Институт пути, строительства и сооружений

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»

(РУТ (МИИТ)

Институт пути, строительства и сооружений

Кафедра «Строительные конструкции, здания и сооружения»

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ: Заведующий кафедрой, руководитель магистерской программы   Федоров В.С. ____________________  «____» _______________ 2019 г.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

на тему:

Сопротивление продавливанию плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой

 

Направление подготовки:	08.04.01 «Строительство»
Направленность (магистерская программа):	«Промышленное и гражданское строительство»

 

 

Обучающийся:		Гусейнов Руслан Меликович
Научный руководитель:		Федоров Виктор Сергеевич Академик РААСН, докт. техн. наук, профессор

МОСКВА – 2019

Аннотация

Разработана конечно-элементная модель узла сопряжения плиты с колонной для исследований работы при продавливании. Выполнено сравнение результатов расчёта на основе разработанной конечно-элементной модели с данными экспериментов и выявлена их удовлетворительная сходимость. Проведены численные исследования и выполнен анализ результатов работы на продавливание плит, усиленных поперечной арматурой, в зависимости от коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления. Разработаны практические рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками.

 

Ключевые слова:

Сопротивление продавливанию плоских железобетонных плит, усиление поперечным армированием, конечно-элементная модель, процент поперечного армирования, шаг поперечной арматуры, влияние прочности поперечной арматуры.

 

 

Abstract

A finite-element model of the interface unit for the plate with a column for exploring the work during forcing has been developed. The results of the calculation are compared on the basis of the developed finite element model with experimental data and their satisfactory convergence is revealed. Numerical studies have been carried out and the analysis of the results of the work on the extrusion of plates reinforced with transverse reinforcement, depending on the coefficient of transverse reinforcement, the prestress of reinforcement reinforcement, the step of setting, the strength of reinforcement reinforcement has been performed. Practical recommendations on the design of reinforcing plates by through pins have been developed.

 

Keywords:

Resistance to flattening of flat reinforced concrete slabs, reinforcement by transverse reinforcement, finite element model, percentage of transverse reinforcement, step of transverse reinforcement, influence of strength of shear reinforcement.

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ.. 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 12

1.1 Основные методы усиления. 12

1.2 Обзор теоретических исследований. 13

1.3 Обзор экспериментальных исследований. 18

1.3.1 Плоские плиты с поперечной арматурой. 18

1.3.2 Плоские плиты с поперечной арматурой усиления. 28

Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования. 49

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 51

2.1 Анализ характера работы плит при продавливании. 51

2.2.1 Конструкция опытных образцов. 51

2.1.2 Трещинообразование. 54

2.1.3 Прогибы плит. 55

2.1.4 Относительные деформации бетона. 56

2.1.5 Напряжения в поперечной арматуре. 59

2.1.6 Характер разрушения. 62

2.2 Разработка конечно-элементной модели. 63

2.2.1 Выбор конечно-элементной программы.. 63

2.2.2 Модель поведения бетона. 64

2.2.3 Модель поведения арматуры.. 69

2.2.4 Создание конечно-элементной модели. 70

2.3 Сравнение модели и экспериментов. 72

2.4 Сравнение результатов с нормативной методикой расчёта. 77

Выводы по главе 2. 79

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 81

3.1 Программа численного эксперимента. 81

3.2 Влияние коэффициента поперечного армирования. 84

4.3 Влияние предварительного напряжения поперечной арматуры усиления. 89

3.4 Влияние прочности поперечной арматуры.. 93

3.5 Влияние шага поперечной арматуры.. 95

3.6 Рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками. 100

3.6.1 Расчётные положения. 100

3.6.2 Конструктивные требования. 101

3.6.3 Технология выполнения работ по усилению.. 103

Выводы по главе 3. 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 108

 

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Плоские безкапительные безбалочные перекрытия являются наиболее массовыми конструкциями в современных зданиях. Нередко в строительной практике возникает необходимость усиления подобных перекрытий по различным причинам: ошибки при проектировании, строительный брак, увеличение нагрузок в связи с реконструкцией здания и др.

Одним из наиболее эффективных с конструктивной точки зрения и архитектурно привлекательных методов усиления плит на продавливание является установка поперечной арматуры. Существующие исследования показали, что поперечная арматура усиления, установленная в сквозные отверстия в опорной зоне плиты и имеющая надёжную анкеровку по концам, значительно повышает сопротивление плит продавливанию и пластичность их работы. Вместе с тем, малоизученными остаются вопросы влияния степени включения поперечной арматуры при усилении плит под нагрузкой и предварительного напряжения арматуры усиления на прочность плит при продавливании. Так же представляет интерес возможность применения арматуры из высокопрочных сталей.

За последние годы произошел ряд аварий зданий, связанных с обрушением плит перекрытий вследствие разрушения от продавливания, которые привели к значительным экономическим потерям, а также, к сожалению, и к человеческим жертвам. Некоторые примеры обрушений показаны на рисунках В.1 – В.4.

Эти обстоятельства подтверждают актуальность и важность изучения вопроса сопротивления плит на продавливание.

Рис. В.1. Обрушения строящегося плавательного бассейна. Краснодар, 2013 г.

Рис. В.2. Обрушение перекрытия подземного гаража. Пенза, 06.10.2011 г.

Рис. В.3. Обрушение перекрытия строящейся двухъярусной подземной автостоянки. Москва, Кожевническая ул., 03.09.2009 г.

Рис. В.4. Обрушение перекрытия строящегося монолитного здания. Владивосток, 07.03.2013 г.

Степень разработанности темы. Теоретические основы методов расчета прочности плоских железобетонных плит на продавливание рассматривались в работах отечественных ученых: Гвоздева А.А. Коровина Н.Н., Голосова В.Н., Фишеровой М.Ф., Сергеевского А.Д., Качановского С.Г., Залесова А.С., Карпенко Н.Н. и др., а также зарубежных ученых: Dilger W.H., Amin Ghali, Aurelio Muttoni и др.

В результате выполненного обзора исследований по работе плоских железобетонных плит при продавливании установлено, что основные положения, формулы и зависимости для расчёта несущей способности плит на продавливание выведены на основе экспериментальных данных и носят полуэмпирический характер. Большая часть исследований связана с изучением работы плит на продавливание, армированных поперечной арматурой. Исследования плит, усиленных поперечным армированием, весьма немногочисленны.

Исследования усиленных плит показывают, что поперечное армирование значительно повышает сопротивление плит продавливанию и пластичность их работы, являясь эффективным методом усиления плит на продавливание. В качестве поперечной арматуры на продавливание использовались резьбовые шпильки, углепластиковые и стеклопластиковые ленты. Вместе с тем остаются вопросы, требующие дополнительных исследований:

– влияние степени насыщения поперечной арматурой;

– влияние величины предварительного напряжения арматуры усиления;

– установление допустимого шага поперечной арматуры усиления;

– эффективность применения поперечной арматуры из высокопрочной стали.

Целью диссертационной работы является исследование сопротивления железобетонных плит продавливанию, усиленных поперечной арматурой, и разработка рекомендаций по проектированию данного метода усиления.

С этой целью в диссертации решались следующие задачи:

− провести обзор теоретических и экспериментальных исследований работы плит при продавливании, армированных или усиленных поперечной арматурой;

− разработать конечно-элементную модель, позволяющую с достаточной степенью точности моделировать работу плит при продавливании, усиленных поперечной арматурой;

− выполнить численный эксперимент с использованием конечно-элементной модели для изучения влияния наиболее значимых параметров усиления на работу плит в условиях продавливания: коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления;

− разработать практические рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками.

Научную новизну работы составляют:

− параметры конечно-элементной (КЭ) модели для расчёта плит на продавливание, учитывающие нелинейную работу бетона на всех стадиях нагружения, включая стадию разрушения;

− результаты численного моделирования изменения напряжений в стержнях поперечной арматуры на всех стадиях работы плит, вплоть до разрушения;

– теоретические данные о влиянии на работу плит в условиях продавливания коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления.

Теоретическая значимость полученных результатов состоит в анализе механизма сопротивления продавливанию плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой, при варьировании количества, шага, прочности поперечной арматуры и величины усилий предварительно напряжения поперечных стержней.

Практическая значимость полученных результатов состоит в определении рациональных параметров поперечного армирования плит при усилении, что будет способствовать более обоснованному и качественному проектированию усиления железобетонных плит на продавливание путем постановки поперечной арматуры.

Методология и методы исследования. Для моделирования работы железобетонных плит перекрытий использован метод конечных элементов. При инженерном расчёте прочности плоских плит, усиленных поперечной арматурой, использованы основные предпосылки и методы теории железобетона.

Положения, выносимые на защиту:

− конечно-элементная модель для расчёта плит на продавливание, усиленных поперечной арматурой, учитывающая нелинейную работу бетона на всех стадиях нагружения, включая стадию разрушения;

− результаты численного моделирования изменения напряжений в стержнях поперечной арматуры на всех стадиях работы плит, вплоть до разрушения;

– результаты численных исследований работы на продавливание плит, усиленных поперечной арматурой, в зависимости от коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления;

− практические рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается использованием корректной конечно-элементной модели, показавшей удовлетворительную сходимость результатов расчёта с данными экспериментов.

Апробация работы. Публикации. Доклады на конференциях. Результаты исследований докладывались и обсуждались с положительной оценкой на проводимых в МГУПС (МИИТ) научно-практических конференциях «Неделя науки» в 2016 г. и 2017 г. По результатам проведённого исследования имеется публикация в сборнике тезисов докладов[1].

Структура и объем работы.

Работа изложена на 114 страницах, содержит 72 рисунка, 9 таблиц, список использованной литературы насчитывает 77 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы и даны общие методологические характеристики диссертационной работы.

В первой главе выполнен обзор исследований отечественных и зарубежных авторов работы плит с поперечной арматурой, в том числе усиленных на продавливание, выбран наиболее эффективный способ усиления, выполнена постановка технических проблем и намечены пути их решения.

Во второй главе диссертации на основе анализа имеющихся опытных данных установлены характерные особенности работы плит, усиленных на продавливание поперечной арматурой в виде сквозных шпилек. На основании сравнения с экспериментальными данными разработана конечно-элементная модель узла сопряжения плиты с колонной для исследований работы при продавливании, выбраны диаграммы деформирования материалов (бетона и арматуры), определены модели деформирования бетона. Выполнено сравнение результатов расчёта на основе разработанной конечно-элементной модели с данными экспериментов и выявлена их удовлетворительная сходимость. Показано, что арматуру усиления, установленную под действием нагрузки, в расчёте можно рассматривать как поперечное армирование, устанавливаемое до бетонирования.

В третьей главе проведены численные исследования и выполнен анализ результатов работы на продавливание плит, усиленных поперечной арматурой, в зависимости от коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления. По результатам проведённых исследований разработаны практические рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками.

В заключении представлены основные результаты и выводы по работе.

 

Основные методы усиления

Продавливанием называют пространственную форму разрушения плитных конструкций при приложении к ней сосредоточенных усилий от колонн, свай либо грузов по ограниченной площадке. Продавливание характеризуется выделением из конструкции, так называемого «тела продавливания», часто имеющего форму усеченной пирамиды.

Существующие конструктивные решения усиления плит на продавливание можно разделить на следующие типы:

1 тип – усиление путем увеличения рабочей толщины плиты;

2 тип – усиление путем увеличения площади опирания плиты;

3 тип – усиление путем постановки поперечной арматуры.

Схема основных типов усиления представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Основные типы усиления плит на продавливание: а) путем увеличения толщины плиты; b) путем увеличения площади опирания плиты, с и е) путем постановки поперечной арматуры

Каждый из перечисленных типов имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют выбор типа усиления.

Недостатками 1-го и 2-го типов усилений (а) являются высокая трудоемкость при исполнении, а также увеличение нагрузки на плиту от веса набетонки, необходимость в мокрых процессах (при выполнении набетонки) и уменьшение полезного объема помещения.

В диссертационной работе рассмотрен 3-й тип усиления (с, е). Преимуществами данного решения являются: незначительные (по сравнению с предыдущими вариантами) затраты времени на выполнение работ и более низкие затраты на реализацию, отсутствие элементов, снижающих внутренний объем помещений. К недостаткам относится: ограничение по максимальной величине усиления, определяемой предельной несущей способностью плиты на продавливание по грани колонны.

Прогибы плит

Прогибы плит опытных образцов измерялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм. Постановка поперечной арматуры повышает несущую способность и прогиб плит при продавливании (рис. 2.6). Применение поперечной арматуры приводит к изменению механизма разрушения плит: от хрупкого разрушения, к более пластичному.

Рисунок 2.6. Прогибы плит с усилением и без усиления

Характер разрушения

Все опытные образцы разрушились от продавливания. Разрушение усиленных опытных образцов (S3DW1, S4DW1P, S5DW2) происходило в зоне от грани колонны до 1-го ряда поперечной арматуры усиления. При разрушении ни одна из шпилек усиления и анкерных устройств не имели повреждений.

Образование поверхности разрушения опытных образцов происходило внезапно, при этом имеющиеся трещины в образцах не совпадали с будущей поверхностью разрушения.

На основании выполненных испытаний плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой, можно сделать вывод, что установка поперечной арматуры является эффективным методом усиления на продавливание. Испытания показали, что шаг установки поперечных стержней s ≤ 0,5 h ₀ для шпилек с жесткой анкеровкой является в полной мере эффективным.

Модель поведения бетона

В программе Abaqus, помимо широко распространенной модели деформирования «равномерноe трещинообразование» (smeared cracking), реализованы модели хрупкого разрушения бетона (brittle cracking), а также модель пластического разрушения бетона с повреждениями (concrete damage plasticity).

Модель brittle cracking реализует механизм разрушения бетона от растяжения, либо совместного действия растяжения и сдвига, при этом работа бетона на сжатие полагается упругой вплоть до разрушения. Особенностью модели является описание работы бетона на растяжение в стадии после образования трещины (рис. 2.16). Критерием образования трещины является достижение максимальных главных растягивающих напряжений прочности бетона на осевое растяжение.

Модель smeared cracking учитывает более сложные механизмы разрушения бетона, как на растяжение, так и на сжатие, а также влияние объемного напряженного состояния на прочность бетона. Недостатком модели является отсутствие ее реализации в решателе explicit.

Модель concrete damage plasticity позволяет также, как и предыдущая модель учитывать сложные механизмы разрушения бетона. Отличительной особенностью ее от модели smeared cracking является возможность учета накопления повреждений материала на ветви разгрузки. Данный прием реализован путем использования так называемых коэффициентов повреждения бетона при сжатии (d_c) и растяжении (d_t). Графически учет накопления повреждений проиллюстрирован на рисунке 2.16. В работах [52], [76] показаны результаты использования модели пластичного повреждения бетона в численных задачах, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Рисунок 2.16. Диаграммы деформирования бетона при одноосном растяжении (а) и сжатии (b)

Связь неупругих деформаций с коэффициентом повреждения выражается формулами (2.1) и (2.2):

,                                    (2.1)

,                                 (2.2)

Таким образом, в модели учитываются необратимые пластические деформации и трещины. Данная модель concrete damaged plasticity в отличии от smeared cracking обладает существенным преимуществом – она реализована в «быстром» решателе для физически нелинейных задач expliсit.

В качестве критерия разрушения в модели concrete damaged plasticity реализован модифицированный критерий Druker-Prager с модифицированной гиперболической кривой в меридиональной плоскости (рис. 2.17).

Рисунок 2.17. Критерий прочности для бетона

Для задания параметров материала в программе Abaqus используются две упругие характеристики и 9 характеристик для учета пластических свойств.

В таблице 2.1 приведены их обозначения и значения отдельных параметров, принятых в диссертации постоянными.

 

 

Таблица 2.1

Определяющие параметры диаграммы деформирования бетона

Упругие характеристики		Пластические характеристики
Е	v	Dilation Angle	Eccentricity	fb 0/ fc 0	K	Viscosity Parameter	σ b – ε b , in	σ bt – ε bt , in	ε b , in – dc	ε bt , in – dct
var	0,2	31	0,1	1,16	0,667	0	var	var	var	var

 

E – начальный модуль упругости бетона, значение которого определялось как

,                                      (2.2)

где R – средняя призменная (150x150x600) прочность бетона в МПа;

ν – коэффициент Пуассона;

Dilation Angle – угол дилатации, определяющий отношение объемной и сдвиговой деформации, в диссертации принимался постоянным в соответствии с работами [63];

Eccentricity – параметр, отвечающий за скорость перехода в пластичное состояние материала, в диссертации принимался постоянным, в соответствии с [20];

f_{b 0}/ f_{c 0} – отношение прочности бетона при двухосном сжатии к одноосному, в диссертации принималось постоянным;

K – параметр формы поверхности прочности для бетона, в диссертации принимался постоянным, в соответствии с работами [20];

Viscosity Parameter – параметр вязкости, не использовался для решателя explicit, принимался равным 0;

σ _b – ε _{b , in} – диаграмма зависимости сжимающих напряжений и относительных нелинейных деформаций, принималась переменной в зависимости от прочности бетона на сжатие (рис. 2.18);

σ _bt – ε _{bt , in} – диаграмма зависимости растягивающих напряжений и относительных нелинейных деформаций, принималась переменной в зависимости от прочности бетона на сжатие (рис. 2.19);

ε _{b , in} – d_c – диаграмма зависимости сжимающих относительных нелинейных деформаций от коэффициента повреждения бетона при сжатии, принималась переменной в зависимости от прочности бетона на сжатие (рис. 2.20);

ε _{bt , in} – d_ct – диаграмма зависимости растягивающих относительных нелинейных деформаций от коэффициента повреждения бетона при растяжении принималась переменной в зависимости от прочности бетона на растяжение (рис. 2.21).

Рисунок 2.18. Диаграмма состояния бетона при сжатии σ_b – ε_b,in

Рисунок 2.19. Диаграмма состояния бетона при растяжении σ_bt – ε_bt,in

Рисунок 2.20. Диаграмма ε_b,in – d_c

Рисунок 2.21. Диаграмма ε_bt,in – d_ct

Модель поведения арматуры

В конечно-элементной модели опытных образцов продольная арматура в плитах и колоннах моделировалась с использованием модели пластичности. Диаграмма поведения арматуры была принята с двумя линейными участками – участком упругой работы арматуры и площадкой текучести. Для получения численного решения площадка текучести была принята с незначительным упрочнением. Общий вид диаграммы арматуры растяжения показаны на рис. 2.22.

Рисунок 2.22. Диаграмма состояния растянутой арматуры

Выводы по главе 2

1. Установка поперечной арматуры является эффективным методом усиления на продавливание. Применение поперечной арматуры приводит к изменению механизма разрушения плит: от хрупкого разрушения, к более пластичному.

2. При увеличении коэффициента поперечной арматуры усиления меняется вид разрушения: при высоких коэффициентах поперечного армирования плита разрушается за зоной поперечного армирования.

3. Постановка поперечной арматуры усиления практически не меняет характера трещинообразования в плитах.

4. Конечно-элементная модель узла сопряжения плит перекрытий с промежуточной колонной, разработанная в программном комплексе Abaqus, основанная на использовании модели с накоплением повреждений для бетона, позволяет определить продавливающую силу, напряжённо-деформированное состояние на всех этапах нагружения плит в условиях продавливания, в том числе и усиленных поперечной арматурой.

5. Сравнение результатов расчёта с использованием конечно-элементной модели с результатами опытов показало хорошую точность по разрушающей нагрузке и по деформациям.

6. Среднее значение отношений несущей способности посчитанных в КЭ модели к разрушающим нагрузкам экспериментальных образцов составляет 0,99 со среднеквадратическим отклонением 0,09 и коэффициентом вариации 9,1%.

7. Анализ диаграммам деформирования опытных образцов показал, что КЭ модели удовлетворительно описывают реальное поведение узлов сопряжения плит с колонной под нагрузкой и могут быть использованы для расчётов плит перекрытий, в том числе усиленных поперечном арматурой.

8. Сравнение результатов расчёта и эксперимента показало, что в целом, арматуру усиления, установленную под действием нагрузки, можно рассматривать как поперечное армирование, устанавливаемое до бетонирования.

9. Расчёт на продавливание плоских железобетонных плит, усиленных поперечными шпильками при действии сосредоточенной продавливающей силы, выполненный по СП 63.13330.2012 как для обычных плит, даёт небольшое отклонение (в среднем 13%) в сторону запаса.

Рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками

Расчётные положения

Арматуру усиления, установленную под действием нагрузки, в расчёте можно рассматривать как поперечное армирование, устанавливаемое до бетонирования.

Расчёт прочности плиты с усилением следует выполнять по общим правилам в соответствии с требованиями СП 63.13330.2012, учитывая в расчёте только те стержни усиления, которые пересекают пирамиду продавливания (рис. 3.20) и удовлетворяющие конструктивным требованиям раздела 3.6.2.

При проектировании усиления следует учитывать фактический класс бетона прочности, установленный в ходе обследования.

Предварительное напряжение арматуры усиления способствует надёжному включению её в работу, но не приводит в итоге к существенному повышению прочности плиты.

В качестве арматуры усиления следует принимать шпильки классов 5.8 и выше, а также высокопрочную арматурную сталь с пределом текучести до 640 МПа с нарезанной резьбой.

Содержание поперечной арматуры усиления (отношение площади поперечной арматуры А_sw, попадающей в пирамиду продавливания, к площади бетона расчётного поперечного сечения A_b) должно составлять не более 0,43%. Большее количество поперечной арматуры не приводит к повышению несущей способности.

3.6.2 Конструктивные требования

Поперечную арматуру усиления в плитах в зоне продавливания в направлении ортогональном сторонам расчётного контура рекомендуется устанавливать с шагом не более 1/2∙ h ₀ и не более 300 мм (см. рис. 3.20).

Стержни, ближайшие к колонне, следует располагать не ближе h ₀/3 и не далее h ₀/2 от колонны. Ширина зоны постановки поперечной арматуры усиления должна быть не менее 1,5∙ h ₀.

Расстояния между стержнями вдоль расчётного контура рекомендуется принимать не более ¼ длины соответствующей стороны расчётного контура.

 

Рисунок 3.20. Схема для расчёта на продавливание плит с поперечной арматурой усиления в виде сквозных шпилек. 1 – первое расчётное поперечное сечение в зоне поперечного армирования; 2 – контур первого расчётного поперечного сечения; 3 – второе расчётное поперечное сечение, расположенное за контуром поперечного армирования; 4 – контур второго расчётного сечения; 5 – контур площадки приложения нагрузки

Следует выполнять предварительное напряжение поперечной арматуры усиления. При этом величину предварительного напряжения необходимо принимать не менее 30% и не более 70% от предела текучести арматуры усиления.

Толщина анкерных пластин принимается не менее 0,5 диаметра арматуры усиления, а размеры в плане – не менее 3-х диаметров.

Выводы по главе 3

В результате численного исследования в условиях продавливания сосредоточенной силой плоских плит, усиленных поперечной арматурой в виде сквозных шпилек с анкерными шайбами на концах, были сделаны следующие выводы:

1. Коэффициент поперечного армирования существенно влияет на прочность плиты. При этом с увеличением коэффициента поперечного армирования повышается как несущая способность образца на продавливание, так и его деформативность в предельной стадии. Максимальное увеличение несущей способности плит с усилением составило 89% относительно плит без поперечной арматуры.

2. Предварительное напряжение поперечных стержней не сказывается существенным образом на несущей способности и жесткости при продавливании.

3. Повышение предела текучести арматуры усиления при сохранении постоянного вклада поперечной арматуры в несущую способность (за счёт корректировки площади поперечного армирования) не влияет на прочность и деформативность плит образцов при продавливании. Таким образом, установлена возможность применения в качестве усиления арматуры с пределом текучести до 745 МПа.

4. Прочность образцов с увеличением шага постановки поперечных стержней снижается. Влияние шага на несущую способность носит нелинейный характер. Усиление с помощью поперечной арматуры эффективно при постановке стержней с шагом 0,3∙ h ₀ ≤ s ≤ 0,75∙ h ₀. До подтверждения на натурных лабораторных испытаниях первый ряд арматуры располагать в зоне от 0,3∙ h ₀ до 0,5∙ h ₀, а шаг поперечной арматуры усиления в радиальном направлении принимать не больше 0,75∙ h ₀.

5. На основании результатов, полученных в ходе численного эксперимента, были разработаны рекомендации по расчёту и конструированию усиления плит сквозными шпильками, а также рекомендации по технологии производства работ.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы позволяют подвести следующие итоги:

1. Проведённый в диссертации обзор методов усиления железобетонных плит на продавливание показал, что наиболее эффективным в конструктивном отношении и рациональным, с точки зрения затрат времени и материальных ресурсов, является метод усиления путём постановки поперечной арматуры.

2. Поперечная арматура усиления, установленная в сквозные отверстия в опорной зоне плиты и имеющая надёжную анкеровку по концам, значительно повышает сопротивление плит продавливанию и пластичность их работы.

3. Численными исследованиями установлено, что конструктивные требования для расположения поперечной арматуры, а также ограничения по прочности стали, для случая усиленных плит являются консервативными и могут быть скорректированы.

4. Проведенные сопоставления результатов численного моделирования с натурными испытаниями показали, что конечно-элементная модель с использованием модели поведения бетона с псевдо-пластическими деформациями в сочетании с критерием прочности бетона для многоосного напряженного состояния хорошо согласуется с данными экспериментов и может быть использована для проведения численных исследований.

5. Численные исследования, проведенные на разработанной конечно-элементной модели, показали:

– увеличение количества поперечного армирования приводит к повышению несущей способности плит на продавливание, даже при относительно небольшом количестве поперечной арматуры, однако при коэффициенте поперечного армирования m _sw > 0,43% меняется механизм разрушения плиты при продавливании и дальнейшее увеличение количества поперечной арматуры к повышению несущей способности не приводит;

– предварительное напряжение арматуры усиления способствует надёжному включению её в работу, но не приводит в итоге к существенному повышению прочности плиты, поэтому его не стоит учитывать в расчёте;

– повышение предела текучести арматуры усиления при сохранении постоянного вклада поперечной арматуры в несущую способность не влияет на прочность и деформативность плит образцов при продавливании, поэтому в качестве арматуры усиления возможно применение высокопрочных сталей с пределом текучести до 640 МПа;

– с увеличением шага постановки поперечных стержней прочность на продавливание снижается. Усиление с помощью поперечной арматуры эффективно при постановке стержней с шагом 0,3∙ h ₀ до 0,75∙ h ₀.

6. Выполненные теоретические исследования позволили разработать рекомендации по расчёту и конструированию усиления плит сквозными шпильками, а также рекомендации по технологии производства работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Батте К.Ю., Вильсон Е.Д. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982.

2. Болгов А.Н. Работа узлов сопряжения колонн из высокопрочного бетона с перекрытием в монолитных зданиях с рамно-связевой системой // Дисс. на соиск. уч.ст. канд. техн.наук.: М. 2005.

3. Бургман В.В, Фишерова М.Ф. Перекрытие многоэтажных промышленных зданий, возводимых методом подъёма этажей // Бетон и железобетон: М.: 1972 г. – №6. – С. 9-11.

4. Вилков К.И., Рогулев В.И. Сопротивление продавливанию армированных плит из керамзитобетона // Совершенствование методов расчета и исследование новых типов железобетонных конструкций. – 1977: Л. – № 2.

5. Гвоздев А. А. Новое в проектировании бетонных и железобетонных конструкций. – М.: Стройиздат, 1978.

6. Дорфман А.Э., Левонин Л.Н. Проектирование безбалочных бескапительных перекрытий. – М.: Стройздат, 1975. – 124 с.

7. Залесов А.С. Сопротивление железобетонных элементов при действии поперечных сил. Теория и новые методы расчета прочности // Дисс. На соиск. уч. ст. докт. техн. наук: М., 1978 г. – 345 с.

8. Иванов А. Расчет прочности плоских плит перекрытий с поперечной арматурой монолитных зданий на продавливание // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 2003. – С. 206-210.

9. Иванов А., Залесов А.С. Расчет прочности плоских плит перекрытий без поперечной арматуры монолитных кракасных зданий на продавливание. // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 2003. – С. 200-205.

10. Качановский С.Г. Сопротивление сплошных плит с поперечной арматурой действию концентрированной нагрузки // Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. – М., 1982.

11. Коровин Н.Н., Голосов В. Н. Продавливание свайных ростверков колоннами // Труды НИИЖБ, 1974. – Вып. 10. – С. 25-40.

12. Коровин Н.Н., Ступкин А.В. Продавливание фундаментов колоннами // Труды НИИЖБ, 1974. – Вып. 10. – С. 4-24.

13. Сергиевский А.Д. О расчетах плит на продавливание // Бетон и железобетон». – 1962. – №6.

14. Сокуров А.З. Продавливание плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой. // Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 2015. – 155 с.

15. Фишерова М.Ф. Исследование безбалочных бескапителных перекрытий, возводимых методом подъема, для многоэтажных промышленных зданий. // Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1971. – 138 с.

16. Фишерова М.Ф. Исследование работы на продавливание плоского железобетонноо перекрытия в зоне опирания на колонну // Труды ЦНИИПромзданий. Расчет конструкций промышленных зданий. – М., 1969. – С. 134-144.

17. Хечумов Р.А., Кепплер Х., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. – М.: Издательство АСВ, 1994.