УДК 69.07

Изменение жесткости нерегулярной многоэтажной системы из железобетона с увеличением нагрузки при влиянии деформации ее элементов на сжатие и изгиб

Плотников Алексей Николаевич – кандидат технических наук, доцент кафедры Строительных конструкций Чувашского государственного университета имени И. Н. Ульянова.

Лисицина Екатерина Витальевна – аспирант Чувашского государственного университета имени И. Н. Ульянова.

Аннотация: Проведен анализ отечественной и зарубежной литературы по теме исследования. Определены необходимые этапы для расчета нерегулярной многоэтажной системы, степень разработанности темы трещиностойкости и деформативности изгибаемых и сжатых железобетонных элементов. Сформулирован ряд задач, необходимых для совершенствования методик расчета изгибаемых и сжатых железобетонных элементов по трещиностойкости и деформациям при увеличении нагрузки в многоэтажных зданиях с нерегулярной конструктивной системой. Основную научную новизну составила методика и рекомендации по расчету нерегулярной составной системы многоэтажных зданий с учетом пластических деформаций в элементах, возникающих в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: железобетон, деформации, арматура, усилия, перемещения, переходной этаж, нерегулярная система.

С увеличением плотности застройки городов высотными зданиями появилась необходимость размещения торговых, офисных и свободного назначения помещений больших площадей без промежуточных опор. В современном проектировании и строительстве высотных зданий все большее распространение приобретает тенденция устройства переходных этажей. Эта тенденция способствует улучшению и оптимизации формирования совместного функционирования внутреннего пространства различных башенных частей сблокированных корпусов в их нижней части, а также на необходимом уровне по их высоте.

Для построения и расчета конструкций с переходными этажами необходимо решение ряда задач.

Первостепенно необходимо выяснить основные конструктивные решения нерегулярных систем многоэтажных зданий, используемые в современном строительстве. Также необходимо определение конструктивных особенностей переходных этажей.

Влияние скорости деформаций, времени нагружения и увеличения нагрузки на предел прочности материала обуславливает необходимость дополнительного изучения изменения жесткости многоэтажных систем. Поэтому важной научной задачей является выяснение методов расчета переходных балок и ферм многоэтажных структур. Сюда же нужно включить определение прочности, деформативности и структурно-механических характеристик бетона при действующих нагрузках, что обеспечит несущую способность всего сооружения, включая основание.

В настоящее время наиболее перспективным направлением расчетов взаимодействия здания с основанием является расчет конструкций на нелинейно-деформируемом полупространстве. Материал при этом во многих случаях описывается упругой моделью. Однако в работе железобетонных конструкций здания, хотя и в меньшей степени, чем основания, но также неизбежно проявляется нелинейный характер зависимости деформаций и напряжений. Физическая нелинейность железобетона определяется множеством факторов и связана, в первую очередь, с трещинообразованием и пластическими изменениям бетона, а также его реологическими свойствами. Поэтому для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) строительной конструкции и прогнозирования ее деформаций с учетом совместной работы с фундаментом нецелесообразно игнорировать нелинейное поведение железобетона.

Несмотря на высокую степень проработки теории нелинейной работы железобетона, нелинейные расчеты конструктивных схем зданий труднореализуемы для практического применения. При проектировании зданий ограничиваются нелинейными расчетами отдельных конструктивных элементов и узлов. Нелинейным расчетом конструктивной системы здания в целом пренебрегают, учитывая физически нелинейную работу железобетонных конструкций упрощенно, путем понижения жесткостных параметров элементов в упругой схеме с помощью понижающих коэффициентов, прописанных в СП 430.1325800 и СП 63.13330. Таким образом, решением квазиупругой задачи инженеры получают представляющие интерес конечные результаты НДС конструктивной системы здания. В России данный подход применяется при расчетах зданий и сооружений всех классов ответственности, в том числе уникальных и технически сложных. В мировой проектной практике данный подход также общепринят для «эффективного расчетного анализа схем в процессе проектирования» (согласно комментарию R 6.3.1.1 к стандарту США ACI 318-14), об этом также утверждается в рекомендациях других зарубежных стандартов.

В отечественных и зарубежных нормах, посвященных упрощенной оценке жесткости железобетонных конструкций, применяются разные подходы к определению понижающих коэффициентов жесткости. При этом следует отметить, что распределение внутренних усилий в конструкциях и характер деформаций здания в расчетной схеме, учитывающей взаимодействие с основанием, зависит от его жесткости. Следовательно, вопрос правильного назначения понижающих коэффициентов жесткости железобетонных конструкций является весьма актуальным для теории и практики расчетов с учетом взаимодействия с основанием.

Степень разработанности темы исследования

Исследованиям трещиностойкости и деформативности изгибаемых и сжатых железобетонных элементов посвящено большое количество работ начиная с Лолейта А.Ф., Столярова Я.В., Нелиндера Ю.А., Гвоздева А.А., Берг О.Я., Келдыша В.М., Пастернака П.Л., Немировского Я.М. и продолженых в работах Байкова В.Н., Бердичевского Г.И., Бондаренко В.М., Васильева Б.Ф., Головина Н.Г., Гущи Ю.П., Евсеева Н.А., Ерышева В.А., Герцик С.М., Куща В.А., Засолева А.С., Зиновьева В.Н., Мулина Н.М., Мухамедиева Т.А., Чистякова Е.А., Фиалко С.Ю. и др.

Большинство исследований, при определении параметров трещиностойкости и деформативности, опираются на результаты многочисленных экспериментов исходя из критериев предельных состояний. Динамика изменения напряженно-деформированного состояния в пределах эксплуатационных нагрузок в теоретическом плане изучалась в меньшей степени.

Цель и задачи

Целью диссертационной работы является совершенствование методик расчета изгибаемых и сжатых железобетонных элементов по трещиностойкости и деформациям при увеличении нагрузки в многоэтажных зданиях с нерегулярной конструктивной системой.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• сформировать общее представление о современных нерегулярных многоэтажных конструктивных системах, путем проведения теоретического исследования отечественных и зарубежных источников литературы, включая актуальные научные исследования;
• критический анализ современного состояния отечественных и зарубежных исследований физически нелинейной работы железобетона, подходов по упрощенному математическому и компьютерному моделированию нелинейной работы железобетонных конструкций в численных расчетах конструктивных систем;
• развить методику решения задач учета пластических деформаций конструкции здания, состоящее из ядра жесткости с нерегулярной составной системой;
• усовершенствовать методику аналитического определения зависимости по снижению деформаций, при действии поперечной нагрузки, прежде всего ветровой нагрузки;
• разработать методику и рекомендации по расчету нерегулярной составной системы многоэтажных зданий с учетом пластических деформаций в элементах, возникающих в процессе эксплуатации.

Научную новизну работы составляют:

• методика решения задач учета пластических деформаций конструкции здания, состоящее из ядра жесткости с нерегулярной составной системой;
• усовершенствованная методика аналитического определения зависимости по снижению деформаций, при действии поперечной нагрузки, прежде всего ветровой нагрузки;
• методика и рекомендации по расчету нерегулярной составной системы многоэтажных зданий с учетом пластических деформаций в элементах, возникающих в процессе эксплуатации;
• результаты численного анализа и сопоставление опытных и расчетных параметров деформирования железобетона при увеличении нагрузки в статических, динамических и возрастающих статико-динамических нагружений при влиянии деформации при сжатии и изгибе ее элементов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Предложенный вариант модели многоэтажного здания с нерегулярной железобетонной конструктивной системой позволяет дополнить и уточнить основные положения метода расчета и определения жесткостных характеристик железобетонных конструкций с увеличением нагрузки при влиянии деформации элементов зданий и сооружений.

Реализация предложенной модели и методики определения параметров деформирования железобетонных конструкций при решении задач проектирования и реконструкции зданий и сооружений с переходной балкой или фермой позволяет более обоснованно принимать проектные решения и тем самым обеспечить повышение механической безопасности сооружений.

Методология и методы исследования

Теоретические и экспериментальные исследования в данной диссертации основаны на фундаментальных положениях теории сопротивления материалов, строительной механики и механики железобетона, а также на методах геометрического, физикомеханического и компьютерного моделирования и расчета железобетонной нерегулярной конструктивной системы.

В заключении можно отметить, что данные пункты необходимы и достаточны для исследования и улучшения методик расчета нерегулярной составной структуры многоэтажных зданий с учетом пластических деформаций в элементах, возникающих в процессе эксплуатации.

Список литературы

1. Байков В. Н. Железобетонные конструкции: Спец. Курс. Учеб. Пособие для вузов/В. Н. Байков, П. Ф. Дроздов, И. А. Трифонов и др.; -М.: Стройиздат, 1981. – 767 с.
2. Граник Ю. Г. Строительство высотных зданий: монография / Ю. Г. Граник. - М. : ЦНИИЭП жилых и общественных зданий, 2010. - 479 с.
3. Герцик, С.М. Численное моделирование динамики и прочности железобетонной плиты под воздействием воздушной ударной волны / С.М. Герцик, Ю.В. Новожилов, Д.С. Михалюк // Вычислительная механика сплошных сред. – 2020. – № 3. – С. 298-310.
4. Дыховичный Ю. А. Конструирование и расчет жилых и общественных зданий повышенной этажности/ Ю. А. Дыховичный, Стройиздат, 1970. – 248 с.
5. Евсеев Н.А. Учет физической нелинейности железобетонных конструкций при численных расчетах конструктивных систем // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 5 (64). С. 66–70.
6. Зиновьев, В.Н. Определение границ микротрещинообразования бетона при сжатии ультразвуковым импульсным методом / В.Н. Зиновьев // Бетон и железобетон. – 2011. – №1.– С. 2–6.
7. Зиновьев, В.Н. Объединенная диаграмма состояний и параметрические уровни микротрещинообразования бетона. Часть 3 / В.Н. Зиновьев // Бетон и железобетон.–2015.–№3.–С.28–31.
8. Копотилова А. С. Особенности строительства в условиях плотной городской застройки // Молодой ученый. — 2017. — №49. — С. 59-61. — URL https://moluch.ru/archive/183/46924 (дата обращения: 14.12.2021).
9. Попкова О. М. Монолитные железобетонные конструкции зданий повышенной этажности за рубежом/ О. М. Попкова, Обзор. М., ВНИИС. 1985. – 97 с.
10. Шуллер В. Констукции высотных зданий/ В. Шуллер М.: Стройиздат, 1979. — 248 с.: ил. — Перевод изд. High–Rise Building Structures. W.Shueller.
11. Jian, H. Testing and analysis on progressive collapse–resistance behavior of rc frame substructures under a side column removal scenario / Jian H., Li S., Huanhuan L. // Journal of Performance of Constructed Facilities – 2016. – Vol. 30 – № 5 – 56 p.