автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и трещиностойкость комплексной рамно-панельной конструкции

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи Зворыгина Светлана Владимировна

ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КОМПЛЕКСНОЙ РАМНО-ПАНЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.23.01. - Строительные конструкции, здания и сооруснсения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители

заслуженный деятель науки и техники РФ, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Т. И. Баранова

кандидат технических наук, доцент И.С. Гучкин

ПЕНЗА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................................5

Глава 1. Разработка конструктивно-технологического решения комплексной рамнонпанельной конструкции. Актуальность, цели и

задачи исследования................................................................................... 8

1.1.Оценка опыта строительства зданий и сооружений из

железобетона в нашей стране..................................................................8

1.2„Современные условия для развития конструктивных форм в нашей стране.............................................................................................10

1.3.Разработка конструктивно-технологического решения комплексной рамно-панельной конструкции КРПК...........................12

1.3.1 .Принципиальный подход к решению.................................12

1.3.2.Разработка конструктивного решения...............................12

1.3.3.Исследование области применения комплексной рамно-

панельной конструкции.................................................................20

1.3.4.0ценка конструктивного решения......................................27

1.4.Цели и задачи исследования.............................................................28

Глава 2. Экспериментальные исследования. Программа, методика

испытаний.................................................................................................29

2.1 .Программа исследований.................................................................29

2.2.Проектирование опытных образцов...............................................31

2.3.Физико-механические свойства бетона и арматуры.....................34

2.4 .Методика испытаний.........................................................................38

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований....................44

3.1.Напряженно-деформированное состояние КРПК........................44

3.1 Л .Характер образования и развития трещин в бетоне.........44

3.1.2.Схемы разрушений испытанных образцов.......................47

3.2.Напряженно-деформированное состояние стен, испытанных за рубежом.................................................................................................50

3.2.1 .Характер образования и развития трещин в бетоне фрагментов стен..............................................................................51

3.2.2.Схемы разрушений испытанных образцов фрагментов стен....................................................................................................54

З.ЗАнализ результатов испытаний......................................................55

3.3.1 .Оценка напряженно-деформированного состояния комплексной конструкции...................................................................55

3.3.2.0ценка напряженно-деформированного состояния фрагментов стен......................................................................................64

3.3.3.Построение характерных зон напряженно-деформированного состояния бетона..........................................66

3.3.4.Классификация трещин.........................................................68

3.3.5.0ценка влияния исследуемых факторов на характер напряженно-деформированного состояния................................70

3.4.Разрушающие усилия и усилия образования трещин...................72

Выводы по третьей главе.............................. ...........................................74

Глава 4. Исследования комплексной конструкции КРПК численным методом на ППП АЛ ЖБК (программа ЛИРА)............. 75

4.1 .Расчетные схемы КРПК..................................................................75

4.2.Результаты расчета КРПК................................................................75

4.3 Анализ напряженно-деформированного состояния КРПК.......... 84

Выводы по четвертой главе............................ .........................................87

Глава 5. Прочность и трещиностойкость комплексной рамно-панельной конструкции (КПРК) зданий различного назначения......89

5.1 Выбор направления развития методов расчета.............................89

5.2 Разработка расчетной модели..........................................................92

5.2.1. Основы моделирования, компоновка расчетной модели...................................... .........................................................92

5.2.2. Построение расчетной каркасно-стержневой

модели..............................................................................................98

5.3 Исследование расчетной каркасно-стержневой

модели (КСМ).........................................................................................102

5.3.1 Расчетная модель сопротивления КРПК

для общего случая........................................................................102

5.3.2 Учет влияния схем нагружения в расчетной модели.......107

5.3.3 Определение усилий в элементах расчетной модели.......116

5.4 Расчетные зависимости для определения прочности комплексной рамно-панельной конструкции.................................... 116

5.4.1. Предельное состояние расчетных элементов каркасно-стержневой модели КРПК..........................................116

5.4.2. Предельное состояние и принципы расчета

стенки КРПК.................................................................................118

5.4.5. Расчетные зависимости......................................................119

5.5. Учет предлагаемым методом расчета различных

схем нагружения.....................................................................................121

5.6. Оценка предлагаемого метода расчета.........................................128

5.7. Расчет трещиностойкости комплексной

рамно-панельной конструкции..............................................................128

5.7.1. Основа метода оценки трещиностойкости КРПК...........129

5.7.2. Развитие каркасно-стержневой модели для оценки трещиностойкости КРПК.............................................................130

5.7.3. Расчет трещиностойкости КРПК на основе расчетной модели............................................................................................132

5.7.4. Расчет жесткости КРПК на основе расчетной модели.. 134

5.7.5. Оценка предлагаемого метода расчета трещиностойкости.........................................................................135

5.8. Общая оценка предлагаемого метода расчета КРПК...............137

5.9. Технико-экономическая оценка КРПК........................................138

Выводы по пятой главе..........................................................................143

Общие выводы..................................... ....................................................146

Литература...............................................................................................149

Введение

В настоящее время в период перехода к рыночной экономике в строительной отрасли нашей страны происходят значительные перемены. Меняется техническая политика, в которой осуществляется переход от индустриализации в строительстве к строительству по индивидуальным проектам, реализуются новые архитектурно-строительные решения, рациональные конструктивные решения, новые материалы и технологии. Такое развитие строительной отрасли гармонизируется с новой экономикой, требующей быстрого развития городов, торгово-промышленной отрасли, восстановления памятников архитектуры и т.д. Несмотря на сложности инвестиционной политики уже сейчас построены комплексы банковской системы, бизнес-центры, новые мосты и тоннели, реконструированы с учетом новой технологии строительные заводы, восстановлены и заново построены большое количество церквей, мечетей и т.д. Очевидно, для создания современных проектов нужны энергосберегающие и ресурсосберегающие новые конструкции.

В этом направлении проводятся научные исследования на кафедре железобетонных и каменных конструкций ПГАСА. Разработаны новые эффективные конструктивные решения несущих железобетонных элементов. Наибольшего развития это направление получило в 90е годы. Усовершенствованы и созданы конструкции, среди них плиты перекрытия, монолитные каркасы жилых и общественных зданий, новые стеновые элементы, ростверки свайных фундаментов.

Именно этой проблеме посвящена данная диссертация, которая включает в себя разработку и исследование комплексной рамно-панельной конструкции с высокими технико-экономическими показателями. Эта работа в полной мере отвечает современным требованиям строительства, о которых говорилось выше, - следовательно является актуальной.

Цели диссертационной работы.

• Разработка комплексной рамно-панельной конструкции, которая состоит из стоек, верхнего ригеля, нижнего ригеля и стенки, монолитно связанных между собой.

• Экспериментально-теоретические исследования комплексной конструкции при изменении основных факторов.

• Разработка методов расчета конструкции по двум группам предельных состояний - на прочность, трещиностойкость и жесткость. Научная новизна.

• Новое конструктивное решение, созданное автором на основе принципа монолитного соединения железобетонного каркаса с железобетонной стенкой.

• Результаты исследований сопротивления комплексной рамно-панельной конструкции действию вертикальных сил. Характер напряженно-деформированного состояния конструкции, характер образования и развития трещин, разрушающие усилия и предельные деформации.

• Результаты научного анализа характера напряженно-деформированного состояния конструкции при действии вертикальных сил.

• Новый подход к оценке прочности и деформативности комплексной рамно-панельной конструкции на основе моделирования.

• Расчетная каркасно-стержневая модель дам определения прочности комплексной рамно-панельной конструкции.

• Расчетная каркасно-стержневая модель дня определения трещино-стойкости комплексной рамно-панельной конструкции.

• Методика расчета прочности, трещиностойкости и жесткости комплексной рамно-панельной конструкции.

Автор защищает.

• Конструктивное решение комплексной рамно-панельной конструкции.

• Результаты экспериментально-теоретических исследований.

• Научный анализ характера напряженно-деформированного состояния сопротивления комплексной конструкции действию поперечных сил.

• Методику расчета прочности и трещиностойкости комплексной рамно-панельной конструкции.

Практическое значение работы заключается в создании новой комплексной рамно-панельной конструкции и разработке метода расчета прочности, трещиностойкости и жесткости с принципиальным решением вопросов технологии. Практическая ценность и назначение разработанной конструкции заключается в следующем. Комплексное решение поставленной задачи - разработка конструкции и метода ее расчета, является главным преимуществом данной работы. Высокие технико-экономические показатели являются следующим преимуществом эффективности и широкой области применения указанной конструкции.

Область применения.

Область применения указанной конструкции является весьма широкой - ее можно использовать при строительстве складских помещений, при укреплении насыпей, оснований различных зданий и сооружений в качестве элемента подпорных стенок, при строительстве таможенных терминалов, при строительстве железобетонных емкостей в качестве конструкций балок-стенок, в качестве ограждающих конструкций при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил, в том числе в сейсмических районах.

Работа выполнялась на кафедре железобетонных и каменных конструкций Пензенской государственной архитектурно-строительной академии под руководством: заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Т.И. Барановой и кандидата технических наук, доцента И.С. Гучкина.

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ РАМНО-ПАНЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ. АКТУАЛЬНОСТЬ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данной главе анализируется опыт строительства зданий и сооружений из железобетонных конструкций с целью выявления предпосылок для создания новых эффективных форм строительных конструкций. Приводится разработка конструктивного решения и изучается область применения комплексной рамно-панельной конструкции. Выбрана обобщенная форма изложения перечисленных вопросов как наиболее целесообразное на данном этапе обоснование новой формы конструкции. Другой подход к исследованию связан с необходимостью многочисленного технико-экономического анализа аналогичных конструкций, результаты которого в последствии не найдут нужного применения как устаревшие данные в связи с ежедневным изменением строительной политики в нашей стране.

1.1. Оценка опыта строительства зданий и сооружений из железобетона в нашей стране

До перехода к рыночной экономике в нашей стране была создана мощная строительная индустрия, которая обслуживала сборное крупнопанельное строительство различных зданий и сооружений. Оценивая в целом направления строительства можно отметить следующее. Наиболее экономически выгодным, дешевым являлось строительство сборных крупнопанельных домов и административных зданий. К другому преимуществу крупнопанельного строительства следует отнести сокращение сроков строительства в результате укрупненной сборки габаритных элементов. Конструктивные решения зданий отвечали требованиям унификации. Крупнопанельные элементы изготавливались на заводах, соответствовали унифицированным размерам и являлись типовыми. По мере развития строительной индустрии совершенствовались типовые

серии домов и сооружений. Недостатком типовых серий является большое однообразие архитектурных форм целых строительных комплексов и районов. Проблема однообразия усугублялась ограниченными возможностями индустрии производства строительных изделий. К другому недостатку сборного строительства следует отнести высокие перерасходы строительных материалов бетона и арматуры в типовых строительных изделиях.

Следующим направлением являлось монолитное строительство, которое по количеству значительно уступало крупнопанельному сборному строительству. В монолитном варианте, как правило, проектировались здания и сооружения административного, культурного и спортивного назначения. Целесообразно отметить преимущества монолитного строительства. Прежде всего, такое строительство обеспечивало архитектурную выразительность и индивидуальное решение каждого здания. Другим не менее важным преимуществом являлось то, что монолитное строительство стимулировало развитие конструктивных решений несущих элементов, было дешевым с точки зрения возведения и расхода материалов. Монолитное домостроение использовало мини технологии по изготовлению рабочей бетонной смеси, которое могло осуществляться непосредственно на строительной площадке. Кроме того, предпочтительность монолитного строительства обеспечивается доступностью повсеместно распространенных природных строительных материалов, используемых при изготовлении бетонной смеси.

К главному недостатку монолитного строительства следует отнести осложнение строительства зданий в зимних условиях. К недостаткам можно отнести слабо развитую технологию монолитного строительства с точки зрения переноса и изготовления опалубки, а также с точки зрения массового применения монолитного домостроения. Ярким примером является редкое использование монолита при строительстве жилых зданий. Очевидно, для предстоящего развития такого

вида строительства необходимо усовершенствовать и разработать инжиниринговое обеспечение каждого индивидуального проекта домостроения.

1.2. Современные условия для развития конструктивных форм строительных конструкций

В настоящий период развития строительной отрасли резко изменились приоритеты и направления в строительстве. В силу ряда причин, в том числе и экономических, строительная индустрия является мало востребованной, а в большинстве регионов нашей страны - убыточной. На смену типовому строительству стремительно приходит строительство по индивидуальным проектам с использованием новых технологий. Характерным в этих переменах является то, что новые проекты используют лучшее из опыта прежнего строительства. Имеется в виду каркасное строительство жилых зданий в монолитном и сборно-монолитном варианте. Конструктивное решение предусматривает стеновое заполнение каркасного здания. Фрагмент каркасно-монолитного здания показан на рис. 1.1.

Другим современным направлением строительной политики является реконструкция пятиэтажных домов массовых серий, которая ведется в России повсеместно. При реконструкции также используются индивидуальные проекты, осуществляется множество разнообразных архитектурных решений. Это направление в строительстве требует энергичного быстрого развития инжинирингого обеспечения, в том числе специальных строительных конструкций для усиления и реставрации различных комплексов.

Следует также обратить внимание на приоритетность развития дорожного строительства, искусственных сооружений мостов и тоннелей, развития энергетического комплекса и специального строительства. В таких условиях чрезвычайно актуальной становится разработка новых конструкций, новых форм традиционных конструкций - про-

1 - колонна; 2 - ригель: 3 - стеновое заполнение; 4 - панели перекрытия

Рис, 1.1. Фрагмент компоновки каркасно-монолитного здания.

ст�