CC BY
562
Поперечное армирование плит в зоне продавливания
А.Н.Болгов, А.З.Сокуров
В статье приведён сравнительный анализ нормативных требований по расчёту железобетонных плит на продавлива-ние согласно СП 63.13330.2012 при традиционном поперечном армировании, а также при новом, применяющемся на западе армировании - стержнями с жёсткой анкеровкой по концам в виде высаженных головок, приваренных пластин, механических соединений. Приводятся данные о точности нормативной методики расчёта, полученные на основании обработки экспериментов.
Приведены новые зависимости для расчёта на продав-ливание при традиционном поперечном армировании, допускаемом нормами проектирования, а также для расчёта на продавливание при новом типе армирования. На основании статистического анализа приведены данные о точности предложенной зависимости.
Ключевые слова: безбалочные железобетонные плиты, продавливание, поперечное армирование, несущая способность.
Transverse Reinforcement Plates in the Punching Zone.
By A.N.Bolgov, A.Z.Sokurov
The paper presents a comparative analysis of the regulatory requirements for the calculation of reinforced concrete slabs according to the punching SP 63.13330.2012 taking into account the traditional transverse reinforcement, as well as new and used in the West reinforcement - bars with rigid anchoring at the ends in the form of landed heads, welded plates, mechanical connections. The data on the accuracy of the calculation of the regulatory techniques was obtained from the processing of experiments.
It presents new relationships for calculating the punching based on the traditional transverse reinforcement, permitted design standards, as well as for the calculation of the punching with a new type of reinforcement. It shows the accuracy of the dependence on the basis of statistical analysis.
Keywords: beamless reinforced concrete slabs, punching, transverse reinforcement, bearing capacity.
Введение
Плоские железобетонные безбалочные перекрытия являются наиболее распространённым типом перекрытий для зданий из монолитного железобетона гражданского и промышленного назначения. Расчёт на продавливание опорных участков перекрытий в местах опирания на колонны является определяющим при назначении класса бетона
и толщины перекрытия. Основным техническим решением по повышению прочности опорных зон плит, наряду с устройством капителей, является установка поперечного армирования.
В действующих отечественных нормах проектирования СП 63.13330 допускается использовать поперечное армирование в виде хомутов, шпилек, а также сварных каркасов. Недостатками применения гнутых стержней (хомуты и шпильки) является повышенная податливость стержней в месте загиба при работе в теле плиты на растяжение, что не позволяет эффективно использовать прочностные свойства стали. Сварные каркасы не имеют данных недостатков, но
Рис. 1. Расчётные сечения на продавливание плиты с поперечным армированием: а - разрушение по грани колонны; б - разрушение в зоне поперечного армирования; в - разрушение за зоной поперечного армирования
/
• / • •
So/h0
So/ho
Рис. 2. Зависимость прочности плиты при разрушении по грани колонны от отношения s/h0 по формуле(см. СП 63.13330): а - традиционный тип армирования; б - новый тип армирования
Рис. 3. Зависимость прочности плиты при разрушении по грани колонны от отношения s/h0 по предлагаемой зависимости: а - традиционный тип армирования; б - новый тип армирования
требовательны к прочности сварных соединений, которая гарантирована лишь при применении механизированного оборудования. Недостатком сварных каркасов является сниженная высота расположения (по высоте плиты) в связи с размещением внутри неё сетками продольного армирования плиты, что уменьшает количество стержней, вовлекаемых в работу на продавливание.
В последние годы в международной строительной практике широкое распространение получил тип поперечного армирования в виде вертикальных стержней с анкерами по концам (приваренные полосы, высаженные головки, механические головки и др.). Проведённые всесторонние испытания плит на продавливание с данным типом поперечного армирования позволили в ряде стран Северной Америки, а также Европы сформулировать нормативные требования к их расчёту и конструированию. Основными преимуществами, по сравнению с традиционным типом армирования, являются повышенная прочность и жёсткость анкеровки, что позволяет размещать данные стержни, охватывая максимальную высоту сечения плит, а также эффективнее использовать прочностные свойства стали. Данный тип особенно эффективен при использовании в тонких плитах. Опыты показали, что в целом применение нового типа поперечного армирования, при эквивалентных традиционному армированию интенсивности поперечной арматуры и прочности стали, позволяет повысить прочность плит на продавливание, а также положительно сказывается на характере работы узла при продав-ливании, изменяя традиционный хрупкий и опасный (с точки зрения работы конструкций при запроектных - аварийных, и сейсмических воздействиях) характер разрушения на более пластичный.
Исследование работы плит с поперечным армированием на продавливание
С целью проверки расчётных зависимостей (см. СП 63.13330) были собраны и обработаны 85 экспериментальных образцов плит с традиционными типами поперечного армирования (хомуты, шпильки, сварные каркасы), прочностью бетона, расположением поперечного армирования в плане, а также на основе статистического анализа были предложены новые зависимости для расчёта прочности на продавливание.
Обработка экспериментальных данных выполнялась по отдельным группам образцов. Правилом группировки являлось единство механизма разрушения плит при продав-ливании. На рисунке 1 приведены три основные механизма разрушения, соответствующие им обозначения приведены в таблицах баз данных для плит с традиционным и новым типом поперечного армирования.
Для проверки точности расчётных формул СП 63.13330, а также подбора новых, уточнённых зависимостей, были сгруппированы и обработаны методами математической статистики данные по испытанию плит на продавливание
Рис. 4. Зависимость прочности плиты при разрушении за контуром поперечного армирования от отношения l■s/h0 по формуле (см. СП 63.13330): а - традиционный тип армирования; б - новый тип армирования
Рис. 5. Зависимость прочности плиты при разрушении за контуром поперечного армирования от отношения ^sv/h0 по предлагаемой зависимости: а - традиционный тип армирования; б - новый тип армирования
а 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.4
1.2 — -•-- -<-
""0.6 0.4 0.2
0.0 -- ------
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 6 Р„ЛЬ
Рис. 6. Зависимость прочности плиты при разрушении в зоне поперечного армирования от отношения Fsl/Fыt по формуле (см. СП 63.13330): а - традиционный тип армирования; б -новый тип армирования
0.6 04 0.2
0.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
6 Р„/Рь
Рис. 7. Зависимость прочности плиты при разрушении в зоне поперечного армирования от отношения Fsl/Fшt по предлагаемой зависимости: а - традиционный тип армирования; б - новый тип армирования
с традиционными типами поперечного армирования, допускаемыми к применению СП 63.13330 - хомуты, шпильки, сварные каркасы.
Прочность по грани колонны
На рисунках 2, 3 приведены графики сравнения опытных величин продавливающих усилий при разрушении плит с поперечным армированием по грани колонны, с теоретическими значениями, вычисленными по СП 63.13330 (рис. 2) и предложенной зависимостью (рис. 3), в зависимости от отношения расстояния первого ряда стержней от грани колонны к рабочей высоте плиты (б0/И0).
Как следует из графиков, расстояние 50 у опытных образцов, выбранных для анализа, изменяется в широком диапазоне от 0,5И0 до 1,0к0. Приведённые графики сравнения показывают, что обе теоретические зависимости имеют довольно большое отклонение от опыта, при этом наибольшие погрешности наблюдаются в области высоких отношений s0/h0 - 0,8 и выше в тех зонах, где согласно СП
Таблица 1
№ п/п Вид зависимости Среднее отношение опытной величины к теоретической, рп^рсор Стандартное отклонение^ Коэффициент вариации, V (%)
Традиционный тип армирования
1 Fult = 2Rbluh0 (СП 63.13330) 0,63 0,11 18,2
2 Fult = l,26(Rbp)in и\ (0,7 + 0,2/?0 / с) (предлагаемая) 0,86 0,18 20,9
Новый тип армирования
3 Full = 2Rbtu\ (СП 63.13330) 1,01 0,137 13,5
4 Full = 1,7 l(Rbp)1 '3 uh0 (0,7 + 0,2/г0 / с) (предлагаемая) 0,98 0,096 9,7
Таблица 2
№ п/п Вид зависимости Среднее отношение опытной величины к теоретической, г/г* Стандартное отклонением Коэффициент вариации, V (%)
Традиционный тип армирования
1 Fult = 2Rbluh0 (СП 63.13330) 0,63 0,11 18,2
2 Fult = 1,2^ьр)Ши^(0,7 + 0,2h0 /с) (предлагаемая) 0,86 0,18 20,9
Новый тип армирования
3 Fult = 2Rbluh0 (СП 63.13330) 1,01 0,137 13,5
4 Full=l,71(Rbp)U3uh0(0,7+0,2h0/c) (предлагаемая) 0,98 0,096 9,7
Таблица 3
№ п/п Вид зависимости Среднее отношение опытной величины к теоретической, Г/Г" Стандартное отклонением Коэффициент вариации, V (%)
Традиционный тип армирования
1 Full = Fbu" + FJ" = Rbluh0 + AmRm (СП 63.13330) 1,01 0,18 18
2 Fult = 0,9(Rbp)U3uh0(0,7 + 0,2h0 le) + + AA, (предлагаемая) 1,03 0,14 13,5
Новый ти армирования
3 Ki, = Rb,uhо (СП 63.13330) 0,93 0,126 13,5
4 Fuh = 0,9(Rbp)il3 uh0 (0,7 + 0,2h0 /c) + (предлагаемая) 0,94 0,132 14,0
нарушаются требования к расположению первого ряда стержней и поперечное армирование не учитывается в расчёте. В действительности, как показывает сравнение, поперечное армирование влияет на прочность при про-давливании даже при столь большом удалении от грани колонны.
Статистический анализ сравнения опытных и теоретических величин приведён в таблице 1, из него следует, что формула СП в диапазоне отношения б/^ от 0,5-0,8 для традиционного армирования даёт завышенные значения, тогда как отношение предлагаемой зависимости к опытной близко к 1,0. Для нового типа армирования обе зависимости удовлетворительно оценивают прочность.
Как следует из графиков на рисунках 2 и 3, первый ряд стержней располагался в широком диапазоне - от 1/2 И0 до 1,0^И0. Согласно отечественным и зарубежным стандартам, первый стержень от грани колонны должен располагаться на расстоянии от 1/3 И0 до 1/2 И0, поэтому имеющиеся данные не могут являться достаточными для анализа прочности плит по грани колонны.
Прочность за зоной поперечного армирования
На рисунках 4, 5 приведены графики сравнения опытных величин продавливающих усилий при разрушении плит с поперечным армированием за контуром поперечного армирования с теоретическими значениями, вычисленными по СП 63.13330 (рис. 4) и предложенной зависимостью (рис. 5), в зависимости от отношения расстояния от грани колонны до конца зоны поперечного армирования к рабочей высоте
плиты а^.
Для анализа были отобраны данные, у которых отношение l¡Jh0 изменялось в широком диапазоне - от 1 до 2,3. Как следует из графика на рисунке 4, формула СП 63.13330 имеет удовлетворительную сходимость с опытами при к0 близком к 1,0 и даёт завышенную оценку с ростом этого соотношения, при этом наибольшая погрешность достигает 2,5 раз. Предложенная зависимость (см. рис.5) даёт удовлетворительную сходимость с опытными величинами прочности.
Статистический анализ сравнения опытных и теоретических величин приведён в таблице 2, из него следует, что формула СП дает завышенные значения, тогда как отношение предлагаемой зависимости к опытной близко к 1,0.
Прочность в зоне поперечного армирования
Для сравнения опытных и теоретических значений прочности плит были построены графики этих отношений для формул, включённых в СП 63.13330, и предлагаемой формулы соответственно (рис. 6, 7) в зависимости от соотношения теоретических значений доли несущий способности, обеспеченной поперечным армированием и бетоном, от общей прочности плиты на продавливание (Р^/Рь) в прочность плит на продавливание.
При расчёте прочности по СП и по предложенным зависимостям предел прочности поперечной арматуры принимался равным: 480 МПа - для традиционного типа (хомуты, шпильки и сварные каркасы) и 560 МПа - для нового типа (стержни с анкерами по концам).
Как следует из графиков на рисунках 6, 7, обе зависимости удовлетворительно описывают прочность на продав-ливание в зоне с поперечным армированием, наблюдается прямая зависимость несущей способности плиты от роста усилия, воспринимаемого поперечной арматурой. Из них следует, что доля этого усилия является эффективной, может учитываться в расчёте, если она составляет от 0,2 до 1,0 доли усилия, воспринимаемого бетоном, а расчётное сопротивление поперечной арматуры с анкерами по концам может быть принято большим, чем для традиционного типа.
Статистический анализ сравнения опытных и теоретических величин приведён в таблице 3.
Выводы
1. Новый тип поперечного армирования для плит в виде стержней с анкерами по концам является весьма эффективным при работе на продавливание по сравнению с традиционными типами - хомутами, шпильками и сварными каркасами. При этом предел текучести поперечной арматуры может быть повышен в 1,17 раза.
2. Анализ опытных данных с применением формул СП 63.13330 показал, что расчётные зависимости норм дают завышенную оценку прочности при оценке максимальной несущей способности на продавливание при традиционном типе поперечного армирования, а также при расчёте за контуром поперечного армирования и требуют корректировки.
3. Предложены новые расчётные зависимости, позволяющие наиболее точно определять прочность плит на продавливание как с традиционным типом поперечного армирования, так и с новым типом - стержнями с анкерами по концам.
