Теоретические основы методики расчета штепсельных стыков железобетонных конструкций зданий и сооружений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Крупнопанельное домостроение

(М

л

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624.078.41

Б.С. СОКОЛОВ (sokolov@kgasu.ru), д-р техн. наук, член-корр. РААСН

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Теоретические основы методики расчета штепсельных стыков железобетонных конструкций

зданий и сооружений

Приведены основы методики расчета штепсельных стыков, использованных в железобетонной каркасной несущей системе с безбалочными бескапительными перекрытиями. Рассмотрены возможные схемы разрушения в монтажной и эксплуатационной стадиях, предложены расчетные выражения для оценки прочности с использованием авторской теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию.

Ключевые слова: штепсельный стык, прочность, методика расчета.

B.S. SOKOLOV (sokolov@kgasu.ru), Doctor of Science (Engineering), Corresponding Member of RAACS Kazan State University ofArchitecture and Engineering (1, Zelenaya Street, 420043, Kazan, Russian Federation)

Theoretical Basis of Calculation Methods of Plug Joints of Reinforced Concrete Structures

of Buildings and Constructions

Basis of calculation methods of the plug joints used in the reinforced concrete frame bearing system with beamless and capless overlappings are presented. Possible schemes of the destruction at assembly and operational stages are considered, calculated expressions for durability assessment with use of the author's theory of power resistance of anisotropic materials to compression are offered.

Keywords: plug joint, durability, calculation procedure.

Штепсельные (за рубежом - вилочные) стыки железобетонных конструкций широко применяются для соединения сборных конструкций зданий и сооружений разного функционального назначения, так как являются высокотехнологичными, способствуют существенному сокращению сроков строительства.

Анализ существующих проектных решений по расположению и, как следствие, силовому воздействию позволяет разделить стыки на два класса: 1-й класс - стыки для соединения колонн в средней части высоты этажа, где действуют в основном продольные и поперечные силы; 2-й класс - стыки, расположенные в уровне перекрытий для объединения ригелей, плит и колонн, где действуют изгибающие моменты, продольные, поперечные и сдвигающие усилия.

Конструктивные решения стыков зависят от зоны их расположения, но общим является наличие в них шести основных элементов [1]. От работоспособности каждого из них зависит прочность и деформативность не только узлов сопряжений, но и всей несущей системы. Изучение российской, доступной зарубежной научной и технической литературы показало отсутствие исследований и рекомендаций по проектированию. Поэтому исследования, направленные на разработку методики расчета, охватывающую комплексную оценку работы стыков, являются актуальными и могут служить основой для создания нормативных документов для проектирования.

Стыки 1-го класса рассмотрены в [1], где приведены методики их расчета по прочности и податливости, а также рекомендации по эффективному конструированию.

Необходимость изучения работоспособности стыков 2-го класса вызвана созданием несущей системы УИКСС

- универсальной индустриальной каркасной системы строительства, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель [2]. Перекрытия безбалочные бескапительные со штепсельным соединением колонн и надколонных плит (рис. 1), чем отличаются от известных технических решений. Это вызвало необходимость проведения исследований для создания методики расчета и эффективного конструирования.

2

Рис. 1. Разрез и план (а) перекрытия со штепсельным соединением надколонной плиты с колонной (б)

Научно-технический и производственный журнал

Large-panel housing construction

Рис. 2. Расчетные схемы стыка при действии монтажных нагрузок при стальной центрирующей прокладке: а — общий вид стыка; б—г — при расчете оголовка нижней и верхней колонн; д — для опорной зоны плит между центрирующими прокладками

Расчет стыков выполняется в два этапа: на монтажные усилия; на усилия, возникающие при эксплуатации несущей системы.

Этап 1. Целью расчета является определение сопротивления оголовка нижележащей колонны и части надколон-ной плиты перекрытия, на которые действуют кратковременные монтажные нагрузки, масса надколонной плиты и вышележащей колонны. По существующей классификации стык относится к контактному. Методика его расчета зависит от конструктивного решения. В рекомендациях НИИЖБ (1989 г.) предлагается несколько вариантов, два из которых наиболее распространены:

- передача усилий через центрирующую стальную прокладку;

- применение в швах синтетических прокладок.

Для обоих случаев на рис. 2, 3 приведены расчетные схемы, из которых нетрудно увидеть их принципиальные отличия.

Под центрирующими прокладками в колоннах возникают две области напряженного состояния: область всестороннего сжатия под прокладками; область сжатия-растяжения, расположенная на некотором расстоянии от зоны приложения нагрузки.

Для оценки прочности обеих зон разработана методика расчета на основе авторской теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию [1]. Условие прочности записывается в общем виде:

N< Nult = (Nbt cosa + 2Nsh)/sina + Nef.

(1)

Расчетные схемы для обоих случаев расчета приведены на рис. 2, б—г, из которых видно их принципиальное отли-

Рис. 3. Расчетная схема стыка при передаче монтажных нагрузок через синтетическую центрирующую прокладку и усилий со случайным эксцентриситетом: а, б — при расчете оголовка нижней колонны; в — межколонной плиты

чие: для области сжатия-растяжения принята базовая одно-клинчатая объемная модель; для области всестороннего сжатия использована многоклинчатая модель, являющаяся модификацией базовой [1].

Базовая модель принята также для оценки прочности расчетного участка надколонной плиты перекрытия в зоне передачи локальной нагрузки через центрирующую прокладку (рис. 2, д; 3, б). Физические, геометрические и статические характеристики расчетных схем приведены в [1, 3].

Расчет на монтажные усилия необходим не только для оценки прочности и трещиностойкости стыков, но и позволяет оптимизировать размеры стальных центрирующих прокладок. Во-первых, это может привести к экономии стали, во-вторых - позволит отказаться от установки сеток косвенного армирования в оголовках колонн.

При использовании в стыке синтетических прокладок косвенного армирования оголовков колонн не требуется, чем достигается технико-экономический эффект.

Монтажная стадия заканчивается заполнением скважин раствором для объединения всех элементов стыка и восприятия эксплуатационных нагрузок.

Этап 2. Схема действия эксплуатационных усилий приведена на рис. 4, по которому можно увидеть, что на стык передаются: продольные, поперечные и горизонтальные сдвигающие усилия; изгибающие и крутящие моменты.

Силовое воздействие вызывает необходимость оценки участия каждого элемента в работе стыка для обеспечения механической безопасности и эксплуатационной пригодности. Для этого следует выполнить расчеты на все действующие усилия и их сочетания: - по прочности;

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

/ 1 /

щ 7' _У

--- У - 7- М-/у

м;

Рис. 4. Усилия и результаты их воздействия на работу элементов стыка при действии эксплуатационных усилий

- по деформативности - податливости (осевой и сдвиговой с учетом наличия двух горизонтальных швов в плите);

- по образованию и раскрытию трещин;

- по обеспечению совместной работы продольной арматуры в скважинах без нарушения ее сцепления с раствором и раствора с бетоном колонн.

Действие крутящих моментов можно максимально уменьшить установкой в несущей системе диафрагм жесткости. Поэтому их влияние в статье не рассматривается.

После замоноличивания стыка при действии продольных сил со случайным эксцентриситетом нагрузка на стык передается по всей площади контакта колонны с плитой, что учитывается в расчетной схеме, приведенной на рис. 4.

Условие прочности (1) преобразуется к виду:

Рис. 5. Расчетные схемы стыка при действии продольной силы с эксцентриситетом е

О.+Й^Ья^а+Я^М,. (2)

Первое слагаемое в формуле (2) учитывает работу поперечной арматуры в стыке на растяжение; второе и третье - бетона и арматуры на сдвиг по плоскости скольжения; четвертое - шестое - работу бетона и продольной арматуры на сжатие.

Геометрические и физические характеристики расчетной схемы приведены в [1].

При возрастании эксцентриситета расчет следует вести по схемам, приведенным на рис. 5, из которых нетрудно увидеть, что с его увеличением уменьшается сжатая зона бетона. Это может привести к разрушению от сдвига по плоскости, направленной под углом а, т. е. наклонной грани клина, образующегося под сжатой зоной, выполняющей роль грузовой площадки.

Оценку прочности стыков при действии горизонтальных усилий следует выполнять по расчетной схеме, показанной на рис. 6. Она построена на основе полученной ранее [3] при исследовании штепсельных стыков первого типа, но учитывает наличие двух горизонтальных плоскостей сдвига.

Условие прочности записывается в виде:

(3)

где = АЫЯЫ - сопротивление отрыву бетона по высоте стыка Ц; О^щЯ,^ - сопротивление растяжению горизонтальной арматуры сеток косвенного армирования, расположенных на нормативном участке; О^^^я/ла/^,^ - усилие, воспринимаемое продольной арматурой, работающей как нагель; .Мц, - сопротивление сдвигу за счет трения в горизонтальных швах под влиянием действия продольного усилия.

При расчете по формулам (2, 3) коэффициенты условия работ продольной и поперечной арматуры для рассматри-

а

Научно-технический и производственный журнал

Large-panel housing construction

Рис. 6. Расчетная схема стыка при действии горизонтальных сил

ваемых стыков следует принимать с учетом полученных результатов при испытаниях стыков 1-го класса [3].

Надколонная плита испытывает действие вертикальной продольной силы, изгибающих моментов и поперечных сил. Продольное усилие в зависимости от величины эксцентриситета может вызвать внецентренное сжатие, что потребует при недостаточной прочности бетона сжатой зоны установки вертикальной арматуры по площади передачи усилия. Кроме перечисленного необходимо проверить возможность появления трещин в опорном сечении надколонной плиты. Особенностью напряженного состояния в этом сечении является совместное действие изгибающих моментов и поперечных сил, что нарушает принятую в действующих нормах гипотезу плоских сечений. В продольной арматуре возникает «нагельный эффект». Расчет опорных сечений рекомендуется выполнять по предложениям российских и белорусских ученых.

«Нагельный эффект» в продольной арматуре возникает в горизонтальных швах стыка при нарушении сцепления по поверхности контакта в результате преодоления адгезионных или когезионных усилий, учесть которые можно по предложениям проф. Н.Г. Маткова, опубликованным в научных трудах НИИЖБ.

Предложенные выше подходы и расчетные выражения предполагается сравнить с результатами опытов, проводимых в Поволжском политехническом университете (г. Йошкар-Ола).

Вывод. Изложенный материал является предметом изучения и совершенствования железобетонных конструкций на базе теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и может быть основой для проведения исследований на новом научном уровне и развития нормативных документов.

Список литературы

1. Соколов Б.С. Теория силового сопротивления анизотропных материалов сжатию и ее практическое применение. М.: АСВ, 2011. 160 с.

Патент РФ на полезную модель 141473. Универсальная индустриальная каркасная система строительства (УИКСС) / Соколов Б.С. Заявл. 24.06.2013. 0публ.10.06. 2014. Бюл. № 20.

Соколов Б.С., Латыпов Р.Р. Прочность и податливость штепсельных стыков железобетонных колонн при действии статических и сейсмических нагрузок. М.: АСВ, 2010. 160 с.

References

Sokolov B.S. Teoriya silovogo soprotivleniya anizotropnykh materialov szhatiyu i ee prakticheskoe primenenie [Theory of power resistance of anisotropic materials to compression and its practical application]. Moscow: ASV. 2011. 160 p. (In Russian).

Patent RF na poleznuyu model' 141473. Universal'naya industrial'naya karkasnaya sistema stroitefstva (UIKSS) [Universal Industrial Frame System of Construction (UIFSC)]. Sokolov B.S. Declared 24.06.2013. Published 10.06. 2014. Bulietin No. 20. (In Russian).

Sokolov B.S., Latypov R.R. Prochnost' i podatlivost' shtepsel'nykh stykov zhelezobetonnykh kolonn pri deistvii staticheskikh i seismicheskikh nagruzok [Durability and pliability of plug joints of reinforced concrete columns at action of static and seismic loadings]. Moscow: ASV. 2010. 160 p. (In Russian).