Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Задачи исследования прочности и жесткости конструкций панельных зданий с учетом совместной работы продольных и поперечных стен
1.1. Решения конструкций и стыков многоэтажных панельных зданий и возможности их совершенствования ^
1.2. Обзор результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований конструкций и стыков панельных зданий ^
1.3. Задачи исследований прочности и жесткости конструкций панельных зданий с учетом совместной работы продольных и поперечных стен ..Зт-
Глава 2. Напряженно-деформированное состояние пространственных систем несущих элементов панельных зданий
2.1. Расчетные модели, методы и программы расчета пространственных систем зданий на ЭВМ 41
2.2. Напряженно-деформированное состояние отдельных элементов сопряженных стен 5"!
2.3. Результаты расчетов пространственных систем панельных зданий с узким шагом несущих стен системы КОГО 5Ї
2.3.1. Действие вертикальной нагрузки $7
2.3.2. Действие горизонтальной нагрузки 61
2.3.3. Совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок... ^
2.3.4. Сравнение результатов расчета здания системы КОГО,полученных по различным программам...6 $
2.3.5. Анализ напряженно-деформированного состоя ния 23-этажного дома системы КОПЭ .73
2.4. Результаты расчетов пространственных систем па нельных зданий с широким шагом несущих стен си стемы ОПЭЖР ЭД
2.4.1. Действие вертикальной нагрузки ...^
2.4.2. Действие горизонтальной нагрузки
2.5. Особенности работы платформенных стыкав в прост ранственной системе крупнопанельного здания S1
Глава 3. Экспешмевтальные исследовавш прочности и жесткости платформенных стыков многоэтажных панельных здабий ^
3.1. Конструкции опытных образцов и их изготовление... ^іі
8.1. Методика испытания опытных образцов.* ~НЪ
3.1. Результаты испытаний опытных образцов НН
3.3.1. Несущая способность образцов MS
3.3.2. Деформации и перемещения образцов.. М%
3.3.3. Трещиностойкость образцов.. Ї27
3.4. Анализ результатов испытаний опытных образцов 1Ьо
3.5. Натурные измерения напряжений в платформенных
стыках панелей жилого дома системы КОПЭ
Глава 4. Рекомендации по проектированию многоэтажных панельных зданий с учетом совестной работы продольных и поперечных стен .
4.1. Рекомендации по проектированию крупнопанельных зданий системы КОПЭ . -it
4.2. Внедрение и экономическая эффективность
Вывода
ЛИТЕРАТУРА
- Решения конструкций и стыков многоэтажных панельных зданий и возможности их совершенствования
- Расчетные модели, методы и программы расчета пространственных систем зданий на ЭВМ
- Конструкции опытных образцов и их изготовление...
- Рекомендации по проектированию крупнопанельных зданий системы КОПЭ
Введение к работе
На ХТО съезде КПСС была выдвинута задача увеличения объемов жилищного строительства до 530-540 млн.кв.м. при повышении производительности труда на 15-17$ и снижении стоимости строительства» Это может быть осуществлено за счет повышения индустриализации массового жилищного строительства, укрупнения и унификации сборных элементов, применения в них более црочных материалов и эффективных конструктивных решений.
Для массового жилищного строительства в настоящее время разработана новая конструктивная система КОГО, обладающая весьма высокой степенью индустриальности и унификации сборных элементов. В отличии от домов этой системы с узким шагом поперечных несущих стен разработаны также проекты экспериментальных жилых домов с широким шагом несущих стен. При высоте зданий, достигающей 23 этажей, несущие конструкции и их стыки воспринимают значительные усилия.
Данная работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния и прочности конструкций современных многоэтажных панельных домов с целью более полного использования резервов несущей способности их конструктивных элементов и систем в целом. Поэтому в расчетах были использованы пространственные схемы, учитывающие совместную работу продольных и поперечных стен зданий» Экспериментальным путем было исследовано новое конструктивное решение платформенных стыков несущих стен, применение которых позволяет снизить толщину стеновых панелей нижних этажей и, тем самым, повысить степень их унификации.
Актуальность работы обосновывается тем, что исследования выполнены применительно к новым типам крупнопанельных жилых домов, предназначенным для перспективного строительства г.Москвы.
Цель работы заключается в более полном использовании резервов несущей способности конструкций панельных зданий большой высоты на основе исследований напряженно-деформированного состояния пространственных несущих систем с учетом прочности и жесткости стыков панелей, в том числе с новым армированием торцов гнутым профилем швеллерного сечения.
Задачи исследований сформулированы следующим образом:
выполнить анализ напряженно-деформированного состояния отдельных элементов тавровых сечений сопряженных продольных и поперечных стен, а также пространственных систем домов с узким и широким шагом несущих стен высотой в 23 этажа с помощью различных программ для ЭВМ, учитывающих податливость стыков;
разработать метод расчета сечений связей, препятствующих раздвижке перекрытий в опытных образцах платформенных стыков;
экспериментально на образцах в натуральную величину исследовать прочность, жесткость и трещиностоикость платформенных стыков панелей, в том числе армированных гнутым профилем швеллерного сечения;
на основании результатов расчетных и экспериментальных исследований разработать рекомендации по конструированию и расчету домов из унифицированных компоновочных обьемно-планировоч-ных элементов (КОПЭ).
На защиту выносятся;
- результаты расчетных исследований напряженно-деформирован
ного состояния пространственных систем домов большой высоты с
узким и широким шагом несущих стен, соединенных податливыми сты-
ками, а также отдельных элементов сопряженных стен таврового сечения с плитами перекрытий и без них;
метод расчета связей перекрытий, препятствующих их раздвижке, в опытных образцах платформенных стыков;
результаты экспериментальных исследований прочности,жесткости и трещиностойкости стыков платформенного типа с новым видом армирования в виде гнутого профиля швеллерного сечения;
рекомендации по расчету и конструированию домов из унифицированных компоновочных объемно-планировочных элементов (КОГО).
Научная новизна работы заключается в том, что выполнен анализ напряженно-деформированного состояния не только отдельных элементов сопряженных поперечных и продольных стен, но и пространственных систем зданий с новыми конструктивными решениями -КОГО с узким шагом и экспериментальных домов с широким шагом несущих стен. Сделано сравнение результатов расчетов по различным программам для ЭШ. Исследована прочность, жесткость и тре-щиностойкость стыков платформенного типа с новым видом армирования в виде гнутого профиля швеллерного сечения из тонколистовой стали. Впервые разработан метод расчета связей перекрытий .препятствующих их раздвижке в опытных образцах платформенных стыков эквивалентно стеновым панелям в здании.
Практическое значение работы состоит в том, что результаты исследований были использованы при разработке проектов домов системы КОГО в Управлении Моспроект-1 и экспериментальных домов в УП ОГОЖР, по которым в настоящее время ведется строительство. Новое конструктивное решение армирования платформенного стыка, с помощью гнутого профиля швеллерного сечения из тонколистовой стали, поможет решить проблему увеличения несущей способности стен 23-этажных домов системы КОГО без их утолщения с 18 до
- 7 -22 см в нижних этажах. Этим исключается необходимость производства утолщенных стеновых панелей, что дает заметный экономический эффект.
Диссертация состоит из четырех глав, выводов и приложения.
В первой главе описаны решения конструкций и стыков многоэтажных панельных зданий, изложены возможности их совершенствования. В ней помещен обзор существующих методов расчета прост-ранстванных систем бескаркасных зданий, рассматриваются результаты исследований влияния податливости стыков на прочность и жесткость конструкций панельных зданий, полученные отечественными и зарубежными специалистами.
Во второй главе приводятся результаты расчетов отдельных элементов сопряженных стен таврового сечения, монолитных и сборных, с перекрытиями и без, при действии горизонтальных и вертикальных нагрузок. Сделан анализ напряженно-деформированного состояния пространственных еистем многоэтажных панельных домов, полученного расчетом с помощью различных программ для ЭВИ, с учетом податливости стыков. Изложен метод расчета связей перекрытий, препятствующих их раздвижке в опытных образцах платформенных стыков эквивалентно стеновым панелям в здании.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию прочности, жесткости и трещиностойкости платформенных стыков, в том числе армированных гнутым профилем швеллерного сечения.
В четвертой главе изложены рекомендации по конструированию и расчету панедвных зданий системы КОГО с учетом совместной работы продольных и поперечных стен. Приведены сведения о внедрении результатов исследований в практику проектирования и строительства многоэтажных жилых домов, подсчитан ожидаемый экономический эффект.
Основное содержание диссертации опубликовано в 4-х печат-ных трудах.
Работа выполнена в 1980-ЗЭ83 гг. в отделе прочности крупнопанельных и кеменных зданий ЦНЙЙСК им ..Кучеренко под руководством кандидата технических наук Г.В.Кащеева. Автор приносит благодарность сотрудникам отдела, а также коллективу мастерской $ 20 Управления Моспроект-1 за оказанную помощь при выполнении работы.
Решения конструкций и стыков многоэтажных панельных зданий и возможности их совершенствования
23-х этажные крупнопанельные дома системы КОГО с узким шагом несущих стен и ОПЭЖР с широким шагом являются результатом новейших разработок ведущих проектных организаций г.Москвы. Предполагается, что дома системы КОГО составят основу массового домостроения наших столичных городов в текущей пятилетке. Дома с широким шагом ОПЭЖР предназначены для строительства в экспериментальных районах в небольшом объеме.
Дома КОГО имеют пространственную конструктивную систему, объединяющую несущие внутренние продольные и поперечные стены и диски перекрытий, которые передают вертикальные и горизонтальные нагрузки на фундаменты, а также обеспечивают жесткость и устойчивость здания в целом. Внутренние стены с шагом 3,6 м запроектированы из сборных железобетонных панелей толщиной 14 18,22 см. Высота панелей - 2f63 м, длина - от 1,5 до 7,2 м. Изготовление панелей внутренних стен предусматривается из бетона марки 300, рекомендуется применение бетона марки 350 и выше. Конструктивное армирование панелей двухстороннее и осуществляется арматурными блоками, собираемыми из плоских вертикельных каркасов расположенных по длине панели с шагом до 900 мм и соединенных между собой с двух сторон горизонтальными стержнями с шагом 500 мм. По верхней и нижней граням панелей устанавливаются продольные каркасы. Продольная арматура в каркасах из стержней ф І2А-Ш, а поперечная - 0 58-1.
Простенки шириной менее 1,0 м армируются вертикальными каркасами, соединяемыми отдельными стержнями с шагом 300мм. Арматура перемычек состоит из двух плоских каркасов, объединенных отдельными стержнями в пространственный каркас, заходящий за грани проема не менее чем на 250 мм, связанный с горизонтальной арматурой простенков. В связи с тем, что наружные стены домов системы КОГО являются навесными и не включаются в совместную работу с внутренними панелями, останавливаться на подробностях их конструкции не будем.
Перекрытия в крупнопанельных домах системы КШЭ запроектированы из плоских панелей толщиной 14 см. Длина панелей изменяется от 1,8 до 7,2 м, ширина - 3,6 м. Изготовление панелей предусматривается из бетона марки 300. Армирование панелей перекрытий осуществляется с использованием сварных каркасов и сеток, объединенных в пространственный каркас. Продольная арматура каркасов принимается из стержней 0 8А-4П, а поперечная - 0 5B-I. ... бетки плит перекрытий из арматуры 0 5B-I и 0 4B-I с ячейкой 125x200 мм внизу панели и 240x250 мм - вверху.
Вертикальные стыки панелей внутренних стен выполняются с зазором 1-3 см. Соединения панелей внутренних стен между собой осуществляются с помощью монтажных связей из полосовой арматурнай стали сечением 6x40, 6x60, 8x80 мм и арматурных стержней 0 I4A-I, привариваемых к штампованным закладным деталям швами высотой 6 мм в верхнем уровне панелей. Стыки заполняют паклей или синтетическим жгутом и с двух сторон заделывают гипсовым или цементно-песчаным штукатурным раствором.
Горизонтальные стыки внутренних стен, включающие панели перекрытий, запроектированы платформенного типа. Толщина шва, на который опирается стеновая панель, равна 2 см, а под панелями перекрытий составляет 1,5 см. Швы выполняются на цементно-песчаном растворе марки 100. Ширина участка опирання панелей перекрытий на стены назначается из условия обеспечения прочности конструкций, но не менее чем 6 см по толщине стеновых панелей. Соединение панелей перекрытий между собой производится на сварке при помощи монтажных связей сечением 6x40, 6x60 мм и арматуры }Е4А-1 по металлическим закладным деталям и монтажным петлям.
Следует отметить, что горизонтальные стыки стен и перекрытий, особенно платформенного типа, являются наименее прочным элементом пространственной системы панельного здания. В связи с увеличением высоты жилых домов массового строительства в г.Москве и других крупных городах до 23-х и более этажей, вопрос увеличения несущей способности стыков приобретает актуальность. Добиться повышения прочности платформенных стыков можно путем армирования растворных швов и торцов стеновых панелей сварными сетками, металлическими анкерными стержнями и т.п. Особый интерес представляет армирование панелей закладными деталями в виде гнутого профиля швеллерного сечения, охватывающего торцы по всей длине верхних и нижних граней стеновых панелей. Этот профиль может изготавливаться из тонколистовой стали толщиной 1-2 мм.
Расчетные модели, методы и программы расчета пространственных систем зданий на ЭВМ
В работе использованы две расчетные модели: составная стержневая и пластинчатая в виде конечных элементов Составная стержневая модель была применена для расчетов пространственных систем в целом» принимая их структуру монотонной» а контур сечений неизменяемым во всех этажах здания Несущие стены рассматривались как консольные стержни е характеристиками» определяющими жесткость при сжатии вдоль продольной оси ЕР, при изгибе Е J и сдвиге GF Примыкающие стены соединялись между собой продольными и поперечными связями. Для упрощения расчетной схемы поперечные связи, препятствующие взаимным смещениям несущих стен по горизонтали, принимались абсолютно жесткими Вертикальные стыки стен и другие соединения, например, перемычки над проемами, заменялись непрерывно распределенными по высоте здания связями сдвига .жесткость которых принималась постоянной. Податливость горизонтальных стыков учитывалась путем изменения приведенного модуля упругости стен.
Пластинчатая модель позволяет аппроксимировать пространственные конструкции совокупностью плоских конечных элементов,соединенных между собой в узлах дискретными связями. Податливость этих связей может меняться на отдельных участках как по ширине, так и по внсоте здания. Однако объем исходной информации, вычислений и результатов для пластинчатой модели настолько велик,что не позволяет иногда рассматривать пространственную схему здания в целом. В этом случае допускаются упрощения расчетной модели с некоторым снижением точности результатов.
Пластинчатая модель была использована для расчетов напря-яенно-деформированного состояния отдельных вертикальных элементов сопряженных стен. Элементы имели г как уголковое, так и швеллерное сечение со следующими размерами. Участок поперечной стены , являющийся стенкой уголка , имел длину 3,6 м в одном варианте и 0,9 м - в другом. Участок продольной стены, являющийся полкой уголка, имел длину 1,8 м. Толщина стенки уголков была равна 0и#09 м, а полки - 0,18 м, но в одном из вариантов толщина полки была принята 0,01 м. Высота уголков была равна 64,4 м, что соответствовало высоте 23-этажного дома.
Стены уголков были расчленены в плане на 4 конечных элемента при длине 3,6 м и 2 элемента при 0,9 м. Полки были расчленены на 5 конечных элементов длиной 0,36 м. По высоте уголки были расчлененн на 92 ряда конечных элементов высотой 0,7 ы. Таким образом, высота этажа включала 4 конечных элемента (рис.2.1). Максимальное количество узлов - 930. Стенка уголка была аппроксимирована плоскими конечными элементами типа балки-стенки, а полка уголка элементами типа ободочки. Модуль упругости элементов был принят соответствующим начальному значению бетона М300, равным Eg = 2,9.ICr Ша. Коэффициент поперечного расширения J4 =0-2..
В узлах, принадлежавших стенкам уголков, были ограничены перемещения из плоскости конечных элементов, что позволяло рассматривать уголок, как часть симметричного таврового сечения. В уздах полок уголков были ограничены углы поворотов вокруг вертикальной оси, что имитировало наличие перекрытий, обеспечивших неизменяемость горизонтальных сечений уголка по высоте. В других вариантах расчета ограничений поворота узлов полок не было. В узлах основания стенки уголка были ограничены перемещения вдоль всех осей пространственной системы г координат. В узлах основания полки были также ограничения перемещений в случае имитации наличия перекрытий, а при их отсутствии в этих узлах были ограничены только вертикальные перемещения и углы поворотов вдоль горизонтальной оси в плоскости конечных элементов.
Дополнительно были ограничены вертикальные перемещения узлов свободной кромки стенки, что позволяло рассматривать уголок, как четверть симметричного двутаврового сечения. Нагрузка прикладывалась в уровне каждого перекрытия в виде сосредоточенных единичных сил, направленных вдоль стенки уголков по их свободной кромке в направлении полки. Задачи бнди решены по программе "Лира".
Конструкции опытных образцов и их изготовление...
Для испытаний были изготовлены опытные образцы .представлявшие собой фрагменты платформенных стыков из 2-х полупанелей стен с заделанными между ними двух отрезков перекрытий (рис. 3.1,6). Всего было изготовлено 28 полупанелви стен и 28 отрезков перекрытий.для 14 опытных образцов.
Отрезки плит перекрытий имели размеры 72x45 см и толщину 14 см. Армирование плит перекрытий осуществлялось пространственными каркасами, собираемыми из плоских сварных каркасов с продольной арматурой # 8А-Ш, 0 5B-I и поперечной - 0 5B-I с шагом 300 мм, а также двух сеток: верхней - с продольной арматурой 0 5B-I и поперечной 0 4B-I с ячейкой 300x150 мм. В плитах перекрытий были установлены по две закладные детали с анкерами для возможности соединения плит между собой.
Полупанели стен в образцах имели высоту 82 см, ширину 72см, толщину 18 см. Армирование полупанелей осуществлялось арматурными блоками,собираемыми из двух плоских вертикальных и горизон тальных каркасов с продольной арматурой, соответственно, ф І2А-Ш и ф 5B-I и поперечной- 5B-I с шагом 300 мм .Вертикальные каркасы соединялись между собой с двух сторон тремя горизонтальными стержнями 0 5B-I. 20 штук полупанелей стен имели закладную деталь на опорной грани в виде гнутого профиля швеллерного сечения, который был изготовлен из листовой стали толщиной I мм. Высота стенки швеллера соответствовала толщине полупанели и была равна 18 см} длина - 72 см, ширина полок - 20 мм. Закладная деталь имела анкеры в количестве трех штук в виде отгибов шириной 2,5 см и длиной 5 СМЇ вырезанных из того же листа (рис.3.2).
При изготовлении образцов на заводе ДСЕС-2 был использован бетон проектной марки 300C- Бетонирование осуществлялось в горизонтальном положении в металлических формах с деревянной оснасткой. Уплотнение бетона осуществлялось с помощью вибростола , а затем производилась тепловая обработка в пропарочных камерах.
Вместе с изделиями из каждого замеса бетона изготавливались контрольные образцы: кубы размером IGxTQxIO см в количестве 3-х штук и призма 10x10x30 см. Всего изготовлено 48 кубов и 16 призм. Кроме того, были отобраны образда стержней арматуры длиной 0,7 м для определения необходимых физико-механических характеристик применявшейся стали: по 3 штуки 0 4,5,8,12,16 мм (табл.3.1).
Из полупанелей и отрезков плит перекрытий монтировали образны платформенных стыков на подвижной траверсе пресса. Полупанели предварительно устанавливали на растворе в поддоны из швеллеров $ 24 в вертикальном положении. На полупанель на растворе .устанавливали отрезки плит перекрытий, лшарно связанные между собой четырьмя тяжами из арматуры і 16 длиной 92 см, привариваемых к закладным деталям на боковых гранях. При этом между торцами плит перекрытий был оставлен зазор шириной 2 см. На растворе по плитам перекрытии монтировали к верхнюю стеновую панель. Нижний и верхний монтажные швы под и над плитами перекрытий обычно имели толщину 20 мм Состав раствора подбирался так, чтобы примерно на 7 день прочность его соответствовала марке 100 или 50 для четверти образцов из общего количества. Отношение массы цемента к песку принималось равным 1:3, водоцементное отношение было равно 1:1,2 /30/. При монтаже каждого опытного образца изготавливались кубики раствора с размером сторон 7,07 см в количестве 6 штук.
Для более равномерного распределения усилий между поддонами образцов и подушками пресса прокладывалась листовая резина.
Платформенные стыки подразделялись на армированные с гнутым профилем швеллерного сечения в стеновых панелях типа СА и эталонные типа СК. Образцы, смонтированные с использованием цементного раствора марки 100, имели индексы CA-I+6, СК-1И= (10 образцов),а марки 50 - СА-7;8 ; и СК-5, 6(4 образца). В семи образцах СА-4 6;Ю и СК-3;4;6 вертикальный шов специально был оставлен пустым, что соответствовало возможному качеству исполнения стыка на стройплощадке. В других образцах вертикальный шов был замоно-личен раствором.
Рекомендации по проектированию крупнопанельных зданий системы КОПЭ
1.1. Настоящие рекомендации распространяются на проекти рование панельных жилых домов системы КОГО с узким шагом попереч ных стен (3,6м) высотой до 22 этажей в обычных грунтовых усло виях.
Цримечание: Под обычными грунтовыми условиями подразумеваются структурно-устойчивые грунты со средней величиной модуля деформаций Е =1ф МПа и коэффициентом изменчивости сжимаемости d t =1,5.
1.2. Конструктивной основой проектирования домов системы КОПЭ являются унифицированные индустриальные изделия из номенклатуры Единого каталога для города Москвы.
1.3. Из каталожных индустриальных изделий проектируются части жшшх секций на всю высоту здания от фундамента до крыши, именуемые компоновочными объемно-планировочными элементами (КОПЭ). КОПЭ включают квартиры различной планировки и лестнич-но-лифтовой узел.
1.4. Компоновочные объемно-планировочные элементы (КОПЭ) различного типа блокируются между собой, образуя компоновочные типовые жилые секции (КТЖС) с широтной и меридиональной ориента-. цией. Секции проектируются рлдовыми и поворотными.
1.5. Формирование жилых домов осуществляется из компоновочных жилых секций (КГЖС), блокируемых между собой и замыкаемых в торцах с помощью компоновочных элементов блокировки (КЭБ), включающих внутренние и наружные стены на всю высоту здания. КЭБ позволяют блокировать секции под углом 22 и 45, устраивать деформационные швы, в том числе при блокировке секций различной высоты, и проектировать стены домов с уступами в плане. Секции должны иметь беспроемные стены в торцах для обеспечения блокировки.
Компоновка домов, состоящих только из одной секции КТЖС не рекомендуется.
1.6. Пространственная жесткость и устойчивость зданий системы КОШ в целом обеспечивается совместной работой перекрестной системы внутренних стен и перекрытий.
1.7. Все элементы зданий и их стцки должны быть проверены статическим расчетом и соответственно законструированы на действие .усилий , определяемых расчетными сочетаниями постоянных и временных вертикальных нагрузок, горизонтальных ветровых нагрузок, усилий от неравномерных осадок оснований, а также усилий, возникающих при изготовлении, транспортировании и монтаже сборных изделий.
Для снижения усилий в конструкциях рекомендуется в расчетных схемах учитывать совместную работу подземной и надземной части здания.
1.8. В зданиях в необходимых случаях должны предусматри ваться вертикальные швы следующих видов:
а) температурно-усадочные - для уменьшения усилий в конст рукциях и ограничения раскрытия трещин в панелях и стыках вследствие стеснения основанием температурных и усадочных де формаций бетонных и железобетонных конструкций здания;
б) осадочные - для предотвращения образования неорганизован ных трещин на границах участков здания, имещих разные осадки (например, в местах резкого изменения высоты здания).
Температурно-усадочные и осадочные швы должны разрезать здание на самостоятельные отсеки, причем в местах температурных швов спаренные стенки допускается опирать на общие фундаменты.
1.9. Расстояние между температурно-усадочными швами следует определять расчетом с учетом климатических условий строитель ства, физических характеристик материала стен и перекрытий, конструкций стыков.
Допускается проектирование и строительство домов системы КОПЭ без температурно-усадочннх швов при соответствующем обосновании расчетом.
1.10. При разработке рекомендаций использованы следующие нормативные документы: - СШЇЇ П-6-74, Нагрузки и воздействия; - СНиП П-2І-75, Бетонные и железобетонные конструкции; - БОН 32-77, Инструкция по проектированию конструкций панельных жилых зданий.
