автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Перекрытия каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях из мелких сборных элементов низкой прочности

ГОССТРОЙ РФ ГНЦ «СТРОИТЕЛЬСТВО» НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

(НИИЖБ)

ПЕРЕКРЫТИЯ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ С НАТЯЖЕНИЕМ АРМАТУРЫ В ПОСТРОЕЧНЫХ УСЛОВИЯХ ИЗ МЕЛКИХ СБОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

НИЗКОЙ ПРОЧНОСТИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и

сооружения

На правах рукописи

КАНСЕИТОВ Манапхан Бекзатович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор Н.А. Маркаров

Москва -

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................... 8

1.1. Обзор опыта строительства каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.................................. 8

1.2. Анализ работ по совершенствованию перекрытий каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях...... 13

1.2.1. Анализ технических решений малоэтажных зданий...... 13

1.2.2. Анализ известных методов расчета перекрытий........... 18

1.3. Цель и задачи исследований....................................... 22

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕКРЫТИЙ..... 23

2.1. Выбор основных параметров опытных конструкций............. 23

2.2. Технология изготовления опытных конструкций.................. 26

2.3. Методика проведения испытаний..................................... 35

3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРЕКРЫТИЙ.............................................. 41

3.1. Напряженно-деформированное состояние перекрытий при натяжении арматуры................................................................. 41

3.2. Анализ исследований напряженно-деформированного состояния перекрытий при действии вертикальной нагрузки................. 51

Выводы по главе............................................................... 58

4. РАСЧЕТНЫЕ ОЦЕНКИ ДЕФОРМАЦИЙ (ПРОГИБОВ) ПЕРЕКРЫТИЙ................................................................. 59

4.1. Методика конечных элементов (МКЭ)...................................... 59

4.2. Использование вычислительных комплексов (ВК) «Лира» и «SCAD» для расчетов деформации (прогибов) перекрытий..................60

4.2.1. Особенности моделирования швов между плитами при расчете перекрытий МКЭ с применением персональных

компьютеров и ВК «Лира» и «SCAD».............................. 63

4.2.2. Анализ результатов расчета деформаций и напряжений перекрытий Ф-1, Ф-2 с помощью ВК «Лира».................66

4.2.3. Анализ результатов расчета деформаций и напряжений перекрытий Ф-1, Ф-2 с помощью ВК «SCAD»................70

4.2.4. Результаты расчета деформаций (прогибов) перекрытий размером 4,2x4,2 м, составленных из 16-ти плитных элементов............................................................ 74

4.3. Методика расчета деформаций (прогибов) перекрытий без использования МКЭ................................................... 76

4.4. Сравнительный анализ результатов исследований перекрытий размером 4,2x4,2 м, состоящих из цельной плиты и из нескольких плитных элементов на ячейку ......... 84

Выводы по главе................................................................ 95

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ТЕХНИКО-

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ .............................. 97

5.1.Внедрение технических решений перекрытий из мелкоштучных плитных элементов........................................ 97

5.2. Технико-экономические показатели............................... 102

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.................................. 107

ЛИТЕРАТУРА.................................................................. 110

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .Рекомендации по расчету, проектированию,

изготовлению и монтажу перекрытий каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях, составленных из

мелких сборных плитных элементов............ 120

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Справки о внедрении............................. 140

ВВЕДЕНИЕ.

В последнее время во многих регионах стран России и СНГ происходит переход жилищного строительства на возведение малоэтажных ( индивидуальных ) зданий в сельской и городской местности (коттеджи, фермерские дома и др.). Такая же тенденция проявляется в странах Восточной Европы (Венгрия, Польша и др.).

Однако, как показал анализ известных проектных решений, большинство проектных институтов по прежнему ориентируются при строительстве таких зданий на использование крупногабаритных железобетонных изделий заводского производства с использованием высокопрочного бетона (В20 и более), мощных кранов и специального транспорта (панелевозов и т. п.). Между тем более целесообразно применение мелких плитных элементов (например, несколько плит на перекрытие), в том числе из бетона классов В15 и ниже. Особенно эффективен такой подход при использовании каркасной системы с натяжением арматуры в построечных условиях.

Данная система представляет собой сборно-монолитную конструкцию, несущие элементы которой объединены между собой путем натяжения «на бетон» высокопрочной арматуры в построечных условиях в процессе монтажа.

К числу преимуществ рассматриваемой системы можно отнести сокращение трудоемкости и сроков монтажа, уменьшение (в несколько раз) количества типоразмеров и марок сборных изделий, почти полное отсутствие закладных деталей, выпусков арматуры и трудоемких сварочных работ при возведении данной конструктивной системы, снижение расхода стали, бетона и цемента.

Актуальность темы. В большинстве известных технических решениях перекрытия каркасно-панельных жилых и других зданий с

натяжением арматуры в построечных условиях выполнялись из тяжелого бетона классов В20 и более. При этом в указанной системе использовались перекрытие, состоящее из одной цельной плиты или двух полуплит, что затрудняет их перевозку, а для монтажа перекрытий используются подъемные механизмы (краны) большой грузоподъемности. Поэтому возникла настоятельная необходимость исследования перекрытий каркасной системы, состоящих из большого количества мелких сборных плит, в том числе и низкой прочности, что позволит использовать для монтажа краны небольшой грузоподъемности.

Целью диссертационной работы является установление на основании экспериментально-теоретических исследований возможности применения перекрытий каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях, состоящих из нескольких мелких плит, в том числе и низкой прочности, а также разработка новых технических решений перекрытий и рекомендации по их расчету и проектированию.

Автор защищает:

- постановку вопроса и методику проведения исследований;

- результаты проведенных экспериментально-теоретических исследований перекрытий из нескольких мелких плит, в том числе и низкой прочности бетона;

- рекомендации по расчету перекрытий из нескольких мелких плит низкой прочности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлен характер работы под нагрузкой перекрытий каркасной системы с натяжением арматуры в построечных условиях, состоящих из нескольких сборных плит;

- установлено напряженно-деформированное состояние перекрытий из мелких плит;

- определено влияние наличия нескольких сборных плит в ячейке перекрытия на деформативность по сравнению с перекрытиями, состоящими из цельной сборной плиты. Практическое значение работы. Работа выполнялась в соответствии с договорами № 01-00062-91 Госстроя СССР и № 16-8-155/92 Минстроя России, а также с договором № 578 с Комитетом по науке и технологии Правительства Москвы. На основе экспериментально-теоретических исследований была подтверждена возможность применения мелких сборных плит из бетона низкой прочности для изготовления перекрытий каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях, разработаны «Концепция нового способа малоэтажного коттеджного строительства» и Альбом «Новые технические решения сборно-монолитных перекрытий из отдельных плитных элементов на ячейку каркаса, изготавливаемых из тяжелого, легкого и ячеистого бетонов прочностью 5... 10 МПа», а также составлены рекомендации по их расчету и проектированию. Внедрение новых типов перекрытий, составленных из мелких сборных плит различной прочности позволяет по сравнению с существующими решениями из тяжелого бетона классов В20...В25 и выше уменьшить на 1м2 расход цемента на 7...22% (5...15 кг) и арматурной стали на 7.. .9% (1.. .3 кг).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на технических совещаниях лаборатории №19 НИИЖБ (г. Москва, 1991, 1992, 1993, 1997, 1998, 1999 гг.), на заседаниях кафедры «Строительные конструкции и строительные материалы» Казахского химико-технологического института (г. Чимкент, 1991, 1992, 1993 гг.), на заседании кафедры «Железобетонные конструкции» Московского института коммунального хозяйства и строительства (г. Москва, 1999 г.) и на региональной научно-технической конференции (г. Каратау, 1991 г.). Результаты работы также представлены на Московской международной

специализированной выставке-конференции «Инвестиция- Строительство -Недвижимость» ( «REALTEX-97» в Выставочном зале «Манеж» в 1997 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы (92 наименований) и приложений. Всего 119 страниц, в том числе 62 страниц машинописного текста, 45 рис. и 12 табл.

Работа выполнена в 1991... 1998 гг. в лаборатории конструкций, возводимых с натяжением арматуры в построечных условиях (№19) НИИЖБ ГНЦ « Строительство» Госстроя России под руководством доктора технических наук, профессора Маркарова H.A.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Обзор опыта строительства каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.

Одной из современных эффективных конструктивных систем является каркасная система (типа «ИМС») с натяжением арматуры в построечных условиях. К числу преимуществ данной системы являются сокращение трудоемкости и сроков монтажа за счет уменьшения количества типоразмеров и марок сборных изделий, практически полное исключение трудоемких сварочных работ, закладных элементов несущих конструкций, снижение расхода стали, бетона и цемента. В результате имеют место безригельные перекрытия без выступающих частей, что дает возможность использовать свободную планировку, широкий шаг, использовать возможности архитектурно-планировочных решений. При этом внедрение данной конструктивной системы может осуществляться без больших капитальных вложений, что особенно важно для районов, где отсутствует значительная база стройиндустрии.

Ячейка рассматриваемой системы состоит из 4-х сборных колонн, плит перекрытий, бортовых элементов, диафрагм и преднапряженной арматуры. Колонны и плиты перекрытия объединяются в единую систему за счет преднапряжения при монтаже высокопрочной арматуры (канатной К-7, стержневой Ат-1У и др.), которая пропускается через отверстия в колоннах. В результате происходит обжатие перекрытия в двух ортогональных направлениях (рис. 1.1) в узловых соединениях перекрытий с колоннами (см. рис. 1.1), вследствие обжатия возникают силы трения, обеспечивающие совместную работу всех элементов системы при нагружении. При этом тем самым можно отказаться от традиционного

контактный колонна

Рис. 1.1. Общий вид (а) и узловое соединение колонны с плитами (б) перекрытия каркасно-панельного здания с натяжением арматуры в построечных условиях.

опирания плит перекрытий на балки и сборные ригели, а также от необходимости устройства металлических закладных деталей и сварочных работ.

Первые исследования указанной системы проводились в 1956 году в Югославии под руководством проф. Бранко Жежеля /16,26/ в научно-исследовательском институте испытаний материалов Сербии, по наименованию которого конструктивная система получила свое название-«ИМС». В 1957 году Б.Жежель получил патент и в г. Белграде началось экспериментальное строительство первых объектов на основе предложенной системы. В дальнейшем строительство зданий с использованием предложенного каркаса осуществлялось как в разных городах Югославии, так и в ряде других стран (Куба, КНР, АРЕ, Румыния, Италия, Венгрия, Ангола Австрия и др.).

Опыт зарубежного строительства и эксплуатации зданий рассматриваемой системы /16,85,86/ показал их высокую надежность и возможность выдерживать значительные сейсмические воздействия (до 7.. .9 баллов). Поэтому в начале 80-х годов в СССР была начата разработка и возведение каркасно-панельных сейсмостойких жилых и общественных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях /11,12,13,14,27/.

В ТбилЗНИИЭПе с 1982 по 1986 гг. под руководством докт. техн. наук Кимберга A.M. был проведен ряд экспериментов натурных фрагментов и моделей рассматриваемой системы при воздействии вертикальных и горизонтальных нагрузок /12,13,14,38,39,40,41,42,44/. На основе полученных результатов исследований было разработано «Временное руководство по проектированию конструкций указанной системы» /71/.

С 1984 года под руководством докт. техн. наук, проф. Маркарова H.A., канд. техн. наук Филаретовым М.А., Казакбаевым Ж..К., Солдатовым H.A., Баланчивадзе Л.А., Хасеновым А.Г., Турсунбаевым O.A. и при участии ряда других сотрудников лаборатории №19 были проведены комплексные

научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по дальнейшему совершенствованию каркасной конструктивной системы с натяжением арматуры в построечных условиях /36,37,58,61,65,67,68,80,81/. Так были проведены исследования системы с различными типами сборных плит из разных классов бетона, размерами ячеек и величинами нагрузок, которые в дальнейшем были использованы в зданиях, возведенных в гг. Чебоксары, Тбилиси, Северный Кавказ, Пермь, Ташкент, Новосибирск /61,65/. Результаты исследований показали высокую надежность рассматриваемой системы и выявлены условия возможности улучшения технико-экономических показателей /67,68/.

На основе результатов вышеуказанных исследований и проектно-конструкторских разработок при участии НИИЖБ построено более ста 16-ти этажных домов в гг. Тбилиси, Новороссийске и Невинномыске, многоэтажное промышленное здание и столовая, здания Переговорного пункта и АТС, школа и гостиница «Чегет-П», 8-ми этажное жилое здание в Краснодаре. В настоящее время начато строительство нескольких жилых зданий и гаража в г. Москве. Всего почти в 40 районах России и стран СНГ начато строительство или проводится подготовка строительства зданий на основе рассматриваемой конструктивной системы.

Опыт экспериментального строительства показал экономичность данного типа конструкций по сравнению с применяющимися в сейсмостойком строительстве типовыми конструкциями каркаса серии ИИС-04 и 1.020.1-2с (табл. 1.1.).

Технико-экономические показатели на 1 м2 общей площади жилых домов в сейсмических и

обычных условиях строительства.

Таблица 1.1.

№№ п/п Наименование показателей Сейсмичность 7 баллов Обычные условия

имс (ТбилЗНИИЭП) ИМС оптимизированный (ТбилЗНИИЭП) ИИС-04 Монолитный Монолитный опти-мизи-рова-нный Крупнопанельный, в конструкциях 464 серии Крупнопанельный, серия 90 (ЦНИИ ЭПжи-лища) Крупнопанельный, П44-17 (г.Москва) Монолитный (г.Виль -нюс)

1. Расход стали, кг 43,58 38,38 58,3 43,5 33,8 41,0 31,0 35,6 25,4

2. Расход о бетона, м 0,8 0,48 0,72 1,0 0,87 1,0 0,84 — 0,9

3. Расход цемента, кг 270 210 239 302 270 300 280 293 305

4. Расход гипсобетона, м — 0,1 — — — — — — —

5. Трудоемкость, чел/дн., в т.ч. построечная 3,31 2,1 3,96 2,85 3,6 2,96 3,33 2,2 1,33 2,8 2Д

Примечания: 1.Показатели в графах 2,3,4,5 и 7 приняты по данным ТбилЗНИИЭП, в графах 8 и 9 - по данным ЦНИИЭПжилища, в графах 6 и 10 - по данным ЦНИПИ «Монолит». 2.Показатели приведены к средней площади квартиры 66,2 м2.

1.2. Анализ работ по совершенствованию перекрытий каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.

1.2.1. Анализ технических решений малоэтажных зданий.

Рядом научно-исследовательских и проектных организаций в 1986...87 годах проводились работы по разработке конструктивных решений с использованием данной системы для зданий различного назначения. Во всех проектных решениях /50,51,74,75,79,88/ в качестве напрягаемой используется канатная арматура 015 К-7, а для плит перекрытия принимается только тяжелый бетон высоких классов (В20...В25 и более).

В технических решениях конструкций каркасных жилых и административных зданий для строительства в г. Москве, разработанных Моспроектом-1, были использованы плиты сплошного сечения толщиной 160 мм для сетки колонн до 4,2x4,2 м и нагрузке 8,0 кПа /75/. Предлагаемое техническое решение Моспроекта-1 позволяет сократить расход стали до 30%, расход бетона до 0,5% по сравнению каркасными конструкциями Московского каталога.

В технических решениях, выполненных ЦНИИЭП торгово-бытовых зданий и туристических комплексов, Союзкурортпроектом и КрымНИИпроектом применены плиты перекрытия с круглыми пустотами и толщиной 200...400 мм /74,79/. Однако эти решения рекомендуются использовать для сеток колонн до 6x6 м при расчетных нагрузках на перекрытие до 8 кПа .

В технических решениях КиевЗНИИЭПа предложены сборные плиты четырех типов: многопустотные, ребристые и комбинированные /50/. При использовании этих решений создается возможность сократить расход

стали до 20...30% и расход бе�