Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. обоснование актуальности исследования 11
1.1. Общие сведения 11
1.2. Конструктивные решения стыков плит перекрытий с колоннами в безбалочных каркасах с применением капителей 12
1.3. Конструктивные решения стыков плит перекрытий с колоннами в безбалочных бескапительных каркасах 17
1.4. Экспериментальные исследования работы стыков плит перекрытий с колоннами в безбалочных бескапительных каркасах 25
1.5. Численные исследования напряженно-деформированного состояния конструкций с использованием программных комплексов 27
1.6. Анализ известных конструктивных решений стыков плит перекрытий с колоннами. Обоснование выбора темы 30
1.7. Выводы 33
2. Численные исследования стыков безбалочных перекрытий с колоннами 35
2.1. Формулировка задач численных исследований 35
2.2. Предпосылки и допущения при моделировании работы узлов 35
2.3. Параметры расчетных моделей стыков 37
2.3.1. Диаграммы деформирования материалов 40
2.4. Результаты численных исследований стыковых соединений перекрытий с колоннами 42
2.4.1. Трещиностойкость стыковых соединений 42
2.4.2. Жесткость стыков 44
2.4.3. Главные напряжения стыковых соединений 46
2.4.4. Несущая способность узлов по продавливанию 49
2.4.5. Несущая способность узлов по изгибающему моменту 50
2.4.6. Влияние загружения колонны нагрузкой от вышележащих этажей на работу стыка 53
2.5. Влияние капители на работу перекрытия при различных видах загружения 53
2.5.1. Параметры расчетной модели перекрытия 53
2.5.2. Результаты численных исследований перекрытий 55
2.6. Влияние капители на жесткость здания 62
2.6.1. Параметры расчетной модели здания 62
2.6.2. Результаты численных исследований зданий 63
2.7. Выводы 64
3. Экспериментальные исследования стыков безбалочных перекрытий с колоннами 65
3.1. Экспериментальная установка для испытаний узлов сопряжения перекрытий с колоннами 65
3.2. Конструкция опытных образцов 66
3.3. Методика измерения напряженно-деформированного состояния опытных образцов и приложения нагрузки 71
3.4. Результаты испытаний опытных образцов 74
3.4.1. Трещинообразование стыков 74
3.4.2. Анализ вертикальных деформаций стыков 77
3.4.3. Напряженно-деформированное состояние арматуры экспериментальных моделей 81
3.4.4. Напряженно-деформированное состояние бетона верхней поверхности плит экспериментальных моделей 84
3.4.5. Напряженно-деформированное состояние бетона нижней поверхности плит экспериментальных моделей 88
3.4.6. Разрушающая нагрузка и характер разрушения 91
3.5. Выводы 94
4. Рекомендации по расчету перекрытий с капителями и их технико-экономическая оценка 95
4.1. Общие положения 95
4.2. Материалы 95
4.3. Предлагаемый алгоритм расчета перекрытий в ПК «Lira» 95
4.3.1. Расчет фрагмента перекрытия с капителями в форме параллелепипеда в ПК «Lira» 99
4.4. Определение несущей способности перекрытия с капителями на продав-ливание при совместном действии поперечной силы и изгибающего момента 105
4.5. Технико-экономическая оценка конструктивных решений перекрытий с капителями 109
Основные выводы 113
Библиографический список 115
- Конструктивные решения стыков плит перекрытий с колоннами в безбалочных бескапительных каркасах
- Предпосылки и допущения при моделировании работы узлов
- Методика измерения напряженно-деформированного состояния опытных образцов и приложения нагрузки
- Определение несущей способности перекрытия с капителями на продав-ливание при совместном действии поперечной силы и изгибающего момента
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы в нашей стране существенно увеличился объем применения монолитного железобетона в гражданском строительстве. Широкое применение монолитных конструкций при возведении зданий с безригельным каркасом объясняется снижением трудозатрат, капитальных вложений и расхода стали. Возведение зданий из монолитного железобетона позволяет избежать монтажных стыков в несущих конструкциях и повысить их жесткость.
Наряду с перечисленными преимуществами зданий с безригельным каркасом, данная конструктивная схема обладает рядом недостатков. «Слабым местом» с конструктивной точки зрения является стык колонны с перекрытием из-за небольшой толщины перекрытий и насыщенности их продольной и поперечной арматурой.
В настоящее время используют различные варианты устройства стыков колонн с перекрытиями. Наиболее распространенными являются варианты с установкой поперечной или жесткой арматуры в плите перекрытия и стыки с применением капителей. Но перечисленные конструктивные решения стыков имеют следующие недостатки: высокую материалоемкость, трудоемкость и сложность при их расчете и конструировании.
Создание реальной расчетной модели, описывающей сопротивление конструкции действию среза в комбинации с изгибом, является сложной задачей теории железобетона. В связи с этим при проектировании монолитных безбалочных перекрытий расчеты на продавливание осуществлялись с использованием методов, в основу которых заложен раздельный расчет наклонных сечений на действие поперечных сил и изгибающих моментов.
В настоящее время, согласно требованиям СП 52-101-2003, расчеты монолитных безбалочных перекрытий на продавливание рекомендуется выполнять при совместном действии поперечной силы, изгибающего момента и с учетом нелинейного закона деформирования материалов.
Исследования по разработке общей методики расчета монолитных перекрытий на одновременное действие поперечных сил и изгибающих моментов в последние годы активно проводили проф. Баранова Т.И., Васильев П.И., Залесов А.С., Мурашкин Г.В., Рочняк О.А., Соколов Б.С. и др. Оригинальные методы расчета, основанные на теории железобетона с трещинами, предложены проф. Карпенко Н.И. Интенсивно развиваются методы, базирующиеся на положениях механики разрушения композитов.
Однако по данному направлению недостаточно выполнено экспериментальных исследований и нет рекомендаций по конечно-элементному моделированию железобетонных перекрытий, учитывающих нелинейную работу бетона и арматуры при расчете по I и II группе предельных состояний.
Все это послужило основанием для выбора темы диссертационных исследований.
Цель работы: разработка и исследование напряженно-деформированного состояния новых конструктивных решений капительных стыков колонн с монолитными перекрытиями.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
выполнить обзор конструктивных решений безригельных каркасов;
разработать новые типы капительных стыковых соединений колонн с перекрытиями;
исследовать напряженно-деформированное состояние стыков с учетом их конструктивных особенностей и нелинейного закона деформирования бетона и арматуры;
численно исследовать влияние предлагаемых стыковых соединений на работу перекрытия и здания в целом;
провести экспериментальные исследования стыков с целью оценки их прочности, жесткости и трещиностойкости;
разработать рекомендации по расчету перекрытий с капителями;
дать оценку технико-экономической эффективности предложенных стыковых соединений.
Научную новизну работы составляют:
новые конструктивные решения капительных стыков колонн с перекрытиями;
результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния разработанных конструкций стыков с учетом нелинейного закона деформирования бетона и арматуры;
результаты исследований совместной работы каркаса здания с безбалочными перекрытиями;
результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стыков, изготовленных в натуральную величину;
рекомендации по расчету монолитных перекрытий с капителями.
Техническая новизна работы подтверждается патентами на полезную модель №№ 63824, 70270, 70526, 74653.
Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных конечно-элементных методов расчета и программных средств. Достоверность численных расчетов подтверждается результатами экспериментальных исследований образцов стыков, изготовленных в натуральную величину.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований; проведении экспериментальных исследований; составлении рекомендаций по расчету капительных стыков.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложены новые типы конструктивных решений стыков колонн с перекрытиями в железобетонном безбалочном каркасе, обладающие высокой несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью. Разработаны рекомендации по их расчету и конструированию.
Внедрение результатов работы осуществлено в реальном проектировании проектными институтами ОАО «ТГИ «Красноярскгражданпроект» (г. Красноярск), ЗАО «Институт Красноярскагропромпроект» (г. Красноярск), МП «Красноярскгорпроект» (г. Красноярск) и компанией ООО «Монолитстрой» (г. Красноярск). Результаты работы использованы при разработке учебного пособия по лабораторному практикуму по дисциплине «Монолитные железобетонные конструкции зданий большой этажности» по направлению 270100 «Строительство» магистерской программы 270100.68.
Апробация работы. Результаты работы изложены и обсуждены на:
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» /ПГУАС (г. Пенза, 2007);
XXIV Региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» /КрасГАСА (г. Красноярск, 2006);
XXV Региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» /ИАС СФУ (г. Красноярск, 2007);
XXVI Региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» /ИГУРЭ СФУ (г. Красноярск, 2008);
65-й Всероссийской юбилейной научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» /СГАСУ (г. Самара, 2008);
65-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» /НГАСУ (г. Новосибирск, 2008);
VI Межрегиональной конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» /БГУ (г. Братск, 2008);
Всероссийской научной конференции «Молодежь и наука – третье тысячелетие» /КРО НС «Интеграция» (г. Красноярск, 2008);
VI Международной научно-практической Интернет - конференции «Состояние современной строительной науки – 2008» /ПГЦ НТЭИ (г. Полтава, 2008).
Получен грант в конкурсе молодежных научных проектов ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (18 G).
На защиту выносятся:
новые конструктивные решения капительных стыков колонн с перекрытиями;
результаты численных исследований разработанных конструкций стыков с учетом нелинейного закона деформирования бетона и арматуры;
результаты исследований совместной работы каркаса здания с безбалочными перекрытиями;
результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стыков, изготовленных в натуральную величину;
рекомендации по расчету монолитных перекрытий с капителями.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка и приложений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий (Вестник ТГАСУ, Вестник МГСУ), 4 патента на полезную модель.
Объем диссертации. Общий объем диссертации 150 страниц, в том числе 132 страницы машинописного текста, 75 рисунков, 5 таблиц, библиографический список из 170 наименований.
Конструктивные решения стыков плит перекрытий с колоннами в безбалочных бескапительных каркасах
Научную новизну работы составляют: новые конструктивные решения капительных стыков колонн с перекрытиями; результаты численных исследований напряженно деформированного состояния разработанных конструкций стыков с учетом нелинейного закона деформирования бетона и арматуры; результаты исследований совместной работы каркаса здания с безбалочными перекрытиями; результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стыков, изготовленных в натуральную величину; рекомендации по расчету монолитных перекрытий с капителями. Техническая новизна работы подтверждается патентами на полезную модель №№ 63824, 70270, 70526, 74653. Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных конечно-элементных методов расчета и программных средств. Достоверность численных расчетов подтверждается результатами экспериментальных исследований образцов стыков, изготовленных в натуральную величину. Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований; проведении экспериментальных исследований; составлении рекомендаций по расчету капительных стыков. Практическая ценность работы заключается в том, что предложены новые типы конструктивных решений стыков колонн с перекрытиями в железобетонном безбалочном каркасе, обладающие высокой несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью. Разработаны рекомендации по их расчету и конструированию. Внедрение результатов работы осуществлено в реальном проектировании проектными институтами ОАО «ТГИ «Красноярскгражданпроект» (г. Красноярск), ЗАО «Институт Красноярскагропромпроект» (г. Красноярск), МП «Красноярскгорпроект» (г. Красноярск) и компанией ООО «Монолитстрой» (г. Красноярск). Результаты работы использованы при разработке учебного пособия по лабораторному практикуму по дисциплине «Монолитные железобетонные конструкции зданий большой этажности» по направлению 270100 «Строительство» магистерской программы 270100.68. Апробация работы. Результаты работы изложены и обсуждены: на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» /ПГУАС (г. Пенза, 2007); на XXIV Региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» /КрасГАСА (г. Красноярск, 2006); на XXV Региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» /НАС СФУ (г. Красноярск, 2007); на XXVI Региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» /ИГУРЭ СФУ (г. Красноярск, 2008); на 65-й Всероссийской юбилейной научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» /СГАСУ (г. Самара, 2008); на 65-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» /НГАСУ (г. Новосибирск, 2008); на VI Межрегиональной конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» /БГУ (г. Братск, 2008); на Всероссийской научной конференции «Молодежь и наука — третье тысячелетие» /КРО НС «Интеграция» (г. Красноярск, 2008); - на VI Международной научно-практической Интернет - конферен ции «Состояние современной строительной науки - 2008» /ПГЦ НТЭИ (г. Полтава, 2008). Получен грант в конкурсе молодежных научных проектов ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (18 G). На защиту выносятся: - новые конструктивные решения капительных стыков колонн с пере крытиями; результаты численных исследований разработанных конструкций стыков с учетом нелинейного закона деформирования бетона и арматуры; результаты исследований совместной работы каркаса здания с безбалочными перекрытиями; результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стыков, изготовленных в натуральную величину; рекомендации по расчету монолитных перекрытий с капителями. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертационной работы. В первой главе приведен краткий обзор опытно-конструкторских разработок стыковых соединений колонн и перекрытий в безбалочных каркасах с применением капителей и бескапительных каркасах. Определены цель и задачи исследований. Во второй главе изложены результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния разработанных стыков, с учетом их конструктивных особенностей и физической нелинейности работы материалов. Изучена работа стыковых соединений в составе перекрытия и здания в целом. В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований. Дана оценка несущей способности, жесткости и трещиностойкости разработанных стыковых соединений при различных видах капителей. Выполнено сравнение экспериментальных и численных исследований. В четвертой главе даны рекомендации по проектированию предложенных стыков; проведен технико-экономический анализ эффективности использования разработанных стыковых соединений. В приложениях приведены копии патентов и акты внедрения. Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий (Вестник ТГАСУ, Вестник МГСУ), 4 патента на полезную модель. Объем диссертации. Общий объем диссертации 150 страниц, в том числе 132 страницы машинописного текста, 75 рисунков, 5 таблиц, библиографический список из 170 наименований.
Предпосылки и допущения при моделировании работы узлов
В данной главе диссертационной работы решались следующие задачи: численные исследования напряженно-деформированного состояния стыков с учетом их конструктивных особенностей, физической нелинейности работы бетона и арматуры; определение степени влияния предлагаемых стыковых соединений на напряженно-деформированное состояние перекрытия и здания в целом при их совместной работе; определение несущей способности стыков. В диссертационной работе для численного моделирования применялся ПК «Lira». Теоретической основой данного ПК является метод конечных элементов.
ПК «Lira» позволяет рассчитывать модели с числом конечных элементов до нескольких десятков тысяч. Кроме того, существует большая библиотека конечных элементов для решения как линейных, так и физически и геометрически нелинейных задач. Среди физически нелинейных элементов существуют элементы, позволяющие моделировать работу бетона и арматуры на всех стадиях загружения, вплоть до разрушения.
В ПК «Lira» реализован принцип, согласно которому за несущую способность конструкции принимается нагрузка, при которой происходит разрушение ряда конечных элементов, в результате чего конструкция становится геометрически изменяемой. Таким образом, разрушение одного КЭ не является критерием разрушения всей конструкции.
Нелинейные расчеты в ПК «Lira» выполняются с применением шагового метода, идея которого основана на отслеживании поведения системы при относительно малых приращениях нагрузки. При этом на каждом шаге решается линеаризованная система разрешающих уравнений для текущего приращения вектора узловых нагрузок, сформированного для рассматриваемого нагружения.
Модификации шагового метода: простой шаговый; шагово-итерационный. Простой шаговый метод решает линеаризованную задачу на каждом шаге и в предположении, что это решение является достаточно точным, реализуется переход к следующему шагу нагружения. Погрешность решения нелинейной задачи не контролируется, количество шагов задается пользователем (рис. 2.1, а). При шагово-итерационном методе производится итерационное уточнение решения на каждом шаге с корректировкой линеаризованной матрицы жесткости на каждой итерации (рис. 2.1,6). Для моделирования работы узла применялись следующие виды физически нелинейных КЭ: 210 - универсальный пространственный стержневой КЭ; 231 -параллелепипед; 232 - тетраэдр; 234 - произвольная треугольная призма. Стержневые КЭ моделируют работу арматурных стержней, объемные - работу бетона. При расчетах применялся шагово-итерационный метод. Нагружение проводилось ступенчатой нагрузкой с величиной ступени 4,0 кН. После каждой ступени нагружения анализировалась и корректировалась расчетная схема. В стадии разрушения одному из материалов конструкции внутрипрограммно присваивался Е = 1, тем самым моделировалось выключение его из работы. Модели имеют следующие геометрические размеры: сечение колонн 200x200 мм; плита в плане 1000x1000 мм; толщина плиты 150 мм. На нижний конец фрагмента колонны накладывались связи, запрещающие линейные и угловые перемещения. Капители выполнялись трех видов: усеченная пирамида, параллелепипед и цилиндр. Для выявления степени влияния размеров капители на несущую способность стыка решено варьировать размерами основания капители 400x400, 500x500, 600x600 мм, а для капители в форме цилиндра варьируемым параметром является радиус основания 250, 320, 380 мм. При таких размерах периметры оснований меньших, средних и больших капителей равны между собой. Угол наклона боковой грани капители к горизонтальной поверхности для капители в виде усеченной пирамиды во всех случаях равен 45 . Высота параллелепипеда и цилиндра всех моделей равна 100 мм. Для определения степени влияния наклонной арматуры капители на несущую способность узла решено варьировать количеством наклонных стержней: 16, 24, 32 шт. Арматуру во всех случаях принимаем 08А4ОО. Размер нижне 38 го основания капители принят 500x500 мм для стыка с капителью в форме усеченной пирамиды и параллелепипеда и радиусом 320 мм для стыка с капителью в форме цилиндра. Во всех рассчитываемых узлах продольная арматура принята 0ІОА4ОО с шагом 100 мм. Все варьируемые параметры стыков представлены в табл. 2.1. Бетон принимался мелкозернистый группы А классом по прочности на сжатие В20.
Всем моделям узлов была присвоена следующая маркировка элементов: А1, В1, В2, ВЗ, С1, С2, СЗ, Dl, D2, D3, Е1, Е2, ЕЗ, Fl, F2, F3, Gl, G2, G3, где А, В, С, D, Е, F, G - принадлежность к маркировочной группе (А - узел без капители; В - узел с неармированной капителью в виде усеченной пирамиды; С -узел с армированной капителью в виде усеченной пирамиды; D - узел с неармированной капителью в виде параллелепипеда; Е - узел с армированной капителью в виде параллелепипеда; F - узел с неармированной капителью в форме цилиндра; G - узел с армированной капителью в форме цилиндра); цифра -марка модели в зависимости от размера капители или количества стержней наклонной арматуры (табл. 2.1). Увеличение размера капители приводит к повышению трещиностойкости узла. Среди предлагаемых стыковых соединений наибольшая трещиностойкость у стыка с капителью в форме цилиндра, наименьшая - в узле с капителью в форме усеченной пирамиды. Узел с капителью в форме усеченной пирамиды обладает большей трещиностойкостью, нежели бескапительный узел. В бескапительном стыке трещины радиального направления появились при нагрузке 28 кН, трещины тангенциального направления - при 72 кН. В стыке с капителью в форме усеченной пирамиды радиальные трещины зафиксированы при нагрузке 30 -г- 40 кН, тангенциальные трещины - при 96 -г 144 кН в зависимости от размера капители. В стыке с капителью в форме параллелепипеда трещины радиального направления появились при нагрузке 40 кН, трещины тангенциального направления - при 112 -І- 152 кН. В стыке с капителью в форме цилиндра радиальные трещины зафиксированы при нагрузке 40 - 64 кН, тангенциальные трещины - при 120 4- 160 кН. Первые трещины начинают образовываться в основании капители и колонны в бескапительном стыке. Наличие капители и ее армирование уменьшают ширину раскрытия трещин в перекрытии.
С увеличением размера капители площадь распределения максимальных главных напряжений уменьшается. Так как максимальные главные напряжения в нелинейной задаче равны значению нормативной прочности бетона на растяжение, то можно предположить, что в тех местах, где напряжения достигают предел прочности бетона на растяжение, происходит образование трещин и разрушение бетона в направлении перпендикулярном направлению главных напряжений. Отсюда следует, что с уменьшением площади распределения главных напряжений, достигших нормативного сопротивления бетона на растяжение, уменьшается и площадь распространения радиальных и тангенциальных трещин.
Методика измерения напряженно-деформированного состояния опытных образцов и приложения нагрузки
Анализ полученных результатов показал, что в бескапительном перекрытии максимальный опорный момент (57,1 кНм/пм) возникает в плите возле грани колонны, расположенной перпендикулярно направлению действия внутреннего усилия, а в плитах с капителями - возле грани колонны, расположенной параллельно направлению действия внутреннего усилия и составляет 37,5 - 40,8 кНм/пм. В перекрытии с капителью в виде усеченной пирамиды опорный момент уменьшается в перекрытии до 28 %, пролетный момент - до 7 %; капители в виде параллелепипеда и цилиндра уменьшают опорный момент до 34 %, пролетный момент - до 11 %.
Опорный момент в перекрытиях с капителями по крайнему ряду колонн уменьшается до 35 %, а по угловым колоннам - до 32 %. Применение капители приводит к уменьшению изгибающего момента на опоре и в пролете, что позволяет уменьшить продольное армирование. Влияние капители на жесткость плиты анализируем на основании сравнения максимальных прогибов перекрытия. График, показывающий максимальный прогиб плиты в зависимости от нагрузки в различных фрагментах схемы с разными капителями, представлен на рис. 2.20. Анализ картины распределения трещин по плите перекрытия при нагрузке З кН/м2 показал, что применение капителей способствует уменьшению площади образования трещин. Образование трещин в плите перекрытия происходит следующим образом: вначале образуются трещины в опорной зоне, далее - в пролетной зоне между колоннами, а затем - в пролетной зоне в центре ячеек. Применение капители позволяет повысить трещиностойкость плиты перекрытия. Расчет продольной арматуры проводим в ПК «Lira» в линейной постановке задачи при равномерно - распределенной нагрузке на перекрытие 3 кН/м2. Максимальное требуемое армирование в безбалочном перекрытии следующее: верхняя продольная арматура - 10,2 см2/пм, нижняя продольная арматура - 3,5 см2/пм. В перекрытии с капителью в форме усеченной пирамиды: верхняя продольная арматура — 7,2 см2/пм, нижняя продольная арматура -3,3 см2/пм. В перекрытиях с капителями в форме параллелепипеда и цилиндра: верхняя продольная арматура - 6,5 см2/пм, нижняя продольная арматура - 3,2 см2/пм.
Анализ полученных результатов показал, что применение капители в виде усеченной пирамиды приводит к уменьшению верхней продольной арматуры на 29 %, нижней арматуры на б %; применение капителей в виде параллелепипеда и цилиндра приводит к уменьшению верхней продольной арматуры на 36 %, нижней арматуры на 9 %.
Анализ работы перекрытий с капителями при различных видах загруже-ния проводился на основании сравнения изгибающих моментов и прогибов в перекрытии. В результате расчета были построены эпюры изгибающих моментов (рис. 2.24).
Анализ изгибающих моментов (рис. 2.24) показал, что в случаях приложения равномерно-распределенной нагрузки наиболее невыгодным нагружени-ем является приложение нагрузки по всей поверхности плиты, при котором максимальный опорный момент составляет 46,2 кН/пм, а пролетный - 19,2 кН/пм. Для прогибов наименее выгодными является приложение равномерно-распределенной нагрузки на все перекрытие и через пролет, при этом прогибы составляют 3,05 мм и 3,14 мм соответственно. Однако при нагружении всей поверхности плиты равномерно-распределенной нагрузкой изгибающие моменты и прогибы будут равны моментам и прогибам при загружении плиты стойками опалубки при бетонировании вышележащего этажа только при нагрузке 5 кН/м2. Картины распределения усилий и эпюры прогибов перекрытий в обоих случаях одинаковы. То есть при расчетах необходимо учитывать нагружение перекрытия в стадии строительства, так как нагрузка при этом в 2 и более раза больше, чем полезная нагрузка для жилых и общественных зданий, определяемая по СНиП 2.01.07-85 [143], и для этих зданий может являться определяющим фактором при конструировании перекрытий.
Для численных исследований были приняты следующие модели фрагментов зданий: с бескапительными перекрытиями; с капителями в форме усеченной пирамиды; с капителями в форме параллелепипеда; с капителями в форме цилиндра. Высота здания 18,2 м (5 этажей по 3,1 м, подвал - 2,7 м), размеры фрагментов плит перекрытия в плане 12,8x12,8 м, шаг колонн 6,0x6,0 м, толщина перекрытий 200 мм, поперечное сечение колонн 400x400 мм. Размеры нижнего основания капителей в форме усеченной пирамиды и параллелепипеда равны 1,0x1,0 м, а радиус основания капителей в форме цилиндра равен 0,5 м, то есть по своим размерам основание капителей в форме цилиндра является вписанным в основание капителей в форме усеченной пирамиды или параллелепипеда. Численное моделирование выполнялась в ПК «Lira». Расчетная схема фрагмента здания состоит из объемных элементов, моделирующих колонны и капители, и пластинчатых элементов, моделирующих плиту перекрытия. Нагружение проводилось вертикальной нагрузкой 5 кН/м2 и горизонтальной нагрузкой 2,5 кН/пм на каждое перекрытие.
Определение несущей способности перекрытия с капителями на продав-ливание при совместном действии поперечной силы и изгибающего момента
При проектировании предлагаемых соединений перекрытий с колоннами и для обоснования целесообразности их применения следует руководствоваться требованиями СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения» [140], «Руководства по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона» (без предварительного напряжения) [166] и указаниями настоящих рекомендаций.
Для изготовления перекрытий с капителями рекомендуется применять тяжелый бетон класса В20 - В30 ГОСТ 26633-91 [141]. Для продольной и наклонной арматуры рекомендуется использовать стержневую арматуру класса АШ по ГОСТ 5781-82 [142].
На основании проведенных численных и экспериментальных исследований (гл. 2 и 3) автором предлагается следующий алгоритм расчета монолитных безбалочных перекрытий с капителями по программному комплексу «Lira»: Создается расчетная схема перекрытия с соблюдением следую щих условий (линейная постановка задачи): колонна, капитель и часть перекрытия под капителью моделируются объемными конечными элементами, плита перекрытия моделируется пластинчатыми конечными элементами (рис. 4.1). В данной расчетной схеме вычисляется продольное армирование в около-капительной зоне перекрытия. В бескапительной схеме определяется армирование плиты в опорной зоне. Такой расчет обоснован тем, что согласно проведенным численным и экспериментальным исследованиям максимальные напряжения в продольной арматуре, растянутом и сжатом бетоне возникают именно в месте сопряжения плиты с капителью: - объемные элементы, моделирующие капитель, перекрытие и примыкающую к капители часть колонны, рекомендуется задавать таких размеров, чтобы при дальнейшем расчете можно было расчетную схему дополнить наклонными стержнями; с целью уменьшения размерности задачи и сокращения времени расчета рекомендуется размеры объемных элементов в вертикальном направлении принимать меньше, чем в горизонтальном; на нижние узлы фрагмента колонны накладываются линейные связи по всем направлениям, а на верхние узлы - связи, запрещающие линейные перемещения по горизонтали. Нижний и верхний концы фрагмента колонны должны совпадать с линией нулевых моментов в колонах каркаса; расчет перекрытия выполняется на следующие виды нагрузок: равномерно-распределенную по всей площади перекрытия, полосовые равно 97 мерно-распределенные, локальные равномерно-распределенные и сосредоточенные. 2. Определяется напряженно-деформированное состояние перекрытия по ПК «Lira». 3. Рассчитывается продольное армирование плиты перекрытия при помощи ПК «ЛИР-АРМ». Армирование принимается по максимальным значениям площади арматуры. 4. Корректируется продольное армирование плиты перекрытия в ПК «Lira» с учетом физической нелинейности работы бетона и арматуры. 4.1 Расчет по 1-й группе предельных состояний. Расчетная схема, по которой производилось определение усилий в плите в п. 2, из линейной задачи переводится в нелинейную. Первоначальное армирование пластинчатых элементов, моделирующих плиту, принимается из линейного расчета по п. 3. Расчет перекрытия производится на расчетную нагрузку. Материалам конст рукции задаются расчетные сопротивления. При расчете определяется несущая способность перекрытия. Если она не обеспечена, необходимо увеличить армирование плиты перекрытия и выполнить расчет повторно. 4.2 Расчет по 2-й группе предельных состояний: рассчитывается перекрытие по прогибам. В расчетной схеме, созданной в п. 4.1, вместо расчетной нагрузки прикладывается нормативная, а расчетные параметры материалов заменяются на нормативные. Производится повторный расчет перекрытия. Расчет выполняется из условия / /., (1) где / - прогиб плиты перекрытия при нормативной нагрузке; /и - предельный прогиб плиты перекрытия [143]. В случае если условие (1) не выполняется, принимаются конструктивные решения по повышению жесткости перекрытия; рассчитывается перекрытие по образованию трещин. Образование трещин в плите перекрытия при нормативной нагрузке определяется из расчета по п. 4.2. При образовании трещин производится расчет армирования плиты перекрытия по раскрытию трещин в ПК «ЛИР-АРМ-локальный». Предельно допустимая ширина раскрытия трещин принимается из [140]. Усилия в плите принимаются из расчета по п. 4.2 по пластинчатому конечному элементу, в котором армирование, определенное по п. 3, равняется армированию, определенному по п. 4.1. П. Расчет наклонной арматуры капители. 1. Корректируется расчетная схема, выполненная в п. 4.1, с соблю дением следующих условий (нелинейная постановка задачи): пластинчатые элементы, расположенные в опорной зоне перекрытия, заменяются объемными. Ширина заменяемой части плиты определяется длиной отгибов наклонной арматуры; добавляются наклонные арматурные стержни. Первоначально количество стержней наклонной арматуры в капители принимается по конструктивным требованиям по 5 - 10 стержней 06-10 мм с каждой стороны капители;
