Сопротивление продавливанию плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой

Актуальность исследования и степень проработанности темы
1
влияние степени насыщения поперечной арматурой
влияние величины предварительного напряжения арматуры усиления
установление допустимого шага поперечной арматуры усиления
эффективность применения поперечной арматуры из высокопрочной стали
Поперечная арматура усиления, установленная в сквозные отверстия в опорной зоне плиты и имеющая надёжную анкеровку по концам, значительно повышает сопротивление плит продавливанию и пластичность их работы.
остаются вопросы, требующие дополнительных исследований:
Теоретические основы методов расчета прочности плоских железобетонных плит на продавливание рассматривались в работах отечественных ученых: Гвоздева А.А., Коровина Н.Н., Голосова В.Н., Фишеровой М.Ф., Залесова А.С., Карпенко Н.И., Травуша В.И. и др., а также зарубежных ученых: Dilger W.H., Amin Ghali, Aurelio Muttoni и др. Однако исследования плит, усиленных поперечным армированием, весьма немногочисленны.

Примеры обрушений плит перекрытий вследствие разрушения от продавливания
2
Подземный гараж. Пенза, 2011 г.
Строящееся монолитное здание. Владивосток, 2013 г.
Подземный паркинг. Москва, 2009 г.
Плавательный бассейн. Краснодар, 2013 г.

Примеры обрушений плит перекрытий вследствие разрушения от продавливания
3

4
Цель работы - исследование сопротивления продавливанию железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой, и разработка рекомендаций по проектированию данного метода усиления.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
− провести обзор теоретических и экспериментальных исследований работы плит при продавливании, армированных или усиленных поперечной арматурой;
− разработать конечно-элементную модель, позволяющую с достаточной степенью точности моделировать работу плит при продавливании, усиленных поперечной арматурой;
− выполнить численный эксперимент с использованием конечно-элементной модели для изучения влияния наиболее значимых параметров усиления на работу плит в условиях продавливания: коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления;
− разработать практические рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками.
Цель и задачи исследования

Конструкция опытных образцов
5
Расположение поперечной арматуры усиления
Разрез
Схема испытательной установки
1 – образец,
2 – гидравлический домкрат,
3 – тяги,
4 – траверса рамы,
5 – горизонтальная силовая рама,
6 – силовой пол

Модель поведения бетона
6
dc – коэффициент повреждения бетона при сжатии
dct – коэффициент повреждения бетона при растяжении
Диаграмма
σb – εb,in
при сжатии
Диаграмма
σbt – εbt,in
при растяжении
Диаграмма
εb,in – dc
при сжатии
Диаграмма
εbt,in – dct
при растяжении

Общий вид конечно-элементной модели
7
Модель поведения арматуры

Общий вид конечно-элементной модели
8

Поле напряжений перед разрушением
9

Сравнение прогибов с данными эксперимента
1

Характерный вид образцов в момент трещинообразования
1
Конечно-элементная модель узла сопряжения плит перекрытий с промежуточной колонной, разработанная в программном комплексе Abaqus, основанная на использовании модели с накоплением повреждений для бетона, позволяет определить продавливающую силу, напряжённо-деформированное состояние на всех этапах нагружения плит в условиях продавливания, в том числе и усиленных поперечной арматурой.
Схемы образования и развития трещин в КЭ моделях и опытных образцах сравнительно близки

Напряжения в поперечной арматуре
1

Сравнение результатов расчёта и экспериментов
1
Среднее значение отношений несущей способности для экспериментальных образцов и для КЭ модели составляет 0,99±0,02

Сравнение результатов нормативного расчёта и экспериментов
1
Методика расчёта плоских железобетонных плит, усиленных поперечными шпильками при действии сосредоточенной силы на продавливание по
СП 63.13330.2012 даёт небольшое (в среднем 13%) отклонение в сторону запаса

Влияние коэффициента поперечного армирования
1
Вклад поперечной арматуры в зависимости от коэффициента поперечного армирования
Прогибы численных моделей
Влияние зависимости носит нелинейный характер и с ростом коэффициента поперечной арматуры рост вклада поперечной арматуры в общую несущую способность образцов замедляется и при содержании поперечной арматуры свыше 0,43% несущая способность образцов практически не повышается.

Напряжения в поперечных стержнях
1
Образец М2
(μsw ≤ 0,43%)
Образец М10
(μsw > 0,43%)
При 0 ≤ μsw ≤ 0,43% разрушение моделей происходит в зоне поперечного армирования с достижением в поперечных стержнях предела текучести
При μsw > 0,43% в поперечной арматуре не достигается предел текучести и разрушение в образцах происходит в зоне от грани колонны до 1-го ряда поперечной арматуры усиления

Влияние предварительного напряжения поперечной арматуры усиления
1
Прогибы образцов с различными величинами преднапряжения поперечной арматуры усиления
Увеличение момента затяжки поперечных шпилек практически не отражается на несущей способности и деформативности плиты модели.

Напряжения в поперечных стержнях
1
Образец PR-1
0,25Rsw
Образец PR-2
0,50Rsw
Образец PR-3
0,75Rsw
Предварительное напряжение арматуры усиления способствует более быстрому и надёжному включению её в работу.

Влияние прочности поперечной арматуры
1
Прогибы образцов в зависимости от предела текучести арматуры усиления
Повышение прочности арматуры усиления при сохранении постоянного вклада поперечной арматуры в несущую способность (за счёт уменьшения площади поперечного армирования) не влияет на прочность и деформативность плит модели при продавливании.

Влияние шага поперечной арматуры
2
Прогибы образцов в зависимости от шага арматуры усиления
Влияние шага постановки поперечных стержней на несущую способность
Постановка поперечной арматуры усиления эффективна даже при больших значениях шага постановки (до 1,75h0)

Напряжения в поперечных стержнях
2
Образец S0,3
S = 0,3h0
Образец S0,5
S = 0,5h0
Образец S0,75
S = 0,75h0
Образец S1
S = h0

Напряжения в поперечных стержнях
2
Образец S1,5
S = 1,5h0
Образец S1,75
S = 1,75h0
Усиление в виде поперечного армирования становится неэффективным при постановке его с шагом больше 1,75·h0, так как при превышении этого шага разрушение происходит между гранью колонны и первым шагом поперечного армирования.
Стержни, ближайшие к колонне, следует располагать не ближе h0/3 и не далее h0/2 от колонны.
Ширина зоны постановки поперечной арматуры усиления должна быть не менее 1,5∙h0.

Рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками
2
Арматуру усиления, установленную под действием нагрузки, в расчёте можно рассматривать как поперечное армирование, устанавливаемое до бетонирования.
Расчёт прочности плиты с усилением следует выполнять по общим правилам в соответствии с требованиями СП 63.13330.2012, учитывая в расчёте только те стержни усиления, которые пересекают пирамиду продавливания.
Схема для расчёта на продавливание плит с поперечной арматурой усиления в виде сквозных шпилек
1 – первое расчётное поперечное сечение в зоне поперечного армирования;
2 – контур первого расчётного поперечного сечения;
3 – второе расчётное поперечное сечение, расположенное за контуром поперечного армирования;
4 – контур второго расчётного сечения;
5 – контур площадки приложения нагрузки

Рекомендации по проектированию усиления плит сквозными шпильками
2
Конструктивные требования
Поперечную арматуру усиления в плитах в зоне продавливания в направлении ортогональном сторонам расчётного контура рекомендуется устанавливать с шагом не более 1/2∙h0 и не более 300 мм.
Стержни, ближайшие к колонне, следует располагать не ближе h0/3 и не далее h0/2 от колонны. Ширина зоны постановки поперечной арматуры усиления должна быть не менее 1,5∙h0.
Расстояния между стержнями вдоль расчётного контура рекомендуется принимать не более ¼ длины соответствующей стороны расчётного контура.
Следует выполнять предварительное напряжение поперечной арматуры усиления. При этом величину предварительного напряжения необходимо принимать не менее 30% и не более 70% от предела текучести арматуры усиления.
Толщина анкерных пластин принимается не менее 0,5 диаметра арматуры усиления, а размеры в плане – не менее 3-х диаметров.

Заключение
2
Теоретическая значимость проведенного исследования
состоит в анализе механизма сопротивления продавливанию плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой, при варьировании количества, шага, прочности поперечной арматуры и величины усилий предварительно напряжения поперечных стержней.
Практическая значимость полученных результатов
состоит в определении рациональных параметров поперечного армирования плит при усилении, что будет способствовать более обоснованному и качественному проектированию усиления железобетонных плит на продавливание путем постановки поперечной арматуры.
Научную новизну работы составляют:
− параметры конечно-элементной модели для расчёта плит на продавливание, учитывающие нелинейную работу бетона на всех стадиях нагружения, включая стадию разрушения;
− результаты численного моделирования изменения напряжений в стержнях поперечной арматуры на всех стадиях работы плит, вплоть до разрушения;
– теоретические данные о влиянии на работу плит в условиях продавливания коэффициента поперечного армирования, предварительного напряжения арматуры усиления, шага постановки, прочности арматуры усиления.