CC BY
88
B.C. Кузнецов, Ю.А. Шапошникова. Прочность преднапряженного монолитного...
наук, доцент кафедры архитектурно-строительного проектирования, Мытищинский филиал НИУ «Московский Государственный Строительный Университет» (НИУ «МГСУ»), e-mail: vitaly.ggh2014@yandex.ru
Ю.А. Шапошникова, старший преподаватель кафедры архитектурно-строительного проектирования, Мытищинский филиал НИУ «Московский Государственный Строительный Университет» (НИУ «МГСУ»),
e-mail: yuliatalyzova@yandex.ru
B статье рассмотрены особенности работы преднапряженных безбалочных перекрытий в стадиях изготовления и разрушения, где в качестве преднапрягаемой арматуры использованы высокопрочные канаты типа «Моностренд» без сцепления с бетоном.
Целью исследования являлось установление величин напряжений в бетоне, обычной и преднапрягаемой арматуре в стадиях изготовления и разрушения, при 3 канатах в сечении от действия сплошной равномерно распределенной нагрузки. Вариативными параметрами являлись класс бетона и равномерно распределенная нагрузка на плиту.
Решение задачи основывалось на совместности деформаций бетона и ненапряга-емой арматуры, задаче Буссинеска о распределении напряжений в упругом полупространстве и работе напрягаемой арматуры как нерастяжимой и упругой нитях в составе плиты перекрытия.
Предложенная методика определения напряжений в канатах позволяет устанавливать безопасные уровни преднапряжения, обеспечивающие полное использование прочности высокопрочной арматуры при работе плиты в стадии изготовления и эксплуатации.
Ключевые слова: безбалочное перекрытие, моностренд, потери преднапряжения, распор, смешанное армирование, упругая нить, усилие в ванте.
The article describes the features of the prestressed beamless floors in the manufacture and destruction stages, where the prestressing reinforcement used high-strength ropes like «Monostrend» without adhesion to concrete.
УДК 692.522.2
B.C. Кузнецов, кандидат технических
ПРОЧНОСТЬ ПРЕДНАПРЯЖЕННОГО МОНОЛИТНОГО БЕЗБАЛОЧНОГО
ПЕРЕКРЫТИЯ B СТАДИЯХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
The aim of the study was to establish the values of stresses in concrete, ordinary and prestressing reinforcement in the stages of production and destruction, with 3 ropes in the cross section of the action of a continuous uniformly distributed load. Variability parameters were the concrete class and uniformly distributed load on the slab.
The solution was based on the consistency of deformation of the concrete and ordinary reinforcement, Boussinesq problem of stress distribution in an elastic half-space and the prestressed reinforcement as a non-extensible and elastic filaments composed of overlapping plates.
The proposed method of determining the stresses in the rope allows you to set safe levels of prestressing, ensuring full use of high-strength reinforcement in the slab in the stage of manufacture and working.
Keywords: beamless floors, monostrend, loss of prestressing, thrust, mixed reinforcement, elastic thread, the force in the rope.
В настоящее время монолитный железобетон получил широкое распространение в жилищном, гражданском и промышленном строительстве. Безбалочные перекрытия позволяют получить пространства с редкой сеткой колонн и возможностью перепланировки в течение всего жизненного цикла, однако недостатками таких перекрытий является ограниченность пролетов и нагрузок.
Одним из способов устранения этих недостатков является примене-
Рис. 1. Конструкция каната в оболочке «Моностренд». 1 - антикоррозийная смазка; 2 - трубчатая полиэтиленовая оболочка; 3 - арматурный канат; 4, 5 - выступы и пазы в полиэтиленовой оболочке
ние смешанного армирования, где в качестве арматуры используется высокопрочная арматура в гибкой оболочке типа «Моностренд» без сцепления с бетоном (рис. 1).
Особенностью, предлагаемого конструктивного решения, является диагональное расположение напрягаемой арматуры с закреплением концов за наружными гранями колонн или на торцах плиты.
Предложенная авторами диагональная конфигурация расположения напрягаемой арматуры обладает следующими достоинствами: • при таком расположении канатов наибольшее их количество (процент армирования) сосредотачивается в нижней зоне в центре ячейки, где прогибы
В.С. Кузнецов, Ю.А. Шапошникова. Прочность преднапряженного монолитного.
плиты максимальные и влияние преднапряжения на уменьшение прогибов возрастает; одновременно в средних зонах ячейки предварительное напряжение уменьшает ширину раскрытия трещин; в приопорных зонах напрягаемая арматура переводится в верхнюю часть сечения и способствует уменьшению раскрытия нормальных трещин; незначительная замена обычной арматуры на напрягаемую в количестве 10-20% от общей потребности арматуры в ячейке существенно уменьшает прогибы и ограничивает ширину раскрытия трещин; дополнительное обжатие бетона в зоне колонн благоприятно влияет на прочность перекрытия на продавливание, так как прочность бетона в условиях трехосного сжатия повышается.
Для решения данной задачи рассматривался фрагмент плиты монолитного безбалочного перекрытия (рис. 2), со смешанным армированием с размерами ячейки: Ь1^Ь2 = 6^6, 9^9, 12х 12м. Толщина плиты Ь=0,2м. Бетон класса В30, В40, В50. Передаточная прочность бетона принималась 50%. Полная равномерно распределенная нагрузка на плиту принималась 1000, 1250, 1500 кг/м2. Предварительно напряженная диагональная арматура ЛБр - высокопрочные канаты «моностренд» без сцепления с бетоном ^5,7мм, в количестве 3 канатов в расчетном сечении, И =1860-103кН/м2, И =1640-103
' эр,п ' ' Бр
кН/м2 , Езр=19,5-107 кН/м2. При определении ширины плиты, вводимой в расчет, использовалось решение задачи Буссинеска. При принятых исходных данных расчетная ширина в центре плиты принималась Ь=1,43 м.
Особое значение приобретает назначение уровней предварительного
А-А
а /
"7|
о
л "71
/1
"71
Ав1
ф ф ^ф ф ф-
н-Н
Б-Б
Ав!
1—I—I--ф—ф ^ф—ф—ф-
Рис. 2. Расчетная схема и расчетные сечения плиты. Прим. на разрезах обычная арматура условно не показана
ь
0
ь
натяжения в случае использования высокопрочной арматуры, без сцепления с бетоном, так как повреждение или разрыв одной проволочки каната не локализуется в бетоне, а приводит к перенапряжению в остальных проволочках, скачкообразному увеличению прогибов, чрезмерному раскрытию трещин и разрушению перекрытия. Учитывая вышеизложенное, начальный уровень преднапряжения о0зр принимался 0,8Изр.
После установившегося равновесия при передаче усилия преднапряжения происходит его уменьшение за счет проявления потерь, которые определялись в соответствии: от релаксации напряжений в канатной арматуре при механическом способе натяжения Аозр1, от деформаций анкеров (цанг) Аозр3, от трения о стенки каналов Аозр4
Напряжения в арматуре Азр после проявления первых потерь А1
00,зр А1 0зр1 АОзр1 АОзр3 АОзр4 (1)
О
sp1
sp
I
Напряжения os в арматуре As сразу после передачи усилия натяжения Os = tga EsObp/Eb. (3)
где:
a - угол между разбивочными осями и натягиваемыми канатами (рис. 1);
Es и Eb - модуль упругости стали и бетона, соответственно; obp - напряжения в бетоне. Напряжения os в арматуре As сразу после проявления первых потерь Os = tana ObpiEs/Eb. (4)
где: О
bp1
напряжения в бетоне
Напряжения в бетоне после проявления первых потерь определялись в предположении, что напрягаемая арматура не имеет сцепления с бетоном. При этом эксцентриситет приложения силы принимался как расстояние между нижним и верхним положениями арматуры (рис. 1).
%1 Pзp/'Ared Рзр^0рУо/ 1red (2)
Р - усилие преднапряжения; А
после проявления первых потерь.
Для плит с использованием арматуры без сцепления с бетоном передача усилия преднапряжения N происходит до снятия опалубки при достижении бетоном передаточной прочности ИЬр. При этом, в напрягаемой арматуре Азр присутствуют напряжения озр1, равные начальным о0з , за вычетом первых потерь А1. р (5)
red' У0, еоР - геометрические характеристики рассматриваемого сечения.
N =А о 1 = А (о0 -А1)
зр1 зр зр1 зрч 0,зр 1'
После снятия опалубки, напрягаемая арматура начинает работать как упругая нить, имеющая начальное усилие загруженная постоянной и временной нагрузками «р» (рис. 3). Характеристика нагрузки определяется формой и величиной приложенной нагрузки.
Уравнение линии равновесия гибкой нити соответствует дифференциальному уравнению изогнутой оси балки и записывается в виде
В.С. Кузнецов, Ю.А. Шапошникова. Прочность преднапряженного монолитного.
А-А
V N^1
Н
Рис. 3. Расчетная схема каната
ё2у
ёх2 где
А.
Н
(6)
д - функция нагрузки (зависит от формы и величины прилагаемой нагрузки),
Н - горизонтальная опорная реакция в точках подвеса (распор).
При расположении опор на одном уровне продольное усилие в канате N равно
Бр 1
N„ = 7 н2+е2 (7)
Подробная методика определения усилий в напрягаемой арматуре без сцепления с бетоном, за счет работы каната как элемента вантовой системы, рассмотрен в предыдущих работах авторов.
В стадии эксплуатации происходит проявление вторых потерь предварительного натяжения от усадки озр7 и ползучести бетона озр8
0№Ръ,сг°Ър _
(8)
= -
1 +
У яр Агеё
Л
(1 + ор)
- коэффициент армирования сечения без учета напрягаемой арматуры;
фЬсг - коэффициент ползучести бетона.
Полные потери определялись по формуле (9)
Д=Д2+Д =Да8р1 +Да8рз + Да§р4 +Да§р7+Да§р8 (9)
Нахождение напряжений в бетоне, напрягаемой и ненапрягаемой арматуре осуществлялось при 3 канатах в сечении в ячейках 6Х6, 9Х9 и 12^12 м. Результаты исследования для нагрузки 1500кг/м.кв. представлены в таблицах 1-3 и на графиках (рис. 4-6) в стадиях работы плиты: I - до распалубливания, II - после распалубливания, III - разрушение.
На графиках рис. 4-6 видно, что напряжения в высокопрочных канатах в стадии I после проявления первых потерь (до распалубливания) зависят от класса бетона, но для рассмотренных в работе размеров ячеек изменяются в пределах 4%.
В стадии II (после распалублива-ния) прирост напряжений в высоко-
1 + аМ*р Здесь:
а = Еб /Еь - коэффициент приведения;
езр - эксцентриситет силы обжа-
Ячейка 6x6м
В30 В40 В50
Ячейка 9x9м
Ячейка 12x12м
Напряжения в канатах в стадиях работы плиты: 1-до распалубливания, II- после распалубливания, Ш-разрушение.
Рис. 4. Напряжения в канатах
тия N , относительно центра тяже- п
зр1 ^ ^ в стадиях изготовления и разрушения
Бр1
сти приведенного сечения;
при полной нагрузке 1500 кг/м2
п!
2 5
I 4
«5 з
| 2 | 1 1 0
Ячейка 9x9м
Ячейка 12x12м
Напряжения в стадии работы плиты: 1-до распалубливания, II- после распалубливания, Ш-разрушение.
В30 В40 В50
Ячейка 6x6м
В30 В40 В50
Ячейка 9x9м
Ячейка 12x12м
Напряжения в стадии работы плиты: 1-до распалубливания, II- после распалубливания, Ш-разрушение.
435
Рис. 5. Напряжения в бетоне (сжатие) в стадиях изготовления и разрушения при полной нагрузке 1500кг/м2
Рис. 6. Напряжения в обычной арматуре в стадиях изготовления и разрушения при полной нагрузке 1500кг/м2
Таблица 1.
Напряжения в канатах в стадиях изготовления и разрушения при полной нагрузке 1500кг/м2
Ячейка 6x6 м Ячейка 9x9 м Ячейка 12x12 м
Бетон Напряжения в канатах при растяжении, МПа
I II III I II III I II III
В30 984,8 990,5 1676,6 1012,3 1024,6 1948,8 1012,8 1030,5 2146,7
В40 966,9 971,9 1667,3 994,3 1004,8 1939,3 994,8 1010,8 2136
В50 948,3 952,9 1653,9 975,7 985,3 1925,7 976,2 990,2 2121,3
Таблица 2.
Напряжения в бетоне (сжатие верх) в стадиях изготовления и разрушения при полной нагрузке 1500кг/м2
Ячейка 6x6 м Ячейка 9x9 м Ячейка 12x12 м
Бетон Напряжения в бетоне (сжатие ве рx), МПа
I II III I II III I II III
В30 2,97 3,66 0 2,91 4,37 0 2,57 4,76 0
В40 2,93 3,63 0 2,89 4,37 0 2,57 4,82 0
В50 2,88 3,58 0 2,85 4,33 0 2,55 4,83 0
Таблица 3.
Напряжения в обычной арматуре в стадиях изготовления и разрушения при полной нагрузке 1500кг/м2
Ячейка 6x6 м Ячейка 9x9 м Ячейка 12x12 м
Бетон Напряжения в обычной арматуре при растяжении, МПа
I II III I II III I II III
В30 24,7 18,91 435 24,29 12,17 435 21,4 3,18 435
В40 21,3 16,19 435 21,01 10,3 435 18,7 2,38 435
В50 19,19 14,5 435 18,99 9,11 435 17,01 1,83 435
B.C. Кузнецов, Ю.А. Шапошникова. Прочность преднапряженного монолитного.
прочной арматуре не превышает 5%, что связано с влиянием нагрузки от собственного веса плиты.
Из графиков следует, что класс бетона и размеры ячеек, практически не влияют на напряжения в бетоне в центральной зоне плиты в стадии I после проявления первых потерь (до распалубливания) и напряжения obp составляют 1-3%. При учете собственного веса, увеличение напряжений в бетоне сжатой зоны по сравнению со стадией I (до распалубли-вания) составляет 46-48% и, например, для ячейки 6Х6 м из бетона В30 достигают 3,71МПа.
Напряжения в обычной арматуре в растянутой зоне изменяются пропорционально изменениям напряжений в бетоне и при учете собственного веса достигают для ячейки 6Ч6м из бетона В30 18,91МПа.
Напряжения в сжатой арматуре в 1,6 раза больше чем в растянутой достигают для аналогичной ячейки 30,53 МПа.
Результаты исследования нахождения напряжений в бетоне, напрягаемой и ненапрягаемой арматуре при 3 канатах в сечении в ячейках 6x6, 9x9 и 12x12 м для бетона В30 и для всего исследуемого диапазона нагрузок 1000, 1250, 1500 кг/м.кв.
Напряжения в стадии работы плиты: 1-до распалубливания, II- после распалубливания, !!а- под временной нагрузкой, Ш-разрушение.
1500кг/м.кв.,6х6м
1250кг/м.кв.,6х6м
1000кг/м.кв.,6х6м
1500кг/м.кв.,9х9м
1250кг/м.кв.,9х9м
1000кг/м.кв.,9х9м
1500кг/м.кв.,12х12м
1250кг/м.кв.,12х12м
1000кг/м.кв.,12х12м
-Экспоненциальная
(1500кг/м.кв.,6х6м) -Экспоненциальная
(1250кг/м.кв.,6х6м) -Экспоненциальная
(1000кг/м.кв.,6х6м) -Экспоненциальная
(1500кг/м.кв.,9х9м) -Экспоненциальная
(1250кг/м.кв.,9х9м) -Экспоненциальная
(1000кг/м.кв.,9х9м) -Экспоненциальная
(1500кг/м.кв.,12х12м) -Экспоненциальная
(1250кг/м.кв.,12х12м) -Экспоненциальная (1000кг/м.кв.,12х12м)
Рис. 7. Сводные графики изменений напряжений в вантах в ячейках 6*6, 9*9 и 12*12м для бетона В30
представлены на сводных графиках (рис. 7) в стадиях работы плиты: I -до распалубливания, II - после распалубливания, III - разрушение.
Очевидно из графиков рис. 7, что при исследуемом диапазоне нагрузок (1000, 1250 и 1500 кг/м.кв.) и размеров ячеек (6x6, 9x9 и 12x12 м) при больших размерах ячейки 12x12м и большей нагрузке 1500 кг/м.кв. процент использования преднапрягае-мой арматуры возрастает.
Наиболее полное использование прочностных характеристик высокопрочной арматуры достигается при пролетах более 7 метров и насыщении канатов в расчетном сечении 0,1-0,3%.
Таким образом, применение пред-напрягаемой арматуры типа моно-стренд в плите безбалочного перекрытия позволяет существенно расширить диапазоны пролетов ячеек, уменьшить прогибы и ширину раскрытия трещин.
Список литературы:
1. Вольмир A.C. Гибкие пластинки и оболочки, М., 1956 г., стр. 420.
2. Кремнев В.А., Кузнецов B.C., Талы-зова Ю.А. Особенности распределения напряжений в плите безбалочного перекрытия от усилия преднапряжения // Вестник МГСУ. 2014, №9, стр. 48-53.
3. Кузнецов B.C., Шапошникова Ю.А. К определению напряжений в арматуре без сцепления с бетоном в безбалочных перекрытиях // ПГС, №3, 2015, с.50-53.
4. Кузнецов B.C., Шапошникова Ю.А. Расчет безбалочного монолитного перекрытия в предельном равновесии / / Вестник МГСУ, №6, 2014.
5. Бардышева Ю.А., Кузнецов B.C., Та-лызова Ю.А. Конструктивные решения безбалочных безкапительных перекрытий с предварительно напряженной арматурой / / Вестник МГСУ, №9, 2013
6. Портаев Д.В. Расчет и конструирование монолитных преднапряженных конструкций гражданских зданий // АСВ, Москва, 2011г. Стр. 24-62.
7. Ситников C.Ë. Патент на изобретение № 2427686 «Способ изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций и моностренд», М., 2011.
8. La norme NBN EN 1992-1-1 (Eurocode 2), 1998.
УДК 624. 014. 2 А.Н. Малахова, кандидат технических наук,
доцент, профессор кафедры АСП Национального Исследовательского Московского государственного строительного университета
e-mail:asp@mgsu.ru
Д.В. Морозова, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры ПГС Московского государственного машиностроительного университета
e-mail: morozovadv@mail.ru
КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ ПАНДУСА ДЛЯ СУЩЕСТВУЮЩЕГО АДМИНИСТРАТИВНОГО ЗДАНИЯ
Приведен вариант конструктивного решения пандуса из металлических конструкций для существующего административного здания. Приведены требования строительных норм России к проектированию и изготовлению пандусов, предназначенных для прохода в здания людей с ограниченными физическими способностями.
