автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние дефектов платформенных стыков на напряженно-деформированное состояние конструктивных систем крупнопанельных зданий

На правах рукописи

НАРУШЕВИЧ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ПЛАТФОРМЕННЫХ СТЫКОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ

ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2015

005566867

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Научный руководитель: Митасов Валерий Михайлович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Краснощекое Юрий Васильевич

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия», г. Омск

Балдин Игорь Владимирович

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры «Железобетонные и

каменные конструкции»

ФГБОУ ВПО «Томский государственный

архитектурно-строительный

университет», г. Томск

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский

государственный университет путей сообщения», г. Новосибирск

Защита состоится 15 мая 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01при ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп. 2, ауд. 303/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, а также на сайте http://www.tsuab.ru

Автореферат разослан 23 марта 2015 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета X Н.О. Копаница

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время остро стоит вопрос реконструкции большинства крупнопанельных зданий, построенных в 60-е -70-е годы. При этом возникает необходимость оценки несущей способности основных строительных конструкций с учетом наличия в них различного рода дефектов и повреждений. Дефекты, связанные с монтажом элементов зданий, являются наиболее часто встречающимися и приводят к большому разбросу параметров стыков относительно проектных значений, что в свою очередь требует уточнения существующих методик расчетной оценки как самих стыков, так и несущей системы здания в целом.

В связи с нехваткой участков под жилую застройку в городской черте, несоответствием современным требованиям объемно-планировочных решений значительной части проектов крупнопанельных зданий необходима серьезная переработка существующих серий, связанная как с увеличением этажности крупнопанельных зданий, так и увеличением шага внутренних несущих стеновых панелей. Необходима разработка новых конструктивных решений узлов сопряжения вертикальных и горизонтальных конструкций в крупнопанельных зданиях, позволяющих снизить влияние дефектов монтажа на несущую способность и деформативность стыков одновременно с повышением их несущей способности.

В связи с этим вопросы, исследуемые в данной работе, направленные на принятие объективных решений при реконструкции зданий и дальнейшее развитие крупнопанельного домостроения, являются актуальными.

Цель работы: разработка метода расчета несущей способности платформенных стыков в крупнопанельном домостроении, оценка их состояния с учетом имеющихся дефектов и повышение этажности зданий за счет нового конструктивного решения узла сопряжения вертикальных и горизонтальных конструкций.

Объектами исследования являются несущие системы крупнопанельных зданий с платформенными стыками, имеющими первоначальные дефекты, а именно: утолщенные швы, пониженную марку раствора горизонтальных швов, уменьшенную глубину опирания панелей перекрытий.

Методика исследования - экспериментально-теоретическая: в работе использован комплексный подход к решению задачи, включающий экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния моделей стыков, численные исследования и сопоставительный анализ результатов, а также компьютерные симуляции с численными конечно-элементными моделями (КЭМ) несущих систем панельных зданий; применен вероятностно-статистический анализ и метод обработки экспериментальных данных, основанный на теории нечетких множеств.

Задачи исследования:

- провести анализ результатов натурных обследований крупнопанельных зданий для определения дефектов, оказывающих наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) несущей системы панельного здания;

- провести многофакторные экспериментальные исследования моделей стыков, имеющих комплекс наиболее часто встречающихся дефектов, для получения данных по несущей способности и де-формативности, отсутствующих в ранее проведенных экспериментах других исследователей;

- разработать метод расчета несущей способности платформенных стыков, имеющих наиболее часто встречающиеся дефекты. Разработать конечно-элементные модели (КЭМ) платформенных стыков, позволяющие учесть наличие в них дефектов, для расчета пространственных несущих систем крупнопанельных зданий;

- выполнить оценку возможности использования типовой конструкции платформенного стыка внутренних стен с учетом существующего качества строительно-монтажных работ для крупнопанельных зданий повышенной этажности путем вероятностно-статистического анализа и метода обработки экспериментальных данных, основанного на теории нечетких множеств;

- разработать новую конструкцию стыка внутренних несущих стеновых панелей с плитами перекрытий, позволяющую повысить несущую способность стыкового соединения. Разработать инженерную методику расчета новой конструкции стыка;

- провести экспериментальные исследования модели разработанной конструкции стыка для получения данных по его несущей способности и деформативности. Оценить возможность использования стыка разработанной конструкции при возведении крупнопанельных зданий повышенной этажности.

Научная новизна работы:

- новые экспериментальные данные о несущей способности и деформативности платформенных стыков, имеющих дефекты;

- регрессионная зависимость, позволяющая рассчитать несущую способность платформенных стыков, имеющих дефекты по толщине горизонтальных швов, марке раствора, глубине опирания панелей перекрытия, выходящие за границы учитываемых существующими методами расчета;

- новый метод оценки влияния дефектов на несущую способность платформенного стыка путем обработки результатов натурных обследований в нечеткой постановке;

- сравнительный анализ результатов обработки данных с использованием вероятностно-статистического подхода и теории нечетких множеств.

Положения, выносимые на защиту:

- экспериментальные данные о несущей способности и деформативности стыков, полученные натурными испытаниями платформенных узлов, имеющих первоначальные дефекты;

- инженерная методика расчета несущей способности платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты, на основе разработанной регрессионной зависимости;

- результаты численных исследований НДС пространственной несущей системы панельного здания при наличии дефектов в платформенных стыках;

- анализ результатов натурных обследований крупнопанельных зданий, обработанных с использованием теории нечетких множеств, математической статистики и теории вероятностей;

- новая конструкция стыка внутренних несущих стеновых панелей с плитами перекрытий. Экспериментальные данные о несущей способности и деформативности новой конструкции стыка внутренних несущих стеновых панелей с плитами перекрытий.

Практическая значимость работы:

- предложен метод, позволяющий уточнить несущую способность и деформативность платформенных стыков при наличии дефектов. Разработаны КЭМ платформенных стыков для использования в расчетах пространственных несущих систем крупнопанельных зданий с помощью современных вычислительных комплексов;

- построена пространственная КЭМ несущей системы многоэтажного панельного здания с применением разработанных моде-

лей стыков. Выполнена оценка усилий в связях и платформенных стыках с учетом перераспределения усилий в системе при наличии значительных отклонений параметров стыков от проектных значений;

- разработана конструкция стыка внутренних несущих стеновых панелей с плитами перекрытий, позволяющая исключить влияние дефектов монтажа на несущую систему крупнопанельного здания. Разработаны предложения по применению новой конструкции стыка в крупнопанельном домостроении.

Достоверность результатов работы обеспечивается:

- корректным применением основных положений механики деформируемого твердого тела и теории сопротивления железобетона;

- использованием сертифицированного измерительного оборудования, сравнением результатов обработки данных натурных и численных экспериментов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» в рамках спецкурсов, читаемых для студентов старших курсов и для специалистов, проходящих курсы повышения квалификации. Результаты исследований применяются при оценке несущей способности платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты, в процессе технической экспертизы крупнопанельных зданий специалистами лаборатории «Реконструкция зданий и сооружений» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин), ООО НИПТиПЦ «Сибстройреконструкция», ООО «АРТ-Проект», ООО «Девали».

Личный вклад диссертанта состоит:

- в разработке методики и проведении экспериментальных исследований платформенных стыков с учетом имеющихся дефектов;

- разработке методики расчета, позволяющей оценить несущую способность платформенных стыков с дефектами выходящими за границы учитываемых существующими методами расчета;

- обработке результатов натурных обследований крупнопанельных зданий методами вероятностно-статистического анализа и теории нечетких множеств;

- разработке нового конструктивного решения сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов в крупнопанельных зданиях;

- в разработке методики и проведении экспериментальных исследований нового конструктивного решения стыка.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин); 13-й Сибирской (международной) конференции по железобетону (Новосибирск, 2014 г.); Международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 20082010 гг.); 1-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, Наука, Технологии: Новые Идеи и Перспективы» в ФГБОУ ВПО ТГАСУ (Томск, 2014 г.).

В полном объеме работа рассмотрена на расширенном заседании кафедры железобетонных конструкций ФГБОУ ВПО НГАСУ (Сибстрин) с участием специалистов кафедры строительной механики и кафедры металлических и деревянных конструкций (Новосибирск, 2014 г.), на совместном научном семинаре кафедр «Железобетонные и каменные конструкции», «Строительная механика», «Металлические и деревянные конструкции» ФГБОУ ВПО ТГАСУ (Томск, 2014 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 статьях, в том числе 5 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, основные выводы, библиографический список источников из 152 наименований. Текст диссертации изложен на 202 страницах, включает 105 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена цель, раскрыты научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Обозначены выносимые на защиту научные положения, приведена информация об апробации результатов ис-

следования.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных изучению НДС крупнопанельных зданий и платформенных стыков. Крупномасштабные исследования проводились начиная с 50-х годов прошлого столетия, во время массового внедрения крупнопанельного домостроения. Исследования были проведены в направлениях:

- выявления различного рода дефектов конструкций и узлов, оценки их влияния на надежность конструктивных систем;

- оценки влияния на несущую способность и деформативность платформенных стыков различных параметров;

- поиска эффективных и надежных путей повышения несущей способности платформенных стыковых соединений.

Данной проблематикой занимались такие ученые, как Аграновский В.Д., Адищев В.В., Балдин И.В., Байков В.Н., Беккер В.А., Бе-лавин Ф.С., Биргер А.И., Бирулин Ю.Ш., Блюгер Ф.Г., Болды-шев A.M., Болотин В.В., Бравинский Э.А., Воронина В.П., Гора-чек Е., Горнов В.Н., Грановский A.B., Данель В.В., Дербенцев И.С., Дроздов П.Ф., Камейко В.А., Карякин A.A., Кашкаров К.П. Каще-ев Г.В., Колчунов В.И., Копелевич A.A., Корчагин О.П., Котов И.Т., Краснощеков Ю.В., Крохмаль О.М., Кудинов О.В., Лишак В.И, Ломова Л.М., Луняков Ю.М., Мальганов А.И., Мамедов А.Э., Манасян B.C., Митасов В.М., Морозов Ю.Б., Мощевитин Г.Т., Му-хамедиев Т.А., Никитин Г.П., Плевков B.C., Пуме Д., Райзер В.Д., Ржаницын А.Р., Рыков C.B., Седловец Г.Ф., Семенцов С.А., Сендеров Б.В., Снаркис Б.И., Соколов, Б.С., Спиридонов, В.В., Стрелецкий Н.С., Трушков И.Б., Фоминых Ю.С., Фомичев С.И., Фрайнт М.Я., Цаплев H.H., Чентемиров Г.М., Шапиро Г.А., Шапиро Г.И., Шишкин A.A., Шустерман М.Я., Ягуст В.И. Backler А.Р., Baylik M., Cortini P., Dill M.J., Fauchart J„ Fintel M., Hansen К., Mainstone R.J., Olesen S.O., Pommeret M., Schultz D.M. и др. Результаты исследований были использованы при составлении норм проектирования крупнопанельных зданий. Несущая способность платформенных стыков оценивается эмпирическими формулами, полученными путем введения системы коэффициентов, характеризующих параметры стыка, отнесенные к призменной прочности бетона. Однако получены они по результатам исследований, в которых основные параметры стыков имели значения, близкие к проектным, а основной цикл испытаний проведен при параметрах сборных конструкций, соответствующих значениям первых массовых серий.

Вследствие этого существующие методики, позволяющие производить расчет на стадии проектирования, оказываются непригодны для оценки несущей способности стыка в задачах реконструкции при значительных отклонениях отдельных параметров от заданных величин.

Недостаточное внимание уделено деформативным характеристикам стыков при наличии в них дефектов. Жесткостные параметры стыков существенно влияют на распределение усилий в пространственной системе крупнопанельного здания и на деформации несущих столбов. Не определены механизм и схемы разрушения платформенных узлов, имеющих комплекс различных дефектов, что затрудняет принятие решений по усилению.

По результатам натурных обследований крупнопанельных зданий определены различные дефекты и повреждения элементов, причем их значительная часть, влияющая на несущую способность конструкций здания, сконцентрирована в платформенных стыках.

Таким образом, дальнейшее совершенствование методики расчета платформенных стыков с учетом погрешностей производства работ является необходимым и актуальным, особенно в связи с предстоящей массовой реконструкцией панельных зданий в ближайшие годы.

В настоящее время отмечено направление увеличения этажности крупнопанельных зданий, что вызвано ограниченностью свободных участков под жилую застройку в городской черте. На основании проведенного обзора способов повышения несущей способности платформенных стыков можно сделать следующие выводы:

- существующие конструктивные приемы не могут исключить появления дефектов, связанных с монтажом крупнопанельных зданий;

- применение данных приемов при наличии дефектов не приведет к повышению несущей способности стыков при существенном повышении трудоемкости устройства стыковых соединений.

В связи с этим возникает необходимость разработки новых узлов сопряжения сборных элементов, способных воспринимать повышенные значения действующих усилий в стыках, а также позволяющих снизить влияние дефектов, связанных с монтажом сборных элементов, на несущую способность стыков при максимальном использовании существующей на заводах опалубки.

Во второй главе дается методика экспериментальных исследований.

Для построения аналитической модели расчета несущей способности платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты, были проведены экспериментальные исследования с использованием методики планирования многофакторного эксперимента Бокса-Бенкина. Диапазон варьирования изучаемых факторов принимался в соответствии с фактическими значениями, полученными при обследовании панельных зданий. Исследуемые факторы и уровни варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Изучаемые факторы и уровни варьирования

Уровни Изучаемые факторы

Толщина растворного шва (Г), мм Длина опира-ния панелей перекрытий, (¿), мм Марка раствора (М)

Основной уровень 40 70 + 55 М50

Верхний уровень 20 70 + 70 М75

Нижний уровень 60 70 + 40 М25

Интервал варьирования 20 15 25

В качестве исходных данных для построения аналитической модели приняты геометрические характеристики элементов, соответствующие базовым сериям 90 и 97 крупнопанельных зданий, распространенных в Сибирском регионе.

Опытные образцы представляли собой сопряжения бетонных фрагментов внутренних стеновых панелей с элементами перекрытий. Для определения размеров опытных образцов выполнены численные исследования конечно-элементных моделей с помощью вычислительного комплекса «Structure CAD». Путем анализа полученных полей напряжений в зонах предполагаемого разрушения стыка - растворного шва и опорных зон сборных элементов - были определены размеры образцов: длина фрагмента - 48 см, высота стеновых панелей - 35 см, ширина панелей перекрытий - 20 см.

Испытания проводили статической нагрузкой в прессе П-250. Схема приложения нагрузки и образец, смонтированный в прессе, представлены на рис. 1.

Рис. 1: а - размеры опытного образца, схема приложения нагрузки; б - опытный образец платформенного стыка в прессе П-250

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований, получена аналитическая модель несущей способности платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты. Разработаны конечно-элементные модели для оценки НДС крупнопанельных зданий при наличии дефектов в стыках.

В ходе испытаний выявлено:

1) образование трещин начинается в растворе шва у концевых участков панелей перекрытий в зоне вертикального шва и носит возрастающий характер с ростом нагрузки;

2) в зависимости от параметров стыка разрушение может происходить по двум характерным схемам:

- разрушение в результате сдвига по растворному шву без повреждения сборных элементов: характерно для стыков, имеющих увеличенную толщину горизонтальных швов одновременно с уменьшенной глубиной опирания панелей перекрытий (рис. 2а);

- разрушение стыка, характеризующееся как разрушением растворных швов, так и разрывом (раскалыванием) стеновых панелей совместно со скалыванием лещадок бетона наружных граней стеновых панелей в месте их сопряжения с растворным швом (рис. 26, 2в).

Полученные данные подтверждают результаты испытаний других исследователей, в которых установлено, что наиболее слабым

местом в несущей системе крупнопанельного здания является зона сопряжения стеновых панелей и панелей перекрытий.

Рис. 2. Характер разрушения платформенного стыка: а - разрушение в результате сдвига по растворному шву; б - раскалывание верхней стеновой панели; в - скол лещадок у наружной грани стеновой панели

Дефекты стыка, связанные с монтажом конструкций, - увеличенная толщина растворных швов, пониженная марка раствора, уменьшенная глубина опирания панелей перекрытий, некачественное заполнение растворных швов - существенно снижают его несущую способность. Несущая способность платформенного стыка при наличии в нем дефектов может составлять всего 15-20% несущей способности среднего сечения стеновой панели.

Предлагаемая аналитическая модель описания несущей способности стыка представляет собой регрессионную зависимость отклика (несущей способности) от варьируемых параметров стыка -толщины растворного шва, длины опирания панелей перекрытий, марки раствора горизонтальных швов. Несущая способность 1 п. м платформенного стыка при наличии в нем дефектов вычисляется по следующей формуле (тс/м):

N = — • (57,67 + 12,59 • Т + 10,66 ■ I + 15,63 • М + 4,7 ■ Г* -0,48 ^

-2,25 • I2 - 3,36 • М2 - 5,81 • Т • I - 4,13 • Т • М) ,

где Т, 1,М - кодированные значения факторов: толщины горизонтального растворного шва, длины площадки опирания панели перекрытия, марки раствора горизонтальных швов, определяемые по формулам:

_ Г-40 _ ¿-55 _ М-50

где Т,Ь,М - толщина горизонтального растворного шва (мм), длина площадки опирания панели перекрытия (мм), марка раствора горизонтальных швов (кг/см2) соответственно.

Деформативность испытанных стыков оценивали коэффициентом податливости растворного шва Я, который определяли по значению деформации шва, измеренному в ходе испытания. Графики коэффициентов податливости горизонтальных швов объединены в группу по толщине растворного шва и приведены на рис. 3.

Графики показывают, что деформативность стыка при наличии в нем дефектов меняется в широких пределах. Это оказывает влияние на распределение усилий в несущей системе крупнопанельного здания, а также несущую способность, деформативность, трещино-стойкость сборных элементов и стыков здания и требует разработки соответствующих моделей для расчета конструкций.

Разработаны КЭМ платформенного стыка, позволяющие учесть наличие дефектов при расчете пространственной системы панель-

Рис. 3. Экспериментальные графики коэффициентов податливости горизонтальных растворных швов платформенного стыка

ного здания (рис. 4) с использованием вычислительного комплекса «Structure CAD».

Рис. 4. Расчетные КЭМ платформенных стыков: а - внутренних стен; б - наружных стен. Обозначения: \-А - упругие связи, моделирующие верхний и нижний горизонтальные швы стыка; 5 - упругая связь, препятствующая сдвигу элементов узла из плоскости стеновых панелей; 6 - жесткие вставки; 7 - конечный элемент (КЭ) № 44, моделирующий стеновые панели; 8 - КЭ № 44, моделирующий панели перекрытия; 9 - стеновые панели; 10 - панели перекрытия; 11 - горизонтальный растворный шов под плитами перекрытия; 12 - горизонтальный растворный шов над плитами перекрытия; 13 - наружная стеновая панель

Предложенные модели использованы для оценки влияния дефектных стыков на работу пространственной несущей системы панельного здания. Анализ результатов расчета показал, что на распределение напряжений в несущей системе в зоне дефектных стыков существенное влияние оказывают деформативные характеристики платформенных стыков соседних несущих столбов здания.

В четвертой главе выполнена обработка результатов натурных обследований крупнопанельных зданий.

Анализ результатов обследований показал, что самые проблемные участки здания - платформенные стыки наружных и внутренних стен, значительная часть которых выполнена некачественно. Наиболее характерные дефекты: увеличенная толщина горизонтальных растворных швов в платформенных узлах (до 65 мм вместо 20 мм по проекту); пониженная прочность раствора швов (минимальное значение составляло 25 кг/см2 против 100 кг/см2 по проекту); некачественное заполнение раствором вертикального и гори-

а)

б)

зонтальных швов в платформенном узле; уменьшенная глубина опирания панелей перекрытий.

Анализ гистограмм распределения параметров платформенных стыков, полученных по результатам натурных обследований (рис. 5), выявил целесообразность применения нового математического аппарата теории нечетких множеств, берущего свое начало в работах Л. Заде. Параметры как нечеткие величины описываем функциями принадлежности, используя метод «прямой» обработки статистических рядов, разработанный Адищевым В.В. и Шмаковым Д.С.. Метод позволяет упростить операции со случайными величинами, по сравнению с традиционными методами теории вероятностей. Полученная функция принадлежности несущей способности платформенного стыка приведена на рис. 6.

0.5 г : 5 ол

Г1 0.2 г

Распределение прочности раствора /Я) горизонтальных швов платформенных стыков

п

Распределение толщины горизонтальных ростВорш швов [Т1 платформенных стыков

О 25 5 О 75 100 45 150 175 Прочность раствора горизонтального шва Й, кг/см1

0.51 ! § 0.4

; I ад ! 1 0,2 ' Ь.< -

Распределение степени заполнения горизонтальных растворных швов Ю платформенных стыков

Толщина горизонтального растворного шва Т.

Распределение глубины опирания панелей перекрытия (Ив платформенных стыках

50 60 70 80 90 100 1 горизонтального растворного шва С. %

\ | <7,4

¿ад

| 0.2 I 0.1

" 20

т

30 и0 50 6 Глибина описания панелей пеоекоытия I.. мм

Рис. 5. Выровненные гистограммы параметров платформенных стыков, построенные по результатам натурных обследований крупнопанельных зданий

По результатам расчета несущая способность «условного» платформенного стыка 621,26 кН/м, что примерно на 40%

меньше, чем у стыка, выполненного в соответствии с проектом. Полученное значение несущей способности стыка внутренних стеновых панелей с перекрытием позволяет воспринять погонную вертикальную нагрузку, эквивалентную усилию, действующему на

уровне перекрытия над подвалом в 10-12-этажных крупнопанельных зданиях.

Функция принадлежности для нечеткой величины N

ч.

II

о

Рис. 6. Функция принадлежности нечеткой величины- несущей способности платформенного стыка

О 250 500 750 1000 1250 1500 Несущая способность платформенного стыка Л/, кН/м

Результаты, полученные по теории нечетких множеств, подтверждены методами теории надежности. На основе фактических гистограмм распределения параметров платформенных стыков были выполнены вероятностные расчеты несущей способности стыка методом Монте-Карло (статистического моделирования). Полученный по выборке объемом 105 значений график (гистограмма) плотности распределения несущей способности приведен на рис. 7.

о.озо

0.025 0.020

0.005

Рис. 7. Гистограмма несущей способности платформенного стыка

Оценка по «хи-квадрат» критерию показала, что модельная гистограмма достаточно хорошо описывается законом нормального распределения с математическим ожиданием и дисперсией, аналогичными характеристикам функции принадлежности по рис. 6.

Результаты расчета по двум различным методикам - теории нечетких множеств и стандартного статистического подхода к обработке экспериментальных данных - показали достаточно хорошую согласованность. Так, дефаззифицированное значение (аналог ма-

тематического ожидания) несущей способности, полученное согласно теории нечетких множеств, составляет = 621,26 кН/м, а математическое ожидание для плотности нормального распределения- = 572 кН/м (расхождение составляет около 8%). Сопоставление графика полученной функции принадлежности несущей способности платформенного стыка и вычисленной вероятностным расчетом нормированной плотности распределения несущей способности представлено на рис. 8.

Несущая способность платформенного стыка N, кН/м

Рис. 8. Сопоставление нормированной плотности распределения и функции принадлежности несущей способности платформенного стыка

Использование подхода, основанного на теории нечетких множеств, позволяет избежать мультипликативного эффекта при назначении коэффициента надежности, так как он назначается после выполнения расчета, учитывающего неопределенности всех исходных данных. Как правило, при выполнении расчетов, основанных на стандартном «полувероятностном» подходе, параметры, входящие в исходные данные, являются случайными величинами и для них назначаются соответствующие коэффициенты надежности. В дальнейшем с этими параметрами работают как с детерминированными величинами, в результате чего возникает мультипликативный эффект.

На основании принятой модели определена вероятность того, что действующая на стык нагрузка не превысит его несущую способность: для зданий средней этажности (10-12 этажей) - 0,9616; для повышенной этажности (25 этажей) - 0,0032, - что свидетельствует о недопустимости применения существующей конструкции стыка стеновых панелей и панелей перекрытий при толщине стеновых панелей, соответствующих сериям 90, 97 крупнопанельных

зданий. Из этого следует, что для дальнейшего развития крупнопанельного домостроения необходима разработка новой конструкции стыка внутренних стеновых панелей с плитами перекрытий, которая позволила бы существенно увеличить несущую способность узла с одновременным снижением влияния на нее дефектов монтажа.

В пятой главе разработана новая конструкция стыка внутренних несущих стеновых панелей с плитами перекрытия для зданий повышенной этажности, проведены натурные испытания и численные исследования разработанной конструкции стыка. Выполнена оценка возможности использования новой конструкции стыка для крупнопанельных зданий повышенной этажности.

На рис. 9 изображен разработанный узел сопряжения. Монолитный участок позволяет компенсировать возможные отклонения в отметках монтажного горизонта и высоте нижней стеновой панели, а также исключает нижний горизонтальный и вертикальный (между торцами перекрытий) швы, в результате чего верхний горизонтальный шов выполняется минимальной толщины. Панели перекрытия имеют петлевые выпуски арматуры для обеспечения не-разрезности диска перекрытия.

Рис. 9. Разработанная конструкция стыка:

1 - стеновая панель нижнего этажа;

2 - панель перекрытия;

3 - петлевые выпуски арматуры;

4 - продольная арматура;

5 - бетон замоноличивания;

6 - горизонтальный шов цементно-песчаного раствора толщиной 5 мм;

7 - стеновая панель верхнего этажа;

8 - шпонка по длине стыка

Применение разработанной конструкции стыка позволяет:

- повысить несущую способность платформенного стыка;

- увеличить расстояние между поперечными стеновыми панелями;

- снизить влияние дефектов, связанных с монтажом здания, на несущую способность стыкового соединения;

- повысить надежность стыковых соединений здания при действии аварийных нагрузок;

~~ 7

[Л / / 6 5 |

1 ^ п Р т

X/ Ча '

\ 41

- использовать для стеновых панелей и панелей перекрытий бетоны, имеющие существенную разницу по прочностным показателям.

Для определения несущей способности и деформативных характеристик разработанной конструкции стыка проведены сопоставительные экспериментальные исследования. Геометрические характеристики, класс бетона сборных элементов, схема нагруже-ния образцов стыка соответствовали испытаниям типовой конструкции платформенного стыка (см. рис. 1).

Результаты проведенных натурных испытаний показали: в отличие от типовой конструкции платформенного стыка, в котором исчерпание несущей способности происходит в результате разрушения опорных участков стеновых панелей и растворных швов либо только растворных швов, исчерпание несущей способности стыка разработанной конструкции связано с разрушением основного сечения стеновых панелей вне опорной зоны элемента (рис. 10).

а) б)

Рис. 10: а - схема разрушения стыка разработанной конструкции; б - состояние монолитного сердечника, панелей перекрытий, растворного шва после испытания

Полученные значения разрушающих нагрузок в 1,7-5,3 раза выше (в зависимости от наличия дефектов) несущей способности платформенного стыка типовой конструкции. Согласно результатам проведенных натурных испытаний растворный шов толщиной 5 мм не оказывает влияния на несущую способность стеновой панели.

Напряженное состояние монолитного сердечника можно принять как двухосное сжатие. Фактически прочность бетона монолитного сердечника близка к прочности бетона в обойме. Несущую

способность монолитного сердечника можно определить по формулам расчета внецентренно-сжатых бетонных элементов, но с учетом повышающего коэффициента к расчетному сопротивлению бетона - к2 зависящего от величины распора:

Мь<к2 ■ Яь ■ А„, где Аь = й - к • (1 - ^р);

Яь - призменная прочность бетона монолитного сердечника; (1 - длина участка стыка; к — толщина стеновой панели; е0 - эксцентриситет продольной силы.

Для оценки возможности использования разработанной конструкции стыка при возведении крупнопанельных зданий повышенной этажности (до 25 этажей) построена конечно-элементная модель крупнопанельного 25-этажного здания. Толщина сборных панелей (несущих стеновых и панелей перекрытий) принята равной 160 мм, что соответствует параметрам сборных элементов большинства существующих крупнопанельных зданий. В реализованной модели крупнопанельного здания повышенной этажности наружные стеновые панели предусмотрены ненесущими.

Результаты расчетного анализа показали, что применение разработанной в диссертационной работе конструкции стыка позволяет возводить крупнопанельные здания повышенной этажности (до 25 этажей) с увеличенным шагом стеновых панелей. При толщине стеновых панелей 160 мм за счет варьирования класса бетона стеновых панелей и бетона омоноличивания узла сопряжения обеспечивается несущая способность бетонных панелей с пятого этажа и выше, ниже панели проектируются железобетонными.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ результатов натурных обследований крупнопанельных зданий, в ходе которого выявлены наиболее часто встречающиеся дефекты, оказывающие значительное влияние на несущую способность платформенных стыков: некачественное заполнение растворных швов, увеличенная толщина горизонтальных растворных швов, пониженная марка раствора швов, уменьшенная длина площадок опирания панелей перекрытий (основные факторы).

2. Проведены многофакторные натурные экспериментальные исследования платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты, результаты которых позволили определить несущую способность, деформативность стыков с учетом варьирования основных факторов, влияющих на поведение стыка.

3. Разработан метод расчета платформенных стыков крупнопанельных зданий, учитывающий значительные отклонения параметров стыка от установленных нормами допусков. Предложены конечно-элементные модели платформенных стыков наружных и внутренних стен, позволившие учесть наличие первоначальных дефектов в пространственных расчетах несущих систем крупнопанельных зданий.

4. Выполнена оценка результатов натурных обследований крупнопанельных зданий с применением вероятностно-статистического анализа и теории нечетких множеств, в результате которой установлено, что при существующем уровне качества строительно-монтажных работ типовая конструкция платформенного стыка позволяет воспринять погонную вертикальную нагрузку, соответствующую усилиям, действующим в 10-12-этажных зданиях.

5. Разработана новая конструкция стыка внутренних стеновых панелей с панелями перекрытия для крупнопанельных зданий повышенной этажности (до 25 этажей), которая имеет существенные преимущества перед типовой конструкцией стыка. Внедрение разработанной конструкции стыка не требует изменения парка существующей опалубки на заводах КПД - достаточно использовать специальные вкладыши. Разработана инженерная методика расчета новой конструкции стыка.

6. Проведены экспериментальные исследования разработанной конструкции стыка, в ходе которых установлено, что расчетная нагрузка на вертикальные несущие элементы крупнопанельного здания со стыками предлагаемой конструкции будет ограничиваться несущей способностью стеновых панелей, а не прочностью опорных участков. Применение разработанной конструкции стыка позволит возводить крупнопанельные здания повышенной этажности (до 25 этажей) на основе парка существующей опалубки крупнопанельных зданий серий 90, 97.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

В изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК

1. Беккер, В. А. Разновидности и повторяемость дефектов и повреждений панельных зданий на основе результатов натурных исследований / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Известия вузов. Строительство. - 2005. - № 8. - С. 97-99.

2. Беккер, В. А. Теоретическая оценка влияния некоторых дефектов платформенных стыков на несущую систему панельного здания / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 4. - С. 9-13.

3. Нарушевич, А. Н. Результаты экспериментальных исследований платформенных стыков имеющих первоначальные дефекты / А. Н. Нарушевич, В. А. Беккер // Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». - 2008. - № 3/19 (549). - С. 19-21.

4. Митасов, В. М. Оценка надежности типовой конструкции платформенного стыка на основе результатов натурных обследований / В. М. Митасов, В. В. Адищев, В. Г. Себешев, А. Н. Нарушевич, Д. С. Шмаков // Известия вузов. Строительство. - 2014. - №9-10.-С. 5-12.

5. Митасов, В. М. Экспериментальные исследования новой конструкции стыка стеновых панелей с перекрытием в крупнопанельных зданиях / В. М. Митасов, Н. Н. Пантелеев, А. Н. Нарушевич // Известия вузов. Строительство. - 2014. - № 12. - С. 5-12.

В других изданиях

6. Беккер, В. А. Численное исследование работы платформенных стыков панельных зданий с первоначальными дефектами / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Научные труды общества желе-зобетонщиков Сибири и Урала. - Новосибирск : НГАСУ, 2004. -Вып. 8. - С. 85-89.

7. Беккер, В. А. Влияние толщины растворного шва на его несущую способность / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Труды НГАСУ. - 2006. - Т. 9, № 1 (35). - С. 10-14.

8. Нарушевич, А. Н. Экспериментальная оценка несущей способности платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты / А. Н. Нарушевич, В. А. Беккер // Материалы Междуна-

родных академических чтений 9-11 апреля 2009 г. - Курск, 2009. -С. 151-155.

9. Беккер, В. А. Оценка причин дефектов и повреждений конструкций строящихся зданий / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Научные труды общества железобетошциков Сибири и Урала - Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2010. - Вып.10. - С.13-18.

10. Беккер, В. А. Напряженно - деформированное состояние платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты. / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Сборник трудов Ш Всероссийской научно - технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин). - Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2010. -С. 48-54.

11. Беккер, В. А. Деформативность платформенных стыков панельных зданий, имеющих первоначальные дефекты / В. А. Беккер,

A. Н. Нарушевич // Материалы Международных академических чтений 23-25 сентября 2010 г. - Курск, 2010. - С. 23-28.

12. Нарушевич, А. Н. Деформативность платформенных стыков панельных зданий, имеющих первоначальные дефекты, как основа оценки возможности реконструкции / А. Н. Нарушевич,

B. А. Беккер, В. В. Адищев // Научные труды общества железобе-тонщиков Сибири и Урала. - Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2014.-Вып.11.-С. 9-14.

13. Беккер, В. А. Расчетный анализ несущих систем крупнопанельных зданий при реконструкции / В. А. Беккер, А. Н. Нарушевич // Проектирование и строительство в Сибири. - 2014. - № 2. -

C. 28-31.

Подписано к печати 17.03.2015. Формат 60x84/16. Гарнитура Тайме. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,5 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 94

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) 630008, Новосибирск, ул. Ленинградская, 113

Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАСУ (Сибстрин)