Введение к работе
Актуальность работы.
За последние годы в мировой строительной практике достигнуты значительные успехи в развитии и осуществлении пространственных железобетонных конструкций покрытий и перекрытий.
Учет пространственной работы зданий и сооружений - один из существенных источников увеличения их безопасности и экономии строительных материалов. В современных рыночных условиях хозяйствования важное значение приобретают вопросы снижения материалоемкости и энергоемкости строительства зданий и сооружений. В тонкостенных конструкциях типа оболочек, складок и др. эффект пространственной работы реализуется в наибольшей степени.
Разработка и применение тонкостенных конструкций осуществляется по двум основным направлениям. Первое - связано с применением качественно новых конструктивных форм, второе - с созданием пространственных конструкций и конструктивных систем, реализуемых на основе существующей базы стройиндустрии, без существенного увеличения капиталовложений и ее перевооружения.
Одним из наиболее распространенных конструкционных материалов в строительстве, в том числе и для создания тонкостенных пространственных конструкций перекрытий, на сегодня является железобетон. В зданиях, выполняемых из железобетона, например в строительстве каркасных зданий, 65% расхода строительных материалов приходится на перекрытия. Отсюда очевидно, что снижение веса зданий во многом зависит от эффективного конструктивного решения панелей перекрытий.
Наиболее массовое применение в конструкциях перекрытий жилых и общественных зданий получили железобетонные многопустотные предварительно напряженные панели перекрытий с круглыми пустотами. Их работа в дисках перекрытий, в том числе вопросы совместной пространственной работы панелей в перекрытиях, достаточно хорошо изучены. Однако применяющиеся в настоящее время многопустотные панели c круглыми пустотами имеют достаточно большую приведенную толщину – 12 см. В связи с этим идея оптимизации формы пустотообразователей и увеличение размеров пустот в железобетонных панелях покрытий и перекрытий является одним из самых важных направлений снижения материалоемкости этих конструкций. Ее реализация во многом связана как с расчетно-конструктивными, так и с технологическими проблемами. Для конструкций панелей с большими отверстиями оказался важным и недостаточно исследованным учет податливости продольных связей между пустотами, играющий важную роль в вопросах прочности и деформативности этих панелей.
Наряду с совершенствованием конструкций многопустотных панелей, эффективный путь снижения материалоемкости перекрытий связан с использованием пространственно работающих конструкций типа плит-оболочек, характеризующихся высокими технико-экономическими показателями. Эти плиты, обладающие плоской внешней и криволинейной или многогранной внутренней поверхностью, достаточно просты в изготовлении. Вместе с тем, напряженно деформированное состояние этих конструкций под нагрузкой полностью не изучено, и вопросы расчета требуют совершенствования. Таким образом, принимая во внимание уровень изученности рассматриваемых конструктивных элементов пространственных перекрытий в целом, представляется, что развитие исследований этих конструкций с позиций, как первой, так и второй групп предельных состояний на современной физической основе и создание элементов их рационального проектирования, является самостоятельным направлением, имеющим важное теоретическое и практическое значение.
Цель настоящей работы заключается:
- в совершенствовании известных и разработке новых конструктивных форм эффективных тонкостенных железобетонных элементов пространственных конструкций перекрытий и покрытий зданий в виде крупнопустотных панелей многосвязного поперечного сечения и плит-оболочек со вспарушенной и шатровой поверхностями;
- развитии теоретических основ и разработке прикладных способов качественной и количественной оценки силового сопротивления по прочности, деформативности и трещиностойкости названных элементов пространственных железобетонных конструкций покрытий и перекрытий зданий на базе экспериментально-теоретических исследований при комплексном учете известных и новых экспериментально выявленных физических, конструктивных и геометрических факторов влияния на НДС исследуемых конструкций.
Автор защищает:
- предложения по совершенствованию конструкций железобетонных панелей многосвязного поперечного сечения и вариантам новых эффективных крупнопустотных панелей, в том числе для сборно-монолитных безбалочных дисков перекрытий;
- методику проведения экспериментальных исследований с целью проверки гипотезы сосредоточенного сдвига и определения числовых значений параметра податливости шва сдвига;
- результаты экспериментальных исследований прочности, жесткости и трещиностойкости крупнопустотных панелей, полученные на натурных конструкциях, в том числе панелях с искусственным швом сдвига для проверки податливости продольных связей между пустотами;
- практические способы и алгоритмы расчета облегченных железобетонных панелей многосвязного поперечного сечения по деформативности и прочности с учетом податливости продольных связей при двух возможных случаях исчерпания несущей способности;
- рекомендации по проектированию и изготовлению облегченных крупнопустотных панелей многосвязного поперечного сечения;
- предложения по различным конструкциям эффективных сборных железобетонных пространственных элементов перекрытий и покрытий в виде прямоугольных плит-оболочек со вспарушенной и шатровой поверхностями, в том числе ребрами вверх или вниз;
- результаты экспериментальных исследований железобетонных плит-оболочек ребрами вверх и вниз, охватывающие все стадии деформирования при нагружении и различные схемы разрушения;
- результаты оптимального проектирования геометрических параметров плит-оболочек;
- методику и алгоритмы нелинейного расчета плит-оболочек по двум группам предельных состояний, единую для панелей с криволинейной и многогранной поверхностями;
- результаты численных экспериментов, анализа напряженно-деформированного состояния и практических методов нелинейного расчета железобетонных плит-оболочек в зависимости от широкого круга конструктивных особенностей и совместности работы с контурными элементами;
- методику расчета несущей способности плит-оболочек при различных схемах излома на основе кинематического метода предельного равновесия;
- рекомендации по конструированию плит-оболочек, принципов армирования в зависимости от их формы и условий опирания.
Научную новизну работы составляют:
- предложения по новым конструктивным решениям железобетонных панелей многосвязного поперечного сечения с крупными пустотами и пространственных элементов покрытий и перекрытий в виде плит-оболочек со вспарушенной и шатровой внутренней поверхностью.
- результаты экспериментальных исследований, полученные на натурных крупнопустотных панелях с искусственным швом сдвига, которые позволили проверить рабочие гипотезы податливости продольных связей между пустотами и получить конкретные числовые значения податливости этих связей.
- практические способы и алгоритмы расчета облегченных железобетонных панелей по деформативности и прочности с учетом податливости продольных связей при двух возможных случаях исчерпания несущей способности, результаты численных исследований и их анализ.
- рекомендации по проектированию и изготовлению облегченных крупнопустотных панелей многосвязного поперечного сечения, в том числе с использованием существующих технологических линий по производству типовых многопустотных плит.
- метод расчета плит-оболочек на основе моментной технической теории пологих оболочек переменной кривизны и толщины с интегрированием системы разрешающих дифференциальных уравнений задачи модифицированным методом Бубнова - Галеркина, что позволило учесть совместность работы плиты-оболочки с контурными ребрами, испытывающими осевое растяжение, кручение и изгиб в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
- методика и алгоритмы нелинейного расчета плит-оболочек по двум группам предельных состояний, единые для панелей с криволинейной и многогранной поверхностями, а также методика расчета несущей способности плит-оболочек при различных схемах излома на основе кинематического метода предельного равновесия.
- результаты оптимизации геометрических параметров плит-оболочек и численных экспериментов, позволившие определить влияние на ее НДС характера распределения нагрузок, краевых условий, формы и толщины плиты-оболочки и эксцентриситета ее сопряжения с контурными ребрами, а также изменения жесткости контурных ребер при растяжении, кручении и изгибе в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
- рекомендации по конструированию плит-оболочек, в том числе учитывающие особенности армирования конструкций, характеризующихся переменной толщиной поля панелей.
Достоверность выводов и рекомендаций диссертации подтверждается хорошей сходимостью результатов экспериментов на натурных конструкциях и их моделях с расчетами по разработанным методам оценки деформативности и несущей способности предлагаемых конструкций.
Практическое значение работы заключается в решении важной научно-технической проблемы, включающей сложные вопросы теории конструктивных форм и теории расчета конструкций.
Развитие теории конструктивных форм связано с совершенствованием известных и разработкой новых конструктивных форм элементов пространственных железобетонных конструкций перекрытий и покрытий зданий в виде крупнопустотных панелей многосвязного поперечного сечения и плит-оболочек со вспарушенной и шатровой поверхностями.
Введен экспериментально апробированный прием направленного управления НДС конструкций с помощью регулирования геометрических параметров, жесткости и армирования функционально различных частей элементов перекрытия, что привело к значимому эффекту при обеспечении требуемого силового сопротивления по прочности, деформативности и трещиностойкости.
Развитие теории расчета конструкций включает разработку прикладных способов качественных и количественных оценок силового сопротивления названных элементов пространственных железобетонных конструкций покрытий и перекрытий зданий при комплексном учете известных и новых экспериментально выявленных физических, геометрических факторов влияния на НДС конструкций (геометрической нелинейности, физической нелинейности и трещинообразования, перераспределения усилий, податливости и деформирования различных частей элементов, граничных условий, форм разрушения и т.п.).
На базе моментной технической теории пологих оболочек с использованием модифицированного метода Бубнова-Галеркина, а также кинематического метода предельного равновесия, созданы инженерно приемлемые алгоритмы нелинейного расчета, подтвержденные аналитической корректностью внесенных предложений, и осуществлены лабораторная и натурная экспериментальные апробации теоретических результатов.
Реализация работы.
Разработанные конструкции крупнопустотных панелей многосвязного поперечного сечения и пространственные конструкции в виде плит-оболочек могут быть рекомендованы для использования в качестве панелей междуэтажных перекрытий зданий, в том числе безбалочных перекрытий.
Высокие технико-экономические показатели предлагаемых конструкций, характеризующиеся снижением расхода материалов в сравнении с применяемыми в жилищном строительстве многопустотными настилами или плитами сплошного сечения на 20-30%, способствуют решению важной народно хозяйственной задачи снижения материалоемкости строительной продукции. Указанные показатели реализуются на основе существующей базы стройиндустрии, без существенного увеличения капиталовложений в ее перевооружение.
Производство крупнопустотных панелей перекрытий осуществляется на ЖБИ в г. Москве.
Предложенные методы расчетов позволяют выполнять с их помощью обоснованное проектирование покрытий и перекрытий зданий с применением рекомендованных видов конструкций. Они изложены в ряде изданий, рекомендованных в качестве учебных пособий и методических указаний по расчету и проектированию железобетонных плит перекрытий, которые используются в учебном процессе для специальности ПГС.
Апробация работы:
Результаты проведенных исследований были представлены и доложены на научных сессиях, конференциях и семинарах.
1. На Ученом Совете при Председателе Совета Федерации при рассмотрении проекта строительства жилого комплекса. (г. Москва – 2000 г.)
2. На Международной научно-практической конференции в г. Белгороде, (БелГТАСМ – 2000 г.)
3. На Международной научно-практической конференции в г. Смоленске, (Смоленск - 2001 г.)
4. На Научно-Техническом Совете в Министерстве строительства Правительства Московской области. (Москва, 2001-2003 гг.)
5. На конференции Мордовского университета. (г. Саранск– 2002 г.)
6. На научных семинарах кафедры железобетонных конструкций МИКХиСа (Москва – 2004, 2005, 2006, 2007 гг.)
7. На научных сессиях Межрегиональной общественной организации и Научного Совета РААСН “Пространственные конструкции зданий и сооружений” – 2005, 2007, 2008, 2009 г. (Москва - РААСН)
8. На научно-техническом Совете “Жилстрой” Правительства Московской области (Москва – 2005 г.)
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и общих выводов и списка литературы. Она изложена на 379 страницах, включающих 340 страниц основного текста, 128 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 383 наименований, приложение.
