автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Особенности работы железобетонных колонн в зданиях со скрытым каркасом

Введение.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ

СО СКРЫТЫМ КАРКАСОМ.

1.1. Напряженно - деформированное состояние некоторых модификаций скрытого каркаса.

1.2. Развитие методов расчета железобетонных конструкций, работающих на кручение и сжатие с кручением.

1.2.1. Исследования конструкций без предварительного напряжения, работающих на кручение и изгиб с кручением.

1.2.2. Исследования предварительно напряженных конструкций, работающих на кручение и изгиб с кручением.

1.2.3. Исследования железобетонных элементов, подвергнутых сжатию с кручением.

1.3. Задачи исследования.

II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН НА СЖАТИЕ С КРУЧЕНИЕМ.

2.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

2.2. Техника проведения экспериментальных исследований.

2.3. Конструкция и изготовление опытных образцов.

2.3.1. Конструкция образцов.

2.3.2. Изготовление образцов.

2.3.3. Материалы для образцов.

2.4.Усгановка для испытания образцов на сжатие с кручением.

III. ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦОВ НА СЖАТИЕ С КРУЧЕНИЕМ.

3.1. Техника измерения.

3.2. Результаты экспериментов.

3.3. Угол закручивания.

3.4. Деформации бетона и арматуры.

IV. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ НА СЖАТИЕ С КРУЧЕНИЕМ.

4.1. Основные положения методики расчета железобетонных элементов прямоугольного сечения на сжатие с кручением.

4.2. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных.

4.3. Пример расчета несущей способности опытного образца на сжатие с учетом крутящего момента.

На протяжении нескольких десятилетий каркасы широко применяются в промышленном и гражданском строительстве. Достоинства данной конструктивной схемы хорошо известны: способность воспринимать большие нагрузки, высокая скорость монтажа, технологичность, обеспечение больших пространств без поперечных стен, гибкость планировки помещений. Массовая практика безаварийной эксплуатации каркасных сооружений подтверждает их высокую надежность.

Специфика каркасной системы определила и область ее применения: одноэтажные и многоэтажные промышленные здания, общественные и административные комплексы. В то же время необходимо отметить, что в жилищном строительстве в подавляющем большинстве случаев используется бескаркасная схема в ввде зданий из сборных панелей либо штучных материалов (кирпич, блоки и т.п.). Ряд преимуществ: высокая степень индустриал ьно-сти, относительно малые сроки возведения, наряду с острой потребностью в массовом жилье обеспечивали прочные позиции крупнопанельному домостроению в течение многих лет. Кроме того, применение каркасной схемы при возведении жилья сдерживалось и наличием у типовых решений объективных недостатков, в том числе эстетического плана (сложность обеспечения ровных стен и потолков помещений из-за выступающих частей колонн и ригелей).

Совместить достоинства каркасных и панельных конструктивных систем частично удалось в разработанных в 70-х годах стеновых панелях со "скрытым каркасом" [8,9], т.е. усиленных стальными колоннами обрамления, соединявшимися с бетоном анкерными связями. Такое решение позволяло существенно увеличить несущую способность панели, а, следовательно, и высоту здания. Главная задача состояла в обеспечении совместной работы железобетонной стенки и обрамления с полным использованием прочностных ресурсов материалов. К сожалению, данная конструктивная схема требует от панели значительной прочности, что не позволяет использовать более дешевые и менее прочные материалы, чем железобетон.

Экономические и социальные преобразования 90-х годов повлекли за собой пересмотр подходов к жилищному строительству, привели к ужесточению требований, предъявляемых к готовому жилью. Кратко эти требования можно сформулировать следующим образом: а) Повышение комфортности жилища. б) Ужесточение требований к теплотехническим параметрам зданий и сооружений. 5 в) Доступность жилья. Снижения затрат на строительство можно добиться за счет более широкого применения недорогих местных малопрочных стройматериалов и, соответственно, максимально возможного снижения расхода традиционных кирпича и железобетона.

Адаптация ныне существующих бескаркасных конструктивных схем к новым требованиям не дает удовлетворительных результатов, так как сводится, в основном, лишь к дополнительному расходу материалов на утолщение наружных стен. Поэтому налицо острая необходимость разработки новых проектных решений, в том числе на базе каркасной системы.

Такими решениями могут стать модификации "скрытого" каркаса, предложенные А.С.Репсаевым (г.Самара). В них удачно сочетаются возможности применения дешевых материалов невысокой прочности, изменения планировки помещений и большая несущая способность и жесткость каркаса, что позволяет возводить здания большой этажности. Вместе с тем, из-за отсутствия практики строительства "скрытый" каркас нуждается в тщательном исследовании его работы под нагрузкой, тем более, что его конструктивное решение дает основания предполагать возникновение такого напряженно-деформированного состояния, которое не отражено в строительных нормах (одновременное действие сжимающей силы и крутящего момента).

Данная работа имеет целью исследование работы несущих конструкций "скрытого" каркаса под нагрузкой и выработки предложений и рекомендаций по их расчету.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ СО СКРЫТЫМ КАРКАСОМ.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Исследование ряда модификаций скрытого каркаса, выполненное на компьютерных моделях, позволило уточнить напряженно-деформированное состояние как всего здания в целом, так и отдельных несущих конструкций. Выявлено, что благодаря своим конструктивным особенностям здания со скрытым каркасом обладают большой несущей способностью и пространственной жесткостью. Наиболее благоприятное напряженное состояние несущих элементов (в частности колонн) наблюдается в кирпично-ригельном варианте каркаса, а также в панельном варианте с деформативными стыками. В этих конструктивных схемах наиболее полно реализуется принцип рациональной компоновки материала, что говорит о перспективности их применения в гражданском (в т.ч. жилищном) строительстве.

2. Анализ напряженно-деформированного состояния несущих конструкций скрытого каркаса свидетельствует, что в большинстве случаев колонны подвергаются сжатию со случайным эксцентриситетом, а также действию крутящих моментов, величина которых зависит от жесткости стенового заполнения, условий опирания на фундамент и основание, а также от интенсивности горизонтальной нагрузки и жесткости узлов "ригель - колонна". Величина соотношения N/T может изменяться почти по всему диапазону 0 < N/T < оо, однако в большинстве случаев преобладают напряжения сжатия от N (0.6 < o/Rb ^ 1)

3. Проведенные экспериментальные исследования железобетонных колонн в диапазоне нагрузок оо < N/T < 49.2 м"1 показали, что приложение к сжатым колоннам крутящих моментов малой величины способствует некоторому увеличению (в пределах 10-20%) значений разрушающей нагрузки N по сравнению с чистым сжатием. В дальнейшем по мере уменьшения соотношения N/T несущая способность образцов падает.

4. Выполненные испытания железобетонных образцов позволили уточнить картину разрушения сжато-скручиваемых элементов при различных N/T. Из пяти серий образцов I-IV серии разрушились от преобладающего действия сжимающих напряжений. Исчерпание несущей способности носило хрупкий характер и сопровождалось дроблением бетона, образованием поверхности разрушения, наклонной к продольной оси колонны (для серий П-IV) и поворотом частей образца друг относительно друга. Вплоть до момента разрушения конструкции работали без видимых трещин. Колонны серии V попали на нижнюю ветвь "N-T"-зависимости и их разрушение носило отчетливо выраженный крутильный характер.

5. Анализ углов закручивания дал возможность выделить две стадии напряженно-деформированного состояния колонн в ходе загружения: линейную (упругая работа бетона) и нелинейную. Продолжительность каждой стадии зависит от соотношения N/T. Чем меньше

108

N/T, тем быстрее начинают проявляться неупругие деформации в бетоне (для серии Ш (N/T=251.2 м"1) это происходит при Т«0.7Т£р, для серии V - при Т «0.35Т,^, где Техр -опытный разрушающий крутящий момент).

6. На базе полученных данных о работе конструкции в ходе загружения уточнена расчетная модель прочности сечения колонны. В поперечном сечении образца имеет место сложное напряженное состояние, характеризующееся наличием нормальных напряжений oz от продольного усилия и касательных напряжений Ть от крутящего момента. Напряжения сжатия az приняты равномерно распределенными. Касательные напряжения предлагается считать распределенными по принципу пластического кручения в приконтурной зоне (шириной 8 = 2а) и по треугольной эпюре - в центральном бетонном ядре.

7. На основании статистического анализа результатов экспериментальных исследований выведена функциональная зависимость между продольным сжимающим усилием N и крутящим моментом Т, действующим на железобетонный элемент.

8. Предлагаемая в настоящей работе методика расчета предназначена для определения несущей способности на сжатие железобетонных колонн, работающих на совместное действие кручения и сжатия со случайным эксцентриситетом, в том числе, несущих конструкций зданий и сооружений со "скрытым" каркасом. На первом этапе производится традиционный статический расчет здания в целом с использованием программных комплексов и вычислительной техники. Затем на основе полученных расчетных сочетаний усилий выполняется проверка прочности отдельных конструкций по разработанной методике. Величины действующих момента Т и нормальной силы N берутся из статического расчета.

1. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона // М., Стройиздат 1962.

2. Гвоздев A.A. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия / М., Госстрой из дат, 1949.

3. Гвоздев A.A., Дмитриев С.А., Гуща Ю.П. и др. Новое в проектировании бетонных и железобетонных конструкций // М., Стройиздат, 1978.

4. Гениев Г.А. К вопросу об условии прочности бетона // Исследования по вопросам теори пластичности и прочности строительных конструкций. Сборник статей. Госстройиздат, 1958.

5. Гениев Г.А. К вопросу об условии пластичности железобетона // Расчет тонкостенных про странственных конструкций. Сборник статей. М., Стройиздат, 1964.

6. Гениев Г.А., Киссюк В.Н., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона // М., Стройиздат, 1974.

7. Дроздов П.Ф. Расчет несущих систем многоэтажных зданий. Проблемы и методы // Строи тельство и архитектура. №3, 1979.

8. Дроздов П.Ф., Труш Л.И. К расчету прочности и устойчивости панелей со скрытым каркасо // Бетон и железобетон. № 12, 1982.

9. Дроздов П.Ф., Паньшин Л.Л. Расчет конструкций со скрытым каркасом // М., Стройиздат 1982.

10. Ерышев В.А. Метод расчета деформаций железобетонных стержневых и плитных конструкций при повторных, знакопеременных и других видах сложного нагружения // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1997.

11. Зубков В.А. Исследование прочности и трещиносгойкости железобетонных конструкций кольцевого сечения при работе на кручение с изгибом // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Куйбышев, 1974.

12. Камолов Х.Ш. Прочность и жесткость железобетонных призматических стержней, подвер женных сжатию с кручением // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1998.

13. Карпенко Н.И. К построению условия прочности бетонов при неодноосных напряженных состояниях // Бетон и железобетон. №10, 1985.

14. Карпенко Н.И. Об одной характерной функции прочности бетонов при трехосном сжатии / Строительная механика и расчет сооружений. №2, 1982.

15. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона//М., Стройиздат, 1996.

16. Лессиг H.H. Теоретические и экспериментальные исследования железобетонных балок пр совместном действии изгиба и кручения // Теория расчета и конструирования железобетон ных конструкций. Сборник статей. М., 1958.

17. Лессиг H.H. Определение несущей способности железобетонных элементов прямоугольного сечения, работающих на изгиб с кручением // Исследование прочности элементов железобетонных конструкций. Труды НИИЖБ, №5. М., 1959.

18. Лессиг H.H. Исследование случаев разрушения по бетону железобетонных элементов пря моугольного сечения, работающих на изгиб с кручением // Труды НИИЖБ. Вып. 23. М., 1961.

19. Лессиг H.H., Руллэ Л.К. Общие принципы расчета прочности железобетонных стержней на изгиб с кручением // Теория железобетона. Сборник статей. М., 1972.

20. Мурашкин Г.В. Влияние предварительного напряжения на прочность и трещиностойкост железобетонных балок прямоугольного сечения, работающих на изгиб с кручением // Дис сертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Куйбышев, 1966.

21. Мурашкин Г.В., Репсаев A.C., Борцов В.О. Особенности расчета и проектирования конструкций зданий со скрытым каркасом // Научные труды общества железобетонщиков Сибир и Урала. Вып. 4. Новосибирск, 1996.

22. Морозов Н., Кащеев Г., Алиев Г. Некоторые особенности расчета несущих конструкций зда ний со скрытым каркасом // Сборные многоэтажные здания. Труды 3-го международного симпозиума. Публ. №43, 1976.

23. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84) // М., ЦИТП Гос строя СССР, 1986.

24. Пособие по проектированию предварительно напряженных железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов (к СНиП 2.03.01-84) // М., ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

25. Репсаев A.C. Сборный каркас многоэтажного здания// Авторское свидетельство №1734422.

26. Репсаев A.C. Многоэтажное здание со скрытым каркасом // Авторское свидетельство №1725583.

27. Репсаев A.C. Каркас высотного крупнопанельного здания // Авторское свидетельств №1712559.

28. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции // М., ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

29. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия // М., ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

30. Тимофеев Н.И. О работе железобетонных опор при стесненном кручении // Научные сооб щения Армянского НИИ строительных материалов. Вып. 29, 1972.

31. Тимофеев Н.И. Некоторые результаты исследований железобетонных стоек, работающих н кручение и поперечный изгиб // Труды Калининского политехнического института. Вып.11, 1971.

32. Фомичев В.И., Камолов Х.Ш. Экспериментальное исследование железобетонных призмати ческих стержней при совместном действии крутящего момента и продольной сжимающей силы //ВНИИНТПИ «Строительные конструкции и материалы». Вып. 2. М., 1993.

33. Фомичев В.И., Камолов Х.Ш. Прочность железобетонных призматических стержней при сжатии с кручением // ВНИИНТПИ «Строительные конструкции и материалы». Вып. 1, М. 1993.

34. Чихладзе Э.Д., Калиунов В.И., Мотовилов A.B. Экспериментальные исследования сталебе тонных брусьев прямоугольного сечения при кручении //Известия ВУЗов. №1, 1999.

35. Шалимо И.М. Влияние совместного действия крутящего момента и продольной сжимающей силы на работу бетонных и железобетонных стоек кольцевого сечения // Строительные кон струкции. Минск, 1979.

36. Юдин В.К. Определение несущей способности железобетонных элементов прямоугольного сечения, работающих на изгиб с кручением // Бетон и железобетон, №6, 1962.

37. Anderson P. Rectangular Concrete Section under Torsion // Journal of ACI, Vol. 9, (Proc. V. 34), №1, Sept-Oct., 1931.

38. Bach C., Graf O. Experiments on the Torsional Strength of Concrete and Reinforced Concrete // Deutscher Ausschuss fur Eisenbeton Heft 16, Wilhelm Ernst, Berlin, 1912.

39. Graf O., Morsch E. Experiments on Torsion to Explain Shear Strength of Reinforced Concrete // Forschungsarbeiten auf dem Gebiete Ingenieurwesens, Berlin, 1912.

40. Bemessung im Stahlbetonbau (Design of Reinforced Concrete) // DIN 4224, German Standard, Wilhelm Ernst und Sohn, Berlin, 1958.

41. Bishara A., Peir J.-C. Reinforced Concrete Rectangular Columns in Torsion // Journal of the Structural Division, ASCE, No ST12. December 1968.

42. Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-63) // ACI Committee 318, American Concrete Institute, Detroit, Mich., 1963.

43. Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-83) // ACI Committee 318, American Concrete Institute, Detroit, Mich., 1983.

44. Cowan H.J. Design of Beams Subjected to Torsion Related to the New Australian Code // Journal of the American Concrete Institute, Vol. 7, Jan., 1960.

45. Cowan H.J. Elastic Theory of Rectangular Reinforced Concrete Beams // Magazine of Concrete Research, Vol. 2, №4, London, England, July, 1950.

46. Hsu T.T.C., Kemp E.L. Background and Practical Application of Tentative Design Criteria for Torsion // American Concrete Institute Journal, Proceedings, Vol. 66, No.l, Jan. 1969.

47. Hsu T.T.C. Ultimate Torque of Reinforced Rectangular Beams // Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 94, St. 2, Proc. Paper 5814, Feb. 1968.

48. Hsu T.T.C. Torsion of Structural Concrete A Summary on Pure Torsion // Symposium on Tor sion, SP №18, American Concrete Institute, 1968.

49. Hsu T.T.C. Torsion of Structural Concrete Plain Concrete Rectangular Sections // Symposium on Torsion, SP №18, American Concrete Institute, 1968.

50. Humphreys R. Torsional Properties of Prestressed Concrete // Structural Engineer, Vol. 35, No. 6 London, June, 1947.

51. Marshall W. Torsional Resistance of Plastic Materials with Special Reference to Concrete // Con crete and Constructional Engineering. Vol.39, 1944.

52. Mukherjee P.R., Kemp E.L. Ultimate Torsional Strength of Plain, Prestressed and Reinforced Concrete Members of Rectangular Cross Section // Civil Engineering Studies №2003, West Virginia University, 1967/

53. Mukherjee P.R., Warwaruk I. Torsion, Bending and Shear in Prestressed Concrete // Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 97, Np. ST4, Proc. Paper 8041, Apr., 1971.

54. Nadai A. Plasticity // McGrawn-Hill Book Company, 1931.

55. Nylander H. Torsion and Torsional Restraint by Concrete Structures Statens Kommittee for Byg-nads forskning, No. 3, Stockholm, 1946.

56. Pandit G.S., Mawal M B. Tests of Concrete Columns in Torsion // Journal of the Structural Division, No. ST7, July 1973.

57. Pandit G.S., Mawal M B. Tests on Short Columns in Torsion // Indian Concrete Journal, No.11, 1972.

58. Pandit G.S., Sharma A.K. Design of Prestressed Concrete Beams Subjected to Combined Bending and Torsion // The Indian Concrete Journal, Vol. 45, №5, May, 1971.

59. Pandit G.S., Sharma A.K. Design of Compressed Members Under Triaxial Couples // The Indian Concrete Journal, Vol. 46, №1, Jan, 1972.

60. Rausch E. Design of Reinforced Concrete for Torsion and Shear//Verlag Springer, Berlin, 1929.

61. Rausch E. Torsion, Diagonal Tension and Shear in Reinforced Concrete // Deutscher Ingenieur Verlag Gmbh, Dusseldorf, Germany, 1953.

62. SAA Code for Concrete in Buildings // Australian Standard №CA.2-1958, Standards Association of Australia, Sydney, 1958.

63. Uniform Building Code // International Conference of Building Officials, California, USA 1985 Edition.

64. Zia P. Torsional Strength of Prestressed Concrete Members // Journal of ACI, Vol. 32, No. 10, April, 1961.