Расчет железобетонных стержневых конструкций несущих рамных систем многоэтажных зданий

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 624.07+721.011                                 

С ростом этажности здания становятся сложными и ответственными инженерными сооружениями. В жилом и административном высотном здании одновременно находятся тысячи народов, жизнь и благополучие тот или другой открыто зависят от познания и умения проектировщиков и строителей, осуществляющих предоставленные постройки [1].

Разрезка многоэтажного рамного каркаса на сборные элементы оказывает значительное влияние на технико-экономические показатели здания. От этого зависят масса, геометрические размеры, конфигурация сборных элементов, технологичность их изготовления и монтажа, а также количество монтажных единиц и их соединений. Опыт проектирования и строительства показывает, что разрезка сборных рамных каркасов наиболее рациональна если: сборные конструкции представляет линейные элементы в виде отдельных ригелей и колонн; соединения располагаются в удалении от узлов рамы, где действуют максимальные внутренние усилия, или в местах удобных для производства монтажных работ; количество монтажных элементов и соединений минимальнo. Выполнить одновременно все приведенные условия на практике невозможно, так как некоторые из них взаимно исключают друг друга. Невозможно разрезать раму так, чтобы сборные конструкции были линейными, а все соединения располагались в удалении от узлов. Стремление удовлетворить сочетанию тех или иных условий оказало влияние на появление различных схем разрезки многоэтажных железобетонных рам на сборные элементы (Рисунок 1, 2), которые можно объединить в следующие три группы: узловая разрезка; внеузловая (выносная) разрезка; линейная разрезка. На Рисунке 1 а показана узловая раздельная разрезка рамы на П-образные монтажные элементы с ригелями вставками, здесь ригели и колонны также разрезаются в узлах рамы, но функционально разделены друг от друга. Основным недостатком этой узловой разрезки является расположение соединений в узлах рамы, где действуют максимальные усилия. Разрезка каркаса на крестообразные элементы (Рисунок 1б), была применена при строительстве комплекса зданий курорта «Пицунда». Затем аналогичные конструкции применялись в Ташкенте, Алматы и других городах. В г. Бишкеке из крестообразных элементов построены восьмиэтажная гостиница и жилые девятиэтажные дома. Разрезка рамы на Н-образные элементы с двумя консолями применена ЦНИИЭП лечебно-курортных зданий при проектировании ряда крупных многоэтажных зданий, в том числе в сейсмических районах.

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 9. №7. 2023

Рисунок 1. Схемы членения многоэтажных каркасов: а ) – П-образные рамы с консолью, соединенные прямолинейными вставками; б ) – крестообразные колонны, соединенные прямолинейными ригелями; в , г – линейная с колоннами на этаж и прямолинейными ригелями; 1-стык сборных железобетонных конструкций [4]

На Рисунке 1 в,г показана совмещенная разрезка, при которой членение рам на сборные элементы совмещено в узле рамы. Сборные элементы представляют однопролетные ригели и одноэтажные колонны, соединения которых функционально и конструктивно совмещаются в узле. На Рисунке 2 а б показана схема членения сборных железобетонных каркасов на составные элементы, т.е. на одноэтажные колонны и двух пролетные ригели, многоэтажные колонны и однопролетные ригели. На Рисунке 2 б показана линейная разрезка рам. Ригели разрезаются в узлах рамы, а колонны — вне узлов на расстоянии 80-100 см выше уровня перекрытия. При этой разрезке сборные конструкции представляют технологичные в изготовлении линейные элементы — отдельные ригели и колонны, а в не узловое расположение соединений колонн обеспечивает удобный доступ к соединению при производстве монтажных работ, снижает величину изгибающего момента в стыке и способствует упрощению его конструкцию. Но соединения ригелей с колоннами расположены в узлах рам, где действуют максимальные усилия, не смотря на это, линейная разрезка получила наиболее широкое применение. Поэтому необходимы экспериментальные исследования соединений ригеля с колонной и влияние их на работу рамного каркаса. При укрупненной линейной разрезке количество монтажных единиц уменьшается, если колонны проектируют высотой на два и более этажей (Рисунок 2 б ).

На Рисунке 2 в, г, д, е показана вне узловая разрезка рам. Здесь сборные конструкции представляют нелинейные крестообразные, П-образные, H-образные, Т-образные и Г-образные элементы, а соединения располагаются в удалении от узлов. Применение в не узловой разрезки обусловлено стремлением максимально уменьшить количество монтажных единиц и их соединений расположить последние в удалении от узлов рамы, где действуют максимальные усилия. Соединения сборных конструкций четко дифференцируются по функциональному назначению — колонны соединяются с колоннами, а ригели — с ригелями. Расположение их в местах действия незначительных изгибающих моментов, облегчает конструктивное решение.

Рисунок 2. Схемы членения сборных железобетонных каркасов на составные элементы: а ) – одноэтажные колонны и двух пролетные ригели; б ) – многоэтажные колонны и однопролетные ригели; в ) – П-образные рамы; г ) – Н-образные рамы; д ) – тавровые и Г-образные колонны и ригели – вставки; е ) – Н-образные рамы при консольной схеме [4]

Монолитность центральной зоны узлов каркаса, бетонирование которых производится в заводских условиях, повышает прочность и жесткость. Широкому применению в не узловой разрезки препятствуют присущие ему недостатки. Изготовление крестообразных и других, сложных по конфигурации сборных конструкций менее технологично — требуется более громоздкая опалубка, затруднена механизация изготовления элементов, увеличивается трудоемкость изготовления арматурных каркасов, не рационально используются производственные площади и камеры по термообработке заводов железобетонных изделий, при транспортировке и монтаже применяются специальные приспособления, для складирования необходимы большие площади. Усложняется монтаж сборных конструкций в связи с необходимостью обеспечить наводку и точную соосность по трем смежным сопряжениям. Поэтому такая разрезка не получила широкого распространения. Конструкция соединения ригеля с колонной должна обеспечивать: прочность и геометрическую неизменяемость здания при воздействии различных нагрузок как в период монтажа, так и при его эксплуатации; технологичность изготовления сборных конструкций в заводских условиях и их монтажа при возведении здания; экономичный расход материальных средств, трудовых и энергетических ресурсов при изготовлении сборных конструкций, их монтаже и эксплуатации [1, 2].

Наибольшее распространение в практике строительства получили, линейная разрезка рам, что обусловлено в основном преимуществами изготовления и монтажа сборных конструкций в виде отдельных ригелей и колонн. В связи с этим, в работе рассматриваются конструктивные решения соединений ригеля с колонной. Экспериментальные исследования выявили, омоноличенные сборно-монолитные соединения при нагружении обладают нелинейной податливостью. Нелинейная податливость влияет на перемещения и распределения усилий в элементах рамного каркаса зданий, поэтому ее необходимо учитывать в расчетах при проектировании сборных рамных каркасов зданий [3-6].

Железобетонные рамные системы широко используются в качестве несущих и связевых каркасов зданий многообразной этажности. При нагружении рамной системе, в ригелях и колоннах образуются трещины, а в соединениях сборных элементов проявляется податливость. Настоящие факторы оказывать влияние на перемещение, перераспределение усилий и другие характеристики рамной системе. Несущие системы нынешних многоэтажных зданий создадутся, как правило, из стержневых железобетонных элементов, надежная работа отдельных элементов и их совокупности должна быть обеспечена расчетом на все нагрузки и воздействия в стадии изготовления, монтажа и эксплуатации.

В этих расчетах наиболее ответственным фазой является построение расчетных моделей для отдельных элементов и несущих систем в целом, в то же время расчетная модель должна быть элементарна и свободно реализуема с использованием вычислительной техники. Бетон не только упругопластичный, но и анизотропный материал с различной деформативностью и прочностью при растяжении и сжатии. Эти свойства при изгибе вызывают эффект разгрузки средней части сечения, обуславливая внутреннюю статическую неопределимость и особенность напряженно-деформированного состояния сечений железобетонных элементов как до, так и после образования трещин.

На современном этапе методы расчетов, учитывающие трещинообразование и нелинейную податливость соединений на работу рам, недостаточно разработаны, а влияние эффекта разгрузки средней зоны сечений на особенность напряженно-деформированного состояния сечений не определено даже для стадии работы до образования трещин, вследствие нерешенности задачи по раскрытию внутренней статической неопределимости. Актуальность данной работы является формирование дискретной расчетной модели в виде метода сосредоточенных деформаций и аналитические, использовании его для расчета железобетонных стержневых конструкций несущих систем многоэтажных зданий [1].

В практике проектирования и строительства многоэтажных каркасных зданий применяются различные схемы разрезки рам на сборные элементы, но наибольшее распространение получила узловая разрезка на линейные элементы, что обусловлено технологичностью изготовления и монтажа конструкций из линейных элементов отдельных ригелей и колонн. Нелинейная податливость влияет на перемещения и распределения усилий в элементах рамного каркаса зданий, поэтому ее необходимо учитывать в расчетах при проектировании сборных рамных каркасов зданий.