автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Длительная прочность и деформативность перекрытия монолитных многоэтажных зданий с низким процентом армирования

р V ь

МОСКОВСКИ! ЛСЩРСТВЕНШИ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СШАГАРОВ Д5АКВШТ ИУССАЕВИЧ

УДК 634.012.45+624.012.35

ДШГЕЛЬШ ПРОЧНОСТЬ И ДИЮРЫАТИВНОСТЬ ПЕРЕКРЫТИЙ ЫОНОЛИЯЫХ ЫНОГОЭТАЯШХ ЗДМШ С ШШШ ПРОЦЕНТОМ - АРМИРОВАНИЯ

05.23.01 - Строите лышэ конотрукцса, здания в оооругсния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканиэ ученой стопени кандидата технических паук

МОСКВА - 1994 г.

Работа выполнена в Ыооковокои государственной стронтелънш университете

Научный руководитель - кандидат технических цоук, доцзпт Сепш Николай Иванович

Официальные ошкя&ипы - доктор теднгаеищхшуаЦ

Тахнр ¿бдурахыанович Иугшздоев

кандидат технических паук» с.в.о. Митятр! Ефшошч Соколов

Ведущая организацня - ЦШШЭП гдащи

Защита состоится января 1995 г. чаоов па заседании спвцпалжшроважого Совета К СШ.П.01 в Ыосково-ксу государственной отроитеяыюа университете по гщюсу: йоск&з, Шавзовая набережшя, д.8 в еудвторш JS 412

С дассортсцшгй ноашо озшшшагьоя в 6ateorcr.s ymmpemota

Проспи Вас принять участие в звщзто н хширавить Вага отзшз по адресу: 129337, Ыосгаш, Ярославское шоссо, 26, ИГСУ, Учений Совет.

АвтошХапат разослан в е?- и декабря 1ЭЭ4 г. ЗА

-1 366 - И 2 г /

Ученый секретарь Оюциализнрованного Совота кандидат технических наук,

профессор Э.ВЛЬшмовов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• Актуальность исследований. Одним.из перспективных направлений в строительстве является монолитное домостроение. В монолитных шгагозтакных зданиях расход арматурной стали снижается на 10-208 по сравнению с полносборными зданиями одинаковой отагшости, выполненных по каркасной или панельной схеме. Это объясняется рядом преимуществ монолитных зданий перед сборными: более высокой г:ест-костью несущей системы; защемление!.! монолитных плит перекрытий по всему контуру или его части; отсутствием сварных стыковых соединений, исключением армирования на монтажные и транспортные нагрузки.

В ШСИ им.В.В. Куйбышева проф. П.Ф. Дроздовы?.? было предложено новое конструктивное ревение монолитных многоэтажных зданий (Л.С. 1408034 СССР МНИ 4 Е 04 В 1/16). Основной идеей предложенной конструктивной схемы является учет распорных усилий и некоторых особенностей работы конструкций монолипшх зданий в условиях стеснения деформаций. Внутренние распоры в несущей системе воспринимаются предварительно напряженными брусками, укладываемыми "в процессе бетонирования стен по их периметру в уронио низа перекрытия кавдого атака и песущими стенами. Для усиления аффекта распора в плоскости перекрытий последние выполняются из напря-рягаидего бетона. При твердении напрягающего бетона вся плита интенсивно сжимается в своей плоскости, ,а расположенные по периметру бруски шесте со стенами воспринимают растяжение - распор. Накладывающиеся затем изгибные напряжения от расчетной нагрузки малы по сравнении о отим саатпем для того, чтобы вызвать растяже-яенив в гашшй зоне плита.

Предварительно напряженные бруски служат также связями-стяжками мезду степами. Это позволяет исключить традиционное армнро-вание монолитных степ для зданий высотой 16 этажей и ниже при массе бетона степ В5-В7.5 для обычных условий строительства.

Таким образом, всо армирование монолитного многоэтапного дома сводится к предварительно напряженным брускам, улогегашм по периметру стен в уровне виза перекрытия кавдого атага, арматурным

- & -

каркасам в перемычках.

Целью диссертационной работы является совершенствование конструктивного решения,' выявление и - реализация резервов несущей способности, жесткости и трещиностойкости самонапряжешшх плит пережатий и смежных с ними влементов на основе уточнения расчетных схем и методов с учетом особенностей работы конструкций в системе здания при длительном действии нагрузки.

Поставленная цель достигается последовательным решением частных задач:

- окспериыентальным исследованием напряженно - деформированного состояния перекрытия в системе здания при кратковременном и длительном действиях нагрузки; исследованием особенностей разрушения фрагмента монолитного многоэтажного здания;

- уточнением физической модели расчета саыонапряженных плоскостных нелинейно деформируемых шит перекрытий на длительную нагрузку с учетом действительной работы в стесненных условиях до-формирования;

- развитием численного метода расчета прочности и перемещений железобетонных плоскостных систем на основе метода сосредоточенных деформаций и их приложением к решению задач расчета саыо-напряжешшх плит перекрытий на длительную нагрузку;

- разработкой алгоритма и программы для ПЭВМ по расчету железобетонных плоскостных (в том числе и самонапрякешшх) систем на длительную статическую нагрузку;

- проведением по разработанной программе расчетов плитных систем на кратковременную и длительную нагрузку и сопоставление полученных результатов с вкснерименталыдидг данными;

- разработкой практических рекомендаций по проектированию влементов монолитных многоотажных зданий новой конструктивной системы.

Научную новизну работы составляют:

■ - експериыентальные данные о прочности, трещиностойкости и деформативности самонапряженной шшты перекрытия, защемленной по контуру при загрукении кратковременной и длительной нагрузкой;

- результаты вкспериментального исследования натурного фрагмента (монолитного многоэтажного здания новой конструктивной системы), отражающего реальные условия работы конструкций в системе здания;

- развитие метода сосредоточенных деформаций, применительно к расчету плоскостных железобетонных систем на длительную статическую нагрузку, с учетом полных диаграмм (исходных и трансформи-мированных во времени) бетона и арматуры и деформирования расчетной схемы;

- разработанный алгоритм и программы "SLAB" и "SLAB_TIME" для расчета на ПЭВМ железобетонных плоскостных систем на кратковременную и длительную статические нагрузки с учетом различных граничных условий на опорном контуре;

- результаты расчетов самонапряженной бетонной плиты на кратковременную и длительную нагрузку.

Достоверность результатов обеспечивается: сопоставлением результатов расчетов, полученных по предложенному методу, с экспериментальными данными; статистической обработкой результатов акс-перйлента и установлением их достоверности на базе заданной обеспеченности.

На защиту выносятся; .

- методика экспериментальных исследовшаЗ;

- данные о напряженно-деформированном состоянии семонапря-женной плиты перекрытия, защемленной по контуру в сиотеме здания и загруженной кратковременной и длительной равномерно распределенной нагрузкой;

- численный метод ресчета железобетонных плоских систем на кратковременное и длительное действие нагрузки о различными граничными условиями на опорной контуре;

- алгоритм и программы "SLAB" и "SLABJFIHE" для расчета железобетонных плоскостных нелинейно деформируемых систем на кратковременное я длительное действие статической нагрузки;

- результаты расчетов яа кратковременную и длительную нагрузки;

- предложения по конструированию влементов многоэтажных монолитных зданий новой конструктивной системы.

Практическое значение работы.

Впервые экспериментально подтверждена возможность ¡фактического применения и высокой эффективности нового конструктивного . решения монолитных многоэтажных хилых зданий в условиях длительной эксплуатации.

Создан программный комплекс SLAB-SL4B_TIME позволяющий полу- . лучать достоверную исчерпывающую информацию о поведении железобетонных плитных систем с учетом реальных свойств бетона и арматуры, различных граничных условий на опорном контуре.

SLAB - предназначен для определения несущей способности, перемещения и трещиностойкости железобетонных плит при кратковременном действии нагрузки, учитывая особенности их работы в стесненных условиях деформирования.

SLABJEIME дает возможность определять на основе метода сосредоточенных деформаций напряженно-деформированное состояние железобетонных перекрытий с учетом длительности действия нагрузки.

Внедрение результатов.

Результаты настоящих исследований нашли применение при подготовке материалов СНиП 2.03.01-95, а также могут быть использованы в практике проектирования- (ЦНИИЭП жилища, Киев ЗНИИЭП и др.) и экспериментального строительства (АО "Монолит" и др.).

Алпробаиия работы

Основные результаты работы доложены и получили одобрение на всесоюзном координационном совещании "Экономичное армирование железобетонных конструкций", организованном Кыргызским республикан-канским правлением НТО стройицдустрии (Фрунзе, 1990), на научном семинаре кафедры железобетонных конструкций МГСУ.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в двух работах. Структура g объем диссертации.

Диссертационная работа состоит, из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

Общий объем работы 230 страниц (без приложений), в том числе 109 страниц машинописного текста, 87 рисунка, 29 таблиц, списка использованной литературы из 177 наименований (17 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится краткий обзор исследований, посвященный: влиянию распорных усилий на работу железобетонных плит перекрытий; исследованию фрагментов монолитных многоэтажных зда-пий с низким процентом армирования? изучению процессов усадки, самонапряжения и ползучести бетонов на напрягающем цементе.

Экспериментально-теоретическому изучению влияния распора на прочность, трещиностойкость и дефордативность железобетонных конструкций посвящены многие исследования отечественных и зарубежных авторов: Х.Амоса, И.К.Белоброва, В.М.Бондаренко, Т.Н.Виноградовой, В.В.Власова, А.А.Гвоздева, И.Гийона, Г.А.Гениева, Г.С.Григоряна, П.Ф.Дроздовв, Л.Н.Зайцева, В.С.Зырянова, М.М.Израелита, Н.И. Карпенко, В.А.Кожевникова, Л.П.Королева, С.М.Крылова, В.С.Кукунаева, П.ГЛабозина, Я.Д.Лившица, В.И.Лишака, Т.А.Мухамедяева, А.О.Ок-лестона, Е.И.Палатникова, Я.Ф.Погребного, И.И.Подшивалова, Н.Н.Попова, Б.С.Расторгуева, Э.Е.Сигалова, Е.И.Стаковиченко, М.Г.Тарату-ты, Ф.Г.Томаса, Г.К.Хайдукова, М.А.Янкелевича, Л.Н. Ярина и др.

Анализ многочисленных предложений по расчету телезобетонных плит и балок, работающих о распором показывает, что их можно разделить на две основные группы: одна группа исследователей использует традиционный метод расчета, основанный на методе предельного равновесия с учетом деформаций (прогибов) плиты; к другой груше относятся исследовали, используидие численные методы расчета.

Основные теоретические положения, отражающио работу железобетона с трещинами при плоском напряженном состоянии и при изгибе, разработаны Н.И.Карпенко.

В более поздних исследованиях плит, работающих с распором, следует отметить работу Л.Н.Симоновой под руководством Н.И.Карпенко, А.М.Зулпуева под руководством М.И.Додонова.,

Результаты исследований дают некоторую общую картину работы железобетонных конструкций с распором, установлено,что:

- распорные усилия влияют на работу железобетонных плит на всех стадиях работы конструкции неодинаково;

- распор увеличивает несущую способность, уменьшает прогибы, раскрытие трещин;

- величина распора и его влияние на несущую способность плит зависит от прочности бетона, соотношения между толщиной плиты и пролетами, процента армирования, степени податливости контура и других факторов.

Исследования, проведенные в ЫИСИ под руководством профессора П.Ф. Дроздова и доцента Н.И. Сешша, натурных фрагментов монолитных многоэтажных зданий новой конструктивной .системы свидетельствуют о значительных резервах прочности, трещиностойкости и деформативности самонапряженных бетонных плит перекрытий, рабо-' тащих в стесненных условиях деформирования.

Однако, практически не исследовано влияние длительных процессов усадки и ползучести напрягающего бетона на работу самонапряженных плит перекрытий.

Реализация резервов несущей способности, трещиностойкости и деформативности возможна путем уточнения расчетных схем и методов с учетом особенностей работы плиты перекрытия в системе здания при длительном^действии нагрузки.

Во второй главе обосновывается объем и методика комплексных экспериментальных исследований: образцов из напрягающего бетона; натурного фрагмента монолитного многоэтажного здания новой конструктивной системы.

В соответствии с поставленной целью исследований экспериментальная часть проводилась на натурном фрагменте средней ячейки монолитного многоэтажного здания. Фрагмент: здания, размером в плане 3680x3680 мм, представлял собой квадратную в плане плиту с вутами по внутреннему периметру, опертую на стены по четырем сторонам. Толщина стен принята 180 мм, а расстояние от силового пола до уровня низа перекрытия ,^ 1940 мм. В двух противоположных

стенах фрагмента устраивались проемы размером 900x1280 мм. Перекрытие толщиной 140 мм, с вутами 140x250 мм, было защемлено по периметру бетонными стенами второго яруса высотой 900 мм (рис.1).

На уровне низа перекрытия по периметру стен были забетониро-роварованы железобетонные предварительно напряженные бруски сечением 80x100 мм и длиной 4860 мм. Армирование брусков осуществлялось одним арматурным канатом диаметром 12 мм класса К-7.

Величина предварительного напряжения арматурных канатов была принята равной Овр= 0.5-Оо х. Для бетонирования брусков применялся тяжелый бетон класса В45. •

В стенах с проемами перемычки, перекрывающие проем, армировались пространственными каркасами и брусками. В каркасах в продольном направлении использовалась арматура класса Ат-1У О! 16 мм, в качестве замкнутых хомутов применялись стержни -0" 5 класса А-1. Сплошные стены фрагмента армировались только предварительно напряженными брусками, уложенными в уровне низа перекрытия.

Для бетонирования стен фрагмента применялся тяжелый бетон класса В20.

•Плита перекрытия бетонировалась через три дня после окончания укладки бетонной смеси в опалубку стен первого яруса.

Класс В20 напрягающего бетона плиты перекрытия соответствовал требованиям Пособия по проектированию самонапряженшг железобетонных конструкций (к СНиП 2.03.01-84).

Изготовление фрагмента монолитного многоэтажного здания осуществлялось при помощи инвентарной мелкощитовой опалубки промышленного изготовления.

Вертикальная нагрузка на плиту перекрытия создавалась механической системой, включающей два винтовых домкрата и два кольцевых динамометметра. Перед испытанием фрагмента система была от-тарирована с помощью образцовых динамометров. Вертикальная нагрузка, через систему распределительных траверс, передавалась на плиту перекрытия в шестнадцати точках.

Для исследования напряженно-деформированного состояния плиты применялись: тензорезисторные преобразователи внутренних дефорыа-

ций бетона, поверхностные тензорезисторы, индикаторы часового типа с ценой деления 0.001, прогибомеры Максимова. Снятие отсчетов с тензорезисторов проводился автоматизированным способом с помощью цифровых измерителей деформаций СИИТ-3.

Методика испытаний нагружением фрагмента состояла в следующем. На первом етапе плита перекрытия нагружалась кратковременной нагрузкой, до уровня равного 4KpaT=:0.80-q^®®pf после чего фиксировалась испытательная нагрузка. На втором етапе плита выдерживалась под длительным действием нагрузки до полной стабилизации приращения деформаций и возможности прогнозирования их на последующий период. Для поддержания постоянного уровня длительной нагрузки использовались четыре упругие оттарированные пружины.

Неразрушившийся под длительной нагрузкой фрагмент испытывал-ся до разрушения с целью:

- определения конечного сопротивления шиты перекрытия наг-ружению распределенной нагрузкой;

- исследования особенностей разрушения фрагмента.

Догружение плиты перекрытия осуществлялось с предварительной

разгрузкой. Фрагмент находился в разгруженном состоянии в течение 70 суток.

После полного снятия длительной нагрузки с плиты перекрытия фрагмента механическая система была заменена на гидравлическую систему, включающей насосную станцию с манометром и два гидрав-ческих домкрата ДГ-25.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований и их анализ.

. Фрагмент здания был нагружен кратковременной нагрузкой через 282 дня после бетонирования плиты перекрытия.

Перед испытанием нагрукением по программе SLAB была определена теоретическая нагрузка трещинообразования плиты перекрытия, которая составила q"'c=20.05 кПа. Величина напряжения обжатия . бетона при расчете самонапрякеной плиты учитывалась как дополнительная прочность бетона на-растяжение, т.е. F^ = (R^t

Прогиб в центре плиты, возникший в момент кратковременного

загрузи кия, составил Г = 0.82 мм (1/4049 1о). При кратковременном действии нагрузки до уровня q = 16.00 кПа прогиб в центре плиты нарастает пропорционально приложенной нагрузке, что свидетельствует о достаточной жесткости опорного контура.

Практически до уровня нагрузки q = 0.704^°°р= 13.77 кПа приращение деформаций как выше нейтральной оси сечения, так и ниже ее имеют линейный характер. Эггоры деформаций в сжатой и растянутой зоне бетонного сечения тлеют четко выраженный треугольный вид. Перемещение нейтральной оси в сторону краевого сжатого волокна нэ наблюдается. Высота сжатой зоны бетона по диагоналям плиты до уровня нагрузки q = 16.00 кПа практически остается постоянной и равной примерно половине толщины плиты.

При нагрузке q = 14.87 кПа наблюдается увеличение приращений относительных деформаций бетона и прогибов плиты, что свидетельствует о проявлении пластических деформаций растянутой зоны бетона. Максимальные деформации бетона в растянутой зоне плиты при кратковременном действии нагрузки не превышали еь1 = 10 г Ю"3 е.о.д, а в сжатой зоне - в. = 11.6 х Ю"3е.о.д.

Ь

"Фрагмент здания был загружен постоянной во времени длительной нагрузкой через 282 дня после бетонирования плиты перекрытия:

С= о-ео-О.

Величина длительней нагрузки составляла 16.00 кПп (без учета собственного веса плиты перекрытия). Фрагмент выдерживался под длительной нагрузкой в течение 646 дней (рис.2).

Длительная нагрузка привела к значительному росту прогибов, возникших при кратковременном загружении. С наибольшей интенсивностью деформации прогибов нарастают в первые три - четыре месяца действия длительной нагрузки. Затем прирост деформаций постепенно затухает. При испытании фрагмента длительной нагрузкой прогиб в центре плиты к концу экспериментов увеличился в 3.83 раза и составил Г=3.14 мм (^/Шб 1о). Увеличение прогибов продолжалось в течение 465 суток, после чего наступила стабилизация деформаций прогибов.

. При длительном загружении фибровые деформации в сжатой зоне

Рис.1. Экспериментальный фрагмент

0 = 3956 ГцД± Эб

опоя 26

й = 0.5.18»

. 7сгс гч

ГПОР

а аадов

Гсгс го

ллг»

ГЛ-йРМШЕИИЕ. —О——О •

—" I

смсу^^г^.нум сгтьн

%

=17.5«

Рис.2.'Изменение прогиба в центре плиты при статичесюм нагружении и схема излома плиты при разрушении

плиты перекрытия увеличивались в 5.4 ... 6.2 раза, а в растянутой зоне в центре низа штаты в 2,0 - 3.2 раза. Характер графиков ползучести указывает на их затухание. Интенсивное развитие деформаций происходило в первые пять - шесть месяцев. Затем прирост деформаций постепенно затухает, а на 465 сутки наступает стабилизация.

Через 70 суток после разгрузки обратимые прогибы плиты уменьшились на 23.1 ... 47.1*. Так прогиб в центре плиты уменьшился на 47.1* составил Г=1.66 мм (*/2108 1о).Уменьшение прогибов продолжалось в течение 25...30 суток» после чего наступила стабилизация. Анологичный характер наблюдался при разгрузке для фибровых деформаций в пролете и на опоре плиты. Так по диагонали плиты деформации в сжатой зоне уменьшились на 20.5 ...25.4 %, а в центре плиты на 23.5 ... 31.9 %. Деформации в растянутой зоне на нижней поверхности штаты уменьшились на 24.1 ... 28.5 X.

Перед началом догружения плиты проводился визуальный осмотр фрагмента, снимались "нулевые" отсчеты с измерительной аппаратуры и механических приборов.

На рис.2 показан график нарастания прогиба в центре плиты при кратковременном и длительном нагружении, разгрузке и догруже-кекии фрагмента.

На II этапе догружения, при нагрузке q=I7.96 кПа произошло образование трещин на нижней поверхности в середине плиты. Образование трещин произошло в виде прямоугольника со стороной равной 55-60 см (рис.2).

При увеличении нагрузки ширина раскрытия этих трещин увеличивалась. На 16 этапе, при . нагрузке ц=25.28 кПа произошло образование трещин строго по диагоналям плиты. До 20 этапа догруже-жения 4=33.59 кПа закон изменения деформаций прогиба плиты от внешней нагрузки практически изменялся не' существенно. Это можно объяснить жесткостью и несмещаемостью опорного контура.

При увеличении нагрузки до q=25.28 кПа произошло образование трещин по контуру плита в опорной зоне. Трещины образовались по периметру плиты на расстоянии 24-27 см от внутренней грани стены (в местах сопряжения вута о плитой). При нагрузке q = 36.92 кПа

произошло образование горизонтальных трещин по наружным граням всех четырех стен в уровне контакта монолитных стен и плиты перекрытия. За разрушающую нагрузку была принята нагрузка q=39.58 кПа. Попытка превысить етот уровень приводила к увеличению прогиба плиты без увеличения нагрузки. Прогиб в центре плиты при разрушающей нагрузке составил 1=10.46 мм. Разрушающая нагрузка q = 39.58 кПа в 1.97 раза превысила теоретическую нагрузку трещинообразо-зования ате<;>р = 20.05 кПа.

г с

Проведенные впервые натурные испытания фрагмента с самонапряженным перекрытием при длительном действии нагрузки показали возможность практической експлуатации нового конструктивного решения многовтажных монолитных зданий.

2 четвертой главе приведена методика расчета плит перекрытий численным методом с использованием исходных и трансформированных диаграмм деформирования; даны алгоритмы и результаты расчета на ПЭВМ по разработанным программам ЗЬАВ-Б1АВ_Т1ИЕ.

Совершенствование методов расчета железобетонных конструкций связяно с прямым учетом диаграмм деформирования бетона и арматуры.

Предложены различные аналитические зависимости по их описанию как для бетона так и для арматуры. Обзор етих зависимостей с анализом их достоинств и недостатков приведены в работах Н.И.Карпенко, Т.А.Мухамедиева, А.Н.Петрова, Л.М.Зака и Ю.П.Гущи, и др.

Известно, что исходная диаграмма может подменять действительную для сравнительно узкого круга задач. Для того, чтобы приближать исходную диаграмму к действительной, первую трансформируют на ряд потребных факторов. Одним из факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на диаграмму, является скорость роста деформации. С увеличением времени наблюдается увеличение деформаций ползучести, которое необходимо учитывать в расчете.

В етом направлении большую работу проделали Н.И.Карпенко и Т.А.Мухамедиев.

Связь между напряжением в материале (бетоне или арматуре) и деформацией осуществляется посредством следующей формулы:

О = Е -У-Б = Е''Е (I)

Здесь

Ш

о - напряжение в материале; Ет- начальный модуль упругости; Е^- секущий модуль деформаций;

е - деформация, отвечающая о :

м т

Ут - коэффициент упругости материала; ь, если рассматривается бетон на сжатие, ь*, если рассматривается бетон на растяжение.

з, если рассматривается арматура. По предложению М.И.Додонова коэффициент упругости бетона вычисляется по формуле:

„ь . 0п(8/8) ^

п = 1п(Н /Е /е); (2)

п тп

. Параметры диаграммы деформирования бетона приняты равными: ■

^ь=уЕп/1еь1; 1^1^0.002; (3)

Аналитические зависимости по описанию диаграмм деформирования арматуры приняты по формулам, приведенным в работах Н.И.Карпенко, Т.Л.Мухамедоева и Л.Н.Петрова.

Формула (I) для трансформированных во времени диаграмм деформирования бетона представляется в виде:

аь(г, х)= \W-vJt. т) и)

или •

если свойства бетона штариантны по отношению к возрасту бетона (зрелый бетон) и. можно условно принять 1=0, тогда t - время загру-жения.

Важной характеристикой трансформированной диаграммы' деформи-

рования являются координаты ее вершины Ob(t)/Rb(t), ^(t). В целой зависи мость призменной прочности от времени загружения может быть аппроксимируется функцией вида

Rb(t)=tk+(I-k)(p(t))-Rb, (6)

где к - коэффициент, отражающий экспериментально установленные пределы снижения прочности бетона при длительном загружении и из-менящийся от 0.9 до 0.75, для практических расчетов принимается к = 0.85; <p(t) - эмпирическая функция, учитывающая влияния времени загружения на призменную прочность бетона; - стандартная приз-менная прочность, отвечающая кратковременному загружению (при t=60 мин.).

Функция (p(t) представляется простой зависимостью

<p(t)= 1.46 - 0.112'Zn t (7)

где t - время загружения, мин.

В работе В.О.Алмазова длительная прочность бетона при растяжении определяется также по (6) с заменой R^t) на R^ft).

Считается, что полные деформации бетона еь, отвечающие вершине трансформированной во времени диаграммы, складываются из двух составляющих: мгновенно-упругой и неупругой. За счет ползучести бетона с увеличением времени загружения неупругая составляющая возрастает, а упругая-снижается в соответствии со снижением R^t). Приращение неупругих деформаций превосходит соответствующее снижение упругой составляющей во всех практически важных случаях. Такой характер деформирования в работах Н.И.Карпенко и Т.А.Мухамедиева описывает рост E^t) зависимостью:

V*(t> (б) ;

А

где Е^ - абсциссу вершины диаграммы при стандартном кратко-

временном загружении (при t =60 мин);

f(t) - эмпирическая функция;

f(t) = 0.76 + 0.059'lnt (9)

Следует отметить, что при t= 60 мин и t = 0 зависимость (4)

описывает исходную диаграмму деформирования бетона.

, На основании опытов А.В.Яшина предельные деформации сжатия при длительном нагружении аппроксимируются в виде выражения:

еииШ=(з.2+о.з51п1;]10 (ю)

Учет предельной растяжимости для бетонов согласно предложения В.О Алмазова осуществляется в виде:

-о. овз<т»ю>

Чит(1;)=кз1КсФ3 + виоЛьо.огв-в-е ), (Н)

где В-класс бетона по прочности на сжатие; для рассматриваемого случая имеем К54=1.5 (изгиб); Ке= I(крупность заполнителя до 40 мм). Коэффициент упругости при длительном нагружении г»ь1оп равен

6 .

\ton- е : е • (12)

ЗЬ ег

где 5в1- упругая деформация,

е5Ь - кратковременная полная деформация

£ ,+ е , ' (13)

ЗЬ «I р1

бр1~ пластическая деформация при кратковременном нагружении; £„- деформация' ползучести, которая выражается через меру ползучести С(: есг= Сг Е^.

На основании предложения В.0.Алмазова в работе коэффициент упругости при длительном нагружении вводится в расчет в виде:

V.. --*--(14)

+С-Е

Зл I Ь

В численных методах расчета с использованием полных диаграмм деформирования бетона и арматуры проводится дискретизация поля напряжений (деформаций) над областью сечения. Для решения системы нелинейных уравнений, используют итерационные метода, чаще метод секущих, проводя линеаризацию указанной системы замораживанием

достигнутых секущих модулей упругости на текущей итерации. При етом считается, что прочность оечения обеспечена, если имеет место сходящийся процесс и наоборот.

Среди различных методов расчета изгибаемых железобетонных плит перекрытий, наибольшей универсальностью и полнотой обладает метод конечных элементов (МКЭ).

В данной работе использована одна из разновидностей МКЭ - метод сосредоченных деформаций (МСД), предложенный А.Р.Ржаницыным. Основные положения МСД применительно к железобетонным конструкциям разработаны М.И.Додоновым.

Трещиностойкость бетона растянутой зоны проверяется выполнением условия: ^

' ^ Ч»., : <15>

где деформация бетона проверяемой зоны;

ebt - предельная растяжимость бетона для соответст-ствуицего класса. -

Методика раочета самонапряженной плиты перекрытия о учетом влияния ползучести и усадки > основываются на феноменологических зависимостях иэжду напряжениями и деформациями.

Полную деформацию e(t, t0) принимаем равной сумме деформаций", проявляющихся от начала загружения tQ к рассматриваемому моменту времени Í, состоящую из: - мгновенной деформации ео и деформации ползучести ес(t, íc), которые считаются взаимонезависимыми.

e(t, t0) = е0 + ee(t, t0) (16)

Упругую деформацию ео, принимаем равной упругой деформации, возникающей к концу кратковременного нагружения. Зависимость между напряжениями и деформациями принимается линейной.

Меру ползучести бетона к моменту времени t при нагружении его в возрасте t0 принимают в виде

c(t,t°)= vb " КЮ*ск 28),fi(to),f(t- V <17>

где С (со, S8) -предельное значение меры ползучести керамзитобетона;

0(to) ~ функция, описывающая влияние старения керамзи-тобетона на меру ползучести; i(t> tQ)- функция, описывающая нарастание во времени меры ползучести.

Для функций fl(t0) и f(t, t0) приняты следующие выражения:

(19)

(18)

Характеристика ползучести бетона <p(i-t0)

cp(t-t0)= ^-0(00,28) = <p-fl(t0)

(20)

где Е^С(со,28)

Программа "SLAB" (алгоритмический язык Фортран для ПЭВМ типа IBM PC/AT) предназначена для расчета плит перекрытий, создана на основе программы "DIRAR", разработанной в МИСИ им. В.В. Куйбышева Программа позволяет определить по МСД несущую способность, перемещения и трещиностойкость плит перекрытий, опертых по контуру, учитывая особенности их работы в стесненных условиях деформирования при различных граничных условиях на опорном контуре.

Особенность программа "SLAB" заключается в том, что, наряду с упругопластическими свойствами бетона и арматуры, позволяет учесть влияние на работу плит перекрытий нормальных усилий (т.о. еффект 'распора) по высоте сечения.

Врем счета 10 этапов кратковременного загружешш (IBM PC/AT 388) составляет 2-3 мин.

Программа "SLABJTIME" (алгоритмический язык Фортран для ПЭВМ типа IBM PC/AT) предназначена для расчета плит перекрытий с учетом длительности действия нагрузки.

Особенность программы "SLAB_tlrae" заключается в учете, наряду с упругопластическими свойствами, ползучести бетона.

Время счета на ГОШ IBM РС/АТ-386 от t=0 до t=780 суток (40

шагов временного процесса) составляет 10-12 мин. ;

Численные эксперименты по определению напряженно-деформиро- • ванного состояния самонапряженных изгибаемых шшт основаны на МСД ' и велись в 2 этапа: на первом этапе рассматривалась работа плиты перекрытия только при кратковременном действии нагрузки, где| определены основные параметры математической модели: количество и шаг разбиения плиты на элементы МСД; выбор схемы действия распора по высоте сечения плиты; учет самонапряжения т.е. ^ = (1^+0^); на втором этапе учитывалась длительность действия нагрузки.

В результате численных расчетов при кратковременном и длительном действии нагрузки удалось выявить следущее:

1. Более обоснованно определиться с расчетной схемой самонапряжен-,ной плиты перекрытия (граничными условиями на опорном контуре,

эксцентриситетом приложения распора, влиянием самонапряжения и усадки напрягающего бетона на сложное, напряженно-деформированное состояние плиты на всех стадиях работы фрагмента ...);

2. Учет сил распора вводится в расчет до наступления предельного усилия в сечениях плиты, что теоретически более обосновывает опытную несущую способность плит (при этом следует корректно следить за положением физической оси в нормальном сечении);

3. Оценить характер изменения деформаций и напряжений в разных сечениях и в наиболее напряженных участках плиты;

Определить особенности изменения эпюр о, Г, М, N. и с (рассматривается упруго-пластическая стадия работы бетона без трещин). В ПЯТОЙ главе приводится сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. .

Поскольку, бугоально повторить длительный эксперимент невозможно, оценку достоверности результатов производим по признаку принадлежности экспериментальных и расчетных графиков (прогибов и деформаций) плиты к одному и тому же семейству с заданным'уровнем обеспеченности 0.95. С помощью пакета прикладных программ БТАТСЙА-Р1СБ вычислялись значения статистик, доверительные интервалы ...

Проведены дисперсный и регрессионный анализ средних значений. Подобраны модели: линейная (кратковременное нагружение); степенная

£. мм

Рис.3. График нелинейной регрессии прогибов плиты (при длитель- ■ действии нагрузки) с обеспеченностью 0.95

1 - 95$ доверительный интервал для оценки точности и надежности

среднеожидаемых значений;

2 - 955? доверительный интервал для возможных значений длительных

прогибов плиты.

ч.со

^..югсут-

±

<р

А

ЬЛ сгт.

Рис.4. Изменение Прогиба плиты при длительном действии нагрузки

1-эксперимент; 2,3,4-расчет по программе"31АВ-'ПМЕ

2-без учета самонапряжения; 3- о учетом самонапряжения и усадки; 4-с учетом полной реализации самонапряжения. •

1

о

- при длительном загрукении. На рис.3 показан график нелинейной регрессии прогибов плиты (при длительном нагружении) с обеспеченностью 0.95.

Результаты статистической обработки данных расчета и експе-римента показывают, что наиболее достоверные результаты получаются при учете.самопапрякбния бетона и вксцептриситете приложения распора e=-I/4h. Экспериментальная кривая длительных прогибов находится в интервале семейства расчетных кривых, полученных при учете самонапряжения бетона: =1.625 МПа - полная реализация самонап-рякения ; 1^=1.41 МПа - учет самонапряжения и усадки бетона (см. рис.4); (1^= 1.27 МПа - не учет самонапряжения).

Полученные результаты расчета по МСД сравнивались с данными вксперимента. Необходимо отметить хорошее совпадение полученных результатов: на разных ступенях кратковременного нвгружешя расхождение по прогибам составляет: 8.Q - 22.8Ж.

На разных этапах длительного нагружения (t = 0 ... 660 сут) расховдеше опытных и расчетных результатов составляет при:

- полной реализации самонапряжения - 3...17%;

- учете самонапряжения с потерями от усадки бетона - 4...22%.

Не учет процессов усадки и самснапряжения, как дополнительной

прочности бетона на растяжение, приводит к погрешности в оценкё действительного нацрякешю-деформированного состояния плиты перекрытия.

На основании проведенных исследований разработаны практические рекомендации по конструированию влементов монолитных мпоговтажпых зданий новой конструктивной системы для обычпых условий строительства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Анализ вкспериментально-теоретических исследований самонапряженных бетонных плит перекрытий в составе фрагментов зданий показывает, что втп конструкции обладают значительными резервами несущей способности, жесткости и трещиностойкости а подтверждают

возможность применения и эффективность предложенного нового конструктивного решения монолитных многоэтажных зданий. Реализация этих резервов возможна на основе уточнения расчетных схем и методов с учетом особенностей работы конструкций в системе здания при длительном действии нагрузки.

3. Проведённые впервые натурные испытания фрагмента с само-напрякенным перекрытием При длительном действии нагрузки показали возможность практической эксплуатации нового конструктивного решения многоэтажных монолитных жилых зданий. Прогиб плиты на ступени нагружения,прейшествовувдей трэщинообразованшэ (о учетом длительности действия нагрузки), был меньше предельного в 4.35 раза. Нагрузка трещинообразования платы в 3 раза превышает расчетт» значения на перекрытия шлых и административно-общественных зданий. Достоверность результатов эксперимента обоснована статистическими методами анализа (о помощью программы STATGRAPICS) п имеет обеспеченность не низе 0.95.

3. Длительное действие нагрузки в течении 616 суток привело-к значительным деформациям ползучести. Прогиб плиты к концу' длительных испытаний увёличился в 3.83 раза, деформации сжатой зоны увеличились в 5.4 - 6.2 раза, а в растянутой зонэ в Центре низа плиты в 2.0 - 3.2 роза. Характер графиков ползучести указывает

па их затухание.

4. Численный метод расчета железобетонных плоски систем, на основе метода сосредоточенных деформаций, позволяет в условиях физической и геометрической нелинейности проследить' напрякенпо-деформирояанпое состояние системы при кратковременном и длительном действии нагрузки (о различными граничными условиями на опорном контуре). Метод сосредоточенных деформаций (МСД) дополнен возможностью анализа длительного деформирования с использованием диаграммного метода. ...

5. Программный комплекс SLAB - SLABJTIME позволяет изменять конструктивные параметры перекрытия. Для достижения практической точности расчета рекомендуется задавать точность сюдимости итерационного процесса р=0.01 и количество итераций не более 1=50, при

етои достаточно разбивать конструкцию на (7x7x14) элементов по длине, ширине и высоте сечения. Согласно принятой дискретитизации для каждого елементарного участка определяются перемещения, деформации и внутренние усилия для любого уровня загружения кратковременной к длительной нагрузкой.

6. На основании проведенных експериментов и раочетов по ЫСД (при кратковременном и длительной действиях нвгрузки) разработаны практические рекомендации по расчету и конструированию елементов монолитных многоэтажных зданий новой конструктивной системы.

7. Натурные испытания самонапряженного перекрытия в системе здания и расчеты по программам БИВ-БиВ. Т1МЕ на кратковременную и длительную нагрузки показали, что при обоспечении реальных условий опирания плит в монолитных зданиях, учет распора и напряжения обжатия бетона ведет к уменьшению расхода стали по новому варианту конструктивного решения до 6 кг на I м* общей площади здания.

Основные положения диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Дроздов П.Ф., Сенин Н.И., Кияшко В.Ю., Салпагаров Д.М. О несущей способности и"деформативности бетонных плит, опертых по контуру.- В сб. Экономичное армирование железобетонных конструкций. - Всесоюзное координационное совещание. Тезисы докладов, том2. С.68-Б9. - Фрунзе 1990.

2. Сенин Н.И:, Салпагаров Д.М. Работа фрагмента многоэтажного монолитного здания при длительном действии нагрузки /Моск. гос. стр. унив. - М.8-1994.,вып.1- Деп. в ВНИИИТПИ. - И П500.- 62 с.

3. Сенин Н.И., Салпагаров Д.М. Испытание фрагмента многоэтажного монолитного здания длительной нагрузкой.-. /Жилищное строительство, 1995, # 1(в печати).

Подписано в печать 5,12.94 Формат 60х841/16 Печать офс.

И-219 Объем I уч.-изд.л. Т.100 Заказ 52/

Московский государственный - строительный университет Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш.,26