Исследование усилий в вертикальных шпоночных стыках крупнопанельного здания в процессе возведения

За последнее десятилетие увеличилось число публикаций, связанных с исследованием работы шпоночных стыков сборных элементов с тросовым петлевым армированием. Так, напряженно-деформированному состоянию стыков до трещи-нообразования посвящена работа [1], большой экспериментальный материал и его анализ в части оценки предельных усилий, воспринимаемых стыками на основе теории пластичности бетона, представлен исследователями из Украины (О.А. Довженко, В.В. Погребной и др. [2–6]). В связи с увеличением индустриального строительства в Индии поиск новых решений для устройства стыков сборных элементов затронул в том числе и шпоночные стыки с тросовым петлевым армированием [7–9]. Обширные экспериментально-теоретические исследования проведены исследователями из Дании [10–14].

На сегодняшний день в нормы РФ [15] включены рекомендации, полученные в резуль- тате обобщения большого числа исследований [16, 17].

Рассматриваемый стык разработан компанией Peikko [18, 19] (рис. 1).

Несмотря на широкие экспериментальнотеоретические исследования, на сегодняшний день отсутствуют сведения о работе данных стыков в составе несущего остова здания. Настоящая статья направлена на освещение этого вопроса.

Методика исследования

Характеристики здания

Жилое здание 26-этажное, размером в плане в осях 40 м х 14,4 м, с высотой этажа 2,85 м (рис. 2). Перекрестной конструктивной системы. Наружные продольные стены самонесущие: несущий слой из бетона класса В22,5 толщиной 120 мм. Остальные наружные стены – несущие: несущий слой из бетона класса В22,5 толщиной 180 мм (подвал – 1 этаж), 150 мм (2–14-й этажи), 120 мм (15–26-й этажи, чердак). Наружный слой панелей

Рис. 1. Конструкция стыков стеновых панелей:

1 – стеновые панели; 2 – жестяная коробка; 3 – тросовая петля

Рис. 2. План первого этажа (рамкой выделены наиболее нагруженные ячейки)

из бетона класса В25 – 80 мм с гибкими связями из нержавеющей стали, утеплитель – 150 мм.

Внутренние стеновые панели – из бетона класса В22,5 толщиной 200 мм (подвал – 9-й этаж), 180 мм (10–14-й этажи) и 160 мм (15–26-й этажи, чердак).

Плиты перекрытий с опиранием по трем и четырем сторонам, сборные железобетонные, толщиной 160 мм из бетона класса В22,5.

На отм. +45,6 и +48,45 (над 16-м и 17-м этажами) запроектированы монолитные плиты перекрытия из бетона класса В22,5 толщиной 160 мм.

Расчетная модель

Для оценки усилий сдвига, возникающих в вертикальных стыках и напряженно-деформированного состояния здания в целом, был выполнен его расчет. Анализу подвергались усилия, возникающие в процессе строительства, то есть пре жде всего от собственного веса железобетонных конструкций.

Для учета перераспределения усилий в процессе возведения здания использовалась система «Монтаж» ПК Лира-САПР [20]. Это позволило отразить изменение топологии расчётной схемы и получить корректное распределение нагрузок между элементами здания.

Стыки между сборными элементами моделировались специальными упругими элементами с учетом предельных усилий (255КЭ), жесткость которых назначалась исходя из результатов испытаний (рис. 3) [1, с. 20–24].

Жесткостные характеристики элементов пластин и стрежней для моделирования стеновых панелей, плит перекрытий и стоек лоджий соответствовали фактически применённым материалам и сечениям элементов.

Анализ усилий сдвига в вертикальных швах

В результате расчета здания получены значения сдвиговых усилий в вертикальных стыках на каждой стадии монтажа, полученные значения усилий усреднялись по высоте стыка (рис. 4).

Из вышеприведенных графиков видно, что наиболее нагруженными являются связи на цокольном и первом этажах здания.

Максимальное усилие, возникающее в Т-образном узле сопряжения стеновых панелей первого этажа в осях А/7, составляет 49 кН, для линейного стыка в осях А/5 – 24,1 кН.

При анализе расчета здания было установлено, что наиболее нагруженными ячейками здания являются ячейки в осях 4-7/А-В, которые и были выбраны для наблюдений.

Натурные наблюдения за деформациями в стыках

Для оценки напряженно-деформированного состояния вертикальных стыков были установлены 15 индикаторов часового типа с нулевой базой и ценой деления 0,001 мм (рис. 5). Индикаторы устанавливали в серединах наиболее нагруженных по результатам расчетов вертикальных стыков. Данные индикаторы замеряли взаимный сдвиг смежных стеновых панелей, характеризуя дефор-мативность стыка. По результатам указанных измерений строились графики их изменения.

В процессе наблюдений напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, в помещениях с установленными приборами поддерживалась постоянная положительная тем-

Рис. 3. Расчетная модель здания. Вертикальный стык стеновых панелей и его модель

а)

Рис. 4. Характер изменения сдвигающих усилий Rz в Т-образных шпоночных узлах сопряжения в осях А/5 (а) и А/7 (б) по высоте здания

а)

б)

Рис. 5. Схема расположения индикаторов в вертикальных швах подвала (а) и первого этажей (б)

пература. Это связано с требованиями по эксплуатации измерительных приборов, которая невозможна при отрицательных температурах. Температура в помещениях замерялась непосредственно до снятия показаний приборов.

Результаты исследования и их анализ

После окончания строительства здания приборы снимались, строились графики изменения показаний, производилось сопоставление с данными расчетов. Анализ данных по величине сдвиговых перемещений позволяет выделить характерные группы.

Анализ результатов измерения деформаций в вертикальных швах

Графики изменения вертикальных перемещений в стыках самонесущих панелей и несущих панелей показаны соответственно на рис. 6 и 7.

Наибольшие перемещения показала группа из индикаторов И-44 и И-65 – индикаторы, установленные в стыках самонесущих и несущих стеновых панелей. На момент возведения 25-го этажа показания данных приборов были практически одинаковыми, достигающими 0,251 мм, при дальнейшем нагружении, прирост перемещений И-44 поменял знак, при этом И-65 показывал дальнейший рост вплоть до 0,441 мм к моменту снятия приборов. Возможно, причиной послужило перераспределение усилий со стыка самонесущей панели по оси Б и внутренней по оси 5 на стык самонесущей по оси А и наружной по оси 5. В этот момент наблюдалось образование волосяной вертикальной трещины в первом стыке, ширина раскрытия которой составила 0,05 мм и не изменялась в дальнейшем.

Второй характерной группой в порядке убывания показаний будет группа из приборов И-13,

И-14, И-18 и И-43. Данная группа также относится к вертикальным стыкам сопряжения самонесущих наружных стен и поперечных несущих. Характер роста перемещений в стыках данной группы был фактически линейным, при этом скорость прироста была приблизительно одинаковой. Предельные перемещения в стыках этой группы составили от 0,106 мм до 0,163 мм. Стоит отметить, что перемещения И-44, относящегося к первой группе, под конец наблюдений опустились до значений второй группы.

Остальные группы индикаторов относятся к стыкам несущих панелей, и, как и ожидалось, показали значительно меньшие сдвиговые перемещения.

Среди стыков несущих панелей наиболее характерны три группы.

Продолжая нумерацию групп, третья группа стыков – пара индикаторов И-15 и И-20, которые показывали стабильный рост перемещений в процессе роста нагрузок в стенах. Максимальное значение перемещений составило 0,022 и 0,031 мм соответственно. Характерно, что основной прирост деформаций проходил с начала наблюдения и до возведения 23-го этажа, в дальнейшем рост фактически закончился, показания возрастали незначительно.

Четвертая группа индикаторов: И-16, И-17, И-19, И-66, И-67. Общим для них является начальный рост с приблизительно одинаковой скоростью, максимальные значения с 19-го по 23-й этажи (до 0,018 мм) и затем дальнейшее падение показаний до 0,006 мм…0,015 мм. Показания данной группы характеризуются также большими колебаниями (до 0,009 мм), связанными, по-видимому, с перераспределением усилий.

0        50       100      150      200      250      300      350

^^^^^^^е И-13

^^^^^^^е И-14

:      И-18

^^^^^^^е И-43

^^^^^^^е И-44

^^^^^^^е И-65

Т, сут

Рис. 6. Графики изменения вертикальных перемещений в стыках несущих и самонесущих стеновых панелей

Рис. 7. График изменения вертикальных перемещений в стыках несущих стеновых панелей

Последняя пятая группа – пара индикаторов И-45 и И-46 не показывали роста, показания данной группы постоянно находились в области от 0,003 мм до 0,004 мм.

Сопоставление с результатами расчетов

Сопоставление результатов измерения сдвиговых деформаций вертикальных стыков со значениями, полученными при расчете здания (рис. 8, 9), позволяет оценить корректность назначения жесткостных характеристик стыков и расчетной модели в целом.

Наибольшее схождение с результатами наблюдений показали расчетные результаты перемещений для стыков самонесущих панелей с несущими в осях Б/4, Б/5, А/7, а для стыков несущих панелей – в осях 4/Б-В, В/5 и В/7.

Наименьшее схождение наблюдалось в сты- ках по осям А/5 и В/4, что связано с образованной волосяной вертикальной трещиной в первом и практически отсутствующим сдвигом во втором.

Основные выводы по результатам наблюдений

Характер распределения усилий в вертикальных стыках по высоте здания является неравномерным, наибольшие сдвиговые усилия возникают на цокольном и первом этажах.

Отклонения в ходе сопоставления результатов перемещений с данными наблюдений, вероятно, вызваны перераспределением усилий между вертикальными и горизонтальными стыками в исследуемой ячейке здания. Косвенно это подтверждается одновременным разнонаправленным приращением деформаций в горизонтальных и вертикальных стыках.

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Этажи

б)

а)

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Этажи

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Этажи

в)

г)

Рис. 8. Сопоставление результатов наблюдений и численного расчета для стыков самонесущих панелей в осях: а – А/5, б – А/7, в – Б/4 и г – Б/5

а)

б)

в)

Рис. 9. Сопоставление результатов наблюдений и численного расчета для стыков несущих панелей в осях: а – 4/Б-В, б – 4/В, в – 5/В, г – 7/В

г)

Рис. 10. Зависимости вертикального смещения от сдвигающего усилия N

Оценка усилий в вертикальных стыках

На рис. 10 приведен график сопоставления зависимостей вертикального смещения от сдвигающей силы, полученный при натурных испытаниях фрагмента стыка [1, 25], и график, построенный по результатам расчета модели крупнопанельного здания, для линейного стыка панелей в осях А/5.

Полученный график позволяет оценить величину усилий в стыках крупнопанельного здания исходя из сдвиговых перемещений в них. Согласно результатам [1, 25] предельное усилие в стыке при испытании на сдвиг составляет 64 кН. Максимальное значение сдвигающего усилия при расчете в наиболее нагруженной ячейке составило 24,1 кН. Максимальная величина смещения, полученная в ходе расчета, является равной 0,0339 мм, расхождение со значением в результате натурного испытания образца составило 15,3 %.

Заключение

В результате проведенного анализа сопоставления результатов испытаний и численного расчета установлено, что для расчетов крупнопанельных зданий допустимо использовать модели с дискретно расположенными упругоподатливыми конечными элементами с ограничением предельных усилий с учетом жесткостных параметров, полученных в результате натурных испытаний фрагментов стыков, поскольку они показывают высокую достоверность с результатами наблюдений.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на уточнение работы стыков, их роли в перераспределении усилий между элементами здания.