CC BY
17
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 699.841+666.973+624.042.6+571.53
ЧИГРИНСКАЯЛАРИСА СЕРГЕЕВНА, ст. преподаватель, LChS81@mail. ru
ЩЕРБИН СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sshherbin@mail. ru
Ангарская государственная техническая академия, 665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАМЛЕННЫХ
МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ ПАНЕЛЕЙ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЕЙСМОСТОЙКИХ ЗДАНИЙ
Приводятся результаты экспериментальных исследований стеновых панелей и плит перекрытия, обрамленных по контуру металлическим профилем для реализации принципов упругофрикционного соединения в каркасе новой констуктивно-технологической системы. УФС применяется в качестве способа активной сейсмозащиты для уменьшения потенциального ущерба от повреждений несущих конструкций здания и их сопряжений при сейсмическом воздействии. Изучается работа стеновых панелей с анализом работы различного вида заполнения - пенобетона с добавлением фибры и полистирол-бетона. Выполнено численное моделирование работы исследуемых конструкций. Произведен анализ процесса трещинообразования изучаемых конструкций.
Ключевые слова: сейсмостойкость; сейсмозащита; упругофрикционные соединения; статические испытания; перемещения; стеновая панель; перекос; моделирование в SCAD.
LARISA S. CHIGRINSKAYA, Senior Teacher, LChS81@mail. ru
SERGEY A. SHCHERBIN, PhD, A/Professor,
sshherbin@mail. ru
Angarsk State Technical Academy,
60, Chaykovskiy Str., 665835, Angarsk, Russia
METAL FRAMED PANELS USED IN EARTHQUAKE RESISTANCE BUILDING CONSTRUCTION
The paper presents the results of experimental research of building and ceiling panels framed with metal section to provide an elastic and frictional connection (EFC) in a new plant frame© Л.С. Чигринская, С.А. Щербин, 2013
work system. EFC is used for seismic protection and reduction of potential damage produced by deformation of load carrying structures and units of a building. A behavior of building panels as well as of such aggregates as foam fibred concrete and polystyrene concrete has been studied herein. A structural simulation and analysis of crack formation were carried out for structures under review.
Keywords: seismic resistance; seismic protection; elastic and frictional connections; static tests; displacements; wall panel; warping; SCAD simulation.
Отличительной особенностью проектирования зданий и сооружений для сейсмических районов является необходимость применения мероприятий, предотвращающих обрушение сооружения при существенных повреждениях конструктивных элементов, т. е. учет неупругого деформирования конструкций согласно строительным нормам [1].
Для уменьшения потенциального ущерба от повреждений (выхода из строя) несущих конструкций здания и их сопряжений при сейсмическом воздействии разработаны способы активной сейсмозащиты, реализация которых позволяет уменьшить сейсмическую реакцию сооружения за счет повышения его энер-гопоглощающей способности. Предлагается повышать диссипативные свойства сооружений путем организации специальных узлов с упруго-фрикционными соединениями (У ФС), способствующими поглощению энергии колебаний и, следовательно, снижению сейсмической реакции сооружения [2, 3].
В одной из предлагаемых конструктивно-технологических систем (КТС) [4] для реализации принципа УФС предусмотрено обрамление по контуру металлическим профилем стеновых панелей (СП) и плит перекрытия (ПП), которые после сборки каркаса с помощью высокопрочных болтов образуют скрытый металлический каркас с колоннами и ригелями крестообразного сечения [5].
Металлический каркас воспринимает в основном вертикальные нагрузки и обеспечивает пространственную неизменяемость здания, а заполнение каркаса активно участвует в работе на горизонтальные сейсмические нагрузки. Таким образом, обеспечивается высокий уровень надежности системы.
Требования к теплозащите здания обеспечиваются за счет многослойной конструкции наружных стен, которая состоит из внутренней несущей панели, слоя эффективного утеплителя, воздушной прослойки и наружной стеновой панели, образуя тем самым так называемую навесную фасадную систему.
Поскольку данные об исследованиях соответствующих конструктивных элементов и их соединений отсутствуют, нами была рассмотрена работа обрамленных металлическими рамками СП и ПП под нагрузкой.
В лаборатории строительных конструкций ФГБОУ ВПО «АГТА» испы-тывались модели СП размером 700*700*35 мм, имеющие по контуру обрамление в виде металлической рамки (РМ) из равнополочного уголка 25x3 мм по ГОСТ 8509-93.
На начальном этапе в качестве заполнения СП были приняты получившие в настоящее время широкое распространение пенобетон (ПБ) (ГОСТ 25485-89) [6] и полистиролбетон (ГОСТ Р 51263-99). Использовался ПБ средней плотности D900, в том числе с применением полипропиленовой,
базальтовой и анкерной фибры. В качестве арматуры СП применялась стальная либо пластмассовая сетка.
Основные физико-механические характеристики применяемых материалов определялись согласно ГОСТ 18105-2010, ГОСТ 10180-90, ГОСТ 24452-80 и представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики заполнения СП
Наименование образцов р, кг/м3 ЛСж, МПа Лизг, МПа Е, МПа X, Вт/(м • К)
ПБ 894 3,27 0,52 1060 0,225
ПБ с полипропиленовой фиброй 913 3,7 0,575 1446 0,289
ПБ с базальтовой фиброй 915 3,85 0,57 1401 0,281
ПБ со стальной фиброй 1046 4,82 0,81 1757 0,371
Полистиролбетон 493 1,83 0,39 639 0,092
Очевидно, что материал, применяемый в качестве заполнителя, должен обладать малой теплопроводностью X, низкой плотностью р и достаточными прочностными характеристиками E, R. По результатам сравнения лучшие характеристики показал ПБ с добавлением полипропиленовой и базальтовой фибры. Однако для объективной оценки необходимо было изучить особенности совместной работы заполнения и металлического обрамления при перекосе СП. С этой целью проводилось кососимметричное загружение панелей посредством прикладывания сосредоточенной нагрузки по диагонали СП (рис. 1).
Рис. 1. Напряженно-деформированное состояние СП:
а - схема испытания; б - схема действующих напряжений (плоское двухосное напряженное состояние); в - определение перекоса
Жесткость панели под нагрузкой оценивалась значениями относительных линейных деформаций растяжения ^ и сжатия
£ X ,, X
^ = Ъ; = Ъ'
где X, X - абсолютное значение удлинения и укорочения диагонали СП соответственно; Ъ — диагональ СП (рис. 1, в).
Диаграмма изменения относительных деформаций изображена на рис. 2. Как можно видеть, кривые почти симметричны относительно осей графика, однако деформации сжатия преобладают над деформациями растяжения примерно в 2,2 раза, что объясняется хрупкостью используемого заполнителя.
у
Л
К
—I пенобетон без фибры
-II с полипропиленовой фиброй
-Ш с базальтовой фиброй - IV со стальной! фиброй -V полистиролбетон
Относит. деформ. сжатия
Относит. деформ. растяжения
Рис. 2. Диаграмма относительных деформаций растяжения ^ и сжатия СП
При загружении панели происходит ее перекос в собственной плоскости из-за возникновения касательных напряжений. Мерой перекоса служит угол у (рис. 1, в), величина которого зависит от размеров панели, относительных деформаций и определяется по формуле
С
у = агссоэ-,
2 А
где С - диагональ после деформации сжатия, мм; А - длина панели, мм.
Для примера в табл. 2 приведены значения перекоса при нагрузке 400 кг.
Таблица 2
Значения перекоса СП
Наименование образцов Перекос у, рад
ПБ со стальной фиброй 0,78639
ПБ с полипропиленовой фиброй 0,78696
ПБ с базальтовой фиброй 0,78739
ПБ 0,78766
Полистиролбетон 0,78978
ПБ с полипропиленовой фиброй; арматура СП пластмассовая сетка 0,79259
ПБ с полипропиленовой фиброй; арматура СП оцинкованная сетка 0,80098
По данным табл. 2 наибольшей устойчивостью в плоскости плиты обладает образец, заполненный ПБ, армированным стальной фиброй. Однако использование такого заполнителя приведет к утяжелению панели и ухудшению ее теплоизоляционных свойств (см. табл. 1). Соответственно, с учетом всех вышеприведенных требований к материалу заполнения наиболее приемлемым
является ПБ, армированный неметаллической фиброй, значение перекоса для которого отличается незначительно (менее 1 %), а плотность (на 12,5 %) и теплопроводность (на 24,3 %) меньше, чем у ПБ, армированного стальной фиброй.
В ходе эксперимента фиксировалось появление и развитие трещин в заполнении СП. Характерная картина трещинообразования представлена на рис. 3.
/77?
Рис. 3. Развертка трещинообразования в заполнении СП
При малых перекосах СП появляются волосяные контурные трещины, жесткость заполнения быстро уменьшается с ростом нагрузки, которая прикладывалась ступенями по 50 кг и составила 350-800 кг в зависимости от типа заполнения.
Создана расчетная схема и выполнено компьютерное моделирование работы СП с РМ при кососимметричном загружении с использованием ВК SCAD. Получены изополя напряжений (рис. 4), согласующиеся с теорией трещинообразования.
J.5
Рис. 4. Изополя напряжений, возникающих в заполнении СП от загружения сосредоточенной силой 0,5 т: а - NX, т/м2; б - Nr, т/м2; в - Txr, т/м2
Трещинообразование происходит в определенной последовательности и может быть разделено на 3 характерные стадии.
1. РМ и заполнение работают монолитно по всему периметру панели. Напряженное состояние характеризуется сжатием по одной диагонали и растяжением по другой. Первая стадия заканчивается при малых деформациях образованием контурных трещин в угловых участках удлиняющейся диагонали, причиной возникновения которых являются нормальные растягивающие и скалывающие напряжения (см. рис. 1, б и рис. 4).
2. Возникает контурная трещина между каркасом и заполнением в растянутой зоне. Сжатая диагональ для каркаса и заполнения укорачивается. Усилие с каркаса на заполнение передается по коротким сжатым площадкам в углах заполнения. Максимальные деформации сжатия концентрируются по концам, убывая к середине диагонали (рис. 4, а). В растянутой диагонали деформации каркаса заметно больше деформаций заполнения - заполнение в этих местах оказывается отделенным от обрамляющего металлокаркаса. Наибольшие деформации растяжения наблюдаются в середине диагонали, наименьшие - у ее концов (рис. 4, б). Стадия заканчивается образованием трещин вдоль сжатой диагонали в направлении диагонально приложенного сжимающего усилия.
3. Металлическое обрамление сохраняет несущую способность. После появления диагональной трещины вдоль сжатой диагонали жесткость образца падает, возникают параллельные трещины, а растянутая диагональ заполнения удлиняется и становится равной диагонали каркаса. Отсутствие диагональных трещин в углах объясняется условием двухосного сжатия заполнения. Ширина диагональной трещины достигает 2-5 мм.
Исследования СП с обрамлением РМ проводились по методикам, приведенным в работах С.В. Полякова (ЦНИПС), и позволяют развить их применительно к решению задач, связанных с изучением влияния жесткости заполнения на работу СП.
Сравнение экспериментальных данных и моделирования представлено в табл. 4.
Хорошая сходимость результатов говорит о достоверности принятого численного аппарата и о возможности использования полученной модели для прогнозирования напряженно-деформационного состояния реальной панели.
Далее был произведен расчет РМ в натуральную величину на предельно допускаемую нагрузку 32 т, определенную по строительным нормам [7]. Возникающие при узловой нагрузке напряжения в материале заполнения составляют 84 т/м2, что значительно меньше нормативного сопротивления сжатию пенобетона D900 В3,5 (228 т/м2).
Полученные результаты подтверждают целесообразность применения пенобетона в качестве материала заполнения и могут быть использованы при компьютерном моделировании СП. В частности, расчетная схема СП с учетом механизма трещинообразования может быть заменена на систему с растянутыми и сжатыми раскосами для 1-й стадии, а для 2-й - с одним сжатым раскосом.
Таблица 4
Сравнение экспериментальных и теоретических данных при работе СП под нагрузкой 0,5 т
Наименование Перемещения, мм Напряжения в заполнении, т/м2
X (т. 1) I (т. 3) «х (&) (т. 5) «Т $1) (т. 5) Тхт (т. 1)
Экспериментальные данные РМ с заполнением -0,6 -1,5 -16,03 14,4 +0,86
Модель РМ с заполнением ПБ 700x700x35 мм; Е = 12500 т/м2 -0,65 -1,41 -15,48 14,57 ±1,34
Примечания:
1. Местонахождение точек 1, 3, 5 и направление касательных, главных растягивающих и сжимающих напряжений показано на рис. 1.
2. Напряжения заполнения СП для экспериментальных данных рассчитывались по формулам:
« , „ ™ N 3Q
°мх =— (при У = 0,9); °«т =—; хгаг =— , Г у Г 2 Г
где Г - площадь поперечного сечения СП.
На следующем этапе были изготовлены модели плит перекрытия квадратной (700x700x35 мм) и прямоугольной (700x350x35 мм) формы с металлическим обрамлением по контуру, заполненные армированным тяжелым бетоном класса В15. Определялись прочность и деформативность 1111 при действии равномерно распределенной нагрузки (рис. 5) с различными схемами опирания (по контуру для квадратных 1111 и по трем сторонам - для прямоугольных).
Рис. 5. Нагружение плит перекрытия
Нагрузка прикладывалась винтовым домкратом через динамометр ДОУ-5 ступенями по 100 кг и составила 1500-2700 кг в зависимости от конфигурации плит и типа армирования. По профилю поперечного сечения использовалась арматура гладкая 08А240 и периодическая 08А500 стальная и стеклопласти-ковая 06СПА. Для примера на рис. 6 показаны графики прироста прогибов. Можно отметить сохранение остаточных деформаций при разгрузке образцов, что указывает на нелинейный характер работы материала заполнения. Видно, что при нагрузках более 2000 кг прогибы в середине прямоугольной плиты (И1, И4 на рис. 6, б) меньше, чем квадратной (И1 на рис. 6, а). Следовательно, при практической реализации рациональнее применять прямоугольные плиты, опертые по трем сторонам со свободно висящей четвертой стороной, т. к. при таком опирании значения напряжений будут меньше.
100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 Нагрузка, кг
Рис. 6. Прогибы квадратной (а) и прямоугольной (б) ПП при нагрузке-разгрузке:
И1, И4 - индикаторы посередине плиты; И2, И3, И5, И6 - индикаторы в угловой приопорной зоне плиты
а
б
0
Нагрузка, кг
Зафиксированное в ходе эксперимента трещинообразование квадратных и прямоугольных ПП согласуется с эпюрой изгибающих моментов. Началу трещинообразования соответствует нагрузка:
- для квадратных ПП - 300 кг понизу в пролете;
- для прямоугольных ПП - 200 кг поверху вдоль контурного обрамления. Создана расчетная схема и выполнено компьютерное моделирование ПП
при равномерном нагружении с использованием ВК SCAD. Получены изополя
напряжений (рис. 7), подтвержденные наблюдаемой картиной трещинообразо-вания. Сравнение экспериментальных данных, результатов моделирования и расчета в упругой стадии по методу предельного равновесия с использованием таблиц А.С. Калманка, Маркуса - Лезера представлено в табл. 5.
Рис. 7. Напряжения понизу заполнения квадратной и прямоугольной ПП: а, б - Sx, т/м2; в, г - Sy, т/м2
Таблица 5
Прогибы ПП под нагрузкой 0,25 т, мм
Наименование Экспериментальные данные Моделирование РМ Расчет с помощью таблиц
Квадратная ПП 1,05 1,1 3,11
Прямоугольная ПП 0,6 0,62 0,94
Можно отметить, что наименьшие значения прогиба получены в ходе эксперимента, отражающего действительную нелинейную работу материала заполнения ПП. Расчет с применением специальных таблиц дает наибольшие значения прогибов, т. к. выполнен с предположением упругих свойств материала. Значения, полученные с применением ВК SCAD, наиболее приближены к экспериментальным.
Таким образом, экспериментально и методом численного моделирования обоснована работоспособность стеновых панелей и плит перекрытия, обрамленных металлическим профилем для реализации УФС при проектировании и строительстве сейсмостойких зданий. Установлен наиболее предпочти-
тельный материал для заполнения СП по соотношению конструкционно-теплоизоляционных свойств.
Исследование механизма трещинообразования позволило установить, что расчетную схему СП при компьютерном моделировании целесообразно представить как систему с растянутыми и сжатыми раскосами для начальной упругой стадии работы каркаса здания и в виде системы с одним сжатым раскосом для учета процессов трещинообразования.
Разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению стеновых панелей и плит перекрытия новой конструктивно-технологической системы сейсмостойкого малоэтажного здания со скрытым металлическим каркасом, возводимого по принципу «сухого строительства».
Библиографический список
1. СНиП II-7-81 *. Строительство в сейсмических районах. - М. : Госстрой, 2000. - 32 с.
2. Михайлов, Г.М. Использование упругофрикционных систем в сейсмическом строительстве (обзор) / Г.М. Михайлов, В.В. Жуков. - М., 1975. - 43 с.
3. Курмаев, А.М. Сейсмостойкие конструкции: справочник / А.М. Курмаев. - Кишинев, 1989. - 453 с.
4. Пат. RU 2340751 С1, МПК Е04Н9/02 Сейсмостойкое здание / Ю.А. Бержинский, Л.И. Иванькина, О.И. Саландаева, Л.С. Чигринская. - 2008, Бюл. № 34.
5. Чигринская, Л.С. Домостроительная система со скрытым металлическим каркасом для малоэтажного строительства в сейсмических районах Прибайкалья / Л.С. Чигринская, Ю.А. Бержинский, Л.И. Иванькина // Международный научно-технический сборник. Строительство в сейсмических районах Украины. - Киев : НД1БК, 2008. - Вып. 69. -С. 486-493.
6. Горбач, П.С. Научно обоснованный выбор пенообразователя и его концентрации / П.С. Горбач, С.А. Щербин // Вестник ТГАСУ. - 2012. - № 4. - С. 191-199.
7. СНиП II-23-81 * Стальные конструкции / Госстрой России. - М. : ГУП ЦПП, 2002. - 90 с.
References
1. SNiP II-7-81*. Stroitelstvo v seysmicheskikh rayonakh [Construction in seismic areas]. Moscow : Gosstroy, 2000. 32 p.
2. Mikhaylov, G.M., Zhukov, V.V. Ispolzovaniye uprugo-friktsionnykh sistem v seysmicheskom stroitelstve (obzor) [Elastic and friction systems used in earthquake engineering (review)]. Moscow, 1975. 43 p. (rus)
3. Kurmayev, A.M. Seysmostoykiye konstruktsii: spravochnik [Earthquake-resistant structures]. Kishinev, 1989. 453 p. (rus)
4. Pat. Rus. Fed. N 2340751 S1, MPK Ye04N9/02 Seysmostoykoye zdaniye [Seismic resistant building]. Yu.A. Berzhinskiy, L.I. Ivankina, O.I. Salandayeva, L.S. Chigrinskaya. 2008, Byul. N° 34.
5. Chigrinskaya, L.S., Berzhinskiy, Yu.A., Ivankina, L.I. Domostroitelnaya sistema so skrytym metallicheskim karkasom dlya maloetazhnogo stroitelstva v seysmicheskikh rayonakh Pribaykalya [Homebuilding system having hidden metal frame for low-rise housing construction in seismic Baikal area]. Mezhdunarodnyy nauchno-tekhnicheskiy sbornik. Stroitelstvo v seysmicheskikh rayonakh Ukrainy. Kiyev : NDIBK, 2008. V. 69. P. 486-493. (rus)
6. Gorbach, P.S., Shcherbin, S.A. Nauchno obosnovannyy vybor penoobrazovatelya i yego kontsentratsii [Science-based choice of foam former and its concentration]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 4. P. 191-199. (rus)
SNiP II-23-81 *. Stalnyye konstruktsii / Gosstroy Rossii [Steel structures]. Moscow : GUP TsPP [SUE Centre of Construction Design Products], 2002. 90 p.
