автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Несущая способность железобетонных шатровых перекрытий

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ ТИПОВОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЖИЛИЩА (ЦНИИЭП жилища)

На правах рукописи

АВДЕЙЧИКОВ Генрих Владимирович

УДК 624.074.421:624.046.2

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШАТРОВЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва—1991

' / V ■) г' 4 ^

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона Госстроя СССР (НЖЕБ).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ШУГАЕВ В.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор СУРОВ К.Л.

- кацдвдат технических наук, старший научный сотрудник ЗАЙЦЕВ Л.д.

Ведущ&л организация - Проектный институт й I

Минсевзапстроя СССР, г.Ленинград

Защита состоится "/&?" 1991 г. в час. на

заседании специализированного совета К 033.14.01 в Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте типового и экспериментального проектирования жилища (ЦНШШкилшца).

С диссертацией можно ознакомиться в методфокде ЩИИЭПяилища.

Ваш отзыв в 2-х экземплярах просим направить по адресу: 127434, г.Москва, Дмитровское шоссе, д.9, корпус Б, ЦНШЭП жилища, Ученый совет. 0

Автореферат разослан 1991 г>

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

ст.научный сотрудник Т.К.Данкяина

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение сборных железобетонных пространственных перекрытий с использованием складчатые оболочек шатрового типа является сравнительно новым направлением в строительстве. Оно получило развитие в связи с потребностью ряда отраслей современной промышленности в многоэтажных зданиях с униЗицирот-анной сеткой колонн 12x12 м лри действии на перекрытия ьагрузок 30...50 кН на кв.м. До последнего времени прп тякелых нагрузках в проектной ирактике укрупненная сетка колош!,несмотря на доказанные преимущества, применялась крайне редко. Прп этом перекрытия проектировались в индивидуальных конструкциях по традиционной шштно-балочной схем8, которые при таких пара-.птоа'с оказывались неэкономичными я характеризовачись большой строит ~ль-ной высотой.

В последнее десятилетие проектным институтом I 1.1икстроя СССР (Ш-1) предложен ряд модификаций новых конструкций шатровых перекрытий, которые нашли применение на строительстве крупных объег:тоа г.г.Ленинграда и Омска. Разработка и внедрение их сопровождалась проведением комплексных экспериментально-теоретических исследований, которые бшш направлены на решение практических задач, связанных с оценкой прочности таких конструкций на моделях и натурных фрагментах, разработки и обоснования методики их расчета с учетом конструктивных особенностей.

Основные этапы исследований проводились в соответствии с заданием Целевой комплексной научно-технической программы но строительству на 1981-1985 гг., утЕврзденной Госстроем, ГКиТ и Госпланом СССР, по созданию и применению в строительстве ковш: прогрессивных конструкций шатровых перекрытий.

Целью диссертационной работ;; ляется разработка и экспериментальное обосновало луояпо'зк::;:

методов расчета ла прочность по предельному равновесию новых сборных железобетонных складчатых шатроЕых перекрытий,опирающихся на колонны по углам, при действии на них равномерной и ступенчатой ра-определенной по поверхности горизонтального диска статической нагрузки, с учетом возможного многообразия конструктивных: параметров, схем излома и реальных физико-механических свойств железобетона.

Автор защищает результаты экспериментальных исследований шатровых перекрытия на моделях и натурном фрагменте и выявленные при этом особенности кслряаенно-деформированного состояния и схемы излома;

спосоо учета естественной дискретизации аелезобетона в упруго-пластической стадии деформирования при расчетах шатровых перекрытий на ЭШ с использованием стандартных программ 1.КЭ и Полунине при этом результаты;

кинематические модели многодисковых пластических механизмов шатровых перекрытий и разработанную на их основе методику расчета по несущей способности и на прочность по предельному равновесию;

аналитические условия равнопрочности совместно деформируемых элементов шатровых перекрытий в стадии предельного равновесия и способ их реализации при решении задач прямого проектирования;

результаты испытания натурного фрагмента экспериментального шатрового перекрытия с сеткой колонн 12x1л м под нагрузку 30 кН/м2.

Научную новизну работы составляют экспериментальные данные об особенностях напряаенно-дефор-мированного состояния новых конструкций сборных келезобетонных складчатых шатровых перекрытий на всех стадиях работы под нагрузкой, включая упруго-пластическую, и выявленные при этом основные возможные схемы излома конструкции в целом и отдельных элементов;

рекомендация по Еыбору расчетных схем при расчете железобетонных шатровых перекрытий в упруго-пластической стадии на 3£М для повышения достоверности результатов счета при пользовали стандартными программами, реализующими метод КЭ в упругой постановке;

практическая методика расчета шатровых перекрытий на прочность методом предельного равновесия, учитывающая их конструктивные особенности, свойства железобетона, позволяющая прогнозировать наиболее вероятные схемы излома и соответствующую им нагрузке/ при поверочных расчетах, а такке устанавливать наиболее рациональные ссотношения между предельными момента.™ при прямом проектировании.

Практическое .значение работы состоит в том, что ее результаты дополняют и расширяют сущестнуюиое представление о статической работе под нагрузкой железобетонных шатровых перекрытий, о влиянии конструктивного решения, геометрических параметров и -хесткостных характеристик отдельных эл-ллентс? на напряженно-деформированное состояние в упруго-пласткческс": стадии работы.

Предложенный способ дискретного представления шатрового перекрытия с выделением в отдельные элементы аркатуры поясов и подкрепляющих ребер, позволяет повысить достоверность результатов счета на ЭК при работе конструкции в неупругой стадии без сузествеп-ного услсш^ния расчетной схемы. Аналитический расчет шатровых перекрытий методом предельного равновесия позволяет сравнительно простым инженерным способом получить решение как прямой, так и обратной задач прочностного расчета, что способствует наиболее экономичному распределению материалов в конструкции, обоснованному забору рациональных ее парш..зтроЕ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на аседаняи подсекции И 2 НТС НИИЕЗ (1982— -1935 гг.), на координационных совещаниях по пространственным же-

лез об .лонным конструкциям в Днепропетровске (1982 г.), Красноярске (1983), Тбилиси (1984), а также на семинарах и конференциях в Калуге (1982), Харькове (1984), Белгороде (1986), ВДЦХ СССР (1985) и на научно-технических конференциях СибАДИ, г.Омск. По материалам исследований опубликовано 9 работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глаг и основных выводов. Содержит 130 страниц машинописного текста, 96 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 123 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Диссертация содержит обзор развития, исследований и применения складчатых шатровых перекрытий, а также близких к ним конструкций. В ней дается характеристика известных методов расчета складчатых оболочек, приведено краткое описание конструкций сборных шатровых перекрытий с сеткой колонн 12x12 ы, даны основные результаты испытания натурного фрагмента такого перекрытия, проведенного на площадке строительства Омского торгового центра. Установлено, что в развитии и применении складчатых шатровых перекрытий прослеживаются два этапа. Первый относится к периоду появления складчатых железобетонных оболочек, эволюции их форм и поиску рациональных областей применения. По времени это конец 20-х и 30-е годы. Второй связан с поиском рацноначьных конструктивных решений перекрытий для многоэтажных зданий с укрупненной сеткой колош при тяжелых нагрузках, который продолжается и в настоящее время.

Впервые монолитные складчатые оболочки шатрового типа были применены в перекрытиях при строительстве дома правительства в Москве (.1929 г.). Вскоре они находят применение в большепролетных покрытиях (вестибюль вокзала в г.Фрунзе), в инженерных сооружениях (покрытие отстойного бассейна Сухоложского комбината) и т.п. В 1932-33 гг. в ЦЩ1ИПС инженерами М.С.Боряшанским, А.С.Щеп тьевым и

В.И.Мурашевым под руководством проф.Л.А.ГЕоздеЕа проводятся экспериментально-теоретические исследования различных тонкостенных,в том числе и складчатых шатровых, оболочек. Результаты их явились основой для выработки рекомендаций по расчету и проектированию шатровых складчатых оболочек как в пергой Инструкции (1937 г.), так и в ныне действующем Руководстве (1378 г.). В диссертации дан анализ существующего упрощенного метода расчета, отмечены его недостатки, указаны причины.

Приведены данные о шатровых перекрытиях, предложенных И.Г.Люд-коеским и Б.Я.Слезингером. Установлено, что несмотря на архитектурные достоинства и хорошие технико-экономические показатели, применение их в те годы оказалось ограниченным из-за конструктивных и технологических недоработок, а главное - отсутствия потребности в большепролетных перекрытиях, где применение шатровых складок наиболее эффективно.

Большой вклад в теорию тонкостенных пространственных сооружений внесли Г.Элэрс, Х.Кремер, И.Гольденблат, Грубер, Г.Грюнинг.Однако основополагающее значение в развитии современной теория оболочек тлели труды П.Л.Пастернака, В.З.Власова, А.Р.Ежаницына, И.Е.Милейковского и других отечественных ученых. Дальнейшее развитие они получили в работах В.С.Бартенева, Н.П.Абовского, В.С.Ва-силькова, Б.С.Кисина, Б.Г.Кормера, Е.С.Дехтярюка, А.Н.Назарова, В.Н.Байкова, И.Н.Слезингера, Ю.В.Чиненкова, Я. Ф. Хлебного л др.

Более широкое применение в практике получили близкие к шатровым складкам по статической схеме, так называемые, ненарушенные и шатровые панели-оболочки и плиты "на комнату". Большой вклад в их разработку и исследование внесли Ю.Я.Штаорман, Г#Х.Байдуков, Б.Н.Бастатский, Н.Г.Барабадзе, Э.А.Магерамов, Г.А.Мордаков, Б.О. Геворкян и др. Для их расчета, наряду с упругими мотодата, все ■>'•.-ще используется метод продольного равновесия, теоре1-;:ч-эс;С'<э o-j;.

которого заложены в трудах А.А.Гвоздева, А.Р.Рканицына, Ф.Хода. Разнообразный круг задач на основе этого метода получил решение в работах Г.К.Хайдукоза, С.М.Крылова, М.Ш.ВарЕака, Н.В.Ахвледиаки, А.Ы.Дубинского, А.С.Дехтеря, Я.Ш.Исхакова, В.В.ЩугаеБа, Л.Н.Зайцева, Ю.В.Чиненкова и др.

В I975-IS8S гг. в Ш1-1 (автор А.В.Еаоиро) проектируется и исследуется с участием НИИЖБ и СибАДИ несколько ноеых модификации шатроЕых перекрытий, одна из которых показана на рис.1. Отличительной особенностью таких перекрытий является наличие по периметру ячейки достаточно мощных контурных балок и плит настила, которые в совокупности с наклонными гранями шатровой складки образуют достаточно жесткий контур для средней плиты.

Рис. I.

Конструкция ячейки сборного шатрового перекрытия под нагрузки 30-50 кН/кв.м

Исследования таких конструкций ранее i'e проводились, существующая методика расчета не учитывает конструктивные особенности новых перекрытий, а обнаруженные автором диссертации в ходе контрольных испытаний натурных образцов и моделей особенности надряхен-но-деформированкого состояния с позиции существующих представлений о работе шатровых оболочек объяснений не находили. Это потребовало более глубокого их изучения и решения следующих задач:

экспериментально изучить на моделях напряженно-деформированное состояние шатровых перекрытий как в упругой, так и в упруго-пластической стадиях;

произвести обоснование дискретных схем представления конструкции катроЕых перекрытий в КЭ при расчетах на ЭНЛ с учетом результатов экспериментов и выявленных при этом особенностей работы модели из железобетона в упруго-пластической стадии;

разработать инженерную методику расчета натровых перекрытий на прочность по предельному равновесию на основании уточненных расчетных схем, учитывающих основные конструктивные особенности перекрытия, геометрические параметры, характеристики жесткостей элементов и свойства железобетона;

обобщить результаты натурных испытаний и применения новых сборных шатровых перекрытий в строительстве.

Значительная часть диссертационной работы посвлчека экспери-ментальнш исследованиям и расчету на ЭВМ моделей складчатых шатровых перекрытий из различных материалов.

Упругая работа изучалась на модели из оргстекла, которая представляла собой идеализированную конструкцию шатроЕого перекрытия в масштабе 1:12 натуральной величины. Она включала все основные элементы, которые, в отличие от натуры, были жестко соединены между собой. Размеры модели в плане 914x914 мм, высота 110 мм. Грани шатровой оболочки и настила из яистое толщиной 4 ш снизу подкреплены ребрами ;2х12 мм. Средняя грань в плане 450x450 мм подкреплена перекрестными и контурными ребраш.

Модель опиралась контурными балками на четыре шарнирные опоры по углам. Нагрузка прикладывалась в 576 точках горизонтальной поверхности. Перемещения измерялись в 64 точках, а фибровые деформации - с понощью 460 тензодатчиков с базой 10 мм.

Статический расчет производился не ЗВЛ на программе "Супер-76".

Дискретная схема в ГГЭ формировалась с учетом опыта, накопленного в ПИ-1 по расчету £ шогичных конструкций. В частности, грани оболочки я плиты настила представлялись набором прямоугольных плос-

ких элементов, а подкрепляющие ребра, контурные балки и связи -стержневыми элементами общего вида. Оси подкрепляющих ребер считались совмещенными с серединной поверхностью граней оболочки. Контурная балка аппроксимировалась набором стержневых КЭ в форме гребенки.

По результатам экспериментальных исследований найдены перемещения, деформации и усилия в основных элементах и по сечениям. Установлено, что в отношении перемещений наилучшее совпадение расчетных д опытных значений имеет место в более жестких элементах модели. Так, например, вертикальные перемещения в контурных балках по расчету на 6-11$ больше опытных, а в средней шите шатра - на II--20% меньше. Выявлен характер напряженно-деформированного состояния контурных балок, которое соответстввет внецентренному растяжению с поперечным изгибом, построены основные эпюры сил взаимодействия контурных балок с гранями шатровой оболочки и плитами настила. При сопоставлении расчетных и опытных значений усилий в элементах шатровой складки было.обнаружено удовлетворительное совпадение результатов в наклонных гранях и большие расхождения в поле горизонтального среднего диска, где продольные силы в крестообразных ребрах и моменты в оболочке на некоторых участках отличались по знаку. Это позволило сделать вывод о влиянии геометрической нелинейности на работу сжато-изогнутого среднего диска и дать рекомендации по улучшению его дискретной расчетной модели в КЭ.

Весьма важная в отношении прочности конструкции пряопорная зона шатроЕой оболочки из-за малых размеров модели оказалась экспериментально изученной недостаточно.

Более подробно этот и другие вопросы изучались на железобетонной модели, которая была запроектирована и изготовлена физя-чески подобной экспериментальному шатровому перекрытию, разработанному Ш-1, в масштабе 1:6 при соблюдении условий расширенного

механического и полного конструктивного подобия. Она представляла собой сборно-монолитную конструкцию 2000x2000 мм в плане и высотой 250 мм, которая была собрана из 18 отдельных элементов с омоноли-чиванием швов между ними (рис.2). Поясная арматура контурных балок выполнена из 2^12А-П. В углах она соегтнялась для образования замкнутого контура четырьмя стесана вили динамометрами из ^14А-1У.Каркасы баю" и гошт изготавливались из арматуры класса В-1 диаметром 4, 3 и 2 мм, а поле плит армировалось сварными сетками из проволоки ^1,4 мм. Средний диск размером 1050x1050 был выполнен без конструктивного подъема, из плит с ребрами по контуру я двумя перекрестными ребрами посередине, армированными З^ЗВ-1. Все элементы изготавливались из мелкозернистого бетона, состав которого подбирался из условия получения прочности и деформативности, близких к проектной.

Испытание модели проводилось на гидравлическом стенде.

Перемещения измерялись механическими индикаторами в 64 точках, а фибровые деформации - с помощью 607 тензодатчиков, из которых 106 были наклеены на арматуру и угловые связи.

Нагружение производилось равномерно распределенной нагрузкой поэтапно до разрушения. Оно произошло при нагрузке 48 кН на кв.м и выразилось в почти одновременном раздроблении бетона плит оболочки в двух углах примыкания к контурным балкам и появлением пластических деформаций в арматуре центральной части перекрестных ребер жесткости средней плиты.

На поверхности шатровой оболочки я балок зафиксирована характерная картина трещин, отличная от известных для аналогичных конструкций (рис.3).

Расчет модели производился по программе ЛИРА на основе двух вариантов формирования дискретных схем. 3 первом варианте принято традиционное разделение на плоские я стэраневыа КЗ-исходя из удоб-

ства „писания, причег:, основная арматура нидолепа в отдельные типы кесткостей. Ео втором учитывалось разделение конструкции трещинами, т.е. естественная "дискретизация" ее в ул-руго-пластичсской стадия с Енделеккеи ар:.;ат.уии, как связевых элементов, для обеспечения геометрической неизменяемост".

Сравнение результатов

расчета на ЗЕ.4 с данными опыта показало, что вторая схо:.:а дает более достоверную информацию о капрякенно-деформнровалном состоял;;: конструкции, особенно в неупругой стадии работы. Так прогиби посередине кон_урных балок из расчета по этой схеме при малых нагрузках на 25...3052 превышают опытные, но с ростом нагрузки разница уменьшается я приближается к нулю при разрушающей нагрузке. В средней плите до контрольной нормативной нагрузки прослеживается практически пс¿Ное совпадете расчетных я опытных значе.'нй лреглбов, но при увеличении нагрузки опытные значения нелинейно Еозраста:зт. Примерно такие яе закономерности выявлены при анализе деформаций арматуры в контурных балках и перекрестных ребрах плиты.

Дискретное представление приопорннх участков шатровой складки в стадии работы с трещинами позволило получить в~элне удовлетворительные качественные характеристики деформации косой угловой арматуры по диагональному сечению. Однако, доля участия этих стердней в восприятии главных растягиЕаюшх усилий оказалась несколько пре-

Рис.З. лартина трещин на нижней поверхности железобетонной модели

увеличенной, что объясняется неучетом работы арматуры сеток в поле Углоеой плиты-

Результаты эксперимента бшш использованы при разработке ме-тоди1ш расчета на прочность складчатых шатровых перекрытий с учетом их конструктивных особенностей и свойств железобетона. Они позволили обосновать вьйор метода, сформулировать исходные предпосылки при построении расчетных схем, а также служили объективным критерием для оценки достоверности результатов расчета.

В основу расчетов на прочность положен кинематический метод предельного равновесия, позволивший с необходимой полнотой учесть указанные особенности материала и конструкции.

Рассматриваются три варианта нагружения: I - полной расчетной нагрузкой на ограниченном уч..стке конструкции (местной); 2 - пониженной, распределенной по всей поверхности перекрытия (усредненной); 3 - смесанной, в виде одновременного действия распределенной от собственной массы перекрытия и местной.

Перекрытие рассматривается как совокупность совместно деформируемых податливых систем¡„контур - плита"с опиранием по углам и „плита - перекрестные ребра жесткости"на недеформируемом контуре. Конструкция шшт настилов считается известной, т.к. их расчет может быть произведен с использованием простейших балочных схем.

Основная расчетная схема системы "контур-плита" дана на рис.4. Она отражает характер упруго-пластических деформаций системы в целом, выявленный при испытании модели, и трансформируется во все известные для аналогичных систем частные схемы излома благодаря переменным параметрам X и Л , что открывает возможность исследо-ва.шя ее свойств применительно к обширному классу конструкций. В ней прослеживается идея, так называемой, "гибкой" расчетной схемы, принятой А.Н.Кусаковым и Ю.А.Рогатиным при исследовании железобетонных плит на упругом и упруго-пластическом контуре, проведенных-

Рис. 4. Расчетная схема излома шатрового перекрытия с податливым контуром и плитой: а - параметры схемы излома л усилия; б - трехзвенный пластический мехшшзм контурной балки; в - перемещения точек среднего диска

в МИСИ под руководством проф. К.К.Антонова.

Уравнение равновесия системы получено на основе кинематического метода возможных перемещений в форме равенства вяртуатьнкх работ Енешней нагрузки и предельных моментов в пластических шарнирах. Этот метод принят при исследовании л других систем.

В общем Еиде уравнение равновесия представлено в форме

где к= - характеристика изменения внешнего момента в

изломе по длине пролета; М = Мп?(Ме1 М0) МР) Й0) т Д; .А, х) - суммарный предельный момент в том же изломе.

В развернутом виде эти функции имеют еид:

к, = [2 -я(1 + а -1)[\ и 0 + Ых(\ -х); (2)

'V- ^oUO -!)[« -fy'4-^J+ Mp(1 - Д) +

Здесь и далее информация о шатровом перекрытии и расчетной схеме вира-гена через безразмерные параметры: { = t/L„; C = c/L0;

Составляющими момента finp являются предельные моменты: МБ -в контурной бачке; М0 - в опорном ребре по контуру средней плиты; Мр - в першфестном ребре; ITL и ГП.0 - положительные моменты в изломах поля шшт, отнесешше к единице длины (см.рис.4).

Б работе даны граоики функций . По ним произведен анализ распределения по пролету и граничные значения внешних моментов в зависимости от параметров системы. В частности показано, что при Л = 0 , т.е. при восьмидисковой схеме излома, а также при шатровой оболочке без среднего диска, т.е. при { = 0 , имеет место к,(.*,) = — k)(x)lruo. . При этом значения к4 при С = 0 изменяются в интервале от ^(^=0) = до к(Сх = 0,5,)=П,5 . Первый случай характеризует наибольший опорный момент и соответствует наибольшему распору шатровой системы. Второй дает наибольшую величину балочного момента посередине пролета, отнесенную к одной контурной балке.

Возможность совместного деформирования элементов системы по общей схеме в стадии предельного равновесия отражена посредством теоретической характеристики относительной прочности контура идеализированных равнопрочных систем, у которых излом контура при любом х , средней плиты по собственной пятпдисковой или конвертной схеме к совместный излом являются равновероятными. Получено выражение характеристики равнопрочности таких систем вида

= (4)

Для частных значений параметров £ и с дало графическое пред-

ставление функция >?м с анализом и практическими выводами. В частности, показано, что характеристика монет быть использована для назначения наиболее рациональных соотношений Мк/т? при прямом проектировании шатрового перекрытия, а также для прогнозирования образования наиболее вероятной из мгмелируемых схем излома при заранее известных Мк и М.С . Приводятся примеры, относящиеся к некоторым частным случаям.

Для шатровых перекрытий важное практическое значение имеет случай, когда средняя плита проектируется под полную расчетную нагрузку , а элементы контура под усредненную • В "-том

случае плита может рассматриваться по отношению к контуру как условно недеформируемый диск и общая схема излома упростится, а расчет будет сведен к расчету податливого контура.

Для такой расчетной схемы подучено уравнение равновесия по еиду аналогичное (I) при к=к2((,с)3с><^ и М=МК- момент в контуре. В общем случае Мк= И (л) , а к2 является характеристикой контура равного сопротивления в масштабе ^ Ц /с.А .

3 работе дан ан&таз функции к3 , который показал, что кривые, характеризующие верхний предел к, и к2 , практически совпадают, а граничные значения при -ЯГ — 0 я х =0,5 одинаковы.

При заранее известном Мк и заданной нагрузке = л. у соблюдение равенства (I) может иметь место при единственном фиксированном значении X = , определяющем единственную для данного случая возможную схему излома контура. В случае не^епст-а, в зависимости от его знака, следует выеод о достаточной или недостаточной прочности контура.

Как частный случаи излома системы с недеформируе.моЗ плитой и податливым контуром получено уравнение равновесия в длатгально:,: сечении, которому такг.е придан вид, аналогичной (I) при к=ку.(7,А) и М = Муг . Пии = | график функции к^-(0 изменяется л

пределах от к*ДЫ) = 0 ДО {< уг((=0) = йВ</Г . При иных значениях изменяется только верхний предел KyrOj-J • т-к* нижний всегда характеризует безраспорную плиту при £ = 1 .

Средняя плита горизонтального диска, подкрепленная перекрестными ребрами, рассчитывается по собственной упрощенной схеме излома (рис.5), предполагающей одирание на недеформируемый контур.

a. 6. q

ям

ХЕШ

Н„

мшшшь

ь

mmttHHt

Ип

I

гптп

ШПШП

_ MpJjLHP

Рис. 5. Расчетная схема излома средней плиты: а - параметры схемы излома и усилия; б - поперечное сечение и схема перемещения

Полная расчетная нагрузка ^ считается приложенной в пределах плиты Iх С при одновременном действии на остальную часть перекрытия пониженной нагрузки (|.0 , или только собственной массы. Распор системы учитывается в уравнении работ как внешняя нагрузка по отношению к плите. В геометрии плиты учтено возможное конструктивное решение со строительным подъемом целтра плиты над опорным контуром:

ми -

Общему уравнению равновесия придан еид

где к.= Л) -характеризует изменение внешнего момен-

та в изломе по длине ребра; Мп= т?суммарный предельный момент, отнесенный к излому по длине С ; Цн - пределы^ момент в одной накладке на контуре плиты; а П.,, - общее число накладок на участке длиной Е . Новые безразмерные параметры означает:

При расчете податливой системы плита-перекрестные ребра ясст-кости предельный момент 01С целесообразно определять предварительно из ра, .рения отдельного кессона {/2*- 1/2 , заключенного пец-ду контуром и перекрестными ребрами, считая их иедефорыяруе:~ Из этой предпосылки с учетом (5) получено в общем Биде выра':о;^с для теоретического параметра раЕнопрочности поля плиты и перекрестных ребер при любом Л :

¿>,,„ = Мр/"- Г = ^ ^'-Г, /V (6)

где уи = Гть/т. - отношение предельных моментов е отрицатель;...» л положительной линиях излома; р =0,5 при паркирноы опирав!:: средней плиты на контур и у! = I - при жестком.

Дня некоторых частных значений параметров средней плиты построены графики , которые могут быть использованы для назначения наиболее рациональных соотношений Ир/Г. С при прямом лрооктлро-вании, а прт поверочных расчета^ - для отыскания параметра излома Л и прогнозирования возможного состояния элементов. В работе приведены примеры такого прогноза для основных частных случаев.

При заданной нагрузке 0 я известных слагаемых правой :астл уравнения (5) соблюдение равенства может иметь место при некотором фиксированном значении Л определяющем схему излома систеш

шшта-ререкрестные ребра жесткости. В случае неравенства зактюче-ние о прочности системы делается в зависимости от его знача.

Б качестве примере (ан расчет железобетонной модели, результаты его сравниваются с достигнутым уровнем нагружения и дефорыа-

ццй я экстраполируются на предельную стадии. Анализ их позволяет сделать заключение, что отношение расчетных усилий к опытным на уровне достигнутой нагрузки составляет, в среднем,I I и стремится к I при разрушающей. Зто позволило оценить результаты расчета как вполне удовлетворительные.

В четвертой главе излагается методика и дается анализ результатов натурного испытания ячейки шатрового перекрытия на строительстве корпуса J¿ 101 завода им.Лепсе в г.Ленинграде. Нагружение производилось по двум схемам до контрольно-разрушающей нагрузки при С 1,25, принятой для арматуры класса А-Ш. По первой схеме полная расчетная нагрузка прикладывал-.сь в пределах контура плит среднего диска и достигла в опыте 53,6 кй/кв.м., а по второй усредненная нагрузка располагалась на всей ячейке 12x12 м и достигла в опыте 44,9 кН/кв.м. Испытания показали, что прочность всех элементов перекрытия по арматуре обеспечивается с коэффициентом С не ниже нормативного при достаточной жесткости итрещиностойкости. На натур-ком фрагменте проявились fice те же характерные особенности напря-женно-деформироЕанного состояния в упруго-пластической стадии работы, которые были выявлены при испытании железобетонной модели. Это, в частности, выразилось в идентичности картин трещин на поверхности шатровой складки, характере перемещений точек поверхности, деформация арматуры. В заключении приведены результаты технико-экономического сравнения вариантов шатровых перекрытий с наиболее близкими техническими аналогами по двум объектам: база УШК треста Я 38 Главзапстроя (быв.) и корпуса & 101 завода им.Лепсе в г.Ленинграде. Показано, что при общем объеме применения на указанных объектах около 36 тысяч кв.м получена экономия стали до 1300 т, достигнуто снижение трудоемкости более 6,32 тыс.человеко-дней и стоимости около 856 тыс.рублей.

21

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Сборные железобетонные шатровые перекрытия являются сложными пространственными системами, состоящими из складчатых оболочек с нерегулярной поверхностью, плоскостных и линейных элементов. Решение задач о прочности и несущей способности таких-конструкций наиболее эффективно мсиет быть произведено при сочетании расчета методом конечных элементов, реализуемым на ЭШ известными стандартными программами, с расчетом кинематическим методом лредельно-■ о равновесия.

2. Конструктивные особенности рассматриваемого типа шатровых перекрытий существенно изменяют напряженно-деформированное состояние по сравнению с известными монолитными железобетошшми шатровыми складками. Это проявляется нч. всех стадиях деформирования, включая упруго-пластическую, что Еыражается в характерной только для данных конструкций картина трещин на поверхности элементов.

3. При расчете шатровых .перекрытий на ЭШ с использованием стандартных прогрел, реализующих МКЭ в упругой постановке (типа ЛИРА и т.п.), достоверность результатов счета может быть пи-лиена путем рационального образования дискретной расчетной модели конструкции в КЭ, которая должна с достаточной полнотой ^трахать не только ее конструктивные особенности (например свойство линецннх шарниров в шпоночных швах и др.), но и учитывать возможное естественное расчленение конструкции на "КЗ" линиями излома и трещинами в бетоне при работе в неупругой стадии.

4. При образовании расчетной модели конструкции в КЭ с учете:/! естественной дискретизации линиями излома и трещинами поясную арматуру контурных балок, продольную арматуру ребер а косую углевую арматуру в диагональном сечении шатровой складки целесообразно ъ<;~ делять в самостоятельные группы КЭ. С учетом прпв-здентх л

тацни рекомендаций это позволяет экстраполировать зкачс-.-ля ус;-:;/:,

в шх, найденные из упругого расчета, на стадию деформирования, близкую к предельной.

5. Конструктивное решение шатровых перекрытий позволяет при расчетах на прочность кинематическим методом предельного равновесия представить их как совокупность совместно деформируемых подат-ллгых систем типа "контур-плита" и "плита-перекрестные ребра жесткое?;:", состояние которых в стадии предельного равновесия зависит от соотношения жесткостей эле;,:-.::ов, вырсженных через предельные гнутренк'е усилия. Для этих систем найдены параметры, характеризующее значения данных соотношений, при которых предельные состояния каждого из элементов системы могут рассматриваться независимо одно от другого.

5. Уравнения предельного равновесия, полученные кинематичес-::«:м методом па основе гибких трансформируемых схем излома, позво-гя;:т решять как прямую, так и обратную задачи при расчете на прочность всех практически возможных вариантов конструкций шатровых перекрытий.

7. Для решения задач прямого проектирования каждой из подат-ллеых систем получены характеристики соотношений предельных моментов, при которых прохождение линии излома через данное расчетное сечение яелязтся возможным, а услоше про^юсти обеспечено, что позволяет проектировать конструкции наиболее рациональные по расходу материалов.

8. Изгибаздий момент <£1^/8 , принятый в настоящее время для расчета поясной арматуры в нормальных сечениях контурных элементов, является наибольшим из всех возможных значений и соответствует частному конструктивному решению шатрового перекрытия, при котором натровая оболочка представлена четырехгранной пирами,;альной склад-

(без средней горизонтальной грани). При пятигранной шатровой ссслочке язгябаздие ыо.\:окты в контуре меньше и должны определяться

ь зависимости от конкретных геометрических я прочностных параметров системы "контур-плита".

9, Расчет средней плиты шатровой силачки следует производить как системы "плита-перекрестные ребра жесткости" на условно не-деформируемом контуре с учетом сжимающих сил от распора в контурных балках. Конструктивный подаем центра плиты относительно ее контура существенно увеличивает несущую способность плиты и монет быть учтен по предложенной в диссертации методике.

10. Результаты экспериментально-теоретических исследований апробированы при проектировании новых модификаций сборных железобетонных шатровых перекрытий и испытании натурного фрагмента. Общий объем внедрения конструкций при участии автора составил более 3S тыс.кв.м. При этом получена экономия стали до 1300 т, снижение стоимости перекрытий около 856 тыс.руб.

■ II. Проведенные исследования в сочетании с накопленным опытом расчета, проектирования и внедрения позволяют рекомендовать шатровые перекрытия с сеткой колонн 12x12 м к более широкому применению при строительстве промышленных и гражданских зданий при широком диапазоне нагрузок.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Войтекунас С.С., Шапиро A.B., Хайдуков Г.К., Авдейчи-

ков Г.В., 1 "¡триллов Л.В. Сборные шатровые оболочки междуэтажных перекрытий // £етон и железобетон. -1979. - I 4. - С. L2-I3.

2. Шугаев В.В., Людковскпй A.M., Соколов B.C., Шапиро A.B., Авдейчиков Г.В. Экспериментальное строительство сборных складчатых Шатровых перекрытий // Бетон и железобетон. - 1987. - JJ 4. -- С. 21-22.

3. Шугаев В.В., Людковскпй A.M., Соколов B.C., Авдейчиков Г.В., Шапиро A.B. Сборные железобетонные пространственные перекрытия многоэтажных зданий // Пространствешше конструкции в Красноярском крае: Межвузовский сб. - Красноярск: Иэд.КПИ,1983. - С.8-18.

4. Шугаев В.В., Лвдковский A.M., Авдейчиков Г.В., Шапиро A.B. Сборные железобетонные перекрытия шатрового типа для производствен-

нкх зд&:.-.::1 п укрупненной сеткой колонн //Совершенствование архитектурно-строительных решений производственных зданий: Тезисы Всесоюзного семинара (г.Харьков, 27-28 сентября 1284 г.) - Н.: Стройиз-дат, 1С34. - С. 63-64.

5. Авдейчиков Г.В. Исследование и внедрение новых конструкций шатровых перекрытий // Передовой опыт в строительстве: Экопреос-ипформ.Мкнпромстроя СССР. Серия Ш. Строительные конструкции. - Ы. : Изд. ЦБНТИ Минпромстроя СССР, 1984. - Вып. II. - С. 15-17.

6. Шапиро A.B., Зиновьев А.Я., Лурье Н.Я., Шугаев В.В., Люд-ковскпй A.M., Авдейчиков Г.З. Сборные шатровые перекрытия в двухэтажных и многоэтапных зданиях /'/ Пространственные конструкции покрытий зданий и сооружений. - Исследование, проектирование, изготовление и возведение: Тез.докл.Закавказской конференции. - Тбилиси, IS84. - С. 156-158.

7. Шугаев В.В., Авдейчиков I.B. Расчет на прочность по предельному равновесию сборных железобетонных шатровых перекрытий//Не-линелныо методы расчета железобетонных пространственных конструкций: Тез.докл. на научно-техн. конф. (Белгород, 27-29 мая 1986 г.) - Белгород, 19°5. - С. 138-140.

8. Шугаев В.В., АвдейчикоЕ Г.В. Расчет на прочность сборных железобетонных шатровых перекрытий с учетом конструктивных особенностей: Pi-копись: Деп. во 2НИИИС.21.01.88, J§ 8519. Опубл. в Библ. указат.деп. рукописей ВНИИИС. - 1988. - ВцП. 10. - 48 с. маш.-пис. текста с илл.

9. Авдейчиков Г.В. О расчете железобетонных податливых систем "контур-плита" и "плита-перекрестные ребра жесткости" равнопрочных в стадии разрушения // Экспериментально-теоретические исследования а внедрение современных и перспективных конструкций многоэтажных зданий: Тез. докл.научно-практ.конф.Омского НТО Стройин-дустрии и Скб.автомоб.-дор.ян-та. Омск, 1987. - C.23-2S.