разработан оригинальный алгоритм и программа расчета железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели;

предложены принципы интерпретации результатов расчета железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели и их практического использования при расчете конструкций ядер по предельным состояниям.

Достоверность результатов исследования основывается на сопоставлении теоретических и экспериментальных данных, полученных при испытании моделей ядер жесткости на изгиб, внецентренное сжатие, кручение и изгиб с кручением, а также внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанный метод расчета позволяет уточнить напряженно-деформированное состояние ядер жесткости и выполнить проверки по предельным состояниям с учетом различных факторов конструкционной неоднородности и физической нелинейности железобетона, повысить надежность и экономичность проектирования широко применяемых в гражданском и общественном строительстве конструкций.

Внедрение результатов. Результаты исследований использованы при разработке ОАО «СТРОЙПРОЕКТ» г. Москва проекта жилого дома с офисными и торговыми помещениями и с подземной автостоянкой по адресу Переведеновский пер., вл. 8-12; при разработке конструкций жилого квартала по Ломоносовскому проспекту, вл. 27 Б, г. Москва; при разработке конструкций жилого комплекса с подземной автостоянкой г. Москва, по Мичуринскому проспекту, к. 11, 58; разработано учебно-методическое пособие «Расчет железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели» для студентов, аспирантов, которое может быть использовано в реальном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

Второй Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон – пути развития» (г. Москва, 5-9 сентября 2005 г.);

Шестой традиционной (Международной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 21-22 мая 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, а также разработано и находится в печати учебно-методическое пособие «Расчет железобетонных конструкций на основе нелинейной деформационной модели» для студентов строительных специальностей.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, четырех приложений и библиографического списка. Объем диссертации - 278 листов, включая 90 рисунков, 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования.

Первая глава содержит анализ методов расчета несущих систем высотных зданий и проблем, возникающих при практической реализации существующих расчетных моделей. Описаны результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности ядер жесткости. Рассмотрены основные методы и методики оценки предельных состояний железобетонных конструкций.

Значительный вклад в развитие теории и методов расчета многоэтажных каркасных зданий внесли многие отечественные и зарубежные ученые: А.А. Александров, Т.А. Балан, Б.С. Васильков, В.З. Власов, Н.Н. Володин, П.Ф. Дроздов, Н.И. Карпенко, Ю.И. Немчинов, Л.Л. Паньшин, Д.М. Подольский, А.Р. Ржаницын, В.И. Травуш, В.В. Ханджи, A. Coull, E. Horacek, A.W. Irwin, D. Michael и многие

Согласно П.Ф. Дроздову наибольшее распространение получили дискретная (метод конечных элементов), континуальная и дискретно-континуальная

В практике проектирования расчет многоэтажных каркасных зданий осуществляется с применением программных комплексов, использующих метод конечных элементов, который базируется на дискретной расчетной модели. Методы расчета, основанные на дискретной модели, имеют преимущество в том случае, когда жесткостные характеристики несущих элементов изменяются по высоте.

Для проверки достоверности разработанных методов расчета пространственных несущих систем проводят экспериментальные исследования, которые позволяют с достаточной точностью выявить действительное напряженно-деформированное состояние статически неопределимых конструкций.

Так как проведение испытаний ядер жесткости в натуральную величину сложно, трудоемко и порой даже невозможно, то обычно прибегают к моделированию таких конструкций. В зависимости от поставленных задач выбирается масштаб и материал модели. Для изучения несущих систем многоэтажного здания в упругой постановке в качестве материала моделей использовалось органическое стекло, работающее под нагрузкой в определенных пределах практически упруго. В России и других странах проводились эксперименты и на моделях из неупругого материала (мелкозернистый бетон, железобетон) с цель изучения нелинейного характера деформирования ядер, характера трещинообразования и схем разрушения при различных силовых воздействиях.

Для оценки сжатых железобетонных конструкций по предельным состояниям наиболее эффективными и перспективными являются так называемые «диаграммные методы», рассматривающие напряженно-деформированное состояние сечений и учитывающие физико-механические свойства материалов с помощью полных диаграмм деформирования бетона и арматуры. Эти методы позволяют выполнять расчеты по прочности, по образованию и раскрытию трещин, по деформациям с единых позиций. Они получили развитие во многих отечественных и зарубежных нормах и рекомендуются новыми нормами СНиП 52-101-2003, СП 52-101-2003, в которых они именуются «методами расчета по неупругой деформационной модели». «Диаграммные методы» широко были освещены в работах В.Н. Байкова, С.В. Горбатова, М.И. Додонова, А.В. Забегаева, А.С. Залесова, О.Ф. Ильина, Н.И., Карпенко, Т.А. Мухамедиева, А.И. Плотникова, Н.Н. Попова, Б.С. Расторгуева, Е.А. Чистякова и других.

Вторая глава посвящена расчетным исследованиям работы ядер жесткости. При этом принималось во внимание, что при конструировании монолитных ядер жесткости высоких зданий инженерные расчеты включают два этапа.

Первый этап связан с определением компонентов напряженно-деформированного состояния ядра при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок с учетом взаимодействия ядер с другими элементами пространственной несущей системы здания и производится при фиксированных значениях жесткостей, что позволяет использовать упругие расчетные модели.

В рамках второго этапа выполняются проверки обеспеченности ядра в целом или его отдельных участков по предельным состояниям, используя критерии прочности, трещиностойкости и деформативности, и уточняются жесткостные характеристики.

Объединение этих этапов в итерационном процессе создает условия для последовательного сближения жесткостных параметров конструкций с их напряженно-деформированным состоянием, что дает возможность получить картину распределения усилий в элементах ядра и значения его деформаций с учетом физической нелинейности железобетона.

Таким образом, расчет ядер жесткости в упругой стадии при фиксированных значениях жесткостей конструкций является необходимым разделом вычислительной процедуры.

Основное внимание в этой главе уделено поиску наиболее эффективных способов построения расчетных моделей ядер жесткости, обеспечивающих определение компонентов напряженно-деформированного состояния конструкций с достаточной для практических целей точностью при ограниченных требованиях к ресурсам вычислительной техники.

В качестве основного расчетного аппарата в диссертации принят метод конечных элементов. В рамках проведенных исследований были рассмотрены расчетные модели, отличающиеся типом использованных конечных элементов – плоских прямоугольных и треугольных, стержневых (для перемычек ядер с проемами); густотой конечно-элементной сетки, способом соединения стержневых элементов с плоскими.

Критерием эффективности расчетной модели являлось сопоставление значений усилий и деформаций с результатами испытаний моделей ядер жесткости, выполненных Н.И. Сениным.

По исходным экспериментальным данным были проведены сравнительные расчеты моделей ядер жесткости методом конечных элементов с использованием программы «ЛИРА 9.2». Всего было рассчитано 3 модели ядер жесткости 36-этажного здания. Две модели (модели №1и №2) с симметричным расположением проемов по двум сторонам. Одна модель (модель №3) с несимметрично расположенными проемами. Ядра жесткости в основании жестко заделаны и моделировались с физико-механическими свойствами органического стекла.

Модели №1 и №3 рассчитывались на действие равномерно распределенного по высоте крутящего момента. Указанная нагрузка создавалась посредством передачи сосредоточенных сил к концам равноплечных загрузочных рычагов, расположенных на равном расстоянии друг от друга в пяти уровнях по высоте. Модель №2 рассчитывалась на действие кручения (как и модели №1 и №3) и изгиба с кручением. Последний тип нагрузки создавался посредством сосредоточенных сил, прикладываемых с одной стороны загрузочных рычагов.

Стенки моделей членились на прямоугольные конечные элементы (КЭ №41 – универсальный прямоугольный КЭ оболочки), размером от 6х6 мм до 12,7х12,7 мм. Перемычки делились по длине и высоте на прямоугольные конечные элементы, при этом размеры этих элементов изменялись в пределах 2.75х2.75 мм до 3.1х3.1 мм.

Результаты расчета с использованием метода конечных элементов имеют хорошую сходимость с результатами экспериментов (рис. 1). Отклонения не превышают 7 % при оценке усилий и составляют 7 –11 % для деформаций.

В заключение во второй главе представлены результаты сопоставительного расчетного анализа ядер жесткости прямоугольной формы в плане с различным расположением и количеством проемов и различной высоты, выполненных на основе конечно-элементных и дискретно-континуальных расчетных моделей.

Всего было рассмотрено 6 моделей ядер жесткости. Три модели с симметрично расположенными по двум сторонам проемами, три других модели без проемов (глухие). Модели принимались высотой по 15 м, 30 м, 60 м. Модели рассчитывались на действие горизонтальной силы, приложенной в верхней части модели.

, где B – ширина ядра жесткости; H – высота ядра. Это связано с тем, что алгоритмы, реализующие дискретно-континуальную модель, не учитывают действие касательных сил в ядрах, которые оказывают значительное влияние в коротких элементах.

Рис. 1. Графики углов закручивания моделей ядер жесткости

Рис. 2. Графики прогибов для моделей высотой 15м, 60 м

В заключение во второй главе представлены результаты сопоставительного расчетного анализа ядер жесткости прямоугольной формы в плане с различным расположением и количеством проемов и различной высоты, выполненных на основе конечно-элементных и дискретно-континуальных расчетных моделей.

Всего было рассмотрено 6 моделей ядер жесткости. Три модели с симметрично расположенными по двум сторонам проемами, три других модели без проемов (глухие). Модели принимались высотой по 15 м, 30 м, 60 м. Модели рассчитывались на действие горизонтальной силы, приложенной в верхней части модели.

Как выяснилось, в ходе расчетов получены близкие результаты, отличающиеся не более чем на 6 %. Погрешность в значениях прогибов ядер жесткости местами значительна (рис. 2). Погрешность возрастает с ростом соотношения В/Н, где B – ширина ядра жесткости; H – высота ядра. Это связано с тем, что алгоритм на основе дискретно-континуальной модели, не учитывает действие касательных напряжений в стенах ядер, которые оказывают значительное влияние в коротких элементах.

Третья глава посвящена расчету внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций ядер жесткости по предельным состояниям.