CC BY
30
Следует заметить, что выключение части обшивки из работы плиты на общий изгиб сказывается заметно сильнее на НДС (до 11 %) в плитах с деревянной обшивкой, по сравнению с плитами, имеющими фанерную обшивку. Это позволяет сделать вывод, что чем тоньше обшивка, тем может быть больше длина ее участка, выключаемого из совместной работы с основными несущими ребрами.
Критерием предельной длины выключаемого участка является достижение значения максимального нормального напряжения в растянутой зоне основного несущего ребра в расчетном сечении величины расчетного сопротивления древесины при изгибе. Расчеты показали, что без ущерба несущей способности ребристой плиты допускается не приклеивать участки фанеры от торцов до 2/7 длины плиты.
Библиографический список
1. Стенограмма I съезда строителей Сибири // http://www.sibacc.ru/activity/architecture/passed/.
2. Рожков, А.Ф. Способы повышения эффективности крупноразмерных плит с деревянной обшивкой / А.Ф. Рожков, С.В. Деордиев, В.И. Жаданов // Вестник ОГУ. - Т. 2. - 2005. -№ 10. - С. 136-139.
I.S. INZHUTOV, A.F. ROZHKOV, V.M. NIKITIN
TO THE PROBLEM OF LOW-RISE HOUSE BUILDING IN SIBERIA
Timber houses with large-span frame-panel structure are more economically appropriate for mass building. The influence of the local action of veneer sheathing from the general bend on the stress-strained condition of floor slabs has been investigated. On practice it is fulfilled by veneer fastening to the slab parts of the frame by screws instead of sticking.
УДК 624.078.412.001.24:691.022-413
Б.С. СОКОЛОВ, докт. техн. наук, профессор, чл.-корр. РААСН,
Г.П. НИКИТИН,
КГАСУ, Казань
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОМБИНИРОВАННЫХ СТЫКОВ ПАНЕЛЕЙ ЗДАНИЙ
В статье приведены результаты численных и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния комбинированных стыков крупнопанельных зданий. В исследованиях варьировались параметры, имеющие существенное влияние на работу стыков железобетонных конструкций. Получены возможные схемы разрушения платформенных стыков. Предложена расчетная схема для оценки прочности стыков, даны ее физические и статические характеристики. Разработана методика расчета прочно-
© Б.С. Соколов, Г.П. Никитин, 2007
сти комбинированных стыков, базирующаяся на теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и отражающая механизм их разрушения.
Актуальность рассмотрения вопроса вызвана высокой ответственностью стыков, обеспечивающих конструкционную безопасность как при строительстве новых, так и реконструкции существующих крупнопанельных зданий при увеличении этажности. Такие стыки отличаются большим разнообразием конструктивных решений (рис. 1). Их проектируют с одно-
и двухсторонним расположением плит перекрытий. При этом используются плиты сплошного поперечного сечения и пустотные - круглого, овального и других очертаний. Опорные участки панелей имеют разные по форме выступы. Однако общим в них является наличие платформенной и контактной частей, и поэтому, кроме комбинированных, их называют контактноплатформенными.
а) б) В) г)
Рис. 1. Конструкции комбинированных стыков (размеры приняты условно): а, в - стык внутренних стен; б, г - стык наружных стен
При проектировании стыков пользуются инструкцией [1] и пособием [2], которые разработаны, в основном, по результатам экспериментальнотеоретических исследований, выполненных в ЦНИИЭПжилища и ЦНИИСКе им. Кучеренко в период бурного развития крупнопанельного домостроения. В соответствии с их рекомендациями расчет состоит из двух этапов.
Первый этап - статический расчет. Он заключается в определении усилий от внешних нагрузок, действующих на контактную и платформенную зоны стыка. Распределение усилий между ними производится с помощью коэффициента, значение которого определяется по формулам, учитывающим податливость стыков и их геометрические размеры.
Второй этап - проверка несущей способности контактной и платформенной зон стыка от действующих в них усилий, которая зависит от прочности бетона, площади передачи нагрузки и целого ряда понижающих коэффициентов, учитывающих особенности и условия работы опорных сечений стеновых панелей.
Пробные испытания комбинированных стыков стеновых панелей, выполненные в лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций КГАСУ при внедрении серии 1.090, показали, что их несущая способность
выше вычисленной по методике [2] почти в 2 раза. Учитывая это, а также отсутствие физического обоснования расчетных формул, целью настоящей работы ставилась разработка единой методики расчета стыков железобетонных конструкций по прочности, отражающей действительную их работу, на основе теории анизотропных материалов сжатию [3].
Для реализации поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:
- проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния стыков с варьированием большого числа факторов и выделением из них наиболее значимых;
- проанализировано изменение напряженно-деформированного состояния стыков под нагрузкой с выделением стадии виртуального разрушения;
- предложена расчетная схема для оценки прочности стыков, даны физические и статические ее характеристики;
- получены данные, необходимые для определения геометрических характеристик построения расчетной схемы;
- сравнены теоретические и опытные данные для доказательства возможности использования расчетного аппарата при реальном проектировании.
Следуя осуществляемой на кафедре ЖБК методологии научного поиска по совершенствованию методики расчетов и конструирования железобетонных и каменных конструкций [4], на первом этапе проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния стыков. Рассмотрены фрагменты стыков с одно- и двухсторонним расположением плит перекрытий, разработаны и реализованы программы численных исследований, в которых варьировались более 10 факторов (табл. 1), влияние которых на работу стыков отмечено в выполненных ранее опытах разных авторов [5, 6 и др.].
После сравнения результатов предварительных расчетов по нескольким вычислительным комплексам был выбран ВК «ЛИРА 9.2», как наиболее полно отвечающий предъявленным требованиям.
Таблица 1
Количественные характеристики изменяемого фактора базового образца
№ серии Факторы Пределы изменения
Серия 1 Ширина площадки опирания плит перекрытия - Ьп От 30 до 70 мм
Серия 2 Эксцентриситет приложения нагрузки от верхней стеновой панели - е От 0 до 20 мм с шагом 10 мм
Серия 3 Соотношение жесткостей растворного шва и бетона стеновой панели - Ер/Еб От 0,23 до 1 (что соответствует Ер = (0,7-3-106 т/м2 и Еб = 3-106 т/м2)
Серия 4 Толщина растворных швов -ф1, /р2 10-40 мм с шагом 5 мм
Серия 5 Поворот плиты перекрытия -Ф От 0 до 2°
На рис. 2 приведена информационная схема численных исследований стыков с односторонним расположением плит.
Рис. 2. Информационная схема численного эксперимента
К основным результатам выполненных расчетов следует отнести:
- получение изополей главных напряжений на всех стадиях работы стыков вплоть до виртуального разрушения;
- изменение напряженно-деформированного состояния в процессе постепенного отказа отдельных конечных элементов от работы, чем моделировалось образование и развитие трещин;
- определение зон разрушения, их геометрических размеров.
На рис. 3 показана часть из перечисленных выше результатов. Их анализ позволил установить несколько возможных схем разрушения.
Рис. 3. Результаты расчетов
В контактной части схема разрушения во многом зависит от конструктивного решения опорных зон панелей. При наличии у нижней панели гребня наиболее вероятным является разрушение бетона в самом гребне, поскольку на опорную зону верхней панели передается местная полосовая нагрузка и воспринимается большей площадью сечения, чем площадь гребня. При равных опорных площадках панелей вероятность разрушения нижней панели выше, чем верхней, поскольку она воспринимает дополнительную нагрузку от перекрытия. В обоих случаях, как показал характер распределения главных напряжений и их компонентов, в зонах передачи усилий образуются области двухосного сжатия, а между ними - сжатия-растяжения, в которых эпюра главных растягивающих напряжений близка к прямоугольной. Эпюры касательных напряжений показывают образование плоскости скольжения под грузовыми площадками на границе областей сжатия и сжатия-растяжения и возможном сдвиге зоны сжатия в среднюю часть сечения панелей.
В платформенной части характер распределения напряжений аналогичен полученному ранее при исследовании платформенных стыков [6] и свидетельствует о том, что наиболее вероятным случаем является разрушение опорных зон панелей от сдвига в зоне опирания панелей, опасность которого увеличивается с уменьшением глубины опирания плит.
Из описанного выше можно сделать вывод о том, что характер разрушения каждой зоны стыка - контактной и платформенной - соответствует модели разрушения бетона, на основании которой разработана теория сопротивления анизотропных материалов при сжатии [3]. Поэтому они могут быть использованы для разработки методики расчета комбинированных стыков.
На рис. 4 представлена расчетная схема стыка по прочности при одностороннем расположении плит, из которой видно, что сопротивление разрушению обеспечивается за счет работы материала в трех зонах - отрыва, сдвига и раздавливания, с достижением напряжений в них предельных значений -
В-ы, , Вь .
N
Условие прочности записывается в виде:
N < N + Мпл, (1)
где N, N к, - соответственно усилия, действующие в стыке, воспринимае-
мые контактной и платформенной частями.
При этом аналогичное выражение несущей способности каждой зоны записывается одинаково и соответствует предложенному в [3] для оценки прочности бетонной полосы в вертикальном силовом потоке:
^(пл) = (Nbt cos а + Nsh )/sin а + Nef . (2)
Однако геометрические характеристики расчетной схемы отличаются от [3], отражая особенности комбинированных стыков. Площади отрыва, сдвига и раздавливания при разрушении контактной части записываются в виде:
Au = BLK (3 - sin а cos а),
Ash = 0,5BLt, cos а ,
Aef = BLK sin2 а .
Значения площадей при оценке прочности платформенной части стыка вычисляются по формулам:
= BLn (3 - sin а cos а),
Ash = 0,5BLn cos а ,
Aef = BLn sin2 а .
С учетом полученных выражений несущая способность обеих частей стыка определяется так:
NK = [RЬtBLK (3 - sin а cos а) + 0,5RshBLK cos а]/sin а + RЬBLK sin2 а . (3)
Nn = [ RbtBLri (3 - sin а cos а) + 0,5RshBLn cos а]/sin а + RЬBLn sin2 а . (4)
Результаты физических экспериментов [5] подтвердили принятые расчетные схемы для прочностного расчета.
Анализ результатов численных и физических экспериментов позволил получить выражение для коэффициента, учитывающего перераспределение усилий между контактной и платформенной частями стыка:
v = I 1 + 0,72-
Г............LnY EvЛ
0,83 - 0,38-L„
1 + 0,03—p
. ЕЬ J
(5)
0,5Н
Тогда:
N = vN; (6)
N Пл = (1 -V) N. (7)
За расчетную несущую способность стыка следует принимать наименьшую из вычисленных по формулам (6), (7).
По предлагаемым формулам были рассчитаны образцы, испытанные ранее [5]. Результаты сравнения опытных и теоретических результатов, вычисленных по [2, 7, 8], представлены в табл. 2. Кроме того, в ней приведены сравнения опытных и разрушающих усилий. Не трудно увидеть, что методики [2, 7, 8] значительно расходятся с опытами, тогда как несогласованность расчетов по (6), (7) с экспериментами не превышает в среднем 14 %.
е
00
00
Таблица 2
Сравнение опытных и теоретических разрушающих усилий (в кН)
№ пп. Марка образца Опытное значение разрушающей СИЛЫ А/о„ По [4], N1, кН По [5], N2, кН По [3], ЛГ3, кН По формулам (6), (7), Л/4, кН Относительные расхождения по отношению к опытному значению
кж К„/ы2 КМ КЖ
1. СА-00-1П 775 481 519 537 630 1,611 1,493 1,443 1,230
2. СБ-00-1П 1120 911 1105 1140 1338 1,339 1,104 1,070 0,912
3. СБ-00-2П 1100 887 1070 1080 1299 1,240 1,030 1,020 0,850
4. СА-00-1 700 444 504 496 600 1,577 1,389 1,411 1,167
5. СА-00-3 720 474 535 499 603 1,519 1,346 1,443 1,194
6. СА-00-2 672 367 519 471 580 1,831 1,295 1,427 1,160
7. СА-00-4* 400 403 513 476 578 0,993 0,779 0,840 0,692
8. СА-00-5 590 449 480 511 561 1,314 1,229 1,155 1,052
9. СБ-00-1 1350 848 1081 1051 1256 1,592 1,249 1,284 1,075
10. СБ-00-2 1306 810 1060 991 1210 1,612 1,232 1,319 1,079
11. СБ-50-1 1110 562 712 1059 1111 1,968 1,559 1,048 0,999
12. СБ-50-2 900 591 711 1100 1116 1,523 1,266 0,818 0,807
13. СБ-08-1 900 731 849 1125 841 1,219 1,060 0,800 1,070
Б. С. Соколов, Г.П. Никитин
Выводы
1. Разработана новая методика расчета комбинированных стыков по прочности, базирующаяся на теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и отражающая механизм их разрушения. Ее можно рассматривать как обобщение предложенных ранее подходов к расчету контактных и платформенных стыков.
2. Выполнены численные исследования комбинированных стыков, позволившие выявить особенности их напряженно-деформированного состояния, характер распределения напряжений и влияние на них геометрических размеров, схемы нагружения, эксцентриситета приложения нагрузок и других факторов, которые учтены при разработке методики расчета.
3. Выполнено сопоставление опытных и теоретических результатов. Расхождения по предлагаемой методике не превышают 14 %, что позволяет рекомендовать ее для использования в проектной практике.
Библиографический список
1. ВСН 32-77. Инструкция по расчету стыков панелей жилых и общественных зданий.
2. Пособие по проектированию жилых зданий. Вып. 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85). - М. : СтройИздат, 1989. - 304 с.
3. Соколов, Б.С. Теоретические основы сопротивления бетона и железобетона при сжатии / Б.С. Соколов // Известия вузов. Строительство. - 1993. - № 9. - С.39-43.
4. Соколов, Б.С. Состояние и перспективы развития теории сопротивления анизотропных материалов сжатию / Б.С. Соколов // Известия КГАСУ, № 1. - 2005. - С. 20-24.
5. Отчет о НИР «Разработать техническую документацию и осуществить строительство массовых типов общественных зданий с крупнопанельными конструкциями серии 1.090.1-1. Науч. рук. Соколов Б.С. № гос.рег. 01890065698. - Казань. - 1989. - 104 с.
6. Соколов, Б.С. Совершенствование методики расчета платформенных стыков панельных стен / Б.С. Соколов, Г.П. Никитин // Проект и реализация - гаранты безопасности жизнедеятельности: труды общего собрания РААСН, том 1. - Москва, Санкт-Петербург, 2006. - С.226-231.
7. Лишак, В.И. Прочность комбинированных горизонтальных стыков наружных стен / В.И. Лишак // Легкобетонное домостроение. - М. : ЦНИИЭП жилища, 1987. - С.34-40.
8. Прочность и жесткость стыковых соединений панельных конструкций / Е. Грачек, В.И. Лишак [и др.]. - М. : Стройиздат, 1980. - 191 с.
B.S. SOKOLOV
IMPROVEMENTS OF CALCULATION TECHIQUE OF COMPOSITE JOINTS OF UILDING PANELS
The resuts of numerical and experimental research of stress-strained condition of composite joints in large-panel buildings are given in the paper. The parameters influencing on the work of joints in reinforced concrete constructions were being varied during the experiments. Possible schemes of failure of platform joints were obtained. The technique of calculation of composite joints strength based on the theory of strength of compression of anisotropic materials and reflecting the mechaism of their failure was carried out.
