Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время в нашей стране растут темпы строительства зданий из монолитного железобетона. В частности, в Москве доля монолитного и сборно-монолитного строительства составляет примерно половину от общего объема строительства, причем созданы и реализованы проекты монолитных зданий с достаточно низким расходом бетона на 1 кв.м. общей площади – около 0,55-0,6 куб.м./ кв.м. Кроме того, в связи с очень высокой и постоянно растущей стоимостью площади земли в крупных городах (по состоянию на январь 2006 года стоимость одного квадратного метра земли в центре Москвы составляла 60000 рублей), возникает необходимость возведения многоэтажных и высотных зданий различного назначения – жилых, административно-общественных, культурных, многофункциональных и т.п.
Сейчас в Москве разрабатывается и реализуется программа возведения высотных зданий, которые будут строиться за пределами Третьего транспортного кольца и по замыслу будут символами «спальных» районов. Такой подход к строительству резко увеличивает эффективность использования городской площади. Строительство «высоток» предполагается вести из монолитного железобетона.
В числе преимуществ высотного жилищного строительства помимо эффективного и экономного использования дорогостоящей городской территории обычно называют высокую плотность жилищного фонда, особую комфортабельность и массу различных технических новшеств. Мировой опыт высотного жилищного строительства действительно доказал эффективность и экономическую целесообразность использования ценной городской территории в этих целях. Однако, проведенные там же, за рубежом, исследования показали, что в городских районах с достаточно плотной застройкой наиболее эффективными в экономическом отношении (с учетом стоимости земельных участков) являются жилые здания высотой около 30-ти этажей и не более 100 метров.
Большую долю монолитных многоэтажных и высотных зданий представляют каркасные здания. Они имеют ряд преимуществ перед бескаркасными: низкий удельный расход основных строительных материалов, возможность относительно «свободной» планировки помещений и т.д. Однако, довольно часто, в соответствии с современными архитектурно-планировочными решениями зданий и сооружений, возникает необходимость в возведении гибких железобетонных элементов (колонн или пилонов), работающих на внецентренное сжатие. Высокая гибкость () может быть вызвана увеличением высот этажей зданий, полным или частичным отсутствием раскреплений вертикальных элементов по высоте, уменьшением габаритов поперечных сечений элементов и т.д. А уже при такой гибкости продольный изгиб оказывает существенное влияние на работу и несущую способность конструкции.
В монолитных многоэтажных и высотных каркасных зданиях несущими вертикальными конструкциями являются, в основном, монолитные железобетонные колонны. Анализ литературы дает повод утверждать, что вопросы расчета гибких внецентренно сжатых колонн в монолитных железобетонных каркасах зданий и сооружений по деформированной схеме не достаточно проработаны. Расчеты таких элементов по нормам носят достаточно приближенный характер вследствие того, что в недостаточной степени учитывается ряд важных факторов (совместная работа колонн с другими конструкциями здания и действительная нелинейная работа железобетона). В диссертации разработан инженерный метод расчета гибких сжатых железобетонных конструкций многоэтажных зданий по деформированной схеме с учетом нелинейных свойств железобетона. Расчеты выполняются по первому и второму предельным состояниям и отражают действительную работу конструкций, что было доказано сравнением с экспериментальными данными.
Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованного метода расчета гибких внецентренно сжатых железобетонных колонн монолитных зданий, а также определение влияния различных факторов на работу и несущую способность колонн на основании численного эксперимента, выполненного согласно разработанному методу. В соответствии с поставленной целью в представленной диссертационной работе решаются основные задачи:
-
Разработка алгоритма расчета колонн в составе несущей системы здания с учетом физической и геометрической нелинейности;
-
Определение точности расчетов по разработанной методике путем сравнения полученных результатов с опытными данными;
-
Сравнение результатов расчета согласно разработанному методу с результатами расчета согласно действующим нормам;
-
Сравнение результатов расчета согласно разработанному методу с результатами современных программно-вычислительных комплексов;
-
Оценка влияния различных факторов (гибкости, армирования, длительности действия нагрузки) на действительную работу колонн по результатам расчетных исследований согласно разработанному алгоритму.
Объектом исследования являются гибкие внецентренно сжатые железобетонные элементы – колонны и пилоны.
Методы исследования.
В исследовании использовались диаграммный метод анализа напряженно-деформированного состояния сечения, метод перемещений, метод последовательных приближений, методы математической статистики при обработке результатов эксперимента.
Научная новизна работы.
разработаны методика и оригинальный алгоритм расчета гибких внецентренно сжатых колонн в составе несущей системы здания;
в разработанном алгоритме удалось совместить два инженерных подхода по расчету конструкций – современный подход к оценке жесткости на основе диаграммного метода расчета нормальных сечений железобетонных конструкций и метод строительной механики – метод перемещений;
расчеты согласно разработанному алгоритму производятся с одновременным учетом и геометрической, и физической нелинейности;
произведен анализ современных программно-вычислительных комплексов Лира и SCAD на предмет реализации в них нелинейных расчетов, а также сравнительная оценка результатов расчета в программах с результатами согласно разработанному методу и согласно современным нормам.
Достоверность результатов исследований основывается на сопоставлении теоретических результатов с экспериментальными, полученными при испытаниях внецентренно сжатых колонн.
Практическая значимость исследований.
Разработанный метод позволяет анализировать действительную работу гибких железобетонных колонн с учетом влияния:
-
нелинейных свойств железобетона;
-
продольного изгиба;
-
работы «смежных» с колонной конструкций (плиты перекрытия, ригели, фундамент);
Кроме этого, произведена сравнительная оценка результатов расчета, полученных с помощью современных вычислительных комплексов Лира и SCAD.
Внедрение исследований.
Основные результаты исследований использованы ООО «ПСК «АТРИУМ» при разработке вертикальных несущих железобетонных конструкций в рабочих проектах зданий бизнес-центра с многофункциональным торгово-выставочным залом в г. Серпухов Московской области на пересечении улицы Ворошилова и улицы Джона Рида, бизнес-центра с торгово-развлекательным комплексом по адресу: Московская область, г. Видное, ПЛК в пойме р. Битца.
Апробация работы и публикации.
Основные положения и результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры «Железобетонных и каменных конструкций» Московского Государственного Строительного Университета, а также на юбилейной научно-технической конференции преподавателей факультета ПГС (г. Москва, 19 апреля 2006 года)
По теме диссертации опубликованы две статьи, в том числе одна статья в рецензируемом журнале.
На защиту выносятся:
-
Разработанный метод анализа действительной работы внецентренно сжатых гибких железобетонных колонн в составе несущей системы здания с учетом физической и геометрической нелинейности.
-
Результаты расчетов, полученных с помощью разработанного алгоритма расчета, а также оценка достоверности и надежности разработанного метода путем сопоставления полученных результатов с экспериментальными, а также с результатами, полученными с помощью современных вычислительных комплексов.
-
Выявленные факторы, влияющие на работу железобетонных колонн, на основе результатов расчета ряда колонн по разработанной методике.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и двух приложений. Общий объем диссертации – 125 машинописных страниц. Список литературы включает 100 наименований, в том числе 8 источников иностранных авторов. Работа содержит 13 таблиц и 45 рисунков.
