Экспериментальные исследования стыков сборных железобетонных колонн каркаса конструктивной системы "КУПАСС" на действие статических нагрузок

Балдин Игорь Владимирович; Гончаров Максим Евгеньевич; Балдин Сергей Владимирович; Тигай Олег Юрьевич

УДК 624.042.6

БАЛДИН ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, biwem@yandex.ru

ГОНЧАРОВ МАКСИМ ЕВГЕНЬЕВИЧ, канд. техн. наук, ассистент, Goncharov-84@mail.ru

БАЛДИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, канд. техн. наук, serb169@mail.ru

ТИГАЙ ОЛЕГ ЮРЬЕВИЧ, ст. преподаватель, innie2005@rambler.ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЫКОВ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН КАРКАСА КОНСТРУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ «КУПАСС» НА ДЕЙСТВИЕ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК*

В статье приведены результаты экспериментальных исследований стыков сборных железобетонных колонн при статическом нагружении, в которых соединение продольной рабочей арматуры производилось с использованием обжимных муфт. В результате экспериментальных исследований были получены схемы деформирования, трещинооб-разования и разрушения, величины разрушающих нагрузок экспериментальных образцов, а также определена податливость стыковых соединений.

Ключевые слова: стыки железобетонных колонн; экспериментальные исследования; многоэтажные здания; прочность; нагрузка; обжимные муфты.

IGOR V. BALDIN, PhD, A/Professor, biwem@yandex.ru

MAXIME. GONCHAROV, PhD, Instructor,

Goncharov-84@mail.ru

SERGEY V. BALDIN, PhD,

serb169@mail.ru

OLEG Yu. TIGAY, Senior Lecturer,

innie2005@rambler.ru

Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia

STATIC LOAD TESTING FOR BUILT-UP COLUMN JOINTS IN UNIVERSAL PREFABRICATED ANTISEISMIC STRUCTURAL SYSTEM

The article presents the results of static load testing for built-up column joints in which the longitudinal reinforcement is connected using mechanical crimped couplers. Patterns of de-

* Исследования выполнены при финансовой поддержке по проекту Министерства образования и науки Российской Федерации.

formation, crack propagation, and failure are obtained as a result of these investigations. Also, fracture load and deformability values are presented for the workpieces and their joints.

Keywords: reinforced concrete column joints; experimental studies; multistorey buildings; strength; load; mechanical crimped couplers.

В последнее время в России, наряду с кирпичными, железобетонными панельными и монолитными зданиями, интенсивно развивается строительство зданий со сборным несущим железобетонным каркасом. На их основе возводятся гражданские, общественные и промышленные здания различной этажности. Каркасное решение зданий позволяет использовать широкий спектр планировочных решений.

Проектирование и возведение каркасных зданий - чрезвычайно сложная инженерная задача, связанная с целым рядом конструктивных, архитектурно-планировочных, градостроительных, социологических, физиологических и других проблем. ФГБУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» и АО «Иркутский Промстройпроект» разработали новую систему энергоресурсосберегающего жилья экономического класса на основе каркасной универсальной полносборной архитектурно-строительной системы (КУПАСС) (рис. 1). Элементами каркаса являются: колонны, ригели и вертикальные диафрагмы, узлы сопряжения которых выполняются путем обжатия продольной арматуры при помощи муфт.

Рис. 1. Общий вид расчетной схемы трехсекционного здания-представителя системы «КУПАСС»

Проведенный анализ литературных источников [1-4] позволил выявить, что одним из слабых мест сборного железобетонного каркаса являются узлы сопряжения отдельных строительных конструкций, в том числе и стыков железобетонных колонн между собой по высоте. Для исследования работы стыков сборных железобетонных колонн, выполненных с применением обжимных муфт, были изготовлены в заводских условиях ООО ЗКПД ТДСК опытные образцы различного конструктивного решения (рис. 2):

- стык колонн с бетонным выступом (серия УСК);

- стык колонн с выступом в виде двутавра (серия УСКМ);

- стык колонн с выступом в виде металлической трубы (серия СКТ).

Рис. 2. Конструктивное решение экспеиментальных образцов: а - УСК; б - УСКМ; в - СКТ

Все образцы стыков колонн запроектированы сечением 400x400 мм из тяжелого бетона класса В40. Высота образцов составила 1500 мм - для серий УСК и СКТ, 1300 мм - для серии УСКМ.

Армирование экспериментальных образцов выполнено в виде продольной и поперечной (хомуты и сетки) арматуры. Продольная арматура принята из 4 стержней диаметром 32 мм класса А500СП - для серий УСК и УСКМ и 4 стержней диаметром 28 мм класса А500СП - для серии СКТ. Сетки косвенного армирования тела колонны изготовлены из арматуры диаметром 5 мм класса В500С с ячейкой (55...60)х(55...60) мм и установлены с шагом 55...60 мм.

В зоне стыка устанавливаются дополнительные арматурные сетки из стержней диаметром 5 мм класса В500С - для образцов серий УСК и УСКМ и диаметром 10 мм класса А500СП - для образцов серии СКТ.

В экспериментальных образцах были применены различные конструктивные решения выступов в зоне стыка (бетонный выступ - в серии УСК; выступ в виде металлического двутавра 20Ш1 - для серии УСКМ; в виде металлической трубы сечением 146x5 мм - для серии СКТ), обеспечивающие устойчивость каркаса здания в стадии монтажа.

Стыковка продольной арматуры экспериментальных образцов в уровне стыка производится с применением обжимных муфт. Замоноличивание стыков колонн осуществляется мелкозернистым бетоном класса В40.

Испытания опытных образцов стыков колонн конструктивной системы «КУПАСС» на действие статических нагрузок проводились в сертифицированной лаборатории испытаний строительных конструкций кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» Томского государственного архитектурно-строительного университета (рис. 3). Исследования включают в себя испытание образцов стыков колонн по двум схемам: на осевое сжатие и изгиб (поперечную силу) при замоноличенном и незамоноличенном стыке.

Рис. 3. Общий вид испытания стыка железобетонных колонн

Испытания опытных образцов УСК-1, УСК-2, УСКМ-1, УСКМ-2, УСКМ-3, СКТ-1 и СКТ-3 проводились в рабочем (вертикальном) положении на гидравлическом прессе ПГ-1000 с максимальным усилием в 10000 кН; образцов СКТ-2 и СКТ-4 - в горизонтальном положении на гидравлическом прессе ПГ-1000. При этом образцы УСКМ-1, СКТ-1 и СКТ-2 испытывались без замоноличивания стыков. Нагрузка прикладывалась этапами (ступенями) по 100...500 кН.

В результате экспериментальных исследований были определены следующие параметры: вертикальные перемещения, продольные и поперечные деформации как самого стыка (рис. 4), так и элементов колонны, величина разрушающей нагрузки (табл. 1), получены схемы образования и развития трещин, схемы разрушения (рис. 5), а также была определена податливость стыковых соединений (табл. 1).

Величина податливости стыкового соединения, определенная теоретическим путем согласно рекомендациям1, имеет удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными. При этом расхождение составляет менее 15 %.

Разрушение экспериментальных образцов замоноличенных стыков сборных железобетонных колонн при сжатии происходило вне зоны стыка. При испытании образцов без замоноличивания была отмечена потеря устойчивости двутавра в зоне стыка для образца УСКМ-1 и потеря устойчивости продольных стержней колонны в уровне стыка - для образцов СКТ-1, СКТ-2 (рис. 6, а). Для образца СКТ-4 было отмечено образование магистральной трещины в бетоне замоноличивания с разрывом продольной арматуры (рис. 6, б).

кН

Рис. 4. Характерные зависимости продольных относительных деформаций от величины прикладываемой нагрузки для экспериментальных образцов с замоноличенными стыками

1 Рекомендации по расчету каркасов многоэтажных зданий с учетом податливости узлов сопряжений сборных железобетонных конструкций / ОАО «ЦНИИПромзданий». М., 2002. 38 с.

Рис. 5. Характер трещинообразования на заключительных этапах испытаний замоноли-ченных стыков:

а - образец УСК-2; б - образец УСКМ-2; в - образец СКТ-3

а

Рис. 6. Характер разрушения экспериментальных образцов без замоноличивания стыков: а - образец СКТ-2; б - образец СКТ-4

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований стыков сборных железобетонных колонн на обжимных муфтах

Наименование образца Разрушающая нагрузка, кН Податливость стыкового соединения, мм/кН

УСК-1 6800 1,5-10-4

УСК-2 8620 1,7-10-4

УСКМ-1 2540 7,7-10-4

УСКМ-2 >9800 1,1-10-4

УСКМ-3 >9800 1,1-10-4

СКТ-1 2600 10,3-10-4

СКТ-2 959 -

СКТ-3 >9800 1,6-10-4

СКТ-4 1095 -

Уточненные данные, полученные в результате экспериментальных исследований, в том числе и величины податливости стыковых соединений, были использованы при выполнении расчетов каркаса трехсекционного здания-представителя системы «КУПАСС» с учетом сейсмических воздействий.

Библиографический список

1. Гончаров, М.Е. Прочность стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими элементами, при статическом и кратковременном динамическом нагружениях : дис. ... канд. тех. наук. - Томск, 2014. - 206 с.

2. Плевков. В.С. Исследование работы стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими элементами, при статическом и кратковременном динамическом нагружени-ях / В.С. Плевков, М.Е. Гончаров // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 2. - С. 154-165.

3. Соколов, Б.С. Прочность горизонтальных стыков железобетонных конструкций : монография / Б.С. Соколов, Г.П. Никитин. - Казанский государственный архитектурно-строительный университет. - М. : Изд-во АСВ, 2010. - 104 с.

4. Васильев, А.П. Бессварные стыки колонн многоэтажных каркасов / А.П. Васильев, Н.Г. Матков // Бетон и железобетон. - 1984. - № 1. - С. 17-18.

References

1. Goncharov M.E. Prochnost' stykov zhelezobetonnyh kolonn, usilennyh metallicheskimi ehle-mentami, pri staticheskom i kratkovremennom dinamicheskom nagruzheniyah. Diss. ... kand. tekh. Nauk [Strength of column joints under static and dynamic loading. PhD thesis ]. Tomsk, 2014. 206 p. (rus)

2. Plevkov V.S., Goncharov M.E. Issledovanie raboty stykov zhelezobetonnyh kolonn, usilennyh metallicheskimi ehlementami, pri staticheskom i kratkovremennom dinamicheskom nagru-zheniyah [Behavior of reinforced concrete column joints under static and dynamic loading]. Vestnik TSUAB. 2013. No. 2. Pp. 154-165. (rus)

3. Sokolov B.S., Nikitin G.P. Prochnost' gorizontal'nyh stykov zhelezobetonnyh konstrukciy: monografiya [Strength of horizontal joints of reinforced concrete structures. Monograph]. Мoscow : ASV Publ., 2010. 104 p. (rus)

4. Vasil'ev A.P., Matkov N.G. Bessvarnye styki kolonn mnogoehtazhnyh karkasov. Beton i zhelezobeton [Weldless joints of columns in multistorey buildings]. Beton i zhelezobeton. 1984. No. 3. Pp. 17-18. (rus)