автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность сжатых железобетонных трехслойных элементов с теплоизоляцией из низкомарочного полистиролбетона

; . ГягЛА ТРУДЬВТ КРАСН д\* ЗНАМЕНИ

'|1а;»'ч:!. -иссл?дсаАТьльск;я, пр.ектнс-кжтрукгорский

ТШГ-ЛОПЯиСВЯ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗЖгГСМ " НИИЯБ "

На правах рукописи

ЛУЖНИКОВ Сергей Дмитриевич

УДК

ПРОЧНОСТЬ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРЁХСЛОЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ НИЗКОМАРОЧНОГО ПОЛИСТИРОЛБЕТОНА

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание учоной степени кандидата технических туг.

МОСКВА - 1992

Работа выполнена в ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона "НИИЖБ" Госстроя СССР.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор К.П.Деллос.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.С.Залесов.

кандидат технических наук, с.н.с. А.В.Грановский.

Иопутцяч организация - Центральный научно-исследовательский и проектный институт типового и экспериментального проектирования животноводческих комплексов по производству молока, говядины и свинины ГИЛРОНИСЕЛЬХОЗ

Защита состоится " 21 " мая 1992 г. в 14 часов на заседании специализированного совета К.ОЗЗ.03.01 по защите диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук в ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона "НИИЖБ" по адресу: 109428,

Москва, Ж-428, 2-я Институтская ул. дом б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЖБ.

Автореферат разослан 15 апреля_1992 г.

Учёный секретарь специализированного совета, кандидат тухк-негг,:* ■ Т.А.Кузьмич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ-

Актуальность работы. Одним из перспективных направлен;!.'1 2 совершенствовании ограждающих конструкции является повышение термического сопротивления, при этом снижается расход топлива н^ эксплуатацию зданий и их стоимость. Требования существующих отечественных норм к термическому сопротивлению по отношению к зарубежным занижены в 3 раза.

Наиболее проверенным путём решения этого вопроса является переход от однослойных конструкций к многослойным с эффективном утеплителем. В нашей практике наибольшее распространение получили трёхслойные железобетонные панели с рёбрами по контуру, В последние годы разработаны конструкции с эЭДехтишым утеплителем и гибкими связями.

Естественно, что трудоёмкость их изготовления выше, чем однослойных. В трёхслойных панелях с гибкими связями и эффективным утеплителем трудно обеспечить надлежащее их качество: защиту поперечной арматуры от коррозии, протечку раствора между стыками утеплителя, защиту утеплителя по торцам панелей и др.

Исследования и разработки, проведённые в последние годы в НИИЖБ, ЦНИГОП жилища, ЦНИИСК и других организациях, показали, что унаэанные недостатки известных решений наружных ограждающих конструкций могут быть ликвидированы за счёт применения трёхслойных панелей с использованием в качестве утеплителя низкомарочного по-листиролбетона, а в наружных слоях - прочного лёгкого или тяжёлого бетона. Такие панели при одинаковой толщине имеют более высокое термическое сопротивление, чем однослойные из бетонов плотной структуры. По сравнению с прменяемыми у нос трёхслойными панелями с эффективными утеплителями и гибкими связями, трёхслойные монолитные панели менее трудоёмки на стадии изготовления, в них снижается расход стали, повидается надёжность, аёсткость и прочность кон-

струкцми, при этом поперечная арматура в них надёжно защищена от коррозии, а утеплитель - от увлажнения и возгорания. Однако, работа таких панелей в условиях внецентренного сжатия не изучена.

Настоящая работа посвящена решению поставленной задачи и выполнена автором в лаборатории лёгких бетонов и конструкций НИЖБ с соответствии с Госзаказом № 05-0052-87 " Провести исследования трёхслойных панелей с теплоизоляционным слоем из низкомарочного голнстиролбетона, обеспечивающим повышенное термическое сопротивление ограждений, разработать дополнения к СНиП 2.03.01-84 и технологический регламент на изготовление панелей. Часть I. Изучение рабош сжатых ^ле.чентов."

Цель диссертационной работа заключается в изучении внецен-тренно скатьгх трёхслойных стеновых панелей различной гибкости с шугронниг: слоем из ¡шокомарочкого полисткролбетона, ь изучении коротких и гпбклх грсхслоГ.яяс олеыентоь таких панелей и их стыков, л г, оценке пмощпхея I1. литературе предложение! и разработке

.< ...','-:лтель!:ах реког.ьндацпП по я:; расчёту.

Дяя решения посте?ясиноП цели следовало:

- экспериментально научить работу коротких трёхслойных элементов ш внецептроичое сглатис, проверить ьозмо.глость использования действующих положений по расчёту для такт: злемешов по прочности;

- экспериментально изучить работу гибких грахслОьвс эялчем-тов на внецентренное сжатие, дать оценку возможности использован"/.^ действ^ Ш1Ц..Х положений по расчёту несущей способности так кос элементов;

- экспериментально изучить работу стыксвцх соединений трёх-слонних панелей на внецентренное сжатие, дать оценку действующих рекомендаций по расчёту их несущей способности.;

- нп сснова!-;;'.н эг.сг.ерул:снтйльых исследований провести провер-

ку действующих в литературе предложений и разработать рекомендации по расчёту прочности сжатых трёхслойных панелей и их стыков;

- провести уточнение методики расчёта применительно к трёхслойным панелям и выполнить численный анализ работы рассматриваемых конструкций при длительном действии нагрузки;

- разработать проекты трёхслойных монолитных стеновых панелей для жилых зданий, изготовить и испытать указанные опытные конструкции.

Автор защищает;

- экспериментальные данные о работе коротких и гибких трёхслойных элементов панелей на внецентренное сжатие;

- экспериментальные данные о работе стыковых соединений панелей на внецентренное сжатие;

- экспериментальные данные о работе на внецентренное сжатие опытных конструкций;

- предложения по расчёту трёхслойных панелей различной гибкости, а также их стыков;

- уточнение методики н результаты численного анализа длительной прочности гибких трёхслойных элементов.

Научную новизну работы составляют:

- данные по прочности приопорных зон и средних сечений трёхслойных панелей с внутренним слоем из низкомарочного полисти-ролбетона, а также коротких и гибких элементов трёхслойных панелей при внецентренноы сжатии и предложения по их расчёту;

- данные по прочности стыковых соединений панелей на внецентренное сжатие и предложения по их расчёту;

- данные по длительной прочности гибких трёхслойных элементов.

Практическое значение г-абоуы.

- разработаны дополнения к СНиЛ 2.03.01-84 "Бетонные и желе-

00661инные конструкции" в части проектирования многослойных панелей с утеплителем из бетона, монолитно связанного с несущими слоями;

- разработаны рабочие чертами новых конструкций трёхслойных стеновых панелей: "Опытные трёхслойные стеновые панели с наружными слоями из керамзитобетона и утеплителем из полистиролбетона для животноводческих зданий", "Трёхслойные наружные стеновые панели с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона для одноэтажных сельских жилых я общественных зданий." Новые конструктивные решения защищены авторским свадетельстьом ь:я /¿обретение;

- т основания экспериментально-теоретических пссл^довап/л даны рекомендации к массовому внедрению наружных трёхслойных стеновых панелей с утеплителем из низкомарочного полистиролбетона, которые внедрены на Егорьевском ССК, экономический эффект в ценах 1989 г. составил 3 руб/кв.м. и на Елецком ССК треста "Агропром-стройматериалы", где экономический эффект в ценах 1989 г. составил 239,24 тыс. руб./год;

- Проведён численный анализ длительной прочности предложенных конструкций.

Разработанные с участием автора трёхслойные наружные стеновые панели с теплоизоляционным слоем из низкомарочного полистиролбетона и результаты их внедрения экспонировались на ВДНХ СССР в 1989 году.

Кроме того, разработаны рекомендации по технологии изготовле ния трёхслойных стеновых панелей для жилых зданий.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены на научно-технических совещаниях лаборатории лёгких бетонов и конструкций НИИЖБ, 21 конференции молодых учёных и специалистов.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, б глав, общих

выводов и предложений, списка литературы и ? приложений. Она содержит 202 страницу, включал 100 страниц машинописного текста. 70 рисунков и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе дан обзор конструктивных реаений трёхслойных стеновых панелей, результатов их исследований и методов расчёта. Отпечено, что в действующих нормах проектирования отсутствуют рекомендации по расчёту и конструированию многослойных железобетонных элементов.

Разработкой стеновых многослойных панелей, методов их расчёта и внедрением занимались: А.А.Евдокимов, Н.А.Корнев, А.А.Кудрявцев, В.И.Лишак, В.И.Майоров, Н.В.Морозов, Н.Я.Спивак, А.Б.ц>а«овскии, В.К.Осипов, Ю.И.Мешкаускас и многие другие. Экспериментальные исследования таких конструкций проводились в НШ2КБ, ДНИИЭЛ жилища, ЦНИИСК, МИСИ и других организациях.

Исследования в этом направлении обусловлены постоянными требованиями повышения термического сопротивления конструкций и удорожанием энергоресурсов, т.е. постоянно растущими требованиями к теплотехническим и технико-экономическим показателям ограждающих конструкций. При этом вырабатывались различные подходы к расчёту многослойных элементов. Наиболее распространённым оказался метод приведения неоднородного сечения к тавру или двутавру, исходя из соотношений прочностных или деформативных характеристик слоев, в зависимости от напряжённого состояния и учитывая коэффициент условий работы.

В работе изложены результаты целенаправленных исследований ' прочности трёхслойных сжатых, элементов и их стыков с теплоизоляцией из низкомарочного полистиролбетона, а также трёхслойных панелей в натуральную величину.

Исходя из конкретных конструктивных схем промышленных, грая-

данских и сельскохозяйственных зданий с учётом теплотехнических и геометрических характеристик наружных стен (толщины, гибкости и т.д.! были разработаны конструкции семи опытных образцов.

Длп изучения вопросов совместности работы слоёв трёхслойных панелей испытаны короткие трёхслойные образцы, которые исследова-г—- пр'-; различных относительных эксцентриситетах эагружения, на них же изучалось влияние процента поперечного армирования на прочность стеновых панелей (серии 1-1У). Вопросам работы гибких панелей посвящены исследования образцов по сериям У-У1. Геометрические характеристики образцов У серии соответствуют панелям жилых зданий, lia VT г ерик изучалась работа панелей промзданий с верти-

кальной разрезкой стен, lia УН серии образцов изучались вопросы работа сщков мекду панелями. После исследования работа элементов панелей были испытаны 4 опытных образца.

Всего изготовлено и испытано 54 трёхслойных образца, а такде 58 контрольных призм размером 15x15x60 и 100 кубов с размером реб-- - см, которые были отобраны от каждого вида бетона.

Сечение образцов 1-1У серий с i=6,7 принято 23x25 и высотой 60 см. Толщины несущего (обращенного в помещение), наружного защитного и внутреннего утепляющего слоёв г образцах I и II серий приняты 6-6-13 см, в образцах П1-1У серий 8-4-13 см. Сечение образцов У серии с Л =22 принято 23x25 и высотой 200 см, соответствующие толщины слоёв 8-4-13 см. Образцы У1 серии сЛ =64 имели сечение 16x22 и высоту 440 см, толщины слоёв 8-4-10 см. Образцы УП серии (контактные и платформенные стыки) были изготовлены из двух половинок с размерами 23x25 и высотой 60 см, толщины слоёв - 8-4-13 см.

Наружные слои образцов всех серий выполнены из керамзитобетона прочностью 10,7-24,7 Ша средней плотностью 1055-1576 кг/м , а утепляющий слой - из полистиролбетона прочность» 0,9-1,1 ЫПа и

о

срсдпеЯ плотностью 396-420 кг/м .

Образцы I и III серий заармированы конструктивно сетками, остальные - сетками и плоскими каркасами. Сетки в наружных слоях приняты из стали класса Bpl диаметром 4 мм с ячейкой 20x20 см. Каркасы в виде гребёнок изготовлены из стержней периодического профиля класса AIII диаметром б мм и размещены по торцам образцов. Количество каркасов варьировали от I до 3, с целью предотвращения возможного расслоения и преждевременного разрушения прнопорных зон. Кроме того, торцы образцов У1 серии и коротыпей к ним усиливали-металлическими пластинами толщиной 10 км и металлическими оголов-никашк

Подбор состава" смесей и изготовление трёхслойных элементов осуществляли в соответствии с технологическим регламентом, разработанном в лаборатории лёгких бетонов л конструкций НКИЕБ.

Omrrim образца всех серий загружали центрально и внецентрен-v.o приложенной нагрузкой до разрушения. Для получения детальной ляр-;::!п,! распределения наполнений в элементах на всех этапах загру-лсшя измеряли продольные и поперечине деформации бетонных слоев, а гирину раскрытия трещин. Кроне того, у гибких элементов

измеряли прогиби, а в стыковых соединениях - продольные деформации швов.

Прочностные и деформативные характеристики сопоставляли с результатами испытаний контрольных призм и нубов, отобранных непосредственно при изготовлении образцов от каждого слоя, а также по кубам, выпиленным из неразрушенных при испытании элементов участков. После испытания от каждого гибкого элемента серии У1 из его неразрушенной части отделялся "коротыш", который испнтывался с тем же эксцентриситетом приложения нагрузки. При этом были проконтролированы физико-механические характеристики каждого образца этой серии.

Для комплексного изучения вопросов работы трёхслойных панелей были также испытаны контактные и платформенные стыки конструкций с приложением нагрузки по геометрическому центру несущего слоя.

Конечным выходом на внедрение трёхслойных монолитных конструкций в кассовое производство послужило испытание простенков и перемычек 4-х опытных образцов.

Во всех испытанных образцах совместная работа по контакту слоёв не нарушалась вплоть до разрушения.

Все образцы 1-У серий разрулились по приопорным зонам от раздробления бетона сжатой грани. В элементах, загруженных при е=0,36 разрушение было обусловлено текучестью арматуры и происходило по среднему сечению. Опытные данные удовлетворительно согласуются с результатами расчёта по прочности на сжатие средних и опорных сечений после соответствующих преобразований по СНиП 2.03.01-84 и пособию к СНиП 2.08.01-85.

Стыки между панелями разрушались как и короткие элементы 1-У серий по приопорным зонам. Установлено, что их несущая способность в значительной степени зависит от прочности раствора. Результаты опыта удовлетворительно согласуются с результатами расчёта согласно "Пособию по проектированию жилых зданий. Вцп.З, Конструкции жилых зданий, (к СНиП 2.08.01-85)".

С целью изучения длительной прочности трёхслойна панелей,на образцах 1-У1 серий проведён численный анализ, в основу которого заложена расчётная модель бетона, основанная № нелинейной теории ползучести, развитая в трудах А.А.Гвоздева, Е.А.Чистякова, А.В.Шу-бика, применяемая ранее для расчёта длительной прочности однослойных конструкций. При применении этой методики для расчёта трёхслойных панелей разбиение сечения по слоям позволило учесть различные деформативные и прочностные свойства материала элемента. На рис.1 показано распределение деформаций и напряжений в сечении при уточ-

ценной методике расчета. Уравнение состояния бетона какого - го слоя в процессе загружения согласно этой теории записываются следующим образом:

где -Ь^ - рассматриваемый момент времени; £ ' - максимальный уровень напряжения на интервале

времени С0,-£к); £( (I,) - искомая деформация;

Г - текущий момент времени; б"^,) - напряжение в момент времени (.¡(1,) - модуль упругости бетона;

- текущее значение напряжений;

Ej.it-) - текущее значение модуля упругости;

" наследственная функция, вырааакцая влияние упругой

части деформаций на полную, относится к линейной части деформаций, длл которой принимается гипотеза о наложении воздействий;

Т - суммарное время действия соответствующего уровня

напряжений;

- нелинейная наследственная фушсция, вырвлсащая влияние уровня напряжений, относится к нелинейной части деформация, ползучести;

- функция от уровня напряжений; ЯП) - прочность бетона;

УРовень напряжений. Вывод формул для исследований функции Кд линейной меры

ползучести и линейной части деформаций ползучести был выполнен следуя предложениям А.В.Йубика. Особенностью исследованных физических зависимостей является представление нелинейной части деформаций

1*1 I 111111111111 ¿-Л

Рис. I * Напряжённо деформированное состояние нормального сечения 3х слойной панели

ползучести в виде суммы деформаций от соответствующих уровней на время их действия. Это приводит к значительным упрощениям при вычислениях.

В численном анализе варьировали гибкость,/) =6,7-64, величины относительного эксцентриситета е=0,05-0,3б1) и уровень нагружения 1^=0,3-0,9.

Результаты численного эксперимента позволили оценить несущую способность трёхслойных элементов различной гибкости при длительном нагруженни, а также сравнить их с опытными данными, полученными, при аналогичных испытаниях однослойных колонн из тяжёлого и керамзитобетона,другими авторами. Подробная оценка данных по результатам вычислений приведена в выводах, п.п. 5-6.

Разрушение простенков панелей полностью подтвердило характер работы огатик элементов и стыков.

Прочность при сжатия опытных трёхслойна образцов определяли по С;'ч?! 5.03.01-84. "Еетош^е и ле.чеэсбетспте конструкции. Нормы преекгиро.'чния." При этом геполъзорплнеъ методы, пр::ш:1;лс:д;с рэнсе при расчете ".исгослой1их элементов. Та;: трёхслойное ссчение приао-

г. ^Бутазророму через отношения рсотзткчх приомогазде прочнос-тей или модулей упругости, з зависклостн с? напряжённого состояния, сохраняя неизменными высоту сечен'ля 'л толщпш слоёв. Расчёт пополняли с учёте!! физического центра тяжести, фактических геометрических размеров сечения, а таюсе деформотивно-прочностных характеристик. Прочность при сжатии стыков панодэЛ :: прхопоргах зон оатгах конструкций определяли по "Пособию по проектированию ш'лнх зданий

Е:гп.З. Конструкции пн.яых зданий, (к СНгЛ 2.08.01-85)", с учётом передачи нагрузки на несущий слой.

Результаты опыта удовлетворительно согласуются с результатам расчёта по прочности на сжатие средних и опорных сечений.

ВЫВОДЫ

1. Во всех испытанных сжатых элементах и стыках, независимо

от эксцентриситета приложения нагрузки, гибкости и количества плоских поперечных каркасов в оголовке, совместная работа по контакту слоёв не нарушается вплоть до разрушения.

2. Количество плоских поперечных каркасов в оголовке не повлияло на прочность и характер разрушения опытных трёхслойных элементов, однако, в целях предотвращения возможного расслоения конструкций из-за технологических сбоев при изготовлении и сложных условий эксплуатации, считаем необходимым установку в приопорных зонах плоских поперечных каркасов.

3. При расчёте сечение следует приводить к двутавровому через отношения расчётных призменных прочностей или модулей упругости б зависимости от напряжённого состояния, сохраняя при этом толщины слоёв. Средние сечения сжатых трёхслойных элементов необходимо рассчитывать согласно п.п. 3.2 и 3.28 СНиП 2.03.01-84.

4. Результаты расчёта по прочности на сжатие оперных сечений опытных конструкций, контактных и платформенных стыковых соединений удовлетворительно согласуются с опытными данными. Рекомендуется проверку прочности приопорных горизонтальных сечений и стыков трёхслойных элементов выполнять в соответствии с "Пособием по проектированию жилых зданий. Вип.З, Конструкции жилых зданий, (к СНиП 2.08.01-85)".

б. Анализ результатов численного эксперимента показал, что для коротких элементов СА<?) и е=0,06-0,36(1 длительная прочность (около 100 лет)-обеспечивается при уровне длительной нагрузки по отношению к кратковременной менее 60$, а для гибких элементов лишь при более низком уровне - так, например, приА =22 и е«0,06-0,36Ь менее 6С#Д =64 и. е=0,06-0,ЗЬ менее 5055, а при Л =64 и е=0эЗбЬ менее 40*. ЕЬяааено, что при расчёте длительной прочности элемен-

тов с гибкостью более 30, обязателен расчёт по деформированной схеме, с тем, чтобы учесть изменение прогиба во времени. Анализ стабильности деформирования образцов во времени и их прочности с учётом ползучести даёт возможность с единых позиций количественно оценить величину деформаций, кратковременную и длительную разрушающие нагрузки, в зависимости от уровня и режима нагружения.

6. Выявлено, что снижение относительной несущей способности во времени трёхслойных панелей с утеплителем из низкомарочного по-листиролбетона, монолитно связанного с наружными слоями, больше, чем у аналогичных однослойных панелей из тяжёлого и керамзитобето-на на 15-20% в зависимости от схемы и уровня загружения, а также гибкости.

7. Результаты проведённых исследований использованы:

при составлении дополнений к СНиП 2.03.01-84, в части проектирования сжатых трёхслойных конструкций монолитного сечения;

ЭКБ ЦНИИСК при разработке альбомов рабочих чертежей опытных трёхслойных стеновых панелей для сельскохозяйственных производственных зданий (заказ № 4422);

НИИЖБ совместно с НИИСФ Госстроя СССР при составлении альбомов рабочих чертежей "Трёхслойные наружные стеновые панели с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона для одноэтажных сельских жилых и общественных зданий". (Хоздоговор № 659/95 от 3.01. 1989г.)

8. Применение трёхслойных стеновых панелей с теплоизоляцией из низкомарочного полистиролбетона, монолитно связанного с наружными слоями, по сравнению с трёхслойными с железобетонными рёбрами по по контуру и эффективным утеплителем, являются более экономичным. Снижение стоимости I кв.«. стены в ценах 1989 г. составляет от 2,3 до 4,95 рубля, трудоёмкости изготовления - 17-32%, в зависимости от региона страш и применяемого сырья.

9. Испытанные трёхслойные стеновые панели удовлетворяют тре-

бованиям норы по прочности, жёсткости и трещиностойкости. Исходя из положительных результатов испытаний, трёхслойные наружные стеновые панели с утеплителей из низкомарочного полистиролбетона внедрены на ЕЕСК в г. Егорьевске Московской области и ЕЕСК в г. Ельце Липецкой области.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Производство трёхслойных стеновых панелей с утеплителем из полистиролбетона для сельскохозяйственных производственных зданий/ В.В.Полетаев, В.И.Попугаев, С.Д.Лушников, Е.А.Король // Сб.тр./ ЦНИИЭПсельстрой.-М.,-Blm.I9.- Совершенствование технологии производства теплоизоляционных материалов для изготовления ограждающих конструкций зданий. - С.1-3.

2. A.c. 4627040/23-33 (159376) СССР; М.Кл. В04С 2/32. Композиция теплоизоляционного слоя в панели / И.Н.Бутовский, Н.Н.Черных, Ю.В.Чиненков, В.В.Полетаев, С.Д.Душников. . СССР// Открытия. Изобретения. -1989.

3. Проспект ВДНХ СССР. Трёхслойные наружные стеновые панели

с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона для производственных сельскохозяйсглашых зданий / В.В.Полетаев, С.Д.Дугшикоо // НИИЖБ Госстроя CCCP.-I989.

4. Душикоп С.Д. Трёхслойные стеновые панели с утеплителем из низкомарочного полистиролбетона для килых и сельскохозяйственных производственных зданий // Сб.тр. /ШДИ.- М., I99I.-C. 106-109.

Л -_подл, к печати 6'Я 03.1992. Заказ Тираж 100 экз.

Огаеч&такэ в ГСЩг.егпрсма