Об определении податливости связей при формировании расчетных моделей панельных зданий

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624

В.П. БЛАЖКО, канд. техн. наук

АО «ЦНИИЭП жилища — Институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий»

Об определении податливости связей при формировании расчетных моделей панельных зданий

При необходимости анализа напряженно-деформированного состояния крупнопанельного здания конечно-элементные модели (КЭ-модели) формируются из набора панелей, плит перекрытий, элементов лестнично-лифтового узла, которые соединяются дискретными связями. В качестве связей чаще всего применяются конечные элементы стержневого типа с заданными по направлению глобальных осей величинами жесткостей. В данной статье рассмотрены вертикальные сборно-монолитные стыки между стеновыми панелями. Приведены определенные аспекты формирования расчетных моделей метода конечных элементов применительно к панельным зданиям, а также вопросы определения сдвиговой жесткости связей между панелями в вертикальных стыках. Показано, что занижение жесткости соединения панелей в вертикальном стыке при расчетах на динамические воздействия приводит к существенным искажениям результатов расчетов.

Ключевые слова: сборное домостроение, расчеты панельных зданий, напряженно-деформированного состояния здания, формирование расчетных схем, конечные элементы стержневого типа, сдвиговая жесткость связей в вертикальных стыках.

Для цитирования: Блажко В.П. Об определении податливости связей при формировании расчетных моделей панельных зданий // Жилищное строительство. 2017. № 3. С. 17-21.

V.P. BLAZHKO, Candidate of Sciences

About Determination of Ductility of Connections When Forming Calculation Models of Panel Buildings

When an analysis of stress-strain state of large-panel buildings is required, finite element models (FE models) are formed from the set of panels, floor slabs, elements of a staircase and elevator section which are connected by discrete connections. As connections, finite elements of a rod type with values of rigidity set along the direction of global axes are used more often. This article considers vertical precast-monolithic joints between wall panels. Certain aspects of the formation of calculation models of the finite element method with regard to panel buildings as well as problems of determination of shear rigidity of connections between panels in vertical joints are presented. It is shown that the underestimation of rigidity of connection of panels in the vertical joint, when calculating dynamic impacts, leads to significant distortion of calculation results, at that not in reserve of strength.

Keywords: pre-cast housing construction, design of panel buildings, stress-strain state of building, formation of calculation schemes, finite elements of rod type, shear rigidity of connections in vertical joints.

For citation: Blazhko V.P. About determination of ductility of connections when forming calculation models of panel buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 3, pp. 17-21. (In Russian).

В Российской Федерации высок процент возведения крупнопанельных зданий от общего количества возводимого жилья [1, 2]. Расчеты панельных зданий в настоящее время по большей части выполняются с применением программных комплексов, реализующих метод конечных элементов [3-5].

В случае, когда необходим детальный анализ напряженно-деформированного состояния здания, конечно-элементные модели (КЭ-модели) формируются из набора панелей, плит перекрытий, элементов лестнично-лифтового узла. Все элементы соединяются между собой дискретными связями [6-11]. В качестве связей чаще всего применяются конечные элементы стержневого типа с заданными по направлению глобальных осей величинами жесткостей,

3'2017 ^^^^^^^^^^^^^

например КЭ 55 элемент в ПК ЛИРА. В данной статье рассмотрены вертикальные сборно-монолитные стыки между стеновыми панелями (рис. 1).

Сопротивление сдвигу в вертикальном направлении ( по оси Z) обеспечивается бетоном замоноличивания, шпонками, выпусками арматуры из панелей. Усилия в горизонтальном направлении (по оси X) воспринимаются выпусками арматуры. Усилия в направлении по оси У воспринимаются бетоном замоноличивания и выпусками арматуры. В [3] показаны расчетные схемы соединения стеновых панелей, применяемые наиболее часто.

На рис. 2 показаны возможные расчетные схемы соединения панелей, которые отличаются от применяемых введением промежуточного (нулевого) узла, через который

- 17

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

100

Панель П2

где I,

1ос

условная высота шпонки,

определении ее податливости при

П1

П2

Рис. 1. Вертикальный сборно-монолитный стык между стеновыми панелями

соединяются панели. Такая схема полнее отражает работу реального узла, позволяет учитывать бетон замоноличива-ния и продольную арматуру, размещаемую в узле. В полости стыка фактически образуется промежуточный элемент (колонна), через который взаимодействуют стеновые панели. Этот элемент включается в расчетную схему, и в результате расчетов можно оценить работу вертикальной арматуры, расположенной в стыке (это особенно актуально при расчетах на прогрессирующее обрушение). Рассмотрим вопрос определения податливости связей, соединяющих панели в вертикальном стыке. Наибольший интерес представляет податливость связей на сдвиг по вертикали (по оси Z). В Пособии по проектированию жилых зданий «Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)» (выпуск 3) для бетонного шпоночного соединения коэффициент податливости при взаимном сдвиге определяется по формуле (формула 13, с. 280 в Пособии):

Кь = 1,ос(1/ЕЬ + 1/Emon)/(Ahcnk),

принимаемая при сдвиге 250 мм;

А1ос - площадь сжатия шпонки, через которую передается в соединении сжимающее усилие; Еь - модуль деформации бетона сборного элемента; Етоп - то же, бетона за-моноличивания; пк - число однотипных шпонок в стыке. По формуле (13) определяется суммарная деформация двух столбиков длиной по 250 мм с площадью сечения, равной А,ос. Размеры сечения колодца замоноличивания и реальные размеры шпонок по высоте в этой формуле не учитываются.

В действительности характер деформации сдвига рассматриваемого стыка сложнее, чем это принято в Пособии по проектированию жилых зданий «Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)» (выпуск 3). Рассмотрим стык на рис. 1: класс бетона панели В25; класс бетона замоноли-чивания В25; толщина панели 200 мм; модуль деформации

бетона класса В25 Е,

: Етоп = 301

1 кН/м2. Принят началь-

Рис. 2. Расчетная схема соединения панелей: а — в — возможные схемы соединения; 1—4 — точки соединения; 0 — нулевой узел

ный модуль упругости. Податливость шпонки по Пособию по проектированию жилых зданий «Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)» (выпуск 3) при таких исходных данных составляет:

Хть = 1,04-10-6 м/кН.

Это на одну сторону стыка, а на две стороны \ть = 2,08-10-6 м/кН.

Жесткость получим К0 = 0,48106 кН/м.

В компьютерной модели (рис. 3) контакт бетона замо-ноличивания с бетоном панелей осуществляется с помощью конечных элементов линейного типа, обеспечивающих одностороннюю связь между соединяемыми узлами (в ПК ЛИРА это элемент КЭ262).

В КЭ262 задается только жесткость в направлении оси элемента. Закрепления элементов относительно глобальной системы координат показаны на рис. 3: ХУ- закрепление вдоль осей Хи У; ХYZ- закрепление вдоль осей Х, У, Z. Нагрузка прикладывается к правой панели в узлах всего 100 кН.

На рис. 4 показано, что в деформациях бетона участвуют шпонки, бетон замоноличивания и бетон панелей на контакте с бетоном замоноличивания. Взаимное смещение по вертикали узлов КЭ-модели, расположенных по оси шпонки от нагрузки 100 кН составило - Д1 = 0,0000121 м. А жест-

18

32017

0

У

а

Х

У

Х

У

Х

Научно-технический и производственный журнал

Односторонние связи

Панель П1

Х,У

Х, У, Z

Бетон замоноличивания

Панель

П2

Х,У

УУ

I- Е Л Е НЕ Й Л Ее загружение 1

iiiiiiiii]

Рис. 3. Компьютерная модель стыка двух панелей с одной шпонкой Рис. 4. Деформированная схема узла

Z

У

Х

Z

Y

X

КЭ41

КЭ10

КЭ41

Х,У

А

0

1 2

а V а

x,y,z КЭ55 У

Х,У

У

Л

* "

3 щ 4

Г'-'i " » - v ,

Рис. 5. Конечно-элементная модель: а — фрагмент КЭ-модели в месте расположения связи (связь соединена с узлами 1 и 2 сетки); б — физический аналог рассматриваемого участка КЭ-модели

а

У

У

Z

Z

У

Х

кость К1 = 8,26106 кН/м. Полученная податливость по сравнению с Пособием по проектированию жилых зданий «Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)» (выпуск 3) ниже в 1,7 раза, а это означает, что жесткость будет выше в 1,7 раза. Такие расхождения при расчетах на статические нагрузки вряд ли сильно отразятся на результатах, чего нельзя сказать о расчетах на сейсмические воздействия, где податливость соединения панелей в вертикальных стыках существенно влияет на частоты собственных колебаний здания.

Рассмотрим еще один аспект, который практически не затрагивался до сих пор, а именно особенности учета величины податливости стыка, полученной теоретически или экспериментально при формировании самой конечно-эле-

32017 ^^^^^^^^^^^^^

ментной модели. Рассмотрим стык с конечным числом шпонок. Каждая шпонка в модели представляется стержневым элементом с заданными по направлениям осей глобальной (или локальной ) системы координат жесткостями. Ограничимся сдвиговой жесткостью.

На рис. 5 показано, что по линии а — а на физическом аналоге отмечены соответствующие КЭ-модели точки присоединения связи (1, 2). В соответствии с алгоритмом МКЭ на все узлы модели накладываются связи, ограничивающие перемещения узла по направлениям Х, У, Z (рассмотрим для простоты только три степени свободы). Вводя последовательно единичные перемещения узлов по направлениям Х, У, Д получим реакции в наложенных связях. Далее формируется матрица жесткости системы. Это

- 19

Крупнопанельное домостроение

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

Модель стыка Податливость по оси Z, м/кН Жесткость по оси Z, кН/м Примечания

Пособие по проектированию жилых зданий «Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)» (выпуск 3) 2.08-10-6 К0 = 0,48-106

Модель с необъединенными перемещениями узлов 1,21 10-6 К1 = 0,82-106 К/К = 1,7

Модель с объединенными перемещениями узлов 0,5610-6 К2 = 1,78106 К2/К, = 3,7 К2/К1 = 2,1

Рис. 6. Деформированная схема модели стыка

необходимо учитывать при компьютерном моделировании стыка при определении сдвиговой жесткости, а именно: перемещения всех узлов левого и правого фрагментов панели следует объединить по Х, У, Z. Деформироваться будет только бетон замоноличивания в колодце стыка и шпонках, иначе податливость бетона вокруг шпонок будет учтена в модели дважды. На рис. 6 показана деформированная схема модели стыка. В ней перемещения узлов на левой и правой панелях стыка объединены по Х, У, Z. Перемещение точки 1 относительно точки 2 по вертикали составило при усилии 100 кН Д2 = 0,56-10-6 м. Жесткость составит К2 = 1,77 106 кН/м. Ранее получено К1 = 0,82-106 кН/м. Отношение К, /К1 = 2,1.

Результаты расчетов моделей стыка приведены в таблице.

В случае использования в расчетных моделях схем соединения панелей с «нулевым» узлом (рис. 2) жесткости связей К1-0, К02, К0-3 должны приниматься равными удвоенной жесткости связи К1-2.

В связи с вышеизложенным возникает вопрос интерпретации результатов испытаний узлов соединения стеновых панелей, поскольку при испытаниях фрагменты панелей изготавливаются из бетона, который обладает податливостью. Можно предложить следующую схему: 1) построить КЭ-модель испытанного образца; 2) рассчитать жесткости связей; 3) скорректировать КЭ-модель под результаты испытаний; 4) пересчитать скорректированную КЭ-модель, предварительно объединив в ней перемещения узлов левой и правой частей панелей; при этом на перемещения узлов бетона замоноличивания ограничения не накладываются.

Таким образом формулы (13) из Пособия по проектированию жилых зданий «Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)» (выпуск 3) для определения податливости (жесткости) на сдвиг шпоночного соединения вертикального стыка стеновых панелей занижают жесткость соединения; то же происходит, если не учитываются особенности формирования расчетной модели МКЭ. Занижение жесткости соединения панелей в вертикальном стыке при расчетах на динамические воздействия приводит к существенным искажениям результатов расчетов.

1. Николаев С.В., Шрейбер А.К., Хаютин Ю.Г. Инновационные системы каркасно-панельного домостроения // Жилищное строительство. 2014. № 5. С. 3-5.

2. Ярмаковский В.Н. Ресурсоэнергосбережение при производстве элементов конструктивно-технологических систем зданий, их возведении и эксплуатации // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 1-3.

3. Шапиро Г.И., Юрьев Р.В. К вопросу о построении расчетной модели панельного здания // Промышленное и гражданское строительство. 2004. № 12. С. 32-33.

4. Блажко В.П. О применении многопустотных плит безопалубочного формования в панельных и каркасных зданиях // Жилищное строительство. 2013. № 10. С. 7-10.

5. Блажко В.П. Замок для соединения конструктивных элементов панельного здания // Жилищное строительство. 2014. № 1-2. С. 3-6.

6. Данель В.В. Жесткости стыков железобетонных элементов, пересекаемых арматурными стержнями, при растяжении и сдвиге // Строительство и реконструкция. 2014. № 6 (56). С. 25-29.

7. Данель В.В. Решение проблемы вертикальных стыков наружных стеновых панелей // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 44-45.

8. Данель В.В., Кузьменко И.Н. Определение жесткости при сжатии платформенных и платформенно-монолит-ных стыков крупнопанельных зданий // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. № 2. С. 7-13.

9. Jens G. Geffert. Anchoring of large size concrete precast facades // Concrete Plant International. 2006. № 1. P. 176-189.

10. Volker Herrnkind. Fassaden aus Betonfertigteilen // BetonWerk International. 2010. № 3. P. 164-169.

11. Данель В.В. Параметры 3D-стержней, моделирующих стыки в конечно-элементных моделях // Жилищное строительство. 2012. № 5. С. 22-27.

References

1. Nikolaev S.V., Shreiber A.K., Khayutin Yu.G. Innovative systems of frame and panel housing construction.

^^^^^^^^^^^^^ |3'2017

Список литературы

Научно-технический и производственный журнал

Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 5, pp. 3-5. (In Russian).

2. Yarmakovskii V.N. Energy-resources-saving under manufacturing at the elements of structural-technological building systems, their rising and exploitation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials], 2013. No. 6, pp. 1-3. (In Russian).

3. Shapiro G.I., Yuryev R.V. To a question of creation of settlement model of the panel built building. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2004. No. 12, pp. 32-33. (In Russian).

4. Blazhko V.P. A About Using Multi-hollow Slabs of Off-Shuttering Moulding if OOSEa IrB RggRQE 2aM5l0i5 Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction], 2013.

No. io, pp. 7-io. (in sHOUsBHU

5. Blazhko V.P. A Fastener for Connection of Structural Elements of a Panel Building. Zhilishchnoe Stroitef-stvo [Housing Chnstruction], 2014. No. 1-2, pp. 3-6. (In Russian).

6. Danel' V.V. Zhyostkosti of joints of ferroconcrete elements, peresekayemykharmaturny cores, at stretching and shift. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2014. No. 6 (56), pp. 25-29. (In Russian).

7. Danel' V.V. Solution of the problem of vertical joints of external wall panels. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2014. No. 3, pp. 44-45. (In Russian).

8. Danel' V.V., Kuzmenko I.N. Determination of rigidity at compression of platform and platform and monolithic joints of large-panel buildings. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzhenii. 2010. No. 2, pp. 7-13. (In Russian).

9. Jens G. Geffert. Anchoring of large size concrete precast SIBil|SSIglOI|BgiBB. 2006. No. 1, pp. 176-189.

QHffllffli ffiPSäden aus Betonfertigteilen. glIQQ^QffigP^^QaQSIfl, pp. 164-169.

11. Danel' V.V. The 3D parameters - the cores modeling joints in the konechnoelementnykh models. Zhilishchnoe stroits/'otvo [Housiet construction], 2012. No. 5 , pp. 22-27. (In Russian).

MИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА РФ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ ФОНД ПОДДЕИЖКИ И РАЗВИТИЯ ЭРЕРГОЭФФЕКТИВНЫХТЕХНОЛО^ А. РОЗЕНФЕЛЬДА

4-6 июля 2017 года состоится Международная научная конференция VIII Академинеские чтения, посвяменные памяти академика РААСН ГЛ. Осипова

«АКТУАЛЬНЫЕ ООООСМ СТРОИОЕИЫНЮЕ ФИВИРР. ЭНЕИН0CЬEPЕЖИНИE ЬTПИЕРПРВЬЫX ^010(3111 И ЭKСТЬГИЕЬCKAЬ БЬЗТЬAРЫ^0CТЬ»

• Энергосбережение в строительстве

• Строительная теплофизика

• Строительная и архитектурная акустика

• Строительная светотехника

• Экология в строительстве

• Долговечность и прочность строительных конструкций зданий и сооружений

• Проблемы технического регулирования

• Ремонт и эксплуатация объектов коммунального хозяйства

• Высотное строительство

Научная школа для молодежи В рамках конференции будет проводиться КОНКУРС, на котором молодые ученые, аспиранты и студенты смогут представить свои проекты и разработки:

1. На лучший дипломный проект, включающий раздел «Строительная физика»

2. На лучшую работу по направлению «Строительная и архитектурная акустика»:

3. Налучший доклад в рамках научной школы для молодежи «Строительная физика, энергосбережение и экологическая безопасность». Победителям присуждается премия имени академика РААСН Г.Л. Осипова.

Тематика конференции:

4. На лучшее решение задачи в области энергоэффективности и энергосбережения. Победителям вручается медаль и премия имени лауреата международной энергетической премии «Глобальная энергия» 2011 г. - Артура Розенфельда.

5. На самое оригинальное и талантливое решение акустической задачи. Призы от Генерального спонсора конференции - компании «Вгие1 & ^жг» (Дания).

6. За оригинальный подход к решению задачи энергосбережения в зданиях. Призы от Генерального спонсора конференции - компании «Сен-Гобен Строительная Продукция Рус».

7. Специальный приз Ассоциации производителей керамических стеновых материалов.

8. За значительный вклад в развитие строительной физики ведущим ученым и специалистам вручается Золотая медаль имени академика РААСН Г.Л. Осипова и памятный знак.

Для участия в конференции необходимо в срок до 1 июня 2017 г. отправить ЗАЯВКУ на участие по адресу: org.com@list.ru или факсу +7(495) 482-40-60.

БОЛЕЕ ПОДРОБНУЮ ИНФОРМАЦИЮ О КОНФЕРЕНЦИИ И ФОРМУ ЗАЯВКИ МОЖНО ПОСМОТРЕТЬ НА САЙТЕ: niisf.ru

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙКОМИТЕТ|

0еи1ЯПЕЯЗУ|ЫШПЕАЕЕ§вМвВАЕинПв§ЕШВнйЕВЗ EНННАBЗEДИшЯВБЗЗРИнйк: www.niisf.ru

l3?|!;egiljhhmshlhbhe6ihhk^shsbreibh^j00h^leliklhh51ïh^l5sbbg53mbhh^c, ниисф раасн

3'201Н«

21