Исследования каркаса здания межвидового применения серии Т.020-1/83

Каркасы межвидового применения серии 1.020-1/83 предназначены для широкой номенклатуры зданий различного назначения, что обусловливает многообразие конструктивных схем, воздействий и т.д. В этой связи для рационального проектирования конструкций необходимо разработать такие расчетные модели, которые позволяли бы достоверно определять параметры напряженно-деформированного состояния элементов и, в частности, крайних ригелей, как наиболее сложно напряженной конструкции, с учетом их реальной работы в составе диска перекрытия.

Цель исследований:

совершенствование расчетной модели крайних ригелей с учетом их пространственной работы в составе диска перекрытия;

проверка правильности конструктивных решений опирания однополочных ригелей с подрезкой;

исследование влияния на напряженно-деформированное состояниекрайних (однополочных) ригелей изменения конструктивных схем здания, характера нагрузок, жесткостей элементов, возможных несовершенств строительного производства, а также ряда других факторов, возникающих в процессе монтажа и эксплуатации здания.

Для решения поставленных задач была использована методика, основанная на системном анализе и функциональном моделировании, в соответствии с положениями которой процесс исследования был разбит на ряд последовательных этапов:

I - разработка расчетной модели каркаса малоэтажного здания, учитывающей факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние элементов (однополочных ригелей);

II - выявление неизвестных параметров расчетной модели и проведение предварительных численных исследований для получения уравнений типа (I);

III - проведение физических экспериментов для получения данных, необходимых для определения неизвестных параметров расчетной модели и проверки ее адекватности;

IV - уточнение расчетной модели и выполнение многовариантных расчетов - численных экспериментов - в необходимом объеме.

Анализ проведенных ранее исследований показал, что расчетная модель однополочного ригеля должна учитывать следующие обстоятельства: пространственную работу; податливость крепления ригеля к колонне; совместную работу ригеля и плит; влияние замоноличивания швов между плитами; возникновение распора в плитах и ригелях; изменение жесткостных характеристик элементов при увеличении нагрузки. Вместе с тем, результат расчета должен быть получен в виде, удобном для проектирования элементов, а сама расчетная модель должна быть четкой, удобной в работе.

С учетом вышеизложенного расчетная схема каркаса с плитами была принята в виде пространственной стержневой системы, в которой основные элементы каркаса (колонны, ригели, плиты) аппроксимированы стержневыми КЭ, оси которых совпадают с физическими осями элементов, а задание реальных расстояний между точками соединения элементов моделируется стержневыми элементами бесконечной жесткости. Соединения ригеля с плитами и плит между собой аппроксимированы дискретными связями (контактными элементами), не имеющими линейных размеров, но обладающими определенной жесткостью на растяжение (сжатие) и сдвиг.

Реализация расчетной схемы выполнена с применением программного комплекса "ПРОКРУСТ" на ЭВМ EC-1030.

Рассмотренная расчетная схема имеет десять неизвестных параметров: жесткость ригеля при изгибе в вертикальной , и горизонтальной плоскости; жесткость ригеля на кручение D_P; жесткость соединения ригеля с колонной на кручение ; жесткость соединения ригеля с колонной при изгибе в горизонтальной плоскости ; жесткость плиты при изгибе ; жесткость плиты на кручение D_П; высота опорного стержня плиты, определившая наличие распора, h; сдвиговая жесткость шва между плитами и ригелем К_Р.П; то же, между плитами К_П. Таким образом, число уравнений, в системе (1) должно быть не менее десяти.

Поскольку основными параметрами входящими в левые части уравнений (1), будут измеренные в эксперименте перемещения, для получения линейных зависимостей необходимо перейти к новым неизвестным параметрам расчетной модели:

Для упрощения процесса определения неизвестных параметров расчетной модели x_i; (i = 1. 2,…, 10) был применен принцип декомпозиции сложной системы (каркаса) на более простые подсистемы - ригели с опорными узлами и плиты. С учетом этого (1) распалось на шесть независимых систем и отдельных уравнений.

Подсистема - ригель - при действии вертикальной нагрузки:

	(3)
	(4)

Подсистема - плита:

	(5)
	(6)

Подсистема - швы:

(7)

где y_j - параметры напряженно-деформированного состояния конструкций; у₁ - вертикальный прогиб по средине ригеля; у₂ - угол кручения среднего сечения ригеля; у₃ - тоже, опорного; y₄ - горизонтальный прогиб на средине ригеля; y₅ - угол поворота в горизонтальной плоскости опорного сечения ригеля; y₆ - прогиб плиты при шарнирном опирании; y₇ - угол кручения по средине плиты; y₈ - прогиб плиты при реальном опирании; y₉ - прогиб середины ригеля в составе диска перекрытия; y₁₀ - разность вертикальных смещений ребер двух смежных плит; в_ij коэффициенты уравнений регрессии, полученные методом планирования экспериментов в соответствии с матрицами планирования (см. приложение 1).

Для экспериментального определения перемещений y_j были проведены испытания физических моделей со смешанным подобием: простое по отношению к неизвестным параметрам x_i, и функциональное по отношению к остальным.

В соответствии с декомпозицией каркаса на подсистемы были испытаны модели:

ригелей на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок (рис. 4,а);

плит при двух вариантах опирания (рис. 4,б);

фрагмента многоэтажного здания (рис. 4,в);

На основании анализа рабочих чертежей ригелей и плит, исходя из сортамента арматуры классов А-III и А-IV, принят масштаб моделирования C_l = 0,5.

Измеренные в эксперименте перемещения при действии указанных нагрузок подставлялись в соответствующие уравнения (3) - (7), из решения которых определялись неизвестные параметры расчетной модели x_i. Причем, в зависимости от стадии работы конструкции, при которой измерялись перемещения у_j, пара метры x_i были определены для упругой стадии при действии нормативных и расчетных нагрузок и в стадии, близкой к разрушению. Так, например, при действии расчетных нагрузок были определены следующие значения неизвестных параметров в пересчете на натуру в соответствии с масштабами подобия: = 56000 кН м²; = 58000 кН м²; D_P = 37000 кН м²; = 640 кН м²; = 2100 кН/м²; = 30000 кН м²; D_П = 31000 кН м²; h = 9 см; К_РП = 18 106 кН; К_П = 13,2·10⁵кН.

Кроме указанных вариантов испытаний, модель фрагмента испытывалась равномерно распределенной нагрузкой вплоть до разрушения.

После определения неизвестных параметров были выполнены расчеты модели фрагмента и проверена адекватность расчетной модели, которая показала достоверность разработанной расчетной модели.

На отлаженной расчетной модели были выполнены численные исследования и оценено влияние ряда факторов (отклонения в жесткостных характеристиках элементов, изменение высоты этажа, изменение граничных условий, качество замоноличивания, стыков и т.д.) на напряженно-деформированное состояние каркаса здания межвидового применения.

Рис. 4. Декомпозиция каркаса многоэтажного здания

а - подсистема "ригель"; б - подсистема "плита"; в - подсистема "швы"