Местное сжатие в стыках колонн каркаса многоэтажных зданий
С развитием сборных железобетонных конструкций значение расчета на местное сжатие (смятие) резко возросло, так как во многих стыках элементов нагрузки передаются с резкой концентрацией напряжений по площадкам опирания. Однако регламентированный СНиП П-21-75 метод расчета не охватывает ряда случаев передачи нагрузки в стыках. Поэтому были исследованы стыки колонн двух типов. Первый — жесткий осуществляется путем сварки выпусков продольной арматуры и замоноличивания бетоном. Выпуски располагаются в угловых подрезках бетона, в связи с чем сечение колонны в зоне стыка имеет крестообразную форму. Второй стык — условно-шарнирный без соединения продольной арматуры. Шов между плоскими торцами элементов колонн заполняется раствором. В обоих стыках торцы колонн опираются друг на друга в процессе монтажа через центрирующую площадку с последующим замоноличиванием. Концы колонн усиливают поперечным армированием в виде сварных сеток.
Было испытано 40 колонн сечением 40X40 см, длиной 120 см (две серии). У образцов первой серии было квадратное сечение, а у второй, кроме того, по концам крестообразное сечение (с угловыми подрезками бетона 10Х10 см)- Использовали бетон марок М 300 и М600.
Продольная арматура состояла из четырех стержней диаметром 16 мм (первая серия) и 32 мм (вторая серия) из стали класса A-III. Для стержней сеток поперечного армирования применили сталь диаметрами 6 и 10 мм. В качестве поперечной арматуры устанавливали
сварные сетки, располагавшиеся по всей высоте образца, а также в сочетании с обычными хомутами (рис. 1).
При испытании колонн в прессе нагрузку передавали через центрирующие прокладки размерами 10X10 и 15Х Х15 см. Первые трещины появлялись по торцам и развивались от углов прокладки к углам торца колонны. С увеличением нагрузки образовались трещины по боковым граням колонн в верхней зоне, где происходила концентрация напряжений. Дальнейшее повышение нагрузки вызывало заметное вдавливание центрирующей прокладки и раскрытие трещин как по торцам, так и по боковым граням колонн. Разрушение характеризовалось раскалыванием бетона по концам колонн и резким вдавливанием прокладки, передающей нагрузку.
Величины опытных (N) и теоретических (N1) разрушающих нагрузок, а также нагрузок, соответствующих появлению первых трещин (W), приведены в таблице. Характер развития трещин и разрушения образцов указывает] на явление распора при местном сжатии колонны по торцу.
Наличие поперечных сварных сеток значительно повысило прочность и трещиностойкость колонн. Трещины развивались медленнее, их было значительно больше. В стадии, близкой к разрушению, появлялись поперечные трещины вдоль сеток, что объясняется изгибом их вследствие смятия центрирующей прокладки. Разрушение наступало при- достижении стержнями сеток текучести или вследствие нарушения их анкеровки из-за смятия или выкалывания бетона.
С увеличением процента косвенного армирования существенно повышалась прочность на смятие. Однако величины, разрушающих нагрузок возрастают медленнее роста процента армирования. Так, при повышении процента армирования с 2 до 4,4 несущая способность увеличивалась в среднем только в 1,4 раза. При большем насыщении косвенной арматурой эффективность ее использовании снижалась вследствие ухудшения условий анкеровки стержней сеток. С увеличением прочности бетона значительнг возрастала несущая способность колонн при испытании их на смятие по торцам При большей прочности бетона анкеровка поперечных сеток улучшается, соответственно повышается эффективное их работы как обоймы, удерживающей бетон от раскалывания. При увеличении марки бетона по прочности на сжатие с М 300 до М 600 несущая способность повысилась в 1,6 раза.
Проведенные исследования позволили построить графики зависимости деформаций смятия бетона от нагрузки по показаниям индикаторов, измерявших величину вдавливания центрирующей прокладки в бетон (рис. 2). К моменту исчерпания несущей способности сжатых элементов максимальная величина деформаций смятия достигала 4—6 мм. Возможная осадка колонны в стыке за счет смятия бетона под центрирующей прокладкой при монтаже до заполнения шва раствором достаточно мала — не более 2 мм. Отмеченные осадки не существенны для точности монтажа каркаса и распределения усилий в его элементах.
Деформации бетона под прокладкой, передающей нагрузку на торцы колонн, замеряли внутренними тензорезисторами с базой 120 мм (рис. 3). Датчики, находящиеся под центрирующей прокладкой, зафиксировали большие деформации сжатия, а расположенные за пределами прокладки практически не включались в работу поскольку деформации бетона здесь были весьма значительны. Тензорезисторы, находящиеся под центрирующей прокладкой, показывали большие деформации. С удалением от места приложения нагрузки деформации уменьшались. К моменту разрушения во многих стержнях сеток напряжения соответствовали пределу текучести стали.
При эксцентричном приложении нагрузки наблюдалась соответствующая перегрузка центрирующей прокладки со стороны эксцентриситета и более интенсивная работа стержней сеток с этой стороны колонны, что снижало несущую способность. Поскольку на практике всегда существует небольшой эксцентриситет передачи монтажной нагрузки, в стыках колонн необходимо учитывать этот фактор.
Для расчета использовали формулы СНиП, предусматривающие определение прочности на местное сжатие элементов с косвенным армированием в виде сварных поперечных сеток и с обычными хомутами. В связи с тем, что в нормах нет данных для подсчета расчетной площади сечения Fp при местном сжатии применительно к расчету сжатых стыков колонн авторы предлагают методику ее определения в зависимости от формы торцов колонн. Для торцов прямоугольной формы р рекомендуется принимать с размерами сторон, не превышающими тройной стороны центрирующей прокладки и не более площади бетона, заключенной внутри контура сеток (см. рис. 1, а). Для торцов крестовидной формы эту величину допускается принимать размещенной по торцу колонны с поворотом осей (см. рис. 1,6). При местном сжатии колонн по торцам разрушение характеризуется раскалыванием бетона, т. е. его можно считать хрупким. При расчете таких конструкций отношение разрушающей нагрузки к расчетной должно быть равно 1Д Приведенные отношения опытных разрушающих нагрузок к расчетным, подсчитанным с уточнением Fp, оказались не ниже 1,65, т. е. расчет достаточно надежен по прочности (рис. 4). Недостатком этой методики является отсутствие гибкости оценки переменных параметров в диапазоне их изменения, типичных для работы бетона на смятие в стыках колонн. Это приводит в ряде случаев к недооценке несущей способности стыка, В связи с этим была рассмотрена работа конца колонны, характеризующаяся распором «клина». Считаем, что бетон в зоне «клина», имеющий вертикальные трещины, не работает на растяжение от распора. Однако он обеспечивает анкеровку сеток и позволяет им воспринимать распор при высоких напряжениях в стержнях. При этом прочность колонны на смятие оценивали, полагая, что в работе участвуют только стержни сеток, воспринимающие распор клина.
Для построения соответствующей расчетной формулы требуется установить зону, на которой должны быть установлены сетки, т. е. высоту «клина» h н степень использования стержней сеток на растяжение. Величину h определяли з зависимости от размеров сторон центрирующей прокладки ац и угла наклона «клина» ср:
Методика расчета, использующая модель напряженного состояния при смятии, характеризующуюся работой «клина», дает достаточно хорошее приближение к действительным условиям. При определении расчетной нагрузки но этой методике в приведенных формулах напряжение стержней сеток должно быть принято равным расчетному сопротивлению арматуры данного класса Ra. Однако необходимо иметь в виду, что при этом отношение разрушающей нагрузки к расчетной может оказаться недопустимо низким для данных условий напряженного состояния.
Трещины по боковым граням стыка при загружении по центрирующей площадке без замоноличивания шва появлялись во всех случаях под нагрузкой, значительно превышающей расчетную. Таким образом, эти формулы дают величины расчетных нагрузок, при которых не могут возникать трещины на боковых поверхностях колонн.
Выводы Проведенные исследования показали, v что в стыках сборных колонн в процессе монтажа до замоноличивания швов через центрирующие прокладки могут быть переданы большие нагрузки. Это упрощает сборку элементов каркаса много-1 этажных зданий.
Расчет стыков при местном сжатии (смятии) по формулам СНиП с определением расчетной площади сечения колонны, согласно приведенным рекомендациям, дает надежные результаты с точки зрения прочности, так и трещи востойкости.
Расчет колонн па местное сжатие и использованием модели, характеризующейся распором «клина», лучше отражает действительные условия работы. 3 ряде случаев этот метод позволяет позднее использовать несущую способности стыков на монтажные нагрузки.