Конструкції з термопластичними елементами для вирівнювання будівель і споруд

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі і споруди

УДК 624.151.5 : 69.059.22

Конструкції з термопластичними елементами для вирівнювання будівель і споруд

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Живодеров Микола Андрійович

Макіївка 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому ПромбудНДІпроекті Української державної будівельної корпорації “Укрбуд”.

Захист дисертації відбудеться “ 29 _”_ червня _1999 р. о 10-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: Україна, 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, 1-ий учбовий корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий “ 28 _”__ травня ___1999 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради к. т. н. доцент Югов А.М.

АНОТАЦІЯ

Живодеров М.А. Конструкції з термопластичними елементами для вирівнювання будівель і споруд. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі і споруди. - Донбаська державна академія будівництва та архітектури, Макіївка, 1999.

Дисертацію присвячено питанням вирівнювання безкаркасних будівель у складних гірничо-геологічних умовах. У роботі розроблено конструкції з термопластичними елементами з асфальтобетону для вирівнювання житлових будівель висотою до дев'яти поверхів. Опрацьовано інженерні методи розрахунку тривалої міцності конструкції з асфальтобетонними елементами, що базуються на чисельному інтегруванні рівнянь граничної рівноваги зв'язно-сипкого середовища. Виконано комплекс експериментальних досліджень короткочасної і тривалої міцності конструкцій із термопластичними елементами з асфальту. Досліджено закономірності термопластичного осідання конструкцій з асфальтобетонними елементами під час однобічного нагріву їх за допомогою електронагрівачів. Виконано перевірку працездатності пропонованих конструкцій з асфальтобетонними елементами в умовах натурних експериментів.

Ключові слова: конструкції для вирівнювання будівель, асфальтобетонні елементи, електронагрівачі, підроблювані території.

АННОТАЦИЯ

Живодеров Н.А. Конструкции с термопластичными элементами для выравнивания зданий и сооружений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена вопросам разработки конструкций с термопластичными элементами из асфальтобетона, позволяющих осуществлять выравнивание бескаркасных зданий на подрабатываемых территориях с уступообразными оседаниями земной поверхности.

Проведен анализ и систематизированы конструкции для выравнивания зданий и сооружений. Разработаны конструкции с термопластичными элементами из асфальтобетона для выравнивания жилых зданий высотой до девяти этажей. Сформулированы основные принципы проектирования конструкций с термопластичными элементами, обеспечивающие их длительную прочность в стадии нормальной эксплуатации объектов и протекание с заданной скоростью термопластичной осадки в стадии выравнивания.

Разработаны инженерные методы расчета длительной прочности конструкций с асфальтобетонными элементами, основанные на численном интегрировании уравнений предельного равновесия связно-сыпучей среды, предложенных В.В. Соколовским и усовершенствованных в направлении учета нелинейной диаграммы прочности связно-сыпучего материала. Выполнены численные исследования и установлена функциональная зависимость несущей способности конструкции с асфальтобетонным элементом от соотношения сторон его поперечного сечения. На основе теории вязкого течения Ньютона разработана инженерная методика для расчета скорости термопластичной осадки асфальтобетонного элемента при его нагреве до температуры плавления битума.

Представлены результаты экспериментальных исследований кратковременной и длительной прочности конструкций с термоэлементами. Выявлены три основных фактора, влияющих на прочность конструкции, к которым относятся: вязкость битума; процентное содержание битума в асфальтобетоне; соотношение сторон поперечного сечения асфальтобетонного элемента. Установлено, что температура по высоте асфальтобетонного элемента распределяется по закону, близкому к линейному. Основным условием протекания термопластической осадки с постоянной скоростью является поддержание на контакте электронагревателя с асфальтобетонным элементом температуры плавления битума.

Для изготовления асфальтобетонных элементов предложена и реализована стендовая технология виброуплотнения в жестких формах, что обеспечило относительную плотность асфальтобетона 0,96-0,98.

Выполнена проверка работоспособности предложенных конструкций с асфальтобетонными элементами в условиях натурных экспериментов. Был устранен крен отсека жилого девятиэтажного дома с опусканием его менее просевшей части на величину 130 мм. Процесс выравнивания здания осуществлялся в течение 10 часов со средней скоростью термопластической осадки 13 мм/час.

Разработанные конструкции были использованы при строительстве 23 секций жилых домов на подрабатываемых территориях с тектоническими нарушениями в г. Донецке. Длительные натурные наблюдения за указанными зданиями подтвердили расчетные параметры примененных конструкций.

Ключевые слова: конструкции для выравнивания зданий, асфальтобетонные элементы, электронагреватели, подрабатываемые территории.

ABSTRACT

Zhіvodyorov N.A. Constructions with thermoplastic elements for leveling buіldіngs and structures. - Manuscript.

Thesis for C. Sc. (Tech.) degree by specіalіty 05.23.01 - buіldіngs and structures. - Donbas State Academy of Construction and Architecture, Makeevka, 1999.

The thesis іs devoted to matters concerned leveling frame-free buіldіngs іn complex mіnіng and geological condіtіons. Constructions with thermoplastic elements of asphalt concrete have been developed for leveling tall resіdentіal buіldіngs up to nine stories іn height. Engіneerіng procedures were developed to calculate long-term strength of constructions with asphalt concrete elements. These procedures are based on numerical іntegratіon of maximum loose-binder medium equіlіbrіum equatіons. A number of experimental studies of short-term and long-term strength of construction with asphalt thermoplastic elements has been carried out. Behavior of thermoplastic subsidence of constructions with asphalt concrete elements when being heated unilaterally with electric heaters has been іnvestіgated. Servіce-abіlіty of proposed constructions with asphalt concrete elements was tested іn on-site experimental condіtіons.

Key words: constructions for leveling buіldіngs, asphalt concrete elements, electric heaters, areas being undermined.

безкаркасний асфальтобетон тиск

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Територія України характеризується складними інженерно-геологічними і гірничо-геологічними умовами будівництва.

Поряд із традиційними засобами захисту будівель, такими як розтин будівель на відсіки, улаштування поверхових залізобетонних поясів, улаштування швів ковзання у фундаментно-підвальній частині і тому подібне, останнім часом зявились нові методи захисту будівель, що дозволяють регулювати напружено-деформований стан конструкцій, в тому числі виправляти крени будівель у процесі експлуатації.

Суть нових методів захисту полягає у використанні спеціальних пристроїв. Як такі спеціальні пристрої застосовуються механізми, наприклад, домкрати чи спеціальні конструкції, деформативність яких істотно залежить від регульованих параметрів (тиску, температури і т. п.).

У цій роботі досліджуються спеціальні конструкції з асфальтобетону, що мають суттєву термопластичність при температурах, близьких до температури плавління бітуму. Дослідження праці термопластичних конструкцій з асфальтобетону, що міститься у вільному об'ємі, при реальних навантаженнях у будівлях з метою застосування їх як захід захисту від нерівномірних осідань підвалин не проводилось, так як вважалось, що ці конструкції чи то мають нульову тривалу міцність, чи то не мають термопластичності.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в Донецькому ПромбудНДІпроекті в межах тематичних планів Держбуду СРСР за завданнями 11.02.07 С11вх, 06.02.04 С11а2, 06.01.03 С8б4, 06.02.08 СД5а1, а також за завданнями Держбуду України та Донецького міськвиконкому

Мета і завдання дослідження.

Метою дисертаційної роботи є розробка конструкцій з термопластичними елементами з асфальтобетону, дозволяючих здійснювати вирівнювання безкаркасних будівель на підроблюваних територіях з уступоподібними осіданнями земної поверхні.

Для досягнення поставленої мети вирішено такі завдання:

розроблено, захищено авторськими свідоцтвами на винаходи, конструктивні рішення безкаркасних будівель з термопластичними елементами з асфальтобетону, що дозволяють вирівнювати будівлі;

визначено параметри міцності термопластичних елементів з асфальтобетону в залежності від їхнього складу, температури та геометричних розмірів поперечного перерізу;

визначено деформаційні характеристики термопластичних елементів при питомих тисках до 1,2 МПа;

встановлено швидкості деформування термопластичних елементів при вирівнюванні будівель;

розроблено інженерну методику розрахунку міцності термопластичного пояса в залежності від складу асфальтобетону та геометричних розмірів конструкції;

розроблено пристрої та прилади з випробування, виготовлення та улаштування термопластичних елементів з асфальтобетону;

перевірено працездатність конструкції з термопластичними елементами в натурних умовах;

розроблено рекомендації щодо проектування стрічкових фундаментів із термопластичними елементами з асфальтобетону для вирівнювання будівель.

Наукова новизна одержаних результатів: У дисертації викладено такі наукові положення і результати:

- конструктивні рішення безкаркасних будівель з термопластичними елементами з асфальтобетону, що дозволяють вирівнювати їхні крени при нерівномірних деформаціях підвалин;

- експериментальні дані про міцносні і деформативні характеристики термопластичних елементів з асфальтобетону при тисках до 1,2 МПа;

- експериментально обгрунтовано теоретичні передумови розрахунку міцності та деформативності термопластичних елементів у залежності від складу асфальтобетону та геометричних розмірів конструкції в режимі нормальної експлуатації і в режимі виправлення кренів;

- прилади і пристрої з виготовлення, улаштування і випробування термопластичних елементів з асфальтобетону.

Практичне значення одержаних результатів. Матеріали досліджень увійшли до виданих науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій Держбуду України (НДІБК, м. Київ) “Методичних рекомендацій щодо вирівнювання будівель і споруд”, а також використовані при розробці “Рекомендацій щодо проектування стрічкових фундаментів з термопластичними елементами з асфальтобетону для вирівнювання будівель”.

Результати досліджень використовані при проектуванні і будівництві 23 секцій житлових будинків у містах Донецьку і Горлівці. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень становить 450 тис. грн.

Особистий внесок здобувача: Наведені у дисертаційній праці результати досліджень одержані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає у:

створенні та розробці конструктивних рішень безкаркасних будівель з термопластичними елементами з асфальтобетону;

проведенні експериментальних досліджень із підбору складу асфальтобетону, визначенні міцносних і деформаційних характеристик термопластичних елементів у залежності від складу асфальтобетону та геометричних розмірів; участі у проведенні натурних випробувань безкаркасних будівель з термопластичними елементами;

розробці методик розрахунку міцності термопластичного пояса і швидкості його деформування при виплавленні;

- науковому супроводженні будівництва будівель з термопластичними елементами на підроблюваних майданчиках із тектонічними порушеннями;

- закладенні спостережних станцій та зборі експериментальних даних;

- аналізі та узагальненні даних інструментальних спостережень змінення міцності і деформативності термопластичних елементів при тривалій експлуатації;

- розробці рекомендацій щодо проектування будівель з термопластичними елементами з асфальтобетону для їх вирівнювання.

У публикаціях із співавторами здобувачем виконано: експеріментальні дослідження та аналіз результатів [1, 9-13, 15, 18, 19, 21]; розробка та розрахунок конструкцій [5-7, 16]; наукове супроводження будівництва [14].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи повідомлені: на НТР Донецького ПромбудНДІпроекту (1977-87 р.р.); на І науково-технічній конференції “Молоді вчені - науково-технічному прогресу в будівництві” (Донецьк, 1978 р.); на науково-практичному семінарі вчених “Питання будівництва будівель і споруд на підроблюваних територіях” (Донецьк, 1979 р.); на конференції “Наукові досягнення Донецького ПромбудНДІпроекту - будовам п'ятирічки” (Донецьк, 1981 р.); на VIII, ІX, X науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Макіївського інженерно-будівельного інституту (Макіївка, 1980, 1982, 1984 рр.); на ІX, XІ, XVI, XVII науково-технічних конференціях “Інженерно-технічні вишукування та проектування фундаментів у Донбасі” (Донецьк, 1981, 1983, 1988, 1989 рр.); на конференції молодих вчених і спеціалістів “Методи розрахунку та конструктивні рішення промислових споруд, що будуються та експлуатуються на підроблюваних територіях” (Донецьк, 1985 р.); на обласній науково-практичній конференції молодих вчених і спеціалістів “Ентузіазм і творчість молодих - будовам XІІ п'ятирічки” (Донецьк, 1987 р. ); на Всесоюзному науково-технічному семінарі “Проблеми будівництва об'єктів вугільної промисловості на підроблюваних територіях” (Донецьк, 1989 р.); на ІІ і ІV науково-технічних конференціях вузів України (Донецьк, 1994 р., Дніпропетровськ, 1996 р.); на науково-технічній конференції “50 років Донецькому ПромбудНДІпроекту та розвиток будівельної науки в Донбасі” (Донецьк, 1997 р.).

Публікації. Результати досліджень за темою дисертації опубліковані в 23 друкованих працях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів і висновку, списку використованої літератури (180 найменувань) і шистьох додатків. Робота викладена на 275 сторінках, у тому числі 138 сторінок основного тексту, 24 сторінки списку літератури, 48 повних сторінок з рисунками і таблицями, 67 сторінок додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, наведено основні наукові результати одержані автором, показано їх практичне значення та реалізація.

У першому розділі досліджено особливості взаємодій будівель з підроблюваними підвалинами (праці О.О. Петракова, Л.Ш. Меламута, Д.А. Мілюкова, Г.І. Черного, Я.І. Бейлінова, С.Г. Гурова) і дано короткий аналіз існуючих заходів захисту будівель і споруд від нерівномірних осідань підвалин.

Під час підземної розробки корисних копалин на великих площах немінучо виникають складові зрушення земної поверхні: осідання і горизонтальний зсув. Внаслідок підробки будівля не лише змінює своє положення в просторі, але на неї впливають навантаження, які викликають згин, зсув, розтяг або стиск її елементів.

Для запобігання можливим пошкодженням і руйнуванням будівель застосовують конструктивні заходи. У цих випадках, коли переміщення споруди або її частин стається недопустимим за будівельними нормами, застосовують заходи (методи) з виправлення (вирівнювання) споруди в цілому чи її окремих частин.

Вирівнюючи пристрої можна класифікувати за принципом дії та за конструктивним рішенням. За принципом дії на: керування осіданнями шляхом піднімання частин будівель; керування осіданнями шляхом опускання частин будівель.

За конструктивним рішенням вони підрозділяються на пристрої: для окремих опор; для стрічкових фундаментів; для плитних фундаментів.

До підйомних пристроїв належать: гвинтові і гідравлічні домкрати; клинові пристрої; пневмо-, гідро- і пульпобалони (резинові, стальні і т.п.) (роботи Д. Диксона, О. Люткенса, Е.М. Генделя, О.О. Петракова, В.М. Никитина, Б.М. Михунова, Б.М. Гаврилюка, Г.В. Афанасьева, Р.О. Мезенцева, Р.А. Муллера, Л.Ш. Меламута, В.П. Шумовского, І.А. Рохліна, І.О. Лукашенко, А.М. Айзена, Ю.А. Циганкова). Підйомні пристрої, за винятком пульпобалонів, у яких робоча пульпа (наприклад, цементний розчин), як правило, твердіє, можуть використовуватися також як опускаючі.

До опускаючих пристроїв належать: піскові і грунтові подушки, що вимиваються водою чи опрацьовуються механізмами; конструктивні включення обмеженої несучої здібності, в тому числі клинові пристрої на терті (роботи С.М. Клепикова, О.О. Петракова, А.В. Машкіна, Ф.І. Мавроді, В.Є. Макієнко, В.В. Азараєва, М.О. Руфіцького, Г.Г. Потлова, М.О. Довбні, І.І. Порошина, Г.М. Школяренко, А.С. Трегуба, М.І. Боргоякова, Ю.Г. Чернишева, Р.Д. Богданова, О.М. Рижова, О.М. Ярмоленко, В.С. Волги, В.І. Решетова, М.Ф. Толстінева, М.М. Макара, І.Ф. Попова, В.Г. Саєнко, М. Daniel), а також конструкції з термопластичними включеннями, що виймаються шляхом розогріву (роботи В.І. Хорунжія, С.М. Клепикова, О.О. Петракова, В.Є. Макіенко, Ф.І. Мавроді, Д.А. Мілюкова, І.І. Порошина, В.С. Нальотова, В.В. Азараєва, І.С. Дубянського, О.В. Шкляра, А.М. Бутова, В.М. Макаревича, Ю.К. Болотова, С. Dramski).

На основі вивчення стану питання сформульовано основні напрямки досліджень.

У другому розділі на підставі аналізу конструктивних систем, які включають термопластичні елементи для вирівнювання будівель і споруд, удосконалено відомі та розроблено нові конструкції, а також сформульовано основні принципи розрахунку конструкцій, що забезпечують їхню тривалу міцність в стадії нормальної експлуатації споруди і протікання із заданою швидкістю термопластичного осідання в стадії вирівнювання споруди.

У практиці проектування та будівництва реалізовано метод виправлення крену баштової споруди шляхом виплавління секційної асфальтобетонної плити в її підвалинах (В.І. Хорунжий). Міцність асфальтобетонної плити у зазначеній конструкції забезпечується розміщенням термопластичного матеріалу в замкнутому об'ємі.

З метою істотнього зменшення обсягу термопластичного матеріалу пропонована конструкція стрічкового фундаменту, в якій асфальтобетон працює в умовах плоскої деформації (рис.7). При цьому досягнення необхідної тривалої міцності конструкції забезпечується співвідношенням розмірів (висоти і ширини) поперечного перерізу асфальтобетонного пояса. Визначаюча в даній конструкції залежність міцності від співвідношення розмірів поперечного перерізу досліджена теоретично та експериментально.

На основі вивчення результатів великих досліджень міцності асфальтобетонних покрить (роботи О.О. Іноземцева, І.А. Риб'єва, Л.Б. Гезенцвея, М.Г. Старицького, Г.Д. Глебова, В.О. Золотарева) встановлено, що розрахунки на міцність ведуться в припущенні застосовності до цих покрить теорії пружності з урахуванням шаруватості конструкцій та шляхом введення поправочних коефіцієнтів.

На відміну від традиційних уявлень в даних дослідженнях асфальтобетон розглядається як матеріал із внутрішнім тертям, міцність якого залежить від рівня середніх напружень. При цьому на контакті асфальтобетонного пояса з бетонними стінами відсутнє просковзання.

Як розрахункова модель термопластичного пояса прийнято зв'язно-сипке середовище, що має внутрішнє тертя, вирішувальні рівнення для якого одержані В.В. Соколовським. Диференційні рівнення рівноваги

х/х+ху/у=0, ху/х+у/у=0 (1)

та умова граничного стану Кулона-Мора (рис.1а)

1/4(ху)2+ху2= (х+у+2Н)2 (sin2)/4 (2)

містять три компоненти тензора напружень, у зв'язку з чим задача граничної рівноваги термопластичного пояса є такою, що визначається статистично.

Система рівнянь (1), (2) з метою спрощення її розвязання перетворюється для криволінійної системи координат , осями якої є лінії ковзання (рис. 1б), що створюють з нормаллю до площі великого головного напруження кути .:

/х+tg(y=0; х+tg(y=0., (3)

де - кут нахилу до осі Х нормалі до площадки великого головного напруження.

Зв'язок системи рівнянь (3) з компонентами тензора напружень визначається формулами:

=+, = ;

=(ctg lnk)/2; =4 /2;

х, у =(1 sincos2)H; ху= sin sin2 , (4)

де k, - зчеплення та кут внутрішнього тертя (рис. 1а).

Розв'язання задачі у зв'язку з її складністю подано у формі кінцево-різницького алгоритму та обчислювальної програми. Розрахунок тривалої міцності термопластичного пояса удосконалено в напрямку використання нелінійних діаграм. При цьому за основу взята діаграма міцності Кулона-Мора, в якій встановлена границя збільшення міцності матеріалу при зростанні гідростатичного тиску (рис.2). Результати розрахунків показали, що зменшення висоті перерізу при незмінної його ширині приводить до збільшення несучої здібності за законом, близьким до лінійного (рис.6).

Наводяться результати дослідження осідань термопластичного пояса в режимі вирівнювання будівлі. Як розрахункова модель термопластичного асфальтобетонного пояса при його виплавлінні взято в'язке тіло Ньютона.

При цьому припускається, що коефіцієнт бічного тиску для асфальтобетону в стадії його виплавління дорівнює одиниці (рис. 3)

z=х=у=р, (5)

де р - середній тиск на асфальтобетонний пояс від вищележачих конструкцій.

Із розглядання рівноваги елементарної призми висотою dz приходимо до рівняння

=pz/l. (6)

Відповідно до закону Ньютона для в'язкого тіла

dVх/dz, (7)

де - коефіцієнт в'язкості асфальтобетону, МПа·с;

Vх - швидкість течіі матеріалу за напрямом осі х.

Для розподілу по висоті асфальтобетонного пояса величини коефіцієнта в'язкості при однобічному нагріванні пояса експериментально обгрунтована така залежність:

=(мин- макс)z/2h+(мин+макс)/2, (8)

де мин , макс - межеві значення коефіцієнта в'язкості.

З умови нестискуваності виплавленого матеріалу одержана формула швидкості вертикального осідання термопластичного пояса:

Vz=4ph2максмин+минln(мин/макс)/l2(минмакс)2. (9)

У третьому розділі наведено методики і результати лабораторних і стендових експериментальних досліджень термопластичних елементів з асфальтобетону. Асфальтобетони мали склад бітум-гранітний відсів з відсотковим вмістом складових компонентів за вагою Б/О=14%/100%; 16%/100%; 18%/100%; 20%/100%. Бітум застосовувався будівельний марки БН 90/10 Херсонського нафтопереробного заводу з температурою розм'ягчення 92оС та пенетрацією 8-10оП. Гранітний відсів має об'ємну вагу 1,48 т/м3 і модуль великості 2,64.

Лабораторні досліди проводились на зразках діаметром 50,5 мм, довжиною 50 мм (F=20 см2) і фрагментах конструкцій довжиною 80 мм, шириною В=40 мм (F=32 см2), виготовлених методом пресування нагрітої суміші в пресформах під тиском відповідно 40 МПа і 40 МПа протягом 3 хвилин.

Межа міцності при стискуванні асфальтобетону визначалась по ГОСТ 12801-84.

Випробування з визначення залежності f проводились на зсуваючих установках при температурі зразків 20оС. На рисунках 5 і 6 наведено графіки, що ілюструють одержані результати.

Дослідження тривалої міцності асфальтобетоних елементів проводилось за двома схемами: за модулем релаксації напружень і за методом ступінчастого навантаження з підвищенними критеріями стабілізації переміщень. Одержані результати за методом релаксації напружень надані на графіках (рис. 4).

Встановлено, що тривала міцність фрагментів конструкцій в 3,0-3,5 рази меньше відповідної короткострокової міцності.

Результати тривалих дослідів зі стискування фрагментів показали також, що їхня несуча здібність суттєво залежить від співвідношення боків поперечного перерізу. При цьому якісно зазначені залежності відповідають графікам на рис.6.

Пластичне деформування асфальтобетонного елемента при температурі на контакті з нагрівачем 200-240оС протікає зі швидкістю осідання 15-20 мм/год. Інерційність термодинамічної системи для натурного зразка становить 1,5-2 години. Споживана потужність при стаціонарному режимі термопластичного деформування в середньому становить 4 кВт. на 1 м2 опорної площі асфальтобетонного елемента. Розподіл температури, по висоті асфальтобетонного елемента, близький до лінійної залежності з максимальним значенням на контакті з електронагрівачем. Параметри термопластичного деформування при його активізації ступенями подібні. Розбіжність фактичних швидкостей деформування з теоретичними даними за формулою (9) становить до 30%.

Для випробуваних сумішей асфальтобетону на гранітному відсіві оптимальним із точки погляду вирішення суперечності між міцністю і плавимістю є вміст бітуму БН 90/10 у межах 16-18%. Ефективність термопластичного деформування суттєво підвищується при забезпеченні тривалої міцності асфальтобетонного пояса встановленням в його тіло бетонних блоків, що витягуються. Найбільш раціональною конструкцією таких блоків є пакети залізобетонних плит, розділених поліетиленовими листами.

Досліджено їхню деформативність, яка знаходиться в межах, що забезпечують спільну працю на стискаючі навантаження з асфальтобетонним поясом. Експериментально підтверджено працездатність пропонованої конструкції при витягуванні з неї окремих плит з метою активізації термопластичного осідання.

У четвертому розділі наводяться результати натурних досліджень конструкцій з термопластичними елементами при штучному деформуванні та вирівнюванні безкаркасних будівель.

На рисунках 7 і 8 наведено конструкції з термопластичними елементами для вирівнювання дев'ятиповерхового житлового будинку. Експериментально підтверджена ефективність пакета залізобетонних плит у тілі термопластичного пояса та працездатність розроблених механізмів з іх витягнення.

Швидкість термопластичного осідання, досягнута в натурних умовах при вирівнюванні відсіку дев'ятиповерхового будинку на 130 мм, становила 13 мм/год. Ця величина кореспондується з характеристиками процесу в стендових умовах (15 мм/год). Виявлено безперервний контакт фундаментів з підвалинами і вирівнювання тисків на підвалини за рахунок прискорення термопластичного осідання на ділянках з підвищеними напруженнями. Про це свідчить той факт, що в процесі вирівнювання будівлі закрились тріщини, обумовлені впливом уступу в підвалинах, при цьому нові тріщини не з'явились.

Сумарні енерговитрати по вирівнюванню відсіку дев'ятиповерхового будинку опущенням 2/3 його частини на 130 мм становили 2000 кВт·год. Визначено, що потужність розподільних пристроїв, передбачених в типовому дев'ятиповерховому будинку, є достатньої для здійснення його вирівнювання за рахунок термопластичного осідання асфальтобетонного пояса.

У п'ятому розділі виконано зіставлення результатів досліджень з теоретичними розрахунками та розроблено рекомендації щодо проектування будівель з термопластичними елементами з асфальтобетону.

Для розв'язання контактної задачі прийнято такі розрахункові схеми підвалин і будівлі.

Для підвалин прийнята модель змінного коефицієнта жорсткості. Підвалини плоско-просторової системи прийняті у вигляді нелінійно-непружних стержней, моделюючих працю грунту при змінному навантаженні відповідно до пропозицій С.М. Клепікова.

Відсік розглянуто як система перехресних балок із узагальненою жорсткістю, приведеною до жорсткості фундаменту. Фундаменти відсіку великопанельної будівлі надаються у вигляді ортогональної плоско-просторової системи пластин, працюючих в умовах плоского напруженого стану. Розрахункова схема пластин приймається у вигляді ансамблю плоских трикутникових кінцевих елементів. Рівняння пластичного стану кінцевих елементів засновані на деформаційної теорії пластичності.

Результати зіставлення епюр відпору грунту під фундаментами експериментального будинку при утворенні в його підвалинах уступу надані на рис.9.

Теоретичний прогноз перерозподілу тисків на підвалини за рахунок утворення уступу задовільно узгоджується з даними натурних вимірювань. При цьому встановлено, що максимальна концентрація тисків на підвалинах не призводить до руйнування елементів асфальтобетонного пояса. На підставі цих даних можна зробити висновок про достатність несучої здібності випробуваної конструкції асфальтобетонного пояса при особливому сполученні навантажень на фундаменти.

Розрахунковий опір стиснутого термопластичного пояса в залежності від марки асфальтобетону і відношення висоти до ширини поперечного розрізу рекомендується приймати відповідно до табл. 1. Дані таблиці одержані за результатами статистичної обробки при забеспеченності для першої групи межових станів 0,95.

Марка асфальтобетону визначається як міцність стандартного циліндра при температурі 20оС в кг/см2.

Таблиця 1 Розрахунковий опір термопластичного пояса в залежності від його поперечного перерізу

=Н/В	Розрахунковий опір R при марці асфальтобетону, кПа
	40	60	80
1,0 0,75 0,60 0,50 0,30	700 1000 1500 2200 3800	1000 1500 2200 3500 5500	1400 2000 2800 4200 7500

Потужність термопластичного пояса перевіряється за формулою

=q/ВR, (10)

де - напруження в поясі, кПа; q - розрахункове погонне навантаження на термопластичний пояс із основного сполучення навантажень, кН/м; В - ширина пояса,м; R - розрахунковий опір пояса за таблицєю 1, кПа.

Висота термопластичного пояса визначається з умови компенсації очикуваних деформацій підвалин і перевіряється за формулою

Н hу+В/ 7, (11)

де Н - висота термопластичного пояса;

hу - розрахункова висота уступу (зосередженої деформації).

Призначення параметрів термопластичного пояса робиться з урахуванням конструктивних вимог шляхом підбору величин, задовільняючих умовам (10) і (11).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Обгрунтовано ефективність конструкцій для вирівнювання будівель, основаних на застосуванні термопластичних елементів, висота яких може змінюватися в заданих межах за рахунок протікання термопластичного оcідання. Розроблено захищені авторськими свідоцтвами на винаходи конструкції з термопластичними елементами з асфальтобетону для вирівнювання житлових будівель висотою до дев'яти поверхів. Сформульовано основні принципи проектування конструкцій з термопластичними елементами, що забезпечують їхню тривалу міцність у стадії нормальної експлуатації споруди і протікання із заданою швидкістю термопластичного осідання в стадії вирівнювання частин споруди.

2. Розроблено інженерні методи розрахунку тривалої міцності конструкцій з асфальтобетонними елементами, засновані на чисельному інтегруванні рівнянь граничної рівноваги зв'язно-сипкого середовища, пропонованих В.В. Соколовським і узагальнених у напрямку обліку нелінійної діаграми міцності зв'язано-сипкого матеріалу. Виконано чисельні дослідження та встановлено функціональна залежність несучої здібності конструкції з асфальтобетонним елементом від співвідношення боків його поперечного перерізу. На основі теорії в'язкої течії Ньютона розроблено інженерну методику для розрахунку швидкості термопластичного осідання асфальтобетонного елемента під час його нагрівання до температури плавління бітуму. Вірогідність прийнятих розрахункових передумов обгрунтована експериментально.

3. Виконано комплекс експериментальних досліджень короткострокової і довгострокової міцності конструкцій з термопластичними елементами з асфальтобетону. Виявлено три основні фактори, що впливають на міцність конструкції, до яких належать: в'язкість бітуму; відсотковий вміст бітуму в асфальбетоні; співвідношення боків поперечного перерізу асфальтобетонного елемента. Закономірності залежності короткострокової і довгострокової міцності конструкції від зазначених факторів подібні. При цьому тривала міцність залишається менше ніж короткострокова в 3-5 разів. Останнє явище свідчить про яскраво виражені реологічні властивості асфальтобетонів.

4. Досліджено закономірності термопластичного осідання конструкцій з асфальтобетонними елементами під час однобічного нагріву асфальтобетонних елементів за допомогою електронагрівачів. Установлено, що температура по висоті асфальтобетонного елемента розподіляється за законом, близьким до лінійного. Основною умовою протікання термопластичного осідання з постійною швидкістю є підтримання на контакті електронагрівача з асфальтобетонним елементом температури плавління бітуму. При менших температурах термопластичне осідання виявляється стрибкоподібно, як послідовність форм руйнування асфальтобетонного елемента і переходу його в новий рівноважний стан.

Під час підтримання на контакті асфальтобетонного елемента з електронагрівачем температури плавління бітуму термопластичне осідання протікає в досліджених конструкціях з початковою швидкістю 15-20мм/год. Енерговитрати здійснення процесу термопластичного деформування конструкції становлять в лабораторних умовах 3-4кВтгод. на 1м2 площі асфальтобетонного елемента. Дані проведених експериментів погоджуються з теоретичними оцінками за пропонованими методиками.

5. Виконано перевірку працездатності пропонованих конструкцій з асфальтобетонними елементами в умовах натурних експериментів. Було усунено крен відсіку дев'ятиповерхового житлового будинку з опущенням його частини, котра просіла менше, на величину 130 мм. Процес вирівнювання будівлі здійснювався протягом 10 годин із середньою швидкістю термопластичного осідання 13 мм/годину. При цьому в основному закрились раніше утворені тріщини і не з'явились нові, що свідчить про плавність процесу та сприятливий перерозподіл тисків на підвалини у зв'язку зі збільшенням швидкості термопластичного осідання в зонах підвищених тисків. Експериментальний будинок після закінчення експерименту був прийнятий до експлуатації.

6. Експериментально-теоретичні дослідження дозволили удосконалити технологічні і конструктивні параметри конструкцій з асфальтобетонними елементами для вирівнювання будівель. Зокрема для виготовлення асфальтобетонних елементів була пропонована та реалізована стендова технологія віброущільнення в жорстких формах, що забезпечує відносну щільність матеріалу 0,96-0,98. Удосконалена конструкція асфальтобетонного елемента виготовляється спільно з електронагрівачем, що надає їй на монтажу якість традиційних бетонних конструкцій.

Розроблені конструкції були використовані під час будівництва 23 секцій житлових будинків на підроблюваних територіях із тектонічними порушеннями в м. Донецьку. Тривалі натурні спостереження за зазначеними будівлями підтвердили розрахункові параметри застосованих конструкцій.

7. На підставі узагальнення результатів досліджень і досвіду експериментального будівництва розроблено технічні умови на термопластичні елементи з асфальтобетону для безкаркасних будівель, технічні умови на електронагрівачи стрічкові зигзагоподібні для розігріву термопластичних елементів із асфальтобетону, методичні рекомендації щодо вирівнювання будівель за допомогою термопластичних елементів на підроблюваних територіях. Впровадження результатів роботи під час будівництва будівель на підроблюваних територіях дозволило отримати економічний ефект у розмірі 450 тис. гривень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Методические рекомендации по выравниванию зданий и сооружений / С.Н. Клепиков, Г.М. Григорьев, В.П. Шумовский, Ю.К. Болотов, Г.Ф. Шишко, И.В.. Степура, А.В. Машкин, М.Е. Андрющенко, Г.А. Косой, А.В. Павлов, А.П. Пулатов, В.И. Хорунжий, А.А. Шилов, Д.А. Бабий, Р.А. Муллер, Л.Ш. Меламут, В.Н. Земисев, Ю.Ф. Кренида, Г.И. Косаренко, Н.А. Казначевский, Г.Д. Яроцкий, А.А. Петраков, Н.А. Живодеров, В.Е. Макиенко, Ю.Л. Бучинский, М.А. Коваленко, В.Р. Шнеер, М.П. Басин, В.В. Азараев, Ф.И. Мавроди, Н.М. Макар, А.Г. Глущенко, В.И. Малюта, В.И. Котляров, В.Г. Саенко, Г.Е. Шпинев. - Киев: НИИСК, 1987. - 88 с.

2. Живодеров Н.А. Конструктивные меры защиты объектов при подработке // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО “Лебедь”. - 1997. - С. 63-65.

3. Живодеров Н.А. Испытание и выравнивание жилого дома на ступенчато оседающих подрабатываемых территориях // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО “Лебедь”. - 1997. - С. 57-58.

4. Живодеров Н.А. Здания с термопластичными элементами на подрабатываемых территориях // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО “Лебедь”. - 1997. - С. 52-53.

5. А.с. 885453 СССР, МКИ3 Е 02 D 35/00. Устройство для выравнивания положения здания / А.А. Петраков, В.Е. Макиенко, Н.А. Живодеров (СССР); Донецкий ПромстройНИИпроект (СССР). - № 2767583/29-33; Заявлено 15.05.79; Опубл. 30.11.81, Бюл. № 44. - 2 с.: ил.

6. А.с. 1201419 СССР, МКИ4 Е 02 D 35/00. Способ выравнивания здания, сооружения / Н.А. Живодеров, А.А. Петраков, В.В. Азараев, В.Е. Макиенко (СССР); Донецкий ПромстройНИИпроект (СССР). - № 3641389/29-33; Заявлено 12.09.83; Опубл. 30.12.85, Бюл. № 48. - 4 с.: ил.

7. А.с. 1454911 СССР, МКИ4 Е 02 D 35/00. Устройство для выравнивания сооружения/ Н.А. Живодеров, Н.А. Абубикерова, И.Г. Прядко (СССР); Донецкий ПромстройНИИпроект (СССР). - № 4084737/29-33; Заявлено 07.07.86; Опубл. 30.01.89, Бюл. № 4. - 3 с.: ил.

8. Живодеров Н.А. Конструкции с термопластичными элементами для выравнивания зданий // Вісник ДДАБА, 1999. - № 99-2(16). - С. 169-173.

9. Рекомендации по проектированию ленточных фундаментов с термопластичными элементами из асфальтобетона для выравнивания зданий / А.А. Петраков, В.Е. Макиенко, Н.А. Живодеров, Ф.И. Мавроди. - Донецк: 1985. - 23 с. (Препр. / Донецкого ПромстройНИИпроекта; 85-85).

10. Петраков А.А., Макиенко В.Е., Живодеров Н.А. Фундаменты с термопластичными элементами для зданий на неравномерно оседающих основаниях / Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк, 1978. - 15 с. - Рус. - Деп. в ЦИНИС Госстроя СССР 27.12.79, № 1207 - // Реферат в НТЛ, раздел “Б”, вып. 1, 1979 и РК-VІІІ-2-96.

11. Термопластичные элементы из асфальтобетона для фундаментов зданий, сооружений, возводимых в сложных горно-геологических условиях / А.А. Петраков, В.Е. Макиенко, Н.А. Живодеров, Ф.И. Мавроди; Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк, 1979. - 28 с. - Рус.- Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР 06.06.80, № 1760 // Реферат в Библиограф. указателе деп. рукописей, вып. 3, 1980.

12. Технология изготовления термопластичных блоков из асфальтобетона для фундаментов зданий, строящихся в сложных горно-геологических условиях / А.А. Петраков, В.Е. Макиенко, Н.А, Живодеров, Ф.И. Мавроди; Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк, 1979. - 21 с. - Рус.- Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР. 06.06.80, № 1769 // Реферат в Библиограф. указателе деп. рукописей, вып. 3, 1980.

13. Живодеров Н.А., Макиенко В.Е., Петраков А.А. Электроразогрев блоков из асфальта, используемых для выравнивания зданий / Макеевский инж.-строит. ин-т. - Макеевка, 1980. - 32 с. - Рус.- Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР 03.10.80, № 1997 // Реферат в Библиограф. указателе деп. рукописей, вып. 5, 1980.

14. Мавроди Ф.И., Живодеров Н.А. Опыт строительства жилых домов на ленточных фундаментах с термопластичными элементами из асфальтобетона / Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк, 1981. - 12 с. - Рус. -Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР 1982, № 3151 // Реферат в реферат. ж., серия 5, вып. 7, 1982.

15. Живодеров Н.А., Макиенко В.Е. Экспериментальные исследования кратковременной и длительной прочности фундаментных конструкций с термопластичными элементами из асфальтобетона / Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк, 1981. - 35 с. - Рус. - Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР 1983, № 3152 // Реферат в реферат. ж., серия 8, вып. 7, 1982.

16. Живодеров Н.А., Овсий О.В. Новые решения зданий в сложных горно-геологических условиях подрабатываемых территорий / Макеевский инж.-строит. ин-т. - Макеевка, 1982. - 13 с. - Рус. - Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР 1983, № 4024 // Реферат в реферат. ж., серия 29.53 29. 61, вып. 8, 1983.

17. Живодеров Н.А. Работа фундаментных конструкций бескаркасных зданий с термопластичными элементами, возводимых в сложных горно-геологических условиях // Методы расчета и конструктивные решения пром. сооружений, строящихся и эксплуатируемых на подрабатываемых территориях / Донецкий ПромстройНИИпроект. - Донецк, 1985. - С. 128-158. -Рус. - Деп. в ВНИИИС Госстроя СССР 03.09.85, № 6127 // Реферат в Библиограф. указателе деп. рукописей, вып. 1, 1986.

18. Ленточные фундаменты с термопластичными элементами для защиты зданий в сложных горно-геологических условиях / А.А. Петраков, В.Е. Макиенко, Ф.И. Мавроди, Н.А. Живодеров // Тез. докл. конф. инж.-техн. изыскания и проект. фундаментов в Донбассе, 15 окт. 1981 г. - Донецк, 1981. - С. 112-115.

19. Петраков А.А., Макиенко В.Е., Живодеров Н.А. Исследование работы ленточных фундаментов с термопластичными элементами из асфальтобетона, предназначенных для выравнивания зданий // Энтузиазм и творчество молодых - стройкам XІІ пятилетки: Тез. докл. обл. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 22-23 апр. 1987 г. - Донецк, 1987. - С. 28-32.

20. Живодеров Н.А. Методы выравнивания положения зданий, сооружений // Тез. докл. XVІ обл. науч.-техн. конф. инж.-техн. изыскания и проект. фундаментов в Донбассе, 15 дек. 1988 г. - Донецк, 1988. - С. 43-45.

21. Живодеров Н.А., Малюта В.И. Исследования нагревателей, используемых для выравнивания положения зданий и сооружений при неравномерных оседаниях основания // Тез. докл. на XVІІ обл. науч.-техн. конф. инж.-техн. изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе, 15 дек. 1989 г. - Донецк, 1989. - С. 86-88.

22. Живодеров Н.А. Работа фундаментов бескаркасных зданий с защитными термопластичными элементами // Тез. докл. ІІ науч.-техн. конф. вузов Украины, 1 июня 1994 г. - Донецк, 1994. - С. 49-50.

23. Живодеров Н.А. Способы исправления положения зданий, сооружений // Тез. докл. на ІV науч.-техн. конф. вузов Украины 14-15 мая 1996 г. - Днепропетровск, 1996. - С. 61.

Размещено на Allbest.ru