Методы определения несущей способности монолитных шпоночных соединений сборных элементов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Краткие сообщения

УДК 624.012.45.04+624.078

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОНОЛИТНЫХ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СБОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

И.С. Дербенцев

TEST METHODS FORLOAD CARRYING CAPACITY OF SOLID KEYED JOINTS OF PREFABRICATED ELEMENTS

I.S. Derbentsev

Приведен обзор методов определения несущей способности шпоночных соединений сборных элементов.

Ключевые слова: шпонка, стык, несущая способность.

The article provides an overview of test methods for load carrying capacity of keyed joints of prefabricated elements.

Keywords: key, joint, load carrying capacity.

^см ^Ь,1ос^см,

где Яь,1ос = Rь при бетоне класса В25 и ниже, и Кь,1ос = 13,5йЬ£ - для бетонов классов выше В25, Лсм - площадь смятия шпонки.

В [2, 3] указанная формула повторяется, однако величина Яь,1ос = Кь для многошпоночных соединений, и Дьдос = 1,5Иь - для одношпоночного.

При расчете на срез по нормативным документам [4, 5]:

Гср = ^ср^Ь^ср, здесь у = 1,5 [1], автор [5] предлагает принимать

ср

у = п/2; Rbt - прочность бетона на растяжение;

ср

Аср - площадь среза шпонки. В первом случае коэффициент уср получен путем статистической обработки испытаний, во втором - теоретическими выкладками исходя из прочности бетонных образцов на раскалывание. При расчете на образование наклонной трещины:

^нак = Унак^Ь£^к^,

где коэффициент унак = йШп/(СШв + Сшп) [4] или унак = 0,7 в [5]; Бк - шаг шпонок и С - толщина замоноличенной поверхности (например, толщина стены).

За несущую способность шпонки 7шп принимают наименьшее значение Гнак, Гер или 7’см.

При воздействии сил сдвига возникает распорное усилие Н [1], при этом его величина равна каТ и изменяется в зависимости от геометриче-

На сегодняшний день проведено большое количество экспериментальных и теоретических исследований шпоночных соединений железобетонных сборных конструкций с целью определения предельного сдвигающего усилия в шве Тш. Выделяют характерные виды разрушения шпонок в соединении [1]: сдвиг по опорной грани шпонки; смятие опорной грани; срез по основанию шпонки; срез по наклонной трещине.

Смещение по опорной грани не происходит при углах наклона шпонок а < 35° (рис. 1) и является ошибкой конструирования соединения, поэтому указанный вид разрушения не рассматриваем.

Рис. 1. Схема шпоночного соединения [1]

Прочность бетонной шпонки при скалывании и при смятии регламентируют действующие нормы [4, 5]. При расчете на смятие:

Краткие сообщения

ских размеров от 0,157 до 0,27. Распор должен быть воспринят нормальным армированием.

При расчете несущей способности шпонки с учетом примыкающих участков сдвига [1, 3] рекомендуют использовать формулу

Т = 7ПШ(1 - А^Ф» + 1£ф(дпопД.г,поп + с)skt, здесь Цпоп = АБ/(Бк1) - коэффициент поперечного армирования, Дх,п0п - расчетное сопротивление поперечной арматуры, с - напряжения обжатия стыка в перпендикулярном ему направлении.

При этом значение Т не должно превышать максимального, рассчитываемого по формуле

^тах = ^^к^^-Ы(^-Ы + Цпоп^х,поп + с) — ' 2^bt.

Последнее выражение было получено исходя из прочности по главным растягивающим напряжениям.

Минимальное количество продольной арматуры определяется минимальной величиной распора:

^поптт ^а^шп/(^5,поп^^^).

Кроме того в нормах [2] отмечено, что суммарное сопротивление сдвигу железобетонного шпоночного соединения не должно превышать

Т =

(с^ст ^^^.поп^^.поп^^^.прод^^.прод)^^

t'mв"г

5,прод

здесь Аст - площадь среза всего стыка, А Дх,прод - соответственно суммарная площадь и расчетное сопротивление продольной арматуры в стыке. Последняя величина принимается равной расчетному сопротивлению растяжению арматуры при расчете наклонных сечений на действие поперечной силы ИБШ, в случае если продольное армирование

представлено одним стержнем R

5,прод

Расчет несущей способности шпоночных соединений предусмотрен также и европейскими нормами [7, 8]. Расчетное сопротивление шпоночного соединения сдвигу равно:

VRdi = cfctd + tg9 • с„ + дпоп/у^0£Ф sin0 + cos0), где с и tgф - коэффициенты, зависящие от шероховатости границы взаимодействия и равные для шпоночного соединения с = 0,5 и tgф = 0,9; fctd - расчётное сопротивление бетона растяжению;сп - нормальное усилие сжатия в стыке; fyd - расчетное сопротивление поперечной арматуры; 0 - угол наклона поперечной арматуры к плоскости сдвига.

Автором [9] путем анализа кругов Кулона -Мора и отношений, полученных Друккером, как критериев напряженно-деформированного состояния бетона при двухосном НС, удалось получить формулы для определения несущей способности шпоночного соединения при сдвиге:

т = Г/4СТ = Ъ^ах(у- ах),

где ах = 04х,поп/уй)/(Лст/с), V = 0,55 - коэффициент, учитывающий пластические свойства бе-

^шп ^

тона;-------отношение площадей среза шпонок

Лст

к площади стыка. Это отношение верно при

У.Аттгп 1 з1иВ . - п

а1 —-----------, где р = 45° - угол внутреннего

^ст 2

-гг ^ У^шп

трения для бетона. При а! >-----------------применя-

^ст 2

ется зависимость

Т = — = /с(у ^ + а^Р).

Лст Аст 2со5р 1

Автор обнаружил, что зависимость т от [с (аг) имеет большую сходимость с опытными данными.

Тайские исследователи [10] провели серию экспериментов и построили следующую линейную зависимость:

Т = 0,07ЗЛшдй + где Д - кубиковая прочность бетона омоноличива-ния стыка.

Группа исследователей из США и Канады [11] получили следующие зависимости, подтвержденные экспериментами:

75

95

115

135

155

175

195

215

Rb^/cmZ

Рис. 2. Несущая способность шпоночного соединения: 1 - рассчитанная по отечественным нормам [1-5]; 2 - по Еврокодам [7, 8]; 3 - по теории Дженсена [9]; 4 - по результатам [10]; 5 - по результатам [11]

64

Вестник ЮУрГУ, № 38, 2012

Дербенцев И.С.

Методы определения несущей способности монолитных шпоночных соединений сборных элементов

величина несущей способности по трещино-образованию:

Уст = Уу + Уь,

где у - несущая способность стыка, обусловленная силами трения по контакту монолитного и сборного бетонов; Уь - сопротивление стыка образованию наклонных трещин в шпонках;

Усг = ЦСп(Ас - П(И tan0) + ТЛОТ+Оп) • Асг,

здесь ц - коэффициент трения бетона о бетон, принимаемый равным 0,6; с„ - нормальные напряжения сжатия, вызванные обжатием стыка в перпендикулярном направлении; Ас = Ш - площадь стыка в продольном направлении ( - толщина стены, Н - длина стыка); п, й, tan0 - соответственно количество шпонок в стыке, их глубина и тангенс угла наклона граней; ^ - расчетное сопротивление бетона омоноличивания растяжению (авторами принята зависимость от расчетного сопротивления сжатию [и: Д = 0,6-^/^); Асг = п£л/й2 + Ь2 - площадь поперечного сечения образующихся диагональных трещин в шпонках многошпоночного соединения.

Используя приведенные выше формулы, были построены графики несущей способности стыка в зависимости от призменной прочности бетона его омоноличивания (рис. 2), где Тг - несущая способность соединения, рассчитанная по отечественной методике.

Выводы

1. Методика, полученная отечественными исследователями, отражает варианты разрушения шпоночного соединения и получена на основе наибольшего числа экспериментальных исследований.

2. Схожие результаты дает теория Дженсена [9], хоть и имеет в своей основе иные предпосылки.

3. Формула, заложенная в Еврокодах, дает завышение несущей способности на 70 % по сравнению с отечественными нормами, кроме того она учитывает вероятный наклон поперечной арматуры.

4. График, полученный по [11] существенно отличается от остальных. Это, по-видимому, связано с тем, что испытывались соединения с часто расположенными шпонками, работа которых принципиально другая. Указанная теория учитывает работу бетонного соединения после образования наклонных трещин.

5. Исследователи [10] получили эмпирическую зависимость с запасом 30 %, подтверждающую в целом отечественную методику оценки несущей способности.

Литература

1. Прочность и жесткость стыковых соединений крупнопанельных конструкций. Опыт СССР и ЧССР / Е. Горачек, В.И. Лишак, Д. Пуме и др.; под ред. В.И. Лишака. - М.: Стройиздат, 1980. -192 с.

2. ВСН 32-77. Инструкция по проектированию конструкций панельных жилых зданий. - М.: Стройиздат, 1978. - 177 с.

3. Пособие по проектированию жилых зданий / ЦНИИЭП жилища Госкомархитектуры. Вып. 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85). -М.: Стройиздат, 1989. - 304 с.

4. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2001. - 130 с.

5. СП 52-101-03. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. - М.: Госстрой России, 2003. - 84 с.

6. Кваша В.Г., Коваль П.Н. Исследование шпоночных соединений плоских плит / В.Г. Кваша, П.Н. Коваль // Бетон и железобетон. - 1984. -№ 1. - С. 36-39.

7. ENV 1992-1: Eurocode 2: Design of concrete structures Part 1: General rules and rules for buildings, CEN1993.

8. ТКП EN 1992-1-2-2009 (02250). Проектирование железобетонных конструкций. - Минск: Минстройархитектуры Республики Беларусь, 2010.

9. Bjarne Chr. Jensen. On the ultimate load of vertical, keyed shear joints in large panel buildings. Technical University of Denmark. DK-2800 Lyngby, 1975.

10. Chatveera, B. Vertical shear strength of joints in prefabricated loadbearing walls / B. Chatveera, P. Nimityongskul // J. Natl. Res. Council Thailand. - 1994. - С. 11-36.

11. . Multiple Shear Key Connections for Precast Shear Wall Panels / Sarni H. Rizkalla, Reynaud L. Serrette, J. Scott Heuvel, Emmanuel K. Attiogbe //PCI JOURNAL, USA. - 1989. - С. 104-119.

Поступила в редакцию 7 сентября 2012 г.