Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1 Конструктивные решения стыков плит с колоннами в сборных
железобетонных каркасных зданиях с безбалочными перекрытиями 11
1.2 Классификация стыков плит с колоннами по комбинациям усилий 15
1.3 Теоретические основы расчета штепсельных стыков плит с колоннами
1.3.1 Обзор методик расчета платформенных стыков 22
1.3.2 Методики расчета штепсельных стыков колонн 25
1.4 Выводы по первой главе 34
ГЛАВА 2. Компьютерное моделирование напряженно деформированного состояния стыков 36
2.1 Цель и задачи компьютерного моделирования НДС 36
2.2 Методологические основы компьютерного моделирования НДС 37
2.3 Моделирование НДС стыка в монтажной стадии
2.3.1 Методика моделирования 38
2.3.2 Результаты расчетов и их анализ 41
2.4 Моделирование НДС стыка в эксплуатационной стадии 48
2.4.1 Методика моделирования 51
2.4.2 Результаты расчетов и их анализ 56
2.5 Изучение влияния масштабного фактора на НДС стыка 70
2.5.1 Методика моделирования 70
2.5.2 Результаты расчетов и их анализ 73
2.6 Выводы по второй главе 77
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования прочности и деформативности стыков 78
3.1 Цель и задачи исследований 78
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований
3.2.1 Программа эксперимента 79
3.2.2 Геометрические и физические характеристики опытных образцов 81
3.2.3 Методика испытаний и инструментальные измерения 82
3.2.4 Испытательное оборудование 84
3.2.5 Изготовление и подготовка образцов к испытаниям 86
3.3 Результаты испытаний опытных образцов 89
3.3.1 Определение прочностных и деформационных характеристик материалов (бетона, раствора и арматуры) опытных образцов 89
3.3.2 Образцы группы №1 94
3.3.3 Образцы группы №2 101
3.3.4 Образцы группы №3 104
3.4 Анализ результатов испытаний 109
3.5 Сравнение результатов физических экспериментов и компьютерного моделирования 114
3.6 Выводы по третьей главе 121
ГЛАВА 4. Разработка методик расчета штепсельных стыков плит с колоннами 122
4.1 Расчет прочности стыка в монтажной стадии 122
4.2 Расчет прочности стыка в эксплуатационной стадии
4.2.1 Расчет прочности при сжатии 125
4.2.2 Расчет прочности при сдвиге 130
4.3 Деформативность стыка 132
4.3.1 Осевая деформативность 133
4.3.2 Сдвиговая деформативность
4.4 Сравнение результатов расчета прочности и деформативности стыков по разработанным методикам с опытными данными и компьютерным моделированием НДС 139
4.5 Выводы по четвертой главе 144
Основные выводы. Заключение 145
Список использованной литературы
- Классификация стыков плит с колоннами по комбинациям усилий
- Моделирование НДС стыка в монтажной стадии
- Методика испытаний и инструментальные измерения
- Сравнение результатов расчета прочности и деформативности стыков по разработанным методикам с опытными данными и компьютерным моделированием НДС
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В России интенсивно развивается строительство с применением сборных железобетонных каркасных систем. При этом широкое применение находят штепсельные (за рубежом «вилочные») стыки элементов. Их использование обусловлено исключением сварочных работ при монтаже, возможностью быстрой передачи нагрузок в зависимости от раствора инъецирования и сокращением количества технологических операций при монтаже.
Примером использования таких стыков, соединяющих колонны с конструкциями перекрытия, является сборная железобетонная балочная несущая система «Contiframe», разработанная в Великобритании, и безбалочный каркас с плоскими перекрытиями «УИКСС-Татарстан», узлы которого конструируются с максимальным применением штепсельных стыков, основным из которых является соединение плиты с колоннами.
Внедрение каркаса «УИКСС-Татарстан» затруднено тем, что в доступной научно-технической и нормативной литературе отсутствуют рекомендации по проектированию данных стыков, от которых зависит конструктивная безопасность и эксплуатационная пригодность несущей системы. Поэтому исследования, направленные на анализ их напряженно-деформированного состояния (НДС) и разработку методик расчета, являются актуальными.
Степень разработанности темы исследования. По существующей классификации исследуемый узел соединения элементов относится к платформенным стыкам, изучением прочности и податливости (деформативности) которых занимались А. А. Гасанов, Е. Горачек, А. В. Грановский, В. В. Да-нель, П. Ф. Дроздов, С. А. Зенин, Э. Н. Кодыш, В. И. Колчунов, В. И. Лишак, Г. П. Никитин, И. К. Никитин, Е. В. Осовских, А. Л. Смилянский, Б. С. Соколов, Н. Н. Трекин, С. И. Фомичев, Г. М. Чентемиров, А. Г. Шапиро, Г. И. Шапиро, Р. Ш. Шарипов, Р. В. Юрьев, A. Clarke, K. H. Gerstle, N. W. Hanson, H. G. Harris, S. D. Huey, S. Iyengar, L. S. Johal, R. A. Magafia, A. E. Schutz и др.
Работа по изучению штепсельных стыков колонн, расположенных в зоне действия нулевых изгибающих моментов, проводилась в Казанском государственном архитектурно-строительном университете (КГАСУ) Р. Р. Латыповым и Н. С. Абдрахимовой под руководством профессора Б. С. Соколова. По результатам исследований разработаны методики расчета их прочности, податливости и рекомендации по проектированию.
Однако конструктивные особенности и комбинации усилий, возникающие в штепсельных стыках плит с колоннами, требуют проведения исследований их НДС и создания специальных методик расчета.
Цель и задачи. Целью диссертационной работы ставится разработка методик расчета прочности и деформативности штепсельных стыков плит с колоннами при действии продольных, поперечных сил и изгибающих моментов.
Для реализации цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ конструктивных решений и методик расчета существующих вариантов узлов соединения железобетонных конструкций, которые имеют аналогичный или близкий характер работы к изучаемому;
определить возможные комбинации усилий, действующие в исследуемом стыке, выявить подходы для создания методик расчета;
провести многофакторное компьютерное моделирование стыка с учетом физической нелинейности работы материалов, выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на НДС для разработки методик расчета и сокращения затрат на физические испытания;
выполнить экспериментальные исследования изучаемых стыков при действии внешних статических нагрузок и их комбинаций;
провести анализ и сравнение результатов, полученных экспериментально и с применением компьютерного моделирования НДС;
разработать методики расчета прочности и деформативности штепсельных стыков плит с колоннами на основе принятых теоретических подходов и полученных результатов, а также подготовить рекомендации по их проектированию.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
впервые полученные на основе компьютерного моделирования и экспериментальных исследований данные о НДС штепсельных стыков плит с колоннами при действии различных комбинаций нагрузок и варьировании факторами, позволяющие учесть в расчетных выражениях действительное поведение бетона и элементов армирования конструкций;
методики расчета прочности стыка в монтажной и эксплуатационной стадиях при сжатии, в том числе внецентренном, основанные на применении теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию и учитывающие выявленные особенности работы бетона и армирования элементов;
методика расчета прочности стыков при действии горизонтальных нагрузок, основанная на использовании метода предельного равновесия, результатах экспериментальных исследований и компьютерного моделирования НДС;
методики определения осевой и сдвиговой деформативности стыка, разработанные с применением диаграмм деформирования, учитывающих стадии НДС, позволяющие получить перераспределение усилий и оценить действительные деформации несущей системы здания при выполнении статического расчета.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке методик расчета прочности штепсельных стыков плит с колоннами при действии продольных сил и изгибающих моментов на основе развития теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию профессора Б. С. Соколова, создании методики расчета прочности на сдвиг, основанной на механизме разрушения с
учетом конструктивных особенностей стыка, а также разработке методики расчета деформативности стыка с применением диаграммного метода.
Практическая значимость работы заключается в применении разработанных методик при проектировании объектов со сборным железобетонным безбалочным каркасом и штепсельными стыками плит с колоннами, в том числе с несущей системой «УИКСС». Методика расчета стыков при внецен-тренном сжатии может быть использована для оценки прочности штепсельных стыков колонн, расположенных в зоне действия изгибающих моментов.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования, включающие анализ конструктивных решений и методик расчета стыков, имеющих аналогичный или близкий к изучаемому характер работы, позволили определить основы для разработки методик расчета прочности и де-формативности исследуемого стыка и уточнить задачи исследований.
Компьютерное моделирование НДС при варьировании большим числом факторов и доведением моделей до виртуального разрушения позволило оценить работу конструкций и отдельных элементов стыка и оптимизировать программу физических экспериментов.
Экспериментальные исследования проводились в соответствии с нормами с целью оценки прочности и деформативности штепсельных стыков плит с колоннами при действии статических нагрузок и их комбинаций.
Анализ полученных результатов испытаний и моделирования НДС позволили создать методику расчета и рекомендации по проектированию штепсельных стыков плит с колоннами.
Положения, выносимые на защиту:
методика расчета прочности штепсельных стыков плит с колоннами в монтажной стадии;
методики расчета прочности изучаемых стыков в эксплуатационной стадии при внецентренном сжатии и сдвиге, соответствующие механизму разрушения торцевых участков колонн;
методики определения осевой и сдвиговой деформативностей, разработанные с применением диаграмм деформирования, учитывающих стадии НДС;
результаты многофакторного компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния штепсельных стыков плит с колоннами;
результаты экспериментальных исследований при действии на стык продольных, поперечных сил и изгибающих моментов.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность проведенных исследований обеспечивается применением известных методов проведения научных исследований; использованием сертифицированных программ при выполнении компьютерного моделирования НДС и поверенного оборудования при проведении физических экспериментов; воспроизводимостью экспериментальных величин и соответствием теоретических, численных и опытных данных; использованием классических
методов строительной механики, теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и диаграммных методов при разработке методик расчета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, в том числе I-III Международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2012, 2014, 2016 гг.), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов» (Йошкар-Ола, 2013 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов ПГТУ (Йошкар-Ола, 2014-2016 гг.), VIII Академических чтениях РААСН – Международной научно-технической конференции «Механика разрушения строительных материалов и конструкций» (Казань 2014 г.), 65-68-й всероссийской научной конференции по проблемам архитектуры и строительства (Казань, 2013-2016 гг.), IX Международной научной конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (Санкт-Петербург, 2016 г.), международной научной конференции «Современные проблемы расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений на аварийные воздействия динамического характера» (Москва, 2016 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна технического решения подтверждена патентом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 135 наименований. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков, 39 таблиц и 3 приложения.
Классификация стыков плит с колоннами по комбинациям усилий
Строительство зданий и сооружений с применением сборных железобетонных безбалочных каркасов распространено во многих регионах России, их основным преимуществом является сокращение количества типоразмеров элементов и минимизация объема монолитных работ на стройплощадке. Каркасы такого типа обладают универсальностью, простотой изготовления и монтажа, обеспечивают свободную планировку помещений и имеют широкие возможности разнообразного решения фасадов. Однако конструктивная безопасность и эксплуатационная пригодность несущей системы зданий такого типа зависит в том числе от прочности и деформативности соединений железобетонных элементов, основным из которых является стык плит с колоннами каркаса.
Выполненный патентный поиск и анализ литературы показал, что конструированием стыка плит с колоннами в различное время занимались инженеры и ученые из разных частей России, а также стран СНГ. В общем случае рассматриваемые стыки можно классифицировать следующим образом: - с применением сварки при монтаже; - с использованием болтовых и муфтовых соединений; - штепсельные стыки.
К сварным относится конструктивное решение стыков (рисунок 1.3а) в каркасах системы «КУБ» [65]. Типовое решение включает колонны верхнего и нижнего яруса, а также надколонную плиту перекрытия с отверстием, в котором установлена металлическая обечайка. Стык колонн осуществляется с помощью принудительного монтажа, при котором фиксирующий стержень верхней колонны входит в патрубок нижней. Обечайка приваривается с помощью металлических пластин к продольной арматуре плиты. В завершении стык замоноличивается бетоном класса B25. Cтык колонн с надколонной плитой перекрытия, авторами которого являются С. Л. Березовский, А. Г. Волосач, Т. М. Пецольд и Н. П. Герасимчик [67] (рисунок 1.3б), а также стык Л. Б. Гендельмана, Г. Н. Ашкинадзе, В. М. Острецова и А. В. Кривакина (рисунок 1.3в) [64] предусматривают соединение элементов при помощи сварки. К недостаткам стоит отнести увеличение металлоемкости, объема бетонных работ и трудоемкости монтажа, а также прерывание продольной арматуры колонны в зоне стыка (рисунок 1.3в).
К стыкам с применением болтовых и муфтовых соединений относится разработка А. И. Мордича (рисунок 1.4а) [66], Е. В. Залещука (рисунок 1.4б) [61], А. Н. Коршунова (рисунок 1.4в) [68], Г. П. Никитина и В. Д. Симакова (рисунок 1.4г) [70]. Главными недостатками таких стыков являются высокая металлоемкость из-за применения закладных деталей, метизов и стальных соединительных элементов, необходимость проведения бетонных работ с установкой опалубки, а также в ряде случаев прерывание продольного армирования колонн в зоне стыка.
Болтовые и муфтовые стыки плит перекрытия с колоннами К штепсельным стыкам относится разработка В.М. Поздеева и Е.О. Трош-кова (рисунок 1.5) [69], в которой соединение элементов выполняется без сварки. Плита перекрытия (3) имеет отверстие в форме усеченной пирамиды (4), большее основание которой направлено вверх, а нижнее переходит в форму параллелепипеда (7) и опирается на торец колонны через слой цементного клея (11). Через отверстие (10) непрерывно проходит верхняя (5) и нижняя (6) продольная арматура плиты. Выпуски арматуры (8) верхней колонны (1) проходят сквозь отверстие плиты в скважины (9) нижней колонны (2). После установки элементов в проектное положение стык замоноличивается быстротвердеющим бетоном (12).
Недостатком такого решения является трудоемкость изготовления плиты перекрытия с отверстием сложной формы и проходящим сквозь отверстие армированием, а также необходимость выполнения бетонных работ при монтаже.
Штепсельные стыки плит с колоннами по патенту на полезную модель [63] (рисунок 1.6) применены в каркасной системе «УИКСС-Татарстан» [62]. Нижняя колонна каркаса имеет выпуски продольной арматуры (1), которые проходят через скважины (2) плиты перекрытия и верхней колонны. Скважины обрамляются металлическими гофрированными трубами (металлорукав) (3) для улучшения сцепления раствора инъецирования. В торцах нижней и верхней колонн установлены хомуты из полосовой стали (4), увеличивающие прочность стыка при сдвиге, а также сетки косвенного армирования (5). В верхней колонне находятся дублирующие стержни продольной арматуры (8), суммарная площадь сечения которых равна площади требуемого рабочего армирования (9). В плите устанавливается верхнее (10), нижнее (11) и поперечное армирование (12). Для удобства установки конструкций в проектное положение и соблюдения требуемой толщины растворных швов (6) предусмотрены центрирующие прокладки (13). Инъецирование скважин производится раствором через отверстия (7) в верхней колонне.
Применение такого конструктивного решения штепсельных стыков в соединении плит с колоннами позволяет повысить технологичность производства работ на стройплощадке за счет сокращения количества технологических операций, снизить металлоемкость и уменьшить затраты энергии путём отказа от сварки. Помимо этого, конструкция стыка предусматривает непрерывное продольное армирование, проходящее через отверстия плиты перекрытия в скважины верхней колонны, а также дополнительное армирование торцов колонн хомутами из полосовой стали, что должно положительно отразиться на прочности конструкции.
Моделирование НДС стыка в монтажной стадии
При исследованиях прочности штепсельных стыков колонн при сжатии [52] были также уточнены геометрические характеристики расчетных зон стыка. Численными исследованиями было выявлено, что (угол наклона грани клина к грузовой площадке) находится в пределах 53 77.
Таким образом, методика расчета штепсельного стыка плит с колоннами на монтажные усилия может быть основана на описанных исследованиях, но должна включать условия прочности для трех элементов: нижней колонны, верхней колонны и плиты перекрытия с учетом их конструктивных особенностей.
Помимо применения стальных центрирующих прокладок, известен вариант монтажа конструкций на синтетических прокладках, укладываемых на торец колонны [79]. При таком варианте нагрузка перестает иметь локальный характер и рассматривается как равномерно передаваемая по всей площади колонны.
Расчет на действие монтажных усилий необходим для оценки прочности элементов стыков, что дает возможность оптимизировать размеры стальных центрирующих прокладок и определить необходимость сеток косвенного армирования колонн, что может положительно отразиться на материалоемкости стыка. В эксплуатационной стадии на стык действуют продольные, поперечные силы и изгибающие моменты, под влиянием которых для обеспечения конструктивной безопасности и эксплуатационной пригодности зданий согласно [93] необходимо выполнение расчетов по прочности, деформативности, по образованию и раскрытию трещин, по обеспечению сцепления продольной арматуры с раствором инъецирования скважин, а также раствора инъецирования с бетоном колонн.
В настоящей работе поставлена цель разработки методик расчета прочности и деформативности (осевой и сдвиговой податливости) изучаемого стыка.
В работе [93] предложено оценивать прочность стыка в эксплуатационной стадии отдельно в зависимости от действующих усилий: - при действии сжимающих усилий со случайным эксцентриситетом; - при внецентренном сжатии; - при действии горизонтальных сдвигающих усилий. Прочность при сжатии со случайным эксцентриситетом предлагается оценивать прочностью контактной зоны колонн на основе методики, полученной для штепсельных стыков колонн (1.25). Однако необходимо проведение исследований для определения влияния конструктивных особенностей изучаемого стыка, а при исследовании прочности верхней колонны должны быть уточнены геометрические параметры расчетной схемы из-за наличия в теле колонны скважин, заполненных раствором с отличающимися от основного материала конструкций прочностными и деформативными характеристиками.
Предлагаемые Б.С. Соколовым расчетные схемы стыка при внецентренном сжатии представлены на рисунке 1.14. В них предусмотрено, что нагрузка, в отличие от сжатия со случайным эксцентриситетом, передается не по всей поверхности контактной зоны, а по высоте сжатой зоны бетона колонн. При этом увеличение эксцентриситета приводит к уменьшению сжатой зоны, что отражается на расчетной схеме и условии прочности.
На рисунке 1.14 показаны схемы для двух случаев: при R (рисунок 1.14а); при R (рисунок 1.14б). Армирование на данных схемах условно не показано. Требуется экспериментальное подтверждение предложенных расчетных схем с уточнением коэффициентов работы элементов армирования стыка и геометрических параметров расчетной модели, входящих в формулы определения сопротивления бетона на растяжение, сдвиг и раздавливание.
Прочность стыка при сдвиге предлагается оценивать на основе методики, использованной при исследовании штепсельных стыков колонн (рисунок 1.15), но с учетом двух плоскостей сдвига (между нижней колонной и плитой перекрытия, а также между плитой и верхней колонной). Расчетная схема показана на рисунке 1.16.
Методика расчета штепсельных стыков колонн при сдвиге от действия статических нагрузок [91] основана на предположении, что сопротивление разрушению железобетонных элементов складывается из сопротивлений:
Необходима экспериментальная проверка предлагаемого условия прочности и определение сопротивления хомутов из полосовой стали, устанавливаемых в оголовках колонн, а также уточнение коэффициентов включения в работу продольных стержней при возникновении «нагельного эффекта» и геометрических параметров расчетной модели за счет особенностей конструктивного решения.
Кроме прочности, важным является вопрос определения деформативности (податливости) соединения. От этого параметра зависит распределение усилий в несущей системе здания. Согласно действующим рекомендациям [80] линейную податливость вертикальных стыков колонн определяют по следующему выражению:
Исследования податливости штепсельных стыков колонн, выполненные на кафедре ЖБиКК КГАСУ [91], позволили уточнить выражение (1.37) для штепсельных стыков колонн. Осевая податливость таких стыков зависит от деформативно-сти растворного шва и контактных зон верхней и нижней колонны: где Еь, Ep - начальный модуль деформаций бетона и раствора шва; Аьс - площадь передачи нагрузки в шве; As - площадь арматуры, пересекающей шов; as - коэффициент приведения характеристик арматуры к бетону; hk - высота «клина» (1.39); tm - толщина шва; v - коэффициент упруго пластических деформаций бетона; ум - коэффициент, учитывающий влияние косвенного армирования.
В штепсельном стыке плит с колоннами на осевую податливость дополнительно оказывает влияние деформативность плиты перекрытия, армированной сетками, и наличие двух растворных швов. Это необходимо учитывать при разработке методики расчета с применением диаграммного метода, описанного в действующих нормах расчета железобетонных конструкций [99] на основе фактических диаграмм деформирования стыка, что позволяет учесть стадии НДС и влияние всех конструктивных элементов исследуемого стыка. Для этого необходимо иметь опытные данные осевой деформативности.
Методика испытаний и инструментальные измерения
В соответствии с теоретическими и авторскими исследованиями, описанными в первой главе, штепсельные стыки плит с колоннами в эксплуатационной стадии можно разделить на 3 вида в зависимости от возникающих комбинаций усилий (рисунок 1.9), что влечет за собой необходимость моделирования всех трех видов НДС для разработки методики расчета. В связи с этим для моделирования реального напряженно-деформированного состояния стыка необходимо определение возможных соотношений значений усилий, нахождения величин эксцентриситетов и отношений продольных и поперечных сил при действии внешних нагрузок.
Для реализации данной задачи были использованы 2, 3, 4, 5, 6 – этажные двухпролетные схемы здания, загруженные вертикальными нагрузками. Горизонтальные нагрузки на каркас не моделировались, так как каркас «УИКСС» имеет связевую систему, а стыки колонн с плитами перекрытия не жесткие, а обладают конечной деформативностью (податливостью). Информационная схема исследований по определению отношений значений усилий в исследуемом стыке представлена на рисунке 2.11.
Так как первый вид стыков (средний) подвержен, как правило, сжатию со случайным эксцентриситетом, то определение соотношений значений усилий выполнялось для второго (крайний) и третьего (угловой) вида стыков. стыке плит с колоннами Проводилось определение отношения изгибающих моментов и поперечных сил в колоннах к продольным силам. На рисунках 2.12 и 2.13 дан общий вид эпюр изгибающих моментов и поперечных сил, возникающих в крайнем стыке плит с колоннами. В третьем виде стыков изгибающие моменты и поперечные силы возникают одновременно в двух направлениях.
При проведении расчетов 2-6 - этажных пространственных схем предпочтение было отдано программному комплексу SCAD версия 11.5 [71, 10], реализующему метод конечных элементов, применяемому проектировщиками в России, и обладающему функциями, необходимыми для выполнения статического расчета.
На основе анализа полученных усилий в крайнем стыке (таблица 2.3) были сделаны выводы, что при действии вертикальных нагрузок на каркас без диафрагм жесткости максимальный эксцентриситет возникает в колоннах, расположенных в покрытии (— = 1,2 ...1.3), а эксцентриситет в остальных колоннах превышает значения случайного и находится в пределах значений - = 0.08 ... 0.35. Выполнение расчета схем данной этажности было достаточным для выявления описанных закономерностей, поэтому системы с большим количеством этажей не рассматривались. Несущая система «УИКСС-Татарстан» работает по связевой схеме, поэтому для разработки методики расчета штепсельного стыка плит с колоннами будет достаточным исследование напряженно-деформированного состояния при значениях эксцентриситетов — = 0.08 ... 0.35. Также определены отношения значений поперечной силы к продольному сжимающему усилию, что необходимо для дальнейших исследований работы компонентов стыка. Таблица 2.3 – Определение отношений усилий в крайнем стыке
С учетом результатов определения отношений усилий в крайних стыках данная задача для угловых стыков решалась на основе анализа шестиэтажной расчетной схемы. Полученные результаты показаны в таблице 2.4. Наибольшие эксцентриситеты продольной силы по направлениям х иу возникают в стыке, располо Є Є женном в покрытии (— = 1,68; — = 1). Эксцентриситеты продольного усилия в стыках других этажей находятся в пределах — = 0,09 ... 0,44; — = 0,06 ... 0,25. Таблица 2.4 – Определение отношений усилий в угловом стыке
Таким образом, полученные результаты позволяют оценить возможные значения эксцентриситетов, возникающих в штепсельном стыке плит с колоннами, и отношения поперечных сил к продольным, что необходимо для выполнения моделирования реального напряженно-деформированного состояния стыка в эксплуатационной стадии.
Компьютерное моделирование стыка в эксплуатационной стадии проводилось на моделях, соответствующих натурным аналогично монтажной стадии (рисунок 2.1). Отличительной особенностью являлось наличие растворной части. Модуль упругости раствора в базовых образцах принимался равным =5103МПа, толщина швов - t = 10мм.
Исходя из исследований, выполненных Болговым А.Н. [4], свес плиты при проведении численного эксперимента должен быть равен большему из значений 1/6 пролета и 5-ти толщин плиты. Нагрузка прикладывалась линейно по периметру плиты и равномерно распределенно по всей площади. При таких размерах консоли и схеме нагружения НДС модели наиболее полно соответствует работе перекрытия каркаса. В данной работе величина свеса принята равной 1000 мм.
Сравнение результатов расчета прочности и деформативности стыков по разработанным методикам с опытными данными и компьютерным моделированием НДС
Длина колонн, а также выпусков арматурных стержней определена из условия анкеровки продольной арматуры. Определение предполагаемых разрушающих нагрузок выполнено по действующим нормам расчета железобетонных конструкций [99], а также по разработанным предварительным методикам, полученным на основе компьютерного моделирования и теоретических исследований.
Загружение образцов производилось этапами по 10% от контрольной разрушающей нагрузки. Каждая ступень нагрузки выдерживалась по 15 минут, в течение которых проводилось снятие показаний индикаторов, тензорезисторов, контроль и маркировка образования и раскрытия трещин, фотосъемка процесса. После выдержки показания приборов фиксировались вторично [21].
Прочность стыка во всех группах испытаний определялась разрушающей нагрузкой. Для оценки результатов проиодилось сравнение фактической несущей способности каждого опытного образца, установленной при испытании, с расчетным значением данной величины, определенным по расчетам прочности конструктивных элементов в зависимости от схемы разрушения. Для фиксации образования и развития трещин применялись микроскопы с ценой деления 0,05 мм и тарированные стальные линейки. Схема расположения приборов для контроля деформаций изменялась в зависимости от группы выполняемых испытаний.
В испытаниях группы №1 деформативность бетона колонн контролировалась мессурами на основе индикаторов ИЧ-10 и тензорезисторами с базой 50 мм (рисунок 3.3). Совместные деформации бетона и растворных швов определялись также с помощью мессур. Деформации выпусков арматуры нижней колонны и хомутов из полосовой стали оценивались тензорезисторами с базой 2 см (рисунок 3.4, 3.5). Показания тензорезисторов фиксировались при помощи тензометрической станции. Назначение приборов в испытаниях группы №1 указано в таблице 3.2.
При выполнении испытаний группы №2 деформативность стыка контролировалась индикаторами ИЧ-10 (рисунок 3.6), фиксирующими сдвиг плиты перекрытия относительно верхней и нижней колонны в различных точках. Контроль деформаций выпусков продольной арматуры нижней колонны и хомутов из полосовой стали производился аналогично испытаниям группы №1 (рисунки 3.4, 3.5).
Эксперимент проводился в лаборатории Института строительства и архитектуры Поволжского государственного технологического университета. Испытания образцов группы №1 на сжатие выполнялись с использованием гидравлического пресса П – 125, который обеспечивает вертикальное нагружение образца. Эксцентриситет приложения нагрузки создавался при помощи специальных конструктивных элементов, представляющих собой стальные кондуктора (рисунок 3.7), устанавливаемые по торцам верхней и нижней колонн на цементно-пес-чаный раствор и закрепляемые с помощью затяжки стальных шпилек. Внешнее усилие на кондуктора от пресса передавалось через цилиндрические шарниры, расположенные по оси приложения нагрузки.
В испытаниях группы №2 для передачи сдвигающих усилий и создания дополнительных опор, препятствующих горизонтальному смещению образца в соответствии со схемами эксперимента, законструирована и изготовлена специальная установка, представленная на рисунке 3.8.
Общий вид установки для испытаний группы №2 При испытаниях образец устанавливался на плиту пресса П-125 и зажимался в установке с помощью стальных затяжек. Горизонтальное загружение образцов производилось при помощи гидравлического домкрата ДГ-50, подключаемого к насосной станции с манометром.
При выполнении испытаний группы №3 проводилось одновременное применение стальных кондукторов для вертикального приложения нагрузки и испытательной установки для создания горизонтального сдвигающего усилия.
Контроль физико-механических свойств бетона и раствора инъецирования скважин производился испытанием кубов и призм на сжатие на гидравлическом прессе П-125, а также испытанием бетонных призм на растяжение при изгибе на прессе П-10 в соответствии с действующими нормами [15, 19, 20].
Для определения прочностных и деформативных характеристик арматурных стержней и стали, применяемой в хомутах, проводились испытания материалов на разрывной машине Р-10 [17, 18].
3.2.5 Изготовление и подготовка образцов к испытаниям
Подготовка экспериментальных образцов к бетонированию была разбита на нескольких этапов, включающих в себя изготовление: - сеток косвенного армирования и хомутов из проволоки 4 В500 для моделей верхней и нижней колонн образца контактной сваркой; - сеток верхнего и нижнего армирования плиты перекрытия; - хомутов из полосовой стали, установка на них тензорезисторов, их герметизация и защита от механических повреждений при бетонировании, припайка и фиксация проводов; - сварных пространственных каркасов армирования плит перекрытия и колонн (рисунок 3.9); - скважин из металлорукава 38 и крепление их вязальной проволокой к пространственным каркасам колонн и плит перекрытия; - заглушек из изоляционного синтетического жгута для предотвращения затекания бетонной смеси в отверстия скважин; - опалубки колонн и плит перекрытия из влагостойкой фанеры ФСФ толщиной 18 мм с возможностью одновременного бетонирования нескольких образцов.
Готовые пространственные арматурные каркасы устанавливались в опалубочную форму (рисунок 3.10), величина защитного слоя бетона обеспечивалась за счет пластиковых фиксаторов «звездочка». Общий объем опалубки для каждого типа конструктивных элементов был разделен на отсеки, что позволило вести одновременное бетонирование нескольких нижних, верхних колонн и плит перекрытия. При бетонировании всех элементов использовалась бетонная смесь следующего состава: - портландцемент производства «Евроцемент групп» марки ПЦ500Д20 – 1; - песок строительный – 1,5; - щебень гранитный фракции 5-20 мм – 3,5; - вода водопроводная – 0,56. Приготовление бетонной смеси выполнялось с применением бетоносмесителя СБР-132А.5. Уплотнение смеси конструктивных элементов стыка производилось глубинным портативным вибратором STURM с диаметром булавы 30 мм и штыкованием (рисунок 3.11). Уплотнение контрольных образцов ( кубов размерами 100100100 мм и призм – 100100400 мм) проводилось с применением лабораторной виброплощадки.
После выдержки образцов в течение трех суток в нормальных условиях производилась распалубка и складирование железобетонных элементов до момента сборки конструкций в единый узел каркаса и проведения испытаний.