Экспериментальные и численные исследования стыков монолитных перекрытий с колоннами

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЫКОВ МОНОЛИТНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ С КОЛОННАМИ

В.А. Яров, А.А. Коянкин

В настоящее время в России в большом объеме возводятся монолитные здания самого разнообразного назначения. Среди них значительную долю составляют торгово-выставочные комплексы, многоэтажные гаражи и автостоянки. Необходимость свободной планировки помещений в перечисленных зданиях требует больших внутренних пространств, свободных от вертикальных несущих элементов. Существует и проблема «посадки» таких зданий в стесненных условиях городской застройки, в связи с чем, они приобретают самые разнообразные формы в плане. Для возведения многоэтажных гаражей, автостоянок и торгово-выставочных комплексов широко применяется каркасная схема здания с безбалочными перекрытиями из монолитного железобетона. Данная схема позволяет проектировать здания практически любых форм и размеров, обеспечивая при этом большие внутренние пространства.

Однако, такая конструктивная система обладает и недостатками, одним из которых является сложность конструирования стыка перекрытия с колонной. Наличие поперечной арматуры усложняет бетонирование стыка, а жесткая арматура приводит к нарушению целостности конструкции и неравномерному распределению напряжений в бетоне. Наличие капителей в перекрытиях многоэтажных зданий уменьшает высоту этажей и увеличивает трудозатраты на их изготовление.

Авторами предложены новые конструкции стыков с капителями, расположенными на перекрытии. В первом варианте капитель имеет форму параллелепипеда, во втором - цилиндра. В обоих случаях капители армируются наклонными и горизонтальными арматурными стержнями. Конструктивные решения узлов представлены на рис. 1, 2.

Увеличение площади боковой поверхности пирамиды продавливания, а также наличие наклонной арматуры приводит к существенному повышению несущей способности данных стыков и более равномерному распределению усилий в верхней продольной арматуре.

Для технологических процессов, происходящих внутри здания, наличие капители не являться помехой. В зданиях гаражей и автостоянок нормами устанавливается минимальное расстояние между автомобилем и колонной равное 30 см, а также предусматривается устройство вокруг колонн колесоотбойников. В торговых комплексах проектируют выставочные подиумы, которые позволяют скрыть капитель.

Так как предлагаемые стыковые соединения являются новыми конструктивными решениями, то возникает необходимость в подробном изучении особенностей работы стыков под нагрузкой. С этой целью авторами проведены численные и экспериментальные исследования.

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены модели пред-

ВЕСТМГСУ 3/2008

латаемых стыков плит с колоннами. Размер плит в плане 1,5 х 1,5 м, толщина - 150 мм. Отличаются модели друт от друта тем, что стык Р-1 выполнен бескапительным и армирован поперечной арматурой. Стыки Р-2 и Р-3 выполнены с капителями, размещенными на плите перекрытия, и имеют наклонную и горизонтальную арматуру в капители. В стыке Р-2 капитель выполнена в виде параллелепипеда, в стыке Р-3 - цилиндра.

При проведении экспериментальных исследований оценивались жесткость, трещи-ностойкость и несущая способность стыков. На основании полученных результатов были построены трафики, представленные на рис. 3 - 6.

В бескапительном стыке при нагрузке 120 кН образовалась первая трещина, которая имела радиальное направление и исходила от грани колонны. При нагрузке 180 кН были обнаружены тангенциальные трещины, расположенные на расстоянии 3 + 5 см от трани колонны. В стыке с капителью в форме параллелепипеда при натрузке 200 кН образовались трещины на стыке капители с плитой и радиальная трещина в плите перекрытия. При нагрузке 275 кН начали появляться тангенциальные трещины в плите перекрытия на расстоянии 3 + 5 см от капители. В стыке с капителью в форме цилиндра трещины образовались при нагрузке 200 кН в плите на расстоянии 2 + 4 см от капители. Радиальная трещина зафиксирована при нагрузке 210 кН.

Прогибы в стыках с капителями меньше, чем в бескапительном стыке. При нагрузке 400 кН прогиб в стыке Р-1 составил 5,6 мм, в стыке Р-2 - 4,3 мм, а в стыке Р-3 - 3,0 мм. В стыке с капителью в форме параллелепипеда максимальные прогибы уменьшают-

ся на 23 %, а с капителью в форме цилиндра - на 46 % в сравнении с бескапительным стыком (рис. 3).

Напряжения в продольной арматуре в стыках Р-1 и Р-2 близки по величине и при разрушающей нагрузке достигают предела текучести. В стыке Р-3 при нагрузке 400 кН максимальные значения напряжений в продольной арматуре равны 272 МПа, что на 32 % меньше, чем в бескапительном стыке (рис. 4).

Во всех экспериментальных образцах деформации бетона сжатой поверхности плиты не достигали предельных значений. Максимальные деформации сжатия нижней поверхности плиты зафиксированы в бескапительном стыке в зоне примыкания к колонне, в стыках с капителями - в уровне края капителей. Максимальные значения деформаций бетона в стыке Р-2 в два раза меньше, чем в стыке Р-1. Деформации сжатия бетона в стыке с капителью в форме цилиндра примерно одинаковы во всех направлениях (рис. 5).

ВЕСТМГСУ 3/2008

Экспериментальные и численные значения относительных деформаций отличаются незначительно. Максимальные расхождения не превышают 20 %.

Разрушение экспериментальных моделей происходило от воздействия поперечных сил. Все модели разрушились по пирамидам продавливания. В бескапительном стыке край основания пирамиды продавливания образовался на расстоянии 5 + 10 см от грани

колонны. Боковая грань капители располагалась под углом больше 45о, что характерно для элементов армированных поперечной арматурой. В стыке с капителью в форме цилиндра наклонные трещины появились на верхней поверхности плиты на расстоянии 400 мм от грани колонны.

Разрушение опытных образцов Р-1, Р-2 и Р-3 произошло при нагрузках 50 т, 69 т и 76 т соответственно. В стыке Р-1 теоретическая нагрузка меньше экспериментальной на 12 %, в стыке Р-2 - на 17 %, а в стыке Р-3 - на 23 %.

Полученные результаты проведенных экспериментальных и численных исследований подтверждают, что существующая методика расчета монолитных железобетонных плит на продавливание является приемлемой для определения несущей способности предлагаемых конструктивных решений стыков.

На разработанные авторами конструктивные решения узлов сопряжения перекрытия с колоннами получены три патента.