Выбор каркасных материалов для многоэтажных железобетонных каркасных зданий

Требования к проектированию железобетонных каркасов многоэтажных зданий, помимо рекомендаций по унификации (разработки унифицированных каркасов межотраслевого назначения), технологичности и простоте устройства стыковых соединений, облегчению несущих и ограждающих конструкций, направлены на создание конструктивных систем, способных в максимальной степени к пластическому и неупругому деформированию, поглощению энергии колебаний при сейсмических воздействиях и снижению инерционных сейсмических нагрузок, генерируемых зданием в процессе колебаний.

Рисунок 1. Колонны железобетонного каркаса: а) - постоянного сечения для крайнего ряда; б) - двухветвевая для среднего ряда, где 1 - фундамент; 2 - башмак; 3 - ствол; 4 - подкрановая консоль; 5 - оголовок; 6 – обрез колонны; 7 - решётка

На стадии проектирования целесообразно предусматривать специальные зоны образования пластических деформаций, продольное армирование колонн принимать не менее 1 % и не более 6%, а ригелей - от 1,5 до 3 %. Особое внимание уделяется поперечному армированию элементов каркасов в виде замкнутых сваркой хомутов (рис. 1), объемных спиральных каркасов и т.п., узлов ригелей и колонн (рис. 2), устройству соединений элементов сборных и сборно-монолитных каркасов.

Рисунок 2. Армирование узла сетками, расположенными нормально к оси колонны, где 1 – колонна, 2 – поперечный ригель, 3 – продольный ригель, 4 – сетки

Рисунок 3. Армирование примыкающих к узлу колонн и ригелей[6]

Стыки элементов каркаса могут осуществляться путем: сварки выпусков арматуры и замоноличивания стыка бетоном или раствором с передачей усилий через железобетон; заделки выпусков арматуры одного стыкуемого элемента в гнездах, расположенных в другом стыкуемом элементе и заполненных цементом или полимерраствором, с передачей усилий через железобетон; сварки стальных закладных деталей с передачей усилий через металл этих деталей; замоноличивания швов между элементами бетоном или раствором и последующего обжатия стыка натяжением арматуры с передачей усилий через предварительно напряженный железобетон; защемления одного из элементов посредством замоноличивания бетоном стаканного сопряжения с передачей усилий через бетон (например, для стыков колонн с фундаментами)[7].

Рисунок 4. Узлы балочного железобетонного каркаса: а) - стык колонн и опирание ригелей; б) - сопряжение ригеля с крайней колонной, где 1 - колонна; 2 - плита перекрытия; 3 - швы, заделанные бетоном; 4 - стальные оголовки колонн; 5 - выпуски арматуры; 6 - стыковые стержни; 7 - ригель; 8 - стыковая накладка

Каркасы промышленных, жилых и общественных многоэтажных зданий по способу воспринятия горизонтальных нагрузок могут быть решены:

а) по рамной схеме, с жесткими узлами колонн и ригелей, при которой горизонтальные сейсмические нагрузки воспринимаются в основном элементами каркаса; при их проектировании рекомендуется учитывать повышенную деформативность зданий высотой более 12 этажей и с небольшими размерами в плане, а также неравномерность распределения по высоте изгибающих моментов от горизонтальных нагрузок; это затрудняет унификацию элементов каркаса, и с повышением высоты зданий снижает технико-экономические показатели;

б) по рамно-связевой схеме, с системами связей и вертикальных диафрагм жесткости, при которой преобладающая часть горизонтальных нагрузок с помощью междуэтажных перекрытий передается на специальные вертикальные элементы жесткости (диафрагмы, связевые блоки, торцевые стены, стены лестничных клеток, лифтовых шахт и т. п.), а некоторая часть горизонтальных нагрузок воспринимается рамами. Применение этой схемы обычно приводит к уменьшению величин и выравниванию изгибающих моментов в элементах рам от горизонтальных нагрузок, благодаря чему облегчается возможность унификации элементов каркаса; диафрагмы, воспринимающие горизонтальную нагрузку, следует устраивать на всю высоту здания регулярно, по возможности часто и симметрично относительно осей здания (отсека);

в) по связевой схеме, с шарнирными или податливыми узлами колонн и ригелей, при которой основная часть сейсмических нагрузок воспринимается системами связей, диафрагмами, ядрами жесткости, а каркасы воспринимают только вертикальные постоянные и временные нагрузки;

г) по пространственной рамно-связевой схеме, при которой горизонтальные сейсмические нагрузки воспринимаются плоскими рамами с ядрами жесткости, пространственным наружным каркасом с ядром жесткости, пространственным связевым каркасом или пространственным каркасом в виде двух и более систем рам.

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.

Связь стыкуемых железобетонных элементов обеспечивается следующими 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.

Рисунок 5. Вертикальные стыки колонн: а) жесткий, со сваркой продольной арматуры; б) шарнирный без соединений по продольной арматуре; в) стык в сборке и эпюра распределения продольных деформаций

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. 5.

Обычно выбор схемы каркаса должен производиться на основе сравнения вариантов и их технико-экономического анализа в зависимости от количества и высоты этажей, размеров сетки колонн, величин ветровой и сейсмической нагрузок, а также грунтовых условий.

Используемые в процессе проектирования каркасных элементов многоэтажных зданий методы расчета несущей способности и деформативности должны отвечать требованиям действующих нормативных документов на конструкции из соответствующих материалов.

При размещении каркасного здания или сооружения на подрабатываемой территории, на просадочных грунтах, в сейсмических районах, а также в других сложных геологических условиях следует учитывать дополнительные требования соответствующих норм и правил.

В практике проектирования нередко используются смешанные решения, когда в одном направлении (обычно поперечном) здания выполняются по рамной схеме', а в другом — по рамно-связевой.

В случаях, когда основанием здания являются большие толщи рыхлых грунтов, предпочтение следует отдавать схемам каркаса, обладающим сравнительно более высокой жесткостью (каркасы с диафрагмами жесткости, с заполнением, включающимся в работу рам и т. п.).

Ригели рамных каркасов рекомендуется выполнять из сварных и прокатных одностенчатых двутавров, в том числе бистальных, а также с гофрированной стенкой. Толщину плоской стенки из условия ограничения гибкости при развитии пластических деформаций в ригелях следует принимать при условной гибкости λw < 1,6, что соответствует условию[8]:

Свес поясов, в свою очередь, должен соответствовать условию:

где hef - расчетная высота стенки ригеля; tw и tf — соответственно толщина стенки и полки (пояса); bef - расчетная ширина полки; Е - модуль упругости; Ry - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести.

Условную гибкость ригелей с гофрированной вертикальной стенкой необходимо принимать λw < 3,8.

Рисунок 6. Сварные рамные узлы каркаса, где – а – с ригелем постоянной высоты и гофрированной стеной, б – с увеличенной высотой ригеля[9]

В рамных железобетонных каркасах сварные узловые соединения двутавровых ригелей с колоннами замкнутого коробчатого и двутаврового сечений могут проектироваться двух типов: с накладками (рыбками), прикрепляющими полки ригелей к колоннам, и без накладок (рис. 6).

Деформативность 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. 6, б). При размещении стыков в зоне с минимальными изгибающими моментами рекомендуется учитывать только линейную деформативность.

Деформативность 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.

Рисунок 7. Сопряжение колонны со сборным перекрытием

Сопряжение перекрытия с колонной (рис. 7) должно обеспечивать передачу вертикальных и горизонтальных нагрузок от перекрытия на колоны и, при необходимости, пространственную жесткость каркаса. В сопряжении балочного перекрытия с колонной основным стыком, определяющим расчетную схему каркаса, является стык ригеля с колонной. При наличии вертикальных элементов жесткости стык межколонных (связевых) плит перекрытия с колонной оказывает меньшее влияние на статическую схему работы каркаса.

Заключение

Исходя из рассмотренного в работе материала, можно сделать вывод о том, что деформативность является свойством податливости материалов коснтрукции железобетонных каркасных зданий к изменению первоначальной формы. Иными словами, деформативность описывает способность каркасных материалов здания к изменению формы и размеров без отклонения от величины его массы.

К основным причинам, которые оказывают влияние на снижение деформативности железобетонных зданий и сооружений относятся: конструкционные дефекты (несоответствие характеристик плотности, прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, деформативности и других проектных показателей бетона; арматура и сорта металлического проката не соответствуют по химическому составу и прочности проекту и нормативным требованиям, произведена несоответствующая по параметрам замена; использование сильно корродированной арматуры; отклонение геометрических размеров элементов конструкций от проектных значений и пр.); технологические ошибки и недоработки (соединения арматурных стержней, каркасов и сеток производятся с нарушением требований соответствующих нормативов; несоответствие требованиям проекта и нормам в расположении и исполнении рабочих швов при бетонировании; пренебрежение мероприятиями по уходу за бетоном в зимний и летний период времени и пр.); проектные (неправильно выбранная конструктивная схема для данного типа сооружения, работающего в определенных климатических и эксплуатационных условиях).