Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Общая часть 9
1.2. Оценка конструктивных систем многоэтажных жилых и общественных зданий 16
1.3. Специфика расчета и конструирования монолитных многоэтажных зданий каркасно-стеновой конструктивной системы с плоскими перекрытиями 22
1.4. Задачи исследования 25
2. Статический расчет монолитных многоэтажных зданий каркасно-стеновой системы с плоскими плитами перебсрытии методом конечных элементов с учетом физической нелинейности 27
2.1. Усилия и перемещения, действующие в элементах несущей конструктивной системы 27
2.2. Физические соотношения между перемещениями и усилиями .31
2.3. Физические соотношения между перемещениями и усилиями сплошных упругих элементов 34
2.4. Особенности деформирования железобетонных конструкций 37
2.5. Разработка предложений по статическому расчету плоских железобетонных элементов с учетом физической нелинейности 43
2.6. Анализ результатов статического расчета плоских плит перекрытий с учетом и без учета физической нелинейности 74
2.7. Анализ результатов статического расчета стен с учетом и без учета физической нелинейности 90
Выводы 112
3.. Статический расчет железобетонных монолит ных многоэтажных зданий методом заменяю- щихрам 114
3.1. Применение метода заменяющих рам 114
3.2. Расчет каркасных систем с плоскими плитами перекрытий методом заменяющих рам 115
3.3. Анализ результатов статического расчета плоских плит перекрытий методом конечных элементов и методом заменяющих рам 126
Выводы 135
4. Расчет прочности плоских железобетонных элементов (плоских плит перекрытий, стен) на действие изгибающих и крутящих моментов, продольных, сдвигающих и поперечных сил 136
4.1. Методы расчета прочности железобетонных плит плоских перекрытий 136
4.2. Расчет прочности стеновых конструкций 159
Выводы 168
5. Расчет плоских железобетонных плит каркасно-стеновой конструктивной системы на продавливание 170
5.1. Расчетные модели железобетонных плит при продавливании сосредоточенной нормальной силой 170
5.2. Расчетные модели железобетонных плит при продавливании сосредоточенной нормальной силой и сосредоточенным изгибающим моментом 195
Выводы 215
Глава 6. Расчет колонн многоэтажных монолитных зданий 217
6.1.Особенности расчета многоэтажных монолитных зданий с учетом продольного изгиба 217
6.2..Расчет по прочности колонн многоэтажных монолитных зданий при действии изгибающих моментов, продольных и поперечных сил 256
Выводы 265
7. Общие рекомендации по расчету каркасно- стеновых несущих конструктивных систем многоэтажных монолитных зданий 267
7.1. Расчет несущей конструктивной системы 268
7.2. Расчет и конструирование железобетонных
элементов на основе стержневых моделей 285
8. Определение оптимальных параметров несущих монолитных железобетонных конструкций каркасно-стеновой системы с плоскими плитами перекрытий 292
8.1. Определение оптимальных конструктивных расчетных параметров плоских монолитных железобетонных плит перекрытий 292
8.2. Определение оптимальных конструктивных параметров колонн 307
8.3. Определение оптимальных конструктивных параметров стен 319
Выводы 331
Основные выводы 332
Список литературы
- Специфика расчета и конструирования монолитных многоэтажных зданий каркасно-стеновой конструктивной системы с плоскими перекрытиями
- Физические соотношения между перемещениями и усилиями сплошных упругих элементов
- Расчет каркасных систем с плоскими плитами перекрытий методом заменяющих рам
- Расчетные модели железобетонных плит при продавливании сосредоточенной нормальной силой и сосредоточенным изгибающим моментом
Введение к работе
Актуальность проблемы. За последние годы в отечественной практике строительства многоэтажных жилых и общественных зданий широкое распространение получили монолитные здания. Такие здания по основным показателям (архитектурных, конструктивных, технологических и экономических) превосходят или равноценны зданиям из сборных элементов (крупнопанельным зданиям). Особенно это относится к зданиям повышенной этажности, подвергающимся значительным горизонтальным и вертикальным нагрузкам. Сборные крупнопанельные здания повышенной этажности не обладают достаточной прочностью, жёсткостью и устойчивостью в силу ограниченной прочности и большой податливости контактных сопряжений между сборными элементами.
Монолитные многоэтажные здания выполняются, как правило, в виде каркасно-стеновой нерегулярной конструктивной системы с плоскими перекрытиями, обеспечивающей высокие архитектурные и конструктивные показатели. Такие здания имеют существенные особенности как с точки зрения расчёта и проектирования конструктивной системы в целом, так и отдельных его элементов.
К ним относятся особенности расчёта здания как пространственной системы методом конечных элементов с учётом физической и геометрической нелинейности, особенности расчёта плоских элементов перекрытий и стен с комплексным учётом действующих на них силовых воздействий, особенности расчёта узловых сопряжений колонн и стен с плоскими плитами перекрытий, особенности конструирования монолитных элементов системы и их армирования. Между тем, эти особенности комплексно не учитываются в существующих отечественных нормативных документах и в отечественной практике проектирования и строительства, что приводит либо к недостаточной прочности и жесткости таких конструкций, либо к излишнему расходу материалов. Одновременно следует отметить, что действующие в настоящее время нормативные документы были разработаны несколько десятилетий назад, когда подобные конструктивные системы имели ограниченное применение в отечественной практике строительства.
Представленное исследование посвящено решению важной научной проблемы развития теории железобетонных конструкций в направлении разработки более совершенных методов расчета и конструирования монолитных многоэтажных зданий.
Целью диссертационной работы является развитие теории, методов расчёта и конструирования монолитных многоэтажных гражданских зданий, оценки силового сопротивления каркасно-стеновой конструктивной системы с плоскими перекрытиями, с учетом нелинейности деформирования, и разработкой рекомендаций по их проектированию на примере высотных жилых домов.
Научную новизну диссертации составляют:
- обоснование и разработка расчетной модели несущей конструктивной системы монолитных многоэтажных зданий в целом и ее элементов на основе усовершенствованной стержневой имитации конечных элементов;
- рекомендации по определению нелинейных жесткостных характеристик железобетонных элементов для расчета по первой и второй группам предельных состояний на основе метода конечных элементов с помощью адаптации существующих компьютерных программ;
- методы расчета узловых сопряжений колонн и плоских плит перекрытий с учетом совместного действия сосредоточенной нормальной силы и сосредоточенных моментов;
- рекомендации по назначению конструктивных решений для колонн, стен, плоских плит перекрытий по критерию их минимальной стоимости и в зависимости от основных параметров конструктивной системы здания.
Практическое значение работы. Разработанные методы расчета несущих систем и ее элементов монолитных многоэтажных зданий с учетом трещинообразования и неупругих свойств материалов позволят с высокой точностью оценить их несущую способность и деформации и обеспечить экономичные решения с одновременным обеспечением требуемой прочности и жесткости зданий.
Автор защищает:
- выявленную специфику силового сопротивления элементов исследуемой пространственной конструктивной системы монолитных многоэтажных зданий с учетом нелинейности силового сопротивления;
- метод по определению жесткостных характеристик железобетонных элементов с учетом трещин и неупругих свойств материалов;
- развитие методов расчета по прочности железобетонных конструкций при совместном действии поперечных и продольных нагрузок, а также на продавливание при совместном действии сосредоточенной продольной силы и момента;
- способы назначения рациональных конструктивных параметров несущих железобетонных элементов в зависимости от типа конструктивной системы.
Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты диссертации использованы при разработке Свода Правил СП 52-101-2003 “Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры” и МГСН 4.19-2005 “Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве”.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Второй Международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы градостроительства и жилищно-коммунального комплекса” (Москва, 2003); Третьей Всеукраинской научно-технической конференции “Научно-технические проблемы железобетона” (Львов, 2003); юбилейной научной сессии “Пространственные конструкции из различных материалов” (Москва, 2003); конференции “Проектирование и строительство многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей” (Москва, 2004); конференции, посвящённой 90-летию со дня рождения П.Ф. Дроздова (Москва, 2004).
Публикации по теме диссертации. Результаты исследований опубликованы в 25 печатных работах: статьях в научно-технических журналах, рекомендованных Перечнем ВАК (“Бетон и железобетон”, “Промышленное и гражданское строительство”), сборниках научных трудов, материалах научно-практических конференций и сессий, монографии.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и библиографического списка из 189 наименований. Работа изложена на 361 странице, содержит 12 таблиц и 94 рисунка.
Специфика расчета и конструирования монолитных многоэтажных зданий каркасно-стеновой конструктивной системы с плоскими перекрытиями
Методы расчета многоэтажных зданий каркасно-стеновой системы с плоскими перекрытиями разрабатывались многими отечественными и зарубежными учеными и инженерами /11, 22, 24, 29, 37, 38, 39, 47, 71, 102, 104, 107, 108, 109, 111, 129, 137, 151, 171, 184 и др. /. Применяемые ранее методы расчета можно условно разделить на две основные группы. К первой группе относится расчет многоэтажных монолитных зданий на основе метода предельного равновесия. Ко второй группе относится расчет многоэтажных монолитных зданий на основе метода заменяющих рам, который может быть использован только для регулярных конструктивных систем.
Между тем, в настоящее время в связи с развитием компьютерной техники расчет конструктивных систем, особенно нерегулярных, производится на основе метода конечных элементов по специальным компьютерным программам / 115, 153 /. Однако, эти программные компьютерные методы имеют недостатки и должны совершенствоваться.
При статическом расчете конструктивной системы (определение усилий и перемещений) жесткостные (деформационные) характеристики железобетонных элементов определяются, в основном, как для сплошных упругих тел без учета реально возможного образования трещин и неупругих деформаций. Это приводит, с одной стороны, к недооценке прогибов перекрытий и горизонтальных смещений каркаса и, с другой стороны, к переоценке максимальных усилий в элементах. Очевидно, для более правильной и точной оценки усилий и перемещений конструктивной системы требуется разработать методику определения жесткостных (деформационных) характеристик линейных и плоских конечных элементов колонн, стен и перекрытий с учетом трещин и неупругих деформаций.
В настоящее время существует ряд предложений по учету трещин и неупругих деформаций при определении жесткостных (деформационных) характеристик как линейных, так и плоских железобетонных элементов / 8, 10, 11, 25, 70, 72, 99, 100, 106, 156 и др. /. Однако, предлагаемые методы содержат весьма сложные и в то же время достаточно условные зависимости, которые приводят к чрезмерному и не всегда оправданному усложнению компьютерных программ. Поэтому представляется целесообразным использовать более простые приемы для учета трещин и неупругих деформаций в рамках действующих в настоящее время компьютерных программ путем корректировки упругих жесткостных характеристик элементов.
В предшествующие годы для расчета каркасно-стеновых конструктивных ситем с безбалочными плоскими перекрытиями широко использовались в отечественной и зарубежной практике методы предельного равновесия и методы заменяющих рам. Эти методы, также как и метод конечных элементов, используют различные и достаточно условные исходные предпосылки и соответственно приводят к различным расчетным результатам. Между тем, применяемые ранее методы были включены в отечественные и зарубежные нормативные документы и на их основе запроектированы и построены многочисленные жилые и общественные здания. Поэтому представляется весьма важным провести сравнительную оценку результатов расчета по применяемому в настоящее время методу конечных элементов и используемым ранее методу предельного равновесия и методу заменяющих рам, для того чтобы оценить эффективность метода конечных элементов по сравнению с ранее применяемыми методами -и внести при необходимости соответствующие коррективы в этот метод.
Аналогично, в настоящее время для расчета прочности линейных элементов, перекрытий и стен на действие изгибающих моментов, крутящих моментов, продольных, поперечных и сдвигающих сил, используются различные приемы, критерии и модели / 8, 36, 68, 70, 72, 85, 99, 114, 132, 137, 155 и др. /, которые приводят к различным конечным результатам: в одних случаях - к переоценке прочности элементов, в других — к недооценке. В связи с этим также представляется необходимым провести анализ существующих методов расчета прочности элементов и разработать наиболее обоснованную методику расчета, обеспечивающую необходимую надежность и оптимальный расход материалов. Одним из наиболее важных и в то же время недостаточно разработанных является расчет прочности узловых сопряжений колонн и стен с плоскими плитами перекрытий. Применяемый в отечественной практике проектирования расчет узловых сопряжений колонн на продавливание / 141 / не учитывает влияние сосредоточенных моментов, действующих в узловом сопряжении, влияние сосредоточенных сжимающих продольных сил, действующих в узловом сопряжении, а также ряд других факторов, что приводит к существенной недооценке прочности узловых сопряжений у краев и в углах перекрытий, а также в средней зоне перекрытий при различном шаге соседних колонн. Этот недостаток в диссертации восполнен.
Физические соотношения между перемещениями и усилиями сплошных упругих элементов
Характер деформирования железобетонных конструкций существенным образом отличается от упругого деформирования сплошных элементов. Это связано с: наличием в железобетонных конструкциях двух разнородных материалов - стальной арматуры и бетона, образованием и развитием трещин в железобетонном элементе, особенностями работы арматуры в трещине и бетоне между трещинами, неупругой работой арматуры и бетона. Поэтому деформирование железобетонных конструкций может описываться общими уравнениями, связывающими перемещения и усилия железобетонных элементов.
Необходимость учета реальных физико-механических свойств работы бетона и железобетона (учет образования трещин, проявления ползучести и т.д.) при расчете плоскостных железобетонных конструкций (плит перекрытий, диафрагм жесткости, фундаментов, оболочек) регламентирована СНиП 2.03.01-84 "Бетонные и железобетонные конструкции". В разделе "Общие положения расчета плоскостных и массивных конструкций с учетом нелинейных свойств железобетона" (п.п. 1.31 - 1.36) даны основные правила и указания по расчету плоскостных и массивных железобетонных конструкций с учетом физической нелинейности материалов, определены условия применения различных моделей механики железобетона в зависимости от напряженно-деформированного состояния элемента конструкции. В разделе даны определения анизотропии и дилатации.
В новых нормах СНиП 52-01-2003 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" предусмотрен раздел "Требования к расчету бетонных и железобетонных конструкций". Согласно п. 6.1.3 этого раздела расчет бетонных и железобетонных конструкций (линейных, плоскостных, пространственных, массивных) по предельным состояниям первой и второй групп необходимо производить с учетом физической нелинейности (неупругих деформаций бетона и арматуры), возможного образования трещин и, в необходимых случаях, анизотропии, накопления повреждений и геометрической нелинейности. В некоторых оговоренных случаях "...допускается производить определение усилий и напряжений в статически неопределимых конструкциях и системах в предположении упругой работы железобетонных элементов".
В проекте Свода Правил СП 52-101-03 "Бетонные и железобетонные конструкции без предварительно напряженной арматуры" приведен раздел по расчету конструкций с использованием нелинейной деформационной модели, учитывающей физическую нелинейность бетона и арматуры.
В отечественной литературе методика расчета железобетонных плит, оболочек и диафрагм при сложном напряженном состоянии с учетом образования в них разнообразных схем трещин изложена в / 129 /, монографиях В.М.Бондаренко 19/, Н.И.Карпенко / 70, 72 /, в диссертации В.С.Кукунаева / 85 / и научных трудах других авторов.
В монографии I 12 I представлены разработанные автором теория деформирования железобетонных элементов с трещинами при плоском напряженном состоянии и моментная теория гладких плит и оболочек с трещинами, а также рассмотрена работа железобетонных стержневых элементов при кручении и изгибе с кручением. В монографии проведен анализ напряженно-деформированного состояния плоско напряженных и изгибаемых элементов при различных схемах трещин, приведена связь основных компонент деформаций (относительных деформаций, углов поворота, кривизн) с усилиями (нормальными и касательными напряжениями (силами), изгибающими и крутящими моментами) в виде системы основных физических уравнений, определены зависимости для коэффициентов матрицы жесткости этих уравнений. Также в монографии приведены алгоритмы расчета конструкций по предложенной методике, рассмотрены результаты экспериментальных исследований и проведено их сравнение с теоретическими значениями, полученными из расчета по разработанной теории.
В диссертации В.С.Кукунаева представлены результаты исследований, касающиеся расчета железобетонных плит с трещинами с учетом совместного действия изгибающих и крутящих моментов, нормальных и касательных сил. В работе изложена методика расчета плит при сложном напряженном состоянии - составлена система основных физических уравнений, приведены зависимости для определения жесткостных коэффициентов системы для различных схем трещин и алгоритм их вычисления. С применением разработанного метода расчета плит на примерах выполнены исследования влияния трещинообразования, физической и геометрической нелинейности и анизотропии на величины усилий и их распределение по полю плиты. Исследованы вопросы сходимости итерационных процессов расчета по разработанной методике. Даны рекомендации по упрощению метода расчета железобетонных конструкций с помощью линеаризации принятых физических уравнений. Приведен алгоритм и блок-схема расчета железобетонных плит методом конечных разностей на основе теории деформирования железобетона с трещинами.
Расчет каркасных систем с плоскими плитами перекрытий методом заменяющих рам
До распространения компьютерного расчета методом конечных элементов для расчета каркасных конструктивных систем с плоскими плитами перекрытий в практике проектирования широко применялся так называемый метод заменяющих рам. Этот метод был основан на теории упругой сетки, разработанной Г.Маркусом / 93 /. В развитии методов расчета заменяющих рам большой вклад внесли отечественные специалисты А, А.Гвоздев, В.И.Мурашев, И.С.Подольский, М.Я.Штаерман /24, 110, 159 и др. /. Метод заменяющих рам включен в основные зарубежные нормативные документы США, Англии и других стран / 161, 164, 166 / и по сей день широко используется в зарубежной проектной практике наряду с компьютерным расчетом методом конечных элементов в силу своей ясности, простоты и надежности /171 /.
Следует отметить, что на основе этого метода запроектировано и построено большое количество каркасных зданий с плоскими перекрытиями, и в этом смысле можно считать, что этот метод является надежным и прошел испытание временем.
В то же время широко применяемый сейчас компьютерный расчет методом конечных элементов начал использоваться сравнительно недавно. Этот метод содержит ряд условностей, и как численный метод расчета дает лишь конечный результат, а вся процедура расчета остается вне контроля и проверки, и, в конечном итоге, результаты расчета зависят от качества программы и от правильного использования ее инженером.
В силу этих обстоятельств представляется целесообразным рассмотреть расчет каркасных систем с плоскими плитами перекрытий методом заменяющих рам, произвести сравнительный анализ результатов расчета методом конечных элементов и методом заменяющих рам, с тем, чтобы оценить целесообразность выполнения помимо расчета методом конечных элементов также расчета методом заменяющих рам.
Заменяющие рамы образуются в двух взаимно перпендикулярных направлениях путем рассечения каркаса вертикальными плоскостями, проходящими параллельно осям колонн через середины смежных поперечных пролетов (внутренних и крайних). В результате заменяющие рамы получаются в виде ряда колонн, соединенных условными ригелями, состоящими из полосы плиты шириной, равной расстоянию между серединами двух поперечных смежных пролетов, примыкающих к соответствующему ряду колонн (рис. 3.1).
Заменяющие рамы рассчитывают на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Вертикальная нагрузка располагается в пределах площади условного ригеля. Горизонтальная нагрузка передается на заменяющие рамы при рамной конструктивной схеме и на вертикальные стеновые элементы (диафрагмы, ядра) при рамно-связевой конструктивной схеме. Продольные и поперечные заменяющие рамы рассчитывают независимо друг от друга. Определение усилий, действующих в элементах заменяющих рам, производят по общим правилам расчета рам как упругих систем. Расчет заменяющих рам производят как систем с жесткими узлами в местах соединения колонн с условными ригелями. Жесткость при изгибе колонн и условных ригелей для расчета заменяющих рам определяют как для упругих элементов без трещин.
Расчетные модели железобетонных плит при продавливании сосредоточенной нормальной силой и сосредоточенным изгибающим моментом
Существующие методы расчета прочности плоских железобетонных конструкций (плит перекрытий) можно разделить на три основные группы.
К первой группе относится расчет прочности выделенных из плиты плоских железобетонных элементов единичного размера по ширине на действие усилий, приложенных к его боковым сторонам. При этом усилия, приложенные к боковым сторонам выделенного элемента, определяются из расчета плиты численными методами, в частности, методом конечных элементов. Это направление в расчете было разработано отечественными и зарубежными специалистами, а также принято в ряде международных нормативных документов / 8,22,40,72,99, 138, 163, 168, 178, 182, 183, 184 и др. /
Ко второй группе относится расчет прочности плит в целом по пластическим линиям излома методом предельного равновесия. Это .направление в расчете представлено работами отечественных и зарубежных специалистов, а также было принято в отечественных инструктивных документах/ 1, 10, 16, 23, 24, 34, 82, 84, 129, 130 и др. /.
Наконец, к третьей группе относится расчет прочности плит по стержневой системе, где плита разделяется на отдельные полосы балочного типа. Это направление в расчете представлено в работах отечественных и зарубежных специалистов, а также принято в основных зарубежных нормах /21, ПО, 159, 161, 164, 165, 166,172/.
В настоящее время расчет монолитных многоэтажных зданий каркасно-стеновой конструктивной системы производится, как правило, методом конечных элементов с помощью специальных компьютерных программ. При этом расчет прочности плоских плит перекрытий и стен производится по выделенным плоским элементам на действие усилий, приложенных к боковым сторонам выделенного плоского элемента, полученных из статического расчета конструктивной системы. Поэтому, в первую очередь, очевидно должна быть рассмотрена эта методика расчета. Расчет прочности плит по выделенным плоским элементам. Плоские элементы
Рассматриваются выделенные из плиты плоские элементы с единичными размерами по ширине, по боковым сторонам которых вдоль осей X и Y действуют изгибающие моменты Мх и My , крутящие моменты МХу И ПОПереЧНЫе СИЛЫ QxViQy (рис. 4.1).
Усилия Мх, My, МХу, 9х и Qy определяют в общем случае из расчета плиты методом конечных элементов и они представляют собой значения на единицу длины (ширины) элемента.
Продольное армирование осуществляется ортогонально расположенными арматурными стержнями в направлениях осей X и Y , отвечающих принятой системе координат. Условия прочности
Плоские железобетонные элементы перекрытий и стен каркасно-стеновых конструктивных систем многоэтажных монолитных зданий в общем случае работают под воздействием изгибающих и крутящих моментов, продольных, сдвигающих и поперечных сил. Вместе с тем в нормативных документах по проектированию железобетонных конструкций методы расчёта прочности плоских железобетонных элементов на указанную комбинацию силовых воздействий мало представлены.
Рассматриваются в предельном состоянии ортогонально армированные плоские элементы, направление арматуры в которых совпадает с направлением координатных осей. Принимается, что в арматуре развиваются только нормальные напряжения. Согласно исследованиям Н.И. Карпенко влияние касательных напряжений на величину предела текучести пренебрежимо мало.
Выделим из рассматриваемого элемента квадратный элемент с единичными размерами по ширине, по боковым сторонам которых во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей X и У действуют изгибающие моменты Мх и Му, крутящие моменты Мхх, и поперечные силы Ох и Оу (рис.4.2).
