автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Несущая способность и деформативность монолитных плит перекрытий с учетом образования технологических трещин

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Классификация монолитных железобетонных перекрытий, особенности их расчета.

1.2. Классификация дефектов и повреждений.

1.3. Анализ причин появления трещин.

1.3.1. Влияние технологических параметров на появление трещин.

1.3.2. Влияние конструктивных параметров на появление трещин.

1.4. Анализ ранее приведенных исследований по учету влияния трещин при проектировании.

1.5. Выводы по главе и задачи исследования.

2. Методика проведения исследований^. —.

2.1 .Теоретические основы исследований.

2.2. Основные принципы построения расчетных моделей.

2.3. Методика моделирования дефектов в расчетных моделях.

2.4. Методика совместного использования МКЭ и деформационной модели.

2.5. Выводы по главе.

3. Данные обследований существующих зданий.

3.1. Методика проведения обследования.

3.2. Конструктивные особенности обследуемых зданий.

3.3. Особенности возведения обследуемых зданий.

3.4. Результаты обследования.

3.5. Выводы по главе.

4. Исследование влияния ширины раскрытия сквозной трещины на несущую способность нормального сечения изгибаемого железобетонного элемента.

4.1. Методика определения критической ширины раскрытия нормальных сквозных трещин и учета их влияния на несущую способность изгибаемых железобетонных элементов.

4.2. Результаты численного эксперимента.

4.3. Выводы по главе.

5. Исследование влияния некоторых видов технологических трещин и некачественных швов бетонирования на жесткость.

5.1. Учет дефектов в расчетных моделях.

5.2. Результаты численного эксперимента.

5.3. Натурные испытания перекрытия.

5.3.1. Сведения о конструкциях и возведении здания.

5.3.2. Методика проведения испытания.

5.3.3. Результаты испытания.

5.4. Сопоставление результатов численного эксперимента с опытными данными.

5.5. Выводы по главе.

6. Влияние некоторых конструктивных факторов на появление трещин.

6.1. Анализ причин появления трещин.

6.2. Методика численного эксперимента.

6.3. Результаты численного эксперимента.

6.4. Способы предотвращения появления трещин.

6.5. Выводы по главе.

В 30-е годы прошлого века железобетон преимущественно применялся в промышленном и гидротехническом строительстве. Веским аргументом в пользу железобетона явилась большая огнестойкость конструкций, выполненных в железобетоне по сравнению с конструкциями из других материалов, а также коррозийная стойкость. Для тех лет было характерно использование монолитного железобетона В последующие годы область применения железобетона расширилась. 50-е годы в нашей стране началось широкое применение сборного железобетона и внедрение его в самые различные отрасли строительства. Дальнейшее развитие строительной индустрии в нашей стране пошло именно в направлении сборных железобетонных конструкций, и монолитное строительство отошло на задний план.

Спустя три десятилетия незаслуженно забытый монолитный железобетон начал возвращаться в строительство, причем такие его преимущества как возможность свободной планировки и большая архитектурная выразительность зданий в монолитном исполнении определили область его применения в гражданском строительстве. В 1987г ЦНИИПжилища была разработана научно-техническая программа 0.55.04 по дальнейшему совершенствованию монолитного домостроения. Затем она переросла в комплексную программу «Монолит-90». В настоящее время широко распространена практика возведения зданий из монолитного железобетона и объемы монолитного домостроения неуклонно растут. Так в 1999 г. в Москве доля монолитного домостроения составила 25 % от общего объема строительства жилых и общественных зданий, а в 2000 г. уже 50 % [80].

По результатам проведенных работ появился ряд рекомендательных документов [66, 72 и др.]. В этих документах наряду с другими вопросами рассматриваются способы обеспечения трещиностойкости монолитных зданий при их возведении, даны рекомендации по способам, ограничивающим появление

ХНОЧ^ГИЧ^КИУ TTV»ttttjh Гпгяатл Д ЭННЫМ р5К0МСйДЭ1?1ЯМ При СОблЮДСПИИ ряд« требований, можно возводить конструкции из монолитного бетона без дефектов и повреждений. В этом случае при эксплуатации зданий трещины могут возникать только в растянутой зоне изгибаемых элементов. Однако, опыт последних лет строительства и эксплуатации зданий из монолитного железобетона показывает, что в силу различных причин (ограниченные сроки строительства, несоблюдение технологических требований и т.п.) в конструкциях монолитных зданий возникают дефекты и повреждения, которые не должны возникать при общепринятых подходах к проектированию и влияние которых оценить расчетом не всегда возможно. Кроме того, встречаются случаи появления трещин в конструкциях монолитных зданий (в том числе в перекрытиях) из-за недостаточного учета при проектировании взаимодействия конструктивных элементов здания при эксплуатационных и неэксплуатационных воздействиях.

В связи с чем, встает вопрос об учете влияния этих дефектов и повреждений на работу конструкций из монолитного железобетона

В монолитном домостроении в основном применяются плоские, ребристые и безбалочные перекрытия. В данной работе будет рассмотрено влияние некоторых дефектов на работу перекрытий с наиболее часто применяемыми конструктивными схемами, а именно - плоские, ребристые, безбалочные перекрытия, а также перекрытия со смешанными конструктивными схемами.

Действующие нормы не предусматривают учета дефектов и повреждений, возникших в процессе изготовления или возведения. В литературе по данной проблеме имеются некоторые данные. Например в [64, 65] дана классификация доэксплуатационных трещин и рекомендации по оценке их влияния на работу сжатых железобетонных конструкций. В [67] приведена классификация дефектов и повреждений, составленная на основе обследований конструкций промышленных зданий, изготовленных из сборного железобетона, и даны рекомендации по учету некоторых из них. Вопрос о влиянии дефектов и повреждений на работу плоских плит перекрытий ранее не рассматривается.

Отсутствие документов, регла^енткрутощих степень опасности дефектов и повреждений, возникших в доэкслуатационной стадии в монолитных конструкциях, часто не позволяет определить, насколько опасен тот либо иной дефект, и принять верные меры по ограничению или предотвращению этого влияния.

В [2] отмечается, что причинами возникновения дефектов в монолитных железобетонных конструкциях в период строительства могут быть несоблюдение проекта, неправильная технология выполнения строительных работ. Встречаются случаи раннего разопалубливания конструкций и загружения их нагрузками, не предусмотренными проектом. Производители работ нередко обходят вниманием особенности поведения молодого бетона в доэксплуатационный период. Низкая культура производства также неизбежно приводит к появлению таких дефектов как низкое качество рабочих швов бетонирования, раковины и зависания бетона на арматуре (при некачественной укладке бетонной смеси и плохом вибрировании), отклонение положения арматуры от проектного. По ряду различных причин (некачественные материалы, несоблюдение требований по уходу за бетоном) нередко встречаются конструкции с участками, имеющими пониженную прочность бетона.

В одной работе невозможно рассмотреть все перечисленные выше дефекты. Настоящая работа посвящается методам учета технологических трещин и некачественных швов бетонирования при проведении поверочных расчетов, а также учету возможности появления доэксплуатационных трещин при проектировании.

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

Целью диссертационной работы является определение допустимых, с точки зрения несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации монолитных зданий, параметров технологических трещин и пяЯгату тттигнэ Яртпинппвяпио

Автор защищает:

- методику моделирования трещин в расчетных моделях монолитных зданий на основе МКЭ;

- результаты численного эксперимента по оценке влияния количества и расположения трещин в перекрытиях из монолитного железобетона на их работу;

- результаты численного эксперимента по определению прочности нормальных сечении со сквозной трещиной;

- результаты анализа причин образования технологических трещин в монолитных перекрытиях, жестко связанных со стенами.

Научная новизна:

- предложена методика расчета нормального сечения железобетонных изгибаемых элементов путем совместного использования МКЭ и деформационной модели;

- установлены условия (шаг, количество, ширина раскрытия и расположение трещин) при которых трещины (рабочие швы бетонирования) не влияют на работу перекрытий;

- установлено, что температурно-усадочные напряжения могут привести к появлению доэксплуатационных трещин в монолитных перекрытиях, жестко связанных со стенами.

Практическое значение работы заключается в том, что на основании результатов исследования впервые даны ограничения по параметрам технологических трещин и рабочих швов бетонирования в монолитных перекрытиях, при которых трещины (швы) не влияют на работу перекрытий. Результаты работы позволяют оценивать качество изготовления и пригодность к нормальной эксплуатации перекрытий, имеющих доэксплуатационные трещины и некачественные швы бетонирования, и, игуппя ич чтлгл иязняиат!. алрплппиотио тт0 "SMOHT'' Дб^ЙКТСВ ЙЗГСТСВЛЙИИ". 9

Апробация работы: Результаты исследований были опубликованы в четырех печатных статьях, использовались при принятии решений по ряду объектов, возводимых в г. Москве в 1999-2002 гг.

Диссертация состоит из шести глав, основных выводов, рекомендаций по учету трещин и рабочих швов бетонирования в монолитных перекрытиях, списка литературы, включающего 90 источников. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 71 рисунок, 31 таблицу, 2 приложения.

Работа выполнена в лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества ГУЛ НИИЖБ под научным руководством заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора В.А. Клевцова.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества за помощь в проведении исследований.

Общие выводы

1. Проведенные исследования позволили разработать методику моделирования доэксплуатационных сквозных, смыкающихся в процессе нагружения, трещин и некачественных швов бетонирования в расчетных моделях плоских железобетонных элементах (плитах перекрытий) при расчете методом конечных элементов (МКЭ).

2. Обобщены данные натурных обследований монолитных зданий, на основе которых выделены основные параметры рабочих швов бетонирования и трещин, возникающих в процессе возведения.

3. Работа арматуры в трещине и окружающего ее бетона моделировалась путем задания жесткостей КЭ №55 (упругая связь). При этом учитывалось влияние прочности бетона, ширины раскрытия трещин, степени их закрытия, диаметра арматуры и напряжений в арматуре.

4. В диссертации разработана методика определения критической ширины раскрытия нормальной сквозной трещины в изгибаемых железобетонных элементах, при которой эта трещина не влияет на прочность элемента. Методика основана на использовании МКЭ совместно с деформационной моделью.

5. Определены значения критической ширины раскрытия трещин в зависимости от прочности бетона, армирования и размеров сечения;

6. Разработана методика расчетной оценки влияния доэксплуатационных трещин и некачественных швов бетонирования на жесткость перекрытий в зависимости от количества, характера расположения, ширины раскрытия, длины и степени закрытия трещин (швов).

7. Определены параметры доэксплуатационных трещин и рабочих швов бетонирования, при которых они не влияют на работу перекрытий.

173

8. Проведенные натурные испытания участка монолитного перекрытия подтвердили правильность предложенной методики расчета жесткости перекрытий со сквозными доэксплуатационными трещинами (швами).

9. Проведенные исследования показали, что в перекрытиях монолитных зданий, жестко связанных со стенами, а также в монолитных ребристых перекрытиях возможно образование трещин вследствие неучтенных при проектировании температурно-усадочных воздействий.

1. Александровский С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменение температуры и влажности с учетом ползучести. М.: Стройиздат. 1973. - 432 с.

2. Анализ причинноследственных связей между дефектами в конструкциях и причинами их появления. Отчетный доклад // Совершенствование методов реконструкции промышленных предприятий и зданий. София, 1984

3. Бондаренко В.М. Некоторые вопросы нелинейной теории железобетона. -Харьков. 1968. - 324 с.

4. Гвоздев А.А. Обоснование §33 норм проектирования железобетонных конструкций // Строительная промышленность. №3, 1939

5. Гвоздев А.А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. Сущность метода и его обоснование. М.: Стройиздат, 1948

6. Гибшман Е.Е., Гибшман М.Е. Теория и расчет предварительно напряженных железобетонных мостов. М.: - 1963

7. Глушаков А.Я., Гуревич Я.И., Клевцов В.А., Коревицкая М.Г. и др. Исследование совместной работы плит покрытия и стропильных балок // Бетон и железобетон. №2. - 1972. -С. 26-28.

8. Гуревич A.JL, Карпенко Н.И., Ярин Л.И. О способах расчета железобетонных плит на ЭВМ с учетом процесса трещинообразования // Строительная механика и расчет сооружений. №1- 1972.- С. 24-29.

9. Ю.Гуща Ю.П. Статическая прочность железобетонных конструкций и их деформации в стадии, близкой к разрушению. Дис. . докт. техн. наук. -М., 1980.

10. Гуща Ю.П., Лемыш JI.JI. Расчет деформаций конструкций на всех стадиях при кратковременном и длительном загружении // Бетон и железобетон. -№11.- 1985.-С. 13-16

11. Дроздов П.Ф. Проектирование и расчет многоэтажных гражданских зданий и их элементов: Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1986. -351 с.

12. Дубинский A.M. Расчет несущей способности плит и оболочек. Киев, Бугдаельник, 1976

13. Дыховичный А. А. Статически неопределимые железобетонные конструкции. Киев, Бущвельник, 1978. — 108 с.

14. Ерышев В.А. Метод расчета деформаций железобетонных плитных конструкций с трещинами на ветвях разгрузки и повторном нагружении // Дис. . канд. техн. наук. Куйбышев, 1981- 146с.

15. Загорский Д.И. Жесткость железобетонных плит, защемленных в упругом контуре // Строительство и архитектура. Киев, №6. — 196117.3айцев JI.H. Исследование работы неразрезных железобетонных плит после появления трещин. Дис. . канд. техн. наук. М., 1965

16. Заключение НИИ бетона и железобетона «Обследование цокольных этажей здания по адресу ул. Гришина, д. 23, корп. 7 и выдачазаключения с рекомендациями по ремонту трещин или усилению» М., 2002.

17. Заключение НИИ бетона и железобетона «Проведение обследования плиты перекрытия подвального этажа административного здания по Б. Гнездниковскому пер. д.1 стр. 2 и выдача рекомендаций по его эксплуатации». -М., 1998.

18. Заключение по хоздоговору: «Дефектоскопия перекрытий 2-й и 3-й секции строящегося жилого здания по адресу: ул. Ельнинская, д. 15». -М., 2001.

19. Иванов С.И.Несущая способность и деформативность монолитных зданий с учетом образования трещин в диафрагмах жесткости. Дис. . канд. техн. наук. М., - 2001. - С. 74-98

20. Исайкин А.Я., Маринин В.М. Наиболее вероятная схема разрушения плит // Бетон и железобетон. № 3 - 2000

21. Кальницкий А.А. Расчет статически неопределимых железобетонных конструкций с учетом перераспределения усилий. -М.: Стройиздат, 1970

22. Карпенко Н.И. К расчету железобетонных пластин и оболочек с учетом трещин // Строительная механика и расчет сооружений. — №1.- 1971. С. 7-12.

23. Карпенко Н.И. О двух общих условиях прочности для железобетонных элементов с трещинами // Расчет и конструирование железобетонных конструкций. -М.: 1972. С. 146 -159.

24. Карпенко Н.И. Общие модели механики разрушения железобетона. М.: Стройиздат, 1996

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

26. Карпенко Н.И., Мухамидиев Т.А., Петров А.Н. Исходные и трансформированные диаграммы деформирования бетона // Сб. научных трудов. М.: НИИЖБ. - 1986. - С. 7-25.

27. Карпенко Н.И., Мухамедиев Т.А. К расчету прочности нормальных сечений изгибаемых элементов // Бетон и железобетон. №4. - 1983. - С. 11-12

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

29. Карякин А.А. Расчет железобетонных балок МКЭ с учетом пластичности бетона, образования трещин, дискретного расположения арматуры и ее сцепления с бетоном. Дис. . канд. техн. наук. Челябинск. - 1979

30. Клевцов В.А. Действительная работа преднапряженных конструкций покрытий производственных зданий // Дис. . док. техн. наук. — М.: 1977. 375с.

31. Кольнер В.М., Тавелев Ю.А. Работа арматурного стержня в бетоне при поперечном нагружении. // сб. НИИЖБ. М.: Стройиздат. - 1967

32. Коревицкая М.Г. Исследование преднапряженных изгибаемых элементов таврового сечения // Дис. . канд. техн. наук. -М.: 1968. 119с.

33. Коревицкая М.Г., Лапенис Т.Ю. Анализ геометрической точности изготовления и установления допустимых отклонений на размеры железобетонных изделий // Сборник научных трудов НИИЖБ. М.: Госстрой СССР, 1986

34. Коревицкая М.Г., Шубик А.В. Статический анализ толщины защитного слоя бетона и методика установления допускаемых отклонений // Сборник научных трудов НИИЖБ. М.: Госстрой СССР, 1986

35. Королев А.Н., Крылов С.М. Способ расчета прогибов плит, опертых по контуру и безбалочных перекрытий при действии кратковременной нагрузки // Труды НИИЖБ, вып. 26, 1962

36. Кремнева Е.Г. Прочность нормальных сечений изгибаемых элементов, усиленных намоноличиванием. Дис. . канд. техн. наук. Новополоцк, 1996.-с. 175

37. Крылов С.М. Перераспределение усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях. М.: Госстройиздат, 1964.

38. Леви М.И. К расчету железобетонных перекрытий и фундаментов МКЭ //

39. Строительная механика и расчет сооружений. 1975. - №5. - С. 62-66

40. Маркаров Н.А. Технологические факторы трещиностойкости предварительно-напряженных железобетонных конструкций. // Дис. . докт. техн. наук. М., 1977. - 465 с.

41. Маркаров Н.А., Лиходиевский А.А. Влияние технологических трещин на прочность центрально-сжатых железобетонных элементов // Общие вопросы строительства: Реферативный сборник / ЦНИИС, вып. 8. М., 1973

42. Мельник В.А. Расчет железобетонных изгибаемых плит с учетом физической нелинейности (вплоть до разрушения) и длительности действия нагрузки // Дис. . канд. техн. наук. М.: 1989.- 205с.

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

44. Мурашев В.И., Сигалов Э.Е., Байков В.Н. Железобетонные конструкции / под. ред. Пастернака П.Л. М. - 1962. - С. 77-80

45. Отчет НИИ бетона и железобетона «О качестве бетонных работ и дефектоскопии конструкций на объекте: второй этап первой очереди строительства подземной части Центрального ядра ММДЦ «Москва-Сити». Этап II». М., 2001.

46. Панынин Л. Л. Диаграмма момент-кривизна при изгибе и внецентренном сжатии // Бетон и железобетон. -№11. — 1985. С. 18-20

47. Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций / Под ред. С. В. Александровского. М.: Стройиздат. - 1976. - 351с.

48. Предварительно-напряженные конструкции зданий и инженерных сооружений / Под. ред. Бердичевского Г.И. М.: Стройиздат. - 1977. -С.38-46.

49. Прокопович А.А. Сопротивление изгибу железобетонных конструкций с различными условиями сцепления продольной арматуры с бетоном. — Самара, 2000. с. 292.

50. Расчет вертикальных упругих диафрагм на горизонтальные нагрузки // Пособие по расчету крупнопанельных зданий, вып. 5. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1982

51. Ратц Э.Г., Холмянский М.М., Кольнер В.М. Передача арматурой предварительных напряжений на бетон // Бетон и железобетон. №1. -1958

52. Рекомендации по оценке несущей способности сжатых элементов с трещиной. М.: НИИЖБ, 1984

53. Рекомендации по оценке несущей способности сжатых железобетонных элементов с доэксплуатационными трещинами. М.: НИИЖБ, 1986

54. Рекомендации по разработке проектов монолитных и сборно-монолитных зданий. М.: ЦНИИЭПж, 1981

55. Рекомендации по учету дефектов железобетонных конструкций при проектировании реконструкции зданий и сооружений и при оценке их состояния. Харьков, 1986

56. Рекомендации по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных сооружений. М.: НИИЖБ, 1988

57. Репекто В. В. Методы оценки состояния эксплуатируемых конструкций одноэтажных производственных зданий. Дис. . канд. техн. наук. М.: 1984

58. Ржаницин А. Р. Составные стержни и пластинки. -М.: Стройиздат, 1986

59. Руководство по проектированию железобетонных конструкций с безбалочными перекрытиями. Стройиздат. -М., 1979.

60. Руководство по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий. М.: Стройиздат, 1982

61. Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1975

62. Руководство пользователя: Программный комплекс «ЛИРА Windows». -Киев, 1996

63. Руфферт Г. Дефекты бетонных конструкций: Пер. с нем. Зеленцова И.Г. / Под. ред. Семенова В.Б. М: Стройиздат, 1987

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

65. СНиП 2.03.84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М: Стройиздат, 1985. - 79 с.

66. Соколов М.Е. и др. Рекомендации по рациональному применению конструкций из монолитного бетона для жилых и общественных зданий. -М.: ЦНИИЭПж, 1983

67. Соколов М.Е. Исследование трещинообразования в монолитных зданиях // Жилищное строительство. 1978. - №8

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

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. Дис. . канд. техн. наук. -М., 1987. 171 с.

71. Цейтлин С.Ю. Железобетонные преднапряженные элементы с поперечными трещинами от обжатия. Исследование и создание методов расчета экономических конструкций. Дис. . докт. техн. наук. М.: 1981

72. Чистяков Е.А., Шубик А.В. Деформации гибких железобетонных колонн при различном опирании // Прочность, жесткость и трещиностойкость железобетонных конструкций. Сб. научных трудов. М.: НИИЖБ. - 1979. -С. 83-93.182

73. Чистяков Е.А. Основы теории, методы расчета и экспериментальные исследования несущей способности сжатых железобетонных элементов при статическом нагружении. Дис. . докт. техн. наук. -М. 1988

74. Штаерман М.Я., Ивянский А. М. Безбалочные перекрытия. М.: Пищепромиздат. 1937. - С. 363

75. AIJ Standard for structural calculation of reinforced concrete structures. -Architectural institute of Japan. 1980. - 48 p.

76. Argyris I.H., Faust G. et al. Recent development in the finite element analysis of prestressed concrete reactor vessels // Nucl. Eng. Des. 1974. - 28. - pp. 4275

77. 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 p.

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. Начальник строительной лаборатории1. Л к.т.н. Борисов Е.П.1. УТВЕРЖДАЮ1. СПРАВКАо внедрении результатов исследований аспиранта ГУП НИИЖБ Госстроя России Поповой М.В.

80. Начальник строительной лабораториик.т.н. Борисов Е.П.