Стык колонны с перекрытием в безбалочных каркасах многоэтажных зданий

Вестник ТГАСУ № 4, 2007

7З

З. Яременко, А. Ф. Прикладная теория длительного деформирования и сопротивления плоских железобетонных элементов: дис. ... докт. техн. наук. - Одесса, 1987. - З00 с.

Z.R. GALJAUTDINOV, D.R. VALITOV

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE COMPRESSED-TENSILE STRIPS OF CONCRETE BETWEEN CRACKS AT A SHORT-TERM DYNAMIC LOADING

The results of experimental research of reinforced concrete disks with the cracks in biaxial tense-deformed conditions (compression-stretching) are presented in the paper. The carried out experiments have allowed to estimate the influence of slope angle of reinforcing bars on the crack and the specimen deformations level in the direction perpendicular to the crack on the strength and deformation of the concrete strips located between cracks under short-term dynamic loading.

УДК 624.078:725

В.А. ЯРОВ, канд. техн. наук, профессор,

А.А. КОЯНКИН, аспирант,

ИАС СФУ, Красноярск

СТЫК КОЛОННЫ С ПЕРЕКРЫТИЕМ В БЕЗБАЛОЧНЫХ КАРКАСАХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Авторами предлагается узел колонны и перекрытия с капителью в виде усеченной пирамиды, расположенной сверху на перекрытии и примыкающей к плите большим нижним основанием. В капители размещена наклонная арматура в виде четырех плоских каркасов. Авторами теоретически изучена работа предложенного стыка на изгиб и продавливание, а также исследовано влияние капители на работу перекрытия.

В последние годы в нашей стране существенно увеличился объем применения монолитного железобетона в гражданском строительстве. Его широкое внедрение приводит к снижению расхода арматуры и объема капитальных вложений по сравнению с использованием сборного железобетона. Кроме того, монолитный железобетон позволяет избежать монтажных стыков, что повышает жесткость несущих систем здания и упрощает процесс его возведения.

Большую долю при строительстве из монолитного железобетона занимают здания с безбалочным каркасом. Данная конструктивная схема дает возможность свободной планировки помещений, снижает высоту этажа, уменьшает расход бетона и арматуры, а также позволяет сократить сроки строительства в сравнении со стеновой схемой здания. Наряду с отмеченными преимуществами, здания с безбалочным каркасом имеют ряд недостатков, более значимым из них является устройство стыка колонны с перекрытием. С конструктивной точки зрения данный стык является «слабым местом» при работе перекрытия на изгиб и продавливание.

© В.А. Яров, А.А. Коянкин, 2007

В настоящее время предложены различные варианты устройства стыка колонны с безбалочным перекрытием. Наиболее распространенными являются варианты с установкой поперечной или жесткой арматуры в плите перекрытия и применение капители.

Небольшая толщина и насыщенность перекрытия стержневой арматурой приводит к сложностям при проектировании и изготовлении данного стыка. Жесткая арматура увеличивает несущую способность перекрытия на продавливание, но на восприятие изгибающего момента оказывает незначительное влияние. Кроме того, жесткая арматура нарушает целостность конструкции и создает концентрацию напряжений в зоне контакта стальных элементов с бетоном. Применяемые в настоящее время стыки с жесткой арматурой недостаточно изучены, не разработаны рекомендации по их расчету на изгиб и продавливание. Капитель, расположенная под плитой, повышает несущую способность перекрытия на изгиб и продавливание, но при этом уменьшается высота помещений, и возникают трудности при устройстве таких перекрытий с применением современных комплектов опалубки.

Проанализировав существующие решения стыков, авторы предложили узел колонны с капителью в виде усеченной пирамиды, расположенной сверху на перекрытии. В капители размещена наклонная арматура в виде четырех плоских каркасов. Данный стык представлен на рис. 1.

В предлагаемой конструкции увеличена боковая поверхность пирамиды продавливания, что приводит к увеличению несущей способности стыка. Наличие капители повышает жесткость узла, позволяет более равномерно распределить усилия между продольными стержнями верхней арматуры, что приводит к уменьшению усилий в этих стержнях. Кроме того, расположенные в капители и плите наклонные арматурные стержни также повышают несущую способность стыка на изгиб и продавливание.

Для процессов, происходящих внутри здания, выступающая капитель не будет являться помехой, так как размер выступа от колонны составляет 15-30 см. При этом нижняя часть капители закрывается конструкцией пола на 5-10 см. В зданиях гаражей, автостоянок, технического обслуживания и ремонта автомобилей нормами устанавливается минимальное расстояние от автомобиля до колонны 30 см. Кроме того, проектировщиками в таких зданиях предусматриваются колесоотбойники. Это пространство предполагается использовать для размещения капителей. Разработанную конструкцию

лью, расположенной сверху на перекрытии

стыка также целесообразно применять в торгово-офисных, выставочных и других общественных зданиях.

Численные исследования напряженно-деформированного состояния предложенного стыка в ПК Lira проведены с учетом его конструктивных особенностей и физической нелинейности работы бетона и арматуры. Проведено сравнение результатов расчетов, выполненных по линейному закону и с учетом физической нелинейности работы конструкции.

Расчетная схема стыка (тип А) представлена в виде пространственной модели, в которой арматурные каркасы моделировались стержневыми элементами, а бетон - объемными. Для выявления влияния капители на работу перекрытия расчетная схема (тип В) принята в виде пространственной модели, в которой плита моделировалась пластинчатыми элементами, а колонна и капитель - объемными. Модели типов A и B представлены на рис. 2, 3. При расчетах применялся шагово-итерационный метод.

Влияние капители на работу стыка изучалось на моделях типа A с размерами нижнего основания капители 400x400, 500x500, 600x600 мм.

Угол наклона боковой грани капители к горизонтальной поверхности во всех случаях принят равным 45°. Для определения степени влияния наклонной арматуры капители на несущую способность узла менялось число стержней наклонной арматуры в модели: 16, 24, 32 шт. Арматура во всех случаях принята диаметром 8 мм, класса A400. Размеры моделей стыка в плане 1,0x 1,0 м. Сечение колонн 200x200 мм.

В расчетных моделях типа В шаг колонн - 6,0 м, сечение колонн -400x400 мм, размер нижнего основания капителей - 800x800 мм.

Модели типа A загружались равномерно распределенной нагрузкой по периметру плиты, а модели типа B - равномерно распределенной нагрузкой по всей площади перекрытия.

Полученные результаты численных исследований представлены в графической форме (рис. 4-6).

Рис. 2. Расчетная модель типа А

Рис. З. Расчетная модель типа В

а)

Нагрузка, кН/м2

Предложенный стык повышает трещиностойкость и уменьшает площадь распространения трещин по поверхности перекрытия, как в верхнем слое опорной зоны, так и в нижнем слое пролетной зоны перекрытия. В бес-капительном стыке и стыке с капителью с размером нижнего основания 400x400 мм первые трещины образуются при нагрузке 7 кН/м2. В стыке с размерами нижнего основания капители 500x500 мм и 600x600 мм трещины появляются при нагрузке 8 кН/м2 и 9 кН/мп соответственно (рис. 4, б). В плите перекрытия первые трещины образуются в основании капители и колонны в бескапительном стыке, а затем появляются трещины в середине пролета между колоннами.

Применение капители повышает жесткость перекрытия. Максимальный прогиб плиты с бескапительным

3 кН/м2

40 I

35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -0 -

б)

Рис.

0 400 500 B00

Размер капители, мм

4. График прогиба плиты по оси Z в зависимости от нагрузки

стыком при равномерно-распределенной нагрузке

а в плите со стыком,

Размер капители, мм

а)

— Моп бескап Мпр бескап

б)

Рис.

5. График изменения главных напряжений в стыке плиты с колонной при нагрузке 60 кН в зависимости от размера капители

равен 3,49 мм, имеющим капитель, - 3,15 мм, то есть максимальный прогиб плиты уменьшается на 10 % (рис. 4, а). Увеличение размера капители уменьшает деформативность перекрытия. Наличие наклонной арматуры в капители существенно не влияет на деформативность перекрытия.

При расчете перекрытия по линейному закону работы конструкции максимальный прогиб плиты с капителью равен 3,51 мм. Разница прогибов плит в сравнении с нелинейной работой конструкции составила 11 %.

Напряжения в стыке уменьшаются при увеличении размера капители. В бескапительном стыке, при нагрузке 15 кН/м2, главные напряжения N1 достигают 2,16 МПа, N2 - 1,72 МПа. В стыке с размерами нижнего основания капители 400x400 мм N1 равны 2,08 МПа, N2 -1,13 МПа; с размерами нижнего основания капители 500x500 мм N1 - 1,81 МПа, N2 -0,82 МПа; с размерами нижнего основания

капители 600x600 мм N1 - 1,51 МПа, N2 -0,64 МПа. Уменьшение максимальных главных напряжений N1 для узлов с капителью по сравнению с бескапительным стыком составляет от 4 до 30 %, максимальных главных напряжений N2 - от 34 до 63 % в зависимости от размера капители (рис. 5, а).

При равномерно-распределенной нагрузке 3 кН/м2 в плите перекрытия с беска-пительным стыком максимальный опорный момент равен 54,6 кН-м, а пролетный момент - 19,9 кН-м. В плите перекрытия со стыком, имеющим капитель, опорный момент - 42,6 кН-м, пролетный момент - 18,7 кН-м. В предложенном стыке опорный момент в перекрытии уменьшается до 22 %, пролетный момент - до 6 %, что приводит к снижению расхода верхней продольной арматуры до 30 %, а нижней продольной арматуры - до 10 % (рис. 5, б).

В расчете перекрытия по линейному закону в стыке с капителью опорный момент равен 40,8 кН-м, пролетный момент - 16,94 кН-м. Разница в опорных моментах плит в сравнении с физически нелинейной работой конструкции составила 5 %, пролетных моментов - 9 %.

Стык с размерами нижнего основания неармированной капители 600x600 мм повышает несущую способность стыка на продавливание на 7,9 %. Применение капители размерами 400x400 мм не оказывает влияния на несущую способность стыка на продавливание.

Анализ результатов численных исследований показал, что на несущую способность плиты на продавливание наибольшее влияние оказывает армирование капители. Причем количество наклонной арматуры в капители можно увеличивать до определенного предела (в нашем случае до 24 стержней). Продавливающая нагрузка в бескапительном стыке составила 152 кН, в стыке с капителью, армированной наклонной арматурой, - 188 кН (16 стержней) и 204 кН (24 и 32 стержня). Увеличение продавливающей нагрузки составило 23,7 % для узла с капителью, имеющей 16 стержней наклонной арматуры, и 34,2 % для узла с капителью, имеющей 24 и 32 стержня наклонной арматуры (рис. 6). Предполагается, что в первом случае разрушение происходит по линии, пересекающей наклонные стержни, то есть по бетону и арматуре. Во втором случае разрушение происходит по линии, проходящей в месте окончания наклонного участка арматуры, то есть чисто по бетону.

Значение продавливающей нагрузки, определенной по СП 52-101-2003 [1], меньше значения, полученного по ПК Lira в бескапительном узле, на 3 %.

По предложенному решению устройства стыка колонны с перекрытием получен патент на полезную модель.

В дальнейшем планируется провести экспериментальные исследования для изучения особенностей работы конструкции предложенного стыка.

250.00

200.00

X

*

£ 150.00

£

а 100.00

Х 50.00 0.00

12 3 4

Количество стержней, шт

Рис. 6. График значений продавливающей нагрузки в зависимости от количества арматуры в капители

80

Вестник ТГАСУ № 4, 2007

Выводы. Предложенное авторами стыковое соединение повышает тре-щиностойкость и жесткость перекрытия, уменьшает напряжения, возникающие в стыке плиты с колонной, увеличивает несущую способность стыка на изгиб и продавливание, что приводит к существенному снижению расхода арматуры.

Библиографический список

1. Свод правил по строительству. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры: СП 52-101-2003 / Госстрой России. - М. : ГУП «НИИЖБ», ФГУП ЦПП, 2004. - 84 с.

V.A. YAROV, A.A. KOYANKIN

THE JOINT OF COLUMN AND COVERING IN GIRDERLESS FRAMEWORK IN MULTY-STORIED BUILDINGS

The joint of column and covering with cap in the form of truncated pyramid located above the covering and adjoined to a slab with a large lower footing has been suggested. The reinforcement in the form of four flat frames is located in the cap. The joint is represented in the figure [1]. The authors have studied theoretically the work of the joint according to its curving and punching. The effect of the cap on the covering performance has been investigated.

УДК 539.3.

Н.Н. БЕЛОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

Н.Т. ЮГОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

А.А. ЮГОВ, ассистент,

А.Н. ОВЕЧКИНА, аспирант,

И.Н. АРХИПОВ, инженер,

ТГАСУ, Томск

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУППЫ КОМПАКТНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ УДАРЕ ПО РАЗЛИЧНЫМ МИШЕНЯМ*

Расчетно-экспериментальным методом при скоростях удара 1,7 и 3 км/с исследована проникающая способность составных ударников из стали и ВНЖ, представляющих собой сборку из двух компактных цилиндрических элементов, разделенных воздушным зазором, как в стальные полубесконечные мишени, так и в мишени конечной толщины. Исследовано влияние на глубину проникания начальной скорости удара, материала ударника и толщины воздушной прослойки. Проведено сравнение проникающей способности составных

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №07-01-00414-а.

© Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, А. А. Югов, А.Н. Овечкина, И.Н. Архипов, 2007