Исследования напряженно-деформированного состояния монолитных перекрытий, выполненных с теплоизолирующими вставками

1/2010 мв.ВЕСТНИК

ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОНОЛИТНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ С ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИМИ ВСТАВКАМИ

В.А. Яров, А.А. Коянкин, К.В. Скрипальщиков

ИГУРЭ СФУ

Авторами проведены экспериментальные и численные исследования напряженно-деформированного состояния монолитной плиты перекрытия, выполненной с перфорацией под термовкладыши. Authors conduct experimental and numerical researches of the intense-deformed condition of the monolithic overlapping executed with punching for the thermal insulation insertions.

В настоящее время интенсивно ведется строительство жилых и общественных зданий с применением монолитного железобетона. Ежегодно в крупных городах России в эксплуатацию вводятся миллионы квадратных метров площадей. На отопление возводимых зданий требуется большой объем тепловой энергии. В связи с этим, одной из важнейших задач проектировщиков является разработка и внедрение эффективных ограждающих конструкций зданий, существенно снижающих тепловые потери.

При строительстве многоэтажных жилых домов в Красноярском крае широкое распространение получили монолитные железобетонные здания с трехслойными самонесущими наружными стенами, которые возводятся непосредственно на перекрытиях.

Для уменьшения потерь тепла по периметру наружных стен в монолитных перекрытиях таких зданиях устраивают часто расположенные отверстия, заполненные пено-полистиролом. При таком конструктивном решении балконные плиты соединяются с перекрытием железобетонными перемычками шириной 150 - 200 мм, армированными пространственными каркасами.

В этом случае потери тепла снижаются, но в местах примыкания балконных плит к перекрытиям, на участках со сквозными отверстиями, существенно меняется напряженно-деформированное состояние. В настоящее время практически нет экспериментальных и теоретических данных о напряженном состоянии таких конструктивных решений, что не позволяет объективно оценивать их конструктивную надежность.

Для изучения реальной картины напряженно-деформированного состояния применяемых конструкций авторами были проведены исследования фрагмента монолитного перекрытия с балконом, изготовленного в натуральную величину.

Задачами экспериментальных исследований являлись выявление деформированного состояния перфорированного участка монолитного перекрытия, получение картин образования и развития трещин, оценка прочности, жесткости и трещиностойкости перекрытия на всех этапах его загружения.

ВЕСТНИК 1/2010

Для проведения испытаний был изготовлен опытный образец фрагмента монолитного перекрытия (рис. 1). Для изготовления применялся бетон класса В15. Арматурные сетки плиты выполнены из стержней 05В5ОО и 08А4ОО, а арматурные каркасы железобетонных перемычек - из стержней 018А4ОО и 01ОА4ОО.

I

Ркг 1 Опалубочный чсртете и&наЛрткФй рлн*4 р^г.

Общий вид экспериментального стенда, состоящего из двух железобетонных сборных панелей, установленных вертикально на бетонные блоки, представлен на рис. 2. Пространственная устойчивость стеновых панелей обеспечивалась двумя стальными фермами, соединенными сваркой с закладными деталями панелей. Жесткое сопряжение стен с перекрытиями осуществлялось стальными тяжами, стягивающими вертикальные стены и уложенные на перекрытие железобетонные сваи. Кроме этого, выступающие консоли перекрытий дополнительно загружались бетонными блоками.

Для регистрации прогибов плиты перекрытия использовались прогибомеры 6ПАО-ЛИСИ с ценой деления О,О1 мм. Осадку опор измеряли при помощи индикаторов часового типа ИЧ-1О с ценой деления О,О1 мм. Для обнаружения и измерения ширины раскрытия трещин в бетоне использовали отсчетный микроскоп МПБ-2 с ценой деления О,О2 мм. Деформации железобетонных перемычек определялись при помощи тензоре-зисторов, которые устанавливались на растянутой рабочей арматуре и сжатом бетоне.

Загружение перекрытий осуществлялось этапами: первый - нагрузкой от собственного веса плиты перекрытия (выполнялся при численных исследованиях); второй - нагрузкой от нормативного веса конструкций пола, ограждения балкона и наружной ненесущей стены; третий этап - временной нормативной равномерно-распределенной нагрузкой; четвертый этап - расчетными постоянной и временной нагрузками; пятый этап (выполнялся при численных исследованиях) - разрушающей нагрузкой.

Для учета собственного веса перекрытия при анализе экспериментальных исследований использовались данные 1-го этапа нагружения, полученные при численных исследованиях.

1/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

По результатам проведенных испытаний опытного образца фрагментов перекрытий с балконами установлено, что максимальный прогиб возникает в середине пролета балконной плиты и при загружении нормативной нагрузкой составляет 14,7 мм (рис. 3). Максимальный прогиб перекрытия в сечении по перфорированному участку плиты - 5,4 мм. Прогибы балконной плиты и перекрытия меньше предельных нормативных значений.

Участок перекрытия между поперечными монолитными стенами обладает большей жесткостью и, соответственно, прогибы плиты в этой зоне значительно меньше, чем в балконной части. Динамика изменения экспериментальных значений прогибов при поэтапном загружении перекрытия кратковременными нормативными и расчетными нагрузками показана на рис. 3.

Вертикальные перемещения монолитного перекрытия в опорных зонах относительно стен были незначительными в пределах 0,03 0,06 мм.

Появление трещин обнаружено на втором этапе загружения. Первые видимые трещины образовались на верхней поверхности плиты в зоне сопряжения ее с торцевыми участками стен, затем появилась трещина, проходящая вдоль линии перфорации, там, где возникают максимальные величины изгибающего момента и поперечной силы.

После загружения монолитного перекрытия полной нормативной нагрузкой (третий этап) на нижней поверхности экспериментальной плиты в зоне максимальных пролетных моментов появились четыре параллельные продольные трещины. Две из них, расположенные в середине пролета перекрытия, распространились по всей длине монолитной плиты, другие - образовались только в балконной плите. Расстояние между трещинами составило 200 - 250 мм (рис. 4).

Ширина раскрытия трещин на поверхности экспериментальной плиты не превысила предельно допустимых значений из условия обеспечения сохранности арматуры при

ВЕСТНИК МГСУ

1/2010

непродолжительном раскрытии трещин -п. 7.2.3. СП 52-101-2003 и находилась в пределах 0,2 0,4 мм. Картины трещинооб-разования, полученные при экспериментальных и численных исследованиях, схожи между собой. При численных расчетах выявлено, что на нижней поверхности первые трещины образуются в середине пролета, а на верхней - на опорных участках перекрытия (возле торца стен) и вдоль линии перфорации.

При загружении перекрытия расчетными нагрузками разрушений не обнаружено. Это подтверждают и результаты обработки данных, полученных при анализе показаний тензодатчиков, установленных на наиболее нагруженных железобетонных перемычках. Деформации арматуры перемычек не достигают предельных относительных деформаций (е^ = 0,001775) арматуры при приложении полной расчетной нагрузки (четвертый этап) (рис.5). Деформации сжатого бетона также меньше предельных значений, равных 0,002. При приложении полной расчетной нагрузки несущая способность фрагмента перекрытия обеспечена.

Для выявления более полной картины напряженно-деформированного состояния фрагмента перекрытия с балконом были выполнены численные исследования образцов Р-1 и Р-2 с использованием ПК «Ога». Образцы отличаются тем, что в плите Р-1 сквозное отверстие располагается напротив торца поперечной стены с привязкой 200 мм (рис. 6, а), а в плите Р-2 - железобетонная перемычка, расположена по оси внутренней стены между двумя отверстиями (рис. 6, б).

Расчеты железобетонных перекрытий выполнены с учетом нелинейной работы бетона и арматуры. Расчетные схемы приняты в виде плоских моделей, в которых перекрытия моделировались пластинчатыми конечными элементами.

1/2010 мв.ВЕСТНИК

Анализ полученных теоретических данных показал, что схемы деформирования фрагментов перекрытий при экспериментальных и теоретических исследованиях сопоставимы. При полной нормативной нагрузке максимальный прогиб (образец Р-1) составил: в перекрытии - 5,3 мм, в балконной плите - 11,9 мм; в образце Р-2: в перекрытии - 4,1 мм, в балконной плите - 9,4 мм.

Максимальные значения усилий возникают на участках перекрытий, примыкающих к торцам поперечных стен и в зоне перфорации перекрытий (рис. 7). Перемычки балконной плиты, расположенные непосредственно у поперечных стен, являются самыми нагруженными. В них происходит скачкообразное увеличение внутренних усилий: значения изгибающих моментов увеличиваются в 2 раза (рис. 8, б).

Разрушение перекрытия было смоделировано при численных расчетах. По результатам расчетов установлено, что разрушение монолитных перекрытий начинается с потери несущей способности перемычек, расположенных в зонах торцов поперечных стен. Разрушающая нагрузка в плите Р-1 составила 27,6 кН/м2, в плите Р-2 - 38,6 кН/м2.

ВЕСТНИК 1/2010

Изгибающие моменты и поперечные силы, возникающие в железобетонных перемычках, в 5 раз превышают усилия в аналогичных зонах сплошных монолитных перекрытий с балконами без теплоизолирующих вставок (рис. 8). При этом увеличиваются величины опорных моментов до 20 %, а пролетных - до 30 %, но при этом нормативные требования по трещиностойкости, жесткости и несущей способности удовлетворяются.

В связи с этим, для снижения максимальных величин изгибающих моментов и поперечных сил рекомендуется уменьшать вылет балконных плит, исключать использование их под временные опоры для устройства опалубки вышележащих перекрытий, так как в железобетонных перемычках могут возникать трещины, снижающие их жесткость. Кроме того, при проектировании рекомендуется устраивать перфорацию монолитных перекрытий отверстиями под термовкладыши таким образом, чтобы железобетонные перемычки примыкали к торцам поперечных стен зданий, так как расчетами установлено, что при этом на 25 - 40 % увеличиваются жесткость и несущая способностью перекрытий.

Ключевые слова: строительные конструкции, монолитный железобетон, сопряжение балконной плиты с плитой перекрытия, экспериментальные и численные исследования.

Ключевые слова: Building designs, monolithic ferro-concrete, interface of a balcony plate to an overlapping plate, experimental and numerical researches.

Рецензент: Гончаров Юрий Михайлович, д.т.н., профессор КрасГАУ (Красноярский государственный аграрный университет).

Александр Александрович Коянкин <koyankin@rambler.ru>