Сборно-монолитный железобетонный каркас многоэтажного здания
PRECAST-MONOLITHIC REINFORCED CONCRETE FRAME OF MULTI-STOREY BUILDING

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при проектировании и строительстве каркасов жилых и общественных зданий любой этажности. Технический результат состоит в создании железобетонного сборно-монолитного каркаса здания, обеспечивающего восприятие изменяющихся в нем силовых потоков при особом аварийном воздействии, вызванном внезапным удалением одной из несущих колонн, и как следствие - повышении сопротивляемости такого каркаса прогрессирующему лавинообразному обрушению.
Известно сборно-монолитное железобетонное перекрытие, включающее многопустотные плиты, продольные и поперечные ригели, опертые на колонны и состоящие из нижней сборной и верхней монолитной части, снабженной верхней арматурой, установленной на приопорных участках и по длине монолитной части ригелей, многопустотные плиты смонтированы на нижней сборной части продольных ригелей и омоноличены заодно с верхней монолитной их частью, содержащей монолитные армированные шпонки, образованные в пустотах плит (патент РФ №140555 RU, дата приоритета 09.01.2014, дата публикации 10.05.2014, авторы: Коянкин А.А., Митасов В.М., RU).
Недостатками аналога являются односторонние моментные связи в конструктивной системе «ригель-колонна», которая не воспринимает изгибающие моменты при перемене их знака от внезапной структурной перестройки, вызванной удалением одной из несущих колонн.
Известна конструкция сборно-монолитного перекрытия, выполненного по технологии возведения сборно-монолитного каркаса с омоноличиваемыми стыками колонн со сборно-монолитными ригелями, в которых нижняя часть выполнена сборной, а верхняя часть ригеля примоноличена к нижней части с омоноличиванием опорных и приопорных участков смонтированных плит, при этом в пустотах плит, опертых на ригель, образованы выступы ригеля, армированные каркасами и/или отдельными стержнями, попарно связывающими между собой и с ригелем противолежащие плиты перекрытия, в верхней примоноличенной части ригелей расположена верхняя арматура в виде стержневых элементов, при этом нижние части ригелей могут использоваться с пустотами, соответствующими пустотам плит (патент РФ №2198270 RU, дата приоритета 05.09.2001, дата публикации 10.02.2003, автор Федосеев А.В., RU).
Недостатками аналога является то, что приведенное перекрытие не рассчитано на сопротивление прогрессирующему обрушению из-за прерывистости нижней арматуры в районе колонны, и следовательно ригели работают лишь на односторонние моменты, кроме того рассматриваемое техническое решение каркаса имеет высокие трудозатраты при монтаже и сложное осуществление технического контроля за строительными работами из-за необходимости установки большого количества монтажных опор, необходимости набора требуемой прочности монолитного бетона для монтажа следующего этажа и большого количества сварочных работ на стройплощадке.
Наиболее близкой к заявляемому решению является конструкция сборно-монолитного железобетонного каркаса многоэтажного здания «Казань-1000», состоящего из сборных железобетонных колонн с отверстиями в уровне перекрытий, сборных предварительно-напряженных ригелей с выпусками арматуры на верхней грани и по торцам, плит перекрытий с выпусками арматуры по торцам и с зазором между ними, плиты перекрытия выполнены многопустотными, опирающиеся на ригели и торцевые поверхности плит выполнены наклонными к плоскости плиты, а ригели на торцевых гранях имеют горизонтальные углубления треугольного сечения, при этом зазоры между торцами плит, отверстия в колоннах замоноличены заодно с выпущенными в них арматурными выпусками из сборных элементов каркаса (патент РФ №2184816 RU, дата приоритета 22.03.2001, дата публикации 10.07.2002, авторы Мустафин И.И., Гаранин В.Н, RU, прототип).
Недостатками прототипа являются относительно невысокая жесткость узлов сопряжения ригелей с колоннами, прерывистость нижней арматуры ригелей в районе колонны, не обеспечивающей восприятие знакопеременных моментов, из-за чего каркас не защищен от прогрессирующего обрушения при внезапном изменении направления силовых потоков.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение состоит в создании сборно-монолитного железобетонного каркаса многоэтажного здания, обеспечивающего восприятие изменяющихся в нем силовых потоков при особом воздействии, вызванном внезапным удалением одной из несущих колонн.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение защиты каркаса от прогрессирующего обрушения при особом воздействии в виде внезапного удаления одной из колонн первого этажа.
Для достижения технического результата в сборно-монолитном железобетонном каркасе многоэтажного здания, представляющем собой строительную конструктивную систему, состоящую из колонн, сборно-монолитных ригелей, в которых сборная и монолитная части соединены поперечными арматурными стержнями - нагелями и диска перекрытия из сборных многопустотных панелей, опирающихся на сборную часть ригелей, контактный слой сборной и монолитной частей сборно-монолитных ригелей выполнен из слоя бетона более низкого класса, чем бетон сборной и монолитной частей ригеля и имеет толщину, равную 2t, рассчитанную из условия сдвига таким образом, что при особом воздействии на каркас здания, вызванным удалением одной из колонн, в этом слое деформации бетона превышают его предельные деформации на сдвиг, а в поперечных стержнях-нагелях деформации не превышают значений, предельно нормируемых при особом воздействии.
При удалении одной из несущих колонн первого этажа в шве сборно-монолитного ригеля произойдут деформации сдвига, превышающие предельные деформации на сдвиг бетона контактного слоя между сборной и монолитной частями ригелей, а деформации поперечной арматуры при этом не достигают значений равных, предельно нормируемых при особом воздействии. Как следствие такой ригель имеет повышенные демпфирующие свойства и соответственно обеспечивает повышенную сопротивляемость прогрессирующему обрушению каркаса при динамическом догружении каркаса, вызванном удалением одной из несущих колонн.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение защиты каркаса от прогрессирующего обрушения при особом воздействии в виде внезапного удаления одной из колонн первого этажа.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен фрагмент плана сборно-монолитного перекрытия;
- на фиг. 2 разрез 1-1;
- на фиг. 3 узел А сопряжения ригелей и колонн фиг. 2.
- на фиг. 4 узел Б фрагмент сопряжения сборной и монолитной частей сборно-монолитного ригеля фиг. 2;
- на фиг. 5 а) - конструктивная схема сборно-монолитного ригеля; б) - схема зоны сопряжения сборной и монолитной частей ригеля.
- на фиг. 6 График зависимости относительной сдвигающей суммарной нагрузки и суммарного сдвига при толщине шва: а - 2t=0,8 мм; б - 2t=0,4 мм.
- на фиг. 7 Зависимость касательных напряжений от деформаций сдвига в контактном слое между сборной и монолитной частями ригелей. Кривая 1 - при 2t=0,4 мм; 2 - при 2t=0,8 мм; 3 - до достижения предельных деформаций на сдвиг бетона контактного слоя.
Сборно-монолитный железобетонный каркас многоэтажного здания, включает в себя колонны (1), сборно-монолитные ригели (2), в которых сборная (6) и монолитная (5) части соединены поперечными арматурными стержнями - нагелями (7) и диск перекрытия из сборных многопустотных панелей (3). Контактный слой (4) сборной (6) и монолитной (5) частей сборно-монолитных ригелей (2) выполнен посредством слоя бетона с расчетной толщиной 2t. Сопряжение сборно-монолитного ригеля (2) с колонной (1) осуществляется за счет замоноличивания ригеля (2) в верхней зоне, с одновременным заполнением монолитного бетона в отверстия колонн (1). В узле сопряжения сборно-монолитного ригеля (2) с колонной (1) размещается рабочая опорная арматура (8) в верхней зоне ригелей (2), а также соединяются выпуски арматуры (9) из нижней зоны торцов ригелей (2), ванной сваркой (10).
В собранном таким образом сборно-монолитном железобетонном каркасе, контактный слой (4) ригелей (2), выполненный посредством слоя бетона толщиной 2t более низкого класса, чем бетон сборной (6) и монолитной (5) частей ригеля, имеющего пониженную жесткость на сдвиг, выступает как демпфер, который значительно снижает коэффициент динамических догружений всего каркаса здания. При удалении одной из несущих колонн (1) первого этажа произойдут деформации сдвига в шве, превышающие предельные деформации на сдвиг бетона контактного слоя (4), а деформации поперечной арматуры при этом не достигнут значений предельных нормируемых для арматуры поперечных стержней - нагелей (7). Значительный сдвиг сборной (6) и монолитной (5) частей ригеля (2) по шву контакта этих частей демпфирует динамическое догружение в элементах каркаса и повышает сопротивляемость каркаса прогрессирующему обрушению.
Пример конкретного выполнения.
l
0
1
2
b1
b2
2
4
4
Рассматривается балка общей высотой h=120 мм и пролетом 2=1200 мм, нагруженная распределенной нагрузкой q=1 кН/м, состоит из двух элементов с размерами сечений: верхнего элемента - h/b=40×40 мм и нижнего - h/b = 80×40 мм. Класс бетона для верхнего элемента принят В30, для нижнего - В20. Соответственно модули деформаций элементов E=3,25*10 Мпа и E=2,7*10 Мпа. Расстояние между осями элементов ω=60 мм. Балка армирована одним каркасом на всю высоту ее сечения, с поперечными стержнями из арматуры класса А-240, диаметром 4 мм и шагом 50 мм. Сопряжение элементов балки между собой выполнено из слоя бетона более низкого класса, чем бетон сборной и монолитной частей ригеля и имеет толщину 2t=0,4 мм. (Фиг. 5)
Известно [1, стр. 69-73], что в сборно-монолитных конструкциях толщина контактного слоя определяет жесткость этого слоя на сдвиг между элементами составной конструкции. При принятых геометрических и физико-механических характеристиках при 2t=0,4 мм приведенная начальная (до достижения предельных деформаций на сдвиг бетона контактного слоя между сборной и монолитной частями ригелей) погонная жесткость связей сдвига между элементами балки:
После достижения предельных деформаций бетона контактного слоя и сопротивления шва контакта только за счет нагельного эффекта арматуры приведенная погонная жесткость арматуры:
При 2t=0,8 мм приведенная погонная жесткость связей сдвига между элементами балки:
Графически зависимость сдвигающей нагрузки суммарный сдвиг в шве контакта (в относительных величинах) до достижения предельных деформаций на сдвиг бетона контактного слоя между сборной и монолитной частями ригелей и после, показана на фиг. 6.
Переходя к системе координат от усилий сдвига к зависимости «касательные напряжения - деформации сдвига» в контактном слое и аппроксимируя двухлинейные зависимости фиг. 6 функции вида , следуя [2, стр. 42-46] можно вычислить приращения динамических догружений в контактном слое по формуле:
Для численной оценки исследуемого динамического эффекта, возникающего в конструкциях из физически нелинейного хрупкого материала, рассмотрим диаграмму. Пусть .
Выполнив расчет составного сборно-монолитного ригеля методом конечных элементов до достижения предельных деформаций на сдвиг бетона контактного слоя между сборной и монолитной частями ригелей (кривая 1, фиг. 7) определено соотношение между касательными напряжениями до и после достижения предельных деформаций на сдвиг . Выражение (5) сводится к квадратному уравнению относительно искомого напряжения , из которого определяется приращение динамических догружений при толщине 2t=0,4 мм:
Аналогично выполнив расчет составного сборно-монолитного ригеля методом конечных элементов до достижения предельных деформаций на сдвиг бетона контактного слоя между сборной и монолитной частями ригелей при толщине 2t=0,8 мм, определено соотношение между касательными напряжениями до и после достижения предельных деформаций на сдвиг . Выражение сводится к квадратному уравнению относительно искомого напряжения , из которого определяется приращение динамических догружений:
Касательные напряжения, вычисленные до достижения предельных деформаций на сдвиг бетона контактного слоя между сборной и монолитной частями ригеля (фиг. 7 зависимость 3).
Получим: .
Из приведенного расчета следует, что изменяя толщину контактного слоя можно изменять приращения динамических напряжений от структурной перестройки в контактном слое между сборной и монолитной частями ригеля. Таким образом контактный слой ригелей, выполненный посредством слоя бетона толщиной 2t более низкого класса, чем бетон сборной и монолитной частей ригеля, имеющего пониженную жесткость на сдвиг, выступает как демпфер, который значительно снижает коэффициент динамических догружений всего каркаса здания и тем самым повышает сопротивляемость сборно-монолитного ригеля прогрессирующему обрушению.
Таким образом предлагаемое техническое решение каркаса обеспечивает его высокие демпфирующие свойства и тем самым повышает сопротивляемость сборно-монолитного железобетонного каркаса прогрессирующему лавинообразному обрушению при внезапном удалении одной из колонн первого этажа. Кроме того, предлагаемое решение каркаса обладает простотой и трудозатраты при возведении каркаса значительно ниже чем в приведенных аналогах и прототипе.
Список использованных источников
1. Колчунов В.И., Панченко Л.А. Расчет составных тонкостенных конструкций. М.: Издательство АСВ, 1999. - 281 с.
2. Колчунов В.И., Клюева Н.В., Андросова Н.Б., Бухтиярова А.С. Живучесть зданий и сооружений при запроектных воздействиях / Научное издание. - М.: Издательство АСВ, 2014. - 208 с.