CC BY
7Б01 10.52170/1815-9262_2021_56_86 УДК 69.01
А. А. Коянкин, В. М. Митасов
Шпоночное сопряжение легкого монолитного и тяжелого сборного бетонов
Поступила 12.10.2020
Рецензирование 16.11.2020 Принята к печати 13.01.2021
В сборно-монолитных конструкциях крайне важным фактором является надежность шва сопряжения бетонов разного возраста, а порой и разных классов, марок и видов (тяжелого и легкого), поскольку именно по шву обеспечивается совместное деформирование монолитного и сборного бетонов. При этом несущая способность шва сопряжения разновозрастных бетонов в элементе должна быть не меньше несущей способности самого элемента.
С целью изучения особенностей деформирования шпоночного шва сопряжения легкого монолитного и тяжелого сборного бетонов при восприятии сдвигающих усилий авторами проведены соответствующие экспериментальные исследования. Для их выполнения был изготовлен горизонтальный стенд, позволяющий обеспечить создание сдвигающего усилия в образцах с разновозрастными, разнопрочными и разно-видовыми бетонами (легким монолитным и тяжелым сборным). При этом в процессе проведения экспериментальных исследований варьировался шаг расположения шпонок. Также были испытаны эталонные образцы, имеющие гладкую поверхность, из-за чего сопряжение обеспечивалось только за счет сил адгезии и трения.
В результате проведенных исследований выявлены особенности деформирования и исчерпания несущей способности по шпоночному шву сопряжения легкого монолитного и тяжелого сборного бетонов. Выполнены расчеты несущей способности шва сопряжения разновозрастных бетонов исходя из нормативных методик расчета, и осуществлен сопоставительный анализ. Проведенные исследования позволили сделать вывод о достаточной надежности шпоночного соединения, что позволяет применять его в реальных сборно-монолитных зданиях.
Ключевые слова: сборно-монолитные конструкции, легкий бетон, сопряжение монолитного и сборного бетонов, шпоночное сопряжение бетонов, сопротивление на сдвиг.
Удельная доля сборно-монолитного домостроения на строительном рынке России постоянно увеличивается, что объясняется удобностью применения данного вида строительной системы в условиях нашей страны. И действительно, сборно-монолитный каркас позволяет сочетать положительные моменты сборной и монолитной строительных систем, минимизировав в итоге их минусы.
Интерес со стороны строительно-монтажных организаций логичным образом привел к научному интересу со стороны ученых, к изучению конструктивных особенностей напряженно-деформированного состояния как сборно-монолитных зданий в целом [1-7], так и отдельных его элементов и узлов сопряжения [8-12].
При изучении опыта сборно-монолитного домостроения и рассмотрении работ различных ученых в данном направлении авторами статьи было сделано заключение о необходимости проведения исследований, посвященных совместному деформированию сборного тяжелого
и монолитного легкого бетонов с целью выявления конструктивных особенностей совместного деформирования этих видов бетонов в зависимости от типа поверхности сопряжения.
В процессе проведения экспериментальных исследований выполнены испытания моделей, монтаж которых осуществлялся в два этапа:
1) на заводе ЖБИ изготовлены сборные части из тяжелого бетона кл. В25 размером 300 X 100 X 70 (И) мм;
2) в лабораторных условиях сборные части добетонировались легким бетоном (конструкционный керамзитобетон кл. В12,5), итоговый размер образцов составил 300 х 100 х 140 (И) мм.
В общей сложности были выполнены три серии образцов по 5 шт. в каждой. Серии друг от друга отличались по конструктивному исполнению шва (рис. 1, а, б):
• Р1 - гладкая поверхность сопряжения;
• Р2 - поверхность сопряжения с двумя шпонками (ширина шпонки 30 мм, глубина 10 мм), что соответствует шагу 150 мм;
• Р3 - поверхность сопряжения с тремя шпонками (ширина шпонки 30 мм, глубина 10 мм), что соответствует шагу 100 мм.
Испытания выполнялись на горизонтальном экспериментальном стенде (см. рис. 1, в, г), в котором сборная часть упиралась в жесткий
Монолитна я часть
3 Сборная часть
300
Рис. 1. Экспериментальные образцы и установка: а - схемы образцов; б - фото образцов; в - фото установки; г - схема установки
упор, а горизонтальное усилие домкрата прикладывалось к монолитному бетону. Деформации и взаимные смещения сборной и монолитной частей образцов фиксировались посредством горизонтально и вертикально расположенных индикаторов часового типа ИЧ-10.
Проведенные экспериментальные исследования показали единообразную картину разрушения образцов серии Р1, в которых происходил внезапный резкий сдвиг по гладкому шву контакта секции монолитного бетона относительно сборного (рис. 2). При этом секции монолитного и сборного бетонов сохранили свою конструктивную целостность. Среднее значение разрушающего усилия составило 45,3 кН. При этом диапазон отклонения индивидуальных значений отдельных образцов от среднего значения разрушающего усилия составлял -34,9...41,3 % (29,5...64,0 кН), что является достаточно существенным колебанием.
Анализ картины разрушения образцов серии Р1 указывает, что в случае устройства гладкого шва сопряжения двух разновозрастных бетонов взаимный сдвиг секций происходит вследствие превышения сил сдвига над силами адгезии и трения. Вместе с тем достаточно существенный разброс значений предельных усилий говорит о недостаточной стабильности прочности шва, обеспечиваемой только за счет сил адгезии и трения. Данные обстоятельства приводят к необходимости включения в процесс деформирования разновозрастных бетонов дополнительного элемента (шпонки, поперечной арматуры и т. д.), позволяющего обеспечить более стабильное поведение шва сопряжения.
Согласно нормативным документам (в частности СП337.1325800.2017 «Конструкции же-
лезобетонные сборно-монолитные»), предельное сдвигающее усилие, которое возможно обеспечить за счет сил трения и адгезии, для образцов серии Р1 составляет 30 кН. В итоге практически в 1,5 раза недооценено среднее значение, однако с минимально показанным экспериментальным значением расхождения не было.
Образцы серии Р2 (с двумя шпонками) показали более сложный характер разрушения, однозначного разрушения по шву не происходило, так как к силам адгезии и трения добавилась еще и прочность шпоночного сопряжения. Зафиксировано исчерпание несущей способности по гладкой части шва сопряжения, и наблюдается сдвиг в теле монолитной части, срез шпонок и частичное разрушение отдельных секций. Описать картину разрушения можно следующим образом: на части элемента сдвиг происходит в теле монолитной секции (примерно на уровне 0,5.1,0 см от шва сопряжения), при этом в месте гладкого шва возможен как сдвиг по поверхности шва, так и скол сборного бетона со срезом его шпонкой на остальной части (рис. 3). Среднее значение предельной нагрузки составило 65,0 кН при диапазоне отклонений минимальных и максимальных значений -20,5.28,8 % (51,7.83,7 кН), что существенно меньше значений образцов Р1. Данный факт указывает на то, что шпоночное соединение позволяет не только повысить несущую способность шва сопряжения на сдвиг, но и обеспечить его большую стабильность.
Согласно расчету по нормативным документам предельное сдвигающее усилие, воспринимаемое швом сопряжения с двумя шпонками (образцы серии Р2), составляет 42 кН, что
а)
б)
Рис. 2. Разрушение образцов серии Р1: а - фото; б - схема
Рис. 3. Разрушение образцов серии Р2: а - фото; б - схема
Рис. 4. Разрушение образцов серии Р3: а - фото; б - схема
в 1,5 раза меньше среднего значения и примерно на 20 % меньше минимального.
Более частый шаг размещения шпонок, как показали результаты испытания образцов серии Р3, позволяет не только существенно повысить несущую способность шва сопряжения монолитного бетона со сборным, но и сделать результат еще более предсказуемым. В частности, среднее значение разрушающей нагрузки составило 113,3 кН при диапазоне отклонений -8,7... 10,8 % (103,4...125,5 кН). Кроме того, изменился и характер разрушения образцов (рис. 4). Так, исчерпание несущей способности четырех образцов серии Р3 произошло вследствие достижения предела прочности монолитного легкого бетона на сжатие при сохранении целостности шва сопряжения (не было зафиксировано какого-либо взаимного смещения секций монолитного и сборного бетонов относительно друг друга).
Однако отметим, что один образец (из пяти) серии Р3 достиг предела прочности при нагрузке 73,7 кН и характер разрушения схож с разрушением образцов серии Р2.
В образцах серии Р3 нормативное значение несущей способности шпоночного соединения составило 48 кН, что также существенно ниже
среднего и минимального значения, полученного экспериментальным путем.
Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Вид сопряжения разновозрастных бетонов существенно влияет на характер разрушения по сдвигу.
2. Устройство гладкого шва сопряжения, т. е. обеспечение сопротивления сдвигу только силами адгезии и трения, приводит к тому, что разрушение наблюдается в виде чистого сдвига по шву сопряжения секций образцов относительно друг друга без какого-либо существенного ущерба для целостности этих бетонных секций. При этом отмечается недостаточная стабильность результата, выраженная в виде большого диапазона отклонений пиковых значений несущей способности от среднего значения (-34,9.41,3 %).
3. Устройство шпоночного сопряжения разновозрастных бетонов позволило как эффективно повысить несущую способность шва сопряжения, так и обеспечить большую стабильность результата, достигнув диапазона отклонения от среднего значения от -8,7 до 10,8 %. При этом происходит увеличение несущей способности в 1,5 и более раза в за-
висимости от количества выполненных шпонок.
4. Более частый шаг расположения шпонок повышает несущую способность шпоночного соединения (при увеличении количества шпонок с двух до трех среднее предельное усилие возросло с 65,0 до 113,3 кН) и
делает ожидаемую величину предельного усилия более стабильной.
5. Рекомендации по расчету контактного шва шпоночного сопряжения разновозрастных бетонов требуют уточнения, так как оказываются ниже значений, полученных экспериментальным путем.
Библиографический список
1. Коянкин А. А., Митасов В. М. Некоторые результаты натурных испытаний фрагмента каркасного здания в сборно-монолитном исполнении // Бетон и железобетон. 2015. № 5. С. 18-20.
2. Семченков А. С., Хавкин А. К., Соколов Б. С. Испытание натурного фрагмента каркаса «РАДИ-УСС» с применением круглопустотных плит // Бетон и железобетон. 2008. № 6. С. 2-5.
3. Семченков А. С. Испытание натурного фрагмента каркаса «РАДИУСС НПУ» с плитами сплошного сечения // Бетон и железобетон. 2009. № 1. С. 2-5.
4. Прочность и деформативность сборно-монолитных каркасов жилых зданий пониженной материалоемкости при запроектных воздействиях / Н. В. Клюева, В. И. Колчунов, Д. А. Рыпаков, А. С. Бухтия-рова // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. С. 5-9.
5. Koyankin A. A., Mitasov V. M. Stress-strain state of precast and cast-in place building // Magazine of Civil Engineering. 2017. Vol. 6 (74). P. 175-184.
6. Паращенко Н. А., Горшков А. С., Ватин Н. И. Частично-ребристые сборно-монолитные перекрытия с ячеистобетонными блоками // Magazine of Civil Engineering. 2011. Vol. 6. P. 50-55.
7. Chepurnenko A. S. Stress-strain state of three-layered shallow shells under conditions of nonlinear creep // Magazine of Civil Engineering. 2017. Vol. 8 (74). P. 156-168.
8. Мордич А. И., Галкин С. Л. Результаты испытания сборно-монолитного перекрытия каркасного здания вертикальной нагрузкой // Строительная наука и техника. 2011. № 3. С. 33-42.
9. Medvedev V. N., Semeniuk S. D. Durability and deformability of braced bending elements with external sheet reinforcement // Magazine of Civil Engineering. 2016. Vol. 3 (63). P. 3-15.
10. Fire Resistance of Prefabricated Monolithic Reinforced Concrete Slabs of «Marko» Technology / E. Nedviga, N. Beresneva, M. Gravit, A. Blagodatskaya //Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. Vol. 692. P. 739-749.
11. Prior R. C. Identification and preliminary assessment of existing precast concrete floor framing systems : Theses and Dissertations. 2003. 213 р.
12. Koyankin A. A., Mitasov V. M., Tskhay T. A. Compatibility of precast heavy and monolithic lightweight concretes deforming // Magazine of Civil Engineering. 2018. Vol. 8 (84). P. 162-172.
A. A. Koyankin, V. M. Mitasov
Keyway Coupling of Light Monolithic and Heavy Precast Concrete
Abstract. In precast-monolithic structures, the reliability of the joint coupling of different aged concretes, and sometimes of different classes, brands and types (heavy and light) is an extremely important factor, since it is along the seam that the joint deformation of monolithic and precast concrete is ensured. At the same time, the bearing capacity of the joint of the interface of different-aged concretes in the element must not be less than the bearing capacity of the element itself.
In order to study the deformation features of the keyway joint of light monolithic and heavy precast concrete in the perception of shear forces, the authors conducted appropriate experimental studies. For the purpose of conducting experimental studies, a horizontal stand was made that allows creating a shear force in samples with different ages, different strengths, and different types of concrete (light monolithic and heavy precast). At the same time, in the course of conducting experimental studies, the pitch of the key arrangement varied, and reference samples were tested that had a smooth surface, as a result of which the coupling was provided only due to the forces of adhesion and friction.
As a result of the conducted research, the deformation features and exhaustion of the bearing capacity on the keyway joint of the interface of light monolithic and heavy precast concrete were revealed. Subsequently, calculations of the load-bearing capacity of the joint interface of different-aged concretes were made based on standard calculation methods and a comparative analysis was carried out. The conducted research allowed us to
conclude that the keyway connection is sufficiently reliable, which makes it possible to use it in real buildings of prefabricated monolithic buildings.
Key words: precast-monolithic structures; light concrete; coupling of monolithic and precast concrete; keyway coupling of concrete; shear resistance.
Коянкин Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции и управляемые системы» Сибирского федерального университета. E-mail: KoyankinAA@mail.ru
Митасов Валерий Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Железобетонное конструкции» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: MitassovV@mail.ru
