CC BY
84
УДК 624.04
А.А. Коянкин, Н.В. Колчева
СФУ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ РИГЕЛЯ С КОЛОННОЙ В СБОРНО-МОНОЛИТНОМ ПЕРЕКРЫТИИ
Сборно-монолитное домостроение занимает значительную долю в массовом строительстве, но, несмотря на это, существует множество пробелов в понимании работы такой конструкции. Проведены численные и экспериментальные исследования по изучению работы узла сопряжения ригеля с колонной в сборно-монолитном перекрытии.
Ключевые слова: сборно-монолитное перекрытие, ригель, колонна, несущая способность, жесткость, трещиностойкость, стыковое соединение
На данный момент в России, в т.ч. и в г. Красноярске, широко распространено строительство сборно-монолитных каркасных зданий. Данная технология завоевывает лидирующие позиции на рынке недвижимости и является наиболее перспективной за счет возможности максимально эффективного одновременного использования плюсов сборного и монолитного домостроения с минимизацией их минусов. Вместе с тем имеющийся на данный момент объем научных исследований напряженно-деформированного состояния сборно-монолитных конструкций является недостаточным, что не позволяет объективно оценивать несущую способность, жесткость и трещиностойкость таких зданий [1-18].
В 2015 г. в Сибирском федеральном университете были проведены экспериментальные исследования полномасштабных моделей узлового соединения ригеля с колонной [4, 19]. Подробное описание проведенных экспериментальных исследований приведено в [19]. В рамках данной статьи приведены только наиболее принципиальные моменты.
Опытные образцы (рис. 1) включали в себя:
фрагмент железобетонной колонны размерами 400x400x200 (И) мм; сборно-монолитные ригели, включающие располагаемую снизу сборную часть (сечение 400x200 (И) мм) и располагаемую сверху монолитную часть (220 мм);
сборные пустотные плиты перекрытия (устраивались только на двух образцах) сечением 1200x220 (И) мм, сопрягаемые с монолитной частью ригеля посредством устройства в пустотах плиты одновременно с монолитной частью ригеля, железобетонных шпонок, армированных 1010А400.
Опытные образцы устанавливались на силовой пол и загружались сверху двумя 100-тонными домкратами ДУ100П150, которые были расположены на краях консолей образцов (рис. 1).
ВЕСТНИК
МГСУ-
12/2015
Рис. 1. Испытания узлов сопряжения: а -
ментальная модель
б
- экспериментальная установка; б — экспери-
С целью более детального изучения работы узла сопряжения ригеля с колонной авторами были проведены численные исследования с использованием программного комплекса ЛИРА. Для моделирования работы узла применялись следующие виды физически нелинейных конечных элементов: стержневые, моделирующие работу арматурных стержней, и объемные, моделирующие работу бетона. Все численные модели имели реальные масштабные размеры, как и при экспериментальных исследованиях. Отверстия пустотных плит из круглых преобразованы в квадратные, исходя из равенства моментов инерции. Нагрузка прикладывалась с шагом 8 кН (до значения 72 кН) на расстоянии 1200 мм от центра.
По результатам полученных изополей напряжений (рис. 2) сделаны выводы о том, что в сборно-монолитном ригеле максимальные растягивающие напряжения, равные 1,05 МПа, сосредоточиваются в месте сопряжения ригеля с колонной, и именно здесь происходит образование трещин. Растянутая верхняя зона ригеля достигает предельных напряжений, в то время как нижняя сжатая зона сохраняет свою несущую способность (максимальные сжимающие напряжения составили 12,9 МПа).
а б
Рис. 2. Изополя напряжений: а — образцы с фрагментом пустотных плит; б — образцы без фрагмента пустотных плит
а
Усилия в продольной арматуре при наибольшем значении нагрузки достигают предельных значений в 400 МПа. Этот факт, а также то, что разрушения сжатой зоны не происходят, указывают на исчерпание несущей способности узла сопряжения сборно-монолитного ригеля с колонной за счет достижения предела текучести арматуры (пластический характер разрушения).
Рассматривая картину напряжений, которые возникают в пустотной плите перекрытия, следует отметить, что, как и было ранее установлено при экспериментальных исследованиях, за счет шпоночного соединения плиты перекрытия с ригелем происходит включение в работу ригеля на изгиб и пустотной плиты перекрытия. Причем плита перекрытия начинает испытывать растягивающие напряжения в поперечном, нерабочем для себя направлении, в котором отсутствует какое-либо армирование (даже конструктивное). В пустотной плите перекрытия начинают образовываться продольные трещины по пустотам.
Сравнивая результаты, полученные при численных и экспериментальных исследованиях, получаем, что напряжения, возникающие в конструкции при экспериментальных исследованиях несколько выше, чем при численных, но все же имеют удовлетворительную сходимость. Результаты, полученные при численных исследованиях, подтвердили результаты исследований, полученные экспериментальным путем, при этом расширив картину понимания работы узлового сопряжения.
Максимальные прогибы (рис. 3), полученные на краях ригелей, составляют 18,4 мм. Расхождение между экспериментальными и численными результатами не превысило 15 %, что подтверждает достоверность полученных результатов.
—Охспсрмыснтпльныс исследования -и- Чнсяевныс исследования Экспериментальные исследования —Ч] [слезшие исследования
а б
Рис. 3. График прогибов: а — образцы с фрагментом пустотных плит; б — образцы без фрагмента пустотных плит
Проведенные численные исследования стыкового соединения сборно-монолитного ригеля с колонной подтвердили достоверность ранее сделанных выводов, а также привели к более полноценному пониманию работы узлового сопряжения:
«слабым местом» в конструкции узла является ненадлежащим образом выполненная пустотная плита, в которой из-за шпоночного соединения со сборно-монолитным ригелем образуются растягивающие усилия в поперечном (нерабочем) направлении, что приводит к образованию трещин в пустотных плитах. В связи с этим необходимо прибегать к армированию пустотных плит в поперечном направлении;
ВЕСТНИК 12/2015
12/2015
разрушение стыкового соединения сборно-монолитного ригеля с колонной происходит в результате исчерпания несущей способности арматуры (пластический характер разрушения). Напряжения сжатой зоны бетона при этом не достигают предельных значений;
образование трещин в ригеле происходит на верхней (монолитной) его части;
прогибы и напряжения, полученные в стыковом соединении ригеля с колонной при экспериментальных исследованиях, немного выше, чем при численных расчетах, но все же наблюдается удовлетворительная сходимость результатов.
Результаты, которые были получены при численных и экспериментальных исследованиях, подтверждают уже имеющиеся данные, полученные в ранее проведенных экспериментах [20] на фрагменте сборно-монолитного перекрытия.
Библиографический список
1. Шембаков В.А. Сборно-монолитное каркасное домостроение. Руководство к принятию решения : 2-е изд., перераб. и доп. Чебоксары, 2005. 119 с.
2. Унифицированная система сборно-монолитного безригельного каркаса КУБ 2.5. Выпуск 1-1 / ЦНИИПИ «Монолит». М. : Стройиздат, 1990. 49 с.
3. Пат. 2107784 RU, МПК Е04В 1/35, E04G 23/00, E04G 21/00. Способ возведения, восстановления или реконструкции зданий, сооружений и способ изготовления строительных изделий и конструкций из композиционных материалов, преимущественно бетонов, для возведения, восстановления или реконструкции зданий, сооружений / В.Н. Селиванов, С.Н. Селиванов ; патентообладатель В.Н. Селиванов, С.Н. Селиванов. № 96124582/03 ; заявл. 30.12.1996 ; опубл. 27.03.1998.
4. Мордич А.И., Садохо В.Е., Подлипская И.И., Таратынова Н.А. Сборно-монолитные преднапряженные перекрытия с применением многопустотных плит // Бетон и железобетон. 1993. № 5. С. 3—6.
5. Пат. 2226593 RU, МПК Е04В 1/18. Железобетонный сборно-монолитный каркас многоэтажного здания / А.И. Мордич, С.Н. Кучихин, В.Н. Белевич, В.Н. Симбиркин ; патентообладатель Институт «БелНИИС». № 2002118292/03 ; заявл. 08.07.2002 ; опубл. 10.04.2004. Бюл. № 10.
6. Пат. 2281362 RU, МПК Е04В 1/20. Сборно-монолитный железобетонный каркас многоэтажного здания «Казань-ХХ1в» / И.И. Мустафин ; патентообладатель И.И. Мустафин. № 2004139244/03 ; заявл. 27.12.2004 ; опубл. 10.05.2005. Бюл. № 22.
7. Казина Г.А. Современные железобетонные конструкции сейсмостойких зданий : отечественный и зарубежный опыт. М. : ВНИИС, 1981. 25 с. (Строительство и архитектура. Сер. 8. Строительные конструкции)
8. Мордич А.И. Сборно-монолитные и монолитные каркасы многоэтажных зданий с плоскими распорными перекрытиями // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2001. № 8-9. С. 10—14.
9. 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.
10. Мордич А.И., Белевич В.Н., Симбиркин В.Н., Навой Д.И. Опыт практического применения и основные результаты натурных испытаний сборно-монолитного каркаса БелНИИС // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2004. № 8. С. 8—12.
11. Копривица Б. Применение каркасной системы ИМС для строительства жилых и общественных зданий // Жилищное строительство. 1984. № 1. С. 30—32.
12. Мордич А.И., Садохо В.Е., Подлипская И.И., Таратынова Н.А. Сборно-монолитные преднапряженные перекрытия с применением многопустотных плит // Бетон и железобетон. 1993. № 5. С. 3—6.
13. Weber H., Bredenbals B., Hullman H. Bauelemente mit Gitterträgern. Hannover : Institut fur Industrialisierung des Buens, 1996. 24 p.
14. Bausysteme mit Gitterträgern. Fachgruppe Betonbauteile mit Gitterträgern im BDB. Bonn, 1998. 40 p.
15. Janti F. Сборно-монолитный каркас «Delta» // Проспект компании «Deltatek OY». 1998. 6 с.
16. Dimitrijevic R. A prestressed «open» system from Jugoslavia. Système «ouvert» précontraint Yougoslave // Batiment informational, Building Research and Practice. 1978. Vol. 6. No. 4. Pp. 244, 245—249 // Научно-технический реферативный сборник ЦИНИС. 1979. Сер. 14. Bbm. 3. C. 8—12.
17. Pessiki S., Prior R., Sause R., Slaughter S. Review of existing precast concrete gravity load floor framing system // PCI Journal. 1995. Vol. 40. No. 2. Pp. 52—67.
18. Schwerm D., Jaurini G. Deskensysteme aus Betonfertigteilen. Informationsstelle Beton-Bauteile, Bonn, 1997. 37 p.
19. Коянкин А.А., Митасов В.М. Экспериментальные исследования работы стыкового соединения ригеля с колонной в сборно-монолитном перекрытии // Вестник МГСУ 2015. № 5. С. 27—35.
20. Митасов В.М., Коянкин А.А. Работа диска сборно-монолитного перекрытия // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 3. С. 103—110.
Поступила в редакцию в сентябре 2015 г.
Об авторах: Коянкин Александр Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций и управляемых систем, Сибирский федеральный университет (СФУ), 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, д. 79, [email protected];
Колчева Наталья Викторовна — магистр кафедры строительных конструкций и управляемых систем, Сибирский федеральный университет (СФУ), 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, д. 79, [email protected].
Для цитирования: Коянкин А.А., Колчева Н.В. Сравнительный анализ результатов экспериментальных и численных исследований работы стыкового соединения ригеля с колонной в сборно-монолитном перекрытии // Вестник МГСУ 2015. № 12. С. 59—65.
A.A. Koyankin, N.V. Kolcheva
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES OF THE PERFORMANCE OF CROSS-BEAM BUTT JOINT WITH A COLUMN IN SLAB CAST OVER PRECAST JOISTS
At the present moment in Russia the construction of precast and cast-in-place frame buildings are widely spread in Russia. This technology is the most advanced because of the possibility of maximally efficient simultaneous use of the advantages of precast and monolithic housing construction with minimizing their disadvantages. At the same time the volume of the scientific researches on stress-strain state of cast-in-place and precast constructions is not enough to objectively evaluate the bearing capacity, rigidity and crack-resistance of such buildings.
BECTHMK 19/9nl5
12/2015
Cast-in-place and precast construction covers a considerable part in large-scale construction, but despite this, there is a great variety of gaps in the understanding of such construction performance. Reasoning from this fact, numerical and experimental research has been carried out on studying of the performance of longitudinal beam joint to column with a column in slab cast over precast joists.
Key words: slab cast over precast joists, cross-beam, column, load-bearing capacity, stiffness, crack resistance, edge joint
References
1. Shembakov V.A. Sborno-monolitnoe karkasnoe domostroenie: rukovodstvo k prin-yatiyu resheniya [Cast-in place and Precast Frame House-Building. Guidance for Decision-Making]. 2nd edition, revised. Cheboksary, 2005, 119 p. (In Russian)
2. Unifitsirovannaya sistema sborno-monolitnogo bezrigel'nogo karkasa KUB 2.5. Vy-pusk 1-1 / TsNIIPI «Monolit» [Unified System of Precast-Cast-in-place Reinforced Concrete Composite Frame without Collar Beams KUB 2.5. Edition 1-1 / TSNIIPI "Monolit"]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1990, 49 p. (In Russian)
3. Selivanov V.N., Selivanov S.N. Patent 2107784 RU, MPK E04V 1/35, E04G 23/00, E04G 21/00. Sposob vozvedeniya, vosstanovleniya ili rekonstruktsii zdaniy, sooruzheniy i sposob izgotovleniya stroitel'nykh izdeliy i konstruktsiy iz kompozitsionnykh materialov, prei-mushchestvenno betonov, dlya vozvedeniya, vosstanovleniya ili rekonstruktsii zdaniy, sooruzheniy [Russian Patent 2107784 RU, MPK E04V 1/35, E04G 23/00, E04G 21/00. Ways of Construction, Reconstruction and Restoration of Buildings, Structures and Method of Construction Products of Composite Materials, Primarily of Concrete, for Construction, Reconstruction and Restoration of Buildings, Structures]. Patent holder V.N. Selivanov, S.N. Selivanov. No. 96124582/03 ; appl. 30.12.1996 ; publ. 27.03.1998. (In Russian)
4. Mordich A.I., Sadokho V.E., Podlipskaya I.I., Taratynova N.A. Sborno-monolitnye prednapryazhennye perekrytiya s primeneniem mnogopustotnykh plit [Precast-Monolithic Prestressed Slabs Using Hollow Core Slabs]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 1993, no. 5, pp. 3—6. (In Russian)
5. Mordich A.I., Kuchikhin S.N., Belevich V.N., Simbirkin V.N. Patent 2226593 RU, MPK E04V 1/18. Zhelezobetonnyy sborno-monolitnyy karkas mnogoetazhnogo zdaniya [Russian Patent 2226593 RU, MPK E04V 1/18Reinforced Concrete Precast-Cast-In-Place Frame of a Multistorey Building]. Patent holder Institute «BelNIIS». No. 2002118292/03 ; appl. 08.07.2002 ; publ. 10.04.2004. Byul. no. 10. (In Russian)
6. Mustafin I.I. Patent 2281362 RU, MPK E04V 1/20. Sborno-monolitnyy zhelezobetonnyy karkas mnogoetazhnogo zdaniya «Kazan'-XXIv» [Russian Patent 2281362 RU, MPK E04V 1/20. Precast-Cast-In-Place Reinforced Concrete Frame of a Multistory Building "Kazan-21v"]. Patent holder I.I. Mustafin. No. 2004139244/03 ; appl. 27.12.2004 ; publ. 10.05.2005. Bulletin no. 22. (In Russian)
7. Kazina G.A. Sovremennye zhelezobetonnye konstruktsii seysmostoykikh zdaniy: otechestvennyy i zarubezhnyy opyt [Modern Reinforced Concrete Structures of Earthquake-Resistant Buildings : Domestic and Foreign Experience]. Moscow, VNIIS Publ., 1981, 25 p. (Construction and Architecture. Series 8. Building Structures) (In Russian)
8. Mordich A.I. Sborno-monolitnye i monolitnye karkasy mnogoetazhnykh zdaniy s ploskimi raspornymi perekrytiyami [In-cast and Precast Joists and Cast-In-Place Frames of Multi-Storey Buildings with Flat Space Slabs]. Montazhnye i spetsial'nye raboty v stroitel'stve [Erecting and Special Works in Construction]. 2001, no. 8—9, pp. 10—14. (In Russian)
9. Koyankin A.A., Mitasov V.M. Nekotorye rezul'taty naturnykh ispytaniy fragmenta kar-kasnogo zdaniya v sborno-monolitnom ispolnenii [Some Results of Field Investigations of a Fragment of Precast-Cast-In-Place Frame Building]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 2015, no. 5, pp. 18—20. (In Russian)
10. Mordich A.I., Belevich V.N., Simbirkin V.N., Navoy D.I. Opyt prakticheskogo primen-eniya i osnovnye rezul'taty naturnykh ispytaniy sborno-monolitnogo karkasa BelNIIS [Experience of Practical Use and Main Results of In-Place Tests of Precast and Cast-In-Place Frame BelNIIS]. BST: Byulleten' stroitel'noy tekhniki [BST — Bulletin of Construction Equipment]. 2004, no. 8, pp. 8—12. (In Russian)
11. Koprivitsa B. Primenenie karkasnoy sistemy IMS dlya stroitel'stva zhilykh i obshchest-vennykh zdaniy [The Use of Frame System IMS for Construction of Residential and Industrial Buildings]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 1984, no. 1, pp. 30—32. (In Russian)
12. Mordich A.I., Sadokho V.E., Podlipskaya I.I., Taratynova N.A. Sborno-monolitnye prednapryazhennye perekrytiya s primeneniem mnogopustotnykh plit [In-cast and Precast Joists Stressed Slabs with Use of Hollow-Core Slab]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 1993, no. 5, pp. 3—6. (In Russian)
13. Weber H., Bredenbals B., Hullman H. Bauelemente mit Gittertragern. Hannover, Institut fur Industrialisierung des Buens, 1996, 24 p.
14. Bausysteme mit Gittertragern. Fachgruppe Betonbauteile mit Gittertragern im BDB. Bonn, 1998, 40 p.
15. Janti F. Sborno-monolitnyy karkas «Delta» [Precast-cast-in-place Frame "Delta"] Prospekt kompanii «Deltatek OY». Prospectus of the Company "Deltatek OY"]. 1998, 6 p.
16. Dimitrijevic R. A Prestressed «Open» System from Jugoslavia. Système «Ouvert» Précontraint Yougoslave. Batiment Informational, Building Research and Practice. 1978, vol. 6, no. 4, pp. 244, 245—249. Nauchno-tekhnicheskiy referativnyy sbornik TsINIS [Science and Technical Abstract Collection of the Central Institute of Scientific Information on Construction]. 1979, vol. 14, no. 3, pp. 8—12. (In Russian)
17. Pessiki S., Prior R., Sause R., Slaughter S. Review of Existing Precast Concrete Gravity Load Floor Framing System. PCI Journal. 1995, vol. 40, no. 2, pp. 52—67.
18. Schwerm D., Jaurini G. Deskensysteme aus Betonfertigteilen. Informationsstelle Beton-Bauteile, Bonn, 1997, 37 p.
19. Koyankin A.A., Mitasov V.M. Eksperimental'nye issledovaniya raboty stykovogo soe-dineniya rigelya s kolonnoy v sborno-monolitnom perekrytii [Experimental Study of the Operation of the Bolt Joint of a Bearer with a Column in Precast-Monolithic Ceiling]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, no. 5, pp. 27—34. (In Russian)
20. Mitasov V.M., Koyankin A.A. Rabota diska sborno-monolitnogo perekrytiya [Operation of a slab of cast over precast joists]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo [News of Higher Educational Institutions. Construction]. 2014, no. 3, pp. 103—110. (In Russian)
About the authors: Koyankin Aleksandr Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building Structures and Control Systems, Siberian Federal University (FGOU VPO SFU), 79 Svobodny Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; [email protected];
Kolcheva Natal'ya Viktorovna — Master student, Department of Building Structures and Control Systems, Siberian Federal University (FGOU VPO SFU), 79 Svobodny Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; [email protected].
For citation: Koyankin A.A., Kolcheva N.V. Sravnitel'nyy analiz rezul'tatov eksperimental'nykh i chislennykh issledovaniy raboty stykovogo soedineniya rigelya s kolonnoy v sborno-monolitnom perekrytii [Comparative Analysis of the Results of Experimental and Numerical Studies of the Performance of Cross-Beam Butt Joint with a Column in Slab Cast Over Precast Joists]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, no. 12, pp. 59—65. (In Russian)
