ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

БАССІЛ МАРЕеі мухамед

УДК 624.074.4

ЕФЕКТИВНІ РІШЕННЯ ПОКРИТЬ ПІДЗЕМНИХ БУДІВЕЛЬ

З ТОНКОСТІННИХ МОНОЛІТНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ОБОЛОНОК

ДЛЯ УМОВ БЛИЗЬКОГО СХОДУ

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: |

кандидат технічних наук, доцент

Глікман Михайло Тевелевич,

доцент кафедри архітектурних

конструкцій, реставрації та реконструкції

будівель, споруд та їх комплексів

Одеської державної академії будівництва

та архітектури.

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Кричевський Олександр Павлович,

професор кафедри залізобетонних конструкцій

Донбаської державної академії

будівництва та архітектури;

кандидат технічних наук, доцент

Копейко Анатолій Євгенович,

доцент кафедри залізобетонних та

кам’яних конструкцій Харківського

державного технічного університету

будівництва та архітектури.

Провідна установа: |

Харківська державна академія міського

господарства, кафедра будівельних

конструкцій, Міністерство освіти і науки

України, м. Харків.

Захист відбудеться 18 лютого 2003 р. о 12-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий 16 січня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Ємельяненко М. Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному будівництві на перший план виступили складні і суперечливі еколого-економічні проблеми, що зробили актуальним раціональне використання підземного простору: необхідність нового будівництва в щільній міській забудові; збереження навколишнього середовища; економія енергії при експлуатації будинків; реконструкція історичних центрів зі зведенням нових будинків; використання незручних для наземної забудови територій; захист населення в особливий період.

Будівництво підземних будівель з мінімальними витратами матеріалів в умовах Близького Сходу – першочергова задача для Сирії. Одним із шляхів її рішення є більш широке впровадження тонкостінних просторових оболонок, що дозволяють найбільш повно використовувати конструктивні властивості залізобетону. Однією з особливостей проектування і будівництва залізобетонних конструкцій в умовах Близького Сходу є урахування кліматичних впливів, що проявляються у виникненні змушених температурно-вологісних деформацій бетону.

На промислових підприємствах України в даний час проводяться роботи в основному по реконструкції існуючих будинків і споруд. При цьому також виникає необхідність використання підземного простору.

Актуальність наукових розробок по темі обумовлена необхідністю удосконалення конструктивних рішень підземних споруд, недостатньою мірою вивчення проблеми і необхідністю зниження енергетичних і матеріальних витрат, можливістю проведення реконструкції без зупинки діючого виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт ОДАБА.

Метою дослідження є створення ефективних конструкцій покрить монолітних підземних залізобетонних будинків для кліматичних умов Близького Сходу.

Основні задачі дослідження.

1. Провести дослідження з виявлення основних параметрів кліматичного середовища (потенціалу вологості і температури) для розрахунку розподілу температури і вологості в перерізах елементів.

2. Визначити поля потенціалу вологості в перерізах залізобетонних оболонок, що найбільш частіше зустрічаються при однобічному висиханні для різних моментів часу.

3. Розробити методику чисельних досліджень напружень від усадки і набухання з використанням сучасних програмних комплексів для різних моментів часу.

4. Розробити методику розрахунку куполів, що ураховує фізичну нелінійність залізобетону - тріщини та повзучість.

5. Виявити ступінь впливу кліматичних умов на напружено-деформований стан оболонок шляхом чисельних досліджень усадочних напружень методом кінцевих елементів з використанням програмного комплексу Ліра Windows.

6. Розробити методику розрахунку залізобетонних оболонок з урахуванням фізичної нелінійності матеріалів, у тому числі повзучості бетону, а також тріщіноутворення.

7. Розробити методику розрахунку напружено-деформованого стану підземних оболонок-покрить двоякої кривизни з плоским контуром і різними конструктивними особливостями (змінності товщини оболонки; схемою навантаження), алгоритм і програму для ПК.

8. Розробити методику розрахунку залізобетонних оболонок-покрить постійної і змінної товщини з різними граничними умовами, розташуванням відносно обрію землі. Виконати аналіз напружено-деформованого стану оболонки переносу на прямокутному плані за допомогою ПК SCAD для Windows від усадки для різних параметрів потенціалу вологості і температури.

9. Розробити пропозиції по ефективним рішенням покрить-оболонок підземних будівель і споруд для умов Близького Сходу.

Об'єкт дослідження – залізобетонні підземні конструкції, що працюють на спільний вплив температурно-вологісного кліматичного середовища і навантаження.

Предмет дослідження - робота монолітних залізобетонних оболонок-покрить на прямокутному контурі і куполів підземних будівель і споруд при одночасному впливі навантаження і кліматичного середовища.

Методи дослідження – на основі аналітичних і чисельних рішень нелінійних рівнянь тепло-вологопровідності, урахування фізичної нелінійності бетону й арматури оцінюється напружено-деформований стан оболонок; за допомогою сучасних методів оптимізації визначені ефективні типи оболонок-покрить на прямокутному контурі для підземних будівель.

Наукова новизна роботи:

- уточнені температурно-вологісні режими роботи будівельних конструкцій у субтропічному поясі і запропоновані розрахункові залежності річного ходу основних параметрів середовища (потенціалу вологості і температури) для розрахунку розподілу температури і вологості в перерізах елементів;

- визначені поля потенціалу вологості в перерізах залізобетонних оболонок, що найбільш часто зустрічаються при однобічному висиханні, розроблені методики використання сучасних програмних комплексів для розрахунку напружень від усадки і набухання шляхом введення еквівалентної температури, визначені її значення для різних моментів часу;

- виявлений істотний ступінь впливу кліматичних умов на напружено-деформований стан оболонок шляхом чисельних досліджень усадочних напружень методом кінцевих елементів з використанням програмних комплексів Ліра Windows, SCAD;

- отримані залежності, що відображають поведінку елементів залізобетонних оболонок і куполів і враховують фізичну нелінійність матеріалів, у тому числі повзучість бетону, а також тріщіноутворення;

- розроблені пропозиції по ефективних рішеннях покрить-оболонок підземних будівель і споруд на основі результатів дослідження, оптимізації й еколого-економічної оцінки.

Практичне значення. Розроблені розрахункові залежності, програми для ПК і модульний ряд конструкцій покрить-оболонок відкривають можливість раціонального проектування і зведення підземних будівель і споруд.

Впровадження роботи. Результати дослідження впроваджені в проектування і будівництво об'єктів в Україні (у проектному інституті “Одеський Будпроект”) і Сирії (модульний ряд конструкцій оболонок внесений у каталог фірми “Аль Хабир”).

Особистий внесок здобувача визначається:

- виявленням температурно-вологісних режимів роботи будівельних конструкцій для Сирії, розробкою основних кліматичних параметрів для розрахунку розподілу температури і вологості в перерізах елементів;

- розрахунковими даними нестаціонарних полів потенціалу вологості в перерізах залізобетонних оболонок , що найбільш частіше зустрічаються при однобічному висиханні, розробкою методики використання сучасних програмних комплексів для розрахунку напружень від усадки і набухання;

- результатами чисельних досліджень усадочних напружень, що визначають ступінь впливу кліматичних умов на напружено-деформований стан оболонок;

- отриманими залежностями, що відображають поведінку елементів залізобетонних оболонок і куполів і враховують фізичну нелінійність матеріалів, у тому числі повзучість бетону і тріщиноутворення;

- розробленою методикою розрахунку залізобетонних оболонок-покрить постійної і перемінної товщини з різними граничними умовами, з різним розташуванням відносно обрію землі;

- отриманими на основі оптимізації ефективними рішеннями оболонок-покрить на прямокутному контурі для підземних будівель;

- запропонованим на основі еколого-економічної оцінки модульним рядом конструкцій покрить-оболонок підземних будівель і споруд для умов Близького Сходу.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на республіканських і міжнародних науково-технічних конференціях (“Нові технології навчання” ОДАБА, 1997 р.; “Будівництво, реконструкція і відновлення будівель та споруд міського господарства” м. Харків 2002 р.), а також на наукових конференціях ОДАБА 1996 - 1998 рр., м. Харкова 1996, 2002 рр.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 7 друкованих виданнях, з яких 5 входить до наукових видань, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 153 найменувань і 2-х додатків. Вона містить 207 сторінок, у тому числі 130 сторінок машинописного тексту, 82 рисунка, 27 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведений аналітичний огляд типологічних характеристик і габаритно-конструктивних параметрів підземних будівель з урахуванням вимог енергозбереження, методів розрахунку конструктивних елементів оболонок монолітних залізобетонних підземних споруд з урахуванням кліматичних температурно-вологісних впливів, експериментальних досліджень.

Проблемам будівництва підземних споруд, підземного урбанізму, типології в їх проектуванні, проблемам використання підземного простору присвячені роботи Аль-Сайза, Балсона Ф.С., Буличева Н.С., Васильєва Г.П., Глікмана М.Т., Івахнюка В.А., Маковського П.В., Матвієнко В.М., Орловського Б.Я., Попова Н.Н., Расторгуєва Б.С., Стерлінга Р., Карлюді Дж., Фернана В.Т., Ельницькі Г., Реусова В.А., Тюльпи Л.М., Лабарського Р.Э., Фармі Абдо Мухаммада, Хаддада К.М., Шкарупіна В.И., Димитрова Стефчо та ін. дослідників.

Проведений аналіз показує доцільність застосування для покриття підземних будівель залізобетонних оболонок на прямокутному контурі і купольних конструкцій.

У країнах Близького Сходу, розташованих у районах з жарким кліматом, температурно-вологісні впливи найбільш інтенсивні. Ці райони характеризуються підвищенням температури повітря до 50С и поверхні - до 80С, відносно низкою вологістю до 9-20%, великими перепадами температури і вологості протягом доби і протягом року, суховіями і курними бурями. Аналіз температурно-вологісних режимів роботи бетонних і залізобетонних конструкцій проводиться за класифікацією, по якій вводяться кліматичні пояси й області. Район жаркого клімату включає чотири кліматичні пояси: I - екваторіальний; II - субекваторіальний; III - тропічний; IV - субтропічний.

В результаті досліджень Саіни Б., Кричевського О.П., Ліпсмайера Г., Міронова С.А. і Малінского Е.Н., Пунагіна П., Рімши А.Н., Фоміна С.Л, Щербакова Е.Н., Юмоля Т.М., Ясічака Я. та ін. установлено, що виникнення температурно-вологісних деформацій від кліматичних впливів, нерівномірно розподілених по перерізу елементів, приводить до появи внутрішніх і зовнішніх тріщин, поперемінне зволоження і висушування поверхневих шарів - до викришування і відшарування бетону, зміни фізико-механічних характеристик бетону.

Розрахунку температурно-вологісних полів у будівельних конструкціях з важкого бетону присвячені роботи Александровського С.В., Бєлова А.В., Гвоздьова А.А., Ликова А.В., Могілата А.Н., Фокіна К.Ф. та ін.

У роботах Богословського В.М. виявлена доцільність застосування теорії вологопровідности на основі введення експериментального потенціалу вологості. Температурно-вологісний режим будівництва визначається за метеорологічними даними (температура і відносна вологість повітря) і включає заданий хід середньомісячних температур і середньомісячних потенціалів вологості повітря протягом року, а також середньорічну температуру і середньорічний потенціал вологості повітря.

Розрахунок температурно-вологісних полів в елементах залізобетонних конструкцій проводиться за граничними умовами, складеними за даними про зміну температури і потенціалу вологості середовища, що використовує наступну систему диференційних рівнянь тепло- і вологопереносу в бетоні:

, (1)

, (2)

де - потенціал вологості, В; - щільність, кг/м3; - коефіцієнт питомої вологоємності, (кг/кг)/ В; - коефіцієнт вологопровідності, кг/(мгод В); - час, г; t - температура, С; c – коефіцієнт питомої теплоємності, кДж/(кгС) - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мС)

Дослідження температурно-усадочних напружень в залізобетонних конструкціях з урахуванням повзучості та тріщиноутворення проводились Александровським С.В.,Арутюняном Н.Х.,Барашиковим А.Я.,Бондаренко В.М., Біловим А.В.,Гвоздєвим О.О., Голишевим О.Б., Кричевським О.П., Левіним В.М., Миловановим А.Ф.,Сірих Р.Л.,Фоміним С.Л.,Яременко О.Ф. та інш.

В результаті виконаного аналізу визначені і сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ присвячений розробці методики розрахунку положистих куполів підземних будівель з урахуванням температурно-вологісних впливів і реальної роботи матеріалів.

Уточнені температурно-вологісні режими роботи будівельних конструкцій у субтропічному поясі за даними регіональної класифікації кліматичних зон, що засновані на обробці результатів метеорологічних спостережень місцевих обсерваторій, наприклад, Сирії. Запропоновано розрахункові залежності річного ходу основних параметрів середовища (потенціалу вологості і температури) для формулювання граничних умов задач тепло-вологопровідності в перерізах залізобетонних конструкцій будівель та споруд.

Розподіл потенціалу вологості по товщині залізобетонних оболонок, що найбільш часто зустрічаються при однобічному висиханні, у припущенні, що сушіння відбувається з нижньої її сторони, визначені по розробленій у ХДТУБА програмі рішення рівнянь (1) – (2).

На рис.1 показане сімейство кривих розподілу потенціалу вологості по висоті перерізу оболонки товщиною 40 мм для моментів часу = 1...7 доби, 1...5 місяців, 1...5 років. Потенціал вологості змінюється від 40 до 800В. Протягом першого місяця сушіння по товщині оболонки виникає градієнт потенціалу вологості, а отже і градієнт вільних усадочних деформацій. Наступний період сушіння характеризується більш рівномірним розподілом вологості по товщині оболонки. Стаціонарний період (гігрометрична рівновага з навколишнім середовищем) настає приблизно через рік. В оболонці товщиною 60 мм процес сушіння сповільнюється: градієнт потенціалу вологості спостерігається до двох місяців, стаціонарний стан настає приблизно через 1,5...2 року.

Існуючі аналітичні рішення і чисельні методи розрахунку будівельних конструкцій побудовані для визначення температурних напружень. Тому для визначення напружень від усадки і набухання введемо еквівалентну температуру, еквівалентний коефіцієнт лінійного розширення = 110-5 1/С. При усадці еквівалентна температура приймається від’ємною, при набуханні – додатною. Наприклад, усадочним деформаціям cy = 6010-5 буде відповідати еквівалентна температура мінус 60С.

При оцінці несучої здатності перерізу залізобетонного елемента необхідно знати розподіл температури в ньому для різних моментів часу, при визначенні температурних зусиль у конструкціях з використанням програмних комплексів необхідно задавати або середню температуру елемента Т, або температурний перепад у вигляді температур на протилежних поверхнях елементів по заданому напрямку Т1 і Т2.

Приймаючи по експериментальним даним максимальну величину усадки еквівалентній температурі - 60С для температурного перепаду призначимо Т1 = - 60С и Т2 =0, для середньої температури Т = - 60С.

Проведено оцінку ступеня впливу кліматичних умов на напружено-деформований стан оболонок шляхом чисельних досліджень усадочних напружень методом кінцевих елементів з використанням програмного комплексу Ліра Windows. Розрахунок виконаний у пружній постановці. Розглядався сферичний купол прольотом l = 20 м, стрілою під’йому f = 2 м, товщиною оболонки h = 6 см. Прийнято важкий бетон класу В20 (Еb = 2,7 106 т/м2, = 2,4т/м3, = 0,2). Опорне кільце має розміри: висота 40 см, ширина 50 см.

Рис.1 Розподіл потенціалу вологості по висоті перерізу оболонки

Рис. 2 Розподіл кільцевих напружень у куполі:

а) при градиенті усадочних деформацій в оболонці

б) при навантаженні, висиханні оболонки і опорного кільця

Розрахункова схема оболонки представлена 2000 елементами, опорного кільця - 40 стержневими об'ємними елементами. Напружено-деформований стан визначався для 4 видів навантаження і їхніх сполучень:

- навантаження 1 – навантаження від власної ваги купола і ваги покрівлі рівне g = 0,3 т/м2;

- навантаження 2 – градієнт усадочних деформацій в оболонці (здійснювався завданням еквівалентних температур на зовнішній стороні Т1 = 0С, на внутрішній - Т2 = - 60С);

- навантаження 3 – усадочні деформації оболонки при повному висиханні (моделюються за допомогою еквівалентної середньої температури Т = - 60С);

- навантаження 4 – усадочні деформації опорного кільця при його повному висиханні (еквівалентна середня температура Т = - 60С, коефіцієнт лінійного розширення прийнятий рівним = 0,00001 1/С).

Розглянуті також розрахункові сполучення, що виникають у реальності:

- сполучення 1 – навантаження і неповна усадка оболонки - градієнт усадочних деформацій (навантаження 1 + 2);

- сполучення 2 – навантаження і повна усадка оболонки (навантаження 1 + 3);

- сполучення 3 – навантаження, повна усадка оболонки і повна усадка опорного кільця (навантаження 1 + 3 + 4).

Результати чисельного модулювання вказують на істотний вплив кліматичних умов на напружено-деформований стан оболонок. При градієнті усадочних деформацій по її товщині виникають розтягуючи напруження в зоні, що примикає до опорного кільця. В опорному кільці створюється стиск N = - 37, 93 т. Це становище виникає приблизно через місяць від початку сушіння конструкції (рис.2 а).

Рис. 3 Розподіл нормальних напружень Nx і згинальних моментів My в оболонці

12х12 м при розрахункових сполученнях: а) навантаження і градієнта усадочних

деформацій оболонки, б) навантаження і повної усадки оболонки, в) навантаження,

повної усадки оболонки і бортового элемента

Стаціонарний стан для оболонки наступає приблизно через 1,5...2 роки. В цей момент напружень в оболонці і опорному кільці не виникає.

Коли висихає повністю опорне кільце його усадка приводить до виникнення кільцевих напружень, що стискають (Nx) = - 4,33 т/м2, радіальних напружень, що стискають r = - 830,52 т/м2 та розтягу опорного кільця N = 0,238 т.

При сполученні 3 – навантаження, повна усадка оболонки і повна усадка опорного кільця (навантаження 1 + 3 + 4) кільцеві та радіальні напруження збіглися з напруженнями від навантаження (рис.2б).

Аналіз показує, що закріплення опорного кільця приводить до збільшення зусиль розпору в 9 разів при порівнянні з шарнірним опиранням. Кільцеві напруження в приопорних зонах оболонки не змінюються, радіальні – зменшуються на 34 %.

Розроблено методику розрахунку куполів, що дозволяє враховувати фізичну нелінійність залізобетону – тріщини і повзучість бетону.

Розрахунок виконується в два етапи : 1-попередній розрахунок дозволяє установити “пружний” розподіл зусиль; 2-розрахунок з урахуванням фізичної нелінійності виконується по тій же методиці, що і “пружний” (п.5.2.2), однак жорсткість кільцевої балки й оболонки коректуються введенням коефіцієнта , що враховує зменшення осьової жорсткості кільця при наявності тріщин за формулою:

(3)

де - коефіцієнт армування кільцевої балки; - відношення між модулями пружності арматурної сталі і бетону; -коефіцієнт, що враховує роботу розтягнутого бетону між тріщинами, прийнятий при короткочасній дії навантаження.

Тривала повзучість бетону оболонки і кільця враховується тривалими модулями деформації

, (4)

де - гранична характеристика повзучості бетону оболонки (кільця) визначена експериментально або по табличним даним.

Вірогідність методики підтверджується збігом результатів розрахунку двох куполів, завантажених зосередженою силою з дослідними даними по несучій здатності і переміщенням опорного кільця.

Купола, навантажені власною вагою і тиском ґрунту, по всій поверхні стиснуті, крім вузької приопорної зони, що в окружному напрямку разом з опорною кільцевою балкою піддається розтяганню, а в меридіональному напрямку – стиску з вигином.

Повзучість бетону істотно впливає на розподіл зусиль у системі, складеної з тонкостінного купола і масивної кільцевої балки.

Попереднє напруження кільцевої балки дозволяє не тільки забезпечити її тріщиностійкість, але і зменшує розтягання приопорної зони купола в окружному напрямку.

У третьому розділі викладені теоретичні положення методу розрахунку покрить – оболонок підземних будинків із плоским прямокутним контуром.

Серединна поверхня оболонки описується рівнянням:

Z = (5)

де - підйом оболонки в центрі прямокутника, що перекривається;

а і b - половини довжин сторін по осях х и у.

Вихідні передумови і залежності:

а) прямолінійний елемент, перпендикулярний серединній поверхні, до деформації залишається прямим і перпендикулярним деформованій серединній поверхні і не змінює своєї довжини;

б) нормальні напруження на площинах, рівнобіжних серединній поверхні, зневажливо малі в порівнянні з іншими напруженнями;

в) оболонка приймається настільки положистою, що геометрію її поверхні можна приблизно вважати геометрією площини;

г) у рівняннях рівноваги можна зневажити моментними членами, що містять як коефіцієнти рівняння кривизни, так і її похідних;

д) впливом арматури до появи тріщин можна зневажити;

е) для деформацій і кривизни при фіксованому рівні напруженого стану справедливий закон накладення – їх можна визначати як суму від дії окремих внутрішніх зусиль;

ж) у розтягнутій зоні бетону розвиваються пружні, пластичні деформації і відбувається процес тріщиноутворення;

з) тріщини проходять по траєкторіях головних ядрових моментів.

Складемо рівняння рівноваги елемента в горизонтальній площині:

Y (6)

Х (7)

(8)

рівняння рівноваги моментів відносно осів х та у:

(9)

(10)

на основі яких рівняння (5) має вигляд:

(11)

Доповнимо рівняння рівноваги геометричними та фізичними залежностями. Для лінійних деформацій маємо:

(12)

(13)

(14)

де 1n, 2n – повні лінійні деформації по осям х, у; 12 – деформація зсуву; 1ус, 2ус , - усадочні деформації серединної поверхні оболонки, u, v, w – переміщення в напрямку осей х, у, z.

Кривизни уздовж осей х і у та кривизна крутіння мають вигляд:

(15)

(16)

(17)

1ус, 1ус – кривизни оболонки від нерівномірної усадки по товщині оболонки.

Фізичні залежності представимо у вигляді локальної анізотропної моделі залізобетону:

Тут Dij – жорсткісні параметри, що залежать від місця розташування на плані оболонки і стадій роботи матеріалу при навантаженні.

Залежності (6) - (18), що включають 15 невідомих з такою же кількістю рівнянь, являють собою математичну модель положистої залізобетонної оболонки двоякої кривизни з плоским прямокутним контуром і обліком кліматичних впливів (усадочних деформацій).

Кінцево-різницева модель на сітці і, j пологої оболонки двоякої кривизни з плоским прямокутним контуром визначається системою алгебраїчних рівнянь (19).

Для реалізації наведених розрахункових формул складені алгоритм і програма SHELL, розроблена для ПК мовою Turbo Pascal, що дозволяє для різних схем навантаження визначати напружено-деформований стан з урахуванням перемінної жорсткості і стадій роботи елементів конструкції (пружній й пружно-пластичній), а також верхні навантаження, що відповідають появі тріщин у бетоні.

Проведені числові дослідження температурно-усадочних напружень у залізобетонних оболонках на прямокутному плані на прикладі розрахунку оболонки розміром 12х12 м, стрілою підйому 1 м, із плавно оцінюючої товщини від h = 5 см до h = 15 см. Дослідження усадочних напруг проводиться, використовуючи розроблені підходи в 2 розділі і програмний комплекс SCAD для Windows, що реалізує метод кінцевих елементів у переміщеннях. Прийнято важкий бетон класу В20 (ЕВ =2,7106 т/м2 ; = 2.4 т/м3, = 0,2). Бортовий елемент прийнятий прямокутного перерізу розміром 30 х 40 см.

Розрахункова схема оболонки представлена 3600 оболонковими трикутними елементами, конструкція бортового елементу 240 стержневими елементами. Розглядалася верхня четверта частина оболонки, що можливо в зв'язку з умовами симетрії. Прийнято наступні граничні умови: по осі симетрії уздовж Х – V=0, ?z = 0, ??y = 0; по осі симетрії уздовж Y – U=0, ?z = 0, ?x = 0; по інших сторонах W = 0

Напружено-деформований стан визначався так само, як при розрахунку куполів (розділ 2) для 4 видів навантаження і 3 видів їх сполучень:

- сполучення 1 – навантаження і не повна усадка оболонки - градієнт усадочних деформацій (навантаження 1 + 2);

- сполучення 2 – навантаження і повна усадка оболонки (навантаження 1 + 3);

- сполучення 3 – навантаження, повна усадка оболонки і повна усадка бортового елементу (навантаження 1 + 3 + 4).

При першому навантаженні вся опорна зона оболонки довжиною близько 1 м розтягується. Напруження зменшуються від 121,18 т/м2 до 0. Уся середня зона оболонки стиснута. Однак максимальні стискаючі напруження з величиною 159,46 т/м2 відсунуті по діагоналі від центру оболонки до опори на 1/4 її довжини.

Згинальні моменти My, загалом додатні. Максимальні згинальні моменти з величиною 0,67 тм/м розташовані в тих же зонах, що і максимальні розтягуючи напруження. Поблизу діагоналей протягом майже всієї довжини згинальні моменти My в основному від’ємні величиною від -1,11тм/м до +0,16 тм/м, що викликано дією бортового елементу.

Переміщення (прогини) указують на наявність локальної зони вминання глибиною близько 5 мм, розташованої на одній четвертій частині діагоналі. У такий спосіб сама напружена зона в оболонці від власної ваги розташована на відстані біля 2-х метрів по діагоналі.

При градієнті вологості з'являється зона розтягання довжиною біля 2-х м, розташована уздовж опорних частин. Найбільше розтягання величиною біля Nx = 4251 т/м2 знаходиться в кутах уздовж діагоналі. Середня частина оболонки шириною близько 8 м стиснута. Напруження при цьому досягають Nx = - 151,33 т/м2.

Згинальні моменти My у всій оболонці додатні і міняються від 5,33 т/м2 до 0,34 т/м2. При цьому максимальні моменти виникають у кутах і розташовані по довжині сторін на ширину до 1 м.

Прогини оболонки при градієнті вологості додатні, за винятком середньої частини уздовж діагоналі. Найбільш напружена зона – приопорна, розташована уздовж діагоналей.

При повному висиханні оболонки найбільші напруження, що розтягують, Nx = 924,11 т/м2 знаходяться в опорній зоні по діагоналі. Уздовж сторін розташована зона шириною 0,2 м, у межах якої напруження розтягуючі і змінюються від 622,7 до 49,8 т/м2. Середня частина оболонки стиснута, Nx = - 23,27 т/м2. Згинаючі моменти змінюються від -1,12 тм/м до 0,55 тм/м. Причому від’ємні моменти витягнуті уздовж сторін на довжину близько 5 м. Переміщення оболонки при повному висиханні змінюються в межах від -0,879 см до 0. Найбільш навантаженою зоною є приопорна шириною близько 2,2 м, особливо зона, яка розташована уздовж діагоналі.

Напруження розтягання при повному висиханні перевищують напруження від навантаження в 5,5 разів. Стискаючі – складають 0,6 від аналогічних при навантаженні. Згинальні моменти при цьому приблизно рівні: від’ємні –1,12 тм/м і - 1,11 тм/м, додатні - 0,55 тм/м і 0,67 тм/м.

Вертикальні переміщення оболонки при висиханні перевищують переміщення від навантаження в 1,73 рази.

Висихання бортового елементу приводить до появи стискаючих напружень уздовж сторін, що опираються. Ширина зони досягає 2,8 м, а їхнє значення – величини 924,16 т/м2 у кутах оболонки. Усі переміщення спрямовані вгору, максимальна величина складає 8,38 мм. У цілому висихання бортового елементу впливає на роботу оболонки від навантаження.

При спільній дії навантаження і градієнта вологості зусилля в оболонці зростають. Розтягуючі напруження зростають у 2,38 рази, додатні згинальні моменти – у 6,15 разів (з 0,67 тм/м до 4,12 тм/м). Максимальні їхні величини знаходяться в кутових ділянках шириною приблизно 0,8 м.

Величина стискаючих нормальних напружень зросла в 1,64 рази. Зона їх появи трохи наближається до центру оболонки в порівнянні з аналогічними при впливі навантаження (рис.3а).

Таким чином, при усадці оболонки, зв'язаної з градієнтом вологості, умови роботи оболонки погіршуються.

При сполученні 2 – впливі навантаження і повної усадки оболонки, зростають стискаючі напруження на 43% і розтягуючі у 5,6 разів, збільшуються також згинаючі моменти (рис.36).

При сполученні 3 – навантаженню, повному висиханні оболонки і бортового елементу напружений стан в оболонці наближається до вихідного, викликаного дією тільки навантаження (рис.3в).

Бортовий елемент опиняється у складному напруженому стані. При цьому максимальні розтягуючі зусилля виникають посередині сторін оболонки, а максимальні згинаючі і крутячій моменти зосереджені в кутових зонах.

Досліджений також вплив бортового елементу на напружений стан оболонки на прямокутному плані. При закріпленні бортового елементу в горизонтальному напрямку поля напружень значно видозмінюються.

Порівняння полів напружень і переміщень з незакріпленим і закріпленим бортовим елементом показує наступне. При дії тільки вертикального навантаження в закріпленому у горизонтальному напрямку бортовому елементі зменшуються розтягуючі напруження до величини Nx =16,15 т/м2 у порівнянні з незакріпленим - Nx =167,95 т/м2. Відбувається зменшення максимальних стискаючих напружень (Nx min = -115,4 т/м2 у порівнянні з Nx min = -159,45 т/м2). Зменшуються додатні згинальні моменти (було My max =0,67 тм/м – стало My max =0,08 тм/м). Зменшуються від’ємні згинальні моменти (було My mix = - 1,11 тм/м – стало My mix = 0,13 тм/м)

При впливі градієнта вологості: - збільшуються максимальні розтягуючі напруження (було Nx max = 425,4 т/м2, стало Nx max = 990,75 т/м2); - збільшуються максимальні стискаючі напруження (було Nx max = - 154,33 т/м2, стало Nx max = - 254,41 т/м2); - зменшуються додатні згинальні моменти (було My max = 5,33 тм/м – стало My max = 4,02 тм/м); - зменшуються від’ємні згинальні моменти (було Mymix = - 0,34 тм/м – стало My mix - = - 0,33 тм/м).

При повному висиханні оболонки: - збільшуються максимальні розтягуючи напруження (було Nx max =924,16 т/м2, стало Nx max = 2102,09 т/м2); - збільшуються максимальні стискаючі напруження (було Nx max = - 96,15 т/м2, стало Nx max = - 446,43 т/м2); - збільшуються як додатні, так і від’ємні згинальні моменти (було My max = 0,55 тм/м, My mix = - 1,12 тм/м – стало My max = 1,39 тм/м , My mix = - 2,63 тм/м).

Усадка бортового елементу при повному його висиханні і закріпленні не впливає на напружений стан оболонки; при рухливому опиранні усадка викликає обтиснення оболонки, що значно поліпшує її роботу. Порівняння вертикальних переміщень також виявилося не на користь нерухомого закріплення бортового елементу. При повному висиханні оболонки і бортового елементу і нерухомому закріпленні переміщення W виявляються набагато більші, ніж при незакріпленому бортовому елементі.

Вплив геометричної нелінійності, як показують розрахунки, досить істотні. Зусилля і переміщення зростають майже в два рази.

У четвертому розділі визначені “верхнє” граничні навантаження для різних схем розташування оболонки покриття щодо денної поверхні землі, а також габаритно-конструктивні розміри і умови на контурі. Покриття підземних будівель оболонками двоякої кривизни на плоскому прямокутному контурі ефективно для вертикально рівномірно розподілених навантажень і характеризується малим будівельним обсягом.

Застосовуючи такі конструктивні елементи, як покриття підземних об'єктів, проектувальнику необхідно ув’язати їх габаритні розміри з заглубленням, що вимагає знання верхніх граничних навантажень від вищерозташованого ґрунту. “

Граничним” або верхнім граничним навантаженням будемо вважати навантаження, при якому порушується цілісність конструкції і оболонки, тобто виникає хоча б одна тріщина. Умови виникнення тріщин в оболонці узяті з роботи Н.І.Карпенко. Для реалізації поставленої задачі була розроблена підпрограма перевірки перерахованих вище умов при навантаженні різних оболонок як доповнення до існуючої програми мовою Turbopascal.

Числовий експеримент виконувався на оболонках, квадратних у плані, наступних типорозмірів: 66 м; 99 м; 1212 м; 1818 м; 2424 м; 3030 м; 4242 м. Інші габаритні розміри підбиралися, виходячи з існуючих рішень для оболонок переносу або оболонок на прямокутному контурі, відомих з літературних джерел.

Процедура визначення верхніх граничних навантажень виконувалася ітераційним способом із заданою точністю по навантаженню. Результати розрахунків зведені в таблиці, по яких, володіючи габаритними умовами, можна визначити граничні навантаження, або, знаючи глибину закладення (тобто навантаження від ґрунтового покриття), можна підібрати типорозміри оболонок.

Проведений також вибір граничних навантажень для подземно-надземно розташованих оболонок.

Оцінено вплив товщини оболонки на вибір граничних навантажень, а також умов на контурі для підземних оболонок.

Визначено оптимальні конструктивні рішення покрить-оболонок підземних будівель, використовуючи метод крутого сходження Бокса-Уілсона. У процесі рішення задачі будується лінійна функція, яка характеризує залежність цільової функції від перемінних факторів. Відомі рішення по оптимізації конструкцій доповнені новими особливостями (підземними світоводами, розташуванням конструкції щодо рівня землі).

Виконані оптимізаційні розрахунки й отримана залежність вартості конструкції оболонок на прямокутному плані від конструктивних параметрів. Цільова функція yс представлена у вигляді суми вартості бетону yб, визначена у випадку досить положистої оболонки перемінної товщини, і вартості арматури, підрахунок якої здійснюється на основі рекомендацій з армування розглянутого типу оболонок з підбором перетину арматури по СНиП.

Перерахованими факторами були: x1 – стріла підйому, м; x2 – ширина зони стовщення по осі Х, м; х3 – ширина зони стовщення по осі Y, м; х4 – товщина краю оболонки по y, см; х5 – товщина краю оболонки по х, см; х6 – товщина оболонки в центрі, см; х7 – площа світлового отвору, см2.

Побудовано дві лінійні функції. Як матриці планування використані дві дробові репліки 27-3. Кожен рядок матриці визначає умови одного з варіантів розрахунку. Значення функції yc отримані в результаті розрахунку по програмі мовою Turbopascal.

Визначено ефективність габаритно-конструктивних типів покрить підземних будівель.

Виконано аналіз, класифікація і сформований модульний ряд конструкцій покрить-оболонок, застосовуваних у підземному просторі при глибині від денної поверхні землі до 10 м. Можливі об'ємно-планувальні рішення для підземних будівель можна інтерпретувати габаритними схемами планів простого і складного компонування з точеним або лінійним розташуванням несучих конструкцій усередині об'єкту.

Покриття габаритних чарунок з типорозмірами від 6 до 42 м здійснюється з застосуванням оболонок двоякої кривизни на плоскому прямокутному контурі, тому що форма таких конструктивних елементів найбільш ефективна для вертикально прикладених навантажень з малим будівельним обсягом.

Застосовуючи такі конструктивні елементи, як покриття підземних об'єктів, проектувальнику необхідно ув’язати їх габаритні розміри з необхідним об'ємно-планувальним рішенням, особливостями самої конструкції, методами зведення конструкції, схемою роботи оболонки покриття під навантаженням, несучою здатністю конструкції в залежності від габаритів і потужності шару ґрунту.

Для формування модульного ряду виділені найбільш загальні характеристики, які можна виключити з цілого ряду факторів: конструктивні особливості конструкції, схема роботи оболонки покриття під навантаженням, несуча здатність самої оболонки.

Дано пропозиції по здійсненню реальних конструкцій підземних будинків.

Розроблено методичні рекомендації з проектування і економічної оцінки покрить-оболонок підземних будинків для умов Близького Сходу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Уточнені температурно-вологісні режими роботи будівельних конструкцій у субтропічному поясі за даними регіональної класифікації кліматичних зон, заснованої на обробці результатів метеорологічних спостережень місцевих обсерваторій, наприклад, Сирії. Запропоновані розрахункові залежності річного ходу основних параметрів середовища (потенціалу вологості і температури) для формулювання граничних умов задач тепло-вологопровідності в перерізах залізобетонних конструкцій будівель та споруд.

2. Визначені поля потенціалу вологості в перерізах в найбільш частіше зустрічаємих залізобетонних оболонках при однобічному висиханні. Розроблено прийоми використання сучасних програмних комплексів для розрахунку напружень від усадки і набрякання шляхом введення еквівалентної температури. Визначені її значення для різних моментів часу.

3. Розроблено методику розрахунку круглих у плані підземних покрить із залізобетону з урахуванням реальної роботи матеріалу, тріщин і повзучості.

4. Проведено оцінку ступеня впливу кліматичних умов на напружено-деформований стан оболонок шляхом чисельних досліджень усадочних напружень методом кінцевих елементів з використанням програмного комплексу Ліра Windows. Виявлено істотний вплив градієнта усадочних деформацій по товщині оболонки, повної усадки бетону оболонки, повної усадки опорного елементу на напруження і зусилля в її елементах.

5. Розроблено методику розрахунку напружено-деформованого стану підземних оболонок - покрить двоякої кривизни з плоским контуром і різними конструктивними особливостями (змінності товщини оболонки; схемою навантаження), алгоритм і програма для ПК.

6. Виконано аналіз напружено-деформованого стану оболонки переносу на прямокутному плані за допомогою ПК SCAD для Windows від усадки для різних параметрів потенціалу вологості і температури.

7. За допомогою математичного моделювання і використання методу кінцевих елементів вияснено, що оболонка переносу в процесі зміни вологісного режиму, аж до повного висихання, проходить стадії зі значно високим рівнем напружено-деформованого стану, ніж кінцеве.

Виявлено велику роль бортового елементу у формуванні напружено-деформованого стану оболонки. Деформації бортового елементу знижують зусилля в оболонці.

Визначені найбільш напружені зони оболонки, що дає можливість раціонального армування.

8. Розроблено пропозиції по ефективних рішеннях покрить-оболонок підземних будинків і споруд. Виявлено їхні раціональні типи в результаті чисельних досліджень на основі уточненої методики оптимізації. Запропоновано класифікацію і сформований модульний ряд конструкцій покрить-оболонок, застосовуваних у підземному просторі при глибині від денної поверхні землі до 10 м.

9. Результати дослідження впроваджені в проектування і будівництво об'єктів в Україні і Сирії.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Гликман М.Т., Коломийчук Г.П., Мареей Бассил. Архитектурно-конструктивные элементы подземных зданий, бетонируемых на пневмоопалубке с применением полимеров и ДПК // В сб. “Использование пластмасс в строительстве”.–Харьков: ХГАГХ, 1997.–С. 86-87.

Особистий внесок: розроблені конструктивні рішення монолітних залізобетонних оболонок підземних будівель, що виготовляються за допомогою пневмоопалубок.

2. Гликман М.Т., Мареей Бассил., Галькевич Э.Ю. Функционально-планировочные модули подземных общественных зданий в условиях сухого жаркого климата // Матер. междунар. конф. “Новые технологии обучения”.–Одесса: ОГАСА, 1997.–С. 121-122.

Особистий внесок: запропонований на основі еколого-економічної оцінки модульний ряд конструкцій покрить-оболонок підземних будівель і споруд для умов Близького Сходу.

3. Мареей Бассил. Изготовление пологих железобетонных оболочек для подземных зданий, формируемых на плоскости с последующим погибом, в условиях Сирийской Арабской республики // Республ. міжвід. наук.-техн. зб. ”Комунальне господарство міст”.-Вип. 20.-К.: Вид. “Технiка”, 1999.-С. 63 - 25.

4. Марей Бассіл. Особенности оптимизации проектных решений покрытий-оболочек подземных зданий // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури.-Вип. 2.-Одеса: Вид. “Місто майстрів”, 2000.-С. 140 - 145.

5. Мареей Бассил. Приближенный расчет железобетонного заглубленного в грунт купола с учетом работы материала // Республ. між від. наук.-техн. зб. ”Комунальне господарство міст”.-Вип.21.-К.: Вид. “Технiка”, 2000.-С. 39 - 43.

6. Мареей Бассил. Выбор верхних граничных нагрузок для подземно расположенных оболочек // Республ. міжвід. наук.-техн. зб. ”Комунальне господарство міст”.-Вип. 25.-К.: Вид. “Технiка”, 2000.-С. 96 - 98.

7. Мареей Бассил. Температурно-влажностные климатические воздействия Сирии на покрытия подземных зданий // Науковий вісник будівництва.-Вип.18.-Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2002.-С.180 - 184.

АНОТАЦІЯ

Бассіл Марееі Мухамед. Ефективні рішення покрить підземних будівель з тонкостінних монолітних залізобетонних оболонок для умов Близького Сходу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01– будівельні конструкції, будівлі та споруди, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, м. Харків, 2003 р.

Захищається рукопис, що містить методики створення ефективних конструкцій покрить монолітних підземних залізобетонних будинків для кліматичних умов Близького Сходу.

Розроблена методика розрахунку положистих куполів підземних будинків з обліком температурно-вологісних впливів і реальної роботи матеріалів. Уточнені температурно-вологісні режими роботи будівельних конструкцій у субтропічному поясі за даними регіональної класифікації кліматичних зон,