Совершенствование конструкций и расчетных схем крупнопанельных зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.07:624.078.4:69.057.13

В.В. ДАНЕЛЬ, канд. техн. наук

Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское шоссе, 26)

Совершенствование конструкций и расчетных схем

крупнопанельных зданий

Сделан обзор предложений по совершенствованию конструкций монолитных стилобатов под крупнопанельные здания, конструкций цокольных трехслойных наружных стеновых панелей, панелей первого нежилого этажа, рядовых наружных стеновых панелей, по использованию пенополистирола в качестве слоя утеплителя, совершенствованию конструкций петлевых вертикальных стыков наружных и внутренних стеновых панелей, конструкций горизонтальных стыков с монолитным железобетонным поясом, способу повышения несущей способности наружных стеновых панелей изменением граничных условий. Уделено внимание выбору конечно-элементных моделей крупнопанельных зданий, определению жесткостей стыков.

Ключевые слова: трубобетонные элементы в железобетоне, монолитные стилобаты под крупнопанельные здания, трехслойная наружная стеновая панель с наружным и внутренним несущими слоями, горизонтальный стык наружных стеновых панелей с монолитным железобетонным поясом, петлевые вертикальные стыки наружных и внутренних стеновых панелей, пенополистирол, сейсмостойкость, надежность, несущая способность, комбинированная стеновая панель, конечно-элементная модель крупнопанельного здания, жесткость стыка.

V.V. DANEL, Candidate of Sciences (engineering), Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Hwy, 129337, Moscow, Russian Federation)

Improvement of Designs and Design Schemes of Large-Panel Buildings

A review of proposals concerning improvement of designs of monolithic stylobates under large-panel buildings, designs of socle three-layer external wall panels, panels of the ground non-residential floor, serial external wall panels, the use of foam polystyrene as a heat insulating layer, improvement of designs of vertical loop joints of external and internal wall panels, designs of horizontal joints with a monolithic reinforced concrete chord, the way to increase the bearing capacity of external wall panels by changing the boundary conditions is done. The attention is paid to the choice of finite-element models of large-panel buildings, the determination of joints rigidity.

Keywords: tube-reinforced concrete elements in reinforced concrete, monolithic stylobates under large-panel buildings, three-layer external wall panel with external and internal bearing layers, horizontal joint of external wall panels with monolithic reinforced concrete chord, vertical loop joints of external and internal wall panels, foam polystyrene, seismic resistance, reliability, bearing capacity, combined wall panel, finite-element model of large-panel building, joint rigidity.

Монолитные стилобаты под крупнопанельные здания. Для слабых водонасыщенных грунтов основания под 9-17-этажные крупнопанельные здания иногда недостаточно свайного фундамента со сплошным плитным ростверком. Приходится делать под них 2-3-этажные монолитные стилобаты. Такой способ использовался, например, при проектировании крупнопанельных зданий в Санкт-Петербурге. При этом возникает необходимость уменьшения сечения вертикальных несущих конструкций для увеличения полезных площадей, которая вступает в противоречие с требованиями к размерам поперечных сечений с целью ненаступления I и II предельных состояний. В том числе при воздействии пожара в течение заданного периода времени. В этот период ненапрягаемая арматура должна находиться на расстоянии от граней, гарантирующем нагрев не более 450оС, а напрягаемая - не более 100оС. Это накладывает определенные ограничения на размеры толщины защитного слоя бетона и соответственно всего сечения.

Высокопрочные бетоны склонны к взрывному характеру разрушения при пожаре и без него. То же можно сказать про трубобетонные элементы из-за накапливаемого в трубе пара при дегидратации бетона.

5'2014 ^^^^^^^^^^^^^

Решением этих проблем может быть использование железобетонных элементов с помещенными в них трубо-бетонными элементами (ЖЭТЭ или трубожелезобетон-ные элементы, ТЖБЭ) [1], что позволит использовать разные виды бетонов в одном элементе, например высокопрочный бетон, фибробетон в трубах. Вследствие хорошей защищенности от огня можно использовать неметаллическую оболочку труб. ТЖБЭ хорошо работают и при больших эксцентриситетах. Повышением прочности бетона ядра по сравнению с прочностью бетона за пределами оболочек можно существенно повысить несущую способность сечений. При одинаковом расходе металла по сравнению с использованием жесткой арматуры несущую способность сечения можно увеличить на 19% и более. ТЖБ элементы состоят из бетона с гибкой арматурой и трубо-бетонных элементов (рис. 1). Островки бетона с повышенной прочностью можно создавать и с помощью решетчатых труб, труб с навитой по спирали напрягаемой арматурой в теле железобетонной конструкции (предварительно напряженная оболочка).

Цокольные панели и панели первых этажей. В качестве цокольных целесообразно использовать трехслойные наружные стеновые панели с наружным и внутренним не- |55

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Ж

сущими слоями (Патент РФ № 100785 на полезную модель. Трехслойная стеновая панель // В.В. Данель, А.Р. Соколов, И.С. Муратова. Приоритет от 16.06.2010 г. Зарегистрировано 27.12.2010 г.; Патент РФ № 100790 на полезную модель. Трехслойная стеновая панель // В.В. Данель, А.Р. Соколов, И.С. Муратова. Приоритет от 30.06.2010 г. Зарегистрировано 27.12.2010 г.; Патент РФ № 104579 на полезную модель. Стыковое соединение трехслойных стеновых панелей // В.В. Данель. Приоритет от 03.12.2010 г. Зарегистрировано 20.05.2011 г.).

Это позволит более равномерно распределить нагрузку по поверхности фундамента и соответственно уменьшить концентрацию напряжений, уменьшить расход материалов, обеспечить необходимый климат в цокольном этаже.

Использование первых этажей в качестве нежилых требует увеличенных размеров оконных и дверных проемов. Поэтому трехслойные наружные стеновые панели с наружным и внутренним несущими слоями на первых этажах тоже могут быть использованы. Но при наличии на них наружного утепляющего слоя в виде навесного фасада или витрин: для исключения нежелательных температурных деформаций при суточных и сезонных колебаниях температур. С внутреннего несущего слоя рядовой панели на наружный слой панели с двумя несущими слоями может передаваться до 40% нагрузки. Если в рядовых панелях можно использовать гибкие связи, то для панелей с наружным и внутренним несущими слоями подходят только жесткие.

На рис. 3, а показан вариант исполнения горизонтального стыка между панелями цокольного и 1-го этажа с наружным и внутренним несущими слоями; на рис. 3, б - фрагмент стыка панелей 1-го и 2-го этажей.

При грамотном исполнении конструкций цокольного и 1-го этажей дополнительным плюсом к повышению спроса на жилую и нежилые площади,

Рис. 1. Вариант поперечного сечения колонны 900x900 мм с четырьмя трубобе-тонными элементами круглого поперечного сечения: 1 — бетон; 2 — гибкая арматура; 3 — трубобетонные элементы

Рис. 2. Сечение наружной стены по цокольной панели и панелям 1-го и 2-го этажей с навесным фасадом по верхней части цокольной панели и панели 1-го этажа: 1 — навесной фасад

Рис. 3. Вариант исполнения горизонтального стыка между панелями цокольного и 1-го этажей с наружным и внутренним несущими слоями (а). Навесной фасад условно не показан: 1 — растворные швы; 2 — наружный несущий слой; 3 — ребра; 4 — утеплитель; 5 — связь; 6— внутренний несущий слой; 7 — непрерывная продольная арматура в бетоне железобетонного пояса; 8 — петлевые выпуски. Фрагмент стыка между несущим слоем панели 1-го этажа с наружным ограждающим слоем рядовой наружной панели 2-го этажа с внутренним несущим слоем при наличии навесного фасада (б): 9 — фартук; 10 — герметизирующая мастика; 11 — навесной фасад (показан условно)

56

52014

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 4. Поперечное сечение предлагаемого горизонтального стыка между продольными наружными несущими трехслойными стеновыми панелями: 1 — железобетонный монолитный пояс; 2 — теплоизоляционный вкладыш

к уменьшению температурных деформаций и теплопо-терь, повышению несущей способности, срока эксплуатации может быть большая выразительность крупнопанельного здания.

Горизонтальные стыки между наружными панелями. При использовании стыка с монолитным железобетонным поясом между наружными панелями (Патент РФ на изобретение № 2478156. Стыковое соединение трехслойных стеновых панелей // В.В. Данель. Приоритет от 28.09.2011 г. Зарегистрировано 27.03.2013 г. Бюл. № 9) [2] имеет место (рис. 4) центральная передача усилий между внутренними слоями, в том числе и при изменении толщины внутреннего слоя по высоте, что приводит к существенному повышению несущей способности наружных панелей; при одностороннем огневом воздействии исключается возникновение конструкционного эксцентриситета, что повышает предел огнестойкости по потере несущей способности; улучшается теплоизоляция в зоне стыка (так как теплоизоляционный вкладыш смещен к наружной стороне); увеличивается жесткость перекрытий в их плоскости; увеличивается жесткость наружных стен в вертикальной плоскости; повышаются возможности здания по восприятию растягивающих напряжений, в том числе при землетрясениях; повышается несущая способность здания при сейсмических воздействиях и неравномерных осадках основания; отпадает необходимость в перемещении перекрытия в сторону наружной панели, а следовательно, в изменении размеров заводской опалубки, в новой привязке отверстий и каналов в плите; в монолитном железобетонном поясе можно использовать как обычную, так и напрягаемую арматуру.

Повышать несущую способность панелей без материальных и финансовых затрат можно устройством подрезов (рис. 5) - появляется контрэксцентриситет [3]. Глубину подрезов необходимо определять расчетом. Их необходимо затирать низкомарочным раствором и можно использовать для прокладки проводов.

Вертикальные петлевые стыки между наружными и внутренними панелями. Петлевые стыки из одного троса с одним арматурным стержнем в центре петли ненадежны и не могут быть рекомендованы к использованию.

На рис. 6 представлен вариант гибкой в вертикальном направлении петли с формообразователями, которая мо-

Рис. 5. Стыки с уступами и вутами у горизонтальных торцов внутреннего несущего слоя: 1 — уступ; 2 — вут

Рис. 6. Варианты гибкой в вертикальном направлении петли с формообразователями

4 7

Рис. 7. Вариант сечения вертикального стыка трех стеновых панелей с использованием стержневых П-образных петель первой смонтированной панели и гибких П-образных петель двух других: 1 — торец панели; 2 — арматурные петли первоначально монтируемой панели; 3 — первоначально монтируемая панель; 4 — гибкие в вертикальном направлении петли из канатов, проволочной арматуры или ленты у панелей 5, монтируемых во вторую очередь; 5 — панели, монтируемые во вторую очередь; 6 — арматурные стержни у углов петлевых выпусков; 7 — бетон замо-ноличивания

52014

57

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

5 2 4 5

нированных наружных стеновых панелей (внутренние стеновые панели условно не показаны): 1 — внутренний несущий слой; 2 — наружный несущий слой; 3 — утеплитель; 4 — связи; 5 — конструкция навесного фасада на участках у вертикальных торцов панелей

Рис. 9. Расположение связей в конечно-элементной модели крупнопанельного здания с контактными стыками между стеновыми панелями: 1 — плоская оболочка, моделирующая внутренние поперечные стеновые панели; 2 — плоская оболочка, моделирующая внутренние продольные стеновые панели; 3 — плоская оболочка, моделирующая плиты перекрытия в комнатах; 4 — плоская оболочка, моделирующая плиты перекрытия в коридоре между продольными стеновыми панелями; 5 — 3D-стержень, моделирующий перемычку. Его длина равна ширине дверного проема минус толщина шва (2 см), а сечение равно поперечному сечению перемычки; 6 — жесткие 3D-вставки длиной, равной высоте перемычки; 7 — жесткие 3D-стержни длиной, равной толщине внутренней поперечной стеновой панели; 8 — 3D-связи, моделирующие неар-мированные контактные стыки между внутренними поперечными стеновыми панелями; 9 — 3D-связи, моделирующие неар-мированные контактные стыки между внутренними продольными стеновыми панелями; 10 — 3D-стержни, моделирующие монтажные связи между внутренними продольными и поперечными стеновыми панелями; 11 — 3D-стержни, моделирующие монтажные связи между внутренними продольными стеновыми панелями; 12 — 3D-связи между внутренними продольными стеновыми панелями, учитывающие жесткости шпонок; 13 — 3D-связи между внутренними продольными и поперечными стеновыми панелями, учитывающие жесткости шпонок; 14 — 3D-связи, моделирующие опирание плит перекрытий на внутренние стеновые панели; 15 — 3D-стержни, моделирующие стыки между плитами перекрытия коридора (плит перекрытия между внутренними продольными стеновыми панелями)

жет быть выполнена из канатов или проволочной арматуры. По такому же принципу петля может быть изготовлена из ленты [4]. Использование таких петель в стыках между внутренними стеновыми панелями, внутренних с наружными позволяет размещать вертикальную непрерывную арматуру у углов петли с вытекающей из этого повышенной прочностью и надежностью стыка при сохранении возможности монтажа в любом порядке в направлении сверху вниз.

58| -

Пересекающиеся горизонтальные и вертикальные монолитные железобетонные стыки с непрерывной арматурой образуют в наружных стенах скрытый каркас, обеспечивающий зданию необходимую сейсмостойкость (рис. 7).

Должны быть запрещены повсеместно к применению конструкции вертикальных стыков между панелями без образования шпонок: для предотвращения в будущем известных обрушений вышележащих этажей по принципу домино.

Комбинированные наружные стеновые панели.

«Вечную» проблему вертикальных стыков - протекание и промерзание поможет решить использование комбинированных наружных стеновых панелей (Патент РФ № 138829 на полезную модель. Комбинированная наружная стеновая панель // В.В. Данель. Приоритет от 15.11.2013 г. Зарегистрировано 03.03.2014 г.), т. е. панелей, имеющих на разных участках разную конструкцию (рис. 8).

Об использовании пенополистирола в качестве слоя утеплителя. Только при толщине внутреннего несущего железобетонного слоя 130 мм обеспечивается необходимая защита пенополистирола от разрушения при пожаре в течение 90 мин [5]. Слабым местом являются тонкие слои бетона по периметру оконных и дверных проемов. По их периметру необходимо размещать огнестойкую теплоизоляцию. При необходимости исключения влияния обрамления проемов на температурные деформации наружного слоя между внутренним слоем и бетоном обрамления необходимо помещать прокладки из огнестойкого теплоизоляционного материала.

Конечно-элементные модели крупнопанельных зданий. На рис. 9 показана схема расположения связей во фрагменте конечно-элементной модели крупнопанельного здания с контактными стыками между стеновыми панелями и навесными стеновыми панелями [6]. КЭ-сетка условно не показана. Для удобства восприятия условно отсутствуют наружные навесные стеновые панели и ряд других впере-дистоящих элементов. Эта конечно-элементная модель использована ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко для расчета комплекса крупнопанельных зданий высотой от 9 до 17 этажей, построенных в Санкт-Петербурге.

Расчетная схема (рис. 9) позволила:

- определить величину сдвигающих, сжимающих и растягивающих усилий в вертикальных стыках внутренних и наружных стеновых панелей;

- определить величину усилий по периметру плит перекрытий;

- определить величину усилий в горизонтальных стыках наружных и внутренних стеновых панелей;

- определить величину усилий в горизонтальных стыках наружных и внутренних стеновых панелей с панелями цокольного этажа;

- определить величину усилий в контактных стыках наружных и внутренних стеновых панелей на уровне пола цокольного этажа;

- провести проверку прочности указанных стыков;

- провести проверку несущей способности, устойчивости простенков наружных стеновых панелей, внутренних стеновых панелей;

- определить величину раскрытия трещин в стыках;

- установить разрушение защитного слоя бетона монтажных элементов и вызванное этим изменение жесткости связей;

^^^^^^^^^^^^^ 52014

Научно-технический и производственный журнал

- установить образование трещин, начало скольжения, растягивающие напряжения в горизонтальных стыках;

- установить устойчивость здания против прогрессирующего обрушения.

Использование подобных расчетных схем с моделированием стыков, связей с помощью стержней с заданными жесткостными характеристиками по всем направлениям возможно при использовании различных расчетных комплексов. Это важно для сравнения с целью получения достоверных результатов.

Жесткости стыков. Теория определения жесткостей стыков железобетонных элементов сильно отстает в своем развитии от практических потребностей. Жесткости определяются очень приблизительно по формулам, часто противоречащим друг другу. В разных формулах для определения одной жесткости могут присутствовать разные величины, а если одни, то в разных степенях [7-9]. Необходимы вложения в экспериментальную базу, изготовление и испытание образцов, чтобы исправить существующее положение. Последствия от обрушения зданий могут быть намного значительнее крушения самого крупного самолета. Любой, даже очень дорогой вычислительный комплекс не даст достоверного результата, если в него не будут заложены верные значения жесткостей.

Список литературы

1. Данель В.В. Железобетон с трубобетонными элементами // Жилищное строительство. 2014. № 4. С. 34-39.

2. Данель В.В. Горизонтальный стык наружных стеновых панелей с монолитным железобетонным поясом // Жилищное строительство. 2013. № 7. С. 12-13.

3. Данель В.В. Способ повышения несущей способности наружных трехслойных стеновых панелей // Жилищное строительство. 2013. № 12. С. 5-8.

4. Данель В.В. Совершенствование петлевых стыков стеновых панелей // Жилищное строительство. 2014. № 1-2. С. 11-15.

5. Данель В.В. Пенополистирол в наружных стеновых панелях // Жилищное строительство. 2012. № 7. С. 16-18.

6. Данель В.В. Определение параметров 3D-стержней, моделирующих стыки в КЭ-моделях // Жилищное строительство. 2012. № 5. С. 22-27.

7. Данель В.В. Анализ формул для определения жесткости при растяжении монолитного бетонного стыка двух железобетонных панелей, пересекаемого непрерывными арматурными стержнями // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. № 3. С. 4-13.

8. Данель В.В. Анализ формул для определения сдвиговой жесткости бесшпоночного вертикального монолитного бетонного стыка двух железобетонных панелей, пересекаемого непрерывными арматурными стержнями // Строительная механика и расчет сооружений. 2013. № 5. С. 2-10.

9. Данель В.В. Определение жесткостей платформенных стыков // Жилищное строительство. 2012. № 2. С. 32-35.

References

1. Danel V.V. Zhelezobeton with trubobetonny elements. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 4, pp. 34-39. (In Russian).

Danel V.V. Horizontal joint of external wall panels with a monolithic ferroconcrete belt. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 7, pp. 12-13. (In Russian). Danel V.V. Sposob of increase of bearing ability of external three-layer wall panels. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 12, pp. 5-8. (In Russian). Danel V.V. Improvement of loopback joints of wall panels// Housing construction. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 1-2, pp. 11-15. (In Russian). Danel V.V. Penopolistirol in external wall panels. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 7, pp. 16-18. (In Russian).

Danel V.V. Determination of the 3D parameters - the cores modeling joints in KE-models. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 5, pp. 22-27. (In Russian). Danel V.V. The analysis of formulas for determination of rigidity at stretching of a monolithic concrete joint of two ferroconcrete panels crossed by continuous reinforcing cores. Construction mechanics and calculation of constructions. 2010 . No. 3, pp. 4-13. (In Russian). Danel V.V. The analysis of formulas for the determination of shift rigidity of a bezshponochny vertical monolithic concrete joint of two ferroconcrete panels crossed by continuous reinforcing cores. Construction mechanics and calculation of constructions. 2013 . No. 5, pp. 2-10. (In Russian). Danel V.V. Definition of zhyostkost of platform joints. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 2, pp. 32-35. (In Russian).

5-7 АВГУСТА ЧЕЛЯБИНСК

СТРОИТЕЛЬСТВО

2014 ВЫСТАВКА-ФОРУМ

Выстадка-фарум -Стрэнтсльдттш-ЯШ" продемонстрирует достижения bccjt УЧаСТнИМ» СлрОИТвЛьЖХО ПООцССС J ■ ОТ |Й1ЧЬИ разработок ДО ЧИ ОчС ДВСКНЯ. от провнтчж роиганиК. произиодс^ва строительны» материалов до готовых riMtraiL

Разделы выставки:

- Современные технологи« е строительстве

- Стр(1ИТН!ЛЫ|пИ? конструкции, изделия

- Промышленное строительстве

- ГрлмдЛнСкф» cipamwibt™?

■ Объекты нодлнжнкфет

- Малоэтажное строительство

- Строительное ыагерналы и о^орудогаиио дли ии производства

- Строитель" ь:е иоилленсы. мишк.ны и ыеханнэыы

■ Научп в строитспьствс

■ Инженерные сети; вода*. тепло-, газо-, ^лактроснаймение

- Вфнтилнцн*, кродицнОннропЛнип

- Оборудование здании и сооружении

- Дорокнов строительство

- Строительно-дорожная техника

■ Cnnpi'LH.....hie pmr jyir 1 г^лрлгпьт! Ц1И1

технолога* н материалы в строительстве

- Экология в строительстве

■ Автоматизации в СтрОнтотстео и эксплуатации *тл*и

- Инвестиционные

к инновационные просты

■ Эодчсстоо * арттсмурл

ВПШКМСВЫСПЭД* КРУГЛЫЕ СТОЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ ОТРАСЛИ ТСРЖЛВ&+НЫ1Л ПРИЕМ 8 ЧЕСТЬ ДНЯ СТРОИТЕЛЯ

ДС "Юность' Свердловский пр.. 51 Тел.: (351) 755-56-10, 21 $-80-77 www.pvu74.ru

5'2014

59