Влияние гибких связей и утеплителя на работу изгибаемых трехслойных железобетонных панелей

В развитие решений ХХУ1 съезда партии ЦК КПСС и Совет Министров СССР 30 июня 1981 года приняли постановление «Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов», обязывающие партийные организации и хозяйственных руководителей обеспечить повсеместное проведение строгого режима экономии. Важное место в постановлении отводится внедрению новой техники, совершенствованию выпускаемого оборудования и конструкций, снижению их весовых характеристик и энергопотребления. Учитывая, что значительная часть (до 20%) всех энергоресурсов страны тратится на отопление зданий, Госстроем СССР было принято решение о повышении термического сопротивления стен. Достичь этого наиболее целесообразно применением трехслойных панелей с эффективными утеплителями путем утолщения утеплителя без изменения сечения несущего и ограждающего слоев панели. Здесь также с наименьшими затратами достигается экономически оптимальная величина термического сопротивления стен с учетом расходов на отопление зданий. При широко используемых однослойных панелях из легкого и ячеистого бетонов потребуется существенное увеличение толщины стены, и следовательно, увеличение расхода материалов и затрачиваемых на их изготовление энергоресурсов. По данным института экономики Госстроя СССР стоимость трехслойных панелей жилых зданий с вдвое большим, чем в однослойных панелях, термическим сопротивлением практически одинаковы. Экономия же на отопление здания за время его эксплуатации при трехслойных панелях близка к их начальной стоимости, к тому же при этом резко уменьшается расход топлива на отопление здания /84/. Трехслойные панели эконо.

— б мичны также в районах с низкими расчетными температурами / 8 /, в промышленных и сельскохозяйственных зданиях с повышенной влажностью и агрессивными средами / 28 /, в зданиях холодильников, плодоовощехранилшц и ряде других случаев.

В нашей стране наиболее широкое распространение особенно в жилищном строительстве получили железобетонные трехслойные панели с эффективными утеплителями и ребрами, связывающими монолитно наружные слои. Существенный недостаток этих конструкций состоит в том, что ребра препятствуют температурным деформациям наружного слоя панели, вовлекая в восприятие температурных напряжений внутренний слой панели и связан с внутренними конструкциями здания. Из-за суточных и сезонных колебаний температуры наружного воздуха, значительных для большинства районов нашей страны, в наружных слоях панелей возникают большие температурные напряжения, из-за которых в наружном слое панели и ребрах образуются широкие трещины. Через трещины влага проникает внутрь панели, вызывая коррозию ее арматуры и увлажняя утеплитель. Кроме того ребра являются проводниками тепла, увеличивая на треть теплопотери через стены. Перечисленные недостатки присущи и трехслойным панелям иа ребристых плит наружного и внутреннего слоев с ребрами, обращенным внутрь панели, и соединяемые металлическими накладками. От этих недостатков в значительной мере избавлены трехслойные панели с гибкими связями между наружными слоями, которые обеспечивают практически независимое деформирование наружного слоя при колебаниях температуры наружного воздуха / 8 /. К этим конструкциям в последние годы привлечено внимание ведущих проектных и научно-исследовательских организаций страны (ЦНИИЭП-жилища, ЦНИИпромзданий, ЦНИИЭПсельстрой, ГипроНИсельхоз, ЦНИИЭП ТБЗ и ТК, НИИЖБ, НИИСК, ЦНИИСК). Разработаны, испытаны и проверены трехслойные панели с эффективными утеплителями и гибкими связями в жилищном, общественном, сельскохозяйственном и промышленном строительстве.

Основываясь на технико-экономическом анализе НИИЭС и ВДИИЭП-жилшца Госстроем СССР и Госгражданстроем рекомендовано увеличение применения железобетонных трехслойных панелей в различных областях строительства в ближайшие годы за счет сокращения применения панелей других типов.

Важным вопросом в разработке и совершенствовании железобетонных трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем является выбор методики их расчета с учетом специфики железобетона. В принятых подходах к расчету и конструированию панелей имеется еще широкий круг невыясненных вопросов, в том числе и вопрос о совместной работе слоев за счет гибких связей и утеплителя при эксплуатационных нагрузках и при разрушении. Поэтому расчет и конструирование их разными организациями ведется при разных допущениях. Отсутствуют и подробные экспериментальные данные о работе таких конструкций. Направленных исследований железобетонных трехслойных панелей с гибкими связями и эффективными утеплителями явно недостаточно для выработки обоснованных рекомендаций по их расчету и конструированию. Ограничено и число испытаний конструкций как опытных. Все сказанное свидетельствует о необходимости проведения направленных исследований трехслойных панелей и составляющих их элементов.

Целью диссертационной работы является оценка принятых при проектировании приближенных методов расчета изгибаемых трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем и разработка предложений по учету совместной работы слоев за счет гибких связей и утеплителя до появления трещин, при расчете по появлению трещин и по прочности, обеспечивающих разработку более экономичных конструкций.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

— оценить прочность анкеровки гибких связей в виде шпилек в тонких наружных слоях панелей и проверить достаточность их анкеровки при работе на сдвиг при взаимном смещении слоев;

— получить экспериментально зависимость «сдвигающее усилие — податливость» для гибких связей, заанкеренных в бетоне слоев, и определить воспринимаемое ими предельное усилие;

— проверить приемлемость для тонких железобетонных элементов-слоев трехслойных панелей рекомендаций СНиП П-21−75 по расчету их по прочности, жесткости и трещиностойкости;

— изучить экспериментально совместную работу наружных железобетонных слоев трехслойных панелей за счет гибких связей и утеплителя с учетом геометрии и армирования элементов;

— разработать экспериментально обоснованные предложения по расчету изгибаемых железобетонных трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем до появления трещин (стадия эксплуатации), по появлению трещин и по прочности;

— проверить предложения по расчету и конструированию на натурных образцах стеновых панелей и разработать практические рекомендации по расчету с учетом работы панелей на косой изгиб;

— оценить на основе полученных результатов практические методы расчета и принципы конструирования, используемые при проектировании.

Научную новизну работы составляют:

— данные об анкеровке гибких связей в тонких наружных слоях трехслойных панелей при работе их на отрыв и на сдвиг;

— выявленная зависимость «сдвигающее усилие — податливость гибких связей», заанкеренных в бетоне слоев, и данные о предельных сдвигающих усилиях, которые могут воспринимать связи;

— экспериментальные данные о работе изгибаемых железобетонных трехслойных элементов с гибкими связями и эффективным утеплителем на всех стадиях (до появления трещин, после появления трещин и при разрушении) с выявлением влияния количества, длины и конструкции связей, наличием утеплителя и его толщины и характера армирования внутреннего слоя;

— предложения по расчету на изгиб железобетонных трехслойных элементов с гибкими связями и эффективным утеплителем как составных брусьев до появления трещин, по появлению трещин с учетом принятых в железобетоне предпосылок и по прочности методом предельного равновесия;

— предложения по расчету трехслойных железобетонных стеновых панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем ленточной разрезки с учетом работы их на косой изгиб;

— оценка практических, принятых при проектировании, методов расчета и конструирования железобетонных трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем;

— методика испытаний на косой изгиб трехслойных стеновых панелей ленточной разрезки, включая предложения о целесообразности в ряде случаев испытания панелей с удаленным утеплителем.

Автор защищает:

— экспериментальные данные об анкеровке гибких связей при работе их на отрыв и на сдвиг в трехслойных железобетонных панелях с эффективным утеплителем;

— экспериментальные данные по зависимости «сдвигающее усилие — податливость гибких связей», заанкеренных в бетоне слоев, и по предельным сдвигающим усилиям, воспринимаемым связями, и рекомендации по учету их при расчете;

— экспериментальные данные и рекомендации по особенностям расчета железобетонных слоев — элементов трехслойных панелей;

— экспериментальные данные о работе на всех стадиях вплоть до разрушения изгибаемых железобетонных трехслойных элементов с гибкими связями и эффективным утеплителем;

— предложения по расчету изгибаемых железобетонных трехслойных элементов с гибкими связями и эффективным утеплителем до появления трещин, по появлению трещин и по прочности;

— предложения по расчету трехслойных железобетонных стеновых панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем ленточной разрезки с учетом работы их на косой изгиб;

— выводы-оценки по используемым практическим методам расчета трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем;

— предложения по методике испытаний трехслойных стеновых панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем на косой изгиб;

— предложения по совершенствованию типовых конструкций трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем для сельхоззданий и данные по экономической эффективности проведенных усовершенствований.

Практическое значение работы:

— разработанные предложения по расчету трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем с учетом совместной работы слоев могут использоваться проектными организациями при разработке новых к. совершенствовании имеющихся конструкций;

— результаты работы использованы для совершенствования трехслойных панелей сельскохозяйственных зданий в части уменьшения в них расхода арматуры на 1,37 кг/м при снижении стоимости 0,18 руб/м^. Разработанные конструкции панелей рекомендованы для экспериментального строительства, они применяются в тресте «Калугасельстрой». Объем внедрения в 1982;1983 гг. составил 40 тыс. м^, при этом по сравнению с типовыми конструкциями расход арматуры снижен на 54,8 т и стоимость на 7,2 тыс. руб.;

— рекомендации по расчету использованы рядом проектных организаций: Мэспромпроектом для разработки рабочих чертежей наружных стеновых панелей и панелей внутренних стен камер плодоовощной базы промзоны Курьяново г. Москвы, где по сравнению с ранее применяемыми конструкциями расход стали снижен около 22 $- ЦНИИЭПсельстрой для разработки рабочих чертежей укрупненных панелей наружных стен для объектов Краснодарского Крайколхозстрой-объединения, где расход стали снижен до 25 $- ГипроНИсельхозом для разработки рабочих чертежей панелей для зданий хранилищ плодоовощной продукции, где их внедрение по сравнению с применяемыми решениями позволяет увеличить используемый объем зданий на 1−3 $ и снизить трудоемкость строительно-монтажных работ на 20−40 $;

— разработанная методика испытаний трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем на косой изгиб может использоваться научно-исследовательскими институтами при исследованиях и заводами при контрольных испытаниях конструкций;

Апробация работы: Основные положения работы доложены на секции конструкций Ученого Совета НИИЖБ, на научно-технических совещаниях лаборатории легких бетонов и конструкций НИИЖБ, на конференции молодых ученых УзССР и конференции профессорско-преподавательского состава ТашПИ.

— 12.

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка литературы и приложений. Объем диссертации 1бв страниц, включая 42 рисунков и 21 таблиц .

Выводы.

1. Проведенные исследования анкеровки гибких связей в наружном и внутреннем слоях панелей показали, что нарушение анкеровки происходит ранее достижения связями текучести и зависит от глубины заделки и наличия анкеров в виде отгибов или высаженных головок. Величина нагрузки при нарушении анкеровки связей всех видов существенно превышает величину приходящейся на них внешней нагрузки. Поэтому рекомендуются наиболее простые связи из арматуры периодического профиля без дополнительных анкеров. Испытания панелей до разрушения свидетельствуют о надежности анкеровки связей при их работе на сдвиг.

2. Разработанная схема загружения панелей и конструкция стен да и загрузочных устройств обеспечили возможность испытания до разрушения в условиях, близких к работе их в здании, и могут быть рекомендованы для лабораторных и контрольных испытаний трехслойных панелей ленточной разрезки.

3. Проведенный анализ и испытания свидетельствуют о наличии резервов в типовых трехслойных панелях, рабочая арматура их может быть уменьшена. Поэтому НИИЖБом совместно с ЦНИИЭПсельстроем разработаны конструкции с уменьшенным против типовых армированием. При этом обеспечивается снижение расхода рабочей арматуры 1,37 кг/м2 панели и снижение стоимости 0,18 руб/м2 стены.

4. Проведенные испытания до разрушения трехслойных панелей со сниженным расходом арматуры свидетельствуют о том, что они отвечают требованиям действующих норм по прочности, жесткости и трещиностойкости. При эксплуатационной нагрузке панели работают без трещин, что особенно важно при применении их в зданиях с агрессивной средой.

5. Разработанные конструкции панелей рекомендованы для экс периментального строительства. Применение их начато в тресте «Калугасельстрой». При годовом объеме 20 тыс. м2 в 1982;1983 г. обеспечивается по сравнению с типовыми конструкциями снижение расхода арматуры на 57,8 т и стоимости на 7,2 тыс. руб.

— 172 -ОБЩИЕ вывода И ПРВДЯОЖЕНШ.

Проведены экспериментально-теоретические исследования эффективных и перспективных для стен зданий различного назначения изгибаемых железобетонных трехслойных конструкций с гибкими связями и эффективным утеплителем. Экспериментальная часть работы включает проверку анкеровкитибких связей (24 образца), изучение работы гибких связей на сдвиг (12 образцов), получение данных о работе на изгиб наружного и внутреннего железобетонных слоев трехслойных панелей (8 образцов), испытание на изгиб трехслойных элементов с гибкими связями и эффективным утеплителем (23 образца) и проверку стеновых панелей ленточной разрезки при работе их на косой изгиб (6 панелей). Теоретическая часть работы включает оценку принятых при проектировании приближенных методов расчета, а также расчетов, включенных в «Методические рекомендации по проектированию железобетонных трехслойных стеновых панелей на гибких связях с эффективным утеплителем для производственных зданий», разработку предложений по учету при изгибе совместной работы слоев трехслойных панелей с гибкими связями и эффективным утеплителем и практических предложений по расчету трехслойных стеновых панелей ленточной разрезки на косой изгиб. С учетом результатов проведенных исследований разработаны конструкции трехслойных панелей с уменьшенным расходом арматуры, которые испытаны и внедряются в экспериментальном строительстве. Разработанные предложения по расчету использованы рядом организаций при проектировании новых конструкций. В результате проведенных исследований получены изложенные ниже выводы и предложения.

I. Для отдельных плит — элементов трехслойных панелей: а. расчет по прочности в соответствии с рекомендациями СНиП П-21−75 с учетом для плит внутреннего слоя нижней и верхней арматур дает результаты удовлетворительно согласующиеся с опытнымиб. расчет по появлению трещин плит внутреннего слоя с двойным армированием в соответствии с рекомендациями СНиП П-21−75 дает величины моментов близкие к опытнымв. расчет по появлению трещин плит внутреннего слоя с одинарным армированием по середине сечения и плит наружного слоя в соответствии с рекомендациями СНиП П-21−75 дает результаты существенно больше опытных, более близкие результаты дает расчет без учета пластических деформаций бетона растянутой зоныг. расчет прогибов до появления трещин в соответствии с рекомендациями СНиП П-21−75 и после их появления с учетом переменной жесткости элементов по длине в соответствии с рекомендациями «Руководства по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без предварительного напряжения)» дает результаты удовлетворительно согласующиеся с опытными.

2. Нарушение анкеровки гибких связей в наружном и внутреннем слоях панели происходит ранее достижения связями текучести и зависит от глубины заделки и наличия анкеров в виде отгибов или высаженых головок. Величина нагрузки при нарушении анкеровки связей всех видов существенно превышает величину приходящейся на них внешней нагрузки (ветрового отсоса). Поэтому рекомендуются наиболее простые связи из арматуры периодического профиля без дополнительных анкеров. Испытания панелей до разрушения свидетельствуют о надежности анкеровки связей при их работе на сдвиг.

3. При работе связей-шпилек на сдвиг до достижения ими предела текучести в местах заделки в бетон имеет место линейная связь между усилием сдвига и податливостью. Величина смещения может быть найдена из условия работы жестко заделанных связей на изгиб при длине их, равной суше толщины утеплителя и 2,6 диаметров связи. Прочность гибких связей при сдвиге рекомендуется определять при работе их на изгиб из условия достижения предела текучести по всему сечению в месте заделки в бетон.

4. Гибкие связи и утеплитель в виде плитного полистирола вовлекают в совместную работу наружную и внутреннюю плиты трехслойных панелей при работе на изгиб и влияют на прочность, жесткость и трещиностойкость трехслойных элементов. Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить влияние количества и конструкции гибких связей, наличия и толщины утеплителя. Установлено, что влияние это может быть весьма существенным.

5. Полученные экспериментально результаты позволили дать оценку приближенным, принятым при проектировании, методам расчета, в частности: а. о возможности и экономической целесообразности учета в работе трехслойных панелей тонкого наружного слоя;

6. о необходимости в общем случае в целях разработки экономичных решений учета совместной работы слоев трехслойных панелей с гибкими связями и утеплителемв. о недопустимости в общем случае расчета трехслойных панелей с гибкими связями и утеплителем как монолитных конструкций, поскольку такой расчет не обеспечивает требуемой нормами надежности. б. Сравнение полученных при испытании результатов с расчетными по «Методическим рекомендациям по проектированию железобетонных трехслойных стеновых панелей на гибких связях с эффективным утеплителем для производственных зданий» НИИСК показало: а. Теоретические величины несущей способности в ряде случаев существенно меньше опытных (до 66 $). Расчетная модель не отражает реальных особенностей работы трехслойных конструкций с гибкими связями и эффективными утеплителями, ее необходимо изменить;

6. Теоретические величины момента появления трещин для образцов без утеплителя близки к опытным, для образцов с утеплителем — несколько (до 21 $) меньше опытныхв. Теоретические величины прогибов до появления трещин в образцах без утеплителя несколько (до 25 $) меньше опытных, в образцах с утеплителем — близки к опытным. После появления трещин теоретические величины прогибов существенно больше опытных. Для последнего случая расчет следует уточнить.

7. До появления трещин (обычно это при эксплуатационных нагрузках) трехслойные панели с гибкими связями и эффективным утеплителем мо1ут рассчитываться как составные упругие стержни (например, по /60/) с учетом повышенной податливости гибких связей за счет обмятия бетона в местах заделки путем увеличения их длины на 1,3 диаметра с каждой стороны.

8. Расчет по появлению трещин рекомендуется проводить также с использованием результатов расчета усилий в элементах как в составных упругих стержнях с учетом вышеприведенных рекомендаций в части податливости гибких связей и предпосылок норм проектирования железобетонных конструкций при определении трещиностой-кости внецентренно растянутых сечений.

9. Расчет по прочности рекомендуется проводить в соответствии с предложениями проф.Ю. В. Чиненкова методом предельного равновесия по приведенным в работе формулам. При этом момент, воспринимаемый сечением, представляет сумму моментов, воспринимаемых внутренним внецентренно растянутым слоем, внешним внецентренно сжатым слоем и сечением в целом, зависящим от предельных усилии в связях.

10. От ветровой нагрузки, собственного веса и веса заполнения оконных проемов стеновые панели ленточной разрезки работают на косой изгиб. При этом наружный слой панели можно рассчитывать только на изгиб из плоскости от части ветровой горизонтальной нагрузки, а внутренний — на косой изгиб от всей вертикальной нагрузки и части горизонтальной. Горизонтальная нагрузка распределяется между слоями из расчета с учетом их совместной работы за счет гибких связей и утеплителя. Для типовых панелей промзданий за счет учета вертикальной нагрузки уменьшение предельной горизонтальной нагрузки для внутреннего слоя составляет 3−18 $.

11. При изготовлении трехслойных панелей с плитным утеплителем возможен затек бетона в местах стыков утеплителя из-за неплотного их примыкания и по периметру конструкции из-за неплотного заполнения утеплителем опалубки. Затеки бетона образуют жесткие связи между внутренним и наружным слоями панели, которые мо1ут оказать существенное влияние на работу конструкции. Это необходимо иметь в виду при испытании. При исследовании трехслойных панелей, в которых могут применяться утеплители различных видов, в том числе и не работающие совместно с железобетонными слоями или меняющие во времени свойства целесообразно утеплитель удалять до начала испытания.

12. Разработанная схема загружения панелей и конструкция стенда и загрузочных устройств обеспечили возможность испытания панелей до разрушения в условиях, близких к работе их в здании, и могут быть рекомендованы для лабораторных и контрольных испытаний трехслойных панелей ленточной разрезки.

13. Проведенный анализ и испытания свидетельствуют о наличии резервов в типовых трехслойных панелях, рабочая арматура их может быть уменьшена. Поэтому НИЖБом совместно с ЩИИЭПсель-строем разработаны конструкции с уменьшенным против типовых армированием. При этом обеспечивается снижение расхода рабочей ар

Р о матуры 1,37 тт/уг панели и снижение стоимости 0,18 руб/м стены.

14. Проведенные испытания до разрушения трехслойных панелей со сниженным расходом арматуры свидетельствуют о том, что они отвечают требованиям действующих норм по прочности, жесткости и трещиностойкости. При эксплуатационной нагрузке панели работают без трещин, что особенно важно при применении их в зданиях с агрессивной средой.

15. Разработанные конструкции панелей рекомендованы для экспериментального строительства. Применение их начато в тресте «Калугасельстрой». Объем внедрения в 1982 и 1983 гг. составил.

40 тыс. м^, при этом по сравнению с типовыми конструкциями расход арматуры снижен на 54,8 т и стоимость на^, 8 тыс, руб.

16. Разработанные на основе проведенного исследования предложения по расчету трехслойных панелей стен с эффективным утеплителем и гибкими связями переданы ряду проектных организаций (ЩШИЭПсельстрой Минсельстроя СССР, Моспромпроект, ГипроНИсель-хоз Минсельхоза СССР) по запросам и использованы ими при разработке конструкций стен овощехранилищ массового применения, плодоовощной базы в Москве на 60 тыс. тонн продукции и сельхоззданий, возводимых в Краснодарском крае. По полученным от них сведениям применение трехслойных панелей обеспечивает существенное снижение трудозатрат, а использование разработанных рекомендаций — снижение расхода арматуры.