Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1. Расчетные схемы крупнопанельных зданий 10
1.2. Разновидности дефектов и повреждений панельных зданий на основе результатов натурных исследований 12
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния платформенных стыков 19
1.4. Выводы по первой главе 34
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 36
2.1. Построение матрицы планирования эксперимента 36
2.2. Определение размера образцов для натурных испытаний с помощью численных моделей 39
2.3. Описание опытных образцов 44
2.4. Методика проведения испытаний 47
2.5. Выводы по второй главе 49
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований платформенных стыков, имеющих первона чальные дефекты 50
3.1. Характер разрушения и несущая способность образцов 50
3.2. Деформативность платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты 63
3.3. Построение математической модели несущей способности платформенных стыков, имеющих первоначальные дефекты
3.3.1. Принятые предпосылки 81
3.3.2. Определение коэффициентов уравнения регрессии
3.3.3. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии 86
3.3.4. Проверка адекватности полученного уравнения регрессии
3.4. Расчетный анализ несущей системы крупнопанельного здания с учетом дефектов платформенных стыков 92
3.5. Выводы по третьей главе 106
Глава 4. Обработка результатов натурных обследований крупнопанельных зданий 108
4.1. Исходные данные для нечетких вычислений 108
4.2. Построение функций принадлежности 113
4.3. Дефаззификация полученных функций принадлежности 123
4.4. Определение нечеткой величины несущей способности платформенного стыка 125
4.5. Надежность платформенного стыка крупнопанельных зданий при наличии дефектов 128
4.6. Выводы по четвертой главе 131
Глава 5. Совершенствование конструкции узла сопряжения внутренних несущих стеновых панелей с плитами перекрытия в крупнопанельных зданиях 133
5.1. Разработка новой конструкции узла 133
5.2. Методика экспериментальных исследований 137
5.3. Результаты экспериментальных исследований
5.3.1. Характер разрушения и несущая способность опытных образцов 141
5.3.2. Деформативность элементов стыка
5.4. Численное исследование напряженно-деформированного состояния стыков 153
5.5. Инженерная методика расчета узла сопряжения 166
5.6. Применение новой конструкции стыка при проектировании крупнопанельных зданий повышенной этажности 168
5.7. Выводы по пятой главе 176
Основные выводы 178
Библиографический список
- Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния платформенных стыков
- Описание опытных образцов
- Определение коэффициентов уравнения регрессии
- Дефаззификация полученных функций принадлежности
Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния платформенных стыков
Конструкция крупнопанельного здания представляет собой сложную статически неопределимую систему, образованную из системы пластин и соединенных между собой податливыми связями. Определение НДС элементов панельного здания от различного рода воздействий является весьма трудоемкой задачей. Значительные возможности для расчетного анализа пространственных несущих сие 11 тем заключаются в применении вычислительной техники. Расчет несущей системы крупнопанельного здания в зависимости от степени идеализации производят по моделям, наиболее полно отвечающим условиям фактической работы. В зависимости от требуемых выходных параметров, выбирают различные расчетные схемы, которые различают: по степени пространственной работы - на одно-, двух- и трехмерные; по виду конструкции, положенной в основу расчетной схемы - на стержневые, пластинчатые, комбинированные [42, 44, 95].
При одномерной расчетной схеме здание рассматривается как тонкостенный стержень или система стержней, заделанных в основании. При двухмерной расчетной схеме здание рассматривается как плоская конструкция, воспринимающая нагрузку, которая действует в ее плоскости. Для определения усилий в стенах от горизонтальной нагрузки принимается, что все стены, вдоль действия нагрузки, расположены в одной плоскости и имеют одинаковые горизонтальные перемещения в уровне перекрытий. При пространственной расчетной схеме здание рассматривается как пространственная схема, способная воспринимать приложенную к ней пространственную систему сил. Данная расчетная схема наиболее точно учитывает условия взаимодействия элементов здания, однако расчет на ее основе наиболее сложен [41, 46, 65, 97].
Наиболее совершенны и универсальны расчетные схемы в виде пространственной системы пластин и стержней с дискретными связями между ними. При таких расчетных схемах рекомендуется использовать для расчета метод конечных элементов [43]. Для задач реконструкции крупнопанельных зданий при наличии дефектов, хаотично расположенных как в плане, так и по высоте здания, единственно возможной для применения является пространственная модель крупнопанельного здания, в которой сборные элементы соединены в швах упруго-податливыми связями, имеющими конкретные, зависящие от параметров узла, расчетные характеристики. Данная расчетная модель позволяет оценить напряженно-деформированное состояние несущей системы здания, определить усилия в связях. Расчет пространственных моделей при различных деформативных характеристиках стыков позволяет оценить возможность появления трещин как в стыках сборных элементов, так и непосредственно в самих сборных элементах. Одним из вопросов, необходимым для решения задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкций несущей системы панельного здания, является определение для стыков, имеющих определенного рода дефекты, экспериментальных данных, характеризующих их деформативные свойства и несущую способность.
Некорректные значения деформативных характеристик дефектных платформенных стыков могут привести к неверным значениям как усилий в панелях, стыках и связях, так и перемещений смежных несущих столбов крупнопанельного здания. При этом существенное влияние на деформативные характеристики и несущую способность стыка будет оказывать распределение и тип дефекта по длине стыка, что требует специального анализа характерных дефектов платформенных узлов крупнопанельных зданий.
В данном параграфе проведен анализ повторяемости дефектов и повреждений крупнопанельных зданий по результатам обследования 22 домов, расположенных в разных городах России. В представленную выборку вошли 10-5 этажных зданий; 6-9 этажных; 2-11 этажных; 4-12 этажных. Помимо результатов обследования, полученных автором диссертации, проведен анализ дефектов крупнопанельных зданий по данным других исследователей.
Рассмотренные здания представлены различными конструктивными схемами: с продольными и поперечными наружными и внутренними несущими стенами, с продольными наружными и внутренними несущими стенами, с внутренними продольными и поперечными несущими стенами. При обследовании выявлены различные дефекты и повреждения элементов. Общее количество в процентном отношении дефектов и повреждений в обследо б) сквозные трещины с шириной раскрытия 0,4 мм и более; 2 - трещины с шириной раскрытия до 0,4 мм; 3 - дефект соединительных деталей; 4 - нарушение антикоррозионных покрытий закладных деталей; 5 - сколы бетона; 6 - технологические дефекты; 7 - механические повреждения со снижением несущей способности; 8 - разрушение бетона в зоне анкеровки закладной детали; 9 - непроектное решение узлов соединений элементов; 10-непроектное положение панелей; 11-сильное замачивание конструкций с начальным этапом коррозии бетона; 12-трещины с любой шириной раскрытия в зоне размещения сантехнических помещений; 13-размораживание панелей; 14-нарушение защитного слоя арматуры с начальным этапом коррозии, скол бетона; 15-уширенные швы между смонтированными плитами перекрытий; 16-дефекты горизонтальных швов (пониженная прочность раствора шва, некачественное заполнение горизонтальных швов, увеличенная толщина растворных швов); 17 - недостаточное опирание плит перекрытий на опорные конструкции; 18 - некачественное заполнение вертикальных швов между плитами перекрытий.
Рисунок 1.2.1 - Дефекты панельных зданий: а - наружных стеновых панелей; б - внутренних несущих панелей; в - плит перекрытия; г - платформенных стыков Обнаруженные дефекты условно можно разделить на две группы: первая -влияющие на несущую способность элементов и стыков, деформативные характеристики платформенных узлов, вторая - дефекты, влияющие на эксплуатационную пригодность крупнопанельного здания. В рамках направления данного исследования более подробно остановимся на дефектах, оказывающих влияние на несущую способность и деформативность платформенных узлов.
Недостаточное опирание на несущие элементы имеют до 10% плит перекрытий, что не обеспечивает соответствующей анкеровки арматуры, а также требуемой надежности работы платформенных стыков.
До 36% стыков панелей имеют дефекты горизонтальных швов, такие как: большие участки незаполненные раствором, неравномерная укладка раствора, утолщенные швы, низкая прочность раствора, укладка в швы различных по длине деревянных элементов, - что неизбежно приводит к обмятию слабейших элементов шва, перераспределению усилий по его длине (в пределах этажа или большей зоны) и, в конечном итоге, появлению или раскрытию в панелях стен трещин различной ориентации.
Большое число вертикальных швов в платформенном стыке - до 47% -заделаны некачественно или сильно уширены, что заметно снижает жесткость панельного здания, не обеспечивает надежной передачи горизонтальных усилий, что в конечном итоге может привести к появлению трещин в несущих элементах.
К дефектам, влияющим на эксплуатационную пригодность здания, можно отнести трещины в наружных и внутренних стеновых панелях, которые, как правило, хаотично разбросаны в элементах стен различных этажей и не связаны с недостаточной несущей способностью. Трещины обусловлены температурными деформациями, местными деформациями панелей вследствие некачественно выполненного подстилающего слоя горизонтальных швов, нерасчетными усилиями в процессе транспортирования и монтажа, отклонениями от технологических параметров при изготовлении и монтаже элементов [5, 7]. Аналогичные дефекты отмечены в работах [79, 94].
Описание опытных образцов
Всего был изготовлен 21 образец платформенного стыка. Опытные образцы представляли собой сопряжения бетонных фрагментов внутренних стеновых панелей с отрезками перекрытий шириной 20 см. Длина сопрягаемых элементов принята равной 48 см. Высота фрагментов стен равнялась 35 см. Опытные образцы не имели армирования, за исключением зон передачи нагрузки от плит пресса на опытный образец, где в стеновых панелях предусматривали сетки косвенного армирования. Конструкция опытного образца, смонтированного в прессе, приведена на рисунке 2.3.1.
Для приготовления бетона применяли портландцемент марки 400 производства ОАО «ИскитимЦемент», гранитный щебень фракции 5-20 мм месторождения «Борок», песок с модулем крупности 1,63 Криводановского месторождения. Состав бетона, одинаковый для всех образцов (на 1 м3 смеси): цемент - 300 кг, щебень - 1200 кг, песок - 700 кг, вода - 180 кг. Подбор состава бетона осуществлялся в соответствии с [107].
Образцы бетонировали в разборной опалубке из ламинированной фанеры. Одновременно с укладкой бетона фрагментов стыка бетонировали образцы для контроля прочности бетона: кубы размером 100x100x100 мм по 6 образцов для каждой партии. За один замес изготавливались элементы стеновых панелей и плит перекрытия для одного испытания. До распалубливания образцы хранились во влажной среде в течение 5-6 суток при температуре помещения 18-20С. Испытания проводились после 100% набора прочности бетоном по [149].
Сборка фрагментов стыков производилась в прессе. Вертикальность стеновых панелей выверялась по отвесу, горизонтальность плит перекрытия - по уровню. Толщины горизонтальных швов, марка раствора швов, длины опирання плит перекрытий приняты согласно матрице планирования. В опытных фрагментах стыков вертикальный растворный шов между торцами плит перекрытий не заполнялся раствором. Для обеспечения требуемой толщины растворного шва в него укладывались маяки (растворные пластинки), по две в нижний и верхний швы, размером 160x40x17, 160x40x37, 160x40x57 соответственно для швов толщиной 20, 40, 60 мм, затем шов заполнялся раствором (см. рисунок 2.3.2). Подбор состава раствора швов осуществлялся в соответствии с [152]. Состав раствора пластинок подбирался таким образом, чтобы на момент испытания фрагмента стыка прочность раствора пластинок соответствовала прочности раствора шва. Плиты перекрытий укладывали одним концом на стеновую панель на растворе, а вторым - на специальные домкраты (на время монтажа), установленные на плиту пресса. Во время испытаний домкраты убирались, а панели перекрытий удерживались по углам вспомогательными элементами, подвешенные посредством тяжей и пружин к верхней траверсе пресса.
Одновременно с монтажом узла бетонировали растворные кубы размером 70,7x70,7x70,7 мм по 6 образцов для каждого узла в соответствии с [147, 150]. Общая высота фрагмента, включая два отрезка панелей стен и плиты перекрытий, варьировалась от 90 до 98 см (в зависимости от толщины шва).
При платформенном опираний плит перекрытий происходит горизонтальное смещение (раздвижка) плит перекрытий в узле и значительные поперечные де 47 формации бетона в опорах панелей стен. При испытаниях плиты перекрытия закреплялись двумя стальными тяжами d = 20 мм без затяжки гаек, но с полным выбором слабины, т.е. стыки имели упругоподатливые связи, препятствующие свободным деформациям панелей перекрытий.
Для обеспечения равномерности распределения нагрузки, на верхний швеллер укладывали слой армированной резины (см. рисунок 2.3.1) и выполняли центровку образцов в прессе на начальном этапе нагружения.
После набора раствором шва необходимой прочности фрагменты стыков испытывали статической нагрузкой на центральное сжатие в прессе П-250 при шкале 1250 кН. Вертикальное усилие на узел подавалось ступенями, равными примерно 5-10% от ожидаемой разрушающей нагрузки.
В процессе испытаний производили следующие измерения: 1) вертикальные перемещения горизонтальных растворных швов - индикаторами часового типа с ценой деления 0,002 мм по [148]; 2) горизонтальные перемещения (раздвижка) панелей перекрытий - индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм по [148]; 3) вертикальные деформации бетона стеновых панелей - проволочными тен-зорезисторами на бумажной основе с базой 20 мм; 4) ширина раскрытия трещин в растворном шве, стеновых панелях - переносным микроскопом марки МПБ-2 с 25-кратным увеличением. Показания тензорезисторов регистрировались при помощи тензометрической установки СИИТ-3 на 100 каналов. Схемы расположения тензорезисторов и индикаторов часового типа представлены на рисунке 2.4.1.
Определение коэффициентов уравнения регрессии
Для оценки возможного перераспределения усилий с дефектных стыков либо стыков, имеющих более низкие жесткостные характеристики, рассмотрены две вариации расчетных моделей. В первой при назначении жесткостей в платформенных стыках использовали проектные характеристики податливости растворных швов в соответствии с [96]: Хш = 0,0065 мм3/Н, что соответствует податливости растворного шва толщиной 20 мм при кратковременном сжатии и кубиковой прочности раствора, равной 10 МПа. Вторая вариация модели характеризовалась назначением фактических жесткостных параметров стыков, определенных по результатам обследования здания.
Результаты расчетного анализа в виде изополей напряжений Nz в несущих столбах по осям 16с, 23с для двух вариаций моделей (при проектных параметрах и с учетом фактических деформативных характеристик платформенных стыков) приведены на рисунке 3.4.6, 3.4.7.
Анализ полученных изополей показывает, что на распределение напряжений в несущей системе в зоне дефектных стыков существенное влияние оказывают де-формативные характеристики платформенных стыков соседних несущих столбов здания. Для вертикального столба несущей стены по оси 16с расчет с учетом фактических деформативных характеристик привел к существенному изменению напряженного состояния со снижением уровня напряжений в столбе (см. рисунок 3.4.6). Таким образом, при появлении дефектов в платформенных стыках несущей стены панельного здания в пространственную работу вовлекается большее число элементов за счет перераспределения усилий с дефектного стыка, что на практике приводит к распространению повреждений по всей блок-секции жилого дома.
Для вертикального столба несущей стены по оси 23 с в результате хаотичного расположения дефектов платформенных стыков в зоне рассматриваемого столба разность деформаций несущих столбов незначительна, что не приводит к существенному изменению напряженного состояния стеновых панелей и стыков. Это видно по характеру распределения и уровню сжимающих напряжений, представленных в виде изополей напряжений на рисунке 3.4.7. Таким образом, расчетный анализ несущей системы крупнопанельного здания показал, что при наличии дефектов в стыках смежных несущих столбов не происходит существенного перераспределения усилий со стыка, имеющего более высокую податливость, либо со стыка с исчерпанной несущей способностью, вплоть до его разрушения. Полученные данные подтверждают результаты натурных обследований крупнопанельных зданий, когда в платформенных стыках, имеющих низкую прочность раствора горизонтальных швов (менее М25), в совокупности с другими дефектами стыков происходит разрушение раствора швов с выдавливанием его из стыка.
Для оценки возможного перераспределения усилий в несущей системе крупнопанельного здания при полном выключении (разрушении) одного из стыков сформирована третья модель крупнопанельного здания, в которой платформенный стык на отм. 0,000 стены по оси 12с выключен из работы несущей системы здания. Результаты расчетного анализа в виде изополей сжимающих напряжений в несущих столбах по осям 10с, Вс/(11с-13с), Гс/(8с-16с) для третьей вариации моделей приведены на рисунках 3.4.8-3.4.10.
Результаты расчетного анализа показали: выключение (снижение жесткости) платформенного стыка, имеющего недостаточную несущую способность, привело к существенному изменению напряженного состояния несущей системы крупнопанельного здания. Анализ изополей напряжений в вертикальных столбах показал, что в поперечных стенах, смежных с «выключенным» стыком, а также в продольных наружной и внутренней стенах существенно увеличиваются значения сжимающих напряжений. Наиболее нагруженными после перераспределения усилий являются столбы, расположенные перпендикулярно к стене с дефектным стыком. Максимальная концентрация напряжений в стенах возникает в зоне расположения связей и опирання панелей перекрытий на стены. Помимо наличия значительных напряжений в стеновых панелях, в панелях перекрытий по месту сопряжения дефектного несущего столба с продольными стенами (внутренней и наружной) возникают значительные изгибающие моменты и поперечные силы, могущие привести к появлению дефектов в панелях перекрытий. Таким образом, проведенный расчетный анализ показал, что наличие дефектов в платформенных стыках несущей системы крупнопанельного здания приводит к увеличению дефектных зон за счет перераспределения усилий с более «слабых» мест.
Дефаззификация полученных функций принадлежности
Исходные данные для определения несущей способности стыка (марка раствора, толщина, степень заполнения горизонтальных швов) имеют высокую степень неопределенности и представлены в виде функций принадлежности (см. рисунок 4.2.6-4.2.9). Применение нечеткой арифметики позволяет представить несущую способность стыков не как детерминированное значение, а как функцию принадлежности нечеткой величины. Для построения функции принадлежности использовалась формула для расчета несущей способности платформенного стыка приведенная в [96]:
По результатам расчета несущая способность "условного" платформенного стыка составляет Ndef= 621,26 кН/м.п. Таким образом снижение несущей способности платформенного стыка по отношению к стыку, выполненному в соответствии с проектом, составит около 40%. Полученное значение несущей способности платформенного стыка внутренних стеновых панелей позволяет воспринять погонную вертикальную сжимающую нагрузку эквивалентную величине усилия, действующего на уровне перекрытия над подвалом в 10-12-этажных крупнопанельных зданиях.
Параллельно результатам, полученным новым математическим аппаратом -теорией нечетких множеств, - проведена оценка надежности существующей конструкции платформенного стыка [11, 100, 106] для применения ее в крупнопанельных зданиях с учетом существующего качества строительно-монтажных работ.
В качестве критерия надежности крупнопанельного здания при наличии дефектов в стыках принята вероятность того, что нагрузка, действующая на стык, не превысит его несущую способность. В данном случае несущая способность платформенного стыка при наличии дефектов является случайной величиной и будет характеризоваться плотностью распределения Щх), определение характера которой необходимо для вычисления показателя надежности - численного значения критерия надежности [99].
Построение плотности распределения несущей способности выполнено методом статистических испытаний (Монте-Карло), базирующихся на использовании значений случайных величин с заданным распределением вероятностей [101]. В данном случае распределение вероятностей, а именно марки раствора, толщины и степени заполнения горизонтальных швов, глубины опирання панелей перекрытий принято в соответствии с результатами натурных обследований крупнопанельных зданий и приведены на рисунке 4.2.1-4.2.4.
В результате статистического моделирования системы получена серия частных значений случайной величины - несущей способности. Стоит отметить, что для построения плотности распределения, приведенной на рисунке 4.5.1, выполнено 100 000 вычислений. Таким образом, результаты моделирования системы имеют статистическую устойчивость и могут быть приняты для оценки искомого показателя надежности. Плотность распределения несущей способности платформенных стыков при наличии дефектов, полученная в ходе проведенных вычислений, несмотря на достаточно далекие от нормального распределения входные данные (см. рисунок 4.2.1 - 4.2.4) имеет форму очень близкую к нормальному распределению.
В качестве критерия согласия (критерий проверки гипотезы о предполагаемом законе неизвестного распределения) принят один из наиболее мощных - критерий «хи-квадрата» Пирсона [50, 69, 70].
Проведен анализ сравнения полученного распределения несущей способности стыка с наиболее подходящими, на наш взгляд распределениями: нормальным, гамма, логарифмически-нормальным [93, 102].
Результаты расчета критерия «хи-квадрат» для нормального распределения составляет: 8,450-10"4; гамма - 7,911-Ю"4; логарифмически-нормальным -1,371-10" . В целом полученные значения можно охарактеризовать как достаточно хорошее совпадение полученной плотности распределения случайной величины со всеми приведенными выше законами распределения.
Для выполнения дальнейших расчетов был выбран закон нормального распределения как один из самых универсальных и широко применяющихся в теории надежности [12].
Полученные результаты свидетельствуют о недопустимости применения типовой конструкции платформенного стыка для возведения крупнопанельных зданий повышенной этажности (до 25 этажей).
Результаты расчета по двум различным методикам - теории нечетких множеств и стандартного статистического достаточно хорошую согласованность. Так, дефаззифициро-ванное значение (аналог математического ожидания) несущей способности, полученное согласно теории нечетких множеств, составило Ndef= 621,26 кН/м, а ма 131 тематическое ожидание для плотности нормального распределения т = 572 кН/м (расхождение составляет всего около 8%). Сопоставление графика полученной функции принадлежности подхода к обработке экспериментальных данных - показали несущей способности платформенного стыка и вычисленной вероятностным расчетом нормированной плотности распределения несущей способности представлено на рисунке 4.5.2.
Обработка результатов натурных обследований крупнопанельных зданий в нечеткой постановке позволила определить степень влияния каждого дефекта на несущую способность платформенного стыка с учетом частоты их появления. Дефектами, наиболее существенно влияющими на несущую способность стыков, являются степень заполнения швов (снижение несущей способности составляет 24%) и увеличение толщины горизонтальных швов (снижение несущей способности 16%).
При существующем уровне строительно-монтажных работ типовая конструкция платформенного стыка позволяет воспринять погонную вертикальную сжимающую нагрузку эквивалентную величине максимальных усилий, действующих в вертикальных несущих столбах крупнопанельных зданий, этажность которых не превышает 10-12.
В условиях нехватки площадей под жилую застройку в городской черте, несоответствия современным требованиям объемно-планировочных решений крупнопанельных зданий необходима серьезная переработка существующих серий крупнопанельных зданий. Данная переработка связана с необходимостью увеличения этажности крупнопанельных зданий до 20-25 этажей и улучшения объемно-планировочных решений. Это потребует увеличения шага внутренних несущих стеновых панелей, однако такая переработка невозможна без изменения существующей конструкции платформенного стыка. Следовательно, развитие крупнопанельного домостроения не возможно без изменения конструкции стыка внутренних стеновых панелей с плитами перекрытий.
