герб

ГОСТы

флаг

Совершенствование метода расчета каркасов реконструируемых зданий

Совершенствование метода расчета каркасов реконструируемых зданий

Э.Н. КОДЫШ, д-р техн. наук, проф.

Н.Н. ТРЕКИН, д-р техн. наук

Н.Г. КЕЛАСЬЕВ, инж.

В настоящее время существенно возрос объем работ по реконструкции зданий и сооружений, эксплуатируемых длительное время, и по завершению объектов, строительство которых было приостановлено в недавнем прошлом, часто без проведения мероприятий по консервации. Дефекты, возникшие в процессе эксплуатации зданий, а также снижение характеристик материалов, связан­ное с их старением, и изменившиеся экономические условия требуют особого подхода к модернизации зданий или их реконструкции.

Реконструкции здания обязательно предшествует проведение его натурного обследования с целью выявления технического состояния несущих и ограждающих конструкций и оценки ресурса их работоспособности с учетом уже сложившегося напряженно-деформированного состояния. Это требует уточнения расчетных схем и учета нелинейности деформирования, выявления резервов несущей способности элементов, их сопряжений и всей системы в целом, учета возможных перераспределений усилий в несущей системе после реконструкции, а также проверки требуемой энергоэффективности. Кроме того, необходимо учитывать вероятность возникновения аварийных чрезвычайных ситуаций и как следствие - локальных разрушений несущих конструкций, которые не должны приводить к обрушению здания.

Рассмотрим каркасные здания из сборного железобетона. Следствием реконструкции могут быть: неравномерная разгрузка или дозагрузка несущей системы; частичное или полное изменение расчетной схемы; изменение условий эксплуатации (температурный режим, агрессивность среды и т. д.). Как правило, подобные изменения в сочетании с накопившимися дефектами вызывают необходимость усиления элементов здания, конструктивные решения которых должны быть неразрывно связаны с условиями эксплуатации в будущем и техническими параметрами здания в период производства реконструкции.

Наиболее ответственный этап - определение действительной расчетной схемы несущих подсистем здания (продольные и поперечные рамы, диски перекрытия) и вертикальных элементов жесткости (диафрагмы, пилоны, связевые устои), а также балок, плит, колонн, несущих и ограждающих стен, перегородок и их взаимодействия.

В первую очередь уточняют прочностные и деформационные характеристики материалов - бетона и стали, сварных соединений - с учетом времени эксплуатации и степени воздействия окружающей среды, выявляют накопившиеся дефекты. На основе этого определяют фактические жесткостные параметры несущих элементов и их сопряжений, изменения которых обусловлены проявившимися силовыми и не силовыми деформациями.

Современные программные комплексы по расчету конструктивных систем в большинстве своем основаны на реализации метода конечных элементов. При этом не упругость работы конструкции учитывается последовательными нагружениями (шаговый метод) или итерациями, при которых производится корректировка матрицы жесткости по напряжениям и деформациям в соответствии с заданными диаграммами деформирования материалов. Для железобетонных конструкций необходимо вводить как минимум две диаграммы: бетона с учетом различного сопротивления сжатию и растяжению и арматурной стали, а для сопряжений - диаграмму деформирования арматуры со сварными стыками и соединений по закладным деталям.

При расчете зданий и сооружений по пространственным расчетным схемам с большим количеством разнотипных элементов существенно увеличивается матрица исходных данных и усложняется формирование расчетной схемы. Один из путей снижения объема вводимой исходной информации для учета нелинейности - использование обобщенных диаграмм деформирования конструкций, например диаграммы «М-1/ r », на основе которой строится диаграмма « s - e » для материала с характеристиками, обеспечивающими требуемую прочность и деформативность конструкции при сохраненной геометрии сечения.

Рис. 1. Рамный узел сопряжения ригеля с колонной

Рис. 2 . Опытный график зависимости угла поворота опорного сечения от изгибающего момента (а) и приведенная билинейная диаграмма деформирования для учета нелинейной работы узлового сопряжения (б)

Для изгибаемых железобетонных элементов без предварительного напряжения с оптимальным процентом армирования можно выделить несколько стадий: первая - условно-упругая, характеризуемая практически линейным соотношением между внутренними усилиями и деформациями; вторая - упругопластическая, которая начинается с образования нормальных или наклонных к продольной оси трещин. При этом конструкция становится менее жесткой и прирост деформаций существенно ускоряется. Третья стадия - предельная, при которой происходит рост деформаций без увеличения внешней нагрузки. Такой подход позволяет учитывать образование трещин без вмешательства в процесс итерации и вынужденного изменения исходных данных.

Определяющий фактор распределения внутренних усилий в элементах продольных и поперечных рам каркаса - конструктивное решение сопряжений колонн с перекрытием, при этом должны быть учтены конструктивная и физическая нелинейности.

Конструктивная нелинейность обусловлена различным сопротивлением узла сопряжения в зависимости от направления действия внешних нагрузок. В основе ее лежит разное сопротивление бетона и гибкой продольной арматуры сжатию и растяжению, что наиболее ярко выражено в связевых каркасах. Физическая нелинейность определяется развитием неупругих деформаций бетона швов и стыкуемых конструкций, соединений арматуры и закладных деталей, вследствие чего жесткость сопряжений при увеличении напряжений снижается.

Как показывает практика, в рамных узлах достаточно сложно обеспечить абсолютно жесткое сопряжение, соблюдая конструктивные требования ( рис. 1). В реальности при взаимном деформировании стыкуемых элементов возникает переменное по величине сопротивление. Это, прежде всего, происходит вследствие повышенной деформативности опорных закладных деталей и сварных соединений арматуры, а также развития неупругих и накопления остаточных деформаций в элементах соединений, что особенно проявляется при нагрузках, превышающих (0,3...0,4) MR (где MR - предельный момент по несущей способности рамного сопряжения), как это показано на графике, полученном из экспериментальных исследований ( рис. 2а).

Жесткость стыка принято оценивать по величине угла податливости j , на который повернется опорное сечение ригеля относительно колонны под действием изгибающего момента  Среднее значение коэффициента жесткости стыка при изгибе определяется как тангенс угла наклона секущей на диаграмме «М- j ».

Исследования [ 1] показывают, что изменение жесткостных характеристик таких основных стыков, как стык ригеля с колонной в системе координат « » (где  коэффициент угловой жесткости и угол поворота опорного сечения в предельной стадии) происходит практически линейно. Угол наклона ниспадающей линии зависит от геометрических характеристик сечения, его армирования и класса бетона.

Для большинства типовых узлов сопряжения ригеля с колонной коэффициент угловой податливости стыка без учета влияния продольной силы можно оценить по формуле

где и - приращения смещений от единичных усилий соответственно в сжатой и растянутой зонах сечения стыка; Y h - расстояние между равнодействующими усилий в сжатой и растянутой зонах.

Принимаем для простоты расчетов прямоугольное сечение и билинейную диаграмму деформирования – « s - e » [ 2]. В этом случае необходимо определить всего две точки искомой диаграммы. Первая характерная точка (см. рис. 2б) при М i = 0,3MR соответствует моменту трещинообразования сплошного сечения стыка, вторая - пределу по несущей способности.

Напряжения в указанных точках диаграммы составят

  ;

;

где Wpl - приведенный момент сопротивления сечения сопряжения; b и h - ширина и высота сечения;

здесь ; Ccrc - коэффициент угловой жесткости стыка при образовании трещин в растянутом бетоне шва.

Определим продольные деформации, соответствующие найденным напряжениям, используя гипотезу плоских сечений по значениям угла поворота опорного сечения

;

где l jt - длина зоны стыка. Угол поворота  можно определить по приведенным характеристикам сплошного сечения, а  - по предельным деформациям сжатой и растянутой зон стыка. На рис. 2б показана приведенная диаграмма « s - e » для типового рамного стыка ригеля с колонной с несущей способностью 400 кНּм.

Большая часть ресурса прочности узла исчерпывается при действии вертикальных нагрузок. Это приводит к перераспределению усилий от вертикальных нагрузок и к большей деформативности всего каркаса при горизонтальных воздействиях. Так, изменение жесткости узла в 3 раза приводит к уменьшению опорных моментов до 30 %. Однако, как правило, в пределах допустимого изменения эксплуатационных нагрузок конструкции приспосабливаются и работают практически упруго. Поэтому изменение нагрузок влияет на уже сложившееся напряженно-деформированное состояние, и расчетные схемы каркасов необходимо рассматривать с возросшей податливостью сопряжений колонн с дисками перекрытий.

Неравномерное изменение жесткости защемления колонн в перекрытиях приводит к перераспределению усилий взаимодействия продольных и поперечных рам с вертикальными элементами жесткости и, следовательно, изменяет форму прогиба каркаса [ 2] или деформированную схему. С этим связана геометрическая нелинейность. Предлагаемая методика позволяет на стадии проектирования регулировать перераспределение усилий, например, в ригелях плоских рам каркаса.

Перечисленные проблемы, возникающие при реконструкции многоэтажных каркасов, делают актуальной разработку рекомендательных документов по оценке напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых зданий, последовательности уточнения расчетных схем и выбору в соответствии с целями реконструкции необходимого комплекса принципиальных способов усиления несущих и ограждающих конструкций при условии обеспечения требуемой надежности проектных решений.

Очевидно, что одно из важных направлений совершенствования расчетных схем - более глубокое исследование механизмов пространственного взаимодействия сборных элементов в несущих подсистемах, а также разработка методов количественной оценки податливости узловых сопряжений и их влияния на прочность и деформативность многоэтажных каркасов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н. Учет нелинейности деформирования изгибаемых железобетонных элементов на основе диаграмм «М-1/ r »//. Совершенствование архитектурно-строительных решений предприятий, зданий и сооружений: Сб. науч. тр. ЦНИИпромзданий. М.: ГУП ЦПП, 2001.

2. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н. Совершенствование конструктивной системы многоэтажных каркасов // Пром. и гражд. стр-во, 2004.

№ 6.

Еще документы скачать бесплатно

Интересное

Армирование Винт гост Входной контроль материалов Гайка гост Гост 1759 0 87 Заземление электроустановок Катет сварного шва Мпбээ Ок 016 94 Отсос Плиты покрытия размеры Снип 23 01 99 строительная климатология Средства защиты в электроустановках Схема подключения однофазного счетчика Таблица подшипников