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.