CC BY
45
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЧАСТКА МОНОЛИТНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ МНОГОЭТАЖНОГО ЗДАНИЯ
В.А. Яров, А.А. Коянкин, К.В. Скрипальщиков
Сибирский федеральный университет
При возведении многоэтажных зданий в г. Красноярске широко применяется конструктивное решение узлов сопряжения монолитного перекрытия с балконной плитой, представленное на рис. 1. Плита балкона соединяется с перекрытием железобетонными перемычками шириной 150 - 200 мм, армированными пространственными каркасами. При этом торцы поперечных стен здания либо находится на продольных разбивочных осях здания, либо эти стены заканчивается на краю отверстий, предназначенных для термовкладышей.
Как показывает практика строительства, такое решение приводит к снижению теплопотерь здания. Однако представленный вариант сопряжения плит перекрытия и балкона недостаточно изучен с конструктивной точки зрения. Нет экспериментальных данных о фактическом напряженном состоянии перекрытия в зоне расположения термовкладышей.
Расчет и конструирование монолитных перекрытий, при стеновой схеме зданий, не вызывает сложностей при использовании современных расчетно-программных комплексов. Однако существуют трудности при проектировании балконных плит, вследствие того, что они работают совместно с перекрытиями. Наружные стены зданий из монолитного железобетона являются ненесущими и устанавливаются на перекрытия.
Для изучения жесткости и трещиностойкости данных конструкций авторами проведены экспериментальные и численные исследования напряженно-деформированного состояния фрагмента монолитного перекрытия с балконной плитой.
Экспериментальные исследования проводились на фрагменте монолитного перекрытия 1-го этажа строящегося 10-этажного жилого дома со стеновой конструктивной схемой. В качестве фрагмента здания приняты две крайние ячейки перекрытия с размерами в плане 3,31 м (ширина) и 6,80 м (длина) и шириной балкона 1,64 м. Толщина плиты 165 мм, класс бетона В15, нижняя арматура - 05В500, верхняя арматура - 05В500 и о8А400. Железобетонные перемычки, расположенные между термовкладышами, армируются арматурными каркасами с двумя стержнями 022А400 в верхней и нижней зонах. Общий вид и фотографии фрагмента перекрытия представлен на рис. 1.
Прогибы монолитного перекрытия измерялись прогибомерами 5ПАО. Для выявления возможных смещений перекрытия относительно стен использовались индикаторы часового типа ИЧ-10 (рис. 1).
3/2009 ВЕСТНИК
б
Рис. 1. Экспериментальный фрагмент перекрытия с балконом: а - опалубочный чертеж и схема расстановки индикаторов; б - общий вид
При численных и экспериментальных исследованиях нагружение плит осуществлялось поэтапно: 1-й этап (выполнялся при численных исследованиях) - загружение нагрузкой от собственного веса плиты перекрытия; 2-й этап - загружение нагрузкой от нормативного веса конструкций пола, ограждения балкона и наружных ненесущих стен;
3-й этап - загружение временной нормативной равномерно-распределенной нагрузкой;
4-й этап - загружение расчетной постоянной и временной нагрузками; 5-й этап (выполнялся при численных исследованиях) - доведение конструкции до разрушения (рис. 2).
Для учета собственного веса перекрытия использовались данные 1-го этапа нагру-жения, полученные при численных исследованиях.
В ходе экспериментальных исследований индикаторы часового типа, установленные в зоне примыкания перекрытия к несущим стенам здания, показали нулевые перемещения, то есть монолитность сопряжения стен с перекрытием не нарушилась.
Максимальный прогиб перекрытия при загружении нормативной нагрузкой составил 1,01 мм, балконной плиты - 4,08 мм, что меньше допустимых нормативных величин (рис. 3). При загружении фрагмента нормативной нагрузкой видимых трещин в плитах перекрытия и балкона, не обнаружено.
Численные исследования напряженно-деформированного состояния фрагмента перекрытия проведены с помощью ПК «Ога». При этом учитывалась нелинейная работа бетона и арматуры. Расчетная схема принята в виде плоской модели, в которой перекрытие моделировалось пластинчатыми конечными элементами.
Анализ результатов выполненных расчетов показал, что при полной нормативной нагрузке максимальный прогиб перекрытия составил 0,92 мм, балконной плиты - 5,1 мм. Расхождение с экспериментальными значениями прогибов составило 9 - 18 %.
Наибольшие напряжения в плите возникают в месте сопряжения перекрытия с торцевой частью поперечной стены, в середине пролета плиты перекрытия, а также в железобетонных перемычках, соединяющих балконную плиту с плитой перекрытия (рис. 4). Выявлено, что в железобетонных перемычках происходит скачкообразное увеличение внутренних усилий - значения максимальных изгибающих моментов возрастают в 2 раза (рис. 5,б).
Рис 3. Прогибы перекрытия по линии П2 -Пб
И
Разрушение перекрытия было смоделировано теоретически с использованием ПК «Lira». По результатам расчетов установлено, что разрушение монолитного перекрытия начинается с потери несущей способности перемычек, расположенных в зонах поперечных стен здания. Разрушающая нагрузка составила 17,2 кН/м2.
Устройство в монолитных перекрытиях часто расположенных отверстий существенно меняет напряженно-деформированное состояние в месте примыкания балконной плиты к перекрытию. Происходит повышение максимального усилия изгибающего момента в 4 - 5 раза (рис. 5), а также существенно увеличивается поперечная сила. Разрушение перекрытия без отверстий происходит при нагрузке 19,2 кН/м2 по нормальному сечению, расположенному в середине пролета плиты.
В конструкции плиты перекрытия наличие отверстий под термовкладыши приводит к увеличению опорного момента до 20 %, пролетного момента - до 30 %.
Вне зависимости от расположения торца поперечной стены, по оси здания или по краю отверстий, изгибающий момент в перекрытии практически не изменяется. В то же время поперечная сила уменьшается до 40 % при устройстве торца стены по продольной оси здания в связи с чем, этот вариант устройства перекрытия является наиболее выгодным.
Проведенные исследования показали, что наличие отверстий в месте сопряжения плит перекрытия и балкона приводит к возникновению всплесков напряжений в плите, в результате чего возникает необходимость увеличить армирование. Однако, данная конструкция все же обеспечивает необходимую несущую способность и жесткость.
Рис 4. Изополя усилий: а - Мх, б - Му
Н*м)Лл'
мрМШД
КН"И)ЯЛУ
сшхгШЖППГ
9 Л
Рис 5. Эпюра Мх в перекрытиях: а - без перфорации; б - с перфорацией
Ключевые слова: строительные конструкции, монолитный железобетон, сопряжение балконной плиты с плитой перекрытия, стеновая схема здания, экспериментальные и численные исследова-
Рецензент: Гончаров Юрий Михайлович, д.т.н., профессор, КрасГАУ (Красноярский государственный аграрный университет).
