Поверхности положительной науссовой кривизны

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Самарский Государственный архитектурно-строительный Университет Кафедра железобетонных и каменных конструкций Выпускная квалификационная работа на соискание степени (квалификации) бакалавра техники и технологии ПОКРЫТИЯ ДВОЯКОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ГАУССОВОЙ КРИВИЗНЫ Кожанова Светлана Рамильевна Самара 2012

Содержание Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования

2. Особенности конструирования покрытий положительной гауссовой кривизны

2. Особенности конструктивного решения сборно-монолитного перекрытия типа «Сочи»

3. Задачи исследования Выводы Библиографический список

Введение

Перекрытие — это горизонтальный элемент здания, разделяющий его внутреннее пространство на этажи и воспринимающий нагрузки от находящихся в помещении мебели, оборудования, людей и др.

Железобетонные перекрытия используют в домах из кирпича, бетона или камня. Важной особенностью таких перекрытий является их высокая несущая способность.

Перекрытия классифицируют по следующим признакам:

— по местоположению в здании: надподвальные, нижние, междуэтажные, чердачные;

— по конструкции: балочные и безбалочные;

— по технологии возведения и материалу: сборные, монолитные, сборно-монолитные.

Сборные железобетонные перекрытия (Рис. 1) бывают из железобетонных балок и плит. Балки изготавливают на заводе или строительной площадке. Для усиления прочности их армируют. Они имеют Т-образную форму. Между ними помещаются вкладыши, которые делают из легких материалов (гипсобетон, бетонные пустотелые камни). Такие вкладыши выпускают с вырезами для опирания на бруски балок.

Рис. 1. Сборные железобетонные перекрытия: 1. бетонный камень-вкладыш 2. железобетонная балка 3. покрытие пола Железобетонные плиты перекрытия изготавливают на заводе, различных видов и размеров. Принцип работы железобетонной плиты такой: бетон хорошо сопротивляется нагрузкам на сжатие и во много раз хуже нагрузкам на растяжение. Бетонная плита под воздействием нагрузки прогибается и в верхней части происходит сжатие бетона, а в нижней части растяжение бетона в результате появляются трещины, поэтому в зону растяжения помещают стальные стержни, которые хорошо сопротивляются усилиям растяжения. На этом принципе основано применение железобетонных конструкций.

Монолитные перекрытия (Рис. 2) обеспечивают общую жесткость строения и подходят в тех случаях, когда здание имеет сложную форму. Такие железобетонные перекрытия имеют недостатки, большая трудоемкость и наличие специальной техники.

Рис. 2. Монолитные перекрытия: 1. железобетонная плита 2. кирпичная несущая стена 3. покрытие пола

Сборно-монолитные перекрытия (Рис. 3) устраивают из пустотных бетонных камней. Для этого сооружают опалубку из досок. Далее по доскам раскладывают камни, вдоль их стыков закладывают арматуру в виде отдельных стержней или каркасов (с верхней и нижней рабочей арматурой). В образовавшийся зазор заливают бетон класса В75, В10. После 5−10 дней опалубку снимают.

Современные сборно-монолитные системы перекрытий состоят из облегченных балок, изготовленных из железобетона, пустотелых керамзитобетонных блоков и строительного бетона. Благодаря этому, вся конструкция имеет небольшую массу, соответственно снижает нагрузку за несущие стены и фундамент объекта.

Процесс монтажа сборно-монолитных перекрытий выполняется в такой последовательности:

— Устанавливаются армированные железобетонные балки таким образом, чтобы между ними могли быть смонтированы пустотелые блоки;

— Монтируются керамзитобетонные блоки;

— Заливается монолитный бетонный раствор.

Рис. 3. Сборно-монолитные перекрытия: 1. балка перекрытия 2. бетонный камень-вкладыш 3. монолитный бетонный пояс 4. кирпичная стена 5. арматурная сетка 6. монолитный бетон Сборно-монолитные конструкции легко заменяют дорогостоящие системы с использованием плит или монолита, при этом прочность таких конструкций гораздо выше, а стоимость материалов и монтажных работ ниже. Эти факторы позволяют применять сборно-монолитные перекрытия на любых объектах недвижимости частного домостроения и промышленного сектора. Такие конструкции позволяют выдерживать нагрузки 1,3 тонны на 1 метр квадратный и могут применяться в районах с сейсмичностью 8 баллов. В принципе, сборно-монолитные перекрытия выполняют роль несъемной опалубки, заливаемой бетоном.

Преимущества современных сборно-монолитных перекрытий заключается в снижении себестоимости конструкции за счет уменьшения подготовительных и арматурных работ, улучшении показателей тепло и шумоизоляции. Также следует отметить высокую огнестойкость конструкций.

Монтаж сборно-монолитных перекрытий позволяет выполнить следующие операции:

— Уменьшить стоимость работ за счет отсутствия необходимости использования кранового оборудования, и техники для производства бетона (процесс происходит в месте строения);

— Сокращение времени монтажных операций, так к примеру выполнение работ не потребует высокой квалификации, а перекрытия площадью 100 метров квадратных, могут выполнить три человека за три дня;

— Отсутствие необходимости использования дорогостоящей съемной опалубки;

— Сокращение необходимого для монтажа оборудования (нужны лишь опоры для продольных балок).

— Основы расчета и конструирования сборно-монолитных перекрытий сводятся к тому, в каком месте необходимо устанавливать подобные конструкции. Так, подобные системы могут монтироваться на реконструируемых объектах без удаления кровли, а также во всех случаях, когда необходимо обеспечить хорошую теплоизоляцию, звукоизоляцию, обеспечить высокую несущую способность перекрытий.

Также сборно-монолитные перекрытия принято монтировать в труднодоступных местах, с использованием минимального набора инструментов.

1. Состояние вопроса и задачи исследования Сборно-монолитная конструкция перекрытия состоит из сборных элементов и монолитных частей, бетонируемых непосредственно на площадке. Затвердевший бетон этих монолитных участков связывает конструкцию в единую совместно работающую систему.

Сборные элементы перекрытия служат остовом для монолитного бетона и в них размещена основная, чаще всего напрягаемая арматура. Дополнительную арматуру при монтаже можно укладывать на остов из сборных элементов. Сборные элементы изготовляют из бетона относительно высоких классов, бетон же монолитных участков может быть класса В15.

Работа сборно-монолитной конструкции характеризуется тем, что деформации монолитного бетона следуют за деформациями бетона сборных элементов, и трещины в монолитном бетоне не могут развиваться до тех пор, пока они не появятся в предварительно напряженном бетоне сборных элементов.

Опыты показали, что совместная работа сборных предварительно напряженных элементов и монолитных частей возможна и при бетонах на пористых заполнителях.

Применение сборно-монолитных конструкций требует соответствующего обоснования, так как на площадке необходима организация двух процессов производства работ с различной технологией и применением различных механизмов: монтаж сборных элементов и бетонирование монолитных участков.

Следует отметить, что в строительной практике утвердились несколько типов сборно-монолитного каркаса перекрытия. Наибольшее распространение получил каркас со скрытым ригелем, образующимся после формовки внутри перекрытия. К данной разновидности относится и каркас типа «Сочи».

Плоское сборно-монолитное перекрытие типа «Сочи», отличающееся высокой надежностью, предназначено для районов России, имеющих повышенную сейсмичность.

Конструкция этого перекрытия была разработана в 1962 году для возведения здания санаторного корпуса в г. Сочи.

Теоретические и практические основы сборно-монолитного перекрытия типа «Сочи» были разработаны коллективом ученых, возглавляемых академиком Н. В. Никитиным и являющихся сотрудниками институтов ЦНИИЭП зрелищных зданий и спортивных сооружений, НИИЖБ, ЦНИИОМТП.

2. Особенности конструктивного решения сборно-монолитного перекрытия типа «Сочи»

В каркасе перекрытия применены широко изготавливаемые на заводах типовые круглопустотные плиты, между торцами которых в пределах толщины плиты делают монолитные железобетонные главные балки (ригели), а в колонах квадратного, прямоугольного или круглого сечения на уровне перекрытий для пропуска арматуры монолитного ригеля должны быть незабетонированные участки или отверстия в бетоне.

Перекрытие типа «Сочи» (Рис. 4) представляет собой плоскую сборно-монолитную плиту, опертую на колонны, размещенные в плане с шагом до 7,2 м включительно, в обоих направлениях. Плита перекрытия включает сборные многопустотные плиты с открытыми с обоих концов пустотами, в которых на глубину не менее 50 мм установлены заглушки.

Между торцами многопустотных плит в створах колонн устроены монолитные железобетонные ригели (Рис. 5). В поперечном направлении вдоль ригелей в створах колонн выполнены монолитные железобетонные ригели с шириной, равной ширине стороны сечения колонны. По длинным сторонам панелей оставляются зазоры, в которых образуются монолитные балки шириной не менее 100 мм, предназначенные для превращения сборных однопролетных панелей в неразрезную балочную плиту. Между каждой плитой вставляются плоские арматурные каркасы, которые связывают арматуру соседних параллельных ригелей.

Рис. 4. Сборно-монолитное перекрытие «Сочи»

Таким образом, сборные многопустотные плиты окаймлены со всех сторон монолитными железобетонными балками, что в целом создает жесткий диск перекрытия, способный противостоять повышенным нагрузкам. Эти же балки служат шпонками для включения панелей в совместную работу на изгиб главной балки (ригеля). При соответствующем армировании эти балки могут служить и для усиления панелей в пролете, и содержать арматуру, необходимую для передачи сейсмических усилий на устои (диафрагмы жесткости здания). Пролет монолитных ненапрягаемых несущих ригелей принят равным 3−7,2 м и лимитируется длиной многопустотных плит высотой 22 см, а также нагрузкой.

Рис. 5. Фрагмент сборно-монолитного плоского перекрытия «Сочи»

1 — монолитные ригели;

2 — сборные многопустотные железобетонные панели перекрытия;

3 — сборные железобетонные колонны;

4 — приколонные монолитные балки;

5 — монолитные балки между панелями.

Конструкция перекрытия «Сочи» пригодна для рамных и рамно-связевых каркасов многоэтажных зданий. Под нагрузкой оно работает как единая плита с точечным опиранием на колонны и отличается повышенной жесткостью при изгибе (малыми прогибами) от вертикальной нагрузки. Здания с перекрытиями «Сочи» благодаря жесткому объединению элементов характеризуются также и повышенной сейсмостойкостью, общей устойчивостью и жесткостью. Каркасы с перекрытиями «Сочи» представляют широкие возможности для гибких и разнообразных архитектурно-планировочных решений благодаря выполнению перекрытий плоскими при достаточно больших размерах сетки колонн до 7.2×7.2 м включительно.

Испытания образцов фрагментов сборно-монолитного перекрытия типа «Сочи» подтвердили совместную работу сборной и монолитной частей перекрытия. Диски перекрытий явились надежными конструкциями для передачи горизонтальных нагрузок на устои (диафрагмы жесткости здания). Каркас позволяет унифицировать жилые и 80% общественных зданий, к которым относится дошкольные, школьные, административные и бытовые здания, больницы, гостиницы и библиотеки, большинство зданий предприятий торговли и питания, а также здания гаражей, автостоянок, складов и некоторых многоэтажных промышленных зданий.

Недостатками каркаса «Сочи» являются:

— большой объём монолитного бетона и ненапрягаемой арматуры в ригелях, балках и прогонах перекрытий;

— трудоемкая съемная опалубка для монтажа для монтажа плит и бетонирования монолитных участков перекрытий;

— проёмы в колоннах, снижающие прочность ответственных элементов из-за усадки монолитного бетона, недостаточного его уплотнения и сложности контроля качества.

Вместе с тем, перекрытие «Сочи» недостаточно экономично, оно отличается повышенным расходом металла на его устройство, поскольку все монолитные ригели (в створах колонн) и балки между боковыми сторонами плит содержат дополнительное армирование. Большая поверхность выступающих книзу перекрытия монолитных конструкций требует дополнительных трудозатрат на отделку их поверхностей. Эти и другие недостатки конструкции перекрытия «Сочи» не позволили ей получить широкого распространения в массовом строительстве. Известно строительство зданий с перекрытиями «Сочи» в Краснодарском крае.

3. Задачи исследования В данной работе основной задачей исследования по теме является разработка методов расчета покрытий двоякой положительной гауссовой кривизны на ЭВМ, методом конечно-элементного моделирования с использованием ПК «Лира».

При этом планируется произвести сравнительный анализ результатов расчета на ЭВМ с результатами эксперементальных данных, а также сравнение линейного и нелинейного расчетов между собой.

ЦНИИЭП зрелищных, спортивных, административных зданий и сооружений имени Б. С. Мезенцева разработал «Рекомендации по проектированию конструкции плоского сборно-монолитного перекрытия «Сочи», Издание 3-е, Москва, Стройиздат, 1975.

В этих рекомендациях приведены методы расчета конструкции перекрытия типа «Сочи», отличные от общепринятых и изложенных в СНиП:

— показана методика расчета и конструирования крайних узлов рам для тех случаев, когда опорная растянутая арматура ригелей заведена да грань опоры менее, чем это требуют нормы для обеспечения анкеровки (бесконсольное решение);

— уточнен расчет плиты в зоне колонны на продавливание;

— определены возможности использования перекрытия в качестве диска для передачи сейсмических нагрузок.

В научно-техническом и производственном журнале «Бетон и Железобетон» № 4(553) за август 2008 года в статье Семченкова А. С., д-ра техн. наук (НИИЖБ), «Обоснование регионально-адаптируемой индустриальной универсальной строительной системы «Радиусс». Указано, что при разработке системы «Радиусс» были рассмотрены и проанализированы другие конструктивные системы сборно-монолитных перекрытий, в том числе и каркас типа «Сочи».

Стройхолдинг в 2009 года опубликовал статью «Современные здания со сборно-монолитным каркасом» ЗАО «Вибропресс», в которой говорится, что на базе каркаса типа «Сочи» была выполнена работа по дальнейшему развитию каркаса со скрытым ригелем, осуществленная Институтами БелНИИС, ООО «Строймашпроект». Были спроектированы и возведены сотни многоэтажных зданий различного назначения.

Для расчета был выбран фрагмент перекрытия размером 12,5×12 м (Рис. 6). Шаг колонн 6 метров в обоих направлениях.

Рис. 6. Фрагмент перекрытия

1. Первая расчетная модель В первом случае перекрытие моделировалось, как плита-оболочка, с различными размерами ячеек (Рис. 7). По контуру введены плавающие шарниры запрещающие поворот (в направлении х — поворот относительно х, в направлении у — поворот относительно у). В местах предполагаемого расположения колонн были запрещены перемещения по оси z. Для обеспечения геометрической неизменяемости системы были дополнительно введены связи в местах примыкания одной колонны по оси х и у, в другой по у.

Рис. 7. Конечно-элементная модель перекрытия Расчет был выполнен на два загружения:

1. Постоянное, собственный вес (Рис. 8);

2. Временная нагрузка (Рис. 9).

Рис. 8. Загружение 1. Собственный вес Рис. 9. Загружение 2. Временная нагрузка Ниже представлены результаты статического расчета в виде изополей усилий (Рис. 10, 11, 12, 13).

Рис. 10. Изополя усилий М_х

Рис. 11. Изополя усилий М_у

Рис. 12. Изополя усилий Q_х

Рис. 13. Изополя усилий Q_у

После анализа данных статического расчета был выполнен подбор арматуры с помощью программы ЛирАрм (Рис. 14, 15, 16, 17). Плита рассчитывалась как оболочка, бетон плиты назначен В25, арматура А400.

Рис. 14. Нижняя арматура по оси Х Рис. 15. Верхняя арматура по оси Х Рис. 16. Нижняя арматура по оси Y

Рис. 17. Верхняя арматура по оси Y

По результатам расчета перекрытия была подобрана арматура класса А400:

В восьми монолитных балках между панелями: 812 А400;

В трёх приколонных балках: 616 А400;

В двух ригелях: 618 А400.

Данные результаты отличаются от ручного расчета перекрытия, предложенного в «Рекомендациях по проектированию», так как при предложенной расчетной схеме некорректно моделировалось сопряжение монолитных и сборных элементов.

2. Вторая расчетная модель Во втором случае перекрытие было представлено в виде стержневой расчетной модели (Рис. 18), в которой путем объединения перемещений в вертикальном положении удалось смоделировать сопряжение сборных и монолитных конструкций.

Рис. 18. Расчетная модель Наличие пустот в плитах удалось учесть путем совокупности элементов двутаврового профиля, а их совместную работу при помощи стержней перпендикулярного направления. Это позволило промоделировать континентальную конструкцию плиты.

Монолитная связь плит с ригелем промоделирована жесткими вставками границы, от которых зависят от ширины сечения ригелей.

Расчет был выполнен на два загружения:

1. Постоянное, собственный вес (Рис. 19);

2. Временная нагрузка (Рис. 20).

Рис. 19. Загружение 1. Собственный вес Рис. 20. Загружение 2. Временная нагрузка Для сравнения результатов расчета представлены эпюры моментов и перерезывающих сил в ригелях (Рис. 21, 22, 23, 24).

Рис. 21. Эпюра Мy от собственного веса Рис. 22. Эпюра Мy от временной нагрузки Рис. 23. Эпюра Qz от собственного веса Рис. 24. Эпюра Qz от временной нагрузки Эпюры, приведенные в «Рекомендациях по проектированию конструкций плоского сборно-монолитного перекрытия «Сочи», 1975 г, представлены на Рис. 25.

Рис. 25. Эпюры расчетных усилий в ригеле рамы Для второй расчетной схемы также была подобрана арматура класса А400:

В восьми монолитных балках между панелями: 816 А400;

В трёх приколонных балках: 618 А400;

В двух ригелях: 620 А400.

4. Сравнение результатов расчета Для сравнения результатов расчетов, составлены таблица подобранного армирования:

арматура перекрытие каркас ригель

Таблица сравнения максимальных моментов в ригелях, на опорах:

Таблица сравнения моментов в ригелях, в пролете:

Таблица сравнения максимальных перерезывающих сил в ригелях, на опорах:

Выводы

1. По результатам выполненной работы, можно сделать вывод, что расчет плоского сборно-монолитного перекрытия типа «Сочи» целесообразно выполнять методом конечно-элементного моделирования, с помощью ПК «Лира».

2. В качестве расчетной модели рекомендуется стержневая модель, которая позволяет корректно смоделировать сопряжение сборных и монолитных элементов. В этом случае результаты расчета практически совпадают с величинами, представленными в «Рекомендациях по проектированию конструкций плоского сборно-монолитного перекрытия «Сочи», 1975 г.

Библиографический список

1. Коробов Л. А., Назарьев О. К., Павилайнен В. Я. «Железобетонные пространственные конструкции атомных и тепловых электростанций», Москва, Энергоиздат, 1985 г.

2. Демина А. В. «Здания с большепролетными покрытиями», Тамбов, ТГТУ, 2003 г.

3. Рюле Г., «Пространственные покрытия», Москва, Стройиздат, 1973 г.

4. СП 52−117−2008 «Железобетонные пространственные конструкции покрытий и перекрытий», Москва, 2008 г.

5. Лебедева А. В. «Фермы, арки, тонкостенные пространственные покрытия», Москва, Стройиздат, 1985 г.