Рекомендации по расчету каркасов многоэтажных зданий сборных железобетонных конструкций

ПРЕДИСЛОВИЕ

Каркасные здания промышленного и гражданского назначения являются массовыми конструктивными системами.

Они получили распространение благодаря широким возможностям вариаций объемно планировочных решений внутреннего пространства, а также за счет полной индустриализации изготовления и монтажа конструкций , дифференциации несущих и ограждающих элементов по назначению, что позволяет с использованием системы унификации и типизации эффективно распределять материалы и сократить их общий расход.

Особенностью каркасов многоэтажных зданий из сборного железобетона является большое количество узловых сопряжений, которые в соответствии с принятой системой разрезки здания на элементы, располагаются, как правило, в наиболее напряженных зонах [8, 22, 24, 28, 34, 35, 39].

При этом для стыков сборных элементов характерна повышенная деформативность вследствие обмятия бетона по контактным поверхностям и трещинообразования, податливости сварных соединений арматуры и закладных деталей [2, 3, 4, 8, 9, 11, 12, 25, 37].

Кроме того, в узловых сопряжениях в большей степени проявляется физическая и конструктивная нелинейность, и их податливость меняется в зависимости от напряженно - деформированного состояния [3, 9, 14, 21, 26].

Экспериментальные исследования показывают, что переменная податливость сопряжений приводит к существенному (до 40 %) перераспределению усилий [20, 41]. В существующих методах расчета пока не в полной мере учитывается влияние податливости узловых сопряжений на совместную работу несущих подсистем каркасных зданий - продольных и поперечных рам, дисков перекрытия и диафрагм жесткости.

В основном это объясняется недостаточной изученностью пространственного взаимодействия сборных элементов, как в упругой, так и в пластической стадиях работы [1, 7, 23, 32, 33]. Поэтому, как правило, расчет каркасных зданий производится по расчетным схемам с шарнирными или жесткими узлами сопряжений элементов, что не всегда адекватно отражает работу конструкции.

При современных повышенных требованиях к экономической эффективности конструктивных решений исследования по дальнейшему уточнению расчетных схем приобретают особую актуальность. Благодаря интенсивному развитию вычислительной техники и программного обеспечения, реализующих численные методы расчета (в основном, метод конечных элементов), стало возможным моделировать сложные процессы взаимодействия и проводить вычисления по пространственным расчетным схемам с требуемой точностью.

Однако, для адекватного описания напряженно - деформированного состояния необходимо опираться на общие физические закономерности работы сопряжений различной конструкции, в которых до настоящего времени еще ощущается недостаток.

В рекомендациях предложена методика оценки податливости сопряжений сборных железобетонных конструкций, основанная на обширных экспериментальных исследованиях ряда авторов. Даны рекомендации по составлению расчетных схем каркасов многоэтажных зданий, в которых моделируется податливость сопряжений стержневых и плоскостных элементов здания.

При этом учитывается физическая и конструктивная нелинейность сопряжений. Вследствие сложности напряженно - деформированного состояния и большого количества конструктивных факторов, влияющих на пространственную работу сопряжений, рекомендации применимы к конкретным конструктивным решениям массового применения.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие рекомендации применимы при расчете связевых, рамных и комбинированных каркасов многоэтажных зданий с конструкциями вертикальных элементов жесткости в виде стальных решетчатых связей, сплошных и с проемами железобетонных диафрагм с переменными по высоте характеристиками.

1.2. Рекомендации могут быть использованы при расчете каркасов, воспринимающих особые нагрузки и воздействия (действие сейсмических и кратковременных динамических нагрузок, проектирование зданий на просадочных основаниях).

1.3. В рекомендациях излагается метод определения податливости сопряжений сборных железобетонных конструкций для формирования плоских и пространственных расчетных моделей каркасов многоэтажных зданий при расчете методом конечных элементов, который также может быть использован при расчете конструкций другими численными и аналитическими методами.

1.4. Под податливостью стыка понимается повышенная деформативность соединения на малом, по отношению к высоте сечения, участке длины стыка по сравнению с деформативностью стыкуемых элементов.

По физической сути податливость соединения равна смещению, вызванное единичной силой - при сжатии - растяжении, сдвиге или повороте.

1.5. Деформативность (в дальнейшем податливость) стыков несущих элементов каркаса - колонн, ригелей, плит перекрытий, элементов диафрагм жесткости и фундаментов может быть вызвана следующими факторами:

снижение расчетных стыкуемых площадей конструкций для обеспечения соединений арматуры;

обмятие бетона конструкций и шва по контактным поверхностям и развитие,

вследствие этого,

неупругих деформаций;

пониженная трещиностойкость и сопротивляемость развитию трещин бетона шва;

податливость сварных соединений арматуры и закладных деталей и т.д.

1.6. При изменении напряженно - деформированного состояния узлового сопряжения вследствие проявления физической и конструктивной нелинейности податливость сопряжения изменяется.

1.7. В расчетах конструкций при определении податливости рекомендуется использовать так называемый коэффициент жесткости стыка, который определяется как тангенс угла наклона секущей к кривой на диаграмме усилие - перемещение для стыка.

1.8. Следует различать линейную, угловую и сдвиговую податливость, которые зависят от соответствующих деформаций.

Линейная податливость (1/Cх, 1/Cy, 1/Cz) обусловлена деформациями растяжения - сжатия и характеризуется зависимостью «N- δ ».

Сдвиговая податливость (1/Сγ) обусловлена деформациями сдвига при действии поперечной силы и характеризуется зависимостью «Q- γ».

Угловая податливость (1/Сφ) обусловлена деформациями поворота при действии изгибающего или крутящего момента и характеризуется зависимостью «М - φ».

 

2 . КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ УЗЛОВЫХ СОПРЯЖЕНИЙ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ

2.1. Общие требования

2.1.1. Каркас здания должен работать под нагрузкой как единая пространственная система.

В связи с этим к сопряжениям сборных железобетонных конструкций предъявляется комплекс требований:

 - прочность стыка должна быть не ниже стыкуемых элементов для исключения преждевременного разрушения конструкции, как в стадии монтажа, так и при воздействии эксплуатационных нагрузок;

 - жесткость стыка должна обеспечивать передачу расчетных усилий сопряженных элементов, неизменяемость их взаимного положения, нормируемые перемещения элементов под нагрузкой и пространственную жесткость здания в целом.

Кроме того, стыки должны быть по возможности универсальными, технологичными при монтаже, обеспечивать правильность соединения элементов и располагаться в зонах с минимальными усилиями.

2.1.2. Связь стыкуемых железобетонных элементов обеспечивается следующим образом:

для восприятия растягивающих усилий производится сварка арматурных стержней или закладных деталей;

для восприятия сжимающих усилий, в дополнение к сварным соединениям, швы между элементами омоноличиваются;

для передачи сдвигающих усилий выполняются сварные соединения и устраиваются бетонные шпонки.

2.2. Вертикальные стыки колонн

2.2.1.

Вертикальные стыки колонн по расчетно-конструктивному признаку относят к стыкам, работающим на внецентренное сжатие, которые рекомендуется размещать в зонах с минимальными изгибающими моментами.

Требования к вертикальным стыкам заключаются в обеспечении соосной передачи продольных усилий и распределения концентрированных сжимающих напряжений по сечению.

Стыки колонн могут быть шарнирными (контактными), т.е. воспринимающими только продольные и поперечные силы или жесткими, рассчитанными, в дополнение к сказанному, на восприятие изгибающих моментов. Пример конструкции стыков показан на рис. 1.2

2.2. Податливость стыков колонн может быть вызвана рядом причин:

концентрацией сжимающих напряжений из-за уменьшенной расчетной площади и неровностью контактной поверхности стыкуемых элементов;

наличием растворных швов меньшей прочности;

повышенной деформативностью сварных соединений продольной арматуры (рис. 1, в).

При размещении стыков в зоне с минимальными изгибающими моментами рекомендуется учитывать только линейную податливость.

2.2.3. Податливость стыков колонн с ростом нагрузки повышается за счет развития неупругих деформаций в элементах соединения. Интенсивное повышение деформативности стыка проявляется на этапах уровней нагрузки 0,6-0,8NR (NR-разрушающая нагрузка). Длина зоны повышенной деформативности зависит от конструкции стыка и определяется, как правило, участком с уменьшенным поперечным сечением (рис.1,в).

...