Наукові основи і методи розрахунку гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель

Abstract

UK: Дисертацію присвячено розв’язанню актуальної науково-практичної проблеми розрахунку та проектування гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель з урахуванням діаграм деформування, повзучості матеріалів та показників екологічного впливу на навколишнє середовище протягом життєвого циклу. Проведений аналіз досліджень та проектів в галузі багатоповерхового будівництва з використанням дерев’яних конструкцій показав, що застосування деревини є перспективним напрямком в контексті стійкого розвитку та циркулярної економіки. На сьогодні існує обмежена кількість теоретико- експериментальних досліджень спільної роботи несучих конструкцій з деревини та залізобетону в просторовій системі багатоповерхової будівлі та відсутні рекомендації щодо їх розрахунку та проектування, бракує інтегрованих стандартів з оцінки шкідливих викидів будівлі. Запропонована класифікація конструктивних систем гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель на основі характеру і способу розподілу несучих функцій між елементами та матеріалу вертикальних несучих конструкцій, а також конструктивні рішення збірно-монолітного та збірного деревозалізобетонного перекриття, характерних вузлів з’єднань несучих конструкцій. Виконано оцінку напружено-деформованого стану гібридних 3 деревозалізобетонних багатоповерхових будівель в залежності від типу конструктивної системи, способу забезпечення просторової жорсткості з урахуванням залежностей «напруження-деформація» та повзучості матеріалів. Розглянуто системи: рамну, комбіновану з діафрагмами жорсткості та з ядром жорсткості, комбіновану з ядром жорсткості і аутригерами в різних рівнях. Для аналізу було прийнято квадратний в плані будинок-прототип. Крок колон в поздовжньому і поперечному напрямках становив 5 м. Загальний габарит будівлі в плані 25х25 м. При моделюванні варіювалася кількість поверхів (5, 10, 15 і 20). Висота поверху прийнята 3 м. Отримані дані свідчать про те, що просторова жорсткість 5-ти і 10-ти поверхових будинків забезпечується для всіх розглянутих варіантів конструктивних систем. Для 15-ти поверхової будівлі необхідне застосування рамної конструктивної системи або комбінованої з ядром жорсткості. Що стосується 20-ти поверхової будівлі, то з усіх розглянутих варіантів достатній опір дії вітрових навантажень забезпечується лише при застосуванні комбінованої системи з ядром жорсткості та двома аутригерами, розташованими в рівні 20 та 8 поверхів. При цьому розрахункове значення горизонтальних переміщень істотно менше гранично допустимого. За результатами аналізу рівня використання несучих властивостей елементів каркасу встановлено, що прийняті розміри поперечних перерізів колон (250х250 мм для 5-ти поверхової будівлі; 300х300 мм – для 10- ти поверхової; 400х400 – для 15-ти поверхової та 550х550 мм – для 20-ти поверхової) забезпечують несучу здатність відповідно до вимог діючих нормативних документів. Для урахування повзучості бетону була застосована модель Eurocode EN 1992-1-1, для деревини - модель повзучості пружно-в’язко-пластичного тіла T. Toratti. Результати моделювання з урахуванням деформацій повзучості показали, що реологічні властивості матеріалів істотно впливають на величину переміщень елементів каркасу. Протягом 50 років вертикальні переміщення, отримані з урахуванням повзучості порівняно з результатами для ідеалізованої пружної моделі розрахунку, значно збільшуються, а саме: при умовах класу 4 експлуатації 1 в 2,6 – 3,7 разів для колон з клеєної деревини; 1,8-3,1 рази для колон з клеєного шпону (LVL) та 3,3-3,4 рази для залізобетонного ядра жорсткості; при умовах класу експлуатації 2 в 2,4- 3,7 разів для колон з клеєної деревини; 1,8-2,9 рази для колон з LVL та 3,05-3,15 рази для залізобетонного ядра жорсткості. Порівняльний аналіз отриманих даних щодо вертикальних переміщень дерев’яних колон каркасу за моделлю пружно-в’язко-пластичного тіла та згідно ДБН В.2.6-161:2017, ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1:2010 (Єврокод 5) показав, що дані, отримані за рекомендаціями норм, є заниженими в 1,48 – 2,33 рази для клеєної деревини та в 1,14 – 1,8 разів для LVL. Значна різниця у деформаційних характеристиках та повзучості обумовлює появу нерівномірних вертикальних переміщень, що обумовлює перекіс поверхових комірок та виникнення додаткових розтягуючих поздовжніх зусиль в балках перекриття. Запропоновано метод компенсації нерівномірних вертикальних переміщень несучих конструкцій гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель, який полягає у корекції розмірів поперечного перерізу вертикальних елементів. Для визначення вертикальних переміщень несучих конструкцій гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель розглядається окрема пласка рама, яка складається з колон та балок з клеєної деревини, а також залізобетонної діафрагми. За спрощеними дволінійними діаграмами напружено-деформованого стану визначається сума вертикальних переміщень елементів від опорного вузла до верхньої точки каркасу. Повзучість враховується шляхом введення ефективного модуля пружності. Компенсація нерівномірних вертикальних переміщень полягає у визначені таких розмірів поперечного перерізу вертикальних елементів (як правило, колон), які забезпечать їх рівномірне деформування з урахуванням залежностей «напруження-деформація» та характеристик повзучості матеріалів при відповідності критеріям несучої здатності. Для зменшення кількості марок колон вони об’єднуються у групи по декілька поверхів. Пошук оптимальної кількості груп поверхів та кількості поверхів у групі, а також значень 5 компенсації нерівномірних вертикальних переміщень виконується за критерієм граничної величини нерівномірних вертикальних переміщень. На основі отриманих результатів сформульовано рекомендації щодо розрахунку гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель, які включають вимоги до фізичної моделі будівлі, призначення характеристик матеріалів, методи визначення параметрів напружено-деформованого стану, моделювання з’єднань, а також необхідні перевірки за результатами розрахунку. З метою класифікації клеєної деревини вітчизняного виробництва за міцністю відповідно до чинних стандартів, гармонізованих з нормами Європейського Союзу, проведені випробування на розтяг вздовж волокон окремих ламелей. В результаті обробки експериментальних даних було визначено міцність ламелі на розтяг вздовж волокон ft,0,l,k=18,73 Н/мм2, модуль пружності E0,l,mean=15092 Н/мм2 та густину 467 кг/м3. З використанням кореляційних залежностей визначені відповідні фізико-механічні характеристики, згідно з якими клеєна деревина класифікована як GL28h. Для оцінки несучої здатності клеєної деревини згідно визначеного класу міцності були виконані випробування стандартних зразків (балок) та натурних клеєдеревяних балок на згин. За даними випробувань балки характеризуються незначними розбіжностями значень руйнівного навантаження, що свідчить про однорідність властивостей. Експериментально визначена міцність на згин до 2 разів перевищує очікувані теоретичні значення. Для дослідження міцності та особливостей деформування деревини при вдавлюванні металевого нагеля запропоновано методику та проведено експериментальне дослідження із застосуванням методів оптичної фізики (лазерної голографічної інтерферометрії). Міцність вдавлення деревини становила 54,2-58,3 МПа (для одного зразка 38,9 МПа). Отримані криві залежностей «навантаження-переміщення», а також інтерферограми поверхні та тривимірні графіки деформованої поверхні зразка, які можуть бути використані для верифікації розрахункової скінченноелементної моделі 6 з’єднання. Проведені експериментальні дослідження натурного болтового з’єднання на металевих пластинах на розтяг паралельно волокнам, а також з’єднань дерев’яних елементів на металевих зубчастих пластинах на розтяг та згин. Запропонована емпірична модель для опису діаграми «навантаження- переміщення» з’єднання на металевих зубчастих пластинах (МЗП) в залежності від напряму волокон для врахування нелінійної роботи з’єднання на металевих зв’язках нагельного типу при розрахунку гібридних конструкцій. Визначені коефіцієнти для побудови діаграм кожної серії випробуваних зразків при роботі на розтяг. Експериментально визначена несуча здатність з'єднань на розтяг в усіх випадках вище розрахункової, при цьому коефіцієнт безпеки становить ksaf=1.13…2.43. Отримані дані щодо характеру роботи з’єднань з використанням МЗП на згин. Середнє значення руйнівного моменту для випробуваних на згин зразків становить 0.64..0.68 кН·м. Прогин з’єднання при вичерпанні несучої здатності становив 9.7..11 мм. Запропоновано чисельно-аналітичний метод оцінки напружено- деформованого стану та інженерна методика розрахунку згинальних деревозалізобетонних елементів з урахуванням нелінійного характеру роботи з'єднання та впливу армування на несучу здатність. Для розглянутих варіантів нормальні напруження в перерізі, розраховані з використанням запропонованої методики на 1-8% відрізняються від визначених за лінійно-пружної моделі. При навантаженнях, що відповідають пластичним деформаціям з'єднання, напруження згідно лінійно-пружної моделі виявляються заниженими в порівнянні з пропонованою методикою. Виходячи з конструктивних особливостей деревозалізобетонних перекриттів (товщини плити і захисного шару) виконаний аналіз несучої здатності з урахуванням армування. Встановлено, що несуча здатність плити забезпечує сприйняття розрахункового згинального моменту до навантажень, що викликають руйнування дерев'яної балки при дотриманні умов раціональної роботи стиснутого бетону і розтягнутої арматури. 7 Удосконалено метод моделювання напружено-дефомованого стану з’єднань дерев’яних конструкцій з металевими зв’язками нагельного типу шляхом розбиття масиву деревини на дві області – глобальну з нормованими значеннями фізико-механічних властивостей деревини та локальну в зоні вдавлення з приведеними характеристиками. За результатами моделювання роботи експериментальних зразків деревини, випробуваних на вдавлення нагеля, а також натурного болтового з’єднання на металевих пластинах на розтяг паралельно волокнам, встановлено, що запропонована модель достовірно відображає характер деформування зразка під навантаженням. Різниця між отриманими значеннями максимальних вертикальних переміщень згідно розрахунку скінченноелементної моделі та експерименту складає 10.4 %. Сформульовані критерії забезпечення несучої здатності та запропонована інженерна методика розрахунку вузлів сполучення клеєної дерев’яної балки та колони. Приведено теоретичні основи, принципи та систему критеріїв оцінки екологічного впливу будівельного об’єкту протягом життєвого циклу та за його межами. На основі EN 15978 запропоновано методику оцінки вуглецевого сліду будівельного об’єкту протягом його життєвого циклу. Проведена оцінка ефективності застосування багатоповерхових гібридних будівель з дерев’яними конструкціями за критерієм зменшення вуглецевого сліду. Застосування гібридної конструктивної системи з превалюючим використанням несучих елементів з деревини сприяє зменшенню вуглецевого сліду більше ніж в три рази. Загалом в результаті проведених досліджень розроблено загальний методологічний підхід, основні положення та принципи розрахунку і проектування конструкцій гібридних деревозалізобетонних багатоповерхових будівель з урахуванням реологічних властивостей матеріалів та обґрунтовано їх застосування з точки зору критеріїв стійкості життєвого циклу та циркулярної ресурсоефективної економіки при відповідності вимогам щодо надійності, несучої здатності та експлуатаційної придатності.

EN: The thesis is devoted to the solution of the actual scientific and practical problem of calculation and design of hybrid timber-reinforced concrete multi - storey buildings taking into account the deformation diagrams, creep of the materials and the parameters of the ecological impact on the environment during the life cycle. The analysis of researches and projects in the field of multi-storey construction using timber structures showed that the use of wood is a promising direction in the context of sustainable development and circular economy. Today there is a limited number of theoretical and experimental studies of joint work of timber and reinforced concrete load-bearing structures in the spatial system of multi-storey buildings, their calculation and design as well as a lack of integrated standards for the assessment of harmful emissions of the building. The classification of structural systems of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings on the basis of the nature and method of distribution of loadbearing functions between elements and the material of the vertical load-bearing structures, as well as structural solutions of prefabricated monolithic and 9 prefabricated timber-reinforced concrete floors, typical joints of load-bearing structures. The assessment of the stress-strain state of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings depending on the type of structural system, the method of providing spatial rigidity taking into account the dependences of "stress-strain" and rheological properties of materials was performed. The following systems were considered: frame, combined frame with stiffness diaphragms and rigidity core, combined frame with rigidity core and outriggers at different levels. A prototype building with square layout was adopted for analysis. The step of the columns in the longitudinal and transverse directions was 5 m. The total size of the building in plan was of 25x25 m. The number of floors (5, 10, 15 and 20) was varied during the modeling. The height of the floor is 3 m. The obtained data show that the spatial rigidity of 5 and 10-storey buildings is provided for all considered variants of structural systems. A 15-storey building requires the use of a frame structural system or a combined frame with a rigidity core. For a 20-storey building, of all the options considered, sufficient resistance to wind loads is provided only when using a combined braced frame system with a stiffness core and two outriggers located at the level of 20 and 8 floors. The calculated value of horizontal displacements is significantly less than the maximum allowable. According to the results of the analysis of the level of use of bearing properties of frame elements, it is established that the accepted cross-sectional dimensions of columns (250x250 mm for 5-storey building; 300x300 mm - for 10-storey; 400x400 - for 15-storey and 550x550 mm - for 20-storey) provide load-bearing capacity in accordance with the requirements of current building codes. To consider the creep of the concrete the Eurocode EN 1992-1-1 model was used as well as for timber – the elastic-viscous-plastic model by T. Toratti. The modeling results taking into account the creep deformation have swown that the reological properties have significant influence of the vertical displacement of the frame elements. During 50 years the vertical displacement obtained considering creep are increasing by several times in comparison with idealized elastic model, namely: 10 in conditions of service class 1 by 2.6-3.7 times for glued laminated timber columns, by 1.8-3.1 times for laminated veneer lumber (LVL) timber columns and by 3.3-3.4 times for reinforced concrete rigidity core; in conditions of service class 2 by 2.4-3.7 times for glued laminated timber columns, by 1.8-2.9 times for LVL timber columns and by 3.05-3.15 times for reinforced concrete rigidity core. A significant difference in the deformation characteristics and creep causes the appearance of nonuniform vertical displacements, which causes the skew of the floor cells and the appearance of the additional tensile longitudinal forces in the floor beams. A method for compensating for nonuniform vertical displacements of loadbearing structures of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings was proposed, which consists in correcting the cross-sectional dimensions of vertical elements. To determine the vertical displacements of the load-bearing structures of hybrid reinforced concrete multi-storey buildings, a separate flat frame is considered, which consists of columns and beams of glued timber, as well as a reinforced concrete diaphragm. Simplified two-line diagrams of the stress-strain state are used to determine the sum of the vertical displacements of the elements from the support node to the upper point of the frame. Creep is taken into account by introducing an effective modulus of elasticity. Compensation for nonuniform vertical displacements is to determine the dimensions of the cross section of vertical elements (usually columns), which will ensure their uniform deformation, taking into account the dependences of "stress-strain" and creep characteristics of materials in accordance with the criteria of bearing capacity. To reduce the number of columns types, they are combined into groups of several floors. The search for the optimal number of groups of storeys and the number of storeys in the group, as well as the values of compensation for non-uniform vertical displacements is performed using the criterion of the limit value of uneven vertical movements. Based on the results obtained, the recommendations for the calculation of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings are formulated, which include the requirements for the physical model of the building, assignment of material characteristics, methods for determining of the stress-strain state parameters, 11 joints modeling and necessary checks according to the calculation results. In order to classify the glued timber of domestic production by strength in accordance with current standards harmonized with the norms of the European Union, tensile tests along the fibers of individual lamellae were performed. As a result of processing the experimental data, the tensile strength of the lamella along the fibers was determined ft,0,l,k=18,73 Н/мм2, modulus of elasticity E0,l,mean=15092 Н/мм2 and density 467 кг/м3. Using correlation dependences, the corresponding physical and mechanical characteristics were determined, according to which glued timber was classified as GL28h. Tests of standard samples (beams) and full-size glued beams were performed to assess the load-bearing capacity of glued timber according to a determined strength class. According to the test data, the beams are characterized by slight differences in the values of the destructive load, which indicates the homogeneity of the properties. The experimentally determined bending strength is 1.68-1.74 times higher than the expected theoretical values. To study the strength and deformation characteristics of timber embedment strength, a method was proposed and an experimental study was performed using the methods of optical physics (laser holographic interferometry). Timber embedment strength obtained was 54.2-58.3 MPa (for the one sample 38.9 MPa). Loaddisplacement curves were obtained, as well as surface interferograms and threedimensional diagrams of the deformed surface of the sample, which can be used to verify the theoretical finite element model of the connection. Experimental studies of full-scale bolted joints on metal plates on tension parallel to the grain, as well as of connections of timber elements on metal toothed plates for tensile and bending were performed. An empirical model is proposed to describe the "load-displacement" diagram of the connection on metal toothed plates (MTP) depending on the direction of the fibers to take into account the nonlinear behaviour of the connection on mechanical connections when calculating hybrid structures. The coefficients for deformation diagrams of each series of tested samples at work on tension are defined. Experimentally determined load-bearing capacity of tensile joints in all cases is higher than the calculated one, while the safety factor is 12 ksaf=1.13…2.43. The data about the nature of the bending behaviour of the joints using MTP were obtained. The average value of the failure bending moment for the samples is 0.64..0.68 kNm. The deflection of the joint when the bearing capacity was exhausted was 9.7..11 mm. A numerical-analytical method for estimating the stress-strain state and an engineering method for calculating bending timber-reinforced concrete elements taking into account the nonlinear nature of the joint behaviour and the effect of reinforcement on the load-bearing capacity was proposed. For the considered variants, the normal stresses in cross section, calculated using the proposed technique by 1-8% differ from those determined by the linear-elastic model. At loads values corresponding to the plastic deformations of the joint, the stresses according to the linear-elastic model are underestimated in comparison with the proposed method. Considering the design features of reinforced concrete floors (slab and concrete cover thickness) the analysis of bearing capacity taking into account the reinforcement was performed. It is established that the load-bearing capacity of the slab provides the perception of the calculated bending moment to the loads that cause the destruction of the timber beam in compliance with the criteria of rational operation of compressed concrete and tensile reinforcement. The method of modeling the stress-strain state of joints of timber structures with mechanical connections was proposed by dividing the timber massive into two areas - global with normalized values of physical and mechanical properties of timber and local in the embedment area with the reduced characteristics. According to the results of modeling the behaviour of experimental samples of timber tested for nail embedment, as well as full-scale bolted connection on metal plates in tensile parallel to the fibers, it was found that the proposed model accurately reflects the nature of deformation of the sample under load. The difference between the obtained values of the maximum vertical displacements according to the calculation of the finite element model and the experiment is 10.4%. The criteria of bearing capacity are formulated and the engineering technique of calculation of joints of glued wooden beam and column is proposed. 13 Theoretical bases, principles and system of criteria for assessment the environmental impact of a building asset during the life cycle and beyond were given. Accorging to the EN 15978, a method for estimating the carbon footprint of a building during its life cycle was proposed. The efficiency of multi-storey hybrid buildings with timber structures was evaluated according to the criterion of carbon footprint reduction. The use of a hybrid structural system with the prevailing use of load-bearing elements made of timber helps to reduce the carbon footprint by more than three times. The results of the conducted research are the development of a general methodological approach, basic principles and methods of calculation and design of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings, considering the deformation diagrams, crepp of the materials and substantiation of their application in terms of life cycle sustainability and circular resource efficient economy criteria as well as in accordance with the demands on reliability, load-bearing capacity and serviceability.