CC BY
39Исследование напряженного-деформированного состояния железобетонных колонн в каркасах многоэтажных зданий
о см о см
СП
о ш т
X
<
т о х
X
Чебуркова Светлана Николаевна
аспирант, кафедра строительные конструкции, Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, svetlana.ch.82@mail.ru
Рощина Светлана Ивановна
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительные конструкции, Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, rsi@mail.ru
В статье проведен анализ вопросов, связанных с учетом особенностей определения параметров напряженно-деформированного состояния сжатых несущих элементов каркасных зданий. Функциональная эффективность сжатых колонн каркаса прямо зависит первоначально установленных (запроектированных) показателей несущей способности, технологии и качества проведения соответствующих строительных процессов. Формирование эксцентриситетов и отклонений осей поперечного сечения колонн каркаса являются следствием недостаточного качества проектных решений (по учету возможного проявления рассматриваемых явлений) и/или производства строительных работ. Учет проявлений эксцентриситетов и отклонений осей требует разработки специального алгоритма проверки фактических параметров напряженно-деформированного состояния и разработки комплекса мероприятий, необходимых для повышения показателей несущей способности колонн каркасов одноэтажных и многоэтажных зданий. Предложенный в работе аналитический материал может быть использован при разработке методических рекомендаций по повышению несущей способности для внецентренно сжатых железобетонных колонн многоэтажных каркасных зданий. Ключевые слова: железобетонные колонны, одноэтажные и многоэтажные каркасные здания, сжатые несущие элементы конструкций, свойства бетона, эксцентриситет приложения нагрузки, параметры напряженно-деформированного состояния, конструктивные решения, армирование поперечного сечения колонны.
В настоящее время для устройства каркасов многоэтажных зданий и сооружений наибольшее распространение получили несущие конструктивные элементы из железобетона: сборного или монолитного. В строительстве применяют железобетонные колонны сплошного квадратного или прямоугольного сечения, развитого в плоскости действия момента, а также двовитковые для высоты более 10 м и значительных нагрузок. Колонны - это стойки каркаса, работающих на сжатие со случайными или расчетными эксцентриситетами. Железобетонные колонны армируют рабочей продольной и поперечной арматурой. Продольная арматура принимается по расчетам. Перед проектированием колонны следует задаться классом бетона и арматуры для определения расчетных характеристик прочности материалов, размерами сечения колонны; в зависимости от условий закрепление на краях и определить расчетную длину стержня колонны, знать конструкции перекрытий и покрытия, знать величины переменной нагрузки на перекрытия и покрытия [1,2,3].
Несущие конструктивные элементы в форматах сжатых конструктивных элементов (колонн и стоек) многоэтажных зданий и сооружений, характеризующихся значительными по величине нагрузками. В многоэтажных зданиях каркасной схемы (главным образом, из сборных железобетонных элементов заводского изготовления), применяется, в основном связевая конструктивная схема: колонны и ригели каркаса (при шарнирных соединениях в узлах) воспринимают только вертикальную нагрузку, а горизонтальная нагрузка передается через перекрытия на жесткие поперечные вертикальные связи..
Охарактеризуем основные источники и причины формирования эксцентриситетов и смещений осей колонн каркаса. Характер работы сжатых вертикальных железобетонных несущих элементов каркаса зависит от их высоты (определяется проектной высотой этажа), способом поэтажного деления и видом закрепления концов (низа и верха железобетонной колонны): жестким, шарнирным или свободным. Эти условия учитываются в расчетах введением специального значения расчетной длины сжатого элемента /о[1,5,6].
На Рисунке 1 и Рисунке 2 представлены примеры армирования поперечного сечения вертикального железобетонного элемента при центральном и внецентренном сжатии (при наличии эксцентриситета ео приложения продольного усилия).
Рисунок 1 - Способ армирования поперечного сечения несущего вертикального элемента при центральном сжатии
нирует равномерно на сжатие, поэтому наиболее рациональным способом является её размещение по всему периметру поперечного сечения, а форма сечения — квадратная (11 = Ь, см. Рисунок 1). При внецентренном приложения сжимающего усилия основная продольная
I
рабочая арматура (А§ ) располагается вдоль короткой
стороны 1 поперечного сечения прямоугольной формы (1 < Ь, см. Рисунок 2).
Именно короткая сторона 1 становится перпендикулярной по отношению к направлению действия изгибающего момента, вызванного проявлением эксцентриситета ео приложения продольного сжимающего усилия N. При больших значениях эксцентриситета ео часть рабо-
I
чей арматуры А§ , которая находится на стороне, противоположной эксцентриситету может оказаться в растянутой зоне поперечного сечения железобетонной колонны.
Проектирование показателей несущей способности вертикальных несущих элементов каркаса сводится к определению формы и размеров поперечного сечения, назначению класса бетона и определению площади поперечного сечения продольной рабочей арматуры (А§
I
и А§ ) — в зависимости от предполагаемого характера
приложения сжимающего усилия (возможности проявления эксцентриситета) [7,8,9,10].
Аз
Ав
Аз у
« V
Аз
ОСИ
Рисунок 2 - Способ армирования поперечного сечения несущего вертикального элемента при внецентренном сжатии
В условиях приложения центрального сжимающего усилия продольная рабочая арматура (А§ ) функцио-
Рисунок 3 - Каркасная конструктивная система многоэтажного здания с применением сборных железобетонных колонн поэтажной разбивки
- колонны проектных марок К-1 и К-3 (центральных рядов, по осям Б, В) — центрально-сжатые элементы;
- колонны проектных марок К-2 и К-4 (крайних рядов, по осям А, Г) — внецентренно-сжатые элементы.
X X О го А С.
X
го т
о
ю
2 О
м о
о
CS
0
CS
СП
01
о ш m
X
<
m о x
X
На Рисунке 3 представлены сборные железобетонные колонны поэтажной разбивки (в составе конструктивной системы многоэтажного здания), которые находятся в условиях центрального и внецентренного сжатия, в зависимости от приложения продольного усилия N. Главная особенность конструирования центрально и внецентренно сжатых сборных железобетонных колонн каркаса многоэтажного здания состоит в их разделении на однотипные элементы, характеризующиеся простой формой, схемой армирования. Такие конструктивные элементы многоэтажных зданий (смонтированные из отдельных элементов), включаются в совместную работу по восприятию сжимающих усилий при помощи организации стыков вида: «низ колонны-верх колонны».
Опишем характеристику различий поведения центрально и внецентренно сжатых железобетонных конструктивных элементов. Колонны многоэтажных каркасных зданий работают в условиях воздействия внешней сжимающей нагрузки N (продольного усилия), приложенной с некоторым значением эксцентриситета ео (Рисунок 4).
а) на колонну действует продольная сила N, приложенная с эксцентриситетом во
_i_L
б) на колонну действует продольная сила N, приложенная без эксцентриситета ео и изгибающий момент М Рисунок 4 - Внецентренно сжатые колонны железобетонного каркаса
При рассмотрении обоих возможных вариантов приложения нагрузки сочетание осевого сжимающего усилия (или усилия со случайным эксцентриситетом ео) и изгибающего момента (см. Рисунок 4б) возможно заменить равнодействующей сжимающей силой, действующей с эксцентриситетом: еоы = M/N и наоборот (см. Рисунок 4а).
а)
б)
t4
Ь.
г Л 1
Ч
III 1
** V Щщ
Рисунок 5 - Основные схемы расчета сечений внецентренно сжатых элементов прямоугольной (квадратной) формы
Примером внецентренно сжатого конструктивного элемента каркаса является расположение в конструктивной системе многоэтажного здания колонн проектных марок К-2 и К-4 (крайних рядов, по осям А, Г, см. Рисунок 3), воспринимающих дополнительную нагрузку от ветровых воздействий и собственного веса навесных самонесущих железобетонных стеновых панелей.
Внецентренная нагрузка на сжатые железобетонные конструктивные элементы каркаса может быть также следствием проявлений случайных эксцентриситетов, вызванных неточной установкой сборных элементов в проектное положение или неоднородностью бетонной смеси, укладываемой в конструкцию монолитной железобетонной колонны.
На Рисунке 5 приведены основные расчетные схемы определения параметров напряженно-деформированного состояния внецентренно-сжатых конструктивных элементов прямоугольной формы поперечного сечения [1,11].
Вариант 1 (см. Рисунок 5а) — приведена проектная ситуация с использованием внецентренно сжатой колонны (прямоугольного сечения) и продольной (сжимающей) нагрузкой N которая приложена к рассматриваемому несущему элементу со значительным эксцентриситетом ео. При этом конструктивное решение (для случая значительной величины эксцентриситета) не предусматривает применения избыточного армирования сечения растянутой арматурой. Предельное состояние характеризуется достижением растянутой рабочей арматурой предела текучести стали.
Вариант 2 (см. Рисунок 5б) — приведена проектная ситуация с использованием внецентренно сжатой колонны (прямоугольного сечения) и продольной (сжимающей) нагрузкой N которая приложена к рассматриваемому несущему элементу с незначительным эксцентриситетом ео. При этом конструктивное решение (для случая незначительной величины эксцентриситета) допускает применение избыточного армирования сечения растянутой арматурой. Предельное состояние характеризуется разрушением бетона сжатой зоны сечения, без образования и развития участков растяжения. \
Вариант 3 (см. Рисунок 5в) — приведена проектная ситуация с использованием внецентренно сжатой колонны (прямоугольного сечения) и продольной (сжимающей) нагрузкой N которая приложена к с незначительным эксцентриситетом ео. При этом конструктивное решение (для случая малой величины эксцентриситета) допускает применение избыточного армирования сечения растянутой арматурой. Предельное состояние характеризуется разрушением бетона сжатой зоны сечения, с одновременным образованием и развитием участков растяжения, а растянутая или менее сжатая арматура в достигнутом предельном состоянии остаётся недоиспользованной. Таким образом, можно отметить, что прочность внецентренно сжатого конструктивного элемента для случаев больших эксцентриситетов является зависимой от состояния растянутой рабочей арматуры, а для случаев малых эксцентриситетов — от прочности бетона на сжатие.
Приведем характеристику математических моделей напряженного-деформированного состояния сжатых железобетонных конструкций. Формирование большинства математических (аналитических, расчетных) моделей, ориентированных на определение параметров напряженно-деформированного состояния сжатых железобетонных конструкций, основывается на процедуре
анализа закономерностей деформирования бетона. Предполагается, что все необходимые для составления расчетной модели данные могут быть получены из анализа зависимости между параметрами напряжения а и относительной деформации £ (диаграммы деформирования) [8,9,12,13].
Например, международной организаций ЕКБ-ФИБ (The International Federation for Structural Concrete), при выполнении нелинейных расчетов железобетонных конструкций в качестве полной диаграммы бетона (устанавливающей зависимость между напряжениями и деформациями), принимается диаграмма состояния бетона с ниспадающей ветвью (Рисунок 6, [14]).
Рисунок 6 - Диаграмма нелинейного деформирования бетона
Основными параметрами рассматриваемой модели сжатой железобетонной колонны являются показатели диаграммы деформирования бетона и арматуры, которые позволяют осуществить комплексную (системную) оценку изменения механических, прочностных и дефор-мативных свойств бетона и арматуры —для различных их видов.
На Рисунке 7 представлены возможные варианты распределения напряжений по высоте железобетонного, внецентренно сжатого конструктивного элемента:
- на Рисунке 7а представлена расчетная схема, когда по всей высоте железобетонного, внецентренно сжатого конструктивного элемента возникают исключительно сжимающие усилия, а растянутая зона полностью отсутствует;
- на Рисунке 7б представлена расчетная схема, когда по высоте железобетонного, внецентренно сжатого конструктивного элемента возникают, как сжимающие, так и растягивающие усилия;
- на Рисунке 7в представлена расчетная схема, когда по высоте железобетонного, внецентренно сжатого конструктивного элемента имеются участки с растягивающими усилиями.
Первый из рассмотренных вариантов (см. Рисунок 7а) распределения напряжений характерен для анализа центрально нагруженных железобетонных колонн или внецентренно нагруженных несущих элементов с малыми значениями эксцентриситета ео и/или небольшими значениями гибкости Л.
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м о
о
CS
о
CS
cri
О Ш
m
X
<
m о x
X
е-
Рисунок 7 - Варианты распределения напряжений по высоте (длине) сжатого несущего элемента
Второй из рассмотренных вариантов (см. Рисунок 7б) распределения напряжений характерен для анализа внецентренно нагруженных несущих элементов с большими значениями эксцентриситета eQ. В растянутых
зонах возможно проявление и развитие трещин. В случае возникновения и роста трещин требуется дополнительная проверка несущей способности внецентренно сжатого элемента по прогибам.
Третий из рассмотренных вариантов (см. Рисунок 7в) распределения напряжений характерен для анализа внецентренно нагруженных несущих элементов, у которых эксцентриситет приложения внешнего продольного усилия расположен в крайней точке ядра приведенного поперечного сечения сжатого конструктивного элемента или весьма близко к ней со стороны центра тяжести.
Таким образом, при определении параметров напряженно-деформированного состояния сжатой железобетонной колонны необходим обязательный учет изменения прогиба по высоте рассматриваемого конструктивного элемента. Предложенный в работе аналитический материал может быть использован при разработке методических рекомендаций по повышению несущей способности для внецентренно сжатых железобетонных колонн многоэтажных каркасных зданий.
Литература
1. Алимов Л.А. Развитие теории и совершенствование технологии бетона на основе его структурно-технологических характеристик: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: 05.23.05 / Алимов Лев Алексеевич. — М.: 1982. — 429 с.
2. Микульский В.Г. и другие. Строительные материалы. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебник для вузов. — М.: Издательство АСВ. 2011. — 519 с.
3. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. СНиП 52-01-2003. Актуализированная редакция. — М.: Министерство регионального развития Российской Федерации. 2012. — 168 с.
4. EN 1992-1-1:2004. Eurocode 2. Design of concrete structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings. — Brussels: EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. 2004. — 229 p.
5. ГОСТ 18979-2014 Колонны железобетонные для многоэтажных зданий. Технические условия - ИУС 82015 — М.: Стандартинформ, 2015 — 45 с.
6. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Никитин И.К. Проектирование многоэтажных зданий с железобетонным каркасом. Монография. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2009. — 352 с.
7. Веретенников В.И., Бармотин А.А. О влиянии размеров и формы сечения элементов на диаграмму деформирования бетона при внецентренном сжатии // Бетон и железобетон. — 2000. - №5. — С.27-30.
8. Залесов А.С., Чистяков Е.А., Ларичева И.Ю. Деформационная расчетная модель железобетонных элементов при воздействии изгибающих моментов и продольных сил // Бетон и железобетон. — 1996. - №5. — С.16-18.
9. Маилян Д.Р. Влияние армирования и эксцентриситета сжимающего усилия на деформативность бетона и характер диаграммы сжатия: В книге: Вопросы прочности, деформативности и трещинностойкости железобетона. — Ростов на Дону: РИСИ. 1979. — С.70-82.
10. Frederick Rings. Reinforced Concrete, Theory and Practice (Classic Reprint). — London: Forgotten Books. 2017. — 248 р.
11. Краснощеков Ю.В. Научные основы исследований взаимодействия элементов железобетонных конструкций: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: 05.23.01 / Краснощеков Юрий Васильевич. — Омск: 2001. — 342 с.
12. Мурашкин Г.В. Моделирование диаграммы деформирования бетона и схемы напряженно-деформированного состояния. // Известия Вузов. Строительство. — 1997. - №10. — С.4-6.
13. Чистяков Е.А. Основы теории, методы расчета и экспериментальные исследования несущей способности сжатых железобетонных элементов при статическом нагружении: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: 05.23.01 / Чистяков Евгений Андреевич. — М.: 1988. — 638 с.
14. The International Federation for Structural Concrete. [электронный ресурс]. — http://www.fib-international.org/ (дата обращения 21.09.2020).
15. СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" - Актуализированной редакции СНиП 52-01-2003
Research of the stressed-deformed condition reinforced
concrete columns in frame multileval buildings Cheburkova S.N., Roshhina S.I.
Vladimir State University
In this article are considered the questions, which related the analysis to taking into account peculiarities determining parameters of the stress-strain state at compressed load-bearing elements in frame buildings. The functional efficiency at compressed frame columns directly depends on the initially established (projected) indicators the carrying capacity, technology and quality of the relevant construction processes. The formation of eccentricities and deviations at the axes in cross-section for the framework columns are a consequence at the insufficient quality design solutions (according to the possible manifestation at the phenomena under consideration) and / or the production in construction works. Accounting for eccentricities and axis deviations requires the development a special algorithm for examining the actual parameters in stressstrain state and the development a set of measures necessary to improve the bearing capacity in columns of a high-rise building framework. The analytical material proposed in this work can be used in the development of guidelines for increasing the bearing capacity for eccentrically compressed reinforced concrete columns in multi-stored frame buildings. Key words: reinforced concrete columns, multi-stored frame buildings, compressed bearing elements, concrete properties, load application eccentricity, parameters of stress-strain state, design solutions, reinforcement of the column cross-section.
References
1. Alimov L.A. Development of the theory and improvement of
concrete technology based on its structural and technological characteristics: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences: 05.23.05 / Alimov Lev Alekseevich. - M .: 1982 .- 429 p.
2. Mikulsky V.G. and others. Construction Materials. Materials Science. Technology of structural materials: a textbook for universities. - M .: Publishing house ACB. 2011 .-519 p.
3. SP 63.13330.2018. Concrete and reinforced concrete structures.
SNiP 52-01-2003. Updated edition. - M .: Ministry of Regional Development of the Russian Federation. 2012 .-- 168 p.
4. EN 1992-1-1:2004. Eurocode 2. Design of concrete structures.
Part 1-1: General rules and rules for buildings. — Brussels: EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. 2004.
— 229 p.
5. GOST 18979-2014 Reinforced concrete columns for multi-storey
buildings. Technical Specifications - IUS 8-2015 - M .: Standartinform, 2015 - 45 p.
6. Kodysh E.N., Trekin N.N., Nikitin I.K. Design of multi-storey buildings with a reinforced concrete frame. Monograph. - M .: Publishing house of the Association of building universities. 2009 .-- 352 p.
7. Veretennikov V.I., Barmotin A.A. About the influence of the size
and shape of the elements section on the diagram of deformation of concrete with eccentric compression // Concrete and reinforced concrete. - 2000. - No. 5. - P.27-30.
8. Zalesov A.S., Chistyakov E.A., Laricheva I.Yu. Deformation
model analysis of reinforced concrete elements under the influence of bending moments and longitudinal forces // Concrete and reinforced concrete. - 1996. - No. 5. - pp. 16-18.
9. Mayilyan D.R. The influence of reinforcement and eccentricity of
the compressive force on the deformability of concrete and the nature of the compression diagram: In the book: Questions of strength, deformability and crack resistance of reinforced concrete. - Rostov on Don: RISS. 1979 .-- P. 70-82.
10. . Frederick Rings. Reinforced Concrete, Theory and Practice (Classic Reprint). — London: Forgotten Books. 2017. — 248 p.
11. Krasnoshchekov Yu.V. Scientific bases of research of interaction of elements of reinforced concrete structures: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences: 05.23.01 / Krasnoshchekov Yuri Vasilievich. - Omsk: 2001 .-342 p.
12. G.V. Murashkin Simulation of the concrete deformation diagram and the stress-strain state diagram. // Izvestiya Vuzov. Building.
- 1997. - No. 10. - P.4-6.
13. Chistyakov E.A. Fundamentals of the theory, calculation methods and experimental studies of the bearing capacity of compressed reinforced concrete elements under static loading: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences: 05.23.01 / Chistyakov Evgeny Andreevich. - M .: 1988 .-- 638 p.
14. The International Federation for Structural Concrete. [electronic resource]. — http://www.fib-international.org/ (treatment date 21.09.2020).
15. SP 63.13330.2018 "Concrete and reinforced concrete structures. Basic provisions" - Updated edition of SNiP 52-012003.
X X О го А С.
X
го m
о
м о м о
