CC BY
35
УДК 624.073
В.А. ЯРОВ, канд. техн. наук, профессор,
К.В. СКРИПАЛЬЩИКОВ, аспирант,
СФУ, Красноярск
БЕЗРИГЕЛЬНЫЕ МОНОЛИТНЫЕ ПЕРЕКРЫТИЯ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ С КОЛОННАМИ КРЕСТОВОГО СЕЧЕНИЯ
Авторами выполнены исследования монолитных железобетонных перекрытий жилых зданий с колоннами, имеющими сечение в виде креста, полукреста и пилона. Приведены результаты численных расчетов безригельных каркасов зданий и узлов сопряжений перекрытий с колоннами. Получены теоретические данные о напряженно-деформированном состоянии перекрытий при совместной работе их с вертикальными несущими конструкциями безригельных каркасов.
Ключевые слова: безригельные перекрытия, крестовые колонны, бескапи-тельные перекрытия.
В настоящее время в России существенно увеличиваются объемы вводимых в эксплуатацию многоэтажных жилых зданий. Широкое распространение получили конструктивные системы зданий из монолитного железобетона, т. к. они позволяют добиваться большего разнообразия планировочных решений и осуществлять их строительство в регионах с неразвитой базой стройиндустрии.
Цель данной работы - исследование напряженного состояния монолитных перекрытий при совместной работе их в несущей системе многоэтажных зданий с колоннами крестового сечения. Выбор такой конструктивной схемы обоснован тем, что в зданиях административного назначения внутренняя высота помещений допускает устройство капителей, что нежелательно в жилых домах с высотой этажа 2,6-2,8 м. Специфика предлагаемого решения каркаса заключается в том, что колонны, в зависимости от их расположения, имеют сечение в виде креста, полукреста или пилона. Применение таких колонн существенно повышает пространственную жесткость здания и позволяет в некоторых случаях отказаться от вертикальных диафрагм.
Для изучения напряженно-деформированного состояния элементов рассматриваемой несущей системы были выполнены численные исследования каркасов многоэтажных зданий, возводимых в г. Красноярске с использованием программного комплекса «Лира». Из результатов расчетов установлено, что при использовании в несущих системах зданий с крестовыми колоннами и пилонами отпадает необходимость вводить в состав несущей системы вертикальные диафрагмы жесткости, так как горизонтальные смещения верха 17-этажного здания башенного типа без диафрагм жесткости не превысили нормативных значений. При расчете было выявлено, что возникающие в крестовых колоннах усилия распределяются по сечению с меньшей интенсивностью. Каркас с колоннами предлагаемого типа меньше подвержен воздействию кручения, что благоприятно сказывается на армировании.
© В. А. Яров, К.В. Скрипальщиков, 2009
Перекрытия в предлагаемом типе каркаса играют важную роль в перераспределении напряжений между всеми несущими элементами здания. Включаясь в совместную работу несущей системы и оказывая сопротивление деформированию из плоскости, они существенно влияют на распределение усилий в несущих конструкциях и сами при этом испытывают сложное напряженное состояние в зонах опирания их на колонны.
В связи с этим в процессе численных исследований особое внимание уделялось изучению напряженного состояния опорных зон перекрытий в местах опирания их на колонны. Сопряжение колонн с перекрытиями является одной из наиболее сложных зон как с точки зрения расчета и конструирования элементов несущей системы, так и в плане возведения данных узлов на стройплощадке.
Для исследования напряженно-деформированного состояния данных участков перекрытий были выбраны три расчетные схемы: фрагменты перекрытия с опиранием на колонны прямоугольного сечения, крестового сечения и крестового сечения с добавлением арматурных каркасов, имитирующих скрытые ригели в теле плиты (рис. 1). Расчеты выполнялись с применением программного комплекса «Лира» с моделированием физической нелинейности работы бетона и арматуры. Для бетона использовалась трехлинейная диаграмма работы бетона, для арматуры - двухлинейная. Количество арматуры задавалось процентом армирования поперечного сечения плит перекрытий. Нагрузка задавалась равномерно распределенной по всей плите интенсивностью 1 т/м2.
Рис. 1. Расчетная схема фрагмента перекрытия, опирающегося на крестовые колонны
Из результатов численных исследований перекрытий выявлено преимущество применения крестовых колонн по ряду параметров. В частности, прогибы перекрытий, опирающихся на колонны крестового сечения, меньше на 25 % в сравнении с прямоугольными (соответственно 5,39 и 7,16 мм). Введение ар-
матурных стержней, имитирующих скрытые ригели в теле плиты, снижает прогибы дополнительно на 5 % (5,01 мм при введении скрытых ригелей).
Максимальные значения изгибающих моментов в плите перекрытия, возникающие на гранях колонн, различаются в зависимости от формы колонны на 3,5% (7,14 т-м /м при опирании на прямоугольную колонну, 6,89 т-м /м -при опирании на крестовую), а картины распределения моментов существенно разнятся (рис. 2). Эпюры, представленные на рис. 2, выполнены по сечению, проходящему через центр колонны, и конечный элемент с максимальным значением изгибающего момента.
Рис. 2. Эпюры изгибающих моментов:
а - при опирании на прямоугольник (Мтах = 7,14 тм/м); б - при опирании на крест (Мтах = 6,89 тм/м), в - при введении скрытых ригелей (Мтах = 10,85 тм/м)
При опирании на крестовую колонну существенно больше зона нулевых значений усилий, а пиковое напряжение удалено от центра колонны на большее расстояние. При введении арматурных стержней скрытого ригеля в расчетную схему изгибающий момент распределяется схожим образом с использованием
ь
в
крестовых колонн. Максимальные усилия при этом больше, чем в каркасе с прямоугольными колоннами, на 35 % (10,85 т • м /м). Однако данный факт не является существенным недостатком конструкции, т. к. при расчете и конструировании армирования перекрытий изгибающий момент воспринимается продольными стержнями, с размещением которых нет трудностей.
Говоря о поперечной силе, можно отметить следующее. Пиковые значения при опирании перекрытий на прямоугольные колонны больше, чем при опирании их на крестовые, на 10 % (соответственно 46,65 т/м и 42,08 т/м). Введение арматурных стержней скрытых ригелей снижает напряжения от поперечных сил дополнительно на 14 % (@ = 35,42 т/м) (рис. 3).
Т/Ги!'
к /
ЛИ! N1^11 111 |Щ III III—П р* |---
а
ь
б
ь
Т/Ги1
/ / к к
-^-гт~т'т1т| VII III || 1 ппп М11М 11111 | I II |||| III | II МП | II II | | >
см ОП ■ (_|ТТ
со СО Т*П гч оо
С) СО Н ОГ; со
О О ^3" ^
в
ь
Рис. 3. Эпюры поперечных сил:
а - при опирании на прямоугольник (2шах = 46,65 т/м); б - при опирании на крест (2шах = 42,08 т/м), в - при введении скрытых ригелей (2шах = 35,42 т/м)
Общее напряженно-деформированное состояние фрагментов в результате расчетов указывает на то, что при опирании на прямоугольную колонну необходимо уделять особое внимание восприятию перекрытием продавливающих усилий, а при опирании на крестовую колонну перекрытие можно рассматривать как работающее на изгиб в двух направлениях. В результате расчетов выявлено, что при увеличении площади поперечного сечения продольных стержней условного ригеля напряжения и усилия в перекрытиях более равномерно распределяются вдоль граней колонн.
Выводы
Перекрытия, опирающиеся на крестовые колонны, более активно вступают в работу всего каркаса в целом за счет формы поперечного сечения колонн. Напряженно-деформированное состояние плит позволяет оптимизировать схему армирования. Применение предлагаемого типа колонн и перекрытий для каркасов жилых зданий позволяет сократить расход материалов, а также трудозатраты на возведение объекта в целом.
V.A. YAROV, K.V. SKRIPALSHCHIKOV
FLAT-SLAB MONOLITHIC FLOORS OF MULTI-STORIED BUILDINGS WITH X-SHAPE COLUMNS
The researches of monolithic ferro-concrete floors of residential buildings with the columns having section in the form of a cross, a semicross and a pylon have been carried out. Results of numerical calculations of flat-slab skeletons of buildings and joints of interconnections of floors with columns were given. The theoretical data about the intense-deformed condition of floors at their joint action with vertical bearing structures of flat-slab skeletons has been obtained.
