CC BY
106
Учёт податливости стыковых соединений дискретного типа в расчётах конструктивных систем крупнопанельных зданий
Е.А.Чистяков, С.А.Зенин, Р.Ш.Шарипов, О.В.Кудинов
Существующая нормативная база для проектирования крупнопанельных жилых домов отстаёт от развития технологий, применяемых в последнее время в домах из сборного железобетона, и ряд вопросов, связанных с расчётом зданий, в ней не освещён. В частности, не в полной мере решены проблемы учёта податливости стыковых дискретных соединений, выполняемых в виде стальных закладных деталей, а также стыковых протяжённых соединений, выполняемых в виде растворных швов, шпоночных соединений и пр. В данной статье авторами рассмотрены вопросы расчёта податливостей узловых соединений дискретного типа.
Приводится описание методик учёта податливости стыковых соединений сборных железобетонных панелей в расчётах конструктивных систем крупнопанельных зданий на действие продольных сил, изгибающих моментов и сдвигающих усилий. Рассматриваются стыковые соединения дискретного типа, которые выполняются в виде стальных закладных деталей, соединённых между собой на сварке стальными накладками.
Ключевые слова: крупнопанельные здания, податливость, стыковые соединения.
The Accounting of a Deformability of Structural Discrete
Connections in Calculation of Constructive Systems of
Large-Panel Buildings. By Е.А.Chistyakov, S^Zenin,
R.Sh.Sharipov, O.V.Kudinov
The existing Russian regulatory base for design oflarge-panel buiLdingsLags behind development of the technologies applied recently in the houses from precast concrete and a number of questions connected with calculation of buildings in it isn't covered. In particular, problems of the accounting of discrete connections deformability of which are carried out in the form of steel embedded parts, and also the extended connections from cement mortar, concrete keys aren't fully solved. In this article authors have considered questions of calculation of a deformability of nodal connections of discrete type.
The description of techniques of the accounting of a connections deformability of concrete precast panels is provided in calculations of constructive systems of large-panel buildings on action oflongitudinal forces, the bending moments and the shifting efforts. Discrete steel connections with welding by steel slips are considered.
Keywords: large-panel buildings, deformability, structural connections.
В крупнопанельных зданиях соединения несущих панелей стен и перекрытий производят с использованием различных технических решений с применением дискретных (точечного типа) и непрерывных стыковых соединений (связей). Наиболее характерным примером точечных связей является соединение с использованием стальных закладных деталей, а примером непрерывных соединений - растворные швы между панелями.
Рассмотрим дискретные стыковые соединения. Такие стыки смежных стеновых железобетонных панелей и панелей плит перекрытий выполняют с использованием стальных закладных деталей, соединяемых между собой на сварке стальными накладками (рис. 1а). В конечно-элементной модели здания панели в составе здания моделируются пластинчатыми элементами, а узлы соединения - стержневыми элементами (рис. 1б).
Для того чтобы стержневые элементы в модели здания корректно отвечали работе закладных деталей, необходимо обеспечить в стержневых элементах такие же жесткостные характеристики, какие имеют собственно закладные детали. Известно [1; 2], что закладные детали в общем случае воспринимают усилия растяжения (сжатия), изгибающие моменты и поперечные сдвиговые силы (рис. 2). Для получения действующих усилий во всех элементах конструктивной системы, в том числе и в закладных деталях, для последующего расчёта на прочность необходимо задать жесткостные характеристики конечно-элементных стержневых элементов (модуль деформации, моменты инерции в плоскости и из плоскости, модуль сдвига), которые устанавливают на основании расчёта податливостей связей. Однако до последнего времени методики расчёта податливостей дискретных связей нормированы [3; 4] не в полном объёме.
Рис. 1. Моделирование стыкового соединения сборных железобетонных панелей: а) узел сопряжения панелей, б) модель узла
В настоящее время для расчёта зданий применяется в основном метод конечных элементов (МКЭ) с использованием различных сертифицированных программных комплексов. Расчёт крупнопанельных зданий при помощи МКЭ вызывает у проектировщиков определённые трудности, связанные в том числе с моделированием дискретных податливых стыков сборных элементов.
Данное обстоятельство приводит к тому, что при расчётах крупнопанельных зданий могут быть некорректно определены действующие усилия в конструкциях и узлах их сопряжений, что может отрицательно сказаться на эффективности и обоснованности принимаемых конструктивных решений.
С целью совершенствования нормативной базы, регламентирующей проектирование, строительство и эксплуатацию крупнопанельных зданий специалистами НИИЖБ им. А.А. Гвоздева была выполнена отдельная научно-техническая работа (НИР).
По результатам анализа существующей нормативно-технической документации по рассматриваемому вопросу установлено, что использование существующих зависимостей для расчёта по-датливостей стыковых соединений сборных элементов крупнопанельных зданий не всегда позволяет применить их к описанию или моделированию работы того или иного соединения. Это приводит к тому, что применяемые ранее упрощённые расчётные модели не позволяют оценить ряд важных деформационных и прочностных параметров работы здания. В результате возникает необходимость в разработке усовершенствованных методов расчёта конструктивных систем крупнопанельных зданий с учётом податливости стыковых соединений.
На основании этого в данном исследовании была поставлена и решена следующая задача: для оценки податливости стыковых соединений сборных элементов необходимо на основании выполненного анализа существующих норм и рекомендаций выработать основные положения по определению в первую очередь податливостей и жесткостных характеристик узлов.
Рассмотрим работу указанных стальных закладных деталей, которые крепятся к конструкции с помощью анкерных стержней, заделанных в бетоне. Для оценки податливости (деформативности) связей необходимо было установить зависимости, связывающие усилия, действующие на связь, и их деформации.
На основании анализа характера работы связей при возможных усилиях, действующих на них и вызывающих растяжение (сжатие), изгиб, а также сдвиг, были разработаны необходимые расчётные методики, опирающиеся на соответствующие модели деформирования. На базе данных моделей были определены зависимости между действующими усилиями различного характера (растягивающие и сжимающие усилия, изгибающий момент, сдвигающие усилия) и деформациями связей.
Первая расчётная методика устанавливает связь между растягивающими усилиями и осевыми деформациями анкерных стержней и получена на основе анализа принятой для этого модели (рис. 3).
В соответствии с указанной моделью рассматривают работу стержня, заанкеренного в бетоне. При действии растягивающей силы на стержень происходит его сдвиг по отношению к бетону на длине зоны анкеровки.
В этом случае удлинение стержня, на который по его оси действует усилие вызывающее в нём напряжения = можно определить по формуле:
где т - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений (деформаций) в стержне на длине зоны анкеровки.
Приближённо коэффициент т может быть принят равным 0,7;
Рис. 2. Схема усилий, действующих на закладную деталь
Рис. 3. Схема напряженно-деформированного состояния анкерного стержня при действии растягивающей силы
I - длина зоны анкеровки [1], определяемая по формуле:
(2)
где ЯЬппЛ - расчётное сопротивление сцепления стержня с бетоном
Подставив (13) в формулу (14) и выразив о„ через усилие
Я,
Чопл ~ 2,5' ^ы ds - диаметр анкерного стержня. Тогда
/„„ =
Я,
10-Я
(3)
(4)
ы
N..
Если в формуле (1) значения Я8 заменить на А , гдеА3
(5)
А =-
ЕЖ
Или, подставив в (5) значения ¡п из (4), получим:
А =■
(б)
Из зависимостей (5) и (б) можно определить коэффициент податливости при растяжении связи:
(7)
В этом случае ( 8)
( 9)
Можно также определить жесткостную характеристику
связи:
(10)
Тогда
(11)
(12)
При значениях усилия NS, когда напряжения в анкерном стержне не достигают Я3, удлинение анкерного стержня можно определить, принимая длину заделки, с которой собирается деформация арматуры, равной
! _ ^ап
К
Тогда удлинение Д„ определяется по формуле:
(13)
(14)
N — о„ ■ Л„, получим:
........ А ' —
площадь сечения анкерного стержня, то получим:
■ /„„ • со
(15)
где I определяется по формуле (2).
Зависимость (15) несколько сложна для использования, поскольку при определении коэффициента податливости и жесткостной характеристики их значения будут зависеть от усилия
Если принять ¡3 — ¡п то коэффициент распределения напряжений (деформаций) на длине заделки стержня т будет изменяться от 0,3 до 0,7. При усреднённом значение т = 0,5, зависимости будут иметь вид:
(1б)
или
(17)
Подставляя полученное значение Дх в формулу (7), получим коэффициент податливости связи.
При действии сжимающей силы N можно без большой погрешности принять такие же зависимости Дх по формулам (16) или (17).
Вторая расчётная методика устанавливает связь между изгибающими моментами и осевыми деформациями анкерных стержней и основана на анализе модели, представленной на рисунке 4.
При действии на дискретную связь изгибающего момента (например, из плоскости соединяемых стеновых панелей) зависимость а -М(где а - угол поворота смежных стыкуемых панелей в стыке) определяется с использованием формул (16) или (17).
При изгибе из плоскости принимается, что на анкерные стержни, расположенные у противоположных плоскостей (сторон) панелей, действуют растягивающие и сжимающие усилия NS, определяемые по формуле:
где - расстояние между анкерными стержнями.
(18)
Рис. 4. Схема деформирования стыка при действии изгибающего момента
При действии усилий стержни деформируются на величину Дх. В этом случае после деформирования стыка угол поворота одной из стыкуемых конструкций относительно её оси при недеформированном состоянии составляет:
2 Д.,
а, « ^а, =
Подставив в (19) значение Д, из (16), получим:
а, —
(19)
(20)
Или, выражая усилие через изгибающий моментМпо (18), получим:
Принимая во внимание, что момент инерции площади сечения всей арматуры относительно оси стыкуемых конструкций равен:
л -2
(22)
в окончательном виде связь между угловой деформацией и изгибающим моментом выражается формулой:
Следует иметь в виду, что формула (23) распространяется на случаи, когда растянутые и сжатые анкерные стержни расположены симметрично относительно оси стыкуемых конструкций и площади их сечений равны. Поэтому в формулах (21) и (22) площадь А, принимается только для стержней с одной стороны оси конструкций.
Полный угол между двумя смежными конструкциями а = 2а1.
В этом случае:
а =
м-1ап
Е-Т
а коэффициент податливости
Х„ — -
ЕЛ.
(25)
В третьей расчётной методике для установления связи между сдвигающими усилиями и поперечными деформа-
пЗ
Рис. 5. Схема деформирования связи при действии сдвигающего усилия
циями анкерных стержней принимается расчётная модель, которая основывается на рассмотрении нагельного эффекта при сдвиге стыкуемых конструкций относительно друг друга в перпендикулярном к оси анкерного стержня направлении (рис. 5). Данная расчётная модель должна учитывать деформации изгиба анкерных стержней и смятие бетона под ними.
Согласно рекомендациям норм ЕКБ [5] при общей деформации сдвига, равной 0,1 диаметра анкерного стержня, реализуется максимальное сопротивление сдвигу Qmax, определяемое по формуле:
Qmax = 1>3VЙЬ ' ^Г- (26)
При этом длина заведения стержней в бетон должна составлять не менее восьми их диаметров.
Принимая максимальное смещение стержня с одной стороны относительно его оси в недеформированном состоянии, равным А = 0,05d, отвечающее максимальному
1 тах 7 в
усилию Qmay, и зависимость между деформацией сдвига и действующим усилием Q линейной, значение коэффициента
податливости определяем по формуле:
д„
(27)
или, округляя коэффициент 1,3 в формуле (26) до 1,5, по формуле:
Аг —
(28)
зосг^кь-к/
При этом жесткостная характеристика определяется по формуле: ^
Тогда, связь между деформациями сдвига Д и действующим усилием р записывается в виде:
0
Д=
(30)
30 й^йь-й/
При наличии также растягивающей силы, создающей в арматуре напряжение а5 зависимость (30) записыва-
(24) ется в виде:
Д=
зосг^Аь-^а-?2)'
(31)
г
При нескольких одинаковых стержнях, воспринимающих силу р, знаменатель формулы (31) умножается на п - число стержней.
Подставляя полученное значение Д в формулу (27), получим коэффициент податливости связи.
Вывод
В общем случае податливости жесткостные характеристики дискретных стыковых соединений (связей) при расчёте крупнопанельного здания рекомендуется определять в соответствии с вышеуказанными методиками, разработанными на основании существующего опыта расчётов, экспериментов и проектирования.
Литература
1. СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003». - М, 2012.
2. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжёлых и лёгких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84) / ЦНИИПромзданий Госстроя СССР. -М., 1986.
3. Пособие по проектированию жилых зданий. Вып. 3. Часть 1, 2. Конструкции жилых зданий. (к СНиП 2.08.01-85). - М., 1986.
4. Проектирование железобетонных сборно-монолитных конструкций. Справочное пособие к СНиП. - М., Стройиздат, 1991.
5. CEB-FIP Model Code 1990. Design Code. Lausanne, 1993.
Literatura
1. SP 63.13330.2012 «Betonnye i zhelezobetonnye konstruktsii. Osnovnye polozheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 52-01-2003». - M, 2012.
2. Posobie po proektirovaniyu betonnyh i zhelezobetonnyh konstruktsij iz tyazhelyh i legkih betonov bez predvaritel'nogo napryazheniya armatury (k SNiP 2.03.01-84) / TSNIIPromzdanij Gosstroya SSSR. - M., 1986.
3. Posobie po proektirovaniyu zhilyh zdanij. Vyp. 3. Chast' 1, 2. Konstruktsii zhilyh zdanij. (k SNiP 2.08.01-85). - M., 1986.
4. Proektirovanie zhelezobetonnyh sborno-monolitnyh konstruktsij. Spravochnoe posobie k SNiP. - M., Strojizdat 1991.
