Шкутов Александр Сергеевич. Прочность стеновых панелей с технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил

Краткое описание

Шкутов Александр Сергеевич. Прочность стеновых панелей с технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил : диссертация ... кандидата технических наук : 05.23.01 / Шкутов Александр Сергеевич; [Место защиты: Пенз. гос. ун-т архитектуры и стр-ва]. - Пенза, 2008. - 229 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/298

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА
Шкутов Александр Сергеевич
ПРОЧНОСТЬ СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЕЙ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ОТВЕРСТИЯМИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ
Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,
здания и сооружения
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, член-корр. РААСН доктор технических наук. Профессор Т.И. Баранова
Пенза 2008
ВВЕДЕНИЕ 7
' $
Глава 1. Аналитический обзор исследования сопротивления стеновых
панелей. Проблемы проектирования 14
1.1. Отечественный опыт исследования железобетонных стеновых панелей с технологическими отверстиями 14
1.1.1 Программы и результаты экспериментальных исследований стен 16
1.1.2. Конструктивное решение исследуемых стен 31
1.1.3. Анализ экспериментальных исследований 35
1.2. Зарубежный опыт исследований железобетонных стеновых панелей с
технологическими отверстиями 51
1.2.1. Программа и результаты экспериментальных исследований 60
1.2.2. Конструктивные решения образцов стеновых панелей 60
1.2.3. Методы расчета и расчетные схемы стеновых панелей 61
1.3. Анализ результатов испытания стеновых панелей с отверстиями 62
1.3.1. Оценка программ и результатов исследований 62
1.3.2. Оценка конструктивных решений стен 63
1.3.3. Оценка используемых методов расчета 64
1.4. Проблемы проектирования несущих стен. Цель и задачи исследований
стеновых панелей 67
Глава 2. Экспериментальные исследования стен с технологическими отверстиями 70
2.1. Программа экспериментальных исследований стеновых панелей с
технологическими отверстиями 70
при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил.
2.2. Проектирование опытных образцов стеновых панелей 71
2.2.1. Проектирование опытных образцов стеновых панелей, испытываемых автором при совместном действии вертикальных и
горизонтальных сил 71
2.2.2. Систематизация опытных образцов стеновых панелей,
испытанных в университете Ноттингем (Англия) 73
*
2.3. Физико-механические характеристики материалов - бетона и арматуры -
опытных образцов 75
2.4. Производство эксперимента. Методика испытаний 77
2.4.1. Силовая установка 77
2.4.2. Схема расстановки измерительных приборов и
тензорезисторов 77
2.4.3. Методика испытаний 79
Глава 3. Анализ результатов экспериментальных исследований стеновых панелей с технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил 81
3.1. Характер образования и развития трещин в бетоне стеновых панелей...81
3.2. Схемы разрушения стеновых панелей с технологическими отверстиями
при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил 86
3.3. Влияние исследуемых факторов на характер сопротивления стеновых
панелей с технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил 86
3.3.1. Закономерности изменения разрушающих усилий при изменении
схем нагружения стеновых панелей с технологическими отверстиями 86
3.3.2. Закономерности изменения разрушающих усилий при изменении
длины технологических отверстий стеновых панелей 87
3.3.3. Характер изменения напряженно-деформированного состояния
стеновых панелей при изменении исследуемых факторов 87
3.4. Эпюры напряжений (деформаций) в характерных сечениях исследуемых
стеновых панелях 89
3.5. Анализ результатов испытаний стеновых панелей с технологическими
отверстиями .' 93
3.5.1. Оценка особенностей напряженно - деформированного
состояния стеновых панелей с технологическими отверстиями 93
3.5.2. Классификация трещин и схем разрушения стеновых панелей с
технологическими отверстиями 94
3.6. Оценка закономерностей изменения разрушающих усилий в результате изменения основных факторов. Усилие образования трещин. Разрушающие
усилия 94
Выводы по главе 3 95
Глава 4. Исследование напряженно-деформированного состояния стеновых панелей с технологическими отверстиями численным методом
на основе пк лира 99
4.1. Программа исследований стеновых панелей численным методом 99
4.2. Расчетные схемы, методика расчета 100
4.3. Основные исследуемые факторы 100
4.4. Результаты расчета 101
4.5. Анализ результатов расчета 105
4.6. Стеновые панели с технологическими отверстиями прямоугольного и
овального очертания LOTB=225 мм 105
4.6.1 Стеновые панели с технологическими отверстиями
прямоугольного и овального очертания при действии горизонтальных сил LOTB=225 ММ 105
4.6.2. Стеновые панели с технологическими отверстиями
прямоугольного и овального очертания при действии вертикальных сил LQTB-225 ММ....: 123
4.6.3. Стеновые панели с технологическими отверстиями
прямоугольного и овального очертания при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил LOXB=225 мм 135
4.6.4. Стеновые панели без отверстий при действии горизонтальных
сил 148
4.7. Стеновые панели с технологическими отверстиями прямоугольного и овального очертания LOTB=270 мм 152
4.7.1. Стеновые панели с технологическими отверстиями
прямоугольного и овального очертания при действии горизонтальных сил LOTB=270 ММ 153
4.7.2. Стеновые панели с технологическими отверстиями
прямоугольного и овального очертания при действии вертикальных сил LOTB=270 мм 158
4.7.3. Стеновые панели с технологическими отверстиями
прямоугольного и овального очертания при совместном действии
вертикальных и горизонтальных сил LOTB=270 мм 158
Выводы по главе 4 164
Глава5. Разработка методов расчёта прочности стеновых панелей с технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе аналоговых моделей 168
5.1 Совершенствование технологии построения расчётных стержневых и
каркасных аналоговых моделей АСМ-о и АКМ-о стеновых панелей с технологическими отверстиями 168
5.2 Оценка напряжённого состояния стеновых панелей с технологическими отверстиями при действии вертикальных и горизонтальных сил на основе теории плоского одноосного напряжённого состояния (ТПОНС) профессора
Г.А. Гениева 170
5.3. Построение аналоговых стержневых моделей стеновых панелей с технологическими отверстиями 173
5.3.1. Определение расчетных элементов, ключевых точек и углов наклона стержневых элементов расчетной модели. Построение моделей 174
стеновых панелей с технологическими, отверстиями 177
5.4. Построение аналоговых каркасных расчетных моделей прочности стеновых панелей с технологическими отверстиями 177
5.5. Метод расчета прочности сжатых наклонных полос бетона аналоговых каркасных моделей АКМ-о и АКМ-от стеновых панелей с технологическими
отверстиями 186
5.5.1. Определение расчетных сечений сжатых полос бетона
аналоговых моделей АКМ-о и АКМ-от 188
5.5.2. Схемы предельных усилий в расчетных полосах бетона
аналоговых каркасных моделей стеновых панелей 190
5.5.3. Условия прочности наклонных сжатых полос бетона аналоговых
каркасных моделей стеновых панелей 192
5.6 Оценка прочности локальной концентрации напряжений в бетоне угловых зон технологических отверстий стеновых панелей 192
5.6.1. Построение стержневых моделей зон локальной концентрации
главных напряжений 192
5.6.2. Расчетные зависимости трещиностойкости бетона угловых зон
технологических отверстий 193
5.7. Оценка разработанного метода расчета прочности стеновых панелей с
технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил 193
5.8. Принципы эффективного армирования перемычек над технологическими
отверстиями стеновых панелей 195
Выводы по главе 5 198
Общие выводы и результаты 201
Список использованной литературы 206
Приложение 208

Список литературы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
• Анализ накопленного опыта экспериментальных исследований и методов расчета стен показал,.что в практике проектирования отсутствуют методы расчета стен, учитывающие наличие технологических отверстий. Выявлено, что экспериментальные исследования носят единичный бессистемный характер. Сделан вывод о необходимости совершенствования методов расчета и развития экспериментальной базы. При этом наиболее перспективным направлением совершенствования методов расчета является разработка аналоговых моделей сопротивления стен. Развитие экспериментальной базы наиболее эффективно осуществлять на основе системного подхода к испытаниям и преемственности программ факторного исследования стен.
• Систематизированы результаты экспериментальных исследований стен и стеновых конструкций, проведенных в нашей стране и за рубежом; Сделан вывод, что наиболее крупные исследования проведены в университетах Ноттингема и Кембриджа (Англия). Осуществлен системный подход и реализован принцип преемственности программ исследований данной диссертации и указанных зарубежных исследований. Создана научная экспериментальная база для совершенствования метода расчета стеновых панелей, ослабленных технологическими отверстиями, тем самым обеспеченно развитие экспериментальной теории сопротивления стен.
• Усовершенствована методология построения стержневых и каркасных моделей. Введен принцип копирования характера сопротивления стеновых конструкций, обоснованы принципы применения метода моделирования стен. Сделан вывод, что моделирование характера сопротивления следует осуществлять для тех конструкций, в которых определяющую роль играют главные напряжения. Исследуемые стеновые панели отвечают указанным требованиям. Оценку правомочности и влияния главных напряжений рекомендуется производить на основе теории плоского одноосного напряженного состояния профессора Г. А. Гениева.
• Наличие технологических отверстий ослабляет рабочие сечения и трансформирует траектории главных напряжений, которые играют определяющую роль в сопротивлении стен, создают новые локальные зоны концентрации напряжений, в результате чего значительно изменяется^ характер сопротивления стеновых панелей, их прочность снижается в 1.2-1.3 раза..
• Испытание стеновых панелей выявило влияние схем нагружения на величину разрушающей силы. При совместном действии вертикальных и горизонтальных сил вертикальная сила поочередно изменялась и принималась равной Fj=(0.25-0.5-0.75) Ftest, при этом величина разрушающей горизонтальной силы Qtcst уменьшается соответственно в 1.13; 1.2; 1.5 раза.
• Увеличение длины технологического отверстия в 1.2 раза от LOT=225 мм до LOT=270 мм приводит к снижению прочности расчетных сжатых полос бетона в результате изменения' углов' их наклона. Снижение прочности стеновых панелей происходит в пределах 1.2-1.3 раза.
• Выявлены схемы разрушений стеновых панелей с технологическими отверстиями. Произведена классификация', схем разрушениям К первому классу относится разрушение стеновых панелей в результате сжатия наклонных расчетных полос бетона. Ко второму классу отнесены разрушения в результате среза наклонных сжатых полос бетона.
• Проведена классификация трещин в бетоне исследуемых стеновых панелей. К первому классу отнесены граничные трещины Т-г, выделяющие наклонные полосы бетона, в пределах которых концентрируются траектории главных напряжений. Ко второму классу относятся серии мелких параллельных трещин £Т-в, которые характеризуют разрушение бетона наклонной полосы в результате сжатия. К третьему классу относятся диагональные трещины Tt) расположенные в наклонных сжатых полосах бетона, которые характеризуют разрушение сжатых полос бетона в результате среза. Особенностью классификации трещин в стеновых панелях с технологическими отверстиями являются короткие трещины Т-к,
образующиеся в бетоне в зоне концентрации напряжений над угловыми зонами отверстий. Их особенностью является раннее образование и раннее прекращение их роста как по длине, так и по ширине.
• Построение расчетных аналоговых стержневых моделей стен с технологическими отверстиями при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил осуществляется путем использования опыта моделирования стен сплошного сечения и стен с малогабаритными отверстиями при действии вертикальных сил. Новым подходом к моделированию является введение двух новых ключевых точек, соответствующих схеме нагружения панелей совместно действующими вертикальными и горизонтальными силами. Эти ключевые точки располагаются в центре эпюр главных напряжений, расположенных над вершинами углов технологических отверстий, т.е. в зоне концентрации главных сжимающих напряжений aj. Именно в этих зонах происходит резкое искривление траектории главных напряжений О].
• Построение расчетных каркасно-стрежневых моделей АКМ0, АКМот стен с технологическими отверстиями осуществляется на основе использования известных моделей прочности стен сплошного сечения. Основным отличием построения каркасно-стержневых моделей является моделирование нового направления траектории главных напряжений с изломом в зоне размещения отверстий. Траектории имеют более плавное очертание в стеновых панелях с овалообразными отверстиями. Особенность построения* моделей заключается в необходимости учета раздвоения концентрированного потока траекторий главных сжимающих напряжений в зоне размещения отверстий. В этом случае сжатые наклонные полосы бетона, расположенные между грузовыми и опорными площадками, приобретают овалообразное очертание. В результате количество расчетных сжатых полос бетона удваивается.
• Фактор совместного действия вертикальных и горизонтальных сил значительно изменяет характер напряженного состояния сил за счет
перераспределения: главных напряжений. Увеличиваются концентрация и величины главных напряжений: в зоне опорных грузовых площадок пропорционально снижению вертикальных сил. НДС носит кососимметричный: характер.
• Функциональное назначение стержневых моделей АСМ-о заключается в том, что именно? они образуют расчетную схему для выполнения статического расчета, т.е. определение усилий действующих в стеновых панелях.
• В порядке совершенствования: методологии построения аналоговых моделей стеновых панелей с отверстиями вводится* понятие внутренней условно несущей каркасной системы, образующийся объединением зон концентрации главных напряжений в некую систему.
• Определение усилий, действующих в стержневой модели AGM, производится по правилам строительной механики; при условии: шарнирного соединения- стержневых-элементов в узлах. На основе аналоговых каркасных моделей АКМо и AKMot получены: расчетные зависимости для определения- прочности сжатых полос. При разрушении стеновых: панелей? в? результате: сжатия бетонных наклонных полос, предельным состоянием расчетных: сечений является достижение сжимающими напряжениями расчетных предельных значений*ybRb. При разрушении стеновых панелей в результате среза сжатых наклонных полос бетона предельным состоянием расчетных сечений следует считать достижение касательными напряжениями величин расчетных предельных значений: yblRbl.
• У совершенствована ' методология * построения расчетных аналоговых моделей АСМ-о, АЕСМ-от , АКМ-0, АКМ-0к, копирующих физическою работу исследуемых стеновых панелей;
• Анализ результатов стеновых панелей с технологическими отверстиями проведенный в университете Кембридж (Англия)* перемычки которых, армированы часто расположенными наклонными хомутами позволяет сделать вывод, что наиболее эффективными являются хомуты, расположенные под углом 30°. В этом случае указанные хомуты оказывают максимальное сопротивление развитию поперечных деформаций в бетоне расчетных полос. Прочность стеновых панелей многократно (в пять раз) увеличивается.
• Предлагаемый метод расчета хорошо описывает закономерности изменения разрушающих усилий при изменении основных факторов - схем нагружения и увеличения длины отверстий. Достоинством разработанного метода расчета является использование принципа моделирования сопротивления стеновых панелей с технологическими отверстиями. Усовершенствованы аналоговые стержневые АСМ-о, АКМ-0т , АКМ-0, и каркасные модели. Совершенствование указанных моделей осуществлялось на основе результатов исследований, проведенных автором. Предлагаемый метод расчета повышает расчетную прочность, позволяет снизить расход материалов. Расчетные величины хорошо согласуются с опытными, среднее отклонение составляет Ftest/Fcaic“l.15.