автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность стен крупнопанельных и монолитных зданий при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил

ГОССТРОИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НЛУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКШ, ПРОЕКТНО-КОКСТРУКТОРСКШ! И ТЕХШОЛОГИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА (НИЙЖБ)

На правах рукописи

ЛАСЬКОВ Николай Николаевич

УДК 624.042.1:69.022

ПРОЧНОСТЬ СТЕН КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ И МОНОЛИТНЫХ ЗДАНИИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ

05.23.01 - Строительные конструкции,здания и сооружения.

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1593

Работа выполнена в Пензенском инженерно-строительном институте.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

БАРАНОВА Т.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

ЗАЛЕСОВ A.C. - кандидат технических наук СОКОЛОВ М.Е. Ведущая организация - ЦНИИЭПжилища

Защита состоится "11" ноября 1993 г. в час на заседании специализированного совета К.033.03.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Государственном Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона

по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул., д. б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НШЖБ.

Автореферат разослан "11 " октября 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат технических наук

Т.А. Кузьмич

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Основными несущими конструкциями бескаркасных зданий и сооружений являются стены. В результате пространственной работы многоэтажных зданий и сооружений, стены воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки.

В практике проектирования используется расчет стен как стержневых систем. Определяются усилия в отдельных элементах системы, т.е. определяются моменты, продольные и поперечные силы. Впоследствии производится расчет нормальных и наклонных сечений стен. Такой подход не позволяет учесть характерные особенности работы стен, в том числе влияние роста еысо-ты стены на ее прочность, а также влияние горизонтальных сил, изменяющихся в широких пределах. Имеются в виду ветровые и сейсмические нагрузки. Существует небольшое число экспериментальных исследований указанных выше факторов, поэтому невозможно учесть в полной мере особенности работы стен на основе экспериментальных данных. В связи с этим при проектировании возникает ряд проблем, которые решаются различными нормативными документами по разному. В результате в практике проектирования стен используется несколько методов расчета, не согласующихся друг с другом и дающих противоречивые расчетные усилия. При таком подходе к проектированию конструктивные решения стен являются весьма несовершенными,а также имеет место перерасход материалов бетона и арматуры. При высоких уровнях вертикальной нагрузки не всегда обеспечивается безопасность стен. В связи с этим, тема диссертации, посвященная исследованию стен, является актуальной и приобрета ет народно-хозяйственное значение в связи с массо-

- г -

вым применением стен в строительстве.

Целью работы является разработка методов расчета прочности стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе экспериментально-теоретических исследований.

Автор защищает;

- результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил при изменении вертикального усилия N = (0+1,СШи, где Н - разрушающая вертикальная сила;

- результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил при изменении соотношения размеров сторон Н/Ь = 0,5; 1,0; 1,5;

- результаты исследования стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил численным методом;

- усовершенствований нормативный метод расчета прочности стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе методики расчета наклонных сечений изгибаемых элементов СНиП 2.03.01-84;

- разработанный новый метод расчета прочности стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе расчетной модели, представляющей собой каркасно-стержневую систему;

- разработанный новый принцип армирования стен.

Научную новизну результатов работы составляют:

- выявленный характер напряженно-деформированного состояния стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил, полученный на основе экспериментально-теоретических исследований при различном соотношении вертикальных и горизонтальных сил и различном соотношении размеров сторон.

- новые данные о характере образования и развития трещин, а также схемы разрушения стен, полученные при испытании;

- характер влияния основных факторов - соотношения вертикальных и горизонтальных сил и соотношения размеров сторон стен на их напряженно-деформированное состояние

- усовершенствованный нормативный метод расчета прочности стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе методики расчета наклонных сечений изгибаемых элементов СНиП 2.03.01-84;

- разработанный новый метод расчета стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе расчетной модели, представляющей собой каркасно-стержневую систему;

- разработанный новый принцип армирования стен.

Практическое значение дисертации заключается в разработке новых методов расчета стен, позволяющих обеспечить безопасность стен и аффективно использовать материалы.

Результаты работы внедрены в ЦНИИСКе им. Кучеренко, в ЦНИИЭПяилища, В ЦНИИП реконструкции городов при разработке нормативных документов по проектированию стен, при проектировании диафрагм жесткости серии 1.020. Результаты работы

включены НИИЖБом в проект Норм по проектировании железобетонных конструкций следующего поколения. Конструктивные решения стен и диафрагм жесткости были использованы в г.Пензе при строительстве жилых и административных зданий.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на двух всесоюзных и одной республиканской научных конференциях, на зональном семинаре, на научных конференциях и научно-методических семинарах в инженерно-строительных институтах г.г. Пензы и Казани.

По материалам диссертации опубликовано пятнадцать печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов,списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 12 табл., ТО рис., и список литературы из 92 наименований.

Работа выполнялась в Пензенском инженерно-строительном институте, под руководством доктора технических наук, профессора БАРАНОВОЙ Т.И.

КРАТКОЕ СОДЕРКАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Вопросы экспериментального и теоретического исследования стен, воспринимающих вертикальные и горизонтальные нагрузки, рассматривались в работах Г.Н.Ашкинадзе, Т.И.Барановой, Ю.Г.Баркова, В.С.-Г.Бориева, И.В.Бубуек, Ю.В.Глина, А.С.Залесова, П.Ю.Загродского, Ю.В.Измайлова, В.Г.Имас, А.Ф.Кирпий, И.В.Коноводченко, Р.А.Кулиева, Л.Д.Мартыновой, С.В.Полякова, М.Я.Розенберга, Т.В.Скрипника, Ы.Е.Соколова,

Г.А.Шапиро и др., за рубежом - в работах Т.Паули, Ф.Тассио-са, U.M. Хансона, С.Т. May и др..

Наиболее значительными являются исследования, проведенные в ЦНШЭПжилшда под руководством Г.Н.Ашкинадзе и ЦНИИП монолит под руководством М.Е.Соколова. Результаты этих исследований значительно расширили представление о закономерностях работы стен при сложных нагруяениях, позволили выделить основные факторы, влияющие на прочность стен.

В целом экспериментально-теоретические исследования носят автономный характер, поскольку не разрабатывались комплексные программы исследования стен. По количеству экспериментальные исследования стен в значительной степени уступают исследованиям таких конструкций, как балки. Отсутствуют экспериментальные исследования влияния соотношения размеров сторон на прочность стен. Нуждаются в дополнительном исследовании такие факторы, как соотношение вертикальных и горизонтальных сил при изменении схем нагружения и размеров сторон.

В практике проектирования стен используются метода расчета, принятые в нормах - ВСН 32-77, СНиП 2.03.01-84 и РСН 13-87.

Методы расчета не учитывают соотношение сторон, не имеют плавного перехода от расчета на совместное действие вертикальной и горизонтальной силы к расчету на действие одной из указанных сил. Предлагаемые и действующие методы дают значительные отклонения опытных и расчетных сил как в сторону занижения расчетной прочности, так и в сторону завышения прочности примерно в 2,5 раза, рис.1. Отсутствие

а).

* &

15

1,0

0,5

о

б

[_ ч 1М.0

О . Т-Г^*

о у** У — — ^ - —

У ✓- у — • « \ и

'ШЬ. г ' у / > о

/ / / о К 6 ч V

/ г ^ о<о ? ^ - о

о ------ X N ^ X ч>

'Щ ьи 1 ' иП -пк

) • г

— *

ч \Г

) гД- \

?

V

а

'га .и 1 1 1 - и И = 1.5

ц

в 1

* 7

г 7 л \ |

0,5

РисЛ. Графики сопоставления опытной и расчетной прочности стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил.

а).при соотношении размеров сторон стен///¿=^0; б).при соотношении размеров сторон стен ///¿=<3,5; в).при соотношении размеров сторон стен #//,=/,£; I - расчетная зависимость по СНиП 2.03.01-84; 2 - расчетная зависимость по ВСН 32-77 3 - расчетная зависимость по РСН 13-37; 4 - расчетная зависимость по Приложению к РСН 13-87; 5 - по методу однородных полей напряжений; 6 - оасчетная зависимость по усовершенствованному СНиП 2'*С3.0№-84; 7 - расчетная зависимость по каркасно-стержневой модели.

о, а - опыты ЦНИИЭПжилища; Д - опыты КПИ им.Лазо Г - опыты пГУ Греции; - опыты Пенз. ИСИ

исчерпывающей информации о характере работы и об особенности напряженно-деформированного состояния стен приводит к тому, что в настоящее время метода расчета прочности стен являются весьма несовершенными, практически отсутствует единая методика расчета стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил.

Для совершенствования и разработки новых методов расчета, составлена комплексная программа исследования стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил, часть которой реализована в рамках представленной диссертации. Схема программы показана на рис. 2. В программу включены исследования двух основных факторов - изменение соотношения размеров сторон стен и изменение уровня вертикальной нагрузки. Планировалось решить следующие задата:

- провести экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил при изменении вертикальной нагрузки, N = (0+1,0)Ни;

- провести экспериментальные исследования характера работы стен при изменении высоты стены,Н/Ь = 0,5; 1,0; 1,5,где Н - высота стены; Ь - длина стены;

- провести исследования напряженно-деформированного состояния стен на основе численного метода с использованием результатов испытаний фрагментов стен;

- выявить характер образования и развития трещин при изменении вышеуказанных факторов;

- усовершенствовать метод расчета стен в рамках СНиП

\\Ы*0 Н№0,25Ма

//"0.5 А/и

НИ-0,5 *

— /

маша

—^^^^

изменение величины вертикальной нагрузки Рис. 2. Программа исследований стен.

2.03.01-84 и разработать новый подход к расчету на основе каркасно-стернневой модели.

Экспериментальные исследования имели два направления. Задачей первого направления являлось испытание стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил при изменении основных факторов, определяющих прочность и выявляющих особенности работы стеновых элементов. Задачей второго направления являлось исследование напряженно-деформированного состояния численным методом.

Физический эксперимент проводился на 9 образцах, являющихся натурными фрагментами стен. Проектирование опытных образцов осуществлялось на основе типовых серий, класс бетона принимался - В 25, толщина стены - 20 см,длина - 2,0 м. Высота стен изменялась и принималась равной Н = 1,0; 2,0; 3,0 м.При конструировании стен продольная арматура концентрировалась вдоль боковых граней. Наличие такой арматуры предотвращало разрушение стен по растянутой зоне. Такое армирование имитировало соединение продольных и поперечных стен. Образцы изготавливались на заводе Стройдеталь г.Пензы с соблюдением технологии изготовления.

Испытания проводились в специально изготовленной силовой установке. Нагрукение осуществлялось поэтапно равномерно распределенной вертикальной нагрузкой до планируемой величины. Передача горизонтальной нагрузки на стену осуществлялась с помощью гибких болтов равномерно распределенных вдоль верхней и нижней грани стены. Нагрузка возрастала поэтапно до разрушения образца.

Получены следующие результаты. На основе анализа поля

главных деформаций, построенного по показаниям тензодатчи-ков, выявлено, что в напряженно-деформированном состоянии стеновых панелей ведущую роль играют главные напряжения. Главные сжимающие напряжения концентрируются в диагональном направлении и образуют наклонный поток. Характерно, что главные растягивающие напряжения имеют максимальные значения при N = 0 и уменьшаяются с увеличением вертикальной силы N. Характерно, также что с увеличением силы N увеличивается угол наклона потока главных сжимающих напряжений.

С увеличением соотношения сторон Н/Ь от 0,5 до 1,5 характер напряженно-деформированного состояния стен принципиальных отличий не имеет. С ростом вертикальной силы от О до N = 0>5Г1и разрушающая сила увеличивается: в 3,5 раза в образцах с Н/Ь = 0,5; в 2,4 раза в образцах с Н/Ь = 1,0 и в 2,3 раза в образцах с Н/Ь = 1/5. То есть, наиболее значительный рост разрушающей силы наблюдается в низких стенах.

В исследуемых стенах образуется три вида трещин. Первый тип - диагональная наклонная трещина, по которой происходит разрушение внутри потока главных сжимающих напряжений при N = 0. Второй тип - серия наклонных паралельных трещин, расположенных внутри и по границам потока главных сжимающих напряжений. Третий тип - серия нормальных трещин в растянутой зоне стеновых панелей.

Выявлены следующие схемы разрушения стен. При N = О разрушение происходит по диагональной трещине внутри сжатого потока. С увеличением силы N от 0 да 0,5 Кц разрушение происходит при одновременном развитии наклонных трещин, выделяющих поток главных сжимающих напряжений и раздавливании бе-

тона сжатой полосы в опорном сечении и в зоне передачи нагрузки.

На основе численного метода, метода конечных элементов по ППП АЛ ЖБК установлен характер распределения нормальных напряжений При N = О распределение нормальных напряжений о характеризуется появлением двух пересекающихся взаимнопер-гюндикулярннх линий с нулевыми напряжениями, которые выделяют четыре характерные зоны. Попарно соединяясь в диагональном направлении, указанные зоны образуют сжатые и растянутые Х-образно расположенные участки. Изменение соотношения сторон фрагментов стен изменяет размеры характерных участков, но не меняет принцип их расположения.

Распределение нормальных напряжений оу при N = 0 характеризуется двузначной эпюрой напряжений по всей высоте образца. С изменением соотношения размеров сторон Н/Ь характер распределения не изменяется. С увеличением вертикальной силы линия с нулевыми напряжениями смещается и отклоняется в сторону растянутой вертикальной грани стены, при этом резко уменьшается растянутая зона.

Характерным при распределении касательных напряжений является тот факт, что линии максимальных касательных напряжений располагаются в диагональном направлении, прогнозируя траектории образования трещин.

Главные напряжения концентрируются в потоки и образуют наклонные участки - полосы, Х-образнорасполоненные по поверхности стены. Соотношение сторон и величина вертикальной нагрузки не меняет характер распределения главных напряжений. С ростом вертикальной силы и соотношения сторон изменя-

ется угол наклона потоков главных сжимающих и растягивающих напряжений.

Для углубленного изучения напряженно-деформированного состояния стен в диссертации использовался метод однородных полей напрякений, разработанный д.т.н., проф. С.Б.Смирновым. Указанный метод позволяет построить однородные поля напряжений при изменении вертикальной нагрузки и изменении соотношения сторон стены. Полученные схемы убедительно показывают, что в стенах при совместном действии усилий N и 0 образуются две Д-образные сжато-растянутые системы полей напряжений. Вертикальные участки этой системы параллельны друг другу и испытывают противоположные по знаку растягивающие и сжимающие напряжения. Наклонные участки этой системы пересекаются, образуя Х-образную систему, о которой говорилось выше.

В результате проведенных исследований получена необходимая информация о характере работы стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил и изменении основных факторов - соотношения сил и соотношения размеров сторон.

Результаты анализа напряженно-деформированного состояния стен использованы в двух направлениях. Первое направление - усовершенствование метода расчета стен в рамках СНиП 2.03.01-84. Второе направление - разработка нового метода расчета стен на основе расчетной модели. При совершенствовании нормативного метода расчета стен ставилась задача: -сохранить структуру метода, принятого в Нормах, а также использовать метод идентификации для получения расчетных эмпирических зависимостей на основе физического эксперимента. Уовершенствованный нормативный метод расчета учитывает влия-

1 о _ — То —

ние - уровня нагружения стен вертикальной нагрузкой и влияние изменения высоты стен. Учет фактора изменения уровня вертикальной силы осуществлялся с помощью корректировки коэффициента <рп, учитывающего воздействие продольных сил. Метод расчета СНкП 2.03.01-84 не учитывает в явной форме изменение соотношение сторон. Поэтому, чтобы не нарушать структуру расчетных формул СНиП 2.03.01-84, изменение соотношения размеров сторон предлагается учитывать изменением коэффициентов, входящих в расчетные формулы. В результате получены следующие расчетные зависимости

0Ь= - " ь* (1)

О

где фп - коэффициент, учитывающий воздействие продольной силы, определяется по формуле

N

■Ф= 0,3 - ^ 1,5, (2)

яь*№о

т.е. коэффициент фп увеличивается 3 раза по сравнению со значением, принимаемым по СНиП 2.03.01-84.

ФЬ4- коэффициэнт, учитывающий разновидность материала, принимается равным единице, т.е. снижается в 1,5 раза по сравнению со СНиП 2.03.01-84.

В целях повышения надежности расчета, введены новые границы для зависимости (1). В качестве верхней границы рекомендуется уравнение

0,=1,6(/+ фП)ЯЬ,Ь?;0, (3)

в котором числовой коэффициэнт (2,5), предлагаемый СНиП 2. 03. 01-84, заменен на выражение 1,б(1-нрп). В качестве нижней границы рекомендуется принять уравнение

02= Фьд(Пф„)ДЬ4ЬН0, (4)

где фьз -коэффициент, принимаемый равным 0,4 для тяжелого бетона, т.е. уменьшен по сравнению со СНиП 2.03.01-84 в 1,5 раза.

Таким образом, определяемая по расчету величина расчетной прочности должна удовлетворять условию

<32 « <3, (5)

Расчет стен при больших уровнях вертикальной нагрузки (Я ^ 0,6#и), рекомендуется производить из условия прочности вне-дентренно сжатых элементов по п. 3.20 СНиП 2.03.01-84.

Новые расчетные зависимости учитывают изменение характера работы стен при изменении основных факторов -соотношения размеров сторон стен и соотношения вертикальных и горизонтальных сил.

По предлагаемым расчетным зависимостям были рассчитаны фрагменты стен, испытанные автором, а также ранее испытанные образцы стен. Соотношение опытных и расчетных величин 04е^/0саДс составляет от 1,1 до 1,2, т.е., предлагаемые зависимости достаточно точно оценивают прочность стен при совместном действии вертикальных, и горизонтальных сил. График сопоставления опытной и расчетной прочности стен показан на рис.1.

Работу стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил можно представить в виде двух симметричных Л-образных стержневых моделей, показанных на рис. 3. Каждая из этих моделей состоит из наклонного и вертикального стержня. Вертикальные стержни имитируют арматурные пояса. В

Схема - I Схема - 2

Рис. 3. Расчетные схемы стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе каркасно-стзржневсй модели.

Схема - I при :наличии концентрированной арматуры в растянутой зоне;

Схема - 2 пои о.чпртствии концентрированной арматуры;в О - ключевые точки каркасно-стержневой модели.

первой модели вертикальный арматурный пояс испытывает скатив, во второй модели - растяжение. Наклонные стержни имитируют концентрированные потоки сжимающих и растягивающих напряжений.

Одной из особенностей работы исследуемых стен является равномерная передача горизонтальной нагрузки по длине стены, в уровне верхней грани. В результате указанного характера приложения горизонтальной силы в стенах формируются два наклонных потока главных напряжений. Предлагаемая двойная расчетная модель будет учитывать особенность передачи горизонтальной силы.

Построение расчетных моделей осуществлось следующим образом. В кавдой Л-образной модели определяются три ключевые точки. Верхние ключевые точки моделей располагаются на линии действия горизонтальных сил в точках пересечения с осями вертикальных арматурных поясов, рис. 3. Нижние ключевые точки располагаются на линии действия реакции горизонтальных сил. В расчетной модели с растянутым наклонным поясом ключевая точка определяется при пересечении оси наклон ного потока с осью вертикального арматурного пояса. Ключевая точка для расчетной модели с сжатой наклонной полосой находится на пересечении оси наклонной полосы с линией действия реакции вертикальных сил, рис. 3. Вертикальная реакция, определяющая ключевую точку расчетной модели сжатой наклонной полосы находится на центре тяжести эпюры нормальных напряжений в опорном сечении, рис. 3. О увеличением вертикальной нагрузки от N = 0,5Ки до N = N наклонный поток главных растягивающих напряжений в расчетной модели, распо-

локэнной справа от оси симметрии становится потоком сжимающих напряжений. Это означает, что угол мезду главными сжимающими уменьшается и при N = N потоки как бы сливаются в единый поток сжимающих напряжений.

В связи с тем, что разрушение стен происходит внутри наклонного потока сжимающих напряжений, а также в связи с тем, что при больших значениях вертикальной нагрузки оба потока главных напряжений становятся сжимающими, целесообразно принять единую расчетную модель.

Принятая расчетная модель описывает два вида разрушения - разрушение по растянутой зоне и разрушение по наклонной полосе бетона.

Предельным состоянием по растянутой зоно считается

состояние, когда напряжение в растянутой арматуре достигает

предельных значений - т Н . Предельным состоянием по наклони в

ной сжатой полосе считается состояние, когда напряжение в бетоне по ширине расчетной полосы достигает предела прочности при сжатии - 7ьйь и предела прочности при растяжении по длине полосы - 7Ь4НЬ4.

При отсутствии концентрированной арматуры ключевые точки в растянутых и сжатых поясах определяются по выше указанному принципу, рис. 3.

На основе разработанной расчетной модели составлены два условия прочности, по растянутой зоне - зависимость (б), по сжатой зоне - зависимость (7).

а « г-гдядАд/1^ + N. (6)

а « Т0ТьНьЫьсозй + ТЧ7ьА4Ысгасз1псС. (7)

В уравнении (7) первое слагаемое определяет прочность расчетной полосы при сжатии, второе слагаемое - прочность расчетной полосы при растяжении. При больших значениях вертикальной силы N > 0,5-Nu второе слагаемое уменьшается до нуля. Система коэффициентов 7 , 7., 7+, 7 , осуществляет инденти-

С О V ОХ

фикацию расчетных и опытных величин.

Коэффициент - 7с - учитывает влияние соотношения сторон стен на прочность расчетной полосы при сжатии и определяется из условия (8)

7с = 1,7 - 0,9'H/L > 0,8. (8)

Коэффициент - 7Ь учитывает влияние совместного действия вертикальных и горизонтальных сил на прочность расчетной полосы при сжатии и определяется по формуле (9)

N _ N 7К = sin + 10~2(1 --)]}. (9)

ь N N

и и

Коэффициент 7 учитывает влияние соотношения сторон стен на прочность расчетной полосы при растяжении и определяется по формуле (10)

7t = 1,1 - 0,4-H/L > 0,5. (10)

Коэффициент 7bt учитывает влияние совместного действия вертикальных и горизонтальных сил на прочность бетона расчетной полосы при растяжении и определяется по формуле (11 )

7bt = cos(ic-N/Nu). (11)

Ширина расчетной сжатой полосы (1ь) определяется по зависимости (12)

1. = 1 sinct, (12)

О С

где 1с- длина сжатой части стены, определяется по зависимости

N N

1 = Ь [- + <р.(1 - - )], (13)

0 N 1 N

и и

где фг~ коэффициент, учитывающий влияние соотношения размеров сторон стен на величину сжатой части стен, определяется по зависимости (14)

Фг = 0,1-Ь/Н. (14)

Ширина расчетной полосы определяется по зависимости

(15)

1 = 0,8 Н /з1псСт (15)

с гас

Угол наклона сжато-растянутой полосы определяется по формула (16)

г®* = Н0/(Ь0 - 0,5 1с). (16)

Графическая интерпретация расчетных зависимостей (6) и (7) приводится на рис.1. Анализ приведенных графиков показывает, что расчетная зависимость в каздом случае соответствует характеру изменения разрушающей силы. Введение в расчетную зависимость (7) системы опытных коэффициентов обеспечивает необходимую безопасность и сближает расчетные и опытные уси-

Сопоставление нового метода расчета (6+7) с усовершенствованным нормативным методом (1+6) показывает, что нормативный метод хорошо согласуется с новым методом расчета при соотношении Н/Ь = 1,0, при этом ®гвд1:/%агс = 1 >2-

В стенах с соотношением Н/Ь = 0,5 и Н/Ь = 1,5 нормативный метод занижает прочность стен(при N = (0+0,65)Ни),и соотношение 0 , /0 , =1,3. са1о(7> са1с< 1> '

- 20 -

Из двух расмотренных методов предпочителышм является новый метод расчета прочности стен. Поскольку новый метод основывается на расчетной модели, описывает характер работы стен, оценивает прочность стен при изменении основных факторов - соотношении вертикальных и горизонтальных сил и соотношения размеров сторон, и новый метод является более прогрессивным.

На основе предлагаемого метода разработан принцип армирования стен, согласно которому рабочие стержни арматуры следует располагать вдоль траектории главных сжимающих и растягивающих напряжений. Исследования показали, что в атом случае арматура используется наиболее эффективно.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Методы расчета, используемые в настоящее время при проектировании стен, при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил весьма не совершенны. К недостаткам указанных методов расчета относится то, что расчетные зависимости основываются на различных предпосылках, не в полной мере описывают напряженно-деформированное состояние, не учитывают характер разрушения, дают разноречивые результаты и не обеспечивают безопасность стен при высоких уровнях вертикальной нагрузки. Главной причиной несовершенства методов расчета является отсутствие экспериментальных исследований стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил, проводимых по комплексной программе.

2. Установлено, что основными факторами, определяющими прочность и характер работы стен, являются соотношение верти-

кальных и горизонтальных сил - Q/N, а такке соотношения раз меров сторон расчетных фрагментов стен - H/I.

Разработанная в диссертационной работе программа ставила задачу комплексного экспериментально-теоретического исследования стен при изменении указанных выше факторов в широких пределах, N/Nu= 0 + 1,0; H/L = 0,5 + 1,5, где Nu - разрушающая вертикальная сила.

3. На основе экспериментальных исследований выявлено, что с увеличением вертикальной силы N до 0,5-И разрушающая горизонтальная сила Q увеличивается, при N > 0,5-М - разрушающая сила снижается.Степень роста разрушающей силы определялась соотношением сторон стеновых панелей - H/L. Резкое увеличение прочности (в 3,5 раза) наступало в стеновых панелях с соотношением H/L = 0,5. В меньшей степени увеличение разрушающей силы происходило в стенах с соотношением H/L = 1,5, рис.1.

4. Анализ напряженно-деформированного состояния стеновых фрагментов, полученного на основе физического и численного экспериментов показал, что главную роль в работе стеновых панелей играют главные сжимающие и растягивающие напряжения, концентрирующиеся в наклонные потоки. Характерно, что с увеличением уровня вертикальной нагрузки и уменьшением горизонтальной, увеличивается угол наклона и ширина штока главных сжимающих напряжений, главные растягивающие напряжения уменьшаются и напряженное состояние стен приближается к осевому сжатию.

Таким образом, особенностью напряженно-деформированного состояния стен является наличие Х-образно расположенных пото-

ков главных сжимающих и растягивающих напряжений. Положение и размеры концентрированых потоков изменяются в зависимости от соотношения сил - О/И и соотношения сторон - Н/Ь.

5. В результате испытаний фрагментов стенустановлено два вида разрушений. К первому виду относится разрушение по наклонной трещине диагонального направления. Такая схема разрушения соответствует высоким значениям горизонтальной силы и минимальным значениям вертикальной силы. Ко второму виду относится разрушение, которое происходит при образовании двух паралельных наклонных трещин, выделяющих поток сжимающих напряжений, или с образованием чрезмерно раскрытой одной наклонной трещины при одновременном разрушении бетона в зоне местного действия горизонтальной силы.

6. Полученные результаты исследований использованы в двух направлениях. Первое направление - усовершенствование нормативного метода расчета прочности стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе методики расчета прочности наклонных сечений изгибаемых элементов СНиП 2.03.01-84. Второе направление - разработка нового метода расчета прочности стен при совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузки на основе расчетной модели, представляющей собой каркасно-стержневую систему.

Усовершенствованный нормативный метод расчета учитывает влияние вертикальных и горизонтальных сил, а также влияние соотношения размеров сторон путем введения в расчет дополнительных расчетных зависимостей. Новые расчетные зависимости разработаны на основе полученных результатов исследований и обеспечивают сближение усовершенствованного метода расчета с

действительной работой стен. Отклонение опытных и расчетных усилий составляет в среднем 20 %.

Новый метод расчета основывается на каркасно-стержневой модели, которая представляет собой ^-образную систему и состоит из наклонной сжато-растянутой бетонной.полосы и вертикального растянутого арматурного пояса.

Согласно предлагаемой модели прочность стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил определяется прочностью наклонной бетонной сжато-растянутой полосы и прочностью вертикального арматурного пояса.

7. Предлагаемый метод расчета в большей степени отражает особенности напряженно-деформированного состояния стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил, поскольку расчетная модель основывается на схемах разрушения, выявленных при испытании. Расчетные усилия хорошо согласуются с опытами. Отклонение опытных и расчетный величин составляет Q. ./Q 7 = 1,15.

test calc

8. Новый метод расчета повышает расчетную прочность стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил. Прочность стен, полученная на основе предлагаемого метода расчета, выше расчетной прочности, полученной по СНиП 2.03.01-84 в среднем на 30%.

9. Разработанный метод расчета, основывающийся на каркасно-стержневой модели логически приводит к новому принципу армирования стен. Новый принцип заключается в том, что в стенах следует использовать два вида рабочей арматуры. Первый вид - растянутая вертикальная арматура, сосредоточенная в растянутой зоне. Второй вид - рассосредоточенная по сечению

арматура, направление которой определяется направлением пото ков главных сжимающих напрякенй. Угол наклона принятой арматуры определяется в каждом частном случае на основе предлагаемой расчетной модели. Рассосредоточенную по полю стены арматуру следует определять по расчету прочности сжато-растянутой армированной полосы модели, по методике ранее разработанной д.т.н., проф. Барановой Т.И.

10. Результаты работы внедрены в ЦНИИСКе им. Кучеренко, в ЦНШЭПкилшца, в ЦНИИП реконструкции городов при разработке нормативных документов по проектированию стен. Результаты работы включены НИИЖБом в проект норм по проектированию железобетонных конструкций следующего поколения. Конструктивные решения стен и диафрагм жесткости были использованы в г. Пензе при строительстве жилых и административных зданий.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Брусенцов Г.Н., Ласьков H.H. Сопротивление диафрагм жесткости совместному действию вертикальной и горизонтальной нагрузок// Строительная механика и расчет сооружений. -1987. - * 5. - С. 57-69.

2. Баранова Т.И., Ласьков H.H. Экспериментальные исследования диафрагм жесткости// Экспрес информация// Строительные конструкции. Сер. 8/ ВНИИИС Госстроя СССР. Вып. 10. - М., 1987. С. 10-14.

3. Ласьков H.H. Прочность стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил// Прочность, трещиностой кость и деформативность стен крупнопанельных и монолитных зданий: Сборник докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - Пенза, 1990.

- 25 -

4. Баранова Т.Й., Ашкинадзе Г-Н., Ласьков H.H., Багдоев С.Г. Прочность стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок// Межвузовский сборник научных трудов/ Казанский ИСИ. - Казань, 1991. - Прочность, трещино-стойкость и деформативность стен крупнопанельных и монолитных зданий. С. 9 - 15.

Б.Баранова Т.И., Ласьков H.H. Совершенствование метода расчета стен при совместном действии вертикальных и горизон тальных сил// Изучение действительной работы конструкций с учетом условий и сроков эксплуатации: Сборник докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - Пенза, 1992.

6. Ласьков H.H. Экспериментальные исследования стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил// Изучение действительной работы конструкций и сроков эксплуатации: Сборник докладов Всесоюзной научно-технической конференции. . Пенза, 1992.

7. Ласьков H.H., Пигин В.А., Попыльков Д.А. Исследование стен численным методом по ППП АПЖБК// Научно-технический прогрес в строительстве: Сборник докладов XXVII научно- технической конференции/ Пензенский ИСИ. - Пенза, 1993.

8. Ласьков H.H. Влияние высоты этажа на прочность стен многоэтажных зданий и сооружений// Научно-технический прогрес в строительстве: Сборник докладов XXVII научно-технической конференции/ Пензенский ИСИ. - Пенза, 1993.

Подл, к печ.29.09.93.

Офсетная печать Печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Зак. Я 304

Формат 60x84 1/16 уч. изд. л. 1,0 Бесплатно