Исследование блоков-контейнеров

В 1984 - 1985 гг. были проведены комплексные исследования прочности и жесткости базового блока-контейнера, разработанного НИИСК Госстроя СССР, с целью:

разработки расчетной модели блока-контейнера, учитывающей совместную работу элементов каркаса и ограждающих конструкций;

проверки прочности и деформативности. основных несущих элементов отдельного блока и контейнера при действии расчетных нагрузок;

определения внутренних усилий в элементах каркаса от расчетных сочетаний нагрузок при различных конструктивных схемах зданий, собираемых из блоков-контейнеров.

Для решения поставленных задач был использован системный подход, так как применение только экспериментального либо теоретического метода не представлялось возможным из-за чрезвычайно большого объема экспериментов в первом случае и отсутствия достоверной расчетное модели - во втором. Исходя из поставленных целей, исследования проводились в три этапа:

этап I - предварительные численные исследования для получения зависимостей параметров напряженно-деформированного состояния y_i в характерных точках блока-контейнера от неизвестных характеристик расчетной модели x_i типа:

этап II - экспериментальные исследования блока-контейнера при действии расчетных и контрольных нагрузок, определение неизвестных параметров расчетной модели и проверка ее адекватности;

этап III - численные исследования различных типов зданий, собираемых из блоков-контейнеров, для получения расчетных значений внутренних усилий; в элементах.

Численные исследования выполнялись на ЭВМ EC-1030 с применением расчетного комплекса "ПРОКРУСТ". При этом расчетная схема блока-контейнера представляла собой пространственную пластинчато-стержневую систему. Стержни расчетной схемы, элементы каркаса задавались по геометрическим осям и с соответствующими жесткостными характеристиками. Плоскостные элементы - панели стен, пола и потолка - задавались как совокупности прямоугольных плоско-напряженных КЭ с приведенными характеристиками: коэффициент Пуассона υ, модуль упругости Е и толщина t. Соединения ограждающих стеновых панелей с элементами каркаса аппроксимированы в расчетной схеме контактными элементами с неизвестными жесткостями на сдвиг - К_τ, и на растяжение-сжатие К_σ (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема стены блока-контейнера

1 - каркас блока - стержневые элементы; 2 - ограждающая конструкция - плоские КЭ; 3 - связь - контактные элементы

Рис. 2. Схема нагружения блока-контейнера

Для получения уравнений (1) использована матрица планирования типа 2² (см. приложение 1) и формулы (12) настоящих методических рекомендаций. Для получения линейных зависимостей перемещений от жесткостей связей в качестве неизвестных приняты не жесткости связей, а величины им обратные: ; .

При варьировании жесткостей связей принимались уровни K_σmax = K_τmax = 10000 кН/м; K_σmin = K_τmin = 100 кН/м. При выборе вариантов нагружений и характерных параметров напряженно-деформированного состояния блока учитывалось максимальное включение в работу стеновых панелей:

перемещение верхних углов блока вдоль приложенных к ним горизонтальных сил Y⁽²⁾;

прогиб середины продольного элемента панели основания от равномерно распределенной нагрузки на пол Z ⁽⁴⁾.

В результате обработки численных экспериментов после отбрасывания малозначимых членов взаимодействий получаем систему уравнений:

(2)

Экспериментальные исследования блока-контейнера были выполнены на натурном образце, изготовленном на заводе и доставленном в НИИСК по железной дороге. Блок испытывался на следующие виды воздействий (рис. 2):

горизонтальная нагрузка, приложенная к верхним углам блока, направленная вдоль длинных Р⁽¹⁾ и коротких Р⁽²⁾ сторон;

вертикальная нагрузка, приложенная к верхним углам блока, - Р⁽³⁾;

равномерно распределенная нагрузка на основание - q⁽⁴⁾;

то же, плюс равномерно распределенная нагрузка на пол - q⁽⁵⁾.

Нагрузки P⁽¹⁾, P⁽²⁾, P⁽³⁾ достигали своих расчетных, а нагрузки q⁽⁴⁾ и q⁽⁵⁾ контрольных значений. Во время эксперимента измерялись перемещения углов и середин ребер блока, а также деформации в наиболее напряженных сечениях элементов каркаса.

При всех схемах нагружения, вплоть до расчетных величин нагрузок, нарастание перемещений в характерных точках было пропорционально росту нагрузки, что свидетельствовало об упругом характере работы конструкции.

Подставив в уравнения (2) экспериментальные значения перемещений - соответственно - 1,15 мм и - 5,0 мм, решив их, после соответствующих преобразований получим реальные значения жесткостей связей: K_σ = 900 кН/м; К_τ = 2500 кН/м.

Как показали экспериментальные исследования, стеновые панели, включаясь в работу, существенно разгружают элементы каркаса.

После определения всех неизвестных параметров расчетной модели были проведены численные исследования блока-контейнера.

Сначала исследовалось влияние на напряженно-деформированное состояние элементов каркаса возможных технологических дефектов при реальном осуществлении соединений с элементами каркаса.

Были рассмотрены следующие варианты: связи работают на растяжение и сдвиг; связи работают только на растяжение; связи работают только на сдвиг; связи отсутствуют.

Исследования показали, что качество выполнения связей существенно влияет на напряженно-деформированное состояние элементов каркаса, особенно стоек. При отсутствии связей или при выполнении их с отклонениями от проекта напряжения в элементах каркаса и перемещения существенно возрастают (рис. 3) и в ряде сечений могут превзойти допустимые значения.

Рис. 3. Влияние стеновых панелей на деформативность блока-контейнера

а - горизонтальная нагрузка; б - вертикальная нагрузка; 1 - эксперимент; 2 - расчет с учетом стеновых панелей; 3 - то же, без учета

Исследовалось также напряженно-деформированное состояние несущих элементов каркаса в зависимости от расположения данного блока в двухэтажном здании, в том числе рассматривались варианты удаления стен (продольных или торцовых) двух смежных блоков. Анализ результатов исследований показал, что из блок-контейнеров данной конструкции можно собирать двухэтажные здания. Причем могут быть применены различные объемно-планировочные решения, в том числе и с удалением двух смежных стен.

Уточнение расчетной модели с включением в работу стен позволило улучшить его технико-экономические показатели, расход металла на блок уменьшился на 140 кг. С учетом наших рекомендаций внесены коррективы в рабочие чертежи и изготовлен по ним экспериментальный блок-контейнер. Испытания облегченного блока контрольными нагрузками подтвердили правильность принятых конструктивных решении.