Содержание к диссертации
Введение
1. Общие сведения о полах промышленных зданий 10
1.1. Состояние, проблемы и перспективы развития технологий устройства полов из цементобетона на объектах промышленно-складского назначения 10
1.2. Эксплуатационные воздействия и свойства полов 13
1.2.1. Условия работы полов в промышленных зданиях 13
1.2.2. Несущая способность 16
1.3. Конструкции полов 18
1.3.1. Назначение и классификация элементов полов 18
1.3.2. Бетонные полы 22
1.3.3. Нарезка деформационных швов 26
1.4. Методика выбора рациональной конструкции и типа пола 32
1.5 Условия совместности в СИСТЄХМЄ «сооружение — основание» 34
Выводы 35
2. Аналитический обзор литературы по моделированию пола промышленного здания 37
2.1. Плиты 37
2.2. Податливое основание 47
2.3. Плиты на податливом основании 54
Выводы 65
3. Совершенствование моделей полов промышленных зданий 66
3.1. Пространственная модель упругого основания В.З. Власова 66
3.1.1. Пространственная модель упругого основания с двумя характеристиками 66
3.1.2. Вычисление осадки упругого основания от сосредоточенной силы, приложенной в некоторой точке его поверхности 68
3.1.3. Упругое основание под действием нагрузки, равномерно распределенной по кругу 73
3.2. Расчет многослойных плит на упругом основании, представленном усовершенствованной двухпараметрической моделью 76
3.2.1. Особенности математических моделей для многослойной плиты на упругом основании 76
3.2.2. Вариационная постановка контактной задачи при двухпараметрической модели основания по методу Ритца-Тимошенко 78
3.2.2.1. Построение аппроксимирующих функций 78
3.2.2.2. Вычисление амплитуды прогиба пластины 87
3.2.2.3. Пример. Расчет двухслойной плиты 90
3.2.3. Метод Власова-Канторовича 94
Выводы 103
4. Экспериментальные исследования 104
4.1. Приборы и материалы для проведения исследований 106
4.1.1. Приборы для исследований 106
4.1.2. Материалы для проведения эксперимента 109
4.2. Описание эксперимента 111
Выводы 119
5. Численные методы расчета многослойной плиты на двухпараметрическом основании 120
5.1. Метод конечных разностей 120
5.1.1. Конечно-разностный аналог дифференциального уравнения изгиба плиты 120
5.1.2. Численный пример 124
5.2. Метод конечных элементов 132
Выводы 135
Заключение 136
Список литературы
- Состояние, проблемы и перспективы развития технологий устройства полов из цементобетона на объектах промышленно-складского назначения
- Методика выбора рациональной конструкции и типа пола
- Пространственная модель упругого основания В.З. Власова
- Приборы и материалы для проведения исследований
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Устройство полов из цементобетона является одним из перспективных направлений в строительном комплексе и получило широкое распространение во всем мире. Возрастающие требования, предъявляемые к современным промышленным объектам, создают необходимость устройства прочных и износостойких полов, обладающих повышенной ровностью и трещиностойкостью.
Несмотря на большое разнообразие применяемых материалов и технологий в большинстве случаев полы находятся в неудовлетворительном состоянии.
Расходы на устройство пола доходят до 20% стоимости возведения одноэтажного здания, а расход бетона на полы - до 40 - 50% общего расхода бетона. Поэтому при выборе конструкции пола, помимо удовлетворения технологическим требованиям, следует учитывать экономический эффект от ускорения производства работ, долговечности и возможности беспрепятственной перестановки технологического оборудования.
Только многолетний опыт обследования, проектирования и устройства полов позволяет специалистам строительных компаний осуществлять системный подход при назначении конструкции, выборе материалов и технологий при устройстве полов на объектах производственно-складского назначения.
Часто недооцениваемым звеном является грунтовое основание. Физические процессы его деформирования неотъемлемы от напряженно-деформированного состояния сооружения, проявляющегося через его механические характеристики. Система «сооружение - основание» представляет собой взаимопроникающее единство особенностей деформирования грунтового массива, конструктивного многообразия
сооружений, расчетно-теоретического аппарата, технологических и эксплуатационных условий.
Совершенствование двухпараметрической модели основания В.З. Власова тесным образом связано с этим направлением. Параметры нового варианта модели находятся в зависимости от геометрических и механических характеристик, определяющих жесткость сооружения, а также от нагрузки.
Определение напряженно-деформированного состояния полов промышленных зданий представляет собой сложную контактную задачу, в которой механические характеристики грунтового основания зависят от геометрических и физических параметров конструкции.
Немаловажное значение для расчета пола по первому и второму предельным состояниям имеет выбор физической и математической модели системы «сооружение - основание». В связи с этим актуальной проблемой является разработка теории многослойных плит на податливом основании.
Цель диссертационной работы заключается в разработке метода и алгоритма расчета на прочность и жесткость пола промышленного здания на основе модели многослойной плиты на двухпараметрическом основании.
Задачи исследовании - разработка теории многослойных плит на податливом основании и практических методов расчета пола промышленного здания.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
- модифицированная двухпараметрическая модель податливого основания,
вытекающая из вариационной постановки задачи для системы «сооружение -
основание»;
экспериментальное подтверждение параметров модифицированной модели основания;
приведенные характеристики многослойной плиты, моделирующей конструкцию пола промышленного здания;
— аналитические методы расчета многослойной плиты на
двухпараметрическом основании;
— численные методы расчета пола промышленного здания.
Достоверность основывается на использовании основных положений
вариационного исчисления, получении достаточно близких результатов расчета по двум альтернативным методам Ритца-Тимошенко и Власова-Канторовича, а также на экспериментальном подтверждении предложенной математической модели.
Практическая ценность результатов исследований. Результаты данной работы позволяют выполнить расчет на прочность многослойной конструкции пола промышленного здания на грунтовом основании, исходя из первой и второй групп предельных состояний. Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволяют повысить надежность и экономичность конструкций полов промышленных зданий. Они могут быть также использованы в учебном процессе в дисциплинах строительного профиля. В работе имеется акт внедрения методики расчета многослойной конструкции на упругом основании.
Положения, выносимые на защиту работы:
концепция единства работы системы «сооружение - основание», и сопряженное с ней совершенствование двухпараметрической модели упругого основания;
вариационные методы расчета многослойной плиты на упругом основании представляющей физическую модель пола;
— результаты экспериментальных исследований предложенной
физической модели основания;
— численные методы расчета пола промышленного здания с
использованием конечно-разностной и конечно-элементной моделей.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы доложены на Международном
студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2002); на 2-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (Брянск, 2003); на VII региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и соискателей по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Молодые ученые - науке, образованию, производству» (Старый Оскол, 2004); на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005).
Публикации: основные результаты диссертационной работы отражены в девяти публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения списка литературы и приложения. Диссертация содержит 158 страниц основного текста, в том числе 14 таблиц, 52 рисунка, 162 наименования литературы.
В первой главе даны общие сведения о полах промышленных зданий. В частности, рассматриваются состояние, проблемы и перспективы развития технологий устройства полов из цементобетона на объектах промышленно-складского назначения. Рассмотрен вопрос эксплуатационных воздействий, условий работы, несущей способности полов в промышленных зданиях. Рассмотрены основные виды конструкций полов. Сделан вывод о том, что определение напряженно-деформированного состояния полов промышленных зданий представляет собой сложную контактную задачу, а для расчета пола по первому и второму предельным состояниям важное значение имеет выбор физической и математической модели системы «сооружение - основание».
Во второй главе дан аналитический обзор предшествующих исследований проблемы моделирования пола промышленного здания. Сделан вывод об актуальности разработки теории многослойных плит на податливом основании и о необходимости решения данной задачи на энергетической основе с использованием соответствующих вариационных принципов.
В третьей главе рассмотрены вопросы совершенствования моделей полов промышленных зданий. Получены зависимости для положения нейтрального слоя многослойной плиты и ее цилиндрической жесткости. Предложены математические модели для многослойной плиты на двухпараметрическом основании с характеристиками, выведенными на вариационной основе. Выполнена вариационная постановка контактной задачи при двухпараметрической модели основания по методу Ритца-Тимошенко и по методу Власова-Канторовича.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Получены экспериментальные данные для перемещений по глубине точек податливого основания, которые достаточно близки к результатам по математической модели. Результаты эксперимента подтвердили правомерность рассмотрения взаимопроникающего единства системы «сооружение — основание» вместо раздельного анализа ее составляющих.
В пятой главе рассмотрены численные методы расчета многослойной плиты на двухпараметрическом основании. Получен конечно-разностный аналог дифференциального уравнения изгиба многослойной плиты на податливом основании. Приведен численный пример расчета.
Состояние, проблемы и перспективы развития технологий устройства полов из цементобетона на объектах промышленно-складского назначения
Несмотря на большое разнообразие применяемых материалов и технологий в большинстве случаев полы находятся в неудовлетворительном состоянии. Основными дефектами являются наличие раскрывающихся сквозных и поверхностных трещин, недопустимые деформации, шелушение (выкрашивание) поверхностного слоя бетона, образование выбоин, неровность поверхности, разрушение температурно-усадочных швов, возникновение эффекта коробления краев.
Причинами такого рода явлений являются следующие обстоятельства:
- отсутствие современной нормативной базы на проектирование и устройство полов и, как следствие этого, выбор материалов и технологий без должной инженерной проработки. При этом основными критериями выбора конструкции являются предыдущий опыт подрядчика и ценовые ограничения заказчика;
- недостаточное, а зачастую и полное отсутствие внимания к проблеме оценки свойств существующего основания, значений будущих эксплуатационных нагрузок и предварительных инженерных расчетов при чрезмерном акценте на материалах «финишного» слоя и технологиях его нанесения;
— низкое качество применяемого товарного бетона и недостаточный контроль поставляемого бетона на строительной площадке. Результаты испытаний образцов бетона, отобранных из конструкций, подтверждают несоответствие фактических и проектных значений. Недостаточное внимание уделяется наличию и количеству примесей в бетоне в виде глинистых и пылевидных частиц, снижающих показатели прочности на растяжение и ударную стойкость;
- воздействие нагрузок, превышающих расчетные или изначально заданные. Как показывают исследования, такие нагрузки могут значительно видоизменять механические характеристики применяемых материалов, что в свою очередь негативно отражается на эксплуатационном ресурсе пола в целом;
- назначение в качестве основной характеристики бетона значения прочности на сжатие, хотя известно, что для конструкций полов этот показатель скорее косвенный, решающим же является прочность на растяжение при изгибе;
- необоснованный выбор материалов, используемых для упрочнения поверхностного слоя бетона, не учитывающий количественные значения абразивных нагрузок. Отсутствие единой методики оценки показателей истираемости не позволяет объективно сравнить и подобрать необходимый упрочняющий материал для заданных эксплуатационных нагрузок; - несоблюдение технологии производства работ; - недостаточная квалификация фирм - производителей полов.
Только многолетний опыт обследования, проектирования и устройства полов позволяет специалистам строительных компаний осуществлять системный подход при назначении конструкции, выборе материалов и технологий при устройстве полов на объектах производственно-складского назначения. В результате выявлены основные конструктивные, технологические, эксплуатационные и организационные факторы, определяющие надежность и долговечность пола.
Конструктивные факторы: - факторы, определяющие величину допустимых активных напряжений сдвига в грунте рабочего слоя и верхней части грунтового основания. К ним относятся: толщина, эквивалентный модуль упругости, коэффициент постели грунта, значение контактного напряжения и др. - факторы, определяющие механические свойства бетона. К ним относятся: класс бетона по прочности на сжатие, осевое растяжение и растяжение при изгибе, начальный модуль упругости и др.; - тип и характер армирования несущей плиты пола и грунта; -механические свойства и показатели химической стойкости упрочняющего покрытия.
Технологические факторы: - фактически достигнутая степень уплотнения грунта; - технологические возможности применяемого оборудования; -фактические показатели, определяющие механические свойства применяемого бетона; - наличие входного и операционного контроля качества применяемых материалов; - наличие системы контроля качества при выполнении работ. Эксплуатационные факторы: - факторы, определяющие фактические величины действующих напряжений в плите пола и в грунтовом основании. К ним относятся: значения статических, динамических, температурных и других воздействий; - факторы, определяющие внешние воздействия на поверхностный слой покрытия. К ним относятся: химические и ударные воздействия, а также показатели по интенсивности движения транспортных средств; - допустимые и фактические значения показателей ровности поверхности , у,\ пола.
Методика выбора рациональной конструкции и типа пола
К проектированию полов следует приступать после получения полных данных по условиям эксплуатации, в число которых в первую очередь входят: - краткое описание технологического процесса; -месторасположение отдельных механизмов, как стоящих на собственных фундаментах, так и непосредственно на полу; в последнем случае необходимо указание удельной нагрузки; -расположение и размеры проходов в цехе и мест складирования с указанием полезных нагрузок; расположение каналов для инженерных коммуникаций всех видов; - данные о движении безрельсового транспорта с указанием типа колеса, минимальной нагрузки на колесо и максимальной скорости движения, данных об интенсивности пешеходного движения; -характер динамических нагрузок пола от падающих предметов с указанием их формы, массы и высоты падения; -характер других механических воздействий, в том числе вибрации от установленного оборудования, волочения предметов по полу, обработки предметов непосредственно на полу; - температурные воздействия на пол, их характер и длительность; - загрязнение пола в процессе эксплуатации и предполагаемые методы очистки, в случае постоянного слива с указанием типа сливной жидкости, концентрации и температуры; - действие на пол воды и агрессивных жидкостей и веществ с указанием химического состава, концентрации и температуры; - положение работающих во время работы с приведением данных по упругости и теплофизическим свойствам пола; - при устройстве полов на первом этаже — характеристика грунта, уровень и состав грунтовых вод.
Выбрать тип и конструкцию пола, удовлетворяющего всем требованиям, практически нельзя; достаточно, если он удовлетворяет полностью основным специальным требованиям данного производства. Выбор типа пола производят по СНиП 2.03.13-88 «Полы». Типом пола в первую очередь обусловлен материал его покрытия. Затем, учитывая тип пола и грунта, приступают к выбору конструкции отдельных элементов пола, принимая во внимание существующую между ними взаимосвязь и требования технологического процесса.
При устройстве полов на грунте выбирают способ уплотнения и обработки грунта и тип гидроизоляционного слоя. Далее в зависимости от типа пола выбирают в соответствии со СНиП тип основания и прослойки. Прослойки применяют лишь в штучных полах или полах из рулонных материалов. Тип прослойки устанавливают в зависимости от конструкции пола в целом и от специальных требований технологического процесса. Для облегчения процесса проектирования полов ЦНИИпромзданий разработал за последние годы рекомендации по проектированию полов на предприятиях многих отраслей промышленности.
При выборе уровня пола должны быть учтены требования технологического процесса и характер стройплощадки, в том числе уровень заводского двора. При назначении уклонов проектировщик должен руководствоваться условиями технологического процесса, например, необходимостью быстрого удаления агрессивных жидкостей при их проливах или быстрого слива токсичных или радиоактивных загрязнений, причем для каждого типа пола уклон не должен превышать максимально допускаемого предела. Минимальные уклоны при одинаковой скорости удаления жидкостей имеют монолитные полимерные покрытия полов, что и предопределяет эффективность их использования в отраслях промышленности, где требуется быстрый слив при загрязнениях, например при разливе ртути.
Конструкции всех деталей пола (швы, стыки полов различных типов, примыкания полов к стенам, колоннам, фундаментам, каналам, приямкам, рельсовым путям, перегородкам, трубопроводам и т.д.) должны быть полностью разработаны в рабочих чертежах. Хотя детали полов достаточно полно учтены в СНиП, необходимо обратить особое внимание на ряд специфических моментов: ,S а) пол не должен опираться на фундаменты станков;
б) необходима защита кромок при стыке полов с покрытиями, имеющими различный модуль упругости, введением вспомогательного элемента, например уголка;
в) при наличии рельсовых путей следует устраивать уровень пола на 5 мм выше головки рельса, а между рельсовыми путями и полами амортизирующий пол, например из брусков антисептированного дерева или из полиуретанового полимерраствора;
г) следует предусматривать теплоизоляцию трубопроводов с целью недопущения превышения максимальных эксплуатационных температур для принятого типа пола;
д) при перекрытиях небольших каналов и сточных приямков в случае монолитных полимерных полов предусматривать решетки из поливинилхлорида или полиолефинов.
Пространственная модель упругого основания В.З. Власова
Обратим внимание, что двухпараметрическая модель дает возможность вычислить вертикальные перемещения основания за пределами приложения нагрузки. Это значит, что она обладает распределительным свойством по трем направлениям, что не присуще модели Винклера. Это важное свойство двухпараметрической модели будет использовано в дальнейшем при анализе состояния поверхности грунта за пределами конструкции, что важно с точки зрения эксплуатационного состояния системы «сооружение - основание».
Многослойная плита на упругом основании является физической моделью для большого числа строительных, дорожных и другого рода конструкций. Поперечные связи между слоями принимаются абсолютно жесткими. Уже при винклеровской модели с коэффициентом основания к дифференциальное уравнение имеет особенность за счет цилиндрической жесткости, в которой находит отражение многослойность плиты: DV2V2w + k\v = p, (3.41) На рис. 3.7 показана трехслойная плита в декартовых координатах xyz.
Нейтральный слой смещается относительно центральной оси z в положительную или отрицательную сторону в зависимости от соотношения модулей продольной упругости Et слоев плиты. Поскольку коэффициент Пуассона v изменяется в сравнительно узких пределах, его можно принять не изменяющимся по толщине плиты.
Обозначим толщину подстилающего слоя t\ , а толщину других слоев - /2 и /з (рис. 3.7), а модули продольной упругости -Е\, Ег и Еъ соответственно.
Для однородной изотропной плиты нейтральной слой совпадает со срединной поверхностью. В трехслойной плите при Е\ Ег з этот слой смещается на величину е в положительном направлении оси z. Для ее определения привлекается условие равенства нулю продольной силы вдоль оси х(у). При использовании гипотезы прямых нормалей условие UC=0 представляется в виде уравнения [63]
Вариационный метод Ритца-Тимошенко основан на использовании принципа возможных перемещений: упругая система находится в равновесии, если сумма элементарных работ всех внешних и внутренних сил на любом возможном перемещении равняется нулю.
При использовании для расчета пластин вариационного метода Ритца-Тимошенко прогиб пластины задается в виде: Однако при большом числе членов ряда разложения прогиба значительно возрастает трудоемкость решения задачи. Поэтому желательно использовать такие способы построения функций Х(х) и Y(y), при которых они достаточно точно отражают характер прогиба пластины по направлению осей х и у, и решать задачу в первом приближении: w(x,y) = BX(x)Y(y). (3.49)
Такой способ построения функций Х(х) и Y(y) предложен В. 3. Власовым. Его суть состоит в построении аппроксимирующих функций, удовлетворяющих не только всем граничным условиям, но и характеру внешней нагрузки.
Рассмотрим плиту на упругом основании толщиной Н, подстилаемом несжимаемой толщей (рис. 3.8).
Приборы и материалы для проведения исследований
При постановке нашего опыта необходимо было решить задачу об измерении вертикальных перемещений точек с большой точностью. Для решения поставленной задачи был использован прибор, предназначенный для бесконтактного измерения вертикальных координат полосы - катетометр В-630.
Принцип работы прибора основан на сравнении измеряемой длины (расстояния между двумя точками объекта) с миллиметровой шкалой прибора путем последовательного визирования визирной трубы на начало и конец измеряемого отрезка.
В поле зрения окуляра видны одновременно изображения измеряемого объекта, шкалы, масштабной сетки и концов пузырька уровня. Визирная труба, блок уровня и отсчетный микроскоп смонтированы па одной каретке. Визирование на выбранные точки измеряемого объекта осуществляется перемещением каретки по колонке вдоль миллиметровой шкалы, а также вращением колонки вокруг вертикальной оси.
Масштабная сетка разделена в вертикальном и горизонтальном направлении на десять частей. Отсчетный микроскоп установлен так, что десять горизонтальных биссекторов сетки укладываются между двумя штрихами миллиметровой шкалы; следовательно, в вертикальном направлении каждому биссектору соответствует одна десятая миллиметра. В горизонтальном направлении десятая часть биссектора равна одной сотой миллиметра. Тысячные доли миллиметра (микроны) оцениваются на глаз в долях делений.
Катетометр состоит из основания, колонки и измерительной каретки с визирной трубой и отсчетным микроскопом (рис. 4.3).
Внутри основания 18 на специальных шариках установлена колонка 3. Колонку можно поворачивать вокруг вертикальной оси с помощью рукояток 16. В вертикальное положение установка колонки приводится регулируемыми опорами 19 по круглому уровню 2.
Внутри колонки вмонтирована 630-миллиметровая стеклянная шкала в оправе, видимая в отраженном свете. Сбоку на колонке укреплена направляющая планка, предотвращающая разворот каретки при ее движении.
Измерительная каретка 8, несущая визирную трубу 13 и отсчетный микроскоп, перемещается по колонке на шарикоподшипниках, расположенных под углом 120. Грубое перемещение каретки по вертикали производится от руки при открепленном винте 7, точное - с помощью микрометрического винта при закрепленном винте 7. Каретка уравновешена противовесом, расположенным внутри колонки. Противовес соединен с кареткой стальным тросом 10, переброшенным через направляющий ролик 9.
Визирная труба имеет фокусирующую линзу, с помощью которой осуществляется наводка на резкость изображения выбранных точек измеряемого объекта. Фокусирующая линза перемещается вращением маховичка 11. Внизу на тубусе визирной трубы жестко укреплен высокоточный цилиндрический уровень 14. Уровень согласован с визирной осью визирной трубы так, что при совмещении изображений концов пузырька уровня визирная ось принимает строго горизонтальное положение. Установка визирной трубы в вертикальной плоскости по уровню производится микрометрическим винтом 15.
Наводка на резкость изображений масштабной сетки, штрихов шкалы, измеряемого объекта и пузырька уровня, наблюдаемых в одном поле зрения, производится окуляром 6.
Сменные насадочные линзы 12 позволяют вести наблюдение объекта, расположенного на расстоянии 280 - 1810 мм от защитного стекла. Линзы устанавливаются в специальную прорезь визирной трубы в зависимости от выбранного расстояния до объекта.
Для закрепления резиновой полосы в вертикальном положении, изготовлена металлическая обойма, выполняющая функцию жесткого основания. Обойма представляет собой два листа металла толщиной 3 мм, сваренные между собой под углом 90. Для устойчивой постановки в обойму
были отшлифованы все торцевые участки резиновой полосы.
Нагрузка в виде сосредоточенной силы передавалась на основание через металлические полосы. Передача нагрузки осуществлялась посредством системы подвески и рычага. Точечное опирание при нагружении достигалось посредством металлического шарика, который помещался на пластину в указанную точку.
Использовались четыре металлические полосы длиной 74; 148; 222 и 296 мм. Ширина сечения полос соответствует толщине резиновой полосы -37 мм, а высота равна 8 мм. Показатель длины полос выбран исходя из соотношения с I d = 1, 2, 3, 4, где с — половина длины полосы, d - толщина полосы.
