Р.М.НИК0Н0Р0В, инж. (ЗАО ИНРЕКОН), Расчет новых сборно-монолитных конструктивных систем

Необходимым условием успешного выполнения национальных программ “Доступное, комфортное жилье гражданам России, “Молодой семье - доступное жилье” является внедрение в строительство новых технологий, типов зданий и сооружений. Среди предложенных новых конструктивных систем зданий следует отметить сборно-монолитные каркасы с плоскими перекрытиями. Работы в этом направлении ведутся как в России, так и в Республике Беларусь. Многие из этих разработок уже используются в строительной практике.

Российскими проектировщиками предложена сборно-монолитная каркасная домостроительная система «РАДИУСС», предназначенная для строительства жилых и различных типов общественных зданий [1]. Сборно-монолитный каркас состоит из сборных железобетонных колонн с отверстиями и плит перекрытия с замоноличенными стыками. Плиты перекрытия оперты двумя противоположными торцами на замоноличенные между ними стыки, образующие заделанные в колонны ригели. Примыкающие к ригелям торцевые поверхности плит выполнены наклонными к плоскости плиты с отрицательным углом наклона и имеют глубину заложения не менее четверти толщины плиты.

Строительными и проектными организациями Республики Беларусь освоен новый сборно-моно- литный универсальный несущий каркас системы «АРКОС» с применением в дисках перекрытий сборных многопустотных плит, опертых на скрытые железобетонные несущие ригели посредством монолитных шпонок [2]. Благодаря программам, проводимым правительством Белоруссии, и инициативам работников БелНИИС эта система, которая по своим параметрам близка к системе «РАДИУСС» и может считаться ее дальнейшим развитием, получила распространение в России и ближнем зарубежье.

Актуальной задачей является разработка методики расчета и конструирования несущих элементов указанных выше новых сборно-монолитных каркасных систем с учетом действительных условий их работы [4].

БелНИИС проведено большое количество испытаний каркасов системы «АРКОС», некоторые из которых проводились непосредственно при строительстве домов. По результатам испытаний подготовлены отчеты и заключения, которые включают в себя рекомендации по расчету каркаса. По мнению авторов статьи [4], предложенную БелНИИС методику расчета каркаса целесообразно уточнить.

В данной статье изложены основные положения методики расчета каркаса с применением программных комплексов, в которых реализован МКЭ. В расчетной схеме моделируются узлы сопряжения плит с монолитными ригелями, а также связь между смежными плитами перекрытий. При этом устранены недостатки расчетной модели, указанные в [4]. Разработка КЭМ новых сборно-монолитных систем велась автором при тесном сотрудничестве с разработчиками конструктивной системы «АРКОС» с использованием программного комплекса «ЛИРА». Предложенная модель позволит в дальнейшем более детально изучить новый сборно-монолитный каркас с плоскими плитами перекрытия.

Конечно-элементная модель каркаса формируется из отдельных элементов - плита, несущий ригель, связевый ригель, колонны.

При создании модели многопустотной плиты круглые пустоты заменяют эквивалентными по площади квадратными. Полки плиты моделируются плоскими конечными элементами оболочки (КЭ-41), ребра - универсальными стержневыми конечными элементами (КЭ-10). Связи между элементами, имитирующими полки и ребра, также представляются с помощью стержней, геометрические характеристики которых назначаются с учетом параметров сетки конечных элементов плиты.

Несущий монолитный ригель представляет собой брус с цилиндрическими шпонками по продольным вертикальным граням (рис. 1). Модель ригеля формируется с помощью стержневых конечных элементов (рис. 2).

Пространство между плитами перекрытий, примыкающими к колоннам, заполняют монолитным бетоном, создавая монолитный связевый ригель, который является еще одним конструктивным элементом сборно-монолитного перекрытия (см. рис. 1), соединенным с плитами посредством продольных шпонок, образованных при заполнении монолитным бетоном пространства между плитами вдоль боковых граней с нишами многопустотных плит.

Модель связевого ригеля включает совокупность стержневых конечных элементов, представляющих собственно ригель, поперечные шпонки и вертикальные связи (см. рис. 2). Конечные элементы шпонок воспринимают сжимающие усилия, образующиеся в соответствии с предполагаемой деформацией перекрытия, и передают их на связевый ригель, а также воспринимают сдвигающие усилия, возникающие в шпоночном соединении между плитой и связевым ригелем.


Для создания единого диска перекрытия необходимо обеспечить взаимосвязь между всеми элементами, входящими в его состав. В перекрытиях, состоящих из сборных элементов, этого добиваются заполнением швов между смежными плитами бетоном [5]. Рассматриваемое в данной работе сборно-монолитное перекрытие имеет продольные межплитные швы, которые заполняются монолитным бетоном, образуя шпоночное соединение (см. рис. 1), объединяющее сборные плиты в единый диск. В этом стыке возникают сжимающие и сдвигающие усилия. Конечно элементная модель (КЭМ) шва представляет собой КЭ № 10 в трех уровнях, так как возникновение сжимающего усилия в шве изменяется по высоте вдоль пролета (см. рис.2).

Диск перекрытия каркаса образован сборными многопустотными плитами, объединенными в каждой ячейке монолитными железобетонными ригелями, защемленными в колоннах. Особенностью работы многопустотных плит в составе такого перекрытия является их изгиб под нагрузкой в условиях ограничения продольных перемещений замкнутыми по контурам ячеек железобетонными рамами, образованными монолитными ригелями. В результате внутри контура каждой ячейки в плоскости перекрытия возникают продольные и поперечные распорные усилия, вызываю- щие изгиб в горизонтальной плоскости и кручение бортовых (крайних) монолитных ригелей. Неучет этого усилия и отсутствие требуемых конструктивных решений (связевых ригелей и межплитных затяжек в крайних пролетах) может вызвать разрушение крайних ригелей. С другой стороны, учет распора позволяет рационально распределить арматуру в элементах перекрытий и обеспечить ее экономный расход, особенно в средних пролетах, где в работу на восприятие этого распора в полной мере задействованы соседние рамы каркаса. В расчетной модели распор учитывается вводом специальных стержневых конечных элементов, показанных на рис. 2 (поз. 9).


Предложенная конечно-элементная модель сборно-монолитных каркасных систем с плоскими перекрытиями была протестирована с использованием опытных данных, полученных БелНИИС в результате испытаний фрагмента каркаса в г. Старый Оскол [3]. Все основные параметры и размеры испытанного фрагмента были приняты в соответствии с проектом строящегося 9-этажного жилого дома с дисками перекрытий, образованными многопустотными плитами безопалубочного формования “Тэнсиланд. Таким образом, фрагмент каркаса, предназначаемый для испытаний, представляет собой двухпролетную рамную конструкцию. Первый пролет между колоннами имеет длину 6,6 м, второй - 6 м. В перекрытии каждого пролета фрагмента размещено по три сборные многопустотные плиты шириной Ь=1,20 м, опертые по торцам на несущие ригели. Длина пролета несущего ригеля (по осям колонн) 4 м (см. рис. 2). Ширина сечения крайних несущих ригелей опытного фрагмента каркаса 48,5 см. Схема расстановки приборов показана на рис.2.

Расчет КЭМ нового сборно-монолитного каркаса проводится в два этапа. Сначала его ведут при нагрузках, при которых моменты во всех элементах каркаса не превышают Мсгс, значения модуля деформации, водимого в расчет, соответствует начальному модулю упругости. На втором этапе при нагрузках, превышающих Мсгс, предлагается следующий метод учета нелинейной работы каркаса. Значение модуля деформаций Есгс для элементов с трещинами, вводимое в расчет, определяется итерационным методом. При этом каждому значению М, превышающему Мсгс, соответствует свое значение Есгс, определяемое по формуле


На рис. 3 представлены графики зависимости прогибов от нагрузки для плит и несущих ригелей фрагмента каркаса, полученные при испытаниях и с помощью разработанной методики. Значения прогибов, полученные при расчете КЭ модели, для большинства элементов в среднем не превышают 10% прогибов, полученных опытным путем. Это говорит о том, что применяемая методика моделирования и расчета достаточно точно отражает фактическую работу новых сборно-монолитных каркасных систем. Места образования трещин в конечно-элементной модели и в испытанном фрагменте каркаса совпадают.

В целом предложенная методика достаточно точно отражает реальную работу новых сборно-мо- нолитных каркасных систем.

Бетон и железобетон, 2007 №1