стержневых систем. Дис. . канд. техн. наук. М.,1968. - 163 с.

33. Пособие по расчету крупнопанельных зданий / ЦНИИСК им. Кучеренко. -Вып. 5. Расчет вертикальных упругих диафрагм на горизонтальные нагрузки. - М., 1982. - 78 с.

34. Рекомендации по обеспечению трещиностойкости монолитных конструкций жилого дома по адресу г. Москва, ул. Ельнинская, влад. 11, корп. 3 / НИИЖБ. М., 1998.

35. Рекомендации по расчету крупнопанельных зданий на температурно -влажностные воздействия. М.: Стройиздат. - 1983.

36. Рекомендации по обеспечению трещиностойкости монолитных стен.- М., ЦНИИЭП жилых зданий, 1984. 49с.

37. Рекомендации по определению прочностных и деформационных характеристик бетона при неодноосных напряженных состояниях. -М.: Стройиздат, 1985. 73 с.

38. Рекомендации по оценке несущей способности сжатых железобетонных элементов с доэксплуатационными трещинами.- М.: Стройиздат, 1984-17с.

39. Рекомендации по применению методов математического планирования эксперимента в технологии бетона. М.: ПЭМ ВНИИС Госстроя СССР. 1982. - 103с.

40. Рекомендации по проектированию стальных закладных деталей для железобетонных контструкций.- М.: Стройиздат, 1984.- 87с.

41. Рекомендации по разработке проектов монолитных и сборно -монолитных зданий. М.: Стройиздат, 1981.

42. Рекомендации по расчету каркасно панельных общественных зданий с применением ЭВМ. - М.: Стройиздат, 1986. - 80с.

43. Рекомендации по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных сооружений. М.: Стройиздат, 1988. - 121с.

44. Репекто В. В. Методы оценки состояния эксплуатируемых конструкций одноэтажных производственных зданий. Дис. . канд. техн. наук.- М., 1984.-219 с.

45. Ржаницын А. Р. Составные стержни и пластинки. М.: Стройиздат, 1986.

46. Руководство по бетонированию монолитных конструкций с применением термореактивной опалубки. М.: Стройиздат, 1977. - 95 с.

47. Руководство по зимнему бетонированию с применением метода термоса. -М.: Стройиздат, 1975.- 192 с.

48. Руководство по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий. М.: Стройиздат, 1982. - 215 с.

49. Руководство пользователя: программный комплекс "ЛИРА Windows". -т. 1 - 8. - Киев, Госкомградостроительство Украины, 1996.

50. Руководство по применению бетонов с противоморозными добавками. -М.: Стройиздат, 1978. 81 с.

51. Синельников И.Ю. Прочность и деформативность технологических швов монолитных бескаркасных гражданских зданий. Дис. . канд. техн. наук. -Ташкент, 1982.

52. Смирнов А.И., Александровский А.В., Лащеников Б.Я., Шапошников Н.Н. Строительная механика. Стержневые системы. М.: Стройиздат, 1981-512с.

53. СНиП 2.01.07 85. Нагрузки и воздействия.- М.: Стройиздат, 1986. -36 с.

54. СНиП 2.03.01 84*. Бетонные и железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1985. - 79 с.

55. СНиП 2.06.06 85. Плотины бетонные и железобетонные. - М.: Стройиздат, 1987. - 40 с.

56. СНиП II 56 - 77. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1977.-32 с.

57. Соколов М. Е. Исследование трещинообразования в монолитных зданиях // Бетон и железобетон. -1979. № 5.

58. Соколов М. Е. Расчетная оценка деформаций усадки бетона в стенах монолитных зданий // Жилищное строительство. 1978. -№ 8.

59. Состояние и перспективы развития бетона и железобетона в России на пороге 2000 летия/НИИЖБ Госстроя России. - М., 1999.

60. Травуш В.И., Тхор П.И. Строганов С.М. Конструктивное решение гостиничного здания «Кристалл» / Вестник отделения строительных наук РААСН. М., 2000. - № з. - с. 179.

61. Тевелев Ю.А. Исследование действительной статической работы крупнопанельного здания: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1966.

62. Указания по проектированию конструкций крупнопанельных бескаркасных жилых домов высотой 10-16 этажей (проект). ММП ЦНИИЭП жилых зданий. М.,1968.

63. Улицкий Б. Е. Пространственные расчеты балочных мостов. М.: Автотрансиздат, 1962. - 180 с.

64. Улицкий Б.Е., Клевцов В.А. Расчет предварительно-напряженных подкрановых балок на кручение//Бетон и и железобетон. 1959.- № 4.

65. Улицкий Б.Е. Пространственный расчет бездиафрагменных пролетных строений мостов. М., Автотрансиздат. - 1963.

66. Физдель И.А. Дефекты в конструкциях и сооружениях и методы их устранения. М.: Сторойиздат, 1978. - 169 с.

67. Фрид С. А. Темпиратурные напряжения в бетонных и железобетонных гидротехнических сооружених. Ленинград, 1959. - 72 с.

68. Ханджи В. В. Расчет многоэтажных зданий со связевым каркасом. М.: Стройиздат, 1977. - 187 с.

69. Холмянский М.М. Закладные детали сборных железобетонных элементов. М.: Стройиздат, 1968. 208 с.

70. Хромых О. В. Влияние трещин на несущую способность сжатых элементов. М., Стройиздат, 1987.

71. Хромых О.В. Влияние трещин на несущую способность сжатых элементов. Дис. . канд. техн. наук М., 1987. - 171 с.

72. Цирик Я. Типы монолитных зданий// Жилищное строительство. 1986. -№7.

73. Чирков Ю.Б. Возведение монолитных конструкций и сооружений из легкого бетона. М.: Стройиздат, 1984. - 169 с.

74. Экспертное заключение по состоянию несущих стен жилого комплекса МЖК по адресу: ул. 50-летия ВЛКСМ, 524 квартал г. Ставрополь и разработка рекомендаций по ремонту и усилению. Договор № 43 от 15.03.2000г. М., ГУП НИИЖБ, 2000.

75. Argyris I.H. , Faust G. et al. Recent development in the finite element analysis of prestressed concrete reactor vessels // Nucl. Eng. Des/ 1974, 28. p. 42-75.

76. Chervenca V. Inelastic finite element analysis of reinforced concrete panels under in plane loads//Ph. D. dissertation, Dept. Civil Eng. Univ. Colorado, Boulder, 1970,202 р.

77. Kupfer H. B. Das nicht-linear Verhalten des Betons bei zweiachtziger Beanspruchung// Beton und Stahlbetonbau. 1973, № 11, pp. 269-274.-245

78. Robins P.I., Kong F.K. Modified finite element method applied to RG deep beams//Civil engineering and public works revien. 1973. № 11, — pp. 10611072.

79. Ruffer G., Rissse im Stalelbeton. Ursachen, Auswirkungen, Sanierungen.

80. Работа включала в себя расчет и эскизное проектирование армирования несущих стен строящихся зданий по ул. Ст. Загора и ул. Ташкентской г. Самары.

81. При конструировании армирования стен использовались материалы диссертационной работы Иванова С. И. «Несущая способность монолитных зданий с трещинами в стенах и диафрагмах жесткости».1. ГИП1. Д.А. Жерницкий