Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы и задачи исследований 17
1.1. Конструктивные особенности составных железобетонных элементов и их швов 17
1.2.Экспериментальные исследования железобетонных составных конструкций 20
1.3. Теоретические исследования железобетонных конструкций составного сечения 24
1.3.1. Основные подходы к расчету железобетонных конструкций составного сечения 28
1.3.2. Анализ основных методик расчета железобетонных конструкций по наклонным сечениям 35
1.3.3. Методы расчета трещиностойкости составных конструкций 44
1.3.4. Жесткость составных железобетонных конструкций 56
1.4. Анализ и характеристики условий эксплуатации транспортных зданий 60
1.5. Выводы и постановка задач исследования 68
2. Экспериментальные исследования железобетонных составных конструкций транспортных зданий и их анализ 76
2.1.Экспериментальные исследования натурных составных конструкций для транспортных зданий и сооружений 76
2.2. Заводские испытания при внедрении составных конструкций в зданиях с агрессивными средами 84
2.3. Натурные испытания опытных рамных составных систем с арочно-консольными плитами з
2.4. Натурные испытания составных плитно — балочных и распорных конструкций перекрытий в реконструируемом здании общежития под учебный корпус МИИТа 104
2.5.Лабораторные экспериментальные исследования прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям 109
2.6. Методика и экспериментальная оценка интенсивности коррозии арматуры 130
2.7. Выводы 133
3. Расчетные модели и теория расчета железобетонных составных конструкций 141
3.1. Теория расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой группы 141
3.1.1. Напряженно-деформированое состояние железобетонных составных конструкций в зоне нормальных трещин 141
3.1.2. Прочность железобетонных конструкций по наклонным трещинам третьего типа 158
3.1.3. Разрушение железобетонных составных конструкций от потери сцепления в зоне заанкеривания по наклонным трещинам третьего типа 166
3.1.4. Прочность железобетонных составных конструкций по наклонным трещинам, первого и второго типа 171
3.2. Теория расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям второй группы 175
3.2.1. Определение параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций для оценки раскрытия наклонных трещин третьего типа 175
3.2.2. Методика расчета ширины раскрытия наклонных трещин третьего типа в железобетонных составных конструкциях 190
3.2.3. Раскрытие наклонных трещин первого и второго типа в железобетонных составных конструкциях 199
3.2.4. Методика расчета железобетонных составных конструкций по деформациям 203
3.3. Выводы 217
4. Численные исследования железобетонных составных конструкций и сопоставительныйанапиз 223
4.1. Эффективность расчетной методики железобетонных составных конструкций по предельному состоянию первой группы 223
4.2. Эффективность расчетной методики железобетонных составных конструкций по предельному состоянию второй группы 228
4.2.1. Исследование влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных составных конструкций 229
4.2.2. Алгоритм расчета ширины раскрытия наклонных трещин железобетонных составных конструкций
по предлагаемому методу 245
4.2.3. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов ширины раскрытия трещин железобетонных составных конструкций и оценка предлагаемого расчетного аппарата 251
4.3. Выводы 268
5. Новые решения железобетонных составных конструкций транспортных зданий 273
5.1. Новые конструктивные решения облегченных слоистых сводчатых и тонкостенных арочно-двухконсольных конструкций для перекрытий и покрытий многофункциональных зданий ПГС 273
5.2. Слоистые конструкции для зданий и сооружений с агрессивными средами 290
5.3. Разработка вентилируемых конструкций стен транспортных зданий 300
5.4. Предлагаемые конструктивные схемы транспортных зданий нового типа из слоистых конструкций 304
5.5. Эффективные плитно-балочные составные системы для реконструируемых транспортных зданий 314
5.6. Выводы 318
6. Рекомендации по проектированию железобетонных составных конструкций в практике строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных зданий 331
6.1. Общие положения, правила и рекомендации по расчету и проектированию составных конструкций для повышения эксплуатационных качеств 331
6.2. Рекомендации по применению составных коррозионно-стойких конструкций в производственных зданиях промышленности и транспорта 341
6.3. Общие положения, указания и рекомендации по проектированию зданий повышенных эксплуатационных качеств с
использованием составных конструкций 351
6.4.Результаты проектирования и внедрения составных конструкций в реконструируемых и вновь строящихся зданиях и дополнительные рекомендации по их проектированию 360
6.5. Выводы 376
Заключение 391
Список литературы
- Анализ основных методик расчета железобетонных конструкций по наклонным сечениям
- Натурные испытания составных плитно — балочных и распорных конструкций перекрытий в реконструируемом здании общежития под учебный корпус МИИТа
- Теория расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям второй группы
- Слоистые конструкции для зданий и сооружений с агрессивными средами
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследований. Железобетонные конструкции большинства транспортных зданий и сооружений, в частности, железнодорожных – промывочно-пропарочных станций (ППС), пункты подготовки вагонов (ППВ), ремонтно-экипировочных депо (РЭД) и другие – работают в специфических эксплуатационных условиях. Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что первичная антикоррозионная защита относительно быстро выходит из строя. Данные натурных обследований автора выявили неэффективность и вторичной защиты таких зданий от коррозии. Для обеспечения их долговечности нашли применение конструктивные решения комплексных химически стойких элементов с первичной (заводской) защитой их от коррозии в сборно-монолитном исполнении на основе сочетания материалов с различными физико-механическими свойствами: обычных цементных и полимерцементных бетонов, полимербетонов и др. Такие решения комплексных коррозионно-стойких конструкций по характеру работы являются составными.
К составным относится и большинство сборно-монолитных железо- бетонных конструкций, которые сочетают в себе отдельные положительные качества как сборного, так и монолитного железобетона, благодаря чему являются весьма рентабельными и удобными для строительства. Сборная часть этих конструкций помимо обычного и предварительно напряжённого железобетона может предусматриваться из сталефибробетона, стеклофибробетона, полимербетона и других, в том числе местных материалов. Для сборно-монолитных конструкций сохраняется возможность вести строительство индустриальными методами, предусматривается весьма простое устройство стыков в узлах сопряжения в виде выпусков арматуры и шпонок, обеспечивается неразрезность сборных элементов путём соответствующего их армирования на промежуточных опорах и тем самым в значительной степени увеличивается жёсткость и пространственная устойчивость всего сооружения в целом.
Зональное размещение материалов в железобетонных составных конструкциях позволяет наряду с высокопрочными бетонами использовать бетоны пониженных классов и достичь экономии по расходу стали. Таким образом, преимущества железобетонных составных конструкций (сборно-монолитных; усиленных при реконструкции) становятся столь очевидными, что не обеспечить углубленные исследования особенностей их сопротивления и конструирования уже просто нельзя.
Совершенно очевидно, что создание эффективных железобетонных составных конструкций, в том числе для транспортных зданий и сооружений, в значительной мере зависит от адекватности расчётных моделей действительному характеру их работы. Принятие в практических расчетах предпосылки о совместности работы бетона и арматуры противоречит опытным данным с выявленным эффектом нарушения сплошности и сущности процесса деформирования составных твердых тел.
Следующей проблемной задачей до настоящего времени продолжает оставаться и расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям. И хотя в последние годы, в решении этой проблемы достигнут заметный прогресс, определилось новое направление, все же многие важные вопросы остаются неизученными, в частности применительно к исследованию прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций. Здесь практически отсутствуют расчетные модели, отражающие всё многообразие различных типов наклонных трещин, не разработана математическая модель для определения проекций опасной наклонной трещины, как функции многих переменных и т.д. Все это не позволяет избежать трудоемкого экспериментирования и принятия эмпирических зависимостей.
Отсюда следует, что создание новых эффективных конструктивных систем транспортных зданий и сооружений и железобетонных составных конструкций связано с проведением экспериментально-теоретических исследований по детальному изучению их напряженно-деформированного состояния с учетом податливости шва между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона, является весьма актуальной проблемой.
Цель работы: построение расчётных моделей сопротивления железобетонных составных конструкций на основе наиболее полного учета действительного напряженно-деформированного состояния и синтеза на этой основе эффективных конструкций и конструктивных систем транспортных зданий и сооружений.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
провести обобщение и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований, опубликованных в научной печати;
разработать методику и провести экспериментальные исследования железобетонных составных конструкций с целью выявления характерных особенностей сопротивления разрушению, деформированию, образованию и раскрытию трещин;
разработать аналитический аппарат оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций по первой и второй группам предельных состояний с учетом выявленных особенностей их действительной работы;
– провести численные исследования и выполнить сравнительную оценку предлагаемого расчетного аппарата с экспериментальными данными и нормативной методикой расчета;
– разработать новые решения эффективных железобетонных составных конструкций и конструктивных схем проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений.
Научная новизна работы состоит в развитии теории расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям и синтез на этой основе новых конструктивных решений транспортных зданий и сооружений, в их числе:
1. Построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп, содержащих:
– экспериментально выявленный многоуровневый процесс трещинообразования (в том числе, – веерообразный), раскрытия трещин в железобетонных составных конструкциях и предложенную иерархию разделения трех типов трещин на характерные веера;
– расчетную модель сопротивления из пяти блоков для моделирования
процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;
– расчетные схемы, рабочие гипотезы, разрешающие уравнения и методику расчета по предельным состояниям железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным трещинам трех типов;
– расчетные схемы разных уровней анализа (для определения относительных деформаций бетона и арматуры между трещинами в условиях сложного напряженного состояния; для моделирования различных видов разрушения в зоне наклонных трещин и т.п.), с ориентацией выходных параметров для этих схем на расчетную схему составного стержня;
– математическую модель для аналитического определения величины горизонтальной проекции опасной наклонной трещины в задачах прочности и ширины раскрытия трещин как функций многих переменных.
2. Опытные данные о характере и эффектах деформирования, образования, развития и раскрытия нормальных и наклонных трещин в железобетонных составных конструкциях, полученные на основе натурных и лабораторных экспериментальных исследований сложного напряженно-деформированного состояния бетона, продольной и поперечной арматуры при различных схемах загружения, характере армирования, классах бетона.
3. Новые железобетонные составные конструкции для проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений:
– слоистые плиты низких сводов для покрытий и перекрытий зданий многоцелевого назначения из мелкозернистого и крупнозернистого высокопрочного лёгкого бетона: с торцевым объединяющим элементом из высокопрочного бетона;
– коррозионно-стойкие двухконсольные арочные слоистые плиты «на
пролет» двух типов с использованием легких и высокопрочного бетонов;
– несущие слоистые стеновые панели трех групп с использованием мелкозернистого полимербетона и конструкционного керамзитобетона, сопрягаемые с плитами покрытий с помощью жестких рамных узлов;
– несущие стеновые панели, вентилируемые через каналы и через слой крупнозернистого керамзитобетона;
– балочные слоистые конструкции (в том числе большепролетные) с использованием высокопрочного бетона и полимербетона, или полимерцементого бетона, или листовой облицовки.
4. Конструктивные системы транспортных зданий, отличающиеся тем, что внутренние несущие стены заменяются рамной системой, включающей коррозионно-стойкие колонны и подстропильные слоистые балки с первичной (заводской) защитой от коррозии с двухконсольными арочными плитами покрытия из легкого и высокопрочного бетонов, а стены выполняются из несущих коррозионно-стойких панелей (наружные), специально разработанных групп и несущих вентилируемых панелей (внутренние).
Теоретическая и практическая значимость работы.
На основе сформулированных предпосылок разработана теория и построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным сечениям.
Методы расчета железобетонных составных конструкций с более полным учетом параметров и особенностей деформирования арматуры и бетона позволяет получить в одних случаях более достоверные решения, в других – выявить резервы для эффективного использования материалов.
Разработаны рекомендации по проектированию, а также новые типы железобетонных составных конструкций и подтверждена их высокая эффективность.
Методология и методы исследований. Использован экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела, теории составных стержней и теории железобетона.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций в зоне нормальных и наклонных трещин при различных схемах армирования и загружения;
– модернизированная теория силового сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям по нормальным и наклонным трещинам трех типов, учитывающая условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;
– алгоритмы расчетов и результаты численных исследований с использованием разработанной расчетной методики, а также результаты их сопоставительного анализа с опытными данными и нормативной методикой расчета;
– рекомендации по проектированию и синтезу новых конструктивных схем и железобетонных составных конструкции для транспортных зданий и сооружений.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность научных положений, выводов и заключения, сформулированных в диссертации, обеспечивается:
– построением расчетной модели сопротивления железобетонных составных конструкций на основе закономерностей механики твердого деформируемого тела, теории составных стержней, теории железобетона и реальных условий деформирования;
– сравнительным анализом результатов с использованием разработанной методики расчета с экспериментом и расчетами по нормативной методике, получившей наибольшее распространение в практике проектирования;
– эффективностью предложенных расчетных зависимостей, использованных при проектировании железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений и их эксплуатационной пригодностью.
Основные положения диссертации доложены и одобрены: на 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона, 9–14 сентября 2001 г. (г. Москва); на 2-ой Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон – пути развития» (Москва, 2005 г.); на Международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В. Н. Байкова, 4–5 апреля 2012 г. (г. Москва, МГСУ); на семинаре кафедры «Строительные конструкции и материалы» Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» (г. Орел, 2012 г.); на расширенном семинаре кафедры «Уникальные здания и сооружения» и кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Юго-западного государственного университета (г. Курск, 2013 г.); на кафедре «Строительные конструкции, здания и сооружения» (Московский государственный университет путей сообщений (МИИТ) (г. Москва, 2013 г.).
Внедрение результатов исследования в практику проектирования и строительства.
Результаты проведенных исследований использованы:
- институтом ОАО «НИЦ «Строительство» к использованию при актуализации нормативных документов (СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения);
- институтом «НИИКВОВ» при проектировании железобетонного плитно-балочного покрытия размером в плане 60*60 м. для резервуаров линейных очистных сооружений прибрежного кластера Олимпийских объектов г. Сочи;
- ООО «Инфорспроект» при вариантном проектировании сборно-монолитных трибун стадиона «Зенит» в г. Санкт-Петербурге;
- ООО «Транспроект» при конструктивном расчете главных балок трибун трассы «Формулы 1» в г. Сочи;
- институтом «Проекттранстрой» при проектировании, реконструкции и усилении железобетонных конструктивных систем транспортных зданий и сооружений,в их числе: ППС Осенцы, ППВ на станциях Трудовая и Березники-Сортировочная и другие объекты.
- Орловским академическим центром РААСН при проектировании и реконструкции ряда жилых и гражданских зданий для строительства в городах Орел, Брянск, Курск.
Результаты исследований используются в учебном процессе Московского государственного университета путей сообщений (МИИТ, г. Москва) на кафедре «Строительные конструкции, здания и сооружения»; Юго-западного государственного университета (г. Курск) на кафедре «Уникальные здания и сооружения» и кафедре «Промышленное и гражданское строительство»; Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орел) на кафедре «Строительные конструкции и материалы», при изучении дисциплин: «Железобетонные и каменные конструкции», «Усиление и замена конструктивных элементов при реконструкции», «Обследование и испытания зданий и сооружений».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 36 публикаций в изданиях по Перечню ВАК и одна монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, включает 431 страницу основного машинописного текста, 105 рисунков, 20 таблиц, списка литературы из 310 наименований.
Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009–2013 годы по темам "Исследования закономерностей неравновесных процессов и статико-динамического деформирования пространственных конструктивных систем и развитие на этой основе теории живучести энерго-, ресурсоэффективных зданий и сооружений" и "Развитие теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений на основе физических моделей сопротивления железобетона при статико-динамическом нагружении" (соглашение №14.В37.21.0292 и № 14.В37.21.1958).
Анализ основных методик расчета железобетонных конструкций по наклонным сечениям
Перед разрушением на графике зависимости прогиба в опытной конструкции третьей серии БС - III - 2,7 — 100—010—(п2) от нагрузки в кН х 10" (рис. 2.20) также имеет место скачок, характеризующий переход при смене условий равновесия.
Разрушение произошло через ступень после образования этого скачка. Таким образом скачок на графиках (рис. 2.20) «нагрузка-прогиб» наиболее точно характеризует момент начала разрушения в железобетонной составной конструкции при образовании трещины в шве между бетонами.
Разрушение образцов третьей серии произошло на четырнадцатой ступени. При этом на характер разрушения оказали влияние трещина, идущая вдоль шва между бетонами рис. 2.21. Этот вид разрушения следует выделить в отдельный случай, - разрушение по наклонным сечениям от потери сцепления в шве между бетонами, которое характерно для больших пролетов «среза».
Разрушение образцов первой серии произошло на XV ступени от среза с раздавливанием бетона над опасной косой трещиной (рис. 2.21). При этом на четырнадцатой ступени образовались трещины вдоль шва между бетонами. Их развитие шло от торцов составной конструкции, однако до зоны разрушения на пятнадцатой ступени эти трещины не дошли.
Получены экспериментальные данные следующих основных параметров: ширины раскрытия трещин на уровне оси продольной и поперечной растянутой арматуры и в нескольких уровнях над растянутой арматурой (асгс вдоль всего профиля трещины); изменения расстояния между трещинами 1сгс (функционального и уровневого) и длины трещин hm по мере увеличения нагрузки (с выявлением многоуровневого процесса образования трещин), средних деформаций продольной и поперечной арматуры в трещине и между трещинами с учетом эффекта нарушения сплошности, несовместных деформаций бетона и арматуры, условного сосредоточенного сдвига в швах, фибровых деформаций сжатого бетона, высоты сжатой зоны бетона, при варьировании разных пролетов «среза», диаметра и шага хомутов
Таким образом, полученные экспериментальные данные в значительной мере дополняют накопленный экспериментальный материал и предоставляют возможность проверки предлагаемого расчетного аппарата по уточненному определению ширины раскрытия трещин с учетом эффекта нарушения сплошности, несовместных деформаций бетона и арматуры, условного сосредоточенного сдвига в швах и ее анализа на различных стадиях нагружения с проверкой предлагаемых расчетных зависимостей по эффективному проектированию железобетонных составных конструкций.
Оценка интенсивности коррозии металлической арматуры в цементно-полимерных керамзитобетонах со смолой №89 в зависимости от водоцементного отношения, количества смол, концентрации хлор-ионов в бетоне, температуры и влажности бетона имеет серьезное значение для прогнозирования долговечности разработанных вентилируемых ограждающих конструкций.
Перед установкой в эксикаторы в соответствии с известными изотермами образцы насыщали влагой до необходимой весовой влажности и выдерживали в полиэтиленовых мешках около 120 ч. Образцы в эксикаторах с относительной влажностью воздуха 30, 40, 50, 60, 70 и 80 % выдерживали в течение 365±5 суток при температуре 21+2 и 40±3С. Образцы, установленные в производственных условиях, влагой не насыщали и выдерживали в течение 23 месяцев. В момент извлечения образцов из эксикаторов и производственных сред определяли весовую влажность бетона каждого образца. Степень коррозии каждого стержня определяли по массе про корродировавшего металла взвешиванием с точностью до 0,0001 г до заформовки и после протравления извлеченных из образцов стержней. Стержни травили в 10 %-ном растворе соляной кислоты с добавкой 1 % гексаметилентетрамина. По разности показателей коррозии стержней - до установки в эксикаторы и после извлечения из них проводили обработку результатов эксперимента. Определяли также кубиковую прочность выбранных составов бетона. Описанная методика по сравнению с традиционной позволила повысить однородность результатов ив 1,5-2 раза сократить время эксперимента вследствие искусственного обеспечения равновесной влажности бетона с окружающей средой. 40 50 60 70 80
Интенсивность коррозии арматуры в цементно-полимерных керамзитобетонах в зависимости от относительной влажности воздуха: 19-21 — номера составов при температуре 21±2С; 19 -21 - номера составов при температуре 40±3С Во всех исследуемых составах интенсивность коррозии резко падает при 40—30%-ной относительной влажности воздуха. В составах без добавок критическая влажность бетона соответствует 40—50%-ной относительной влажности окружающего воздуха. Характер изменения интенсивности коррозии показывает, что при наличии добавок критическая относительная влажность будет в пределах 30-45% при температуре 21+2С и 15-35% при температуре 40+3 С .
Начало интенсивной коррозии металла при влажности бетона, соответствующей 25-30 % относительной влажности воздуха, объясняется достижением толщины молекулярных слоев адсорбированной влаги такой степени, когда часть влаги приобретает необходимые свойства для образования микрогальванических пар на поверхности металла. Нижняя граница критической влажности воздуха практически не зависит от температуры. Это, очевидно, объясняется незначительным влиянием
Интенсивность коррозии арматуры в цементно-полимерных керамзитобетонах в зависимости от влажности материала: 19-21 - номера составов при температуре 21±2С; 19 -21 - номера составов при температуре 49±3С температуры на сорбционные свойства исследуемых материалов при невысокой относительной влажности воздуха. Интенсивность коррозии с повышением температуры возрастает тем больше, чем выше влажность бетона. Зависимость степени коррозии от относительной влажности воздуха носит ярко выраженный нелинейный характер (рис. 2.22). Зависимость, же от весовой влажности бетона более близка к линейной (рис. 2.23). Очевидно, что в исследуемой области с повышением влажности бетона происходило пропорциональное увеличение количества микрогальванических пар по поверхности стержня и продукты коррозии не оказывали существенного тормозящего влияния. Ярко выраженная нелинейность зависимости коррозии от относительной влажности воздуха объясняется характером изотерм сорбции.
Натурные испытания составных плитно — балочных и распорных конструкций перекрытий в реконструируемом здании общежития под учебный корпус МИИТа
Расчет по образованию трещин железобетонных составных конструкций безусловно имеет свои особенности (в первую очередь при наличии коррозии арматуры, - см. Приложение П 1.4)), по сравнению с расчетом обычных железобетонных конструкций, однако его отличие от эксперимента не столь значительно, чем оценка ширины раскрытия трещин и прогибов таких конструкций. Поэтому эти особенности могут быть учтены с помощью соответствующих коэффициентов условий роботы [31] без пересмотра расчетной модели предложенной в нормах [51, 52].
Тем не менее, автор счел возможным предложить методику, альтернативую нормативной, которая позволяет с единых методологических позиций оценивать напряженно—деформированное состояние железобетонных составных конструкций, в том числе и при образовании трещин. Суть ее заключается в том, что в ней до появления трещин используются те же параметры напряженно — деформированного состояния, что и после появления трещин (приведенные в Приложении П. 1.1), но вместо коэффициента y/s, учитывающего сопротивление растянутого бетона между трещинами, привлекается коэффициент у/ат, введенный в теорию железобетона проф.
Неоспоримое преимущество предлагаемой методики в том, что при появлении трещин, исключается скачок в основной функциональной зависимости «момент - кривизна», необходимой для описания напряженно -деформированного состояния железобетонных составных конструкций.
Определение параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций для оценки раскрытия наклонных трещин третьего типа
Задача построения расчетного аппарата по образование и раскрытию наклонных трещин в железобетонных конструкциях весьма сложная уже потому, что основная гипотеза механики твердого деформируемого тела (гипотеза сплошности), здесь неприменима, - сплошность нарушается наличием макротрещин. Использование упрощенных подходов здесь также невозможно так, как допускаемая при этом погрешность превышает саму отыскиваемую характеристику асгс, измеряемую в опытах с помощью микроскопа.
Поэтому до настоящего времени задача не имеет удовлетворительного решения. Однако, несмотря на полярность мнений, найдены и точки их соприкосновения. Так, общепризнано, что расчетные зависимости должны иметь инженерно-обозримый вид, четкий физический смысл, позволяющий более эффективно и творчески использовать их в инженерной практике, которая требуют решения далеко не тривиальных задач прикладного характера. С другой стороны, вряд ли следует прибегать к слишком категоричным формулировкам, например, при полном отрицании использования интегро-дифференциальных уравнений, приводящих, как правило, к инженерно-необозримым результатам. Это происходит лишь в случае формализованных приближенных решений таких уравнений. Здесь важно выйти на уровень их аналитической разрешимости, тогда могут быть получены весьма изящные решения.
Образование трещин в железобетоне приводит к нарушению его сплошности, поэтому использование здесь зависимостей механики твердого деформируемого тела вызывает целый ряд затруднений. Для успешного исследования напряженно-деформированного состояния в окрестностях трещин и анализа его влияния на прочность и жесткость железобетонных конструкций, наряду с привлечением исходных положений механики разрушения (активно развивающейся в последние годы применительно к железобетону[66]), необходимо располагать четкой классификацией трещин, а также неискаженными результатами экспериментов.
В работе [80] предложена классификация трещин, в соответствии с которой в железобетонных изгибаемых элементах в зависимости от внешних силовых воздействий образуются трещины трех типов: нормальные к продольной оси элемента, пересекающие продольную и поперечную арматуру; образуются на участках, где M Mcrc, a Q Qcrc; наклонные к продольной оси элемента, пересекающие продольную и поперечную арматуру; образуются на участках, где М МСГС и Q Qcrc; наклонные к продольной оси элемента, пересекающие поперечную арматуру, образуются на участках, где М Мсгс и Q Qcrc. Здесь Мсгс и Qcrc — изгибающий момент и поперечная сила, отвечающие исчерпанию сопротивления поперечных сечений, образованию трещин, соответственно нормальных (со стороны растянутой грани) и наклонных (на уровне нейтральной оси); М и Q — максимальные значения изгибающего момента и поперечной силы на рассматриваемом участке.
Данная классификация позволяет выявить условия образования трещин, выделить участки (по длине элемента), на которых возможно образование того или иного типа трещин, и вносит уточнения в постановку исследований и определение круга решаемых задач.
Анализ приопорных трещин и трещин, прилегающих к сосредоточенной нагрузке с выявлением веера наклонных трещин, прилегающих к сосредоточенной нагрузке и веера возможных наклонных трещин, прилегающих к опоре, позволяет выявить расчетную схему [112] для определения сы{х) в верхней зоне железобетонной конструкции, приведенную
Теория расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям второй группы
Из уравнения (3.162) определяется проекция наклонной трещины третьего типа, ширина раскрытия которой имеет максимально возможное значение
Алгоритм расчета (алгоритм «Стержень») предполагает итерационный процесс и сводится к следующему: 1. В первом приближении принимаем хв 2 = 0,3/?0; qm = ——" " , или JS , = 0,&RS при наличии обрывов продольной арматуры с2 = h0. 2. На второй итерации, по формулам (3. 158)—(3.160), (3.162) уточняем значения хв 2, qm , т5 3, с2, принимая в этих формулах неизвестные параметры из первого приближения. При этом обязательно учитываются введенные в этих формулах ограничения. 3. На третьей итерации по формулам (3.158)—(3.160), (3.162) уточняем значения хВ2, qm, as%, с2, принимая в этих формулах неизвестные параметры в виде средних значений между первой и второй итерацией. При этом обязательно учитываются введенные в этих формулах ограничения. Итерационный процесс продолжается до достижения заданной точности вычислений. Обычно, для практических расчетов достаточно три -пять - шесть итераций.
Накопленный опыт численных исследований позволяет дать четкие рекомендации по диапазонам (коридорам) изменения отыскиваемых параметров, которые можно представить в виде неравенств:
Предложенный алгоритм позволяет сохранить физический смысл и инженерную обозримость вычисляемых параметров и исключить трудоемкую алгебраизацию формул, как правило, приводящую к множеству ошибок.
Таким образом, предложена расчетная схема и разрешающие уравнения для решения задачи определение параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций при раскрытии наклонных трещин третьего типа.
Железобетонные конструкции, как правило, эксплуатируются в стадии, наступающей после образования трещин, ограничивается лишь ширина их раскрытия. Привлечение к расчету расстояния между трещинами и ширины раскрытия трещин железобетонных конструкций инструментария механики разрушения, безусловно, позволяет достичь заметного уточнения этого дифференциального параметра, измеряемого в опытах с помощью микроскопа.
Уже сегодня анализ двухконсольного элемента, используемого в механике разрушения, может принести свои положительные результаты в расчете расстояния между трещинами и ширины раскрытия трещин в составных железобетонных внецентренно сжатых и изгибаемых конструкциях [66, 139, 250].
Для составных внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций характерным является то, что в стадии II трещины практически сразу (так как в зоне растягивающих напряжения - развитие трещин неустойчиво) развиваются до нейтральной оси, а затем (попав в зону тормозящих сжимающих напряжений) медленно прорастают лишь на несколько миллиметров. В этом случае длину трещины hm можно рассматривать как величину постоянную — изменяется лишь раскрытие трещин. Тогда в вырезанном двухконсольном элементе параметр hac является неизменным и появляется возможность упрощенного определения сдвигающих усилий в зонах, прилегающих к трещине — без использования функционала механики разрушения, рассмотренного применительно к железобетону. Здесь можно обойтись использованием обычных методов строительной механики.
В основу расчета положены следующие основные предпосылки: для средних деформаций бетона и арматуры в сечении 1-1 (рис. 3.14) считается справедливой гипотеза плоских сечений в пределах каждого из стержней, образующих составной железобетонный стержень; напряжения в бетоне и арматуре определяются с использованием билинейных диаграмм связей а-є; образование трещин происходит после достижения растянутыми волокнами бетона вдоль оси поперечной (продольной) арматуры предельных деформаций; в процессе нагружения выделяется несколько уровней трещино-образования; Здесь Ss - периметр поперечного сечения арматуры; ss - деформации арматуры в трещине; AT — результирующая условных касательных напряжений в местной зоне, прилегающей к трещине [66, 139, 250]]; т(х) - условные касательные напряжения.
Характер эпюры Є ХУ) выполненный с привлечением опытов других авторов показывает, что при определенной величине нагрузки деформации на участках, примыкающих к трещинам, начинают уменьшаться и даже меняют знак, деформации же в середине участка между трещинами продолжают увеличиваться до тех пор, пока в этом месте не появляется новая трещина. Анализ характера эпюры ы(х) показывает необходимость (рис. 3.16) учета деформационного воздействия в трещине [66].
Слоистые конструкции для зданий и сооружений с агрессивными средами
В предыдущих разделах уже показано, что при строительстве производственных зданий с влажным и мокрым режимом эксплуатации и при наличии агрессивных сред все более широкое применение находят различные вентилируемые системы ограждающих конструкций. Вентилирование осуществляется наружным или иным специальным подготовленным воздухом по каналам, слоям крупнопористых материалов, зазорам между слоями конструкций. Одним из эффективных способов обеспечения требуемой влажности материала основной ограждающей части стены является вентилирование через воздушную прослойку, расположенную на ее внутренней поверхности. При этом экран из сборных железобетонных плит толщиной до 60 мм устанавливается на относе от основных стен. Такая конструкция целесообразна при реконструкции зданий.
В результате патентного поиска (см., например, заявку ФРГ №2520441, кл. Е04В 1/64 за 1979 г.) выявлена ограждающая конструкция, вентилирование которой осуществляется внутренним воздухом через воздушную полость и через перфорации в соединительных элементах внутреннего слоя из условия коррозионной сохранности арматуры.
Однако в условиях ППС это ограждение будет иметь небольшую долговечность из-за невозможности обеспечения требуемой влажности бетона внутреннего слоя. Для рассматриваемых условий эксплуатации ограждающих конструкций более приемлемым является известное из литературы стеновое ограждение зданий с влажным режимом эксплуатации, включающее несущий внутренний слой из цементного бетона, теплоизоляционный вентилируемый слой из крупнопористого керамзитобетона с большим коэффициентом воздухопроницаемости, конструкционно-теплоизоляционный наружный слой, вентилируемый наружным воздухом через вентиляционные отверстия -трубки в горизонтальних швах, поры крупнопористого керамзитобетона. Через полость под парапетом воздух удаляется наружу. Недостатками этого технического решения является уменьшение слоя утеплителя и накопление влаги в матери але стены в результате конденсации водяных паров в зимнее время. В известных вентилируемых ограждающих конструкциях не обеспечивается коррозионная сохранность арматуры.
Автором совместно с другими исследованиями [2] разработано вентилируемое стеновое ограждение зданий (авторское свидетельство на изобретение № 1129304) с влажным режимом эксплуатации, учитывающее заметные перепады температур, характерны для климатических условий России. Варианты стеновых ограждений (рис. 5.12, 5.13) включают внутренний слой с приточными и вытяжными вентиляционными отверстиями, теплоизоляционно-вентилируемый слой из крупнопористого керамзитобетона и конструкционно-теплоизоляционный наружный слой. Стеновые панели вертикальной разрезки имеют также продольные и поперечные несущие ребра, где размещена рабочая обычная и преднапреженная арматура. Нижними консолями продольных ребер 7 панели устанавливаются в фундаменты стаканного типа, а верхние консоли 8 служат для бессварочного соединения с соответствующими плитами «на пролет». Вентилирование осуществляется через продольные, поперечные и стыковые каналы и через поры крупнопористого керамзитобетона. Панели, используемые для устройства наружных стен в суровых климатических условиях, должны иметь слой из эффективного теплоизолирующего материала 12 (рис. 5.13). Для несущих ребер наружного и внутреннего слоев целесообразно применять легкие конструкционные керамзитобетоны классов В20-В25 на цементном или цементно-полимерном связующем [238 и др.]. Для теплоизоляционно-вентилируемого слоя следует применять керамзито-полимербетон В3,5 с объемной массой 350-400 кг/м и коэффициентом внутреннем слое стены. Многие исследователи, как уже было отмечено, указывают, что наиболее надежным способом предотвращения коррозии арматуры железобетонных конструкций является обеспечение такой влажности бетона, при которой исключается возможность образования микрогальванических пар на поверхности металла. Однако широкого практического применения этот способ защиты от коррозии не нашел из-за необходимости установки в обычных производственных зданиях оборудования для подготовки и подачи воздуха, ненужного для основного технологического процесса.
В условиях ППС некоторая часть воздуха из проточной отопительно-вентиляционной системы направляется в помещение через вентилируемый слой ограждающих конструкций. Таким образом, необходимость в дополнительном оборудовании отпадает и повышение долговечности достигается за счет обеспечения такой влажности бетона, при которой исключается коррозия арматуры внутренним вентилированием ограждающих конструкций специально подготовленным воздухом.
В одном из вариантов здания ППВ нового типа средней производительности основная производственная зона По размещается в среднем пролете здания на двух железнодорожных путях (рис. 5.14, а). Обработка грузовых вагонов осуществляется из помещений вспомогательных производств Пв с закрытых высоких платформ со стороны боковых пристроек. В этом случае исключаются интенсивные прямые воздействия брызг и струй технологических растворов на стены, покрытия и другие конструкции здания.
На втором этаже боковых пристроек располагаются химические и административно-хозяйственные службы, а также бытовые помещения Б.
В зданиях ППС средней производительности основной технологический процесс пропарки и промывки цистерн осуществляется также на двух железнодорожных путях среднего пролета (рис. 5.14, б). При этом вспомогательные производства Пв и бытовые помещения Б размещают на втором этаже боковых пристроек на высоте консольных рабочих площадок, находящихся на уровне верха наливных люков цистерн. Административно-хозяйственные службы и конторские помещения А, а также дополнительные вспомогательные производства с необходимыми складскими помещениями Пв размещены на первом этаже закрытых боковых пристроек. При такой компоновке все они надежно изолированы от вредных воздействий технологических жидкостей и горячего пара. Это обеспечивается и соответствующими конструктивными решениями внутренних стен, перекрытий и покрытия зданий. Во внутренних стенах этих зданий с учетом планов размещения административно-хозяйственных помещений, складов и цехов вспомогательных производств одинаково эффективно могут использоваться как несущие вентилируемые стеновые панели повышенной долговечности (см., например, рис. 5.12 и 5.13), так и несущие коррози-онностойкие сплошные конструкции всех трех групп. Перекрытия боковых пристроек должны выполняться также с использованием коррозионно-стойких плит и балок на основе полимерных и полимерцементных бетонов.
В наружных стеновых ограждениях рассматриваемых вариантов зданий наряду с традиционными решениями могут использоваться и новые конструкции повышенной долговечности с горизонтальной или вертикальной разрезкой стоек.
Высокие платформы 9 для обработки вагонов в ППВ и все лотки для сточных вод должны выполняться из высокопрочного армополимербетона в сборно-монолитном варианте. Верхний слой пола в основных производствах следует выполнять из полимерного бетона с добавками ВДП в соответствии с рекомендациями технологического регламента. В помещениях вспомогательных производств могут также использоваться полы из асфальтобетона.
