автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование перекрытий из многопустотных плит

с

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

КУСТИКОВ ОЛЕГ ВИТАЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРЕКРЫТИЙ ИЗ МНОГОПУСТОТНЫХ ПЛИТ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Кодыш Э.Н.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Трекин H.H.

АО ЦНИИпромзданий

На правах рукописи

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................5

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МНОГОПУСТОТНЫЕ ПЛИТЫ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................11

1.1. Конструктивные формы многопустотных плит перекрытий............................................ 11

1.2. Армирование многопустотных плит и пути снижения их металлоемкости..................................23

1.3. Повышение заводской готовности многопустотных плит 29

1.4. Работа многопустотных плит в составе перекрытия. .... 33 Выводы по главе и задачи исследований..............38

ГЛАВА 2. ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ СЕЧЕНИЯ МНОГОПУСТОТНЫХ

ПЛИТ...........................................40

2.1. Общие положения . ............................... .40

2.2. Влияние высоты плиты и пустотности на прочность нормальных и наклонных сечений...................44

2.3. Зависимость изгибной жесткости пустотной плиты от высоты сечения ...................................49

2.4. Влияние технологии изготовления на выбор геометрии сечения..........................................53

2.5. Звукоизолирующие характеристики перекрытий из плит с

увеличенной высотой и пустотностью................60

Выводы по главе...................................62

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВОДСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОПУСТОТНЫХ ПЛИТ С УВЕЛИЧЕННОЙ ВЫСОТОЙ........................66

3.1. Цели и задачи исследований.........................66

3.2. Характеристика технологического процесса по производству пустотных плит................................66

3.3. Изготовление плит с овальными пустотами . ............69

3.4. Изготовление плит с каплевидными пустотами..........72

Выводы по главе ...................................78

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ МНОГОПУСТОТНЫХ ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЯ....................................79

4.1. Цели и задачи исследований.........................79

4.2. Методика проведения испытаний.....................80

4.2.1.Состав и конструкция опытных образцов..............80

4.2.2.Приложение нагрузки..............................83

4.2.3.Измерительные приборы...........................85

4.3. Проведение и результаты испытаний..................87

4.3.1.Фрагмент перекрытия из плит с трапецевидными шпонками без стяжки(фрагмент 1)....................88

4.3.2.Фрагмент перекрытия из плит с трапециевидными шпонками и цементно-песчаной стяжкой( фрагмент 2).........94

4.3.3.Фрагмент перекрытия из плит с круглыми шпонками (фрагмент 3)......................................98

4.3.4Испытание отдельной плиты.........................99

4.4. Оценка влияния крайних плит на жесткость средней

плиты............................................102

4.5. Оценка прочности швов с трапециевидными шпонками в фрагменте без стяжки...............................104

4.6. Расчет испытанных фрагментов на вертикальную нагрузку методом конечных элементов.........................105

4.6.1.Расчетная схема многопустотных плит................106

4.6.2.Расчет прогибов фрагментов и их сравнение с результатами эксперимента.................................106

4.6.3.Определение влияния жесткостей межплитных швов и

условий опирания плит.............................108

Выводы по главе.................................114

ГЛАВА 5. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПЕРЕКРЫТИЙ ИЗ ПУСТОТНЫХ ПЛИТ УВЕЛИЧЕННОЙ ВЫСОТЫ.........................................117

5.1. Прокладка электроснабжения........................117

5.2. Теплозащитные свойства перекрытия с полом из полимерных материалов....................................121

5.2.1.Теплотехнические качества пола......................121

5.2.2.Сопротивление теплопередаче многопустотных плит перекрытия высотой 260мм.............................127

5.3. Звукоизоляция перекрытий с полом из полимерных материалов.......................................... .130

5.4. Предел огнестойкости плит......................... 133

Выводы по главе..................................134

ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПЛИТ УВЕЛИЧЕННОЙ ВЫСОТЫ И ПУСТОТНОСТИ. . . 135

ВЫВОДЫ................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................. .144

ВВЕДЕН PI Е

В строительстве жилых, общественных, производственных и вспомогательных зданий нашли широкое применение многопустотные плиты перекрытий. По массовости производства они существенно превышают другие сборные преднапряженные железобетонные элементы зданий. Поэтому их совершенствованию постоянно уделяется большое внимание. Традиционным направлением повышения эффективности пустотных плит является снижение их материалоемкости путем внедрения более прогрессивных материалов, регулирования напряженного состояния и уточнения методики расчета как отдельного конструктивного элемента, так и пространственно-деформируемого сборного перекрытия в целом. В этом направлении трудились такие головные научно-исследовательские и учебные институты как НИИЖБ, ЦНИИпромзданий, ЦНИИЭП ТБЗ и ТК, МГСУ и др. В развитие конструкции плит и теории расчета внесли существенный вклад отечественные ученые - Банков В.Н., Бердичевский Г.И., Головин Н.Г., Забегаев A.B., Залесов A.C., Кащеев Г.В., Кодыш Э.Н.. Михайлов В.В., Морозенский B.JL, Мусаэлян Б.А., Семченков A.C. и многие другие. Особо следует отметить работы Крамаря В.Г.

Несмотря на достигнутые успехи, выпускаемые отечественной стройиндустрией типовые пустотные плиты высотой 220мм обладают невысокими звукоизолирующими свойствами. С широким внедрением конструкций полов из рулонных полимерных материалов этот недостаток проявляется все в большей степени. Чтобы добиться необходимой изоляции от воздушного и ударного шумов, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к гражданским и промышленным зданиям, в построечных условиях требуется устройство дополнительных слоев из легких бетонов или других материалов. Эти требования выполняются если приведенная масса конструкции перекрытия составляет не менее 400кг/м3, что соответствует

сплошному бетонному сечению толщиной 16см(у типовых плит приведенная масса не превышает 300 кг/м2).

Одним из очевидных решений проблемы является увеличение строительной высоты сечения плит. Проведенные в ЦНИИЭП ТБЗ и ТК и ЦНИИпромзданий исследования показали, что для плит с диаметром пустот 159мм требования по звукоизоляции выполняются при высоте более 250мм. При этом отмечено, что увеличение высоты сечения плит приводит к дополнительным преимуществам: во первых, это большая несущая способность и улучшенные показатели по трещиностойкости и жесткости а следовательно и сокращение расхода металла, во вторых - большая унификация конструкции, т.е. возможность сохранения одинаковых габаритов сечения без его переармирования для перекрытия гражданских и промышленных зданий в более широком диапазоне пролетов в плоть до 12м, и, в третьих - повышение заводской готовности плит, а именно -исключение работ по устройству специальных звукоизолирущих слоев в условиях строительной площадки.

Однако простое увеличение высоты сечения приводит к росту собственного веса конструкции и без изменения пустотности недостаточно эффективно. В связи с этим актуальным представляется вопрос исследования оптимального сочетания высоты и формы поперечного сечения многопустотных плит при соблюдении нормируемых эксплуатационных требований.

Для более полного раскрытия резервов конструкции железобетонных многопустотных плит, как показали многочисленные исследования, необходимо рассматривать их с учетом совместной работы в составе перекрытия. Это прежде всего дает возможность исключить хрупкое разрушение конструкции от дополнительных сил, возникающих при взаимодействии, и определить запасы прочности и жесткости перекрытия

за счет изменения расчетных схем и перераспределения усилий через стыки при неравномерных вертикальных нагрузках.

В ЦНИИпромзданий Кодышем Э.Н., Мордуховичем PL И. и Трекиным H.H. был проведен комплекс исследований плит перекрытия высотой 260мм с различной формой пустот, показавший существенные преимущества разрабатываемой конструкции по сравнению с типовыми плитами. Вместе с этим были выявлены и некоторые недостатки, препятствующие их оперативному внедрению в массовое производство. Результаты этих исследований и работы, выполненные Семченковым A.C., Морозенским В.Л. и др. послужили основой для настоящих исследований.

Цель диссертации состоит в исследовании способа повышения эффективности конструкции многопустотных плит путем увеличения высоты сечения и пустотности, пространственной работы сборного перекрытия для более полного удовлетворения комплекса эксплуатационных требований, разработке рекомендаций по их конструированию и изготовлению, разработке практической методики расчета перекрытия на вертикальные нагрузки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-исследовать влияние геометрии сечения плит - высота и пустотность на показатели по двум группам предельных состояний;

-провести экспериментально-производственные исследования с целью определения оптимальной формы пустот для плит с увеличенной высотой в условиях агрегатно-поточной схемы производства;

-исследовать прочность продольных межплитных швов с различной формой боковых шпонок при неравномерных вертикальных нагрузках;

-исследовать влияние цементно-песчаной стяжки на прочность и жесткость ячейки перекрытия;

-разработать методику формирования расчетной дискретной модели многопустотной плиты и ячейки перекрытия для реализации их по методу конечного элемента с использованием стандартных вычислительных комплексов;

-исследовать эксплуатационные характеристики перекрытий на основе пустотных плит высотой 260мм с увеличенной пустотностью, такие как технологичность по электрофикации, тепло- и звукоизоляция, огнестойкость.

Объектом исследования являются сборные железобетонные предварительно напряженные плиты перекрытий.

Предмет исследования - прочность, жесткость и тепло- и звукоизолирующие параметры многопустотных железобетонных плит и их работа в составе перекрытия при неравномерных вертикальных нагрузках. Методы исследования:

-анализ результатов научных исследований проблемы по литературным источникам;

-теоретические исследования влияния геометрии сечения на эксплуатационные характеристики плит;

-экспериментальная оценка эффективности конструктивных решений плит с увеличенной высотой и пустотностью сечения в условиях действующих производств;

-экспериментальные исследования совместной работы пустотных плит в ячейке перекрытия и влияния цементно-песчаной стяжки при неравномерных вертикальных нагрузках:

-численные исследования работы пустотных плит и ячейки перекрытия с использованием стандартных програмных комплексов, реализующих метод конечного элемента.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: -установлено влияние геометрии сечения пустотных плит на их несущую способность:

-в результате экспериментально-производственных исследований установлено влияние формы пустот на технологичность изготовления плит с увеличенной высотой;

-в результате экспериментальных исследований работы ячейки перекрытия из пустотных плит установлено влияние формы межплитных шпонок и цементно-песчаного выравнивающего слоя на несущую способность перекрытия при неравномерных вертикальных нагрузках;

-предложена методика формирования расчетной модели многопустотной плиты и ячейки перекрытия для расчета по методу конечного элемента.

Автор защищает подбор оптимальных форм поперечного сечения многопустотных плит увеличенной высоты с требуемыми параметрами по звукоизоляции; результаты экспериментально-производственных исследований по изготовлению многопустотных плит повышенной заводской готовности с различной формой пустот; результаты экспериментальных исследований работы ячейки перекрытия с различной формой боковых шпонок и влияния цементно-песчаной стяжки на прочность и жесткость плит; методику формирования расчетной дискретной модели пустотных плит перекрытий и ячейки перекрытия; результаты расчета ячейки перекрытия на неравномерные вертикальные ьгагрузки по методу конечного элемента с использованием программного комплекса «МИРАЖ».

Практическое значение работы состоит в том, что разработана конструкция многопустотной плиты с увеличенной высотой и пустотностью, отвечающая нормативным требованиям по звукоизоляции, прошедшая отработку в производственных условиях технологии изготовления, предложена методика формирования расчетных моделей многопустотных плит для пространственных расчетов перекрытий.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке рабочих чертежей плит.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех научных статьях. Материалы работы доложены и обсуждены:

-на третьей межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в г. Москве(1998г);

-на 52-ой международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета( 1998г).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы и изложена на 157 страницах, из них 109 страниц машинописного текста, 46 рисунков и 11 таблиц.

Диссертация выполнена в под руководством доктора технических наук, профессора Кодыша Э.Н. при научном консультировании кандидата технических наук, доцента Трекина H.H. Экспериментальные и производственные исследования проводились в ЦНИИпромзданий при участии кандидатов технических наук Мордуховича И.И. и Мамина А.Н. и гл. инженера ПО Сумжелезобетон Львовского И.И.

ГЛАВА 1 .СУЩЕСТВУЮЩИЕ МНОГОПУСТОТНЫЕ ПЛИТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 .Конструктивные формы многопустотных плит перекрытий

По массовости производства и по объему использования в перекрытиях промышленных и гражданских зданий и сооружений многопустотные плиты существенно превышают другие сборные железобетонные элементы. Широкое их применение во многом определяется большим количеством достоинств, основными из которых являются:

-достаточная прочность, трещиностойкость и жесткость для диапазона эксплуатационных нагрузок от 3,0 до 21,0кПа и расчетных пролетов до 9м включительно при относительно не большой высоте сечения(220мм);

-незначительная приведенная масса изделия(до 300кг/м2) за счет относительно высокой пустотноети сечения;

-повышенные звуко- и теплоизолирующие свойства по сравнению со сплошными плитами из тяжелого бетона;

-огнестойкость перекрытия, отвечающая требованиям противопожарных норм;

-гладкая потолочная поверхность и высокая готовность верхней поверхности под устройство полов различной конструкций деревянный по лагам, паркетный, из рулонных материалов) и для скрытой проводки электро- и слаботочных сетей, что придает высокие архитектурно-эстетические качества перекрытию;

-технологичность процесса изготовления, позволяющая при несложном формовочном оборудовании наладить массовый их выпуск;

-возможность, при строгой унификации геометрических размеров, перекрыть практически любые прямоугольные ячейки зданий и их сочетания;

-возможность обеспечения надежной совместной работы плит в диске перекрытия при горизонтальных и неравномерных вертикальных нагрузках.

Впервые элементы перекрытий с круглыми пустотами внутри сечения были предложены к изготовлению в 1936г в виде балок-настилов системы «Симкар»(абревиатура по фамилиям авторов Симонова М.З. и Карманова Г.Б.)[98]. Плиты изготавливались из пемзожелезобетона и имели одну или две пустоты цилиндрической формы, получаемой с помощью вибровкладышей из цельнотянутых металлических труб с вмонтированными в них вибраторами(рис. 1.1).

Широкое применение сборных железобетонных элементов перекрытий в нашей стране началось в послевоенные годы. Дефицит строительных материалов, а особенно металла и цемента, стимулировал конструкторов и технологов к поиску решений по снижению собственного веса конструкций, добиваясь уменьшения расхода бетона и арматуры. В качестве примера можно привести смелые по тому времени разработки под руководством уже упомянутого Симонова М.З.[98] и др. в виде плит коробчатого сечения, изготовленных с применением вакуум щитов показанных на рис, 1.2. Таким образом в этот период формировались общие принципы проектирования пустотных плит перекрытия суть которых состояла в удалении возможно большего объема бетона из растянутой зоны с сохранением необходимого количества вертикальных ребер, обеспечивающих прочность по наклонным сечениям.

Опыт изготовления и проводимые исследования пятидесятых годов показали, что наибольшая эффе�