автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение пространственной жесткости полносборных зданий

На правах рукописи

Чигринская Лариса Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ПОЛНОСБОРНЫХ ЗДАНИЙ

Специальность

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 СЕН 2013

Ангарск 2013

005533179

005533179

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ангарская государственная техническая академия»

Научный руководитель - кандидат технических наук,

Бержинская Лидия Петровна ФГБУН Институт земной коры Сибирского отделения РАН, г. Иркутск

Официальные оппоненты: - Попеско Антонина Иванова

доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск

- Баранников Владимир Георгиевич

кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Востокпромпроект», г. Улан-Удэ

Ведущая организация - Федеральное государственной

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Братский Государственный университет»

Защита состоится « 4 » октября 2013 г. в КГ час на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан « 3 » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, --*

профессор Дамдинова Д.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За первое десятилетие XXI века в России претерпели существенное изменение многие нормы и правила в области строительства:

- при переиздании в 2000 г. СНиП П-7-81* «Строительство в сейсмических районах» и замене карт общего сейсмического районирования новыми картами ОСР-97 сейсмичность ряда территорий была увеличена, соответственно, дефицит сейсмостойкости городской застройки повысился на один-два балла по сейсмической шкале МЗК-64;

- в 2003 г. увеличились требования СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» по весу снегового покрова;

- изменились положения для расчета железобетонных конструкций, конструктивные требования по проценту и шагу армирования несущих конструкций согласно СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции»; СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры»; СП 52-102-2004 «Бетонные и железобетонные конструкции с предварительным напряжением»;

- в 2005 г. введен в действие СП 31-114-2004 «Строительство в сейсмических районах», содержащий ряд ограничений для строительства безригельных каркасов в сейсмических районах.

В результате большое количество как эксплуатируемых, так и недостроенных зданий, запроектированных по прежним нормам, не удовлетворяют современным требованиям.

Сложившаяся ситуация требует оценки несушей способности и пригодности к нормальной эксплуатации конструкций существующих зданий, а также поиска новых вариантов усиления применяющихся в строительстве конструктивно-технологических систем (КТС).

В России широкое распространение получили системы с безригельным каркасом, характеризующиеся быстротой возведения, архитектурной выразительностью и свободной внутренней планировкой помещений с одновременным обеспечением прочности, надежности и устойчивости здания.

По проблемам использования КТС с безригельным каркасом в строительной практике имеется большое количество научных публикаций, однако очень ограничена информация об экспериментальных исследованиях работы таких систем под нагрузкой, отсутствуют рекомендации по обеспечению пространственной жесткости здания. Кроме того, известным КТС присущи значительные недостатки - сложная технология и, соответственно, трудоемкость выполнения стыков между плитами и надколонного стыка, что зачастую приводит к уменьшению надежности системы.

Поэтому, актуальным представляется экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния безбалочного перекрытия с целью поиска эффективных вариантов повышения надежности и сейсмостойкости зданий.

Одним из перспективных способов повышения сейсмостойкости зданий является применение упруго-фрикционных соединений (УФС) конструктивных элементов. Разработаны новые КТС, в которых реализуются преимущества УФС. При этом практически отсутствуют данные о применении подобных систем в панельном домостроении и исследованиях работы соответствующих конструктивных элементов и их соединений под нагрузкой.

Соответственно, возникает необходимость экспериментального исследования возможности применения УФС для полносборных зданий и изучения работы основных конструктивных элементов новых КТС, обладающих повышенной сейсмостойкостью.

Объектами исследования являются:

1. Натурный объект в виде 4-этажного учебного корпуса в конструкциях безригельного каркаса КУБ-1.

2. Конструктивная ячейка сборного железобетонного перекрытия безригельного каркаса КУБ-1.

3. Стеновая панель в виде металлической контурной рамки специальной конструкции, заполненная бетоном.

4. Система активной сейсмозащиты с использованием упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов полносборных зданий.

Цель и задачи исследований.

Повышение пространственной жесткости полносборных зданий за счет усиления монтажных узлов и стыков конструктивных элементов, применения упруго-фрикционных соединений между ними и экспериментальным подтверждением достигнутого эффекта.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выполнить сравнительный анализ существующих конструктивных систем безригель-ных каркасов. С помощью методов численного моделирования оценить резервы повышения устойчивости полносборных зданий на их основе.

2. Разработать конструктивные решения, обеспечивающие жесткость диска перекрытий за счет усиления монтажных швов между плитами и узлов сопряжения колонн с надколон-ной плитой. Изучить особенности совместной работы несущих элементов каркаса с учетом усиления монтажных швов и стыков.

3. Предложить новые технические решения и оценить экономическую эффективность введения упруго-фрикционных связей в систему конструктивных элементов для повышения сейсмической надежности полносборных зданий.

4. Исследовать работу стеновых панелей и плит перекрытия, обрамленных металлическим профилем для реализации УФС при проектировании и строительстве сейсмостойких зданий.

5. Подтвердить с помощью экспериментальных методов эффективность предложенных конструктивных решений.

На защиту выносятся:

1. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований работы безригельного каркаса при микродинамических колебаниях здания.

2. Конструктивно-технологические решения усиления дисков перекрытий безригельного каркаса по принципу внешнего армирования с использованием композитных материалов.

3. Конструктивные решения по повышению устойчивости и сейсмической надежности зданий на основе упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.

Научная новизна исследований.

1. Результаты экспериментально-аналитических исследований работы безригельного каркаса с использованием данных инженерно-сейсмометрического обследования и прочностных испытаний конструктивной ячейки натурного объекта.

2. Унифицированный метод усиления зданий различных типов в сейсмических районах на основе упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.

3. Эмпирическая зависимость порога срабатывания упруго-фрикционных соединений различных модификаций от величины усилия затяжки высокопрочных болтов и материала фрикционных прокладок.

Техническая новизна работы подтверждается патентом РФ на изобретение № 2340751 (патентообладатель ООО «Спецпроект» при лаборатории сейсмостойкого строительства ФГБУН ИЗК СО РАН, научный руководитель проекта к.г.- м.н. Ю.А. Бержинский).

Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных конечно-элементных методов расчета и программных средств. Достоверность численных расчетов подтверждается результатами экспериментальных исследований ячейки перекрытия системы КУБ-1, моделей панелей и их упруго-фрикционных соединений, изготовленных в натуральную величину.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований; проведении экспериментальных исследований; составлении рекомендаций по расчету усиления стыков и расчету конструктивных элементов.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны конструктивно-технологические решения усиления монтажных швов между плитами перекрытий безригельного каркаса при строительстве в сейсмических районах.

2. Предложена усовершенствованная конструкция надколонных стыков безригельного каркаса.

3. Разработан и экспериментально проверен способ повышения надежности системы сейсмоизоляции в виде кинематических фундаментов за счет введения дополнительных связей с упруго-фрикционными соединениями.

4. Разработаны рекомендации по проектированию упруго-фрикционных соединений, составленные на основании результатов экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования ячейки перекрытия с усиленными швами между плитами перекрытия системы КУБ-1 проведены на 4-этажном корпусе общеобразовательной школы в 7-м м-не г. Ангарска в составе совместной научно-исследовательской работы между ФГБОУ ВПО «АГТА» (г. Ангарск) и ФГБУН ИЗК СО РАН (г. Иркутск) в 2011 г.

Экспериментальные исследования демпфирующей способности металлических связей-подкосов с упруго-фрикционными соединениями на высокопрочных болтах проведены на натурном фрагменте сейсмоизолирующих фундаментов типа КФ, возведенных под 9-этажный жилой дом серии 97с, в г. Усолье-Сибирское (2011-2012 г.г.).

Внедрение результатов работы.

1 Результаты работы по увеличению жесткости дисков перекрытия для повышения пространственной жесткости каркаса применены в здании общеобразовательной школы г. Ангарска.

2 Металлические связи-подкосы с упруго-фрикционными соединениями применены в конструкциях кинематических фундаментов под 9-этажный крупнопанельный жилой дом в г. Усолье-Сибирское для повышения сейсмической надежности фундаментов типа КФ. Указанные связи служат ограничителями горизонтальных перемещений системы сейсмоизоляции и обеспечивают повышение ее демпфирующих свойств.

3 Результаты работы по исследованию способов усиления зданий, в том числе с применением систем активной сейсмозащиты используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «АГТА» при подготовке инженеров и бакалавров строительного профиля.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на:

- международных научно-практических конференциях ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2007; 2009; 2013);

- международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России: наука, образование, практика», посвященной 50-летию ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2008);

- VII Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (г. Сочи, 2007);

- Всероссийском совещании с участием приглашенных исследователей из других стран и Всероссийской научной молодежной школе при ИЗК СО РАН (г. Иркутск, 2012);

- VII Всеукраинской научно-технической конференции «Строительство в сейсмических районах Украины» (г. Ялта, 2008);

- областном конкурсе «Молодость. Творчество. Современность» (г. Иркутск, 2012);

- научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТА» (г. Ангарск, 2007 - 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в т.ч. 3 статьи в изданиях,

включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и патент на изобретение

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 150 страниц, включая 86 рисунков и 15 таблиц, библиографический список из 185 наименований.

Автор выражает благодарность заведующему лабораторией сейсмостойкого строительства ФГБУН ИЗК СО РАН кандидату геолого-минералогических наук Бержинскому Юрию Анатольевичу за помощь, ценные советы и замечания, которые сыграли важную роль при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, обозначены цели и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приводится обзор и анализ конструктивных систем, использующихся для жилищного строительства. Рассмотрены основные характеристики широко распространенных безригельных каркасов - УСМБК, КУБ, 1.120с, АРКОС.

Исследования конструкций безригельных перекрытий проводились научно-исследовательскими и проектными организациями НИИЖБ, ЦНИИПС, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИпромзданий и др.

Разработкой и исследованием конструктивных элементов, перечисленных конструктивных схем занимались отечественные исследователи: A.A. Гвоздев, В.В. Власов, С.Г. Кача-новский, В.А. Клевцов, Г.В. Мурашкин, В.А. Яров, A.C. Запесов, Т.И. Баранова, А.Э. Дорф-ман, JI.H. Левонтин и др. Из зарубежных исследователей следует отметить Р.В. Клуге, Ф. Рихарда, Э.А. Викмана, Т.В. Лин и др.

В каркасах системах УСМБК и КУБ основными элементами, обеспечивающими жесткость здания по рамной схеме, являются колонны и плиты перекрытия различных типов (надколонные, межколонные и пролетные). При переходе от рамной к рамно-связевой системе дополнительно вводятся элементы жесткости (распорки, связи, шпренгели, диафрагмы). В каркасах серии 1.120с и АРКОС предусмотрены «условные» ригели, лежащие в плоскости плит, образованные бетоном замоноличивания швов между плитами. В серии 1.120с указанные зоны используются для размещения высокопрочной предварительно напрягаемой при монтаже арматурой.

Отмечено негативное влияние несовершенства конструкции и сложности выполнения надколонных стыков каркаса на устойчивость и пространственную неизменяемость здания в целом. Кроме этого, для некоторых систем отсутствуют четкие рекомендации по расположению элементов жесткости каркаса — вертикальных диафрагм (стен, связей).

Отмечается, что Байкальский регион относится к сейсмически опасным зонам, поэтому возникает необходимость обеспечения сейсмозащиты зданий. Одним из перспективных способов является применение упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов, изучением которых занимались N. Mostaghel, М. Khodaverdian, Гудман, Кламп (США), Л.Ш. Килимник, Г.М. Михайлов, М.П. Николайшвили, У.Ш. Шамсиев и др. В таких соединениях создаются узлы или зоны сухого трения, в которых, благодаря взаимному проскальзыванию конструктивных элементов, происходит резкое увеличение диссипации энергии колебаний и изменение общего механизма деформирования сооружения. В силу этого снижаются затраты на антисейсмические мероприятия при обеспечении нормативного уровня сейсмостойкости здания.

Анализ рассмотренных конструктивных систем безбалочных перекрытий выявил ключевые требования к основным несущим конструктивным элементам и их стыковым соединениям, обеспечивающим надежность конструкции здания в целом:

- повышение несущей способности и снижение металлоемкости узлов;

- технологичность выполнения арматурных и бетонных работ в стыках.

На основании литературного обзора и анализа существующих конструктивных систем сделан вывод о целесообразности поиска эффективных способов усиления стыков несущих элементов и изучения работы элементов новой модульной конструктивно-технологической системы КТС для сейсмостойкого строительства. Таким образом, обосновывается постановка задач исследования.

Во второй главе изложены научно-методические основы исследований пространственной работы реального объекта, выполненного в конструкциях серии КУБ-1, а также представлен анализ работы конструктивной ячейки перекрытия под нагрузкой.

С учетом анализа существующих систем безригельных каркасов и вариантов узлов соединения их конструктивных элементов, обеспечивающих жесткость и устойчивость всей системы, использован системный подход к проблеме повышения пространственной жесткости полносборных зданий. Согласно принципам системного анализа структура системы является более важным фактором в формировании ее надежности и безотказности по сравнению с ролью отдельных элементов, в связи с чем в процессе исследования основное внимание уделено интегративным свойствам сложной технической системы.

Системный подход включает в себя несколько этапов проведения исследований: инженерные решения, аналитические оценки, численное моделирование, методы мелкомасштабного моделирования и проведение испытаний на натурных объектах. Данная методика использована при проведении работ по повышению пространственной жесткости диска перекрытий 4-этажного корпуса общеобразовательной школы в конструкциях каркаса КУБ-1 в г. Ангарске.

Инженерно-техническое обследование каркаса здания выявило многочисленные дефекты в устройстве монтажных швов между сборными плитами перекрытия. Для обеспечения технической безопасности существующего безбалочного перекрытия было необходимо:

1. Выбрать и рассчитать наиболее простой и эффективный способ усиления швов между сборными плитами безригельного каркаса.

2. Разработать рабочую программу статических испытаний конструктивной ячейки 6x6 м безригельного каркаса.

3. Изучить характер деформирования безбалочного перекрытия с анализом вертикальных прогибов и относительных линейных деформаций.

4. Сравнить полученные значения прогибов с допускаемыми предельными значениями для оценки эффективности выбранного способа усиления.

В результате технико-экономического сравнения вариантов был выбран способ усиления монтажных швов между плитами безригельного каркаса за счет применения внешнего армирования с помощью поверхностно-оклеечной стеклоткани (ПОС). Такое решение обеспечивает равнопрочность стыков между плитами перекрытия; равномерное распределение усилий растяжения и сдвига по всей длине стыка.

Для определения усилий, действующих в стыке, обоснованного выбора марки, количества и ширины приклеиваемых слоев стеклоткани была разработана компьютерная модель исследуемого объекта с помощью вычислительного комплекса SCAD. Расчеты проводились на постоянную, временную и сейсмическую нагрузку 8 баллов. Швы, усиленные ПОС, рассчитывались на восприятие максимальных растягивающих TV, =6,82 кН и сдвигающих N ь = 13,2 кН усилий в стыке. Расчет показал, что при использовании стеклоткани марки ЭЗ-200 (ГОСТ 19907-83) потребуется три слоя шириной не менее 440 мм.

Для апробации принятого способа усиления швов была разработана рабочая программа статических испытаний перекрытия конструктивной ячейки 6x6 м. Во время ступенчатого загружения регистрировалась нагрузка, соответствующий ей прогиб/и относительная линейная деформация е. Материалы для имитации нагружения - песок и кирпич. Основные приборы: механические прогибомеры Максимова ПМЗ с ценой деления 0,1 мм - 11 штук (П1-П11); 64-канальный тензометрический комплекс ТК50; тензорезисторы (т/р) типа КФ (R=200 Ом, база 20 мм) - 40 штук. Результаты испытаний представлены на рисунках 1-3.

Анализ полученных данных позволяет отметить следующее:

1. Прогибы в усиленных швах сопряжения пролетной плиты с межколонными плитами отличаются по значению почти в 2 раза, что говорит о несимметричной деформации пролетной плиты и конструктивной ячейки в целом.

2. Скачкообразное уменьшение прогиба в стыке надколонной плиты с колонной на 8-й ступени нагружения свидетельствует о его неустойчивой работе.

3. В начальной стадии эксперимента пролетная плита опирается на межколонные плиты как на деформируемый контур и только после 3-й ступени нагружения происходит перерас-

пределение усилий посредством вовлечения перекрытия в работу как единого целого.

Рисунок 1 - Расстановка прогибомеров П1-П11 (а) и график прироста прогибов во время испытания (б)

Ступени нагруженкя, кг.;м2

Рисунок 2 - План ячейки 6x6 м: а - схема загружения перекрытия; б - наклейка т/р (с №1-10 и с №26-35 - продольная ось У; с №11-20 и с №36-45 - поперечная ось X)

Рисунок 3 - Графики прироста относительных деформаций г:во время испытания: а - в продольном направлении; б - в поперечном

4. Зоны надколонных стыков перекрытия с колонной при нагружении работают по-разному - стык в зоне прогибомера П11 более жесткий, по сравнению со стыком в зоне про-гибомера ПЮ. Зафиксировано значительное изменение прогиба плиты на 8-й ступени на-гружения, что говорит о нарушении технологии производства работ при устройстве стыков

В соответствии со СНиП 2.01.07-85* предельные прогибы плит безбалочного перекрытия составляют: для надколонных и межколонных плит - 30 мм; для пролетных плит - 42 мм. Сравнение полученных значений предельных прогибов с экспериментальными данными позволило сделать вывод об эффективности выбранного способа усиления швов между сборными плитами безригельного каркаса и о целесообразности его практического применения для всего здания.

В третьей главе представлены результаты обработки экспериментальных данных натурных испытаний, обозначены выявленные проблемы и предложены пути их решения.

Для обработки экспериментальных данных использовалась конечно-элементная модель, состоящая из 14,5 тысяч элементов и 14 тысяч узлов. С учетом усиления швов, перекрытие было задано в виде единого жесткого диска покрытия.

Количество ступеней и величина нагрузки при загружении модели полностью соответствовали экспериментальным значениям. В результате были рассчитаны вертикальные прогибы и получены изополя напряжений, возникающих в материале плит. Результаты сравнения

теоретических и экспериментальных значений прогибов приведены на рисунках 4, 5.

Относительные линейные деформации, полученные в результате натурного эксперимента, преобразовывались в главные напряжения а/, 2 по закону Гука с учетом двухосного напряженного состояния загружаемых плит:

ж

-б)

И

-(г, +ує2),

' 1-у' 1-у

где Е - модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; е - относительная линейная деформация.

в)

о а)

б)

Рисунок 4 - Прогибы ячейки перекрытия на 9-й ступени загружения: а - теоретические; б— эксперимент; в - формы колебаний диска перекрытий каркаса КУБ-1 при микродинамических воздействиях

—Экспериментальный прогиб

—Ш— Теоретический прогиб

0123456739 10 11 12 N9 прогибомера

-0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 40-11 12 №проги6омерл

Рисунок 5 - Сравнение теоретических и экспериментальных прогибов на 5 (о) и 9 (б) ступени загружения

Результаты расчета напряжений с помощью моделирования проиллюстрированы на рисунке б в виде изополей напряжений нижней поверхности плит изучаемой конструктивной ячейки 6x6 м, а сравнение теоретических и экспериментальных значений напряжений дано на рисунках 7, 8.

а)

[S -12 13 i ÍS 3* 11 ¡o •A Zi. .

.WS

»ы» "Ы" ■ "W" 11,1.1 m »•.;

■•у не м ■v m Vi.. 8Э» ш m •>U" "W \v "Ы"

"U" "•ni" "U" "Ы"

у Y

б).

П 3 ¿S í

m Щ.

Ш ..A

»„w

■ ■ . ■ та m ;«;<я a

„"J étg" if ti* ¿Éfe

Ш

l7 »«ж ■Jjp 1H

Рисунок 6 - Напряжения в безбалочном перекрытии понизу: ■ вдоль местной оси У[ - 5», т/м2; б - вдоль местной оси Х[ - т/м

№ *снзорозисторз

Рисунок 7 - Сравнение теоретических и экспериментальных напряжений на 5 ступени загружения в продольном направлении: а - по т/р № 1-10; б - по т/р № 26-35

а)

б)

—*—Эксперимент

.<■. 37 3S

№ тстореэистора N1.' геизоре.мстора

Рисунок 8 - Сравнение теоретических и экспериментальных напряжений на 5 ступени загружения в поперечном направлении: а - по т/р № 11-20; б - по т/р № 36-45

На рисунке 4, б можно увидеть несимметричность деформирования безбалочного перекрытия при загружении его равномерно распределенной нагрузкой. Вследствие этого реальные прогибы в зонах прогибомеров П2, П6-П8, П11 превышают расчетные значения (рисунок 5). Также выявлено отсутствие зон сжатия по нижней поверхности безбалочного перекрытия, что не согласуется с расчетной схемой исследуемого конструктивного элемента и результатами моделирования. Как следствие, значения экспериментальных напряжений в большинстве точек превышают теоретические (рисунки 7, 8).

По результатам сравнения и анализа можно сделать следующие выводы:

1. Усиление швов между сборными плитами безригельного каркаса с использованием ПОС повышает надежность здания за счет объединения отдельных сборных элементов в единую систему, способную деформироваться совместно при восприятии нагрузки, что позволяет рекомендовать данный способ усиления для практического применения.

2. Неравномерное распределение прогибов и нарушение регулярности полей напряжений перекрытия в зонах сопряжения надколонных плит со стойками каркаса указывают на недостаточную и разновеликую жесткость надколонных стыков, что является следствием наруше-

ния технологии их выполнения.

В связи с этим возникает необходимость усиления надколонных стыков с целью устранения выявленных проблем.

Были разработаны несколько вариантов модифицированного надколонного стыка (рисунок 9). В варианте 1 (рисунок 9, а) предполагается устройство металлической обоймы из прокатного уголка поверху и понизу надколонного стыка (или только поверху - вариант 1*). Уголки крепятся к закладным деталям плиты с помощью сварки, а к колонне анкерными болтами или шпильками. В варианте 2 (рисунок 9, б) усиление существующего узла осуществляется добавлением стержней горизонтальной арматуры, уложенных во взаимно перпендикулярных направлениях поверху плиты и проходящих сквозь колонну. В варианте 3 (рисунок 9, в) предлагается устройство верхней обоймы, состоящей из прокатных уголков, имеющих анкеровку от колонны на плиту в обе стороны.

дЩ, ■

Рисунок 9 - Варианты усиления надколонного стыка

Для сравнения эффективности представленных вариантов усиления с точки зрения разгрузки узла путем снижения воспринимаемых усилий было выполнено компьютерное моделирование и расчет по прочности и деформациям надколонного стыка без усиления и с усилением с помощью ВК SCAD на постоянную и временную нагрузку. В результате получены значения прогибов плиты Z"" и Z" в надколонной и консольной части, нормальных и касательных напряжений N"\z и Т™ поверху и понизу плиты перекрытия, возникающих в зоне надколонного стыка.

В результате сравнения вариантов с учетом эффективности снижения силовых факторов в надколонной части и трудоемкости выполнения элементов усиления наиболее предпочтительным оказался вариант 1.

Четвертая глава посвящена изучению работы систем активной сейсмозащиты с использованием упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.

Известно, что для надежности и сейсмозащиты в конструкциях каркасов реализуется идея УФС, базирующаяся на принципах упруго-пластического соединения. Плавное реагирование УФС на силовое воздействие способствует предохранению несущих элементов, составляющих систему, от хрупкого разрушения.

Для реализации УФС в рассматриваемой КТС предусмотрено обрамление стеновых панелей и плит перекрытия рамками из металлического уголка (РМ). Рамки соединяются между собой с помощью высокопрочных болтов (ВПБ). В результате образуется фрикционно-подвижное соединение. Перемещение ветвей каркаса (колонн и ригелей составного крестообразного сечения) друг относительно друга при превышении предельного усилия в конструкции, задаваемого регулируемой затяжкой гаек, обеспечивается овальными отверстиями под установку ВПБ. Между контурными обрамлениями примыкающих панелей устанавливаются упруго-фрикционные прокладки. При определенной величине деформации каркаса силы трения покоя в швах преодолеваются и происходит взаимное проскальзывание элементов. УФС до определенного уровня усилий работает как жесткое соединение. При превышении этого уровня в стыке происходит контролируемый сдвиг, величина которого определя-

ется зазором между ВПБ и овальным отверстием под ВПБ. ВГТБ используются не только как элементы фрикционного соединения, но и как «несущие» болты, работающие в предельном состоянии на сдвиг. При этом несущая способность соединения превышает усилия, вызывающие сдвиг, в 2,5-3 раза. Исследованиями ЦНИИСК подтверждена высокая усталостная прочность соединений на несущих болтах.

Испытывались стыки двух уголков 100x8 мм, соединенных двумя ВПБ М16, установленными в отверстия с диаметральным зазором 5 и затянутыми гайками. Контроль усилия затяжки осуществлялся с помощью динамометрического ключа UNIOR 615489 (70-560 Н м). Между уголками (площадками скольжения) размещался слой упруго-фрикционного материала (паронит, фторопласт или резина), усиливающий эффект рассеяния энергии при колебаниях каркаса здания. Образцы отличались друг от друга количеством, формой и размерами отверстий под ВПБ: тип 1 - два круглых 019 мм, 8=3 мм; тип 2 - два овальных 19x23 мм, 8=7 мм и тип 3 - одно овальное 19x102 мм, 8=70 мм (рисунок 10, а). Изменялся также момент затяжки болтов.

Программой испытаний предусматривалось решение следующих задач: изучение кинематического параметра деформирования конструкции - смещения при статических нагрузках; экспериментальное определение «порогов срабатывания» элементов УФС; проверка работоспособности принятых решений активной сейсмозащиты; выявление направлений их дальнейшего совершенствования.

Нагружение образцов производилось статически ступенями растягивающей нагрузки по 10 кН с помощью разрывной машины РМ20 (рисунок 10, б) с получением диаграммы «нагрузка Р-абсолютное перемещение А/» (рисунок 10, г, д). Относительные линейные деформации s измерялись на каждой ступени при помощи тензометрического комплекса ТК50 и 14 тензорезисторов (т/р) типа HML FLA (R=120 Ом, база 5 мм). Т/р были приклеены по трем сечениям: наиболее приближенному (сечение 1-1) и наиболее удаленному (сечение 3-3) от места приложения растягивающего усилия, а также по концентратору напряжений - отверстию (сечение 2-2).

По обработанным данным тензометрии были построены эпюры внутреннего напряженного состояния на разных этапах нагружения (10, 30, 60, 80 кН) - рисунок 10, в. Так, например, для образца 1 типа с паронитовой прокладкой и моментом затяжки ВПБ 350 Н м полученные результаты приведены в таблице 1.

На последней ступени нагружения ^=80 кН (смещение преодолено и болт работает на срез) материал уголка испытывает максимальное напряжение о= 1902 кг/см2, которое не превышает расчетного сопротивления стали растяжению по пределу текучести Ry=2450 кг/см2 (ГОСТ 27772-88*), что доказывает сохранение несущих свойств составных ветвей каркаса.

Таблица 1 - Результаты испытания УФС с паронитовой прокладкой при М=350 Н м

№ т/р

1 2 з 4 5 6 7 8 9 10 П 12 13 14

Р=\0 кН

£х103 4,92 12,1 2,95 4,92 3,77 2,46 5,25 5,58 1,97 0,656 0,082 -2,3 -0,16 1,23

сг, кг/см" 98,4 241,1 59 98,4 75,4 49,2 105 111,5 39,4 13,1 1,6 -46 -3,3 24,6

Р=в0 кН

гхЮ5 18,6 52,6 13,9 21,1 15,4 5,25 12,5 17,5 5,25 1,48 0,08 -6,5 -1,1 2,38

сг, кг/см2 372,3 1053 278,8 421,5 308,3 105 249 351 105 30 1,6 -130 -21 47,6

/>=80 кН

^<105 24,7 95,1 10,9 28,6 20,3 4,18 7,71 22,7 4,67 1,39 -0,08 -8,2 -1 2,87

(7, кг/см" 494 1902 218 572 405 84 154 454 93,5 27,9 -1,64 -164 -20 57,4

д)

"¡1 ИР \}я- ОІҐ" іг

-І

• 8 53588« д/ ,

г, а

Рисунок 10 - Образцы УФС с результатами испытаний'.

- тип 2 - два овальных отверстия; 6 - схема приложения нагрузки РМ20;

в - эпюра внутренних напряжений сг(кг/см2) при Р =10 кН;

- диаграммы «нагрузка-абсолютное перемещение» для образцов типа 1 и 3

На диаграммах «Р-Д/» (рисунок 10, г, д) можно увидеть площадку подвижки УФС (так называемый «стук» болта) и область текучести болта, причем УФС с двумя ВПБ в одном овальном отверстии имеет более сложную диаграмму «Р-А1» с несколькими пиками и впадинами (рисунок 10, д), соответствующими началу работы одного болта, включению в работу второго и далее их совместной работе. То есть соединение может несколько раз в процессе нагружения изменить характер своей работы, поэтому оно является наиболее перспективным для использования в сейсмических районах.

Были установлены сдвигающие усилия N - «порог срабатывания» для различных образцов. Так, для 1 типа УФС (паронит) при М=350 Нм значение И=3 т; при М=400 Н-м величина N=4 т; при М=500 Н м усилие N=5 т. Также определены значения усилий, при которых УФС начинает работать на срез и смятие (ВПБ преодолевает допускаемый зазор, и работа соединения на трение заканчивается). Так, для 1 типа УФС (паронит) при М=350 Н м оно составило Л?ср(я=7 т, а при М=500 Н м соответственно Мсри=9 т.

Выявлено, что с увеличением длины овального отверстия под ВПБ «порог срабатывания» возрастает, что можно объяснить увеличением локальных напряжений обжатия под шайбой ВПБ. Так, для 1 типа УФС с М=350 Н м при 5=3 мм величина АКЗ т; при 5=7 мм значение N=5,5 т; при 5=70 мм усилие N=8,6 т.

Установлено, что в ходе работы соединения коэффициент трения материала, использующегося в качестве прокладки, уменьшается. Данное явление происходит в результате механического износа поверхности, а также, предположительно, будет происходить с увеличением массы надземных конструкций. В результате происходит уменьшение значения «порога срабатывания» УФС, изменение внутренней динамической структуры каркаса здания и повышение способности конструкций к поглощению энергии сейсмического воздействия.

Для создания фрикционного соединения минимальный расчетный момент^ВПБ 016 мм равен 368 Н м, что соответствует силе натяжения Р= 12 т согласно СНиП И-23-81* «Стальные конструкции». Однако при использовании прокладки из резины максимальный момент затяжки ВПБ составил всего М=150 Н м, а значение «порога срабатывания» УФС 0,5 т, поэтому данный материал можно исключить из практического применения, как наименее эффективный.

Для оценки достоверности результатов определялось расчетное сдвигающее усилие для одной контактной поверхности стянутой одним болтом по формуле:

вьн = Г„

и предельное усилие N перед подвижкой соединения на величину 5 по формуле:

И>п<2ы,кУс,

где п - количество болтов; к - количество поверхностей трения соединяемых элементов;

ус - коэффициент, учитывающий условия работы.

При сравнении теоретических и экспериментальных значений сдвигающей силы (таблица 2) можно отметить следующее:

- наибольшее соответствие теоретических и экспериментальных данных наблюдается при использовании паронита (N-30 кН; Ы"~сп = 32 кН);

- усилие, возникающее в соединении, приходится на один крайний болт, это говорит об условности предположения о пропорциональности несущей способности соединения количеству установленных болтов (Ы"0" = 32 кН; Я* = 60 кН).

Таблица 2 - Сравнение теоретических и экспериментальных значений усилий

Скользящая пара М Оы,, кН К кН ЛГ", кН Л'*, кН

Сталь - фторопласт 0,04 3,2 2,4 2-3 4,8

Сталь - паронит 0,50 40 30 32+40 60

Сталь - резина 0,40 32 24 9 48

Сталь - сталь (без обработки поверхности) 0,25 20 15 - 30

Сталь - сталь (обработка стальными щетками) 0,35 28 21 - 42

Сталь - сталь (газопламенная обработка) 0,42 34 25 - 50

Сталь - сталь (обработка дробью) 0,50 40 30 - 60

Сталь - сталь (дробеструйная обработка) 0,58 47 35 - 70

1 фИМСЧОППЛ.

1. Коэффициенты трения для соединяемых обработанных поверхностей приняты согласно СНиП [1-23-81 .

2. Ы* - сила, учитывающая работу обоих болтов (и = 2).

3. Значение к - принято равным единице, т.к. по внешнему виду образца после испытания четко видно, что смешение происходит только по одной поверхности скольжения (трения).

Результаты экспериментального изучения системы сейсмоизоляции в виде упруго-фрикционного соединения позволяют сделать ряд выводов:

1. Полученные значения напряжений, возникающих в поперечном сечении ветвей УФС, позволяют минимизировать материалоемкость соединения. Максимальное напряжение в материале уголка не превышает расчетного сопротивления стали растяжению по пределу текучести, что подтверждает работоспособность УФС и возможность ее применения для уменьшения потенциального ущерба от повреждений и выхода из строя несущих конструкций здания и их сопряжений при сейсмическом воздействии.

2. Установлено, что значительное влияние на работу системы оказывает не только материал прокладки и усилие затяжки, но и форма и размер отверстия. Наибольший «порог срабатывания» получен для образца с одним овальным отверстием и двумя ВПБ. Это преимущество, в совокупности с большим диапазоном подвижки соединения, обусловливает наибольшую перспективность УФС с овальными отверстиями для практического применения.

3. Выявлена возможность регулирования параметров УФС в широком диапазоне за счет изменения усилия затяжки ВПБ, размеров и формы отверстий и обоснованного выбора материала прокладок. При использовании фторопласта система обладает наибольшей чувствительностью к внешнему воздействию и имеет значительно меньший «порог срабатывания» по сравнению с УФС с паронитом.

4. При проектировании УФС необходимо учитывать уменьшение коэффициента трения материала прокладки в процессе работы соединения.

5. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых технических решений по усилению существующих конструкций. Выявленные особенности работы УФС подтверждаются контрольными испытаниями кинематических фундаментов, усиленных металлическими связями с применением демпфирующей способности фрикционного соединения на ВПБ, в г. Усолье-Сибирское (рисунок 11).

. А ▲

1 Й =

ы гН А и п

1

- и - и <" "І і І и и 1]« л, у-Ги

_________ 6030

Рисунок 11 - Схема натурных испытаний системы сейсмоизоляции в виде кинематических фундаментов типа КФ, усиленных упруго-фрикционными связями

Рассмотрена работа обрамленных металлическими рамками стеновых панелей (СП) новой модульной КТС, обладающей повышенной сейсмостойкостью.

Металлический каркас воспринимает в основном вертикальные нагрузки и обеспечивает пространственную неизменяемость здания, а заполнение каркаса активно участвует в работе на горизонтальные сейсмические нагрузки. Таким образом, обеспечивается высокий уровень надежности системы.

Требования к теплозащите здания обеспечиваются за счет многослойной конструкции наружных стен, которые состоят из внутренней несущей панели, слоя эффективного утеплителя, воздушной прослойки и наружной стеновой панели - навесная фасадная система.

Объектом исследования служила модель стеновой панели.

В лаборатории строительных конструкций ФГБОУ ВПО «АГТА» испытывались модели стеновых плит размером 700x700x35 мм, имеющие по контуру обрамление в виде металлической рамки из равнополочного уголка 25x3 мм по ГОСТ 8509-93.

На начальном этапе в качестве заполнения СП были приняты получившие в настоящее время широкое распространение пенобетон (ПБ) (ГОСТ 25485-89) и полистиролбетон (ГОСТ Р 51263-99). Использовался ПБ средней плотности 0900, в том числе с применением полипропиленовой, базальтовой и анкерной фибры. В качестве арматуры СП применялась стальная либо пластмассовая сетка.

Основные физико-механические характеристики применяемых материалов определялись согласно ГОСТ 18105-2010, ГОСТ 10180-90, ГОСТ 24452-80 и представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Физико-механические характеристики заполнения СП

Наименование образцов р, кг/м3 Ксж, МПа Яшг, МПа Е, МПа X, Вт/(м К)

ПБ 894 3,27 0,52 1060 0,225

ПБ с полипропиленовой фиброй 913 3,7 0,575 1446 0,289

ПБ с базальтовой фиброй 915 3,85 0,57 1401 0,281

ПБ со стальной фиброй 1046 4,82 0,81 1757 0,371

Полистиролбетон 493 1,83 0,39 639 0,092

Очевидно, что материал, применяемый в качестве заполнителя, должен обладать малой теплопроводностью X, низкой плотностью р и достаточными прочностными характеристиками Е, Л. Соответственно, по результатам сравнения лучшие характеристики показал ПБ с добавлением полипропиленовой или базальтовой фибры. Однако, для объективной оценки необходимо было изучить особенности совместной работы заполнения и металлического об-

рамления при перекосе СП. С этой целью проводилось кососимметричное загружение панелей посредством прикладывания сосредоточенной нагрузки по диагонали СП (рисунок 12).

б)

Фа .

141_

/Рс

•-■'А

'71

Х/2

У

л/2

Рисунок 12 - Напряженно-деформированное состояние СП: а - схема испытания; б - схема действующих напряжений (плоское двухосное напряженное состояние); в - определение перекоса

Жесткость панели под нагрузкой оценивалась значениями относительных линейных деформаций растяжения <5; и сжатия

о'

где X, 2- абсолютное значение удлинения и укорочения диагонали СП соответственно;

О - диагональ СП (рисунок 12, в).

Диаграмма изменения относительных деформаций изображена на рисунке 13. Как можно видеть, кривые почти симметричны относительно обеих осей графиков, однако деформации сжатия преобладают над деформациями растяжения (£<&) примерно в 2,2 раза, что объясняется хрупкостью используемого заполнителя.

V 800 /

X 'А- - С

500 jf'

' —, 400 • / / /¿Г иг

® ° § о S § 5 о § § В о о g о о с

1- 9- § о- о о о о о о о" о

-1 пенобетон без фибры

— - - II с полипропиленовой

фиброй

— - - - III с базальтовой фиброй

— — IV со стальной фиброй

— - -V полистирол бетон

Относит, деформ. сжатия Относит, деформ. растяжения

Рисунок 13 - Диаграмма относительных деформаций растяжения £ и сжатия £?СП

При загружен™ панели происходит ее перекос в собственной плоскости из-за возникновения касательных напряжений. Мерой перекоса служит угол ^ (рисунок 12, в), величина которого зависит от размеров панели и относительных деформаций, определяется по формуле:

С

у = агссоБ —, ' 2 А

где у- перекос, рад; С-диагональ после деформации сжатия, мм; А - длина панели, мм. Для примера в таблице 4 приведены значения перекоса при нагрузке 400 кг.

Таблица 4 - Значения перекоса СП

Наименование образцов Перекос, рад

ПБ со стальной фиброй 0,78639

ПБ с полипропиленовой фиброй 0,78696

ПБ с базальтовой фиброй 0,78739

ПБ 0,78766

Полистиролбетон 0,78978

ПБ с полипропиленовой фиброй; арматура СП пластмассовая сетка 0,79259

ПБ с полипропиленовой фиброй; арматура СП оцинкованная сетка 0,80098

Видно, что наибольшей устойчивостью в плоскости плиты обладает образец, заполненный ПБ, армированным стальной фиброй. Однако, использование такого заполнителя приведет к утяжелению панели и ухудшению ее теплоизоляционных свойств (таблица 3). Соответственно, с учетом всех выше перечисленных требований к материалу заполнения, наиболее приемлемым является ПБ, армированный неметаллической фиброй, значение перекоса для которого отличается незначительно (менее 1%), а плотность (на 12,5%) и теплопроводность (на 24,3%) меньше, чем у ПБ, армированного стальной фиброй.

В ходе эксперимента фиксировалось появление и развитие трещин в заполнении СП. Характерная картина трещинообразования представлена на рисунке 14.

При малых перекосах СП появляются волосяные контурные трещины, жесткость заполнения быстро уменьшается с ростом нагрузки, которая прикладывалась ступенями по 50 кг и составила 350-800 кг в зависимости от типа заполнения.

Создана расчетная схема и выполнено компьютерное моделирование работы СП с РМ при кососимметричном загружении с использованием ВК SCAD. Получены изополя напряжений - рисунок 15, согласующиеся с теорией трещинообразования.

Трещинообразование происходит в определенной последовательности и может быть разделено на три характерные стадии.

1. РМ и заполнение работают монолитно по всему периметру панели. Напряженное состояние характеризуется сжатием по одной диагонали и растяжением по другой. Первая стадия заканчивается при малых деформациях образованием контурных трещин в угловых участках удлиняющейся диагонали, причиной возникновения которых являются нормальные растягивающие и скалывающие напряжения (рисунки 12, б и 15).

2. Возникает контурная трещина между каркасом и заполнением в растянутой зоне. Сжатая диагональ для каркаса и заполнения укорачивается. Усилие с каркаса на заполнение передается по коротким сжатым площадкам в углах заполнения. Максимальные деформации сжатия концентрируются по концам, убывая к середине диагонали (рисунок 15, а). В растянутой диагонали деформации каркаса заметно больше деформаций заполнения - заполнение в этих местах оказывается отделенным от обрамляющего металлокаркаса. Наибольшие деформации растяжения в середине диагонали, наименьшие - у ее концов (рисунок 15, б). Стадия заканчивается образованием трещин вдоль сжатой диагонали в направлении диагонально приложенного сжимающего усилия.

Рисунок 14 - Развертка трещинообразования заполнения СП

3. Металлическое обрамление сохраняет несущую способность. После появления диагональной трещины вдоль сжатой диагонали жесткость образца падает, возникают параллельные трещины, а растянутая диагональ заполнения удлиняется и становится равной диагонали каркаса. Отсутствие диагональных трещин в углах объясняется условием двухосного сжатия заполнения. Ширина диагональной трещины достигает 2-5 мм.

Исследования СП с обрамлением РМ проводились по методике, приведенной в работах C.B. Полякова (ЦНИПС) и позволяют развить их применительно к решению задач, связанных с изучением влияния жесткости заполнения на работу СП.

Сравнение экспериментальных данных и моделирования представлено в таблице 5.

а)

Рисунок 15 - Изополя напряжений, возникающих в заполнении СП от загружения сосредоточенной силой 0,5 т: а - Ых, т/м2; б - Иу, т/м2; в - ТХу, т/м

Таблица 5 - Сравнение экспериментальных и теоретических данных

Наименование Перемещения, мм Напряжения в заполнении, т/м"

A-(T.l) 7(т.З) Nx(S3) (т. 5) N,(S,) (т.5) Тхг (т.1)

Экспериментальные данные РМ с заполнением -0,6 -1,5 -16.03 14,4 ±0,86

Модель РМ с заполнением ПБ 700x700x35 мм; Е=12500 т/м2 -0,65 -1,41 -15,48 14,57 ±1,34

Примечания:

]. Местонахождение точек 1, 3, 5 и направление касательных, главных растягивающих и сжимающих напряжений показано на рисунке 12.

2 Напряжения заполнения СП для экспериментальных данных рассчитывались по формулам:

N N _Ю

<Ууу = (при у=0,9); сгну - ; ТТХу - , Ру /- ¿Г

где Г - площадь поперечного сечения СП.

Хорошая сходимость результатов говорит о достоверности принятого численного аппарата и о возможности использования полученной модели для прогнозирования напряженно-деформационного состояния реальной панели. Полученные результаты подтверждают целесообразность применения пенобетона в качестве материала заполнения. Разработанная компьютерная модель СП позволяют получать изополя напряжений, возникающих в заполнении плит, значения деформаций под нагрузкой, выполнять подбор и проверку сечения обрамления. Они могут быть использованы при проектировании конструктивных элементов новой модульной КТС, обладающей повышенной сейсмостойкостью.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Результаты натурных испытаний конструктивной ячейки каркаса КУБ-1 с усилением монтажных швов между сборными плитами перекрытия методом внешнего армирования с использованием композитных материалов (ПОС) и численного моделирования опытного объекта позволили установить, что усиление монтажных швов между плитами безригельного каркаса с использованием ПОС повышает пространственную жесткость каркаса за счет объединения отдельных сборных элементов в единую систему, способную деформироваться совместно при восприетии нагрузки, что позволяет рекомендовать данный способ усиления для практического применения.

2. Предложены и исследованы новые варианты усиленных стыков колонн с перекрытиями (надколонный стык) с целью устранения неравномерного деформирования безбалочного перекрытия при восприятии нагрузки, вызванного недостаточной или разновеликой жесткостью существующих надколонных стыков.

3. Экспериментально подтверждена работоспособность упруго-фрикционного соединения в качестве элемента активной сейсмозащиты зданий панельного типа. Установлен «порог срабатывания» системы, выявлена возможность регулирования ее параметров в широком диапазоне за счет изменения усилия затяжки высокопрочных болтов, размеров и формы отверстий и выбора материала упруго-фрикционных прокладок.

4. Методами мелкомасштабного моделирования обоснована работоспособность стеновых панелей, обрамленных металлическим профилем, для использования их при проектировании и строительстве сейсмостойких зданий. Предложен наиболее предпочтительный материал для заполнения стеновой панели с контурным металлическим обрамлением.

5. Исследование механизма трещинообразования позволило установить, что расчетную схему стеновой панели при компьютерном моделировании целесообразно представить как систему с растянутыми и сжатыми раскосами для начальной упругой стадии работы каркаса здания и в виде системы с одним сжатым раскосом на стадии учета процессов трещинообразования.

6. Разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению стеновых панелей, и их упруго-фрикционных соединений новой (запатентовоной) конструктивно-технологической системы сейсмостойкого малоэтажного здания со скрытым металлическим каркасом, возводимого по принципу «сухого строительства».

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации.

Патенты:

1. Патент РШ 2340751 С1, МПК Е04Н9/02 Сейсмостойкое здание / Бержинскии Ю.А., Иванькина Л И., Саландаева О.И., Чигринская Л.С. - 2008. - Бюл. №34.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Чнгрннская Л.С. Устройство упругих демпферов в антисейсмическом шве между блок-секциями жилого дома / Л.С. Чигринская, Ю.А. Бержинский, А.П. Ордынская, Л И. Иванькина // Вестник ТГАСУ. - 2008. - № 2 (19). - С. 85-92.

2. Бержинский, Ю.А. Оценка сейсмической надежности жилых и общественных здании при землетрясении 27.08.2008 г на Южном Байкале / Ю.А. Бержинский, Л.П. Бержинская, Л.И. Иванькина. А.П. Ордынская, О.И. Саландаева, Л.С. Чигринская, В.В. Акулова, Е.Н. Черных // Вопросы инженерной сейсмологии. - 2009. - Т. 36. - С. 23-39.

3. Чигринская Л.С. Изучение работы конструктивной ячейки безбалочного перекрытия системы КУБ-1 / Л.С. Чигринская, Д.В. Киселев, С.А. Щербин // Вестник ТГАСУ. - 2012. -№4(37).-С. 128-143.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации:

1. Бержинский, Ю.А. Применение упруго-фрикционных систем для строительства жилых домов в Иркутской области / Ю.А. Бержинский, Л.С. Чигринская // Сборник научных трудов. - Ангарск: ATTA. - 2007. - Т. I. - С. 169-174.

2. Чигринская Л.С. Использование упруго-фрикционных систем для малоэтажного строительства в сейсмических районах / Л.С. Чигринская, Л.И. Иванькина // Тезисы докладов VII Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием. - Сочи. - 2007. - С. 94.

3. Чигринская Л.С. Анализ использования безригельного каркаса в сейсмических районах /Л.С. Чигринская, Л.П. Бержинская // Материалы международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России: наука, образование, практика». - Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ. - 2008. - С. 60-63.

4. Чигринская Л.С. Домостроительная система со скрытым металлическим каркасом для малоэтажного строительства в сейсмических районах Прибайкалья / Л.С. Чигринская, Ю.А. Бержинский, Л.И. Иванькина // Международный научно-технический сборник. Строительство в сейсмических районах Украины. - Киев: НД1БК. - 2008. - Выпуск 69. - С. 486^93.

5. Чигринская Л.С. Сравнительный анализ физического эксперимента и компьютерного моделирования работы пенобетонной стеновой панели / Л.С. Чигринская, Е.А. Миронова, Н.В. Савельев // Сборник научных трудов молодых ученых и студентов. Раздел III. Строительство. - Ангарск: АГТА. - 2011. - С. 74-82.

6. Бержинский Ю.А. Оценка сейсмической надежности жилых и общественных зданий при землетрясении 27.08.2008 г на Южном Байкале / Ю.А. Бержинский, Л.П. Бержинская, Л.И. Иванькина, А.П. Ордынская, О.И. Саландаева, Л.С. Чигринская, В.В. Акулова, E.H. Черных // Култукское землетрясение 27 августа 2008 года на юге Байкала (сборник статей). -Иркутск: Институт земной коры СО РАН. - 2011. - С. 89-105.

7. Чигринская Л.С. Изучение работы упруго-фрикционного соединения. Часть 1 / Л.С. Чигринская, А О. Петухов // Сборник научных трудов. Строительство. - Ангарск: Издательство АГТА.-2012. - С. 135-141.

8. Чигринская Л.С. Изучение работы упруго-фрикционного соединения. Часть 2 / Л.С. Чигринская, А.О. Петухов // Сборник научных трудов. Строительство. - Ангарск: Издательство АГТА.-2012.-С. 142-152.

9. Чигринская Л.С. Исследование работы безбалочного перекрытия системы КУБ / Л.С. Чигринская // Сборник научных трудов. Строительство. - Ангарск: Издательство АГТА. - 2012. - С. 125-134.

10.Бержинский Ю.А. Контрольные испытания системы сейсмоизоляции в виде фундаментов типа КФ под 9-этажный жилой дом в г. Усолье-Сибирском / Ю.А. Бержинский, Л.П. Бержинская, Д.В. Киселев, Л.С. Чигрннская, С.А. Щербин [и др.] // Современная геодинамика Центральной Азии и опасные природные процессы: результаты исследований на количественной основе. Материалы Всероссийского совещания и молодежной школы по современной геодинамике. В 2-х т. - Иркутск: ИЗК СО РАН. - 2012. - Т. 2. - С. 137-140.

Подписано в печать 02.09.13. Формат 60.84 1/16. Уч.-изд. л. 1,25.

Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 2270 Отпечатано в Ангарской Государственной технической академии. 665835, Россия, Иркутская область, г. Ангарск, ул. Чайковского, д. 60

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ангарская государственная техническая академия»

ПОВЫШЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ПОЛНОСБОРНЫХ ЗДАНИЙ

Специальность

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Научный руководитель: кандидат технических наук

Бержинская Лидия Петровна (ФГБУН Институт земной коры Сибирского отделения РАН, г. Иркутск)

На правах рукописи

04201361815

Чигринская Лариса Сергеевна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ангарск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава 1. Конструктивные особенности и принципы обеспечения 12 пространственной жесткости зданий в существующих системах безригельных каркасов

1.1 Конструктивные системы каркасных зданий и обеспечение их 12 пространственной жесткости

1.2 Существующие конструктивные системы безригельных каркасов 14

1.2.1 Унифицированный сборно-монолитный безригельный каркас 15 УСМБК

1.2.2 Унифицированный безригельный каркас КУБ-1, КУБ-2.5 18

1.2.3 Каркас серии 1.120с с предварительным напряжением при монтаже 22

1.2.4 Домостроительная система АРКОС 26

1.3 Традиционные способы усиления дисков перекрытий 28

Глава 2. Системный подход к проблеме повышения 32 пространственной жесткости каркасных зданий

2.1 Методы исследования пространственной жесткости и устойчивости 32 полносборных зданий

2.2 Инженерные решения и аналитическая оценка жесткости диска 34 перекрытия в безригельном каркасе КУБ-1

2.2.1 Применение стеклоткани в качестве внешнего армирования при 41 усилении элементов перекрытий безригельного каркаса

2.2.2 Основные принципы расчета конструкций, усиленных 45 поверхностно-оклеечной стеклотканью

2.2.3 Численное моделирование фрагмента перекрытия с учетом 47 изменения жесткости монтажных швов между плитами

2.2.4 Численное моделирование фрагмента диска перекрытия с учетом 51 жесткости узла сопряжения колонны с надколонной плитой перекрытия

2.3 Результаты численного исследования различных способов усиления 54

Л

узла сопряжения колонны с надколонной плитой перекрытия в безригельном каркасе

Глава 3. Экспериментально-теоретические исследования 63

пространственной жесткости и устойчивости каркасных зданий на натурных объектах

3.1 Подготовка опытной конструктивной ячейки к экспериментальным 63 исследованиям

3.1.1 Усиление монтажных швов конструктивной ячейки перекрытия 68

3.1.2 Программа статических испытаний 69

3.2 Статические испытания конструктивной ячейки перекрытия каркаса 72 КУБ-1, усиленного внешним армированием поверхностно-оклеечной стеклотканью

3.2.1 Результаты статических испытаний 77

3.3 Анализ результатов численных и экспериментальных исследований 83 напряженно-деформированного состояния ячейки перекрытия

3.3.1 Прогибы плиты перекрытия 84

3.3.2 Напряжения в плите перекрытия 88

Глава 4. Применение упруго-фрикционных соединений для 96 повышения устойчивости и сейсмической надежности полносборных зданий

4.1 Особенности работы упруго-фрикционных соединений 97 конструктивных элементов зданий под нагрузкой

4.2 Исследование упруго-фрикционных соединений на макетах узлов 103

4.3 Результаты экспериментальных исследований напряженно- 108 деформированного состояния опытных образцов упруго-фрикционного соединения

4.4 Мелкомасштабное моделирование стеновых панелей, усиленных по 114 контуру металлическим профилем

4.5 Натурные испытания кинематического фундамента, усиленного 122 металлическими связями с использованием упруго-фрикционных

соединении Общие выводы Библиографический список Приложения

141

156

Приложение №1 - Акт внедрения научно-технических результатов 157 Приложение №2 - Акт внедрения научно-технических результатов 158 Приложение №3 - Результаты испытаний кинематического 159 фундамента

Приложение № 4 - Патент РФ на изобретение №2340751 Cl, МПК 160 Е04Н9/02. Сейсмостойкое здание // Бержинский Ю.А., Иванькина Л.И., Саландаева О.И., Чигринская JI.C. (RU)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

За первое десятилетие XXI века в России претерпели существенное изменение многие нормы и правила в области сейсмостойкого строительства и проектирования железобетонных конструкций [1-9 и т.д.]. В результате большое количество эксплуатируемых зданий не удовлетворяют современным требованиям.

Современные крупнопанельные, крупноблочные, каркасные и каркасно-панельные полносборные здания являются сложными инженерными сооружениями. Их модернизация или реконструкция с целью повышения пространственной жесткости представляется сложным и трудоемким видом строительных работ. Сложившаяся ситуация требует поиска новых способов усиления полносборных зданий с минимальными затратами труда и материалов.

В России широкое распространение получили системы с безригельным каркасом, характеризующиеся быстротой возведения, архитектурной выразительностью и свободной внутренней планировкой помещений с одновременным обеспечением прочности, надежности и устойчивости здания [10, 11]. Безригельный каркас может быть выполнен по рамной и рамно-связевой конструктивной схеме. Последняя отличается возможностью возведения большего количества этажей в связи с введением элементов жесткости - диафрагм, связей [12-14]. На пространственную жесткость таких зданий существенное влияние оказывают диски перекрытия, объединяющие плоские поперечные и продольные рамы в единую совместно работающую систему. Исследованием жесткостных свойств диска перекрытий в разное время занимались такие отечественные ученые как Т.И. Баранова, Н.В. Бартенев, P.M. Галлямов, A.C. Залесов, М.Б. Кансеитов, Б.В. Карабанов, А.И. Мордич., A.C. Семченков, Б.С. Соколов, O.A. Турсунбаев, Р.И. Халмурадов и другие [15-25].

К недостаткам безригельных каркасов следует отнести трудоемкость выполнения стыков плит, как между собой, так и с колоннами в построечных условиях, что может привести к снижению надежности системы [26-29, 11].

Актуальным представляется поиск эффективных вариантов повышения пространственной жесткости полносборных зданий и подтверждение выбранного варианта как с помощью исследования напряженно-деформированного состояния диска перекрытия методами математического моделирования, так и экспериментальными методами.

В практике известны способы повышения устойчивости зданий за счет применения адаптивных систем сейсмозащиты, в частности упруго-фрикционных соединений (УФС) конструктивных элементов [30-39]. Разработаны конструктивные системы, в которых реализуются преимущества УФС [40], однако на сегодняшний день практически отсутствуют данные о применении таких систем в полносборном домостроении, а также результаты работы их соединений под нагрузкой.

Следовательно, существует необходимость экспериментально-аналитических исследований напряженно-деформированного состояния элементов упруго-фрикционных соединений под нагрузкой с целью подтверждения их способности к повышению устойчивости полносборных зданий.

Цель работы: Разработка и экспериментально-аналитическое обоснование способов повышения пространственной жесткости полносборных зданий за счет усиления монтажных узлов и стыков конструктивных элементов и применения упруго-фрикционных соединений между ними на основе системного подхода к проблеме.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выполнен сравнительный анализ существующих конструктивных систем безригельных каркасов. С помощью методов численного моделирования оценены резервы повышения устойчивости полносборных зданий на их основе.

2. Разработаны конструктивные решения, обеспечивающие жесткость диска перекрытий за счет усиления монтажных швов между плитами и узлов сопряжения колонн с надколонной плитой. Изучены особенности совместной работы несущих элементов каркаса с учетом усиления монтажных швов и стыков диска перекрытия.

3. Предложены технические решения и обоснована экономическая эффективность введения упруго-фрикционных связей в систему конструктивных элементов для повышения устойчивости и сейсмической надежности полносборных зданий.

4. Подтверждена эффективность предложенных конструктивных решений с помощью экспериментальных исследований.

Объектами исследования являются:

1. Натурный объект в виде 4-этажного учебного корпуса в конструкциях каркаса КУБ-1 и его конструктивная ячейка 6><6 м.

2. Системы активной сейсмозащиты с использованием упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов полносборных зданий.

3. Натурный фрагмент на сейсмоизолирующих фундаментах типа КФ под 9-этажный жилой дом серии 97с.

4. Модель унифицированной стеновой конструкции с контурным металлическим обрамлением.

На защиту выносятся:

1. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований работы безригельного каркаса при микродинамических колебаниях здания.

2. Конструктивно-технологические решения усиления дисков перекрытий безригельного каркаса по принципу внешнего армирования с использованием композитных материалов.

3. Конструктивные решения по повышению устойчивости и сейсмической надежности зданий на основе упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.

Научная новизна исследований.

1. Результаты экспериментально-аналитических исследований работы безригельного каркаса с использованием данных инженерно-сейсмометрического обследования и прочностных испытаний конструктивной ячейки натурного объекта.

2. Унифицированный метод усиления зданий различных типов в сейсмических районах на основе упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.

3. Эмпирическая зависимость порога срабатывания упруго-фрикционных соединений различных модификаций от величины усилия затяжки высокопрочных болтов и материала фрикционных прокладок.

Техническая новизна работы подтверждается патентом РФ на изобретение № 2340751 (патентообладатель ООО «Спецпроект» при лаборатории сейсмостойкого строительства ФГБУН ИЗК СО РАН, научный руководитель проекта к.г.-м.н. Ю.А. Бержинский) [40].

Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных методов расчета и программных средств. Достоверность численных расчетов подтверждается результатами экспериментальных исследований ячейки перекрытия системы КУБ-1 и упруго-фрикционных соединений элементов полносборных зданий.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований; личном участии в экспериментальных исследованиях; составлении рекомендаций по расчету усиления стыков и расчету конструктивных элементов.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны конструктивно-технологические решения усиления монтажных швов между плитами перекрытий безригельного каркаса при строительстве в сейсмических районах.

2. Предложена усовершенствованная конструкция надколонных стыков безригельного каркаса.

3. Разработан и экспериментально проверен способ повышения надежности системы сейсмоизоляции в виде кинематических фундаментов за счет введения дополнительных связей с упруго-фрикционными соединениями.

4. Разработаны рекомендации по проектированию упруго-фрикционных соединений, составленные на основании результатов экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования ячейки перекрытия с усиленными швами между плитами перекрытия системы КУБ-1 проведены на 4-этажном корпусе общеобразовательной школы в 7-м м-не г. Ангарска в составе совместной научно-исследовательской работы между ФГБОУ ВПО «АГТА» (г. Ангарск) и ФГБУН ИЗК СО РАН (г. Иркутск) в 2011 г.

Экспериментальные исследования демпфирующей способности металлических связей-подкосов с упруго-фрикционными соединениями на высокопрочных болтах проведены на натурном фрагменте сейсмоизолирующих фундаментов типа КФ, возведенных под 9-этажный жилой дом серии 97с, в г. Усолье-Сибирское (2011-2012 г.г.).

Внедрение результатов работы.

1. Результаты работы по увеличению жесткости дисков перекрытия для повышения пространственной жесткости каркаса применены в здании общеобразовательной школы г. Ангарска.

2. Металлические связи-подкосы с упруго-фрикционными соединениями применены в конструкциях кинематических фундаментов под 9-этажный крупнопанельный жилой дом в г. Усолье-Сибирское для повышения сейсмической надежности фундаментов типа КФ. Указанные связи служат ограничителями горизонтальных перемещений системы сейсмоизоляции и обеспечивают повышение ее демпфирующих свойств.

3. Результаты работы по исследованию способов усиления зданий, в том числе с применением систем активной сейсмозащиты используются в учебном

процессе ФГБОУ ВПО «АГТА» при подготовке инженеров и бакалавров строительного профиля.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на:

- международных научно-практических конференциях ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2007; 2009; 2013);

- VII Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (г. Сочи, 2007);

- международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России: наука, образование, практика», посвященной 50-летию ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2008);

- VII Всеукраинской начно-технической конференции «Строительство в сейсмических районах Украины» (г. Ялта, 2008);

- Всероссийском совещании с участием приглашенных исследователей из других стран и Всероссийской научной молодежной школе при ИЗК СО РАН (г. Иркутск, 2012, 2013);

- областном конкурсе «Молодость. Творчество. Современность» (г. Иркутск, 2012);

- научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТА» (г. Ангарск, 2007-2013);

- кафедре металлических и деревянных конструкций ФГБОУ ВПО «ТГАСУ» (г. Томск, 2013);

- международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительных материалов, конструкций, механики грунтов и сложных реологических систем» СамГАСЙ (г. Самарканд, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов. Получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 140

страниц основного текста, включая 89 рисунков и 19 таблиц, библиографический список из 151 наименований и приложения на 4 страницах, включающих акты внедрения работ.

Автор выражает глубокую благодарность заведующему лабораторией сейсмостойкого строительства ФГБУН ИЗК СО РАН кандидату геолого-минералогических наук Юрию Анатольевичу Бержинскому за помощь, ценные советы и замечания, которые сыграли важную роль при выполнении данной работы.

Глава 1

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ЗДАНИЙ В СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМАХ БЕЗРИГЕЛЬНЫХ КАРКАСОВ

1.1 Конструктивные системы каркасных зданий и обеспечение их

пространственной жесткости

Пространственная жесткость здания обеспечивается за счет восприятия и перераспределения нагрузок между несущими конструкциями. В каркасных зданиях применяют рамную, рамно-связевую и связевую конструктивные системы. Каркасы многоэтажных зданий рекомендуется проектировать по рамной и рамно-связевой схеме с жесткими узлами сопряжения ригелей с колоннами [12-14].

Рамная конструктивная схема формируется системой колонн, ригелей и дисков перекрытий, связанных с элементами каркаса. Горизонтальные воздействия (ветровые и сейсмические) воспринимаются поперечными и продольными рамами, объединенными перекрытиями в единую систему, что гарантирует совместную работу всех элементов для обеспечения пространственной жесткости здания.

В рамно-связевой конструктивной схеме пространственная жесткость здания в основном обеспечивается за счет устройства дополнительных связей из железобетона или металла, воспринимающих большую часть горизонтальных нагрузок. Возможно применение вертикальных диафрагм или ядер жесткости при обеспечении их жесткой связи с каркасом.

Пространственная жесткость полносборных каркасных зданий с диафрагмами обеспечивается:

- жесткими соединениями колонн с ригелями и перекрытиями;

- установкой диагональных связей, диафрагм или ядер жесткости;

- сопряжением лестничных клеток с каркасом;

- применением между колоннами каркаса специальных плит-распорок;

- устройством связей и шпоночных соединений при установке плит-распорок из многопустотных панелей, обеспечивающих восприятие сдвигающих деформаций и совместную работу элементов перекрытия каркаса.

Однако применяемые многоэтажные каркасные здания с балочными плитами перекрытий создают ограничения при выборе архитектурно-планировочных решений