WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ЛОГУНОВА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ПРИМЕНЕНИЕ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

В МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КАРКАСАХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2012

       Работа выполнена на кафедре железобетонных конструкций федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Научный руководитель

Официальные оппоненты 

Ведущая организация 

-

-

-

-

доктор технических наук, профессор,

Митасов Валерий Михайлович

Мадатян Сергей Ашотович

доктор технических наук, профессор,

НИИЖБ,  заведующий  лабораторией арматуры

Плевков Василий Сергеевич

доктор технических наук, профессор, ТГАСУ, профессор кафедры ЖБК

Сибирский зональный научно-исследовательский и проектный институт, г. Новосибирск

Защита состоится «27» ноября 2012 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.01 в ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» по адресу:

630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, ауд. 239

Факс: (383) 266-55-05; e-mail: sovet@sibstrin.ru

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Автореферат разослан « 29 » сентября 2012 года

Ученый секретарь  В.Г. Себешев

диссертационного совета

к.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

       

Актуальность темы. В настоящее время в Российской Федерации увеличивается объем каркасного монолитного домостроения. Дальнейший рост его в Сибирском регионе сдерживается повышенной трудоемкостью работ, связанной с климатическими особенностями территории. Для крупных мегаполисов, таких как Новосибирск, необратимым становится увеличение этажности жилых и гражданских зданий, что выдвигает повышенные требования к надежности и долговечности таких зданий. Объем строительства жилья ежегодно растет и стремится достигнуть известного международного стандарта – строительства 1 м2 в год на 1 жителя города. Показатель годового объема монолитного домостроения в пересчете на одного жителя составляет 0,8…2 м3 за рубежом и 0,2 м3 – в России. Такая тенденция обуславливает необходимость высокотехнологичного и экономичного проектирования с одновременной возможностью гибкого изменения объемно-планировочных решений при строительстве и реконструкции зданий. Традиционные технологии часто не выдерживают конкуренции из-за трудоемкости возведения монолитных зданий в Сибири – либо растет себестоимость, либо снижается качество работ.

       Важнейшим аспектом продвижения на рынок монолитных каркасных зданий из железобетона являются исследования, как в области формообразования, так и в области совершенствования методики расчета.

Методики расчета таких зданий интенсивно развиваются. Благодаря возросшим вычислительным мощностям ЭВМ часть современных программных комплексов уже позволяет учесть специфику последовательности возведения здания, физическую и геометрическую нелинейности, включая реологические свойства материалов и грунтов основания. Однако учет физической и геометрической нелинейности, а также существенной неоднородности бетона, дискретного армирования и дискретного трещинообразования растянутой зоны не всегда позволяет получить результат расчета с помощью современных программных средств, адекватный физическому состоянию.

На кафедре железобетонных конструкций НГАСУ (Сибстрин) разработаны основные положения энергетической теории сопротивления железобетона и создан аппарат сквозного расчета железобетонных элементов. Эти исследования позволили выдвинуть ряд новых предложений, касающихся перераспределения усилий в элементах монолитного железобетонного каркаса в зависимости от характера и места приложения нагрузки, а также позволяющих существенно повысить жесткость и трещиностойкость железобетонных конструктивных систем.

С 01.07.2010 вступил в силу Федеральный закон №384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», содержащий требование об учете в расчетных моделях зданий возможных отклонений геометрических параметров от их номинальных значений. Между тем ни в нормативных документах, ни в работах исследователей РФ не разработаны методики учета в расчетных моделях железобетонных монолитных зданий возможных геометрических отклонений, а в методиках расчета отдельных элементов влияние геометрических несовершенств учитывается весьма приближенно. В работах как российских, так и зарубежных исследователей, посвященных мониторингу зданий, отмечается существенное влияние отклонений на напряженно-деформированное состояние зданий. Бороться с этим фактором можно не только расчетными, но и конструктивными мерами. В настоящей работе предлагается решение ряда вышеобозначенных задач новыми методами, позволяющими в значительной степени уменьшить начальные поэтажные горизонтальные отклонения колонн при возведении, снизить материалоемкость каркасной системы и увеличить скорость возведения. Это повысит актуальность применения  железобетонных монолитных каркасов при строительстве многоэтажных зданий. Экспериментальным и теоретическим исследованиям деформирования элементов монолитного каркаса с учетом новых конструктивно-расчетных предложений посвящена настоящая работа.

Целью диссертационного исследования является разработка новой конструктивной формы - железобетонного безригельного каркаса с использованием формообразующего остова и внутренних обойм в вертикальных элементах.

       Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

  1. разработать общий подход (концепцию) к применению формообразующего металлического остова в элементах конструктивной системы безригельного (ригельного) монолитного каркаса многоэтажных зданий;
  2. провести физический эксперимент для оценки эффективности применения формообразующего остова в качестве жесткой арматуры и внутренней обоймы колонн;
  3. сравнить результаты численного моделирования вариантов узлов сопряжения колонны, содержащей металлический остов, с плитой перекрытия;
  4. оценить влияние формообразующего каркаса на узел сопряжения колонн с монолитным перекрытием;
  5. определить предельные деформации элементов с внутренней обоймой;
  6. определить влияние формообразующего каркаса на точность возведения монолитных многоэтажных зданий;
  7. сделать предложение по замене линейных пластических шарниров заранее организованными трещинами в методе расчета по предельному равновесию;
  8. разработать инженерную методику расчета железобетонных элементов с внутренней обоймой.

Объектом исследования являются элементы каркасных монолитных железобетонных зданий с применением формообразующего остова [9].

Предмет исследования – особенности напряженно-деформированного состояния формообразующего каркаса и его элементов.

Методологической, теоретической и эмпирической базой послужили труды отечественных и зарубежных авторов, изучающих особенности деформирования каркасных зданий, а также результаты исследований, проводимых на кафедре железобетонных конструкций НГАСУ (Сибстрин).

Научная новизна диссертационной работы

  1. Разработана  новая конструктивная система железобетонного каркаса [9], в котором жесткая арматура колонн выполняет роль формообразующего остова, одновременно являясь внутренней обоймой.
  2. Доказано, что внутренняя обойма в железобетонных колоннах увеличивает максимальные деформации перед разрушением по сравнению с колоннами без обоймы.
  3. Предложенная конструктивная система позволяет использовать в железобетонных колоннах арматуру класса А600С с ее расчетным сопротивлением.
  4. Применение разработанного каркаса практически полностью исключает вероятность возникновения дополнительных усилий в элементах каркаса, связанных с геометрическими несовершенствами колонн, возникающими на стадии возведения.
  5. Доказано, что использование организованных трещин в изгибаемых бетонных и железобетонных элементах повышает жесткость и трещиностойкость конструкции.
  6. Предложены варианты ориентации организованных трещин для неразрезных плит в безригельном каркасе.

Практическая ценность работы

  1. Разработанная каркасная система повысит качество возведения многоэтажных монолитных каркасных зданий и позволит снизить общий расход стали по сравнению с известными аналогами.
  2. Установлено, что применение формообразующего металлического каркаса в монолитных зданиях позволяет существенно снизить начальные горизонтальные отклонения колонн в стадии возведения.
  3. Предложена инженерная методика расчета железобетонных элементов с внутренней обоймой.
  4. Предельные деформации сжатых элементов с внутренней обоймой позволяют рекомендовать применение арматурной стали А500С, А600С в таких конструкциях с повышенным значением величины расчетного сопротивления.

Достоверность результатов обусловлена:

  1. использованием фактических экспериментальных данных как основы для предлагаемых теоретических положений;
  2. использованием физически адекватных гипотез и методик расчета монолитных железобетонных каркасных зданий.

На защиту выносятся:

  1. новый принцип формообразования конструктивной системы сталежелезобетонного монолитного каркаса с применением металлического остова [9];
  2. результаты численного анализа моделей узлов сопряжения колонны, содержащей металлический остов, с плитой перекрытия;
  3. инженерная методика расчета сжатых элементов с внутренней обоймой с анализом эффекта по несущей способности;
  4. результаты физического эксперимента по исследованию деформирования сжатых элементов с различными вариантами косвенного армирования, обеспечивающими эффект внутренней обоймы;
  5. результаты физического эксперимента по исследованию деформирования модели каркаса с внутренней обоймой;
  6. результаты физического эксперимента по исследованию деформирования модели каркаса с заранее организованными трещинами;
  7. возможность использования в железобетонных колоннах арматуры А600С с ее расчетным сопротивлением;
  8. снижение расхода стали в связи с отсутствием дополнительных усилий в элементах каркаса, связанных с геометрическими несовершенствами колонн, возникающими на стадии возведения.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные положения диссертационной  работы были  представлены на III Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск, 6-8 апреля 2010 г.), на Восьмой всеукраинской научно-технической конференции "Строительство в сейсмических районах Украины" (г. Ялта, 14-17 сентября 2010 г.), на IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве» (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин) 5-7 апреля 2011 г.), на Международном молодежном инновационном форуме «ИНТЕРРА-2011» (г. Новосибирск, площадка НГАСУ (Сибстрин) 22-24 сентября 2011 г.), на региональной конференции «Градостроительство и сейсмобезопасность» (выставка «Стройсиб-2011» г. Новосибирск), на III-м Международном симпозиуме «Проблемы современного бетона и железобетона» (г. Минск, 9-11 ноября 2011 г.), на II Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (г. Тамбов, 27 сентября 2011 г.), на V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин) 10-12 апреля 2012 г.), на Международной научно-методической конференции «Железобетонные конструкции: исследования, проектирование, методика преподавания» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 4-5 апреля 2012 г.), на Научно-практической конференции «Практика применения современных железобетонных конструкций в гражданском строительстве» (г. Новосибирск, выставка «СТРОЙСИБ-2012», 1 февраля 2012 г.).  На V Сибирской венчурной ярмарке 9-10 июня 2011 г. представлен проект «Сталежелезобетонный каркас зданий», на выставке «СТРОЙСИБ-2012» на площадке НГАСУ (Сибстрин) 31 января- 3 февраля 2012г. представлен экспонат «Сталежелезобетонный каркас зданий».

В 2011-2012 гг. получен муниципальный грант мэрии г. Новосибирска за научную работу по теме «Сборно-монолитный сталежелезобетонный каркас для жилищного и гражданского строительства»;

-грант по теме:  «Прочность и устойчивость сжатых бетонных элементов с внутренней обоймой» (п. 2.3.13 темплана НИР РААСН).

Каркас использован при опытном проектировании и строительстве 12-этажного жилого дома по ул. Урицкого, 19 в г. Новосибирске, а также при проектировании здания Центра коллективного пользования УК «Биотехнопарк» в РП «Кольцово» Новосибирской области.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, 4 из них в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 1 патент.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии; в совместных публикациях от 33% до 50% результатов исследований принадлежит автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 148 наименований, и содержит 169 страниц, в том числе 87 рисунков, 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

       Во введении обосновывается актуальность темы, поставлена цель и сформулированы задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика работы.

       В первой главе проведен анализ существующих типов каркасных систем. В прошлом основное строительство выполнялось в сборных железобетонных конструкциях, однако жилые здания строили преимущественно в кирпичном и панельном исполнении. Сборные железобетонные каркасы применяли в гражданском строительстве – это, прежде всего, серия ИИ-04 и 1.020. Монолитные каркасные здания, возводимые в настоящее время, имеют, как правило, сетку колонн (колонн-диафрагм) аналогичную вариантам сборного домостроения, либо стандартную 6х6, 6х7,2, 6х9 и т.п. В главе приведены исследования различных авторов в области применения жесткой арматуры в сжатых элементах, а также уголковых обойм, широко используемых для усиления. В текущий период наиболее распространенными каркасными зданиями для жилищного строительства являются каркасы «Куб-2,5», «Чебоксарская серия» и «Сочи», которые относят к сборно-монолитным.

       В сжатых элементах достаточно широко используется косвенная арматура в виде сеток и спиралей, которая повышает устойчивость вертикального сжатого элемента к продольному растрескиванию и тем самым повышает его несущую способность и позволяет применять арматуру с большим расчетным сопротивлением сжатию.

       В 1902 году А. Консидер испытал на осевое сжатие бетонные образцы, находящиеся под действием бокового гидростатического давления. Им было предложено поперечное (косвенное) армирование бетона и проведены первые испытания бетонных цилиндров в спиральной обойме. В исследованиях К. Баха, Ф. Рихарда, А. Брандцаега, Р. Брауна, Р. Залигера, О. Графа, В. Вейбулла, Ф.Е. Гитмана, Г.А. Гамбарова, А.С. Курылло, В.Н. Карпинского и многих других ученых было установлено, что на эффективность работы спирали влияют различные факторы: прочность бетона, его состав и консистенция, диаметр и класс спиральной арматуры, расстояние между витками спирали.

       В работе В.П. Некрасова выделены два случая разрушения сеточно армированных элементов. Исследования С.М. Крылова, Н.Н. Коровина, А.П. Васильева легли в основу  рекомендаций по расчету и конструированию сеточно армированных концевых участков колонн.

       В этой области известны работы A.П. Васильева, Н.Г. Маткова,  B.И. Довгалюка, Ю.Н. Карнета, Б.Я. Рискинда, Г.И. Шорниковой, Н.А. Котловой  и других исследователей.

       Совершенствование общих физических моделей деформирования железобетона с трещинами и развитие на их основе методов расчета железобетонных конструкций рассматривались В.М. Бондаренко, А.А. Гвоздевым, Г.А. Гениевым, С.А. Дмитриевым, Н.И. Карпенко, С.М. Крыловым, О.Г. Кумпяком, С.А. Мадатяном, В.М. Митасовым,  В.И. Мурашевым, Т.А. Мухамедиевым, Я.М. Немировским, В.С. Плевковым и др.

В конце первой главы приводится основная характеристика предлагаемого в настоящей работе сталежелезобетонного каркаса (рис. 1), отличающегося от прочих аналогов тем, что при его разработке использован новый принцип формообразования. Металлический остов, являющийся основой формообразующего каркаса, представляет собой жесткую арматуру в теле колонн, одновременно выполняющей функции внутренней обоймы. Фактически этот каркас возводится в два этапа (по аналогии со сборно-монолитным возведением здания). На первом этапе монтируется формообразующий стальной остов, собираемый из уголков 50х5 мм; он образует форму каркаса будущего здания. Горизонтальные обвязочные элементы играют двойную роль – на первом этапе возведения они представляют собой пространственные металлические ригели, которые на болтах объединяются с колоннами [9]. После установки дополнительной арматуры и монтажа опалубки ригели служат опорным элементом для опалубочных щитов перекрытия. Начинается возведение здания и после набора бетоном необходимой прочности, балки-ригели снимаются и переставляются на вновь монтируемые участки.

Рис.1. Схема формообразующего каркаса со съемными ригелями

1 – колонны формообразующего каркаса; 2 – съемные ригели;

3 –опалубка; 4 – монолитная плита перекрытия;

5 – колонна после обетонирования

       В другом варианте обвязочные балки остаются в теле бетона плиты как жесткая арматура и играют роль внутренних балок. В первом случае расход стали от формообразующего каркаса на 1 м2 при ячейке 6х7,5 составляет 4,5 кг, во втором – 8 кг.

В работах Т.И. Барановой, Д.В. Артюшина и А.В. Короткова результаты экспериментальных исследований узлов монолитного ригельно-стоечного каркаса показали наличие диагональных трещин в сопряжении колонны и ригеля, с последующим раздроблением сжатого бетона колонны и срезом. Предлагаемое в настоящей работе армирование колонн стальными элементами (обоймой) обеспечит прочность и трещиностойкость таких узлов.

       Таким образом, в настоящей работе разработан вариант каркаса, в котором монолитное многоэтажное здание имеет формообразующий металлический остов, выполняющий роль жесткой арматуры и внутренней обоймы, предохраняющий от геометрических несовершенств, позволяющий использовать высокопрочную арматуру с повышенным значением прочности на сжатие.

       Во второй главе проведены теоретические исследования и представлены инженерные методы расчета деформирования железобетонных колонн с внутренней обоймой, а также расчетная модель для определения изгибающих моментов в колонне многоэтажной рамы, имеющей отклонения от проектного положения. Выполнен численный анализ моделей различных вариантов узла сопряжения колонны, содержащей внутренний металлический каркас, с плитой перекрытия (рис. 2).

В диссертации приведен вариант расчета железобетонных колонн с внутренней обоймой для случая центрального сжатия (рисунок 3а, б). В результате определяется необходимый шаг и диаметр поперечных стержней обоймы, а также требуемое сечение уголков и дополнительной стержневой арматуры при заданной нагрузке, сечении колонны и классе бетона.

Рис. 2. Модели сопряжения перекрытий и колонн с различными вариантами внутренней обоймы и распределение касательных напряжений в них

а)

  б)

Рис. 3. Колонна с внутренней обоймой

а) конструктивная схема

1 – уголки внутренней обоймы; 2 – поперечные стержни внутренней обоймы; 3 – дополнительная рабочая арматура; 4 – железобетонное ядро;

б)  расчетная схема

       С использованием вероятностного подхода в работе приведено решение задачи определения изгибающих моментов в колонне многоэтажной рамы с узлами, имеющими отклонения от проектного положения, где моменты возникают как дополнительные к вычисляемым без учета геометрических несовершенств.

При одинаковых статистических свойствах относительных поэтажных отклонений, наибольшими получаются стандарты и, следовательно, разбросы (доверительные интервалы) значений изгибающих моментов в колоннах нижних этажей [2].

Для снижения влияния геометрических несовершенств, возникающих при возведении монолитных зданий, в настоящем исследовании предлагается выполнять нижние этажи в виде сталежелезобетонного каркаса.

       Для формирования единообразного подхода к методам расчета, при проектировании плит перекрытий использован метод предельного равновесия проф. А.А. Гвоздева.

       При безусловных достоинствах метода, следует отметить факт неединственности решения. На кафедре железобетонных конструкций НГАСУ (Сибстрин) разработана энергетическая теория сопротивления железобетона (В.М. Митасов, В.В. Адищев) [7]. В рамках этой теории решена задача перехода сечения из состояния сплошного сечения к состоянию сечения с трещиной, доказано наличие динамической составляющей.

       Приняв за аналог мгновенно появившейся трещины, деформирование балки с мгновенно появившемся грузом, получаем удвоенное значение динамического прогиба по сравнению со статическим.

       В соответствии с постулатом профессора В.М. Митасова о возможности управления свойствами железобетона через организованные трещины и результатами исследований [1, 7] в области пластических шарниров в теории предельного равновесия введены организованные трещины в процессе изготовления конструкций.

Введение в систему перекрытий заранее организованных трещин позволяет получить замкнутую систему уравнений.

В диссертации приведена полученная система уравнений и пути ее решения.

       В третьей главе выполнены экспериментальные исследования.

В железобетонных балках с намеченными трещинами развитие последних происходит без скачков, то есть создается более плавный характер деформирования. С целью проверки подобного эффекта для неармированных балок был проведен модельный эксперимент, в ходе которого изготовили и испытали 4 серии бетонных балок, в каждой серии по 3 балки [1]. Размеры бетонных балок 120070140 мм, класс бетона В15.

Балки серии № 1 изготовили без организованных трещин. Балки остальных серий имели организованные трещины: варьировались их число и высота. Организованные трещины образованы установкой мягкой алюминиевой пластины толщиной 0,5 мм. В диссертации приведена методика проведения эксперимента, схемы нагружения, графики изменения деформаций в сжатой зоне и другие характеристики проведенного исследования.

По результатам испытаний построены графики изменения прогибов в зависимости от нагрузки (рис. 4). Как видно из приведенных графиков, прогибы балок с организованными трещинами в 1,5 – 3 раза меньше, чем у балок  без организованных трещин.

       

Рис. 4. Графики зависимости «прогиб-нагрузка» бетонных балок четырех серий

Для качественной оценки деформирования сопряжения колонны с внутренней обоймой и плиты разработана методика и испытаны узлы сопряжения «колонна-плита» с разными вариантами армирования (рис. 5, 6)

Рис. 5. Типы моделей для испытания сопряжения «колонна-плита»

Разрушение плиты при испытании всех четырех типов образцов произошло при близких значениях нагрузки.

В целях исследования напряженно-деформированного состояния колонны с внутренней обоймой был проведен эксперимент с железобетонными образцами в виде колонн высотой 1 м сечением 250х220 мм с внутренними обоймами разных типов (рис. 7, 8).

Рис. 6. Испытание модели узла сопряжения «колонна-плита»

Рис. 7. Испытание образцов с внутренней обоймой

       

Рис. 8. Образцы разных типов: с внутренней обоймой и без обоймы

Относительные средние продольные деформации для всех образцов показаны на рисунке 9.

Средние предельные относительные продольные деформации для образцов с обоймой на 13% - 68% выше аналогичных для образцов без обоймы, а несущая способность образцов с обоймой выше на 8-25%. Учитывая, что условия закрепления отличны от деформирования элементов в составе безбалочного железобетонного каркаса, уместно сделать прогноз, что фактические деформации и несущая способность железобетонных колонн с внутренней обоймой превысят полученные величины не менее, чем в 1,5-2 раза.

       

Рис. 9. Относительные средние продольные деформации образцов

Третий эксперимент был проведен с целью сравнения прочностных характеристик при работе на срез с изгибом бетонных и железобетонных образцов с внутренней обоймой (рис. 10). Размеры образцов 100х100х400 мм. Класс бетона В15. Разрушающая нагрузка для образцов с внутренней обоймой в 6,8 раз превысила максимальную нагрузку для бетонных образцов. В диссертации приведена методика эксперимента, основные характеристики образцов и полученные результаты.

Четвертый эксперимент – испытания модели безригельного каркаса в масштабе 1:6 , в которой колонны выполнены в двух вариантах – без внутренней обоймы и с внутренней обоймой, а в плите перекрытия в двух ячейках сделаны заранее организованные трещины. Зафиксированные прогибы плит со стохастически образующимися трещинами были больше, чем у плит с организованными трещинами на 10-45%. Сложное напряженное состояние крайних колонн привело к разрушению по наклонному сечению колонн без обоймы, колонны же с внутренней обоймой остались целыми, что свидетельствует о их повышенной надежности при работе на срез с изгибом (рис. 11, 12).

       

Рис. 10. Испытания образцов на срез с изгибом

Рис. 11. Разрушение модели 1:6

Рис. 12. Разрушение колонны

без обоймы

       

В четвертой главе представлен анализ результатов выполненных исследований, в том числе отражающих новый принцип формообразования.

В исследованиях Л.В. Енджиевского, В.Л. Игошина, В.В. Лебедева показано, что учет геометрических несовершенств при возведении монолитных железобетонных безригельных каркасов приводит к увеличению количества арматуры до 15%.

При проектировании многоэтажных зданий с использованием формообразующего остова возможные отклонения от вертикали при возведении каркаса учитывать не следует. В г. Новосибирске по ул. Урицкого возводится 12-этажный объект из монолитного железобетона, представляющий собой безригельный каркас (рис. 13).

Рис. 13. Формообразующий каркас

Нижние четыре яруса первой очереди возведены с использованием сталежелезобетонного каркаса. Остальные этажи возводились по обычной схеме. В диссертации приведены результаты геодезического мониторинга при строительстве этого здания. Отклонения верхних точек четырех нижних ярусов первой очереди от вертикали практически отсутствуют, в остальных же случаях отклонения значительны. Таким образом, применение сталежелезобетонного каркаса исключает необходимость повышения расхода стали, что при необходимой и достаточной надежности и эксплуатационной долговечности приводит к снижению его себестоимости.

Одним из видов разрушения при одноразовых динамических воздействиях является срез колонны. Проведенный эксперимент с бетонными элементами и элементами с обоймой показал, что последние выдерживают разрушающую нагрузку в 6,8 раз большую, чем бетонные. Характер разрушения бетонных элементов – хрупкий, элементов с обоймой – пластический.

       Результаты измерений деформаций, полученных при испытании образцов с разными видами обойм, подвергли статистической обработке. В диссертации приведены исходные данные из 3000 измерений, результаты аппроксимации зависимостей различными функциями, как для показаний отдельных датчиков, так и для групп измерений, сделана проверка достоверности полученных результатов с помощью  Т-критерия Стьюдента.

По данным проведенного эксперимента с достоверностью 85% средние продольные деформаций образцов с обоймой качественно превышают средние продольные деформаций образца без обоймы.

Рис. 14. Аппроксимация поперечных деформаций

образцов без обоймы

Рис. 15. Аппроксимация поперечных деформаций

образцов с обоймой

Анализ горизонтальных деформаций элементов показал, что модели с обоймой деформируются линейно на большем отрезке нагружения, чем образцы без обоймы (рисунок 14, 15). По экспериментальным точкам составлены уравнения регрессии. Для образцов без обоймы уравнение деформаций от нагрузки имеет вид:

;

для образцов с обоймой:

.

       Вычисленные по данным уравнениям точки перегиба гиперболы, означающие конец линейного деформирования, соответствуют для образцов без обоймы нагрузке 700 кН, а для образцов с обоймой 1000 кН, что на 43% больше.

       

       На основе предложенной в работе инженерной методики расчета образцов с обоймой построены зависимости несущей способности сжатого элемента от шага поперечных стержней (рис. 16) и график влияния класса бетона на эффективность применения обоймы (рис. 17). В диссертации представлены графики зависимостей эффективности внутренней обоймы от размера сечения, количества продольной арматуры и ее класса.

Рис. 16

Рис. 17

Результаты исследований внедрены в практику проектирования зданий и сооружений, в частности здания технопарка в РП «Кольцово» НСО, где применен сталежелезобетонный каркас.

Выводы и рекомендации

  1. Разработан новый принцип формообразования конструктивной системы безригельного монолитного каркаса многоэтажных зданий с использованием металлического остова в его элементах, который кроме функции жесткой арматуры выполняет роль внутренней обоймы.
  2. Анализ результатов физического эксперимента показал увеличение несущей способности колонн с внутренней обоймой по сравнению с колоннами без обоймы до 24%, что позволяет снизить класс бетона, уменьшить сечение колонн, тем самым увеличивая полезную площадь здания.
  3. Экспериментально установлено, что если металлический остов колонн проходит сквозь плиту, в узле сопряжения при условии съемных поддерживающих ригелей необходимо устанавливать дополнительные элементы, увеличивающие сопротивление продавливанию; в случае, если ригель находится внутри плиты – дополнительных элементов устанавливать не требуется.
  4. Предельные продольные деформации для образцов с обоймой по сравнению с образцами без обоймы по результатам физического эксперимента возрастают до 78%, поперечные – в 1,5-2,5 раза. Это позволяет рекомендовать применение арматурной высокопрочной стали (арматуры А600С) в сжатых элементах с внутренней обоймой с повышенным сопротивлением сжатию.
  5. Результаты физического эксперимента бетонных балок с заранее организованными трещинами позволили уточнить картину перераспределения напряжений в бетоне при полном отсутствии арматурной стали. Эти результаты, а также характер деформирования плит перекрытий безригельного каркаса физической модели и расположение образовавшихся трещин позволили выдвинуть предложения по расчету плит безригельного каркаса с заранее организованными трещинами.
  6. Применение формообразующего сталежелезобетонного каркаса повышает точность возведения монолитных многоэтажных зданий и не требует дополнительного армирования, связанного с геометрическими несовершенствами. Проведенные геодезические измерения и использование системы измерения полей деформаций на строительстве 12-этажного жилого здания в г. Новосибирске позволили подтвердить вышеизложенные выводы.
  7. Разработана инженерная методика расчета сжатых элементов с внутренней обоймой при плоском и трехмерном обжатии. В отличие от существующих методов, применен новый подход к исходным предпосылкам, позволяющий получить результат, наиболее адекватный физическому эксперименту.
  8. Проведена статистическая обработка результатов измерений в физическом эксперименте на образцах с внутренней обоймой разных типов.  Получены обобщения, позволяющие оценивать влияние внутренней обоймы на продольные и поперечные деформации и на несущую способность сжатых элементов.
  9. Испытания модели безригельного каркаса до разрушения позволили выявить характер трещинообразования в плитах перекрытий, получить сравнительные результаты деформирования узлов сопряжения «плита-колонна» для колонн с внутренней обоймой и без нее.
  10. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в практику проектирования и строительства на реальном объекте, выполнено проектирование в полном объеме здания с использованием формообразующего каркаса, который при весьма сложной стеклянной фасадной системе позволил ускорить и упростить процесс возведения за счет отсутствия геометрических несовершенств и уменьшить сечение колонн нижних этажей.

       Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

       - Издания, рекомендованные ВАК РФ:

  1. Логунова, М.А. Экспериментальные исследования бетонных балок без организованных трещин и с заранее организованными трещинами [Текст]/ М.А. Логунова, А.С. Пешков // Изв. вузов. Строительство. – 2011. – № 1. С. 116 – 120.
  2. Митасов, В.М. К вопросу учета и уменьшения влияния начальных геометрических несовершенств при возведении многоэтажных каркасных зданий [Текст]/ В.М. Митасов, В.Г. Себешев, Г.Г. Асташенков, М.А. Логунова // Изв. вузов. Строительство. – 2012. – № 2. С. 91 – 97.
  3. Пантелеев, Н.Н. К вопросу определения несущей способности железобетонных колонн с внутренней обоймой [Текст]/ Н.Н. Пантелеев, В.М. Митасов, М.А. Логунова // Изв. вузов. Строительство. – 2012. – №3. С. 105 – 110.
  4. Митасов, В.М. Конструктивные особенности и расчет железобетонных плит с заранее организованными трещинами [Текст]/ В.М. Митасов, В.Г. Себешев, М.А. Логунова // Изв. вузов. Строительство. – 2012. – № 6. С. 119 – 123.

- Сборники материалов международных конференций:

    1. Митасов, В.М. Сборно-монолитный сталежелезобетонный каркас для строительства в условиях Сибири [Текст]/ В.М. Митасов, М.А. Логунова//Актуальные проблемы науки. Ч.6. – Тамбов: ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. – С. 101 – 103.
    2. Митасов, В.М. Сборно-монолитный сталежелезобетонный каркас для жилищного и гражданского строительства [Текст]/ В.М. Митасов, М.А. Логунова//Проблемы современного бетона и железобетона. Ч.1. Бетонные и железобетонные конструкции. – Минск: Минсктиппроект, 2011. – С. 269 – 274.
    3. Митасов В.М. Трещинообразование в железобетонных конструкциях [Текст]/ В.М. Митасов, В.В. Адищев, Н.С. Пичкурова, М.А. Логунова// Железобетонные конструкции: исследования, проектирование, методика преподавания. Сборник докладов международной научно-методической конференции (4-5 апреля 2012 г. г. Москва). – М.: МГСУ, 2012. – С. 269 – 276.
    4. Митасов В.М. Сталежелезобетонный сборно-монолитный каркас [Текст]/ В.М. Митасов, Н.Н. Пантелеев, М.А. Логунова, А.А. Харитонов // Железобетонные конструкции: исследования, проектирование, методика преподавания. Сборник докладов международной научно-методической конференции (4-5 апреля 2012 г. г. Москва). – М.: МГСУ, 2012. – С. 276 – 282.

- Патенты:

    1. Пат. 112693 Российская Федерация, МПК E04B 1/16. Железобетонный каркас здания [Текст] / Митасов В.М., Пантелеев Н.Н., Аргунов Ю.К., Логунова М.А. (Россия). - №2010145365/03; заявл. 08.11.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. №2. – 2 с. : ил.
 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.