Влияние нормальных усилий на работу статически неопределимых систем

Территория науки. 2015. № 3

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ Зулпуев А.М., Насиров М.Т., Абдыкеева Ш.С.

ВЛИЯНИЕ НОРМАЛЬНЫХ УСИЛИЙ НА РАБОТУ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ СИСТЕМ

Кызылкийский институт технологии, экономики и права Баткенского государственного университета

Ключевые слова: Метод сосредоточенных деформаций, силомерное устройства, учет нормальных усилий.

Key words: Method of concentrated deformations, powermeasuring device, accounting of normal efforts.

Аннотация: В качестве объекта исследования рассматриваются экспериментальные и теоретические исследования сборных железобетонных плит-перекрытий многоэтажных зданий и сооружений на основе метода сосредоточенных деформаций. В работе реализован метод сосредоточенных деформаций для расчета сборных железобетонных плит-перекрытий многоэтажных зданий и сооружений, учитывающий реальные диаграммы нелинейного деформирования бетона и арматуры при воздействия длительной нагрузки.

Abstract: As the object of study they consider experimental and theoretical study of precast concrete floor slabs of multi-storey buildings and structures on the method of concentrated deformations. In this paper they implement a method of concentrated deformations for calculating concrete floor slabs of multi-storey buildings, taking into account the actual diagram of the nonlinear deformation of concrete and reinforcement at the impact of long-term load.

На сегодняшний день существует несколько подходов к изучению сборных железобетонных плит-перекрытий, изгибающихся в двух направлениях, без учета нормальных усилий.

Так, в частности, в экспериментальных исследованиях А.Л. Шагина, выполненных под руководством Э.М. Бондаренко, исследовалось влияние плоского напряженного состояния на момент трещинообразования и на величину интегральной жесткости.

На практике большинство сборных железобетонных конструкций работают в условиях сложного напряженного состояния при совместном действии изгибающих моментов и нормальных усилий,

45

Территория науки. 2015. № 3

возникающих в связи с наличием несмещаемого окаймляющего гладкие плиты контура.

В работе по исследованию перераспределения усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях, вышедшей в 1964г., О.П. Крылов приводит данные по истории проблемы. В данной работе, в частности даются рекомендация по снижению армирования плит, располагающих окаймляющие по контуру балки.

В настоящее время продолжаются исследования нормальных усилий в прямоугольных плитах с помощью коэффициента Ц, вводимого в формулу прочности в качестве коэффициента. В зависимости от соотношения сторон Ц принимается равным 0,8 и 0,9, что дает уменьшение армирования соответственно на 20 и 10 %. Эта методика является весьма условной и довольно приблизительной. Она учитывает влияние нормальных усилий косвенным путем.

Дальнейшие экспериментальные подтверждения увеличения несущей способности железобетонных рам, плит и балок при действии нормальных усилий было получены в трудах В.С. Булгакова, А.С. Щепотьева, С.М. Крылова и Я.Ф. Погребного. Несущая способность элементов, работающих с учетом нормальных усилий, зависит от жесткости опорных конструкций и коэффициента армирования. Несущая способность плит по данным опытов увеличивается за счет нормальных усилий в 1,5 ^ 2,5 и более раз в зависимости от отношения от толщины к величине пролета, а также жесткости контурных конструкций, прочности бетона, процента армирования и других факторов.

Для уточнения расчетных предпосылок и совершенствования конструктивных решений сборных железобетонных плит перекрытий необходимы статические испытания с целью определения фактической прочности и перемещения. В экспериментальных исследованиях, реализованных А.С. Щепотьевым и В.С.Булгаковым, Э.Г. Томасом при испытании закрепленных от горизонтальных смещений плит или окаймленных отмечалось значительное превышение опытной несущей способности над расчетной.

Экспериментальные исследования, подтвердившие существенное влияние нормальных усилий на несущую способность, проводились в Харьковском ИСИ. Если увеличение несущей способности по нормальному сечению можно было бы разъяснить работой обоймы в качестве дополнительной продольной арматуры, то увеличение несущей способности по наклонному сечению можно объяснить только изменением схемы работы конструкции. В данном случае за счет перехода к арочной схеме работы изменилась величина поперечной силы, а наличие продольной силы воздействовало на не-

46

Территория науки. 2015. № 3

сущую способность по наклонному сечению. Это позволило на основе обобщенных исследований А.А. Гвоздеву включить упоминавшиеся выше коэффициенты TJ. Далее экспериментальные исследования по изучению удлинения геометрической оси в изгибаемых железобетонных балках при кратковременной нагрузке проведены Л.Н. Зайцевым под руководством А.А. Гвоздева и С.М. Крылова.

Среди экспериментальных исследований плит с трещинами, находящихся в сложном напряженном состоянии, следует отметить опыты Иваненко В.И. над круглыми фундаментными плитами, армированными кольцевой арматурой. Автор изучал влияние мембранных усилий на прочность и жесткость круглых железобетонных фундаментных плит; им получены экспериментальные данные, свидетельствующие о повышении несущей способности плит, связанной с наличием мембранных сил.

В научно-исследовательских институтах строительных конструкций в 1961 - 1963 гг. были проведены экспериментальные исследований, чтобы изучить несущую способность и жесткость при кратковременном действии нагрузки защемленных балочных железобетонных плит, работающих с учетом нормальных усилий.

Они подтвердили гипотезы, что у плит, опорный контур которых неподвижен, несущая способность увеличивается. Экспериментальные значения несущей способности оказались существенно выше теоретического, определенные без учета нормальных усилий.

Большой интерес представляют работы, проведенные под руководством П.Ф. Дроздова и Н.И. Сенина в лаборатории Московского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева, плит перекрытий опертых по контуру без армирования. В новой конструкции многоэтажного монолитного здания внутренние нормальные усилия в несущей системе воспринимаются предварительно напряженными брусками, укладываемыми в процессе бетонирования стен по их периметру в уровне низа плит перекрытия. Для усиления эффекта нормальных усилий в плоскости плит перекрытия выполняются бетоном из напрягающего цемента. Предварительно напряженные железобетонные бруски служат также горизонтальными связями - стяжками между вертикальными несущими элементами многоэтажных зданий.

Фрагменты плит-перекрытий для экспериментальных испытаний брались размером в 2-2 м, второй и третий - 3,5-3,5 м, толщина плит перекрытий в первом равнялась 7 см, а в остальных - 14 см. Результаты экспериментальных испытаний фрагментов многоэтажных монолитных зданий показывают большие возможности экономии при

47

Территория науки. 2015. № 3

учете нормальных усилий. Например: для 16 - этажного монолитного дома отсутствие арматуры плит перекрытий и стены (за исключением брусков), позволяет уменьшить расход стали против действующего норматива в несколько раз.

В результате проведенного анализа по экспериментальным исследованиям можно сделать следующее заключение, что результаты исследований дают некоторую общую картину работы железобетонных элементов с учетом нормальных усилий, будь то балки или плиты-перекрытия, причем это более относятся к балочным плитам. Влияние нормальных усилий в балочных плитах и сборных железобетонных плитах-перекрытиях многоэтажных зданий и сооружений, при кратковременных нагрузках позволяет наиболее полно использовать прочность бетона сжатой зоны, что приводит к увеличению несущей способности и жесткости сборных железобетонных плит-перекрытий многоэтажных зданий и сооружений.

В данной работе проводилось экспериментальное изучение сборной железобетонной плиты-перекрытия, находящейся в условиях сложного напряженно-деформированного состояния с учетом нормальных усилий. В связи с этим разработана методология экспериментальных исследований, предусматривающих испытание сборных железобетонных плит перекрытий свободно опертых от воздействия вертикальных нагрузок и горизонтальных смещений, а также для испытания сборных железобетонных плит-перекрытий, в натуральную величину свободно опертых по контуру, закрепленных по углам специальными траверсами.

Одной из главных проблем исследований сборных железобетонных плит-перекрытий, закрепленных от горизонтальных смещений, являлось определение величины нормальных усилий.

Для достижения поставленной цели была изготовлена жесткая рама, силомерное устройство для передачи горизонтальных усилий на силомерное устройство, закрепление их осуществлялось с помощью рамы изготовленной из жестких швеллеров (рис. 1). Кроме того для исключения подъема углов испытуемой сборной железобетонной плиты-перекрытия в натуральную величину для воздействия внешней нагрузки были установлены специальные траверсы.

48

Территория науки. 2015. № 3

Рис. 1. Силомерное устройство и закрепление их с помощью рамы из жестких швеллеров

В результате исследований была измерена величина прогиба и нормальные усилий в сборных железобетонных плитах-перекрытиях, закрепленных от горизонтальных смещений, на всех уровнях воздействия внешней нагрузки (рис. 2 и 3), которая позволила проанализировать:

- измерение нормальных усилий, т.е. количественно оценить нормальные усилия;

- влияние нормальных усилий на прочность и жесткость сборных железобетонных плит-перекрытий.

Рис. 2. Изменение прогиба сборных железобетонных плит перекрытий в середине пролета

49

Территория науки. 2015. № 3

железобетонных плит перекрытий

Согласно измерению деформаций силомеров с помощью специальных кривых определялась равнодействующая нормальная усилия - Н. На основе анализа специальных кривых установлено, что нормальная усилия - Н действуют в пределах h/4 точки по высоте сечения сборных железобетонных плит перекрытий.

С повышением нагрузки происходит возрастание настоящих сил, т.е. нормальных усилий. В соответствии трещинообразованию в испытуемых сборных железобетонных плит перекрытий, замечено, что влияние нормальных усилий наблюдается на самых ранних ступенях ее воздействия внешней нагрузки и наиболее значительно влияет на работу сборных железобетонных плит-перекрытий после образования трещин.

Далее с образование трещины нормальные усилия препятствуют их дальнейшему распространению. На раскрытие трещин нормальные усилия проявляет значительное воздействие, оно настолько велико, что в сборных железобетонных плитах-перекрытиях с учетом нормальных усилий ширина раскрытия трещин меньше по сравнению со сборными железобетонных плитами-перекрытиями без учета нормальных усилий на одних и тех же ступенях воздействия внешней нагрузки. Сравнение изменения графика перемещения показывает, что перемещения в сборных железобетонных плитах-перекрытиях без учета нормальных усилий больше 1,5 - 2,0 раза, чем в сборных железобетонных плит перекрытий с учетом нормальных усилий. Отсюда следует, что нормальные усилия значительно увеличивают жесткость конструкции.

50

Территория науки. 2015. № 3

Таким образом, в соответствии с результатами экспериментальных исследований можно произвести следующие заключение: чем меньше коэффициент армирования, тем выше влияние нормальных усилий на несущую способность конструкции. На основании вышеизложенного следует рекомендовать применение в сборных железобетонных плитах-перекрытиях минимальный процент армирования.

Основная цель проверки заключалась в оценке ее прочности и жесткости, а также совершенствования конструктивных решений и проверки технологичности изготовления сборных железобетонных плит-перекрытий. Кроме того, сборные железобетонные плиты-перекрытия, в отличие от выпускаемых на заводе сборных железобетонных плит-перекрытий, были изготовлены с изменением монтажных петель и совершенствованием канала для проводки электрических сетей (рис. 4 и 5).

предложенные монтажные петли

Рис. 4. Схема расположения монтажных петель сборных железобетонных плит перекрытий

существующий каналообразователь предложенный каналообразователь

Рис. 5. Схема расположения каналов электропроводки сборных железобетонных плит перекрытий

51

Территория науки. 2015. № 3

В основном сборные железобетонные плиты-перекрытия с толщиной 160 мм изготавливалась в заводских условиях в горизонтальном положении, что при распалубке и подъеме конструкции приводило к преждевременному трещинообразованию в конструкциях. В отношения этого для предотвращения преждевременного образования трещин, нами предложено трансформация проектного положения монтажных петель на расстоянии 750 мм от кромки плиты в продольном и поперечном направлениях.

В основном сборные железобетонные плиты-перекрытия армировалась сеткой из стали класса A-III диаметром 6 мм (вместо стали класса Вр-1 диаметром 6 и 5 мм, в том же шаге). В целях осуществления эксперимента был изготовлен специальный испытательный стенд на самом заводе железобетонных изделий.

Сборные железобетонные плиты-перекрытия опирались шарнирноподвижным элементом по контуру, с целью предотвращения подъема углов конструкций от воздействия внешней нагрузки устанавливались специальные металлические траверсы. Воздействие внешней нагрузки сборных железобетонных плит перекрытий, осуществлялось специальными тротуарными плитами вручную весом 0,38 кН, в 48 точках по поверхности плит перекрытий (рис. 6).

Рис. 6. Схема загружения внешней нагрузки сборных железобетонных плит перекрытий

Во время испытания измерялись прогибы сборных

железобетонных плит-перекрытий, относительные деформации бетонной поверхности и пролетной арматуры. По результатам испытаний сборных железобетонных плит перекрытий определено,

52

Территория науки. 2015. № 3

что их фактическая прочности и жесткость несколько раз превосходят контрольные величины по прочности и жесткости.

Установленное явление обусловлено наличием нормальных усилий действующих по контуру сборных железобетонных плит перекрытий многоэтажных зданий и сооружений. В соответствии с результатом учета нормальных усилий, в процессе проектирования можно в несколько раз сократить расход рабочей арматуры сборных железобетонных плит-перекрытий многоэтажных зданий и сооружений.

Экспериментальные и теоретические исследования сборных железобетонных плит-перекрытий производились на действие сосредоточенной нагрузки в середине пролета. Сборные железобетонные плиты-перекрытия были смонтированы из натурных элементов заводского производства.

Нормальные усилия были направлены в основание колонны здания. Перемещения середины пролета сборной железобетонной плиты-перекрытия фиксировались с помощью индикаторов в двух точках: в середине верхнего пояса и в середине нижнего пояса диска сборных железобетонной плиты-перекрытия.

Деформация железобетона с трещинами, в виде метода сосредоточенных деформаций, предложенная профессором А.Р. Ржаницыным, развитая доцентом М.И. Додоновым и профессором А.М. Зулпуевым [1, 164 с.] для сборных железобетонных плит перекрытий, позволяет определить прочность перемещений для различных стадий напряженно-деформированного состояния начиная с момента загружения и до разрушение

При длительном воздействии нагрузки развиваются деформации ползучести в бетоне сжатой и растянутой зоне и тем самым создаются предпосылки для проявления железобетоном нелинейных деформаций.

Вопросу учета длительности действия вертикальной нагрузки при расчете изгибаемых сборных железобетонных плит-перекрытий посвящены многие работы других исследователей.

В одних из этих учитывалась:

- ползучесть бетона на основе теории упругой наследственности;

- в других используется теория старения;

- в третьих применяет - интегральный модуль;

- в четвертых применялся модуль длительных деформаций.

Таким образом, использование этих методик расчета, в практике

весьма сложно, так как они сводятся к решению системы дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений, содержащих переменные коэффициенты. В связи с этим предлагается

53

Территория науки. 2015. № 3

практический прием учета длительного действия нагрузки при расчете изгибаемых железобетонных плит по второй группе предельных состояний по перемещениям. Сущность работы сводится к определению величины коэффициента упругопластических деформаций бетона v, в зависимости от уровня напряжения в бетоне CTb/Rb, класса бетона и длительности действия нагрузки по средним опытным диаграммам стт - ет приведенным в работе [3, С. 17] (рис. 7 и 8).

Рис. 7. Зависимость нагрузка - прогиб для плиты П-1:

1— метод конечных элементов;

2 — метод конечных разностей; 3 — с учетом длительности внешнего воздействия; 4— с учетом длительности по методу сосредоточенных деформаций.

Величина основных сжимающих и растягивающих напряжений в бетоне изгибаемых сборных железобетонных плит-перекрытий вычисляется по известному алгоритму [2, 204 с.]. Сроки воздействия внешней длительной нагрузки, в соответствии средним опытным диаграммам сть - eb [3, С. 17], могут меняться в пределах от т = 150 мин до т = 10 лет и более.

54

Территория науки. 2015. № 3

Рис. 8. Зависимость нагрузка - прогиб для плиты П-2:

1 — метод конечных разностей;

2 — метод конечных элементов; 3 — с учетом длительности внешнего воздействия;

4 — с учетом длительности по методу сосредоточенных деформаций.

Величина коэффициента фс, учитывающего длительность воздействия внешней нагрузки, определяется из тех же средних экспериментальных диаграмм оь - eb [3, С. 17], зависимости от уровня максимальных сжимающих напряжений в бетоне оъ/Яъ и времени воздействия длительной нагрузки т.

Выводы: 1. Согласно измерению деформаций силомеров с

помощью специальных кривых определялась равнодействующая нормальная усилия - Н. На основе анализа специальных кривых установлено, что нормальная усилия - Н действуют в пределах h/4 точки по высоте сечения сборных железобетонных плит перекрытий.

2. Влияние нормальных усилий в сборных железобетонных плитах-перекрытиях многоэтажных зданий и сооружений при кратковременных нагрузках позволяет наиболее полно использовать прочность бетона сжатой зоны, что приводит к увеличению несущей способности и жесткости сборных железобетонных плит-перекрытий многоэтажных зданий и сооружений.

55

Территория науки. 2015. № 3

3. Установленное явление обусловлено наличием нормальных усилий действующих по контуру сборных железобетонных плит-перекрытий многоэтажных зданий и сооружений. В соответствии с учетом нормальных усилий, в процессе проектирования можно несколько раз сократить расход рабочей арматуры сборных железобетонных плит перекрытий многоэтажных зданий и сооружений.

4. Расчеты по методу сосредоточенных деформаций для сборных железобетонных плит-перекрытий, позволяют определить прочность перемещений для различных стадий напряженно-деформированного состояния начиная с момента загружения и до разрушения с учетом длительного воздействия.

Список литературы

1. Зулпуев А.М. Метод сосредоточенных деформаций. - Бишкек. -Айат, - 2014. - 164 с.

2. Карпенко Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами. - М.: Стройиздат, - 1976. - 204 с.

3. Темикеев К.Т. К вопросу учета длительности действия нагрузки при определении прогиба железобетонных изгибаемых элементов // Проблемы строительства и архитектуры на пороге XXI века. -Бишкек, - 2000. - С. 17-19.

Смирнов С.Б., Зулпуев А.М., Ордобаев Б.С., Абдыкеева Ш.С.

ВОЛНОВОЕ ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Московский государственный строительный университет им. В.В. Куйбышева,

Кызылкийский институт технологии, экономики и права Баткенского государственного университета

Ключевые слова: сейсмические разрушения, импульсное

воздействие, колебательная модель.

Key words: seismic destruction, impulsive action vibrational model.

Аннотация: Показано, что в картинах сейсмических разрушений зданий содержится информация об импульсном сейсмическом воздействии и это противоречит официальной «колебательной» модели сейсмического разрушения сооружений.

56