Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами
Покупка
Новинка
Тематика:
Строительные конструкции
Издательство:
ТГАСУ
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 228
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-6050245-7-6
Артикул: 835114.01.99
В монографии представлены результаты исследований стыков сборных железобетонных колонн без усиления и усиленных металлическими элементами (обоймами) при статическом и кратковременном динамическом нагружениях. На основе анализа, обзора и систематизации теоретических и экспериментальных данных определены предельные состояния по прочности и деформативности стыков сборных железобетонных колонн и способы их нормирования, а также особенности и предпосылки численных и аналитических расчетов при кратковременном динамическом нагружении с учетом нелинейного деформирования бетона и арматуры. На основе нелинейной деформационной модели разработан метод расчета по прочности железобетонных колонн и их стыков при статическом и кратковременном динамическом нагружениях с учетом экспериментально полученных предпосылок и физической нелинейности бетона и арматуры. Предложено усиление стыков железобетонных колонн металлической обоймой в виде П-образных стержней, а также инженерный метод его расчета, новизна которых подтверждена патентом на изобретение РФ. Монография предназначена для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций, других предприятий и учреждений, занимающихся ремонтом, восстановлением и реконструкцией зданий и сооружений, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов и техникумов строительных специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- ВО - Магистратура
- 08.04.01: Строительство
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» В.С. Плевков, М.Е. Гончаров СТЫКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН С УСИЛЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Монография Под редакцией В.С. Плевкова Томск Издательство ТГАСУ 2023
УДК 624.012.35:69.057.43 ББК 38.536.2+38.638.035 П38 Плевков, В.С. Стыки железобетонных колонн с усилением металли ческими элементами : монография / В.С. Плевков, М.Е. Гончаров ; под ред. В.С. Плевкова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2023. – 228 с. – Текст : непосредственный. ISBN 978-5-6050245-7-6 В монографии представлены результаты исследований стыков сборных железо бетонных колонн без усиления и усиленных металлическими элементами (обоймами) при статическом и кратковременном динамическом нагружениях. На основе анализа, обзора и систематизации теоретических и экспериментальных данных определены предельные состояния по прочности и деформативности стыков сборных железобетонных колонн и способы их нормирования, а также особенности и предпосылки численных и аналитических расчетов при кратковременном динамическом нагружении с учетом нелинейного деформирования бетона и арматуры. На основе нелинейной деформационной модели разработан метод расчета по прочности железобетонных колонн и их стыков при статическом и кратковременном динамическом нагружениях с учетом экспериментально полученных предпосылок и физической нелинейности бетона и арматуры. Предложено усиление стыков железобетонных колонн металлической обоймой в виде П-образных стержней, а также инженерный метод его расчета, новизна которых подтверждена патентом на изобретение РФ. Монография предназначена для инженерно-технических работников проект ных и строительных организаций, других предприятий и учреждений, занимающихся ремонтом, восстановлением и реконструкцией зданий и сооружений, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов и техникумов строительных специальностей. УДК 624.012.35:69.057.43 ББК 38.536.2+38.638.035 Рецензенты: В.М. Митасов, профессор, докт. техн. наук, НГСУ; О.Г. Кумпяк, профессор, докт. техн. наук, ТГАСУ. ISBN 978-5-6050245-7-6 © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2023 © Плевков В.С., Гончаров М.Е., 2023 П38
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ..................................................................................................... 5 Глава 1. Состояние вопроса по исследованию прочности стыков железобетонных колонн............................................................ 7 1.1. Конструктивные решения стыков сборных железобетонных колонн...................................................................................................... 7 1.2. Дефекты стыков сборных железобетонных колонн................... 20 1.3. Исследование прочности железобетонных колонн и их стыков с учетом пространственной работы зданий.................. 27 Глава 2. Теоретические исследования стыков железобетонных колонн....................................................................................................... 33 2.1. Предпосылки расчета.................................................................... 33 2.1.1. Предельные состояния и способы их нормирования для железобетонных колонн и их стыков ...................................... 33 2.1.2. Прочностные и деформативные характеристики бетона при статическом и кратковременном динамическом нагружениях...................................................................................... 43 2.1.3. Прочностные и деформативные характеристики арматуры при статическом и кратковременном динамическом нагружениях...................................................................................... 51 2.2. Численные расчеты стыков железобетонных колонн................ 57 2.2.1. Численные расчеты стыков железобетонных колонн с использованием программы Dynamic 3D.................................... 57 2.2.2. Численные расчеты стыков железобетонных колонн с использованием вычислительных комплексов SCAD и «ЛИРА» .......................................................................................... 73 Глава 3. Экспериментальные исследования стыков железобетонных колонн при статическом и кратковременном динамическом нагружениях................................................................. 82 3.1. Программа экспериментальных исследований. Выбор и конструкция опытных образцов....................................................... 82 3.2. Методика проведения испытаний................................................ 90 3.3. Результаты экспериментальных исследований ........................ 101
Глава 4. Методы расчета стыков сборных железобетонных колонн..................................................................................................... 118 4.1. Расчет прочности стыков железобетонных колонн с использованием нормативных документов................................... 118 4.1.1. Особенности стыков элементов сборных железобетонных колонн................................................................. 118 4.1.2. Расчет стыков сборных железобетонных колонн.............. 123 4.1.3. Учет косвенного армирования при расчете стыков сборных железобетонных колонн................................................. 127 4.2. Расчет прочности стыков железобетонных колонн по предельным усилиям с учетом пространственной модели профессора Б.С. Соколова ................................................................. 132 4.3. Динамический расчет стыков железобетонных колонн с использованием деформационной модели.................................... 138 4.4. Расчет стыков сборных железобетонных колонн, усиленных металлическими обоймами в виде П-образных стержней.............................................................................................. 157 Заключение............................................................................................ 164 Библиографический список ............................................................... 166 Приложение. Варианты усиления железобетонных колонн и их стыков.............................................................................................. 184
ВВЕДЕНИЕ В последнее время вопросы реконструкции зданий и сооружений, связанные с переоборудованием и изменением их функционального назначения, приводящие к появлению или значительному увеличению статических и динамических нагрузок, являются по-прежнему актуальными. Увеличению параметров действующих усилий в несущих железобетонных конструкциях и их стыках для каркасных зданий и сооружений также способствуют изменения в современной нормативной базе. Анализ конструктивных решений стыков сборных железобетон ных колонн каркасных зданий показал, что широкое распространение получил стык колонн, выполняемый с ванной сваркой продольных стержней. Данные стыки очень чувствительны к технологическим, конструктивным и другим отступлениям, что может привести к отказу отдельных несущих железобетонных конструкций или зданий в целом с повреждениями дорогостоящего оборудования, травмами и даже гибелью людей. Имеющиеся на сегодняшний день теоретические и эксперимен тальные исследования работы стыков железобетонных колонн в основном проводились для статических нагружений. Исследований стыков железобетонных колонн при действии кратковременных динамических нагрузок крайне недостаточно. Таким образом, решение вопросов по расчету прочности и дефор мативности стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими обоймами, является актуальным и имеет большое практическое значение при проектировании и реконструкции зданий и сооружений. В первой главе проведен обзор теоретических и эксперименталь ных исследований стыков железобетонных колонн, при этом отмечена недостаточность указанных исследований по кратковременным динамическим нагружениям. Рассмотрены результаты обследований многоэтажных каркасных зданий и выполненных расчетов пространственных систем данных зданий. Вторая глава посвящена предпосылкам расчета сборных железо бетонных колонн и их стыков без усиления и усиленных металлическими элементами, а также их численным расчетам методом конечных элементов в трехмерной постановке при кратковременном динамиче
Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 6 ском и статическом нагружениях. Приведены результаты расчетов, выполненных в трехмерной волновой динамической постановке с использованием программы Dynamic 3D, а также с применением программных комплексов SCAD и «Лира». В третьей главе приведены результаты экспериментальных ис следований работы стыков железобетонных колонн при статическом и кратковременном динамическом нагружениях. Четвертая глава посвящена расчетам прочности стыков сборных железобетонных колонн на действие динамических нагрузок по предельным усилиям с применением нормативных документов, а также зависимостей, основанных на теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и пространственной модели разрушения стыков, предложенной профессором Б.С. Соколовым для статически нагруженных колонн. В приложении приведено более 80 вариантов усиления и восста новления железобетонных колонн и их элементов.
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЧНОСТИ СТЫКОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН 1.1. Конструктивные решения стыков сборных железобетонных колонн Колонна – вертикальный стержневой элемент каркаса, служащий в основном для восприятия вертикальной нагрузки от прикрепленных к нему или опирающихся на него других элементов – ригелей, балок, плит покрытия и перекрытия и др. Колонны могут быть бесстыковыми и стыковыми. Бесстыковые ко лонны имеют предельную высоту и применяются в зданиях малой и средней этажности. Применение стыков сборных железобетонных колонн по высоте позволяет увеличить этажность зданий и сооружений. Однако при стыковании железобетонных колонн количество стыков должно быть минимальным в связи со значительными трудозатратами при их устройстве. С этой целью колонны могут изготавливаться на два или на три этажа, а стыки располагаются в наименее напряженных сечениях (вблизи нулевых точек изгибающих моментов), т. к. сечение по стыку обычно менее прочно и жестко по сравнению с основным сечением колонны. Обычно для удобства производства работ стык располагают на высоте 0,7−0,9 м от уровня пола перекрытия [39, 97, 111, 147, 150, 170]. Стыки сборных железобетонных колонн обычно проектируются с некоторым запасом прочности по сравнению с сопрягаемыми элементами. В месте стыка возможно возникновение дополнительных усилий, вызванных эксцентриситетами из-за дефектов изготовления и монтажа конструкций, различными свойствами материалов, неравномерными напряжениями от сварки закладных деталей, выпусков продольной арматуры [147, 150]. В отечественной практике строительства конструкции стыков ко лонн прошли эволюцию от бессварных шарнирных стыков и стыков, соединяемых сваркой тяжелых оголовников в серии ИИ-04, до стыков, выполняемых с ванной сваркой выпусков продольной арматуры, винтовых и пр. [176].
Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 8 Исследованию стыков сборных железобетонных колонн при ста тическом нагружении посвящены работы А.П. Васильева [26−32, 177], В.М. Горшковой [44], В.Н. Гусакова [53], В.В. Иванова [30, 32, 64], В.Г. Кваши [70], Н.Н. Коровина [73], Ю.Л. Крицмана [56], С.М. Крылова [73], А.А. Кудрявцева [74], Р.Р. Латыпова [159, 162, 164, 165], В.В. Левчича [70], Л.Н. Литвинова [78], В.П. Малышева [84], Н.Г. Маткова [26−30, 32, 33, 74, 87, 88−91, 176], Г.П. Никитина [101, 102, 161], Е.Г. Родичкина [64], Б.С. Соколова [159−165], А. Эпп [186] и др. Исследования зарубежных ученых в основном направлены на расчет и конструирование железобетонных конструкций при действии на них сейсмических нагрузок [190, 193, 194, 198]. В работе [198] рассматриваются железобетонные конструкции, подверженные локальному загружению. В отечественном строительстве первое полносборное жилое зда ние, имеющее 7 этажей, было возведено в 1927 г. в Москве и предназначалось для общежития. Конструкции данного каркаса были разработаны в Государственном институте сооружений (ГИС) под руководством А.А. Гвоздева и по предложению А.Ф. Лолейта, Г.Б. Красина и Е.В. Костырко, стыки колонн были выполнены в уровне перекрытия с контактом плоских торцов колонн и опорной части продольной балки. При данном конструктивном решении колонны и их стыки работали на сжатие, близкое к осевому [176]. Позже сотрудниками ГИС был предложен стык колонн в виде шарнирного опирания (рис. 1.1, а). Каркас здания при данном варианте стыков собирался из П-образных рам с односторонними консолями и подвесных ригелей. Шарнирное опирание рамам обеспечивали сферические торцы стоек. Для изучения работы шарнирного стыка А.П. Васильевым было испытано 8 экспериментальных образцов колонн со стыками. Проведенные испытания позволили выявить большую деформативность данных стыков вследствие обжатия сферических торцов, развития трещин и скалывания углов. Разрушение происходило не в уровне стыка, а по телу колонны. Конструктивное решение в виде П-образных рам было применено на некоторых многоэтажных промышленных зданиях. Исследования шарнирных стыков были продолжены С.М. Крыловым и Н.Н. Коровиным [173, 176]. Предложено сферический стык располагать в уровне перекрытия, а расчетную схему при этом рассматривать как одно- или двухэтажную раму с шарнир
Глава 1. Состояние вопроса по исследованию прочности стыков 9 ными опорами и жестким сопряжением ригелей с колоннами. При этом высота каркаса ограничивалась 16 этажами. Однако с увеличением этажности зданий, которое приводит к повышению нагрузок, потребовалось включить в работу оборванные в зоне стыка стержни посредством соединения их при помощи сварки (рис. 1.1, б). При таком конструктивном решении была нарушена идея шарнира, а в уровне стыка наблюдалось образование трещин и даже разрушение бетона, что потребовало отказаться от сухого опирания по всей сфере колонны. Было предложено выполнять плоскую краевую срезку части вогнутой сферы с инъецированием зазора между торцами колонн (рис. 1.1, в). Экспериментально было доказано снижение деформативности сферических стыков, которая зависела от кривизны стыкуемых элементов и прочности раствора в шве. При возведении ряда каркасных зданий в сейсмических районах были разработаны и предложены сферические стыки колонн с центрирующим стержнем в нижней колонне и гнездом в верхней. Рис. 1.1. Конструктивное решение стыков сборных железобетонных ко лонн со сферическими торцами: а – без сварки; б, в – со сваркой продольных стержней Несмотря на простоту устройства сферических стыков сборных железобетонных колонн, они не получили широкого распространения при возведении каркасных зданий из-за образования дополнительных шарниров, которые способствуют увеличению изгибающих моментов в узлах сопряжения ригелей с колоннами. Кроме этого, сборные желе а б в
Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 10 зобетонные колонны со сферическими торцами должны иметь высокую степень точности при изготовлении и монтаже. При переходе на заводское изготовление железобетонных конструк ций потребовалось создание отдельных линейных элементов каркаса. Первое каркасное многоэтажное здание, построенное из линей ных элементов, было возведено в 1934 г. Колонны были выполнены с разрезкой на один этаж. Ригели имели двухстенчатое сечение с поперечными диафрагмами, которые совместно образовывали стаканы для стыковки колонн (рис. 1.2, а). Стыковка колонн могла происходить без перепуска и с перепуском арматуры колонн. Такие замоноличенные стыки обладали большой прочностью и жесткостью и обеспечивали работу каркаса как рамной конструкции, аналогичной монолитной. В Магнитогорске для сборного каркаса был разработан и приме нен совмещенный узел колонны с прогоном, который требовал выполнения массивной надколонной части прогона с двумя конусообразными отверстиями для установки колонн (рис. 1.2, б). Недостатком такого решения являлось возникновение в конструкции прогона усилия раскалывания, для восприятия которого требовалась установка дополнительного армирования. Кроме этого, выполнение таких узлов требует очень точного изготовления. Рис. 1.2. Конструктивные решения бессварных стыков сборных колонн: а – со стаканом из двухстенчатых ригелей с поперечными диафрагмами; б – с конусообразными отверстиями в прогонах а б
Глава 1. Состояние вопроса по исследованию прочности стыков 11 В практике строительства многоэтажных зданий с безбалочными перекрытиями получили свое место стыки сборных железобетонных колонн, выполняемые в уровне перекрытия с капителями (рис. 1.3, а, б), а также стыки колонн, осуществляемые сваркой закладных деталей при помощи арматурных накладок с размещением стыка в диске перекрытия (рис. 1.3, в) или выше уровня капители (рис. 1.3, г). Рис. 1.3. Конструктивное решение стыков сборных железобетонных ко лонн с устройством капителей: а, б – в уровне перекрытия с перепуском арматуры; в, г – при помощи сварки закладных деталей в уровне перекрытия (в) и выше капители (г) Шарнирные стыки сборных железобетонных колонн, кроме сфе рических торцов, которые рассматривались выше, могут иметь и плоские торцы, усиленные сетками косвенного армирования. При этом шарнирный стык используется только в случае малого эксцентриситета. Таким образом, данный стык применим для зданий со связевыми системами, где рамы каркаса рассчитаны только на работу вертикальных нагрузок, а б в г
Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 12 а все горизонтальные нагрузки передаются на систему продольных и поперечных диафрагм жесткости. Работа шарнирного стыка колонн на поперечную силу была рассмотрена В.М. Горшковой [44]. Проведены экспериментальные исследования и предложены формулы расчета прочности стыка сборных железобетонных колонн на срез при выполнении шва из полимерраствора и наличии штыря, выступающего из торца верхней колонны и анкеруемого на растворе в стальной трубке каркаса нижней колонны. Экспериментальные исследования проводились при неблагоприятных для стыка условиях – сочетание максимальной поперечной силы и минимальной продольной. Расчет по предложенным формулам показал надежность данного стыка. Стыки сборных железобетонных колонн без сварки арматуры и закладных деталей при возведении каркасных зданий производились до 50-х гг. XX в., что обусловливалось трудностью организации сварочных работ. Позже при возведении каркасов многоэтажных зданий широкое распространение получили сварные металлические стыки, которые использовались в сериях ИИ-04 и ИИ-20. Данные стыки выполнялись с устройством металлических оголовков, которые приваривались к продольной арматуре с последующим обетонированием цементным раствором по сетке (рис. 1.4, а, б). Работа стыков колонн с металлическими оголовками была исследована в ЛИСИ и НИИЖБ. В.Н. Гусаковым было предложено заменить металлический оголовок горизонтальным листом (рис. 1.4, в), к которому приваривается 4 стержня, заанкеренных в тело колонны, а продольная арматура при этом обрывается у торцов колонн, усиленных косвенным армированием в виде арматурных сеток [53]. Экспериментальные исследования конструкций стыков с металлическими оголовками показали их достаточную прочность и жесткость. При этом допускается вести монтаж каркаса здания в зимнее время. Однако данная конструкция стыка многодельная и требует большого расхода металла и значительных трудозатрат на ручной дуговой сварке. Также при монтажных работах в зоне стыка образуются перекосы опорных плоскостей, приводящие к образованию клинообразной щели, что повышает деформативность таких стыков. Позже для экономии и рационального использования металла начинают разрабатывать и внедрять в производство железобетонные