Главная » Литература » Железобетонные конструкции » Иванов - Сопряжение колонны и плиты перекрытия

Иванов - Сопряжение колонны и плиты перекрытия


Рассмотрен расчёт и конструирование узла стыка колонны и безребристого беcкапительного монолитного железобетонного перекрытия. Установлена зависимость напряжённого состояния плиты от геометрических характеристик каркаса. Даны рекомендации по использованию метода конечных элементов при определении поперечных сил в плите перекрытия. Предложен алгоритм расчёта при помощи современных инженерных инструментов.

Работа выполнении на кафедре «Технология, организация и экономика строительства» Инженерно-строительного факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Авторы выражают благодарность проф. В.В.Белову, проф. В.В.Лалину и асс. Д.С.Демичеву за помощь в выполнении работы

 

Оглавление:

1. Введение ...................................................................................................................... 4

1.1 Рекомендации по использованию результатов работы ....................................... 6

1.1 Содержание работы ................................................................................................ 6

2. Обзор литературы ....................................................................................................... 7

2.1 Основные понятия и терминология ........................................................................ 7

1.1 Основные виды конструктивных решений безребристых перекрытий................ 8

1.1 Основные виды распределительных систем......................................................... 9

1.1 Обзор САПР, применяемых для расчетов в строительстве .............................. 10

1.1 Основные нормативные документы, необходимые при проектировании ......... 13

1.2 Научные работы, проводимые в последнее время............................................. 14

1.3 Постановка задач работы ..................................................................................... 16

2. Модель сопряжения колонны и перекрытия............................................................ 16

2.1 Общая идея и цель проводимых исследований ................................................. 16

2.2 Основные направления исследований модели................................................... 17

2.3 Экспериментальная модель и метод исследования........................................... 18

2.4 Теоретическое обоснование модели ................................................................... 19

4.4.1 Основные допущения .................................................................................... 19

4.4.2 Модель деформирования приопорной зоны плиты .................................... 20

4.4.3 Постоянная составляющая эпюры материалов .......................................... 23

2.5 Определение зависимости напряжённого состояния от геометрии плиты

(расчетная задача №1)........................................................................................................... 24

3.5.1 Исходные данные .......................................................................................... 24

3.5.2 Результаты расчётов ..................................................................................... 27

3.5.3 Анализ полученных результатов .................................................................. 28

2.6 Оценка точности определения поперечных сил (расчетная задача №2) ......... 30

3.6.1 Исходные данные .......................................................................................... 30

3.6.2 Результаты расчётов ..................................................................................... 33

3.6.3 Дополнительная задача по оценке точности метода.................................. 34

3.6.4 Анализ полученных результатов .................................................................. 41

2.7 Оценка различных способов моделирования узла (расчётная задача №3)..... 42

3.7.1 Моделирования узла в комплексе SCAD ..................................................... 42

3.7.2 Моделирования узла стыка в комплексе Лира ............................................ 43

3.7.3 Анализ полученных результатов .................................................................. 45

3. Решения по конструированию распределительных систем .................................. 46

3.1 Принципы конструирования распределительных систем .................................. 46

3.2 Основные конструктивные элементы распределительных систем ................... 48

4. Экономические вопросы расчёта и конструирования............................................. 49

4.1 Стоимостные показатели каркаса здания............................................................ 49

4.2 Конструирование распределительной системы и экономика ............................ 50

5. Выводы по проведённой работе............................................................................... 51

5.1 Выводы по исследованию напряжённого состояния плиты ............................... 51

5.2 Алгоритм расчёта и конструирования беcкапительных перекрытий ................. 52

6. Заключение ................................................................................................................ 53

 

1. Введение

В настоящее время до 65% жилых и общественных зданий нашего региона строится по технологии монолитного бетонирования. Данная технология обуславливает многие особенности конструирования отдельных несущих узлов и элементов зданий. Не исключением является и конструкция с монолитными безбалочными плитами. Одной из наиболее остро стоящих проблем является расчёт и конструирование узла примыкания колонны к такому перекрытию. Техническим аспектом данной проблемы является необходимость строительства беcкапительных безбалочных плит, что связано с прокладкой инженерных коммуникаций, повышением требований заказчика по архитектурно- планировочным решениям. Научный аспект заключается в отсутствии методик расчёта узла стыка рассматриваемых элементов с учётом современных расчётных комплексов.

Конструкция безбалочных перекрытий была запатентована в США в 1902 году. Первое здание в России с такими перекрытиями было построено в Москве в 1908 году, под руководством инженера А.Ф. Лолейта [1]. Первыми инженерами, обратившими своё внимание на проблемы расчёта таких перекрытий были: Дж. Р. Николсон (1914 г.), Вестергарда и Слейтера (1925 год) [2]. У нас первые расчётные обоснования были даны в 1933 году А.А. Гвоздевым и В.И. Мурашевым [3]. Капители из конструкции стыка впервые были исключены в 1940 году Джозефом Ди Стасио. В СССР первое беcкапительное перекрытие было использовано в 60-х во Владивостоке. При разработке методики расчёта принимали участие многие инженеры, в том числе были использованы теоретические разработки В.И. Мурашева. Результаты теории и практики расчёта таких перекрытий были закреплены в 70-х нормативными документами [4] и [5]. На настоящее время эти два документа являются основными, регламентирующими расчёт беcкапительных безбалочных перекрытий. После вступления их в силу выделилось несколько направлений дальнейшего совершенствования методов расчёта. Оригинальную методику предложил проф. Карпенко Н.И [6] и [7]. Активные исследования в разные годы проводились научными школами проф. Залесова А.С. [8] и [9], проф. Рочняка О.А. [10], проф. Васильева П.И. [11]. Неоценимый вклад в развитие МКЭ в строительной механике и теории упругости, как инструмента решения проблемы, внёс Л.А. Розин. Работы в данное время продолжаются, в том числе и политехниками, такими как проф. Беловым В.В., В.В. Лалиным.

Основные принципы конструирования перекрытий с капителями были сформулированы ещё до 50-х годов ХХ века. Среди множества предложений наиболее интересной можно назвать так называемый «КУБ» (каркас унифицированный безбалочный), разработанный коллективом инженеров НИИЖБ в Москве. Однако ни одна из разработок не вышла в массовую серию. В СССР безбалочные перекрытия массово применялись только на строительстве промзданий (по [12]). При этом использовалась сборно-монолитная технология возведения. В настоящее время при развитии монолитного домостроения вопросы конструирования решаются при рабочем проектировании, единое техническое решение отсутствует. Среди вариантов исполнения стыка можно отметить конструкцию, предложенную Кукшой Л.Л., Кузнецовым В.Д., Городецкими А.С. и Д.А. Однако вопросам применения современных программных комплексов для решения таких задач, в последнее время не уделялось достаточно внимания. В настоящий момент решения упомянутой научной проблемы нет, поскольку на момент исследований указанных выше авторов задача в такой форме не ставилась.

В данной работе исследовался стык колонны и плиты монолитного безбалочного беcкапительного перекрытия. Объект исследования был представлен в виде логической модели. Инструментом исследования стал метод конечных элементов (МКЭ/FEM). В результате проведённых исследований были получены следующие результаты:

• Построен график зависимости габаритов зоны действия перерезывающих сил в приопорной зоне перекрытия от отношения шагов колонн. Зависимость имеет нелинейный характер, получено также её аналитическая форма;

• Определена переменная составляющая относительной погрешности определения указанной зависимости. Установлена погрешность определения поперечных сил, возникающая вследствие сопряжения разноразмерных конечных элементов;

• Проведён сравнительный анализ по возможным способам численного моделирования рассматриваемого узла. Построены графики зависимости поперечной силы от координаты для приопорной части плиты во всех рассмотренных случаях;

• Получены значения удельных характеристик восприятия различными конструктивными элементами поперечных сил в приопорной зоне. Рассмотрены наиболее часто встречаемые конструктивные элементы узла стыка колонны и беcкапительного перекрытия.

Результаты представляются достоверными, могут быть перенесены на сам объект исследования. Основные материалы работы были ранее опубликованы в открытой печати (см. [13], [14], [15]). По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что зависимость габаритов зоны действия перерезывающих сил в приопорной зоне перекрытия, не воспринимаемых ни бетоном, ни продольным армированием от отношения шагов колонн при конечно элементном моделировании, имеет нелинейный характер. Получены зависимости изменения исследованных параметров в аналитической форме.

2. Установлены наиболее стабильные относительно получаемого результата области эпюр поперечных сил. Они находятся в первой и последней трети половины пролёта плиты.

3. Показано, что величина ошибки определения максимальных перерезывающих сил приопорной зоны для одного из рассмотренных случаев по усложнённому алгоритму метода Шварцмана составляет достигает 10%.

4. Показано, что характер влияния стыка разноразмерных элементов (стержней и плит) на характер напряжённого состояния приопорной зоны носит локальный характер в пределах приопорной зоны плиты, но влияет на максимальную гранивую поперечную силу приопорной зоны. Это влияние находится в пределах 6,5%. При применении стыкового пучка стержневых элементов конечной жёсткости общая картина напряжённо-деформированного состояния в приопорной зоне плиты искажается незначительно. Намечены пути снижения этого влияния, что повлечёт более точное определение гранивых поперечных сил, по которым подбираются конструктивные элементы распределительных систем.

5. Показано, что влияние способа моделирования приопорной зоны конечными элементами может значительно влиять на получаемые значения поперечных сил этой зоны. Наибольшие отклонения от средних результатов, которые достигают двукратных величин, имеет случай, когда при решении с помощью комплекса SCAD на стыке колонны и перекрытия отсутствует переходная стержневая группа элементов. При том же способе моделирования узла стыка комплекс Лира выдаёт решения намного более близкие к стандартному решению SCAD (c особой переходной стержневой группой).

6. Предложен наиболее точный способ моделирования стыка колонны и перекрытия заключающийся в вводе промежуточной распределительной группы стержней в форме « пучка» с центром в точке сопряжения колонны и перекрытия. Такая группа легко может быть приспособлена к условиям применения различных направленных распределительных систем, в том числе с жёсткой арматурой.

7. Предложена методика расчёта и конструирования приопорной зоны плиты монолитного безбалочного беcкапительного перекрытия заключающаяся в подборе распределительной системы исходя из сопоставления некомпенсированной продольным армированием и бетоном части эпюры поперечной силы в приопорной зоне с эпюрами материалов типовых конструктивных решений распределительных систем. Последовательность расчета такова:

• Строится трехмерный график перерезывающих сил для одной из приопорных четвертей плиты.

• Устанавливается значение поперечных сил, воспринимаемыми бетоном плиты и продольным армированием, которое рассчитывается на восприятие изгибающих моментов.

• Проводится анализ формы некомпенсированной эпюры перерезывающих сил и подбор конструктивных элементов распределительных систем.

• Проводится конструирование узла и выполняется поверочный расчёт компенсации всей эпюры перерезывающих сил.

8. Методика расчёта и конструирования приопорной зоны плиты внедрена в ПНИПКУ « Венчур» для использования при проектировании зданий и сооружений.

Методика расчета дает возможность экономической оценки выбранной конструкции приопорной зоны перекрытия. Таким образом, изложенные в работе научно обоснованные технические разработки имеют существенное значение для экономики страны.

 

1.1 Рекомендации по использованию результатов работы

Решение задачи по совершенствованию методик расчёта и конструирования данного узла конструкции является комплексной задачей. Её можно рассматривать с точки зрения фундаментальных исследований теории сопротивления железобетона и с точки зрения решения конкретных инженерных задач с учётом имеющихся у современного инженера инструментов. Оба аспекта тесно связаны друг с другом и успех по одному направлению исследования не может быть признан без положительных результатов на другом. Иными словами, ценность законченной теоретической проработки в данной сфере без возможности её реализации в современной инженерной деятельности снижается.

Представленная работа является одним из шагов по решению указанных проблем и посвящена в основном изучению современных инженерных инструментов, с выдачей рекомендаций по их практическому использованию. Тесно привязываются к этому вопросу и технико-экономические категории. Инструментом представляемых проработок являются прикладные численные методы.

В дальнейшем планируется исследования по теоретическому обоснованию решаемых проблем. Инструментом работы в данном направлении являются натурные физические эксперименты. Работы в данном направлении также ведутся. Так, например, на кафедре строительных конструкций и материалов СПбГПУ в настоящее время обсуждаются вопросы проведения таких экспериментов и автор является активным участником этого процесса. Проведение экспериментов и направление теоретических изысканий должно быть скорректировано с учётом результатов представляемой работы. Только тогда практическая ценность таких работ будет заранее гарантирована возможность практической реализации и экономической целесообразности.

 

1.2 Содержание работы

Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 31 наименования, 5 приложений и изложена на 52 листах. В первой главе приводится резюме проведённых исследований, краткая история вопроса. Во второй - приведены основные термины и понятия, используемые в работе, рассмотрены основный виды конструктивных решений объекта исследования, выполнен обзор литературы по рассматриваемой проблеме. Так же проведен анализ программных средств используемых для расчетов в строительстве.

В третьей главе рассмотрена модель деформирования плиты монолитного безребристого беcкапительного перекрытия. Проведены три численных эксперимента по определению параметров распределения перерезывающей силы в приопорной зоне перекрытия. Выявлены величины погрешностей проводимых экспериментов, рассмотрены наиболее часто встречаемые способы моделирования узла стыка колонны и перекрытия.

В четвёртой главе рассмотрены вопросы конструирования узла в свете предлагаемой методики расчёта и конструирования беcкапительных перекрытий. Для этого рассматривались отдельные конструктивные элементы, которые встречаются в нженерной практике в настоящее время. Отдельно рассмотрены решения по направленным, ненаправленным распределительным системам, по применению в узле жёсткой арматуры.

В пятой главе рассмотрены экономические аспекты конструирования беcкапительных перекрытий. Предлагается механизм оценки эффективности проектных решений с экономической точки зрения.

В шестой главе делаются выводы о поведении напряжённо-деформированного состояния плиты при различных соотношениях шагов колонн, а также о погрешности определения поперечных сил при расчёте её методом конечных элементов. В этой же главе приводится рекомендованный алгоритм расчёта и конструирования узла примыкания колонны и перекрытия.

...


Архивариус Бизнес-планы Типовые серии Норм. документы Литература Технол. карты Программы Серии в DWG, XLS