Железобетонные плиты перекрытий: Пустотные плиты перекрытия. Купить железобетонные пустотные плиты перекрытия ПК ПБ в Москве по выгодным ценам

Усиление двусторонних железобетонных плит перекрытия с использованием армирования полипропиленовым волокном – Fingerprint – Research Nebraska

Мэтью Дж. Радик, Эсе Эрдогмус, Трэвис Шафер

Результат исследования: Вклад в журнал › Статья › рецензирование

21 Скопус цитаты

• Сортировать по
• Масса
• По алфавиту

Инженерия и материаловедение

Химические соединения

Отклик плоской железобетонной плиты перекрытия с проемами при циклическом плоскостном нагружении

На этой странице горизонтальный в -плоские циклические нагрузки в дополнение к вертикальным эксплуатационным нагрузкам были исследованы с использованием нелинейного анализа методом конечных элементов (МКЭ). Модель конечных элементов (МКЭ) была разработана для проведения параметрического анализа. Влияние размеров отверстий (7%, 14%, 25% и 30% от общей площади плиты), формы отверстий (эллиптические, круглые, Г-образные, Т-образные, крестообразные и прямоугольные) и расположения на гистерезисное поведение плиты перекрытия. Исследование показало, что отверстия в железобетонных плитах перекрытия уменьшают способность поглощения энергии и жесткость плиты перекрытия. Включение 30-процентного отверстия в плите перекрытия приводит к снижению поперечной несущей способности, жесткости и бокового смещения на 68,5 %, 47,3 % и 45,6 % соответственно по сравнению с плитой перекрытия без отверстий. Плоская железобетонная плита перекрытия с круглым отверстием имеет повышенную эффективность. Размещение проемов желательно располагать на пересечении двухколонных полос.

1. Введение

Являясь основным горизонтальным конструктивным элементом строительных конструкций, плита перекрытия подвержена нагрузкам в плоскости и вне ее, которые в основном связаны с боковыми нагрузками [1, 2]. Поэтому важно учитывать комбинированное влияние плоскостных и внеплоскостных нагрузок при проектировании бетонной плиты для здания. Он сопротивляется вертикальным силам в течение большей части своего расчетного срока службы. Однако конструкция пола может выдерживать горизонтальные сейсмические нагрузки во время землетрясения, которое может длиться всего от 10 до 100 секунд. Это называется диафрагмой в течение этого короткого периода, когда конструкция пола должна выдерживать как гравитационные, так и горизонтальные силы [1].

Характеристики действия диафрагмы плиты перекрытия в первую очередь контролируются ее плоскостной жесткостью. Диафрагма пола считается жесткой, если она перемещается только по плоскости и вращается как твердое тело вокруг вертикальной оси, тогда как гибкая диафрагма — это та, в которой распределение боковой силы на элементы, сопротивляющиеся вертикальной поперечной нагрузке, зависит от площади притока. Наконец, жесткая диафрагма — это диафрагма, которая ведет себя посередине [3–5]. Экспериментальное и аналитическое исследование было проведено в Университете Лихай [6] для определения сейсмического поведения диафрагмы перекрытия в плоскости с масштабными моделями, представляющими часть системы перекрытий в конструкции здания с различными условиями нагрузки и поддержки. Силы диафрагмы прикладывались в плоскости системы перекрытий как монотонно, так и циклически. Поведение гистерезиса было выявлено после неупругой деформации системы плит перекрытия.

Во многих конструкциях разумная оценка распределения инерционной силы может быть достигнута, если предположить, что плиты действуют как жесткая диафрагма, но для конструкций с большими проемами и некомпактной формы деформация диафрагмы перекрытий должна быть явно учтена в расчетах. анализ. Во многих строительных нормах, включая Еврокод и ACI, указано, что игнорирование гибкости перекрытий при оценке сейсмической реакции перекрытий перекрытий с большими отверстиями и некомпактными или сильно вытянутыми в плоскости формами может привести к ошибкам.

Влияние проемов на сейсмостойкость диафрагмы пола исследовалось несколькими исследователями, и было подтверждено, что наличие отверстий в диафрагме пола приводит к существенному снижению несущей способности диафрагмы пола. Предыдущие исследования показали, что на неупругую сейсмическую реакцию диафрагмы железобетонного перекрытия сильно влияет наличие отверстий, особенно при растрескивании и деформации перекрытия. Для определения влияния размера проема и внеплоскостной нагрузки на неупругое сейсмическое поведение диафрагмы перекрытия, опирающегося на балку, с проемом был использован подход микроМКЭ [7]. Отверстия или входящие углы в диафрагме должны быть правильно расположены и должным образом усилены [8].

В строительстве повреждения, вызванные землетрясением, обычно возникают в местах слабости конструкции, и эти слабости чаще всего обнаруживаются в неоднородностях массы, жесткости и прочности элементов, сопротивляющихся вертикальной и горизонтальной поперечной нагрузке. В настоящее время из-за архитектурной эстетики и вентиляции во многих строительных конструкциях используются плиты перекрытий с отверстиями. Помимо строительных коммуникаций, включая лестницы, лифты, воздуховоды и трубы, также необходимо проходить через плиты перекрытия, и в этом процессе в плите перекрытия возникает слабость. Поскольку необходимо понимать поведение плит перекрытия с отверстиями, были проведены различные аналитические исследования, основанные на экспериментальных испытаниях. Тем не менее, знания о характеристиках железобетонных плит перекрытий с различным расположением, формой и размерами отверстий ограничены.

В настоящем исследовании реакции плоских железобетонных плит перекрытий с различными размерами проемов, формами проемов и расположением проемов при горизонтальной прямой циклической нагрузке и вертикальных эксплуатационных нагрузках рассматривались с использованием подхода FEM. Программное обеспечение FEA, Abaqus/CAE, провело моделирование и анализ для учета плоскостной деформации и предельной несущей способности из-за циклической нагрузки, основанной на перемещении, аналогично экспериментальному исследованию, проведенному в Университете Лихай.

2. Анализ методом конечных элементов плоской железобетонной плиты перекрытия

В настоящем исследовании использовался метод конечных элементов для сбора соответствующих данных о поведении диафрагм перекрытий с отверстиями с помощью FEA, программного обеспечения Abaqus/CAE. Чтобы проверить, отражают ли результаты моделирования реальные результаты, для проверки использовались плоские плиты перекрытий, испытанные в Университете Лихай в 1986 году [6]. Поведение материалов, условия поддержки и процедуры нагружения, используемые в экспериментальном исследовании [6], были применены в МКЭ. После проверки МКЭ было проведено параметрическое исследование и анализ чувствительности, принимая в качестве параметра размер отверстия, расположение, форму, эксплуатационную нагрузку, марку стали и марку бетона.

2.1. Типы бетонных элементов

В настоящем исследовании для моделирования бетонного материала использовался C3D8 (линейные шестигранные кирпичные элементы с 8 узлами).

2.2. Арматурные стержни

При расчете упругих расчетов в МКЭ обычно пренебрегали армированием, поскольку вклад жесткости бетона намного больше, чем армирование, но в нелинейном анализе моделирование армирования необходимо в основном для определения предельной несущей способности состав. Арматурные стержни были смоделированы как балочные элементы, представляющие собой одномерные линейные элементы в трехмерном пространстве, имеющие жесткость, связанную с деформацией линии. Как упругие, так и пластические свойства были включены в эластичный вариант, используемый для задания модуля упругости и коэффициента Пуассона, а в пластическом варианте истинные значения напряжения и деформации использовались для моделирования его пластических свойств. В таблице 1 показаны механические свойства арматурных стержней, которые использовались при моделировании, взятом из экспериментального исследования, проведенного [6].

2.3. Конститутивная модель бетона

Бетон проявляет нелинейность как при сжатии, так и при растяжении; это создает трудности в численном анализе. Параметры, необходимые для моделирования бетона под комплексным напряжением, были включены в программное обеспечение Abaqus/CAE в модель пластичности бетона при повреждении (CDP). Одной из наиболее часто применяемых к бетону гипотез прочности является гипотеза Друкера-Прагера. На основе недилатационной энергии деформации разрушение определяется конусообразной граничной поверхностью. Преимуществом использования этого критерия является гладкость поверхности и, следовательно, отсутствие сложностей при численном применении. Недостатком является то, что он не полностью соответствует реальному поведению бетона [9].]. Модель CDP, используемая в программном обеспечении Abaqus/CAE, является модификацией гипотезы прочности Друкера-Прагера. Параметры модели CDP для соотношений одноосного сжатия (таблица 2) были взяты из методов, обсуждаемых в [10].

Поведение бетона при растяжении использовали билинейную модель (рис. 1). Раскрытие трещины использовалось вместо напряжения растяжения и рассчитывалось как отношение общей энергии ( G _F ) на единицу площади, необходимой для создания трещины в бетоне. Таким образом, хрупкое поведение бетона определяется смещением трещин под напряжением, а не реакцией напряжения на деформацию [9].].

В условиях одноосной циклической нагрузки возникает несколько сложных механизмов разрушения. Микротрещины развиваются, закрываются и взаимодействуют друг с другом. При одноосных циклических испытаниях замечено, что упругая жесткость немного восстанавливается при смене знака нагрузки. Существенным элементом поведения бетона при циклическом нагружении является влияние восстановления жесткости на жесткость бетона. При изменении нагрузки от растяжения к сжатию эффект, как правило, становится более очевидным, вызывая закрытие трещин при растяжении, что приводит к восстановлению сжимающего напряжения [11].

Модель пластичности бетона при повреждении предполагает, что снижение модуля упругости выражается через скалярную переменную деградации ( d ), как в следующем уравнении [11]: где E _o – (неповрежденный) модуль упругости.

В Abaqus/CAE значения коэффициентов восстановления жесткости по умолчанию и использовались для иллюстрации поведения бетона в цикле одноосной нагрузки. В настоящем исследовании все характеристики повреждения бетона (рис. 2) были получены из одной известной величины средней прочности бетона на сжатие ().

2.4. Геометрия конечно-элементной модели, сетка и граничные условия

Геометрический МКЭ плоской железобетонной плиты, опирающейся на колонну, был построен после определения свойств материала (рис. 3). Плита поддерживалась с одной стороны стеной сдвига, а с противоположной стороны — колоннами. Нависающие плиты, равные одной четверти размера панели, были добавлены на всех несплошных сторонах, чтобы представить части плит перекрытий соседних пролетов, поскольку образец для испытаний по [6] представляет собой внутреннюю панель здания-прототипа. Длина межцентрового пролета и толщина железобетонных плит перекрытия составляли 1630 мм в обоих направлениях и 56 мм соответственно, а размеры колонны составляли 136 мм × 136 мм без капитала.

При моделировании методом конечных элементов размер сетки является важным фактором, определяющим достоверность результатов анализа. Грубая сетка может дать менее точные результаты, в то время как более мелкая сетка может увеличить стоимость вычислений. Специального регламента по размеру ячеи нет. Поэтому был использован итерационный метод, чтобы найти подходящий размер сетки для модели. В настоящем исследовании размер сетки 50 мм × 50 мм подходил для бетонных и арматурных стержней, созданных с помощью модуля сетки (рис. 4).

После сборки всех элементов отдельные элементы были правильно соединены. Арматура была представлена ​​в бетонной области в виде закладных элементов, чтобы обеспечить полное взаимодействие между арматурой и бетонными элементами. Колонны были напрямую привязаны к плите с помощью опции ограничения заделки и связи.

Граничные условия разрабатывались по граничному варианту с начальным шагом после моделирования и сборки сечения. Нижние поверхности опорных колонн были зафиксированы от поступательного движения и поворота, а узлы плиты, прикрепленные к стене, от поступательного движения во всех направлениях (рис. 5).

2.5. Условия нагружения модели

Рабочая гравитационная нагрузка применялась как сила давления (рис. 6(а)), которая оставалась постоянной на протяжении всего анализа, а циклическая боковая нагрузка (рис. 6(б)) применялась с постепенным увеличением амплитуды смещения с использованием спектр нагрузки (рис. 7), который предоставляет более эффективные данные о гистерезисном поведении элементов или конструкций.

Вертикальная нагрузка, приложенная к железобетонным плитам перекрытий, составила временную нагрузку 3,8  кН/м ² и дополнительная эксплуатационная нагрузка 3,9 Н/м ² . Была приложена серия сосредоточенных сил, которые были разнесены по центру на 540 мм в каждом направлении. Один имитатор вертикальной (гравитационной) нагрузки контролировал все точечные нагрузки в пределах ширины одной панели, в том числе в выступающих частях четверти панели.

2.6. FEM Validation

Реакция плоских железобетонных плит перекрытий без проемов и плит с отверстиями разного размера, формы и расположения изучалась с помощью FEM. Учитывая точность и надежность программного обеспечения для численного моделирования, результаты предельной нагрузки и бокового смещения плоской железобетонной плиты перекрытия в этом исследовании были извлечены для проверки надежности модели. Результаты МКЭ сравнивались с экспериментальными результатами, полученными в [6]. Результаты предельной нагрузки и поперечного смещения показаны в таблице 3, а гистерезисная кривая для FEM и результаты эксперимента показаны на рисунке 8. Когда гистерезисная кривая плиты, предельная нагрузка и поперечное смещение, полученные с помощью FEM и эксперимента, сравниваются, заметно, что значение, оцененное по модели, немного отклоняется от эксперимента, но находится в допустимых пределах. Кроме того, смоделированная гистерезисная кривая плиты по существу согласуется с экспериментом. В результате результат МКЭ отлично согласуется с экспериментальным результатом.

2.7. Параметрическое исследование плоских железобетонных плит

Параметрическое исследование изучало влияние различных размеров проемов, форм проемов и расположения проемов в плоских железобетонных плитах перекрытий, подверженных циклическим нагрузкам в плоскости и вне плоскости (таблица 4).

Для исследования влияния размера отверстий на плоские железобетонные плиты были рассмотрены четыре различных размера отверстий: 7%, 14%, 25% и 30% от общей площади плиты. Эти отверстия были размещены в средней части плиты. Согласно [12] допускается любой размер проема в области, общей для пересекающихся средних полос, при соблюдении требований как прочности, так и эксплуатационной пригодности. В этом исследовании половина прерванной арматуры была заменена с каждой стороны проема, чтобы сохранить полную неплоскостную способность плиты.

Влияние формы отверстия было исследовано путем рассмотрения эллиптических, круглых, L-образных, Т-образных, крестообразных и прямоугольных отверстий (рис. 9). Эти отверстия составляли 14% от общей площади плиты, обнаруженной на пересечении двух средних полос плиты.

В настоящем исследовании были выбраны три места открытия. Это были пересечение двух средних полос, пересечение двухколонных полос и пересечение средней и столбчатой ​​полос.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Влияние размера проема на среднюю полосу плоских железобетонных плит перекрытия

Из рисунка 10 видно, что по мере увеличения размера проема в плоской железобетонной плите перекрытия ее поперечная несущая способность существенно снижается. Численное моделирование показывает, что включение 30-процентного проема в плите перекрытия приводит к снижению поперечной несущей способности системы плит перекрытия на 68,54 %.

Связь между размером проема и боковой несущей способностью может быть выражена следующим уравнением с использованием нелинейной регрессии: где y — это боковая несущая способность (кН), а x — размер проема (%).

На рис. 11 показано, что поперечное смещение уменьшается по мере увеличения размера отверстий в плоских плитах перекрытий; можно сказать, что сплошные плиты (плита без отверстия) демонстрируют большую неупругую деформацию по сравнению с плитой с отверстием. Из настоящего исследования видно, что включение открытия на 30% приводит к снижению жесткости на 45,55%.

Связь между размером отверстия и боковым смещением может быть выражена уравнением (3) с использованием нелинейной регрессии: где y — поперечное смещение (мм), x — размер отверстия (%).

Способность поглощать энергию и жесткость плиты перекрытия уменьшаются по мере увеличения размера проема (рис. 12). Из этого параметрического исследования следует, что включение 30-процентного отверстия в плите перекрытия приводит к снижению жесткости на 47,26 %.

Связь между размером отверстия и жесткостью может быть выражена уравнением (4) с использованием нелинейной регрессии: где y обозначает жесткость (кН/мм) и x обозначает размер отверстия (%).

3.2. Влияние формы проема на среднюю полосу плоских железобетонных плит перекрытия

В таблице 5 показано влияние формы проема на боковую несущую способность средней полосы, боковое смещение и жесткость плоских железобетонных плит. Из шести типов проемов более высокое значение поперечной нагрузки и жесткости наблюдается у круглого проема. Однако форма поперечного отверстия демонстрирует минимальное боковое смещение.

3.3. Влияние расположения проема на плоских железобетонных плитах перекрытия

Варьирование расположения проема Более высокое значение поперечной несущей способности и неупругой деформации наблюдается при выполнении проема на пересечении двухколонных полос плоской железобетонной плиты перекрытия. Уменьшение бокового смещения отмечается там, где отверстие расположено на пересечении двух средних полос. Таблица 6 иллюстрирует влияние различных мест открывания.

3.4. Анализ чувствительности

В Abaqus/CAE были смоделированы комбинации из методики латинского гиперкуба и определена их допустимая поперечная нагрузка (таблица 7).

После определения поперечной несущей способности выполняется регрессия для соотнесения входных параметров или нахождения коэффициента корреляции следующим образом: где y обозначает боковую несущую способность, P _d — эксплуатационную нагрузка, О _р — размер проема, C — прочность бетона на сжатие, а S — прочность стальной арматуры.

Из регрессионного анализа видно, что размер проема является наиболее влиятельным фактором в снижении поперечной несущей способности железобетонной плиты перекрытия, поскольку он имеет более высокий коэффициент корреляции.

4. Заключение

Нелинейный МКЭ использовался для исследования реакции плоских железобетонных плит перекрытий на циклическую нагрузку в плоскости. Оценивалось влияние соотношения сторон плит, размера проема, расположения и формы. Чтобы проанализировать гистерезисное поведение бетонных плит, численное моделирование с использованием программного обеспечения FEA, Abaqus/CAE, способно дать точные и подходящие оценки. Были включены шесть типов проемов, расположенных на средней панели плиты перекрытия. На энергопоглощающую способность и жесткость железобетонных плит перекрытий может влиять наличие отверстий. Однако из-за этих форм отверстий лучшая способность поглощения энергии и жесткость наблюдались у круглых. Отверстие, расположенное на пересечении двухколонных полос возле опоры стены сдвига, показало лучшую производительность по сравнению с двумя другими местами. Можно сделать вывод, что небольшие размеры проемов рекомендуются, особенно в сейсмоопасных районах, поскольку наличие проемов сильно влияет на сейсмостойкость диафрагмы пола.

Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Р. Хаджехдехи и Н. Панахшахи, «Влияние проемов на поведение конструкции в плоскости железобетонных плит перекрытий», Journal of Building Engineering , vol. 2016. Т. 7. С. 1–11.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

2. Ф. К. Вольфграм и Б. Алиреза, «Вклад железобетонных плит перекрытия в сопротивление боковым нагрузкам», Journal of Structural Engineering , vol. 115, нет. 1, стр. 1–18, 1989.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

3. А. У. Рахман, А. Проф и Н. Джамшетти, «Сейсмический эффект диафрагмы жесткого пола»,

   International Research Journal of Engineering and Technology , том. 6, pp. 433–441, 2019.
   Посмотреть по адресу:
   Google Scholar

4. Б. М. Моейни и Б. Рафези, «Исследование гибкости перекрытий перекрытий в железобетонных конструкциях и предоставление норм», Global Journal of Исследования в области машиностроения , вып. 11, нет. 1, 2011.

   Посмотреть по адресу:
   Google Scholar

5. E. Thomas, J. George, D. Paulose, M. Tech, C. Engineering и A. Jyothi, «Оценка состояния диафрагмы для напольные системы» Международный исследовательский журнал инженерии и технологий

   , том. 4, нет. 6, pp. 836–843, 2017.
   Посмотреть по адресу:
   Google Scholar

6. С. Чен, Железобетонные плиты перекрытий под монотонной и циклической нагрузкой в ​​плоскости , Lehigh University, Вифлеем, Пенсильвания, США , 1986.

7. Р. Хаджехдехи и Н. Панахшахи, «Нелинейный КЭ-анализ диафрагм перекрытий железобетонных зданий с проемами, подверженными плоскостным и внеплоскостным нагрузкам», в NCEE 2014 — 10-я Национальная конференция США по сейсмостойкому проектированию Front Earthquake Engineering , с. 66045, Анкоридж, Аляска, США, июль 2014 г.

   Просмотр по адресу:
   Google Scholar

8. B. S. Taranath, Ветро- и сейсмостойкие здания: структурный анализ и проектирование , CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, США, 2004.

9. Ю. Зюмер и М. Акташ, «Определение параметров модели пластичности повреждения бетона», Challenge Journal of Structural Mechanics , том. 1, нет. 3, стр. 149–155, 2015 г.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

10. П. Кмечик и М. Каминский, «Моделирование железобетонных конструкций и композитных конструкций с учетом ухудшения прочности бетона», Архив гражданского и машиностроения , том. 11, нет.