CC BY
19УДК 624.151.5
Д.А. Калафатов, аспирант
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РАБОТЫ ДВУХСЛОЙНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТНЫХ
ФУНДАМЕНТОВ
Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь
email: jafer90@mail. ru
Аннотация. Проанализированы результаты предварительных экспериментальных исследований работы плитных железобетонных фундаментов, проведено планирование дальнейших экспериментальных исследований работы двухслойных железобетонных фундаментов.
Ключевые слова: фундамент; фактор; исследование; комбинационный квадрат.
Введение. В связи с недостатком территории пригодных для строительства санаторно-курортных, гостиничных и др. видов зданий и сооружений, в частности на южном берегу Крыма, все большее внимание уделяется строительству многоэтажных зданий с меньшей площадью застройки территории. Возведение таких зданий и сооружений влечет за собой проектирование габаритных, материалоемких конструкций фундаментов. Одним из самых распространенных видов фундаментов для данных сооружений являются плитные фундаменты, т.к. обладают повышенной несущей способностью относительно ленточных фундаментов и меньшим воздействием на окружающие постройки при возведении по сравнению со свайными фундаментами.
Известно, что стоимость материалов на устройство фундаментов различных зданий и сооружений составляет 15-20% общей стоимости строительства. Поэтому для более рационального использования свойств материалов, уменьшения материалоемкости конструкции, экономичности и технологичности возведения, без уменьшения прочности и надежности зданий и сооружений, необходимы исследования и разработки в области многослойных конструкций плитных фундаментов.
Анализ публикаций. Существенный вклад в области исследования напряженно-деформированного состояния конструкций двухслойных отдельно стоящих фундаментов внесли [1,2.]. Экспериментально было установлено, что жесткость модели фундамента является определяющим параметром характера разрушения. С повышением жесткости конструкции модели фундамента уменьшаются напряжения и деформации конструкции. Эксцентриситет приложения внешней нагрузки вызывает перераспределение напряжений, как в конструкции фундамента, так и в грунтовом основании. Относительная высота слоя бетона более высокого класса по прочности на сжатие является параметром, определяющим НДС конструкции двухслойного фундамента и степень перераспределения напряжений между слоями бетонов различных классов по прочности на сжатие. Зона контакта двух слоев бетона, расположенная в сжатой части сечения является искусственным
концентратором напряжений и катализатором разрушения. Поэтому при проектировании конструкций двухслойных фундаментов необходимым является условие расположения границы слоев ниже границы сжатой зоны. Влияние типа поверхности контактного шва между слоями бетонов различных классов по прочности на сжатие установить не удалось.
Так же было установлено, что на несущую способность конструкции двухслойного фундамента влияет наличие поперечного армирования контактного шва в большей степени, чем наличие шероховатостей и шпонок.
Однако в плитных фундаментах, использование двухслойного бетона не нашло пока своего практического применения, что объясняется наличием малоизученных специфических особенностей их работы под нагрузкой.
Цель и постановка задачи исследования. Цель - рациональное планирование экспериментальных исследований работы двухслойных железобетонных плитных фундаментов.
Задачи:
- анализ результатов предварительных экспериментальных исследований работы плитных железобетонных фундаментов;
- определение варьируемых факторов влияющих на НДС и несущую способность железобетонных двухслойных плитных фундаментов;
- планирование дальнейших экспериментальных исследований работы двухслойных железобетонных фундаментов.
Методика исследований. Основным методом экспериментального исследования выбран метод физического моделирования, основанный на теории подобия модели и натурной конструкции. Для осуществления данной методики необходимо и достаточно равенство:
- физико-механических свойств материалов;
- характеристик упругих свойств материалов.
Результаты и их анализ. При разработке методики планирования экспериментальных исследований на основании предварительных испытаний плитных железобетонных фундаментов, размерами в плане 1,4 х 1 м., высотой 0,06 м., колоннами 0,1 х 0,1 м. (рис.1) и исследований, проведенных в работе [3] была принята во внимание схема разрушения железобетонных моделей фундаментных плит. Проанализировав данные схемы разрушения, выявили, что в стадии разрушения сплошная фундаментная плита разделяется упругопластическими шарнирами как бы на отдельные фундаменты под колонны. В связи с этим в качестве изучения влияния масштабного и других основных факторов на НДС конструкции двухслойной фундаментной плиты выбран фрагмент, а именно У часть данной плиты размерами в плане 0,7 х 0,5 м., высотой 0,06 м., колоннами 0,1 х 0,1 м. (рис.2).
Основным контролирующим параметром, который дает возможность наиболее качественно оценить работу конструкции и ее НДС, является несущая способность фундамента, зависящая непосредственно от величины разрушающей нагрузки.
Анализ экспериментальных и теоретических исследований плитных железобетонных фундаментов [3,4,5, и др.], двухслойных отдельно стоящих
Рисунок 1 - Фото разрушенных моделей плитного фундамента
Рисунок 2 - Модели фундаментов
фундаментов [1,2] и многослойных надфундаментных конструкций [6,7] дал возможность определить существенное влияние следующих четырех факторов на НДС и несущую способность двухслойных плитных фундаментов:
- расстояние до контрольного периметра сжатой зоны бетона;
- класс бетона сжатой зоны;
- форма сжатой зоны бетона:
- поперечное армирование сжатой зоны бетона.
Однако если каждый из этих четырех факторов будет принимать по три значения, то для проведения полно факторного эксперимента, необходимо выполнить 34=81 различных варианта эксперимента, а если еще учесть коэффициент вариации 25%, то для получения осредненных данных с достоверностью 95% необходимо выполнить 324 эксперимента.
Для оптимизации экспериментальных исследований при сохранении достоверности получаемых зависимостей, воспользовались методикой рационального планирования экспериментов [8].
Согласно данной методики был построен большой комбинационный квадрат (рис. 3), состоящий из 9 средних квадратов, каждый из которых, соответственно, разделен на 9 малых квадрата. Из этого следует, что всего получилось 34=81 квадратов по полному числу сочетаний четырех варьируемых факторов (а,Ъ,с^. Номеру столбцов средних квадратов соответствует номер варианта а (расстояние до контрольного периметра, и), строк - номеру варианта фактора с (поперечное армирование). Номеру столбцов малых квадратов соответствует номер варианта фактора Ъ (класс бетона сжатой зоны, С), строк -номеру варианта фактора d (форма сжатой зоны бетона). В каждом из средних квадратов возможно 9 сочетаний варьируемых факторов Ъ и d, при этом выбирается только одно сочетание, которое отмечается закрашенной клеткой, при этом в каждом столбце и в каждой строке данного комбинационного квадрата должна быть только одна такая клетка. Выбранное расположение закрашенных клеток обеспечивает при группировке результатов по одному какому-либо фактору нейтрализацию влияния трех остальных факторов путем усреднения.
Метод получения эмпирических формул для нескольких переменных факторов заключается в том, что [8]:
- данные последовательно группируются по значениям из каждого фактора;
- путем усреднения прочие факторы нейтрализуются;
- графическим путем выявляется влияние каждого из факторов на общий результат;
- для наиболее сильно действующего фактора находится частная эмпирическая формула его влияния на функцию при прочих постоянных средних условиях;
- при помощи этой формулы производится пересчет первичных данных на среднее или единичное значение наиболее сильно действующего фактора, и тем самым его влияние нейтрализуется;
- эти же приемы повторяются для следующего по силе фактора и т.д., таким образом, используется метод последовательных приближений;
- частные эмпирические формулы объединяют в одну общую. Результатом обработки данных комбинационного квадрата является
эмпирическая формула, в которой учтено влияние варьируемых факторов на результат исследования и имеет вид: у=Да,Ъ,е,ф.
a - растояние до контрольного пе риметра (u), мм
1d 1.5d 2d
b - класс бетона сжатой зоны (С), МПа
16/ 20 20/ 25 25/ 30 16/ 20 20/ 25 25/ 30 16/ 20 20/ 25 25/ 30
с- поперечное армирование 1 d- форма сжатой зоны бетона 1 Ф- 1
2 Ф-8
3 Ф-6
2 1 Ф-4
2 Ф-2
3 Ф-9
3 1 Ф-7
2 Ф-5
3 Ф-3
Рисунок 3 - Комбинационный квадрат
Выводы. По анализу результатов предварительных экспериментальных и теоретических исследований работы плитных железобетонных фундаментов, определены варьируемые факторы, влияющие на НДС и несущую способность железобетонных двухслойных плитных фундаментов. Планирование дальнейших экспериментальных исследований работы двухслойных железобетонных фундаментов, выполнено на основе комбинационного квадрата. Принятая методика позволяет сократить количество экспериментов и получить результат в виде эмпирической формулы, учитывающей влияние факторов, с достаточной достоверностью. Это даст возможность прогнозировать закономерности разрушения двухслойных плитных фундаментов под нагрузкой и разработать методику расчета и конструктивные мероприятия необходимые для проектирования таких конструкций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Родин, С.В. Особенности силового взаимодействия железобетонных столбчатых фундаментов с песчаным основанием [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.23.02/ С.В. Родин. -Днепропетровск, 1983. - 212 с.
2. Перминова, Е.Г. Напряженно-деформированное состояние конструкций двухслойных отдельно стоящих фундаментов [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.23.01/ Е.Г. Перминова.- Симферополь, 2011. - 247с.
3. Политов, С.И. Работа железобетонных плит на грунтовом основании [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.23.02/ С.И. Политов. - Новочеркасск, 1983. - 178 с.
4. Мурзенко, Ю.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния железобетонной фундаментной плиты и ее совместной работы с песчаным основаним [Текст] / Ю.Н. Мурзенко, А.А. Цесарский // Исследования напряженно-деформированного состояния оснований и фундаментов. Новочеркасск, изд. НПИ, 1971. - С. 35-41.
5. Мурзенко Ю.Н. Экспериментальные исследования железобетонных фундаментных плит на продавливание [Текст] / Ю.Н. Мурзенко, А.А. Цесарский // Экспериментальные исследования инженерных сооружений. Новочеркасск, изд. НПИ, 1969. - С. 110-116.
6. Ильин О.Ф. Обобщённый метод расчета прочности, жесткости и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов из различных видов бетона [Текст] / О.Ф. Ильин, П.П. Семенов // Новые исследования элементов железобетонных конструкций при различных предельных состояниях. - М.: НИИЖБ, 1982. - С. 127-139.
7. Бондаренко, В.М. Расчет эффективных многокомпонентных конструкций [Текст] / В.М. Бондаренко, А. Л. Шагин. - М.: Стройиздат, 1987. - 175 с.
8. Протодъяконов, М.М. Методика рационального планирования экспериментов [Текст] / М.М. Протодъяконов, Р.И. Тедер. - М.: Наука, 1970. - 80 с.
D.A. KALAFATOV
DESIGN OF THE EXPERIMENT FOR RESEARCH OF DOUBLE-LAYERED
STIFFENED RAFTS WORK
Abstract. The paper analyses the results of preliminary experimental research of double-layered stiffened rafts work; the author offers design for further experimental investigations of double-layered stiffened rafts.
Key words and phrases: raft; factor; research; combination square.
