автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа узлов сопряжения колонн из высокопрочного бетона с перекрытием в монолитных зданиях с рамно-связевой системой

На правах рукописи

БОЛТОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАБОТА УЗЛОВ СОПРЯЖЕНИЯ КОЛОНН ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА С ПЕРЕКРЫТИЕМ В МОНОЛИТНЫХ ЗДАНИЯХ С РАМН0-СВЯЗЕВ0Й СИСТЕМОЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Научно-исследовательском, проектно-конструкгорском и технологическом институте бетона и железобетона

Научный руководитель - д.т.н., проф. В.А.Клевцов

Официальные оппоненты - д.т.н., проф. А.С.Залесов

- д.т.н., проф. Л.Л.Паньшин

Ведущая организация - ЦНШпромзданий

Защита диссертации состоится « <3 ¿ч --^.¿п» 2005г. в /4' часов на заседании диссертационного совета № Д 303.006.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул., д.6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « Л' 3 » Г 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Л.Н.Зикеев

2446296

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из основных недостатков применения железобетона в высотных зданиях является больший собственный вес несущих конструкций в сравнении с металлическим каркасом. Особо остро этот вопрос возникает при строительстве на слабых грунтах и в стесненных городских условиях. Поэтому снижение собственного веса здания за счет применения новых видов материалов является в настоящее время одной из главных задач при проектировании высотных зданий.

Дифференцированный подход при назначении класса бетона в колоннах разных этажей, позволяет значительно снизить собственный вес зданий, сократить размеры сечений колонны и увеличить полезный объем. В настоящее время такой подход широко распространен и в нашей стране и за рубежом.

Неэффективность применения высокопрочного бетона в плитах перекрытий и технологическая схема бетонирования стали причинами появления новых типов узлов соединений колонн с плитами перекрытий. Актуальной задачей в настоящее время является изучение их работы и установление расчетных зависимостей, на основе которых могут быть получены надежные конструктивные решения.

Кроме того, практика проектирования плоских безбалочных безкапительных плит перекрытий (ПББПП) зданий с рамно-связевой системой показывает, что в ряде случаев при назначении толщины плиты определяющим становиться расчет на продавливание. Между тем, ни в отечественной, ни в зарубежной практике вопрос влияния сжимающих усилий от верхней колонны на работу плит при продавливании не изучен, а при применении в колоннах высокопрочного бетона оно может быть значи:' ~ "

Цель диссертационной работы.

Является разработка метода расчета узлов сопряжения плит перекрытий с колоннами из высокопрочного бетона, которая позволяет моделировать их работу с высокой степенью надежности и разработка на их основе предложений по конструированию.

В соответствии с целью работы решались, следующие задачи:

- проведение теоретических исследований работы узлов сопряжения колонн с плитой перекрытия;

- получение экспериментальных данных о влиянии поперечной арматуры и продольной арматуры класса АтЮОО на несущую способность узлов;

- экспериментальная проверка методики численного моделирования работы узлов из разного класса бетона;'

-установка на основе численного моделирования зависимостей для расчета узлов;

-разработка рекомендаций по расчету и конструированию узлов сопряжения колонн с ПББПП, в том числе с колоннами из высокопрочного бетона.

Научную новизну составляют:

- численная КЭ модель для расчета узлов сопряжения плит перекрытий с колоннами, учитывающая нелинейную работу железобетона на всех стадиях нагружения, включающую стадию разрушения;

-экспериментальные данные о влиянии на несущую способность безбалочных безкапительных плит перекрытий при продавливании, действия сжимающего усилия со стороны верхней колонны и установленные на основании этих данных расчетные зависимости для определения несущей способности;

—экспериментальные данные о влиянии на несущую способность промежуточных, крайних и угловых узлов сопряжения перекрытия с колоннами из разного класса бетона: отношения классов бетона колонн и плиты; нагрузки на плите перекрытия; отношения размеров сечения колонн и плиты; поперечного армирования; вида арматуры (обычная, высокопрочная) и установленные на основании этих данных расчетных зависимостей по определению несущей способности;

Практическое значение работы.

Предложены поправки к расчетной зависимости СП 52-101-2003 на продавливание, учитывающие результаты новых экспериментальных исследований по продавливанию плит из высокопрочного бетона, а так же учитывающие влияние продольной арматуры плиты и сжимающего усилия со стороны верхней колонны.

Разработаны рекомендации по расчету узлов сопряжения ПББПП с колонками из разных классов бетонов.

Автор защищав я:

-результаты численного мбделирования работы узлов сопряжения перекрытия с колоннами при разных соотношениях их прочностей и геометрических характеристик;

-результаты экспериментальных исследований работы ПББПП на продавливание при действии нагрузки на верхней колонне;

-результаты экспериментальных исследований работы узлов сопряжения колонн с плитой перекрытия при наличии продольной высокопрочной арматуры и поперечной арматуры в узле.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы учтены при проектировании многоэтажного здания на Страстном бульваре вл.9 и жилого комплекса «Воронцово»

в г.Москве, в которых колонны и плиты пере!фытий выполнялись из бетона разных классов.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на конференции творческой молодежи «Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций» / Москва 2002 /; «Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей» в НИИЖБ / Москва, 2004/; рассмотрении отчета по ГРАНТ РААСН / Москва 2005/.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 4 печатных работах, а так же в отчетах по ГРАНТ РААСН и НИР ФЦНТП.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе и списка использованных источников. Общий объем работы 152 страницы, 7 таблиц, 140 рисунков, 2 приложения. Список литературы содержит 67 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена изучению имеющихся в литературе теоретических и экспериментальных данных о работе узлов ПББПП с колоннами из обычного и высокопрочного бетонов при сжатии и продавливании.

Исследований работы узлов сопряжения плит перекрытия с колоннами из высокопрочного бетона в нашей стране не проводилось. За рубежом работами в данном направлении занимались Бианчини A.C., Вудс P.E., Кеслер С.Е., Гембл В.Л., Клинер Ж.Д., Макхарг П.Ж., Кук В.Д., Митчелл Д., Йон Ю.С., Оспина С.Е., Александр С., Шихата Й., Шу С.С., Хавкинс Н.М.

В настоящее время только в нормах проектирования Америки и Канады имеются рекомендации по расчету узлов сопряжения плит

перекрытий и колонн из высокопрочного бетона. Формулы основаны на экспериментальных данных, которые весьма приближенно моделировали работу узлов и не учитывали изгибающий момент со стороны плиты.

На основании проведенного анализа были установлены основные факторы, влияющие на несущую способность узлов с разными классами бетонов при сжатии, это: отношение прочности бетона колонны и плиты (/ Rpl); отношение их размеров сечений (h / с), нагрузка не плите; дисперсное армирование узла; процент продольного армирования плиты.

Измеренные деформации бетона и арматуры узла показываю, что при разрушении в бетоне плиты возникают значительные пластические деформации сжатия, превышающие деформации при одноосном напряженном состоянии. С целью повышения несущей способности узлов, в диссертации изучалась возможность применения в качестве продольной армирования, стержневой арматуры класса АтЮОО.

Изучением работы плит на продавливание в нашей стране и за рубежом занимались Викман Э.А., Залесов A.C., Коровин H.H., Крылов С.М., Кузнецов JI.B, Паньшин JI.JI., Пыжов Ю.С., Руф.Л.В., Семенцов С.А., Ступкин A.B., Ривкин С.А., Тетиор А.Н., Тальбот А.Н., Граф О., Ельстнер Р.С, Хогнестад Е., Мое И., Сталлер М., Андреа Х.П.', Лесе С., Слато А., Северсен Т. и др.

Полученные экспериментальные и теоретические данные о-работе плит на продавливание с разной прочностью бетона и количеством верхней растянутой арматуры относятся к работе фундаментных плит и плит покрытия. Отличительной особенностью работы плит перекрытия является наличие верхней сжатой колонны. Экспериментальных данных о положительном или отрицательном влиянии данного фактора отсутствуют. Между тем, теоретические исследования указывают на возможность такого влияния, величина которого в нижних этажах здания может быть значительной.

На основе анализа теоретических и экспериментальных данных были сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводятся основные принципы и допущения, принятые при численном моделировании работы узлов на сжатие. Для численного моделирования использован ПК «ЛИРА 5.03» и «ЛИРА 9.2РШЭ» реализующие численный метод дискретизации сплошной среды - МКЭ в форме перемещений. Нелинейные свойства бетона и арматуры учитывались путем применения объемных и стержневых физически-нелинейных КЭ, моделирующих поведение бетона и арматуры. Связь между деформациями и усилиями в объемных КЭ модели определялась внутрипрограммно, согласно модели квазиизотропного упругопластического тела Максименко В.П. Для стержневых КЭ применялся кусочно-линейный закон деформирования, согласно диаграмме деформирования арматуры, полученной опытным путем. Помимо нагрузки на колонну, прикладывалась равномерно распределенная нагрузка по контуру плиты, определяемая из расчета несущей способности плиты на продавливание согласно СП 52-1012003.

Численная модель была сопоставлена с имеющимися опытными данными работы узлов на сжатие, определены погрешности моделирования.

При помощи КЭ модели проведен численный эксперимент по изучению влияния на несущую способность узлов: отношения прочности бетона колонн и плиты (Ясо1 / ); отношения размеров их поперечных сечений (Ь / с); концентрации поперечной арматуры колонн в узле; высокопрочной арматуры в колоннах. Расчет выполнен для промежуточных, крайних и угловых узлов.

На основе полученных данных о несущей способности узлов была получена «эффективная прочность» бетона узлов, вычисляемая по формуле:

Р'™ - разрушающее усилие; Асо1 - площадь сечения верхней колонны; Аа, - площадь сечения и предел текучести продольной арматуры колонны.

По методу наименьших квадратов установлены функции яЬв узла в зависимости от / и Л / с .

На основе численного эксперимента установлено, что с увеличением Ь / с и с уменьшением Кео, / , прочность снижается. Объясняется это тем, что с увеличением Л / с растет концентрация усилий в узле от действия нагрузки на плите, а при снижении Дсо1 / снижается сдерживающее влияние бетона плиты со стороны бетона колонн.

Несущую способность промежуточных и крайних..узлов, с продольной арматурой колонн класса А400, а так же промежуточных" узлов с арматурой класса АтЮОО предлагается определять по формулам СП 52-101-2003 как сжатых элементов с прочностью бетона равной кЬо. Несущую способность угловых узлов с арматурой класса А400, АтЮОО и крайних с арматурой АтЮОО - по тем же формулам, принимая напряжения в арматуре из расчета по методу приведенного сечения и учитывая таким образом, особенность их работы, при которой арматура в момент разрушения не достигает предела текучести.

В третьей главе выполнены экспериментальные исследования продавливания ПББПП, а так же экспериментальные исследования узлов на сжатие из бетона разной прочности.

При исследовании плит на продавливание было испытано 3 образца с одинаковыми размерами и армированием, но с разной величиной усилия на верхнем фрагменте колонны: без нагрузки (П1), с нагрузкой 35т (ПЗ) , с нагрузкой 70т (П2), что составляет 34 и 61% от призменной прочности бетона плиты соответственно. Средняя прочность бетона плит = 33МПа, колонн Дь = бОМПа. Образцы представляли собой узлы колонн с сечением 170x170мм, высотой 450мм с плитой размером 1700x1700мм и толщиной 120мм (рис.1, 2).

о ю

О |Л

Рисунок 1. Опалубочные размеры образца узла.

Была запроектирована и изготовлена экспериментальная установка рамного типа (рис.3) , которая позволяет создавать независимые усилия продавливания в плите и сжатия в верхней колонне.

и?

г*

о г-н 1700

ш и) г-

765 ПО 765

1700

750

170

750

н

»0

шсг 1СО,

к

1

-1

1-1

Ш2 АДСО \ №4 ВЬ00 _ им в ¿0 3

" * * " и • • а—и-в—»

шос ¿0 О 6 о ч

785 170 165

И

Рисунок 2. Схема армирования образца узла.

Рисунок 3. Вид экспериментальной установки.

Нагружение выполнялось в следующей последовательности: сначала создавалось сжимающее усилие в узле, а затем прикладывалась нагрузка к свесам плиты.

В ходе нагружения контролировались деформации поверхности плиты и колонн в месте сопряжения с плитой, прогибы и углы

поворотов свесов плиты, деформации растянутой арматуры плиты, на каждой ступени проводилось измерение скорости прохождения ультразвука поперек плиты в зоне продавливания, а так же момент и развитие трещин на верхней, растянутой при испытании поверхности плиты.

В результате эксперимента установлено следующее:

- с увеличением сжимающего усилия в верхней колонне изменяется характер деформированного состояния сжатой зоны плиты. Деформации в тангенциальном направлении в момент разрушения намного превышают радиальные деформации, а при действии сжимающей нагрузки на верхней колонне в образце П2 и ПЗ деформации в радиальном направлении практически равны нулю либо становятся положительными;

- с увеличением сжимающей нагрузки на плиту, жесткость узла повышается. Прогиб свеса плиты образца П1 при нагрузке Р=21тс составил f = 6мм, а для образцов П2 и ПЗ при той же нагрузке -3,3мм и 5рм, что меньше, чем у образца П1 на 45% и 16,7% соответственно (рис. 4);

прогиб, мм

Рисунок 4. Прогибы свесов плит образцов П1, П2 и ПЗ.

- усилие от верхней колонны значительно повышает несущую способность плиты на продавливание. Несущая способность образца П1 (без нагрузки на верхней колонне) составила 25,4*0; образца ПЗ (с нагрузкой 35тс) - 29,7тс; а образца П2 (с нагрузкой на верхней колонне 70тс) - Збтс, что на 42% для П2 и на 17% для ПЗ выше, чем у образца П1 (рис.5).

При исследовании узлов на сжатие были испытаны 14 образцов узлов, представляющие собой «сэндвич-колонны» из высокопрочного бетона с прослойкой из бетона средней прочности. Образцы имели размеры поперечного сечения 150x150мм, высотой 600мм, средняя призменная прочность бетона колонн составляла 56,8МПа, прослойки - 26,8МПа.

разрушающая нагрузка, тс

Рисунок 5. Разрушающая нагрузка в зависимости от усилия в верхней колонне образцов П1, П2 и ПЗ.

Отношение ь/ с изменялось от 0,33 до 1,0, часть образцов не имела поперечной арматуры, часть имела хомуты в зоне прослойки или в колоннах, а часть имела хомуты и в колоннах и в прослойке.

Три образца имели продольную арматуру колонн класса АтЮОО, остальные - арматуру А400.

В результате испытаний было установлено:

- наличие поперечной арматуры оказывает положительное влияние не только на несущую способность образцов, но и отражается на характере разрушения. Образцы с отношением ь / с = о.зз без поперечной арматуры, с поперечной арматурой только в колонне или прослойке разрушались хрупко, а образец, имеющий хомуты и в колонне и в прослойке, в момент разрушения имел значительные продольные и поперечные деформации в бетоне.

- концентрация хомутов в зоне узла позволяет достигать в узле значительных деформаций сжатия, порядка 4-6V., при этом отношение поперечных деформаций к продольным составляет 0,5 и более, при чем с уменьшением отношения h / с оно уменьшается (что объясняется сдерживающим влиянием прослойки плиты со стороны колонн);

- прочность бетона прослойки (Rдаже в таких образцах, не учитывающих сдерживание со стороны бетона плиты, выше ее призменной прочности. В среднем это отношение составило 1,3;

Четвертая глава посвящена сравнительному анализу экспериментальных данных несущей способности ПББПП при продавливании с формулами СП 52-101-2003, а так же зависимостей, полученных на основе численного моделирования, для расчета узлов на сжатие с имеющимися аналогами и формулами норм проектирования Америки и Канады.

Проведенное сравнение формул отечественных норм (СП 52-1012003) для случая симметричного продавливания с экспериментальными данными 180 образцов с прочностью бетона плит от 15 до 120МПа и количеством продольной растянутой арматуры плиты от 0.3 до 3%

показало, что при прочности бетона выше ЗОМПа (класс В25), а так же при количестве арматуры менее 1-1.5% имеет место значительное отклонение в сторону завышения несущей способности. Причинам этого является весьма условная расчетная модель работы плиты при продавливании, а так же то обстоятельство, что формулы норм получены по данным испытаний плит из бетона средней прочности.

В работе установлены зависимости, позволяющие уменьшить погрешность формул норм. Предлагается вместо прочности бетона на растяжение (ЯЬ[) использовать в качестве характеристики прочности бетона функцию вида:

Дь- призменная прочность бетона в МПа. Тем самым учитываются современные экспериментальные данные по продавливаю® плит из высокопрочного бетона, в которых было

повышением прочности бетона растет в меньшей степени, чем прочность бетона плиты на растяжение.

Количество верхней растянутой арматуры плиты предлагается учитывать следующей функцией:

/л- коэффициент продольного армирования плиты в направлении действия изгибающего момента.

Повышение несущей способности при продавливании при действии сжатия на плиту со стороны верхней колонны предлагается учитывать функцией, зависящей от уровня напряжения в бетоне верхней колонны и имеющий вид:

Л = 0.82-\/яь , где

(2)

установлено, что несущая способность плит перекрытия с

П/и) = 4. 2>[/л , где

(3)

= 0.5 •

\

+ 2 , где

(4)

- напряжения в бетоне колонны, вычисляемые по методу приведенного сечения; - призменная прочность бетона плиты.

Окончательно, формула для случая симметричного продавливания плит перекрытий без поперечной арматуры имеет вид:

р = 1.8 • з^; • ио • л0 • ^ • + 2

<7, ^

(5)

Сравнение полученных зависимостей для расчета узлов с разной прочностью бетона на сжатие с формулами других авторов и формулами норм проектирования Америки и Канады показало, что несущая способность узлов, вычисленная по предлагаемым зависимостям, в большинстве случаев ниже.

Результаты численного моделирования узлов с обычной арматурой колонн и с арматурой класса АтЮОО показали, что применение высокопрочной арматуры в промежуточных и крайних узлах повышает лЬо в среднем на 45% и 20% соответственно, а для угловых узлов практически не сказывается на несущей способности.

В приложениях приводятся рекомендации по расчету прочности и конструированию узлов колонн с плоскими безкапительными безбалочными плитами перекрытия и акт внедрения результатов работы.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования работы узлов перекрытия с колоннами разной прочности показали, что основными влияющими факторами на несущую способность узлов являются: отношение прочности бетона колонн и плиты (Ясо1 / ) ; отношение размеров сечения колонн и плиты (й / с) и изгибающий момент со стороны плиты перекрытия.

2. Выполненные экспериментальные исследования работы моделей узлов показали, что наличие хомутов в узле, а также применение высокопрочной арматуры в узлах повышает несущую способность узлов. При этом, наличие хомутов повышает пластичность узла при разрушении.

3. По результатам проведенных испытаний плит на продавливание установлено, что сжатие -со стороны верхней колонны оказывает положительное влияние на несущую способность и жесткость плиты. Данные выводы до проведения дальнейших исследований можно использовать только для отношений (Яш / Яр1), исследованных в работе.

4. Анализ экспериментальных данных по продавливанию позволил уточнить расчетные формулы отечественных норм, для случая симметричного продавливания, для плит перекрытия из высокопрочного бетона, а так же плит с различным процентом армирования.

5. Выполненный сравнительный анализ численной модели, основанной на МКЭ с применением физически нелинейных КЭ и критериями прочности, с имеющимися экспериментальными данными работы узлов из разного класса бетона, показал ее хорошее соответствие опытным данным. Это позволило использовать данную модель в дальнейших исследованиях работы узлов в условиях трудновоспроизводимых в натурных экспериментах.

6. Численное моделирование работы промежуточных, крайних и угловых узлов позволило проследить их работу на всех

стадиях нагружения, включая разрушение, а так же установить, что разрушение промежуточных и крайних узлов имеет пластичный характер, в то время как угловые узлы разрушаются хрупко.

7. На основе численного моделирования работы узлов было выполнено исследование влияния концентрации хомутов колонны в зоне узла, а так же влияние высокопрочной арматуры на несущую способность узлов при сжатии. Установлено, что применение высокопрочной арматуры приводит к значительному повышению несущей способности - .промежуточных и крайних узлов, при этом изменяется характер разрушения крайних узлов с пластичного - при обычной арматуре в колоннах, до хрупкого - с высокопрочной арматурой. Применение высокопрочной арматуры в угловых колоннах незначительно повышает несущую способность угловых узлов при сжатии.

8. В результате проведенных исследований даны предложения по расчету узлов плит перекрытий с колоннами из разного класса бетона на сжатие, в зданиях с рамно-связевой системой.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1.Болгов А.Н. Эффективность использования высокопрочных бетонов в монолитных зданиях с рамно-связевым каркасом // Доклады и труды молодых специалистов. М., 2002. с. 67-73.

2.Клевцов В.А., Волгов А.Н. О некоторых проблемах расчета монолитных безбалочных безкапительных перекрытий // Вестник отделения строительных наук, выпуск №8. М., 2004.

3. Волгов А.Н. Анализ методов расчета узлов сопряжения плоских безбалочных перекрытий с колоннами без поперечной арматуры. // Сборник докладов «Проектирование и строительство монолитных

многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей». М. 2004.

4.Болгов А.Н. Требования к расчету узлов сопряжения колонн плоскими безбалочными перекрытиями. // Строительная инженерия №4 2005г.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.06.2000 г. Подписано в печать 17.05.2005 Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,19 Печать авторефератов 730-47-74,778-45-60

л\ г— /1 О

РЫБ Русский фонд

2007-4

11162

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Экспериментальные исследования узлов сопряжения колонн из высокопрочного бетона с перекрытиями из бетона 9 средней прочности.

1.2 Экспериментальные исследования работы узлов ПББП на ^ продавливание.

1.3 Постановка задач исследования прочности узлов безбалочных безкапительных перекрытий с колоннами.

1.4 Выводы

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ УЗЛОВ ПББПП С КОЛОННАМИ.

2.1 Определение геометрических и физических параметров конечно-элементной модели.

2.2 Сопоставление результатов КЭ моделирования с экспериментальными данными.

2.3 Численное моделирование несущей способности узлов и исследуемые факторы.

2.4 Расчетная схема и нагрузка на образец.

2.5 Результаты расчета

2.5.1 Влияние на несущую способность и деформативность узлов нагрузки на плите.

2.5.2 Влияние на несущую способность узлов изменения отношений Rpl / Rcol и h/c.

2.5.3 Влияние на несущую способность узлов концентрации поперечной арматуры колонн.

2.5.4 Влияние на несущую способность узлов применения • высокопрочной арматуры в колоннах.

2. 6 Выводы.

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Экспериментальные исследования узлов плоских ^ безбалочных перекрытий с колоннами из бетона разного класса.

3.1.1 Конструкция опытных образцов данных.

3.1.2 Методика испытания.

3.1.3 Результаты испытаний и анализ экспериментальных данных.

3.1.1.1 Относительные деформации прослойки образцов.

3.1.1.2 Характер трещинообразования и несущая способность образцов.

3.2 Экспериментальные исследования продавливания железобетонных плит плоских безбалочных безкапительных перекрытий

3.2.1 Определение размеров образцов узлов и выбор схемы испытаний.

3.2.2 Установка для испытания узлов перекрытия с ^^ колоннами.

3.2.3 Конструкция опытных образцов.

3.2.4 Методика измерения.

3.2.5 Схема приложения нагрузки на образцы.

3.2.6 Результаты испытаний и показания приборов.

3.2.6.1 Трещинообразование.

3.2.6.2 Показание ультразвуковых датчиков.

3.2.6.3 Прогибы и углы поворота плиты.

3.2.6.4 Относительные деформации бетона нижней поверхности плиты.

3.2.6.5 Относительные деформации арматуры плиты.

3.2.6.6 Деформации бетона колонн.

3.2.6.7 Разрушающая нагрузка и характер разрушения.

3.2.7 Сравнение результатов экспериментов с несущей способностью плит на продавливание по нормам проектирования.

3.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ-ДАННЫХ И СРАВНЕНИЕ С

СУЩЕСТВУЮЩИМИ ЗАВИСИМОСТЯМИ.

4.1 Сравнение несущей способности на продавливание, полученной расчетом по СП 52-101-2003, с экспериментальными данными.

4.1. 1* Влияние прочности бетона.

4.1.2. Влияние процента продольной арматуры плиты

4.1.3 Влияние сжимающего усилия со стороны верхней 101Г колонны.

4.2 Сравнение несущей способности узлов с разной прочностью бетона на сжатие по предлагаемым зависимостям с экспериментальными данными и имеющимися предложениями по расчету

4.2.1 Сравнение несущей способности экспериментальных образцов с результатами расчета на КЭ моделях.

4.2.2 Сравнение несущей способности узлов по предлагаемым зависимостям с экспериментальными данными и с существующими методами расчета.

4.2.3 Сравнение несущей способности узлов при применении в колоннах высокопрочной арматуры.

4.3 Выводы по главе.

Приоритетным направлением в строительстве административных и жилых зданий является возведение высотных зданий (здания высотой более 75м), значительную долю которых составляют монолитные железобетонные здания рамно-связевой системы. Причиной этого является высокая плотность городской застройки крупных городов и высокая стоимость земельных участков.

Возведение зданий рамно-связевой системы из монолитного железобетона является одним из основных направлений в развитии высотного строительства, как в нашей стране, так и за рубежом. Это в значительной мере обусловлено тем, что данное решение обеспечивает возможность строительства зданий различного назначения ■ любой конфигурации в плане, в том числе многопролетных, с различным объемно-планировочным решением.

Кроме того, высотные здания из монолитного железобетона зачастую имеют большую пространственную жесткость по сравнению со зданиями с металлическим каркасом.

Актуальность темы.

Одним из основных недостатков применения железобетона в высотных зданиях является больший собственный вес несущих конструкций в сравнении с металлическим каркасом. Особо остро этот вопрос возникает при строительстве на слабых грунтах и подрабатываемых территориях. Поэтому снижение собственного веса здания за счет применения новых видов материалов является в настоящее время одной из главных задач при проектировании высотных зданий [17] .

Дифференцированный подход при назначении класса бетона в колоннах разных этажей позволяет значительно сократить размеры их сечений и увеличить полезный объем здания [3] . В настоящее время такой подход широко распространен и в нашей стране и за рубежом.

Неэффективность применения высокопрочного бетона в плитах перекрытия и технологическая схема бетонирования стали причинами появления новых типов узлов колонн с плитой перекрытия.

Таким образом, актуальной задачей является изучение работы .узлов с разной прочностью бетона колонн и перекрытий, что позволяет рационально применять бетоны разной прочности в высотных зданиях.

При проектировании плоских безбалочных безкапительных плит перекрытия (ПББПП) зданий с рамно-связевой системой, в ряде случаев, толщина плиты определяется из расчета на продавливание. Последние экспериментальные данные о работе плит перекрытия из высокопрочных бетонов на продавливание показывают, что модель, принятая в отечественных нормах проектирования завышает фактическую несущую способность и требует корректировки. Применение узлов плит с колоннами из разной прочности приводит к появлению больших сжимающих усилий в нижних этажах, не учитываемых в расчете на продавливание.

Решение этих вопросов позволит учесть факторы, отвечающие действительной работе узлов при продавливании и сжатии, в том числе из бетона разной прочности, что повысит общую надежность несущих конструкций здания.

Целью работы является разработка метода расчета узлов сопряжений плит перекрытия с колоннами из высокопрочного бетона, которая позволяет моделировать их работу с высокой степенью надежности и разработка на их основе рекомендаций по конструированию.

Научную новизну работы составляют: - численная КЭ модель для расчета узлов сопряжения плит перекрытия с колоннами, учитывающая нелинейную работу железобетона на всех стадиях нагружения, включающую стадию разрушения;

- экспериментальные данные о влиянии на несущую способность безбалочных безкапительных плит перекрытия при продавливании, действия сжимающего усилия со стороны колонны и установленные на основании этих данных расчетные зависимости по определению несущей способности;

- экспериментальные данные о влиянии на несущую способность промежуточных, крайних и угловых узлов перекрытия с колоннами из разного класса бетона: отношения классов бетона колонн и плиты; нагрузки на плите перекрытия; отношения размеров сечения колонн и плиты; поперечного армирования; класса арматуры;

- расчетные зависимости по определению несущей способности узлов с разной прочностью бетона.

Практическое значение работы:

- предложены поправки к расчетной зависимости СП 52-101-2003 на продавливание, учитывающие результаты новых экспериментальных исследований по продавливанию плит из высокопрочного бетона, а так же учитывающие влияние продольной арматуры плиты и сжимающего усилия со стороны верхней колонны.

- разработаны рекомендации по расчету и конструированию узлов сопряжения ПББПП с колоннами, состоящими из разных классов бетонов.

Автор защищает:

- результаты численного моделирования работы узлов перекрытия с колоннами при разных соотношениях их прочностей и геометрических характеристик;

- результаты экспериментальных исследований - работы ПББПП на продавливание при действии нагрузки на верхней колонне;

- результаты экспериментальных исследований работы узлов колонн с плитой перекрытия при наличии в узле поперечного армирования.

Апробация работы

Основные положения диссертации, доложены на конференции творческой молодежи «Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций» / Москва. 2002 /; «Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей» в НИИЖБ / Москва, 2004/; рассмотрении отчета по ГРАНТ РААСН / Москва 2005/.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в четырех печатных работах.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе и списка использованной литературы. Общий объем работы 152 страницы, 7 таблиц, 141 рисунков. Список литературы содержит 67 наименования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведенные исследования работы узлов перекрытия с колоннами разной прочности показали, что основными влияющими факторами на несущую способность узлов являются: отношение прочности бетона колонн и плиты (Rcol / Rpl) ; отношение размеров сечения колонн и плиты (h/c) и изгибающий момент со стороны плиты перекрытия.

Выполненные экспериментальные исследования работы моделей узлов показали, что наличие хомутов в узле, а также применение высокопрочной арматуры в колоннах повышает несущую способность узлов. При этом, наличие хомутов повышает пластичность узла при разрушении.

По результатам проведенных испытаний плит на продавливание установлено, что сжатие со стороны верхней колонны оказывает положительное влияние на несущую способность и жесткость плиты. Данные выводы до проведения дальнейших исследований можно использовать только для отношений (Rcol / Rpl) , исследованных в работе.

Анализ экспериментальных данных по продавливанию позволил уточнить расчетные формулы отечественных норм, для случая симметричного продавливания, для плит перекрытия из высокопрочного бетона, а также плит с различным процентом армирования.

Выполненный сравнительный анализ численной модели, основанной на МКЭ с применением физически нелинейных КЭ и критериями прочности, с имеющимися экспериментальными данными работы узлов из разного класса бетона, показал ее хорошее соответствие опытным данным. Это . позволило использовать"данную модель в дальнейших исследованиях, работы узлов в условиях, трудновоспроизводимых в натурных экспериментах.

Численное моделирование работы промежуточных, крайних и угловых узлов позволило проследить их работу на всех стадиях нагружения, включая разрушение, а также установить, что разрушение промежуточных и крайних узлов имеет пластичный характер, в то время как угловые узлы разрушаются хрупко.

Так же на основе численного моделирования работы узлов было выполнено исследование влияния концентрации хомутов колонны в зоне узла, а также влияние высокопрочной арматуры на несущую способность узлов при сжатии. Установлено, что применение высокопрочной арматуры приводит к значительному повышению несущей способности промежуточных и крайних узлов, при этом изменяется характер разрушения крайних узлов с пластичного - при обычной арматуре в колоннах, до хрупкого -с высокопрочной арматурой. Применение высокопрочной арматуры в угловых колоннах незначительно повышает несущую способность угловых узлов при сжатии.

В результате проведенных исследований даны предложения по расчету узлов плит перекрытий с колоннами из разного класса бетона на сжатие, в зданиях с рамно-связевой системой.

1. А.Н. Тетиор. Прочность фундаментов. Киев, Минвуз 1993.

2. А.Э. Дорфман, Л.Н.Левонтин Проектирование безбалочных безкапительных перекрытий. М.: Стройиздат, 1975.

3. Волков Ю.С. Применение сверхпрочных бетонов / Бетон и Железобетон. №3, 1994г.

4. ВСН 32 Инструкция по проектированию панельных жилых зданий. ЦНИИЭП жилище М., 1987.

5. ГОСТ 10178-85* Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.

6. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам

7. ГОСТ 22690-88 (1989) Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.

8. ГОСТ 26633-91 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия

9. ГОСТ 8267-93* Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.

10. ГОСТ 8736-93* Песок для строительных работ. Технические условия

11. Залесов А.С., Ермуханов К.Е., Качановский С.Г. Продавливание железобетонных плит // Сб. науч. трудов НИИЖБ, 1984. с.17-22.

12. Залесов А.С., С.Г. Качановский. Продавливание и переходные формы разрушения в плитах с поперечной арматурой. // Бетон и железобетон. 1983. - №4. - с15.

13. Коровин Н.Н., Ступкин А.В. Продавливание железобетонной плиты колонной/ Бетон и железобетон. 1978. - №8. - с36.

14. Коровин Н.Н., Голубев А.Ю. Продавливание толстых железобетонных плит/ Бетон и железобетон. 198 9. - №11. -с20.

15. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехлит, 2000. - 256с.

16. Максименко В.П. Реализация соотношений квазиизотропной модели деформирования бетона при трехосном напряженном состоянии.- Киев, 1988 21с. - Деп. во ВНИИИС №8556.

17. Пыжов Ю.К. Прочность опорных зон безбалочных перекрытий железобетонных плит при продавливании: Дис.канд.техн.наук. М., 1989. 166с.

18. Реализация соотношений квазиизотропной модели деформирования бетона при трехосном напряженном состоянии. Киев, 1988- 21с.20