Прочность и деформации крупнопанельных стен при одновременном действии горизонтальных знакопеременных и вертикальных нагрузок

Значительная часть территории СССР, где проживает 20% населения страны и расположено её II союзных республик, находится в зоне возможных сильных землетрясений. На этой территории расположены культурные и промышленные центры, города и села, осуществляется в грандиозных масштабах новое строительство.

Развитие жилищного строительства в сейсмических районах нашей страны происходит на базе индустриальных методов и, прежде всего, путем возведения бескаркасных крупнопанельных зданий, что связано с большими технико-экономическими достоинствами последних [45, 5l].

Анализ последствий землетрясений, происшедших за последнее время в СССР, Румынии и Болгарии, (Дагестанское, 1970 г., Джамбул ское, 1971 г., Петропавловск-Камчатское, 1972 г., Газлийские, 1976 г. и 1984 г., Карпатское, 1977 г.) показал, что строительство таких зданий в сейсмических районах вполне оправдано.

В связи с ежегодным ростом объема строительства в сейсмически опасных районах страны, возрастают и затраты на антисейсмическое усиление зданий. Поэтому необходимо развивать и совершенствовать конструктивные решения зданий с целью снижения затрат на антисейсмические мероприятия при одновременном обеспечении требуемой сейсмостойкости. Как показывают проектные проработки, выполненные в филиале СКТБ Стройиндустрия Минстроя СССР в Тбилиси, применение предварительного напряжения в крупнопанельных зданиях может отвечать этим требованиям. При этом особенно важным является достигаемое в этом случае значительное упрощение стыковых соединений. Однако применению этого метода препятствует недостаточность экспериментальных и теоретических исследовании.

Следует отметить, что вообще вопрос о сейсмостойкости предварительно-напряженных железобетонных конструкций пока исследован недостаточно. Picследования сейсмостойкости предварительно-напряженных железобетонных конструкций в лабораторных условиях в основном ограничивались изучением отдельных изгибаемых элементов. Анализ последствий сильных землетрясений, происшедших в Скопле (Югославия, 1963 г.), на Аляске (США, 1964 г.), в Ниигата (Япония, 1964 г.), Токаш-Оки (Япония, 1968 г.), Банья-Лука (Югославия, 1969 г.), Сан-Фернандо (США, 1971 г.) и в других местах, показал, что конструкции из предварительно-напряженного железобетона, рассчитанные на сейсмические воздействия, как правило, не являлись причиной повреждения и разрушения зданий и других сооружений. Количество данных из натурных обследований повреждений предварительно-напряженных железобетонных конструкций при указанных выше землетрясениях еще очень шло и поэтому нет возможности надежно оценить степень их сейсмостойкости.

Таким образом, для выявления эффективности применения предварительного напряжения в крупнопанельных зданиях, предназначенных для сейсмических районов, а также требуемых для расчетов их динамических характеристик возникла необходимость в проведении специальных экспериментально-теоретических исследований.

В связи с тем, что нормами допускается значительное развитие нелинейных деформаций конструкций (ограниченное однако требованием безопасности людей и сохранности ценного оборудования, исторических и культурных ценностей), существенно влияющих на динамические характеристики обычных крупнопанельных стен, необходимо было параллельно с предварительно-напряженными исследовать работу в неупругой области и конструкций без предварительного напряжения, использовав их в последующем и в качестве эталонных при оценке характеристик предварительно-напряженных конструкций.

Целью исследований, которым посвящена данная диссертационная работа, является изучение напряженно-деформированного состояния крупнопанельных сплошных и с проемами стен, выполненных без предварительного напряжения и с предварительным напряжением вертикальной арматуры при действии на них горизонтальных сил типа сейсмических и оценка влияния величины горизонтальной нагрузки на динамические характеристики этих стен с учетом развития в них неупругих деформаций.

Научную новизну работы составляют:

— обоснование возможности применения предварительного напряжения в крупнопанельных зданиях для строительства в сейсмических районах;

— выявление динамических характеристик и напряженно-деформированного состояния сплошных и с проемами диафрагм — поперечных стен крупнопанельного здания с предварительным напряжением и без него в линейной и нелинейной стадиях работы при действии на них одновременно горизонтальных и вертикальных нагрузок.

Автор защищает:

— результаты экспериментально-теоретических исследований влияния предварительного напряжения на работу диафрагм с проемами и без проемов при действии на них горизонтальных и вертикальных нагрузок;

— экспериментальные данные по деформативным свойствам сплошных и с проемами диафрагм крупнопанельного здания с вертикальным напряжением и без него, а также характера трещинообразования в условиях знакопеременного воздействия горизонтальных нагрузок;

— предложения по определению динамических характеристик предварительно-напряженных диафрагм крупнопанельного здания.

Проведенные исследования позволили выявить эффективность применения предварительного напряжения в крупнопанельных зданиях. Применение предварительного напряжения в крупнопанельных зданиях позволяет получить экономический эффект за счет упрощения конструктивных решений стыковых соединений и снижения расхода стали.

Внедрение результатов. Результаты исследований, изложенных в диссертационной работе, использованы при подготовке натурных испытаний 9-ти этажного дома с предварительным напряжением, выполненных совместно филиалом СКТБ Стройиндустрия Минстроя СССР в Тбилиси и ЦНИИСК им. Кучеренко, а также будут использованы в окончательной редакции Руководства по проектированию крупнопанельных зданий с предварительным напряжением арматуры для строительства в сейсмических районах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании «Снижение материалоемкости и трудоемкости сейсмостойкого строительства» в г. Алма-Ате в 1982 г. и на заседании секции сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. Кучеренко в 1984 г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (84 наименований) и приложенияона изложена на 102 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунков и 19 таблиц.

ВЫВОДЫ.

1. В работе показано, что периоды основного тона собственных колебаний крупнопанельных диафрагм линейно увеличиваются с увеличением количества этажей. Для их определения предложены эмпирические формулы (3.1 а) и (3.2 а). Опыты показали, что устройство одного ряда дверных проемов с размерами и расположением в стене диафрагмы, принятыми в данной работе, приводит к увеличению периодов ее собственных колебаний примерно на 25%.

Предварительное напряжение диафрагмы с увеличением величины натяжения арматуры уменьшает периоды собственных колебаний по линейной зависимости, приведенной для испытанных моделей в формуле (3.3 а).

2. Коэффициенты поглощения энергии возрастают по мере роста величины горизонтальной нагрузки, причем быстрее у диафрагм с проемами. С ростом величины предварительного обжатия коэффициент поглощения энергии уменьшается. Однако при малых горизонтальных нагрузках предварительное обжатие не оказывает заметного влияния на величину коэффициента поглощения энергии.

3. Коэффициенты пластичности диафрагм с предварительным напряжением и без него изменяются с изменением величины горизонтальной нагрузки. До нагрузки, составляющей треть от разрушающей, они соответствуют упругой работе конструкции, при этом У=1 с увеличением горизонтальных нагрузок значения V быстро возрастают. Наличие дверных проемов в стенах увеличивает коэффициент пластичности, а предварительное напряжение вертикальной арматуры приводит к его некоторому снижению.

4. Предварительное напряжение вертикальной арматуры приводит к некоторому повышению жесткости диафрагм, зависящему от величины предварительного напряжения.

Раскрытие горизонтальных стыков диафрагмы при действии горизонтальных нагрузок и при наличии предварительного напряжения происходит позже, чем у такой же диафрагмы, но с обычным армированием.

5. Предварительное напряжение вертикальной арматуры увеличивает значения сжимающих напряжений в поперечных сечениях диафрагмы по всей ее высоте, в том числе и на верхних этажах, не увеличивая массы конструкций, что особенно благоприятно при сейсмических воздействиях с преобладающими вертикальными составляющими.

При увеличении величины горизонтальных нагрузок предварительно-напряженная вертикальная арматура растянутой зоны диафрагмы препятствует интенсивному росту напряжений в ее наиболее сжатых точках.

6. Несимметричное расположение дверных проемов у 9-ти этажной диафрагмы при воздействии на нее горизонтальных нагрузок проявилось более резко при обычном армировании, чем в случае применения предварительно-напряженной арматуры.

У диафрагм с дверными проемами напряжения концентрируются на гранях стен у проемов и особенно в углах проемов. Знакопеременное действие горизонтальной нагрузки приводит к значительному колебанию напряжений в углах дверных проемов.

7. Выявлена последовательность развития неупругих деформаций в элементах и связях диафрагм (с предварительным напряжением и без него), происходящих по мере роста на них горизонтальных нагрузок.

8. Получена хорошая согласованность результатов эксперимента и расчетов, выполненных для сплошных и с проемами диафрагм, армированных предварительно-напряженной и обычной вертикальной арматурой. Соответствующие сравнения сделаны при горизонтальных нагрузках, достигающих 80% от разрушающих. При этом расчет выполнялся с применением МКЭ и шагового метода, что позволило учесть: работу арматуры в растянутой зоне, развитие горизонтальных трещин в растянутых стыках, снижение жесткости стали и бетона в связи с развитием пластических деформаций.

Таким образом, в работе доказана целесообразность применения указанной выше расчетной процедуры для практического использования и рекомендуется включение ее в пособие по проектированию крупнопанельных зданий, возводимых в сейсмических районах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Жусупбеков Б., Цапко Н. П. Особенности поведения при землетрясениях зданий с предварительно-напряженными железобетонными конструкциями. — Сейсмостойкое строительство. М., 1981 (ЦИНИС, вып. 8).

2. Жусупбеков Б., Цщшо Н. П. Основные положения проектирования предварительно-напряженных железобетонных конструкций зданий для сейсмических районов. — Сейсмостойкое строительство. М., 1981 (ЩНИС, вып. 10).

3. Жусупбеков Б. Исследование влияния предварительного напряжения на работу вертикальных диафрагм при горизонтальных нагрузках. — Сейсмостойкое строительство (специальный выпуск посвященный Всесоюзному совещанию в г. Алма-Ате «Снижение материалоемкости и трудоемкости сейсмостойкого строительства»). М., 1982 (ВДНИС, вып. 8).

4. Черкапшн А. В., Цапко Н. П., Жусупбеков Б. Изучение работы модели сплошной диафрагмы при горизонтальных нагрузках. — Сейсмостойкое строительство. М., 1983 (ЦИНИС,'вып. I).

5. Черкапшн А. В., Цапко Н. П., Жусупбеков Б. Исследование работы модели диафрагмы крупнопанельного здания с несимметрично расположенными проемами при действии горизонтальных знакопеременных нагрузок. — Сейсмостойкое строительство. М., 1983 (ЦИБИС, вып. 2).

6. Черкапшн А. В., Цапко Н. П., Жусупбеков Б. Влияние предварительного напряжения на работу сплошной диафрагмы при действии горизонтальных нагрузок. — Сейсмостойкое строительство. М., 1983 (ЦИБИС, вып. 4).

7. Черкапшн А. В., Цапко Н. П., Жусупбеков Б. Исследование работы предварительно-напряженной железобетонной вертикальной диафрагмы с проемами при действии горизонтальных нагрузок. — Сейсмостойкое строительство. М., 1983 (ЦИНИС, вып. 7).