Экспериментальное исследование замоноличенных узлов панельной системы

Панельное домостроение – способ сборного строительства, основанный на использовании предварительно изготовленных крупных железобетонных конструкций (плит, панелей) заводского производства [1].

Бескаркасные дома состоят из панельных наружных и внутренних стен, перегородок и перекрытий. Конструктивная идея бескаркасных зданий заключается в том, чтобы использовать несущую способность наружных и большинства внутренних стен, обладающих известной прочностью [2].

Основными преимуществами бескаркасных зданий, состоящих из панельных систем, по сравнению с традиционным домостроением являются: меньшая масса конструкций (на 30–40 %), меньшие показатели суммарных затрат труда и сроков строительства (на 30 %), а ведущим техническим преимуществом является высокая пространственная жесткость, позволившая практически без дополнительного увеличения затрат конструкционных материалов перейти к 16–22 этажной застройке [3].

Наиболее ответственными элементами несущей системы панельного здания являются стыковые соединения, благодаря которым панельное здание представляет собой достаточно жесткую и прочную пространственную систему, способную успешно противостоять значительным горизонтальным и вертикальным нагрузкам. Основное назначение горизонтальных стыковых соединений в таких системах – передача сжимающих усилий [4]. По способу передачи вертикальных нагрузок в стенах горизонтальные стыки подразделяются на платформенные, контактные и комбинированные.

Всвязи с экономическими выгодами увеличения этажности жилых зданий, застройщики все чаще отступают от типовых проектов панельных зданий (с 9–12 этажами) в пользу зданий повышенной этажности (до 75 м) [5]. Соответственно возникает проблема в проведении испытаний в связи с модернизацией или полным отказом от конструктивных решений, принятых в типовых проектах. Поскольку основные конструкции (плиты, панели) производятся в заводских условиях, с известными характеристиками, камнем преткновения при проектировании бескаркасных зданий с высотой до 75 м остаются узлы и стыки.

В соответствии с принятой в современных пособиях по проектированию классификацией [6], исследуемый стык по варианту исполнения относится к монолитным. Монолитным называется горизонтальный стык, в котором сжимающая нагрузка передается через монолитную площадку, образованную слоем монолитного бетона, уложенного между торцами плит перекрытий, а в некоторых случаях – также и через горизонтальный растворный шов в уровне верха плит перекрытий [7]. Однако в современных пособиях по проектированию среди вариантов исполнения монолитного стыка отсутствуют исследуемые, поскольку в них приводятся варианты стыков со значительным опиранием плиты перекрытия на стеновую панель (до 1/3 от поверхности стеновой панели). В исследуемых же образцах изначально предполагалось выполнить стык таким образом, чтоб плита перекрытия не опиралась на стеновую панель, а впоследствии, для облегчения процесса монтажа, также предусматривалось незначительное опирание (20 мм, что со- ставляет 1/8 от поверхности стеновой панели) плиты перекрытия на стеновую панель. Следовательно, для исследования работы стыков необходимо проводить натурные испытания.

Такие испытания стыка проводились на заводе ЖБИ «Восток» в г. Челябинске.

Предполагается несущую систему создавать из панелей стен размером 1200 x 2800 мм и многопустотных плит перекрытий размером 1200 x (3000-5000) 220 (160) мм. Панели стен и плиты перекрытий между собой объединяются в неразрезную систему замоноличиванием стыков, имеющих рабочую арматуру.

Такая система обладает рядом достоинств:

– возможность получения разнообразных планировочных решений;

– повышение прочности и жесткости стыков (горизонтальных и вертикальных) за счет их армирования и повышения качества заполнения их монолитным бетоном с последующим контролем прочности и качества;

– повышение прочности и жесткости стыков обеспечивает возможность увеличения высот зданий.

Цель испытаний состояла в следующем:

• 1)    определить вид и характер разрушения стыка;

• 2)    определить несущую особенность (прочность) стыка;

• 3)    определить деформативность стыка;

• 4)    определить прочность стыка при переда-

• че нагрузки с плит перекрытий на панели стен.

Особенность конструкции образцов № 1и 2 (рис. 1) состоит в том, что в их конструкциях используются плиты перекрытия толщиной 220 мм, которые не опираются на стеновую панель. В образцах № 3 и 4 (рис. 2) используются плиты перекрытия толщиной 160 мм, которые слегка опираются на стеновую панель (20 мм).

При испытании предполагалось, что вследствие неточности изготовления элементов, дефектов монтажа и передачи нагрузок возникает внецен-тренное сжатие. Для этого передача нагрузки на панель стены осуществлялась с эксцентриситетом 15 мм (для образца №1 точка приложения силы смещалась в сторону плиты перекрытия, для образцов № 2–4 – в сторону наружной стены).

Результаты испытаний по определению прочности бетона, а также средние деформации перед разрушением приведены в табл. 1. У всех образцов был хрупкий характер разрушения.

Коэффициент безопасности по нагрузке на перекрытие рассчитывался как отношение фактической силы к расчётной (800 кгс/м2 [8]). Фактическая нагрузка рассчитывалась с учетом действия поперечной силы от собственного веса плиты и укладки блоков ФБС первого и второго слоя. В образце № 4 была обнаружена вертикальная трещина на расстоянии 300 мм от опоры (стены), поэтому плита перекрытия не нагружалась.

Для стеновой панели коэффициент безопасности по нагрузке принимался равным 1,60, и рас-

Рис. 1. Чертеж образцов № 1 и № 2 (контактный стык)

Теория расчета строительных конструкций

Рис. 2. Чертеж образцов № 3 и № 4 (комбинированный стык)

Таблица 1

Физические характеристики	Образец № 1 (без опирания)	Образец № 2 (без опирания)	Образец № 3 (сопиранием)	Образец № 4 (сопиранием)
Проч. СП, МПа	33,5 (ИПС)	33,8 (ИПС)	35 (ИПС)	42,1 (ИПС)
			45,8 (куб)	41,9 (куб)
Проч. ПП, МПа	35 (ИПС)	31,6 (ИПС)	62,3 (ИПС)	57 (ИПС)
Проч. монолит.бет. МПа	31 (ИПС)	32,6 (ИПС)	33,5 (куб)	34,2 (куб)
	33 (куб)	32,6 (куб)
Разруш. нагрузка, тс	150	140	110	95
Выдержка, мин.	10	15	10	20
Средние деформации перед разрушением
И 1(7), мм	0,27 (раст)	0,24 (раст)	0,56 (раст)	0,30 (раст)
И 2(8), мм	0,18 (сж)	0,20 (сж)	0,07 (сж)	0,13 (раст)
И 3(6), мм	0,88 (сж)	0,50 (сж)	0,37 (сж)	0,23 (сж)
И 4(5), мм	0,57 (сж)	1,01 (сж)	1,53 (сж)	1,10 (сж)

Примечание: ПП – плита перекрытия, СП – стеновая панель.

Прочность конструкций стыка и деформация в образцах перед разрушением

считывалось количество этажей, которое стык сможет выдержать.

Деформативность стыка определялась сравнением замеренных деформаций перед разрушением с нормируемыми предельными значениями по СП 52-101-2003 [9]: при сжатии е bnlt = 0,0035 > е Оп ,

1обр

2обр

при растяжении е bnlt = 0,00015 >е™ . Среднее

3обр

140•Ю3 • 25

330•Ю3 *16• 37

120•Ю3 • 25

330•Ю3 -16• 37

100•Ю3 • 20

330•Ю3 "16• 40

= 0,0192 см;

= 0,0154 см ;

= 0,0095 см;

опытное значение вертикальных абсолютных деформаций – среднее арифметическое между показаниями приборов И 3(6) и И 4(5), среднее теоретическое значение вертикальных абсолютных деформаций рассчитывалось по формуле:

4обр

60 •Ю3 • 20

330•Ю3 '16• 40

= 0,0071см.

К ^теор = — L , EA

где F – нагрузка, E – модуль упругости бетона, A – площадь поперечного сечения; L – база приборов И 3(6) и И 4(5).

Результаты расчётов коэффициентов безопасности по нагрузке на перекрытие, стеновую панель, а также расчёта деформативности стыка представлены в табл. 2.

Для вычисления теоретической прочности стыка от действия нагрузки на стеновую панель необходимо знать величину эксцентриситета вер-

тикального усилия, передающегося на стык, кото- рая вычисляется из системы уравнений:

E 1 = EA	±	F e 0     оп ^1 EW  1
_ _ F 1 E A	±	F e 0     оп ^? EW  2

Результаты расчётов теоретических эксцентриситетов по формуле (2) представлены в табл. 2. Поскольку теоретический эксцентриситет для образцов № 1–3 меньше опытного, следовательно, при расчетах необходимо учитывать эксцентриситет, возникающий от действия нагрузок на стеновую панель. В образце же № 4 была обнаружена вертикальная трещина перед испытаниями.

Теоретическую прочность стыка с учетом эксцентриситета возможно определить по формуле СП 52-101-2003 (П.6.1 и 6.2):

N ^кр = R b bh [ 1 - -2^1                    (3)

I h )

Например, для образца №1:

N ^кр = 138,4 • 37 - 16 1 1-- ,----- | — 76 тс.

I      16   J

Результаты вычисления N ^кр для остальных образцов представлены в табл. 2.

При учете длительной нагрузки и продольной арматуры несущая способность стыков увеличивалась. Коэффициенты безопасности по прочности стыков представлены в табл. 3.

Прочность на действие поперечной силы вы- числялась по формулам СП 52-101-2003 (П.6.71). Теоретическое усилие рассчитывалось по формулам:

n _ Фb2 Rbt b h0

Qb =              .

2 C max

Например, для образца № 1:

37-13

Q b 1 = 0,5 - 10,0-2- = 1,20 тс;

q = ,5 ^0,0 37 3 = 1,20тс.

^b 2 • 39

Следовательно, коэффициент безопасности по отношению к теоретическому усилию в плите перекрытия равен:

1,941

K = -2----= 1,62 > 1,60.

без 1,20

Следовательно, для образца № 1 безопасность обеспечивается.

Коэффициенты безопасности прочности стыков от действия нагрузки на перекрытиедля остальных образцов представлены в табл. 3, а схемы разрушения представлены на рис. 3. Прочность на действие поперечной силы образца №4 не определялась, поскольку плита перекрытия не была нагружена блоками ФБС из-за наличия вертикальной трещины на расстоянии 300 мм от опоры (стены). Для все оставшихся образцов условие безопасности не выполняется. Следовательно, для обеспече-

Таблица 2

Сводная таблица результатов испытаний (по отношению к нормативным показателям)

Техническая характеристика	Образец № 1	Образец № 2	Образец №3	Образец №4
K без на ПП по отношениюк нормативной нагрузке 800 кг/м2	2,72	2,29	1,83	–
Кол-во этажей, при K без = 1,60 на СП	42	39	28	24
Отнош. фактич. деформаций к теоретич.	0,38	0,49	1	0,94
Теоретический эксцентриситет, вычисленный по формуле (2) e 0 теор , см(эксцентриситет при испытаниях: e оп — 1,5 см)	0,57	0,90	1,41	1,74
N кр, теоретическая прочность стыка с учетом эксцентриситета, тс	76	70,9	71,7	79,4
Общее фактическое поперечное усилие на ПП, тс	1,941	1,693	1,470	–

Примечание: ПП – плита перекрытия, СП – стеновая панель.

Коэффициенты безопасности конструкций стыка

Таблица 3

Техническая характеристика	Образец № 1 (без опирания)	Образец № 2 (без опирания)	Образец № 3 (сопиранием)	Образец № 4 (сопиранием)
K безстыка от действия нагрузки на СП	1,97	1,97	1,50	1,20
K безстыка от действия нагрузки на ПП по отношению к теоретическому усилию	1,62	1,39	1,20	–
К б ез на ПП по отношению к нормативной нагрузке 800 кг/м2	2,72	2,29	1,83	–

Примечание: ПП – плита перекрытия, СП – стеновая панель.

Теория расчета строительных конструкций

Рис. 3. Схемы разрушения образцов

ния надежности стыка необходимо ограничивать величину расчетной нагрузки.

В результате проведенного комплексного испытания установлено, что надежность стыка обеспечивается, независимо от того, опирается ли плита перекрытия на стеновую панель или нет. Таким образом, можно использовать небольшое опирание плиты перекрытия для облегчения процесса монтажа. Кроме того, в ходе проведенных испытаний было установлено:

• 1.    Испытанные стыки обладают необходимой прочностью, обеспечивающей безопасность от разрушения.

• 2.    Испытанная конструкция стыка обладает деформативностью (податливостью), которую необходимо учитывать при расчете несущей системы здания.

• 3.    Установлено влияние эксцентриситета силы на напряжённое состояние стыка, которое необходимо учитывать при расчете стыка.

• 4.    За время выдержки (10–20 мин) наблюдались приращения деформаций, что соответственно ведет к увеличению эксцентриситета и снижению прочности.