Стыки элементов крупнопанельных зданий

Анализ существующих конструктивных решений крупнопанельных сейсмостойких зданий показывает, что они нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Особенно это касается стыковых соединений, которые весьма металлонасыщены и имеют сложную и трудоемкую технологию выполнения при монтаже.

Стыки наружных стеновых панелей должны отвечать двум, в какой-то степени взаимосвязанным требованиям— прочностным (физико-механическим) и влаготеплоизоляционным (гидротеплофизическим). Под физико-механическими показателями стыков подразумеваются их прочностные и деформативные свойства, т. е. способность стыка обеспечивать совместную работу элементов (стеновых панелей и плит перекрытия). От прочности, трещиностойкости и деформативности (податливости) стыка зависят совместная работа стыкуемых элементов и их гидротеплофизические свойства.

Функциональное назначение стыков внутренних стеновых панелей и плит перекрытий—объединение сборных элементов крупнопанельного здания в единую систему, приближающуюся по своим показателям к монолитной. Поскольку достигнуть абсолютно монолитного соединения невозможно, необходимо проанализировать те функциональные особенности стыков, которые могут обеспечить нормальную эксплуатацию здания.

Основное назначение стыкового соединения состоит в обеспечении надежного соединения стыкуемых элементов с точки зрения прочности и трещиностойкости. При этом конструкция стыка должна обеспечивать прочность здания в целом даже при условии возникновения локальных разрушений. Так, например, в случае аварийного взрыва газа или сейсмического воздействия может полностью разрушиться одна или несколько стеновых панелей. При этом не должно возникнуть прогрессирующего разрушения смежных элементов здания, хотя и произойдут их значительные деформации, которые превысят деформации, допускаемые нормами. В этом случае исключается гибель людей и возможно выполнение ремонтно-восстановительных работ.

Гидротеплофизические показатели стыков наружных стен обусловлены их способностью противостоять прониканию влаги из атмосферы внутрь здания. Проникание влаги через стык происходит под действием трех, факторов: затекания воды при косых дождях в результате прямого попадания капель дождя в стык; затекания воды в результате ветрового напора и возникающего при этом перепада давления снаружи и внутри здания; капиллярного проникания воды. В первых двух случаях вода затекает через неплотности между наружными стеновым» панелями и полостью стыков, в третьем случае — через трещины в бетоне стыка, когда ширина их раскрытия достигает 0,5 мм и более.

Стыки существующих типов наружных стен крупнопанельных зданий по принципу осуществления влаготеплозащитных функций разделяются на закрытые, открытые и универсальные. Закрытый стык характеризуется сплошным плотным заполнением бетоном или раствором всех полостей между стыкуемыми элементами. Открытый стык отличается наличием в нем сплошной вертикальной полости—декомпрессионного канала и водоотбойной ленты, что уменьшает проникание воды при ветровом нагнетании и косых дождях. Универсальный стык выполняется открытым или закрытым, но обязательно с гидроизоляцией водоотбойной лентой.

Опыт эксплуатации крупнопанельных зданий показал, что предпочтение следует отдавать универсальным типам стыков, как правило, открытого типа. Для сейсмостойких зданий такие стыки наиболее приемлемы. Закрытые стыки имеют простую конфигурацию. В этом случае стеновые панели легко изготовляются на заводе, но зато увеличиваются трудозатраты при монтаже вследствие большого объема бетоно-опалубочных работ и выполнения мероприятий по герметизации.

Открытые стыки имеют меньший объем бетонных работ на строительной площадке, однако конфигурация торцов панелей сложная, что затрудняет технологию их изготовления в заводских условиях. Кроме того, мероприятия по герметизации (зачеканивание, заделка мастикой и укладка водоотбойной ленты), выполняемые при монтаже, требуют значительных трудозатрат и плохо поддаются качественному исполнению.

Таким образом, надежными, но наиболее трудоемкими являются универсальные закрытые стыки с водоотбойной резиной или без нее при условии сведения до минимума работ на монтаже или при их механизации.

Опыт эксплуатации крупнопанельных зданий показал, что добиваться абсолютной монолитности стыков экономически нецелесообразно. Более того, стыки должны обладать определенной податливостью, что способствует перераспределению усилий и деформаций между стыкуемыми элементами и улучшает напряженное состояние здания в целом. Уменьшается вероятность возникновения хрупких разрушений, потенциальная энергия деформации элементов здания снижается до минимума. При сейсмических воздействиях податливость стыков снижает жесткость здания в целом, что уменьшает сейсмическую составляющую, увеличивает период собственных колебаний, повышает декремент затухания и вызывает благоприятную диссипацию энергии.

В то же время податливость стыка должна лежать в пределах, обеспечивающих надлежащую трещиностойкость. Последняя должна гарантировать надежную влаготеплозащиту. Развитие трещин до величин, превосходящих допустимые нормами пределы, не только снижает гидротеплофизические показатели стыков, но и значительно уменьшает их долговечность, так как проникание в трещины воды вызывает эрозию раствора или бетона, заполняющего полости стыка. Попеременное замораживание и оттаивание воды в трещинах существенно ускоряет эрозию и быстро приводит к полному выходу стыка из строя.

Функциональные качества стыковых соединений обеспечиваются как его прочностными показателями, так и конструктивным решением, причем эти два фактора должны быть взаимосвязаны и экономически обоснованы, поскольку от прочности стыка зависит его металлонасыщенность, а от конструкции—не только металлонасыщенность, но и трудоемкость изготовления и монтажа элементов, а также гидротеплофизические показатели.

Одновременно с возникновением крупнопанельного домостроения возникла и проблема конструктивного и технологического решения стыковых соединений. В архитектурно-планировочных и конструктивных решениях отдельных элементов (наружных и внутренних стеновых панелей, плит перекрытий) достигнуты определенные успехи. Созданы однослойные и многослойные наружные панели, удовлетворяющие многообразным теплофизическим, акустическим и прочностным требованиям. Найдены оптимальные решения конструкций панелей внутренних стен и плит перекрытия с точки зрения расхода бетона и арматуры.

Конструктивные же решения стыков элементов требуют еще детальной проработки. Конструкция стыков, должна не только отвечать гидроизоляционным и прочностным требованиям, она также предопределяет конструкцию самих стыкуемых элементов и технологию их изготовления, а также степень совместной пространственной работы отдельных элементов. Именно поэтому стыки являются наиболее ответственными частями во всей системе крупнопанельного здания.

За годы существования крупнопанельного домостроения проведено большое количество теоретических и экспериментальных исследований стыковых соединений. Тем не менее до настоящего времени пока отсутствует универсальная конструкция вертикального и горизонтального стыков, удовлетворяющая перечисленным ранее требованиям. Конструкция стыков (в особенности для зданий в сейсмических районах) остается материалоемкой, а технология монтажа требует значительных трудозатрат и практически не поддается механизации.

Анализ различных типов вертикальных стыков показывает, что их конструкция направлена главным образом на восприятие сдвигающих усилий, которые возникают при смещениях соединяемых панелей от воздействия ветра, неравномерных деформаций основания к сейсмики. В стыках могут действовать сжимающие напряжения, а также растягивающие усилия от распора, который возникает в результате сдвига по наклонным поверхностям шпоночных соединений.

Конструкция горизонтальных стыков рассчитана главным образом на передачу сжимающих усилий от вышележащих элементов здания. Сдвигающие усилия в горизонтальных стыках также могут возникать при сейсмических воздействиях и изгибе стены в своей плоскости, но, как правило, эти усилия по сравнению со сжимающими небольшие, поэтому конструктивное решение вертикальных стыков предопределяется его работой на сдвиг, а горизонтальных стыков—на сдвиг и сжатие.

Отсюда следует, что роль арматурных связей между панелями в значительной степени зависит от конструкции стыков, а не только от характера силовых воздействий на здание. Если конструкция стыков такова, что при взаимном сдвиге панелей возникает незначительный распор, то и растягивающие усилия в связях также невелики. Участие арматурных связей при работе стыка на сдвиг мало влияет на его прочность и трещиностойкость, поскольку даже при большой металлонасыщенности арматура может воспринять лишь небольшую долю сдвигающих усилий.

Определение напряженного состояния стыкового соединения — задача весьма сложная и проблематичная, поскольку конечный результат в значительной мере зависит от исходных гипотез и допущений, закладываемых в расчетную схему. Так, например, для одной и той же конструкции стыка будут получены различные результаты, если использовать разные предпосылки, в одинаковой мере достаточно обоснованные опытом.

Для примера приведем сравнение некоторых гипотез (допущений), которые с одинаковой достоверностью могут быть положены в основу расчета стыков.

Приведенный перечень расхождений в подходе к составлению расчетной схемы стыковых соединений может быть продолжен. Видимо, нельзя однозначно ответить на вопрос, какая из перечисленных гипотез, безусловно, выполняется и будет универсальна? Дело в том, что справедливость принятого допущения в значительной степени зависит в каждом конкретном случае от самой конструкции стыка.

Чем больше идеализируется расчетная схема, тем большая ошибка может возникнуть в результате. В то же время, чем точнее расчетная схема, т. е. чем больше различных, пусть даже обоснованных предпосылок заложено в основу расчетной схемы, тем она сложнее, и поэтому увеличивается вероятность появления погрешностей, не говоря уже об усложнении самих расчетов. Из сказанного следует вывод о том, что можно и нужно стремиться не только максимально приблизить расчетную схему к реальной конструкции стыка, но и по возможности приблизить саму конструкцию стыка к четкой расчетной схеме.

В принципе эта идея не нова.. Например, в работе (36) говорится о том, что одним из направлений снижения расхода материалов в железобетонных конструкциях является применение более точных расчетов благодаря приближению схем конструкций к расчетным и, следовательно, к результатам расчета. Да и на практике этот принцип давно осуществляется, например, в стержневых системах. В мостовых системах, в частности, предлагалось устраивать конструкцию таким образом, чтобы при некоторых перегрузках в определенном сечении четко образовывался шарнир и происходило соответствующее благоприятное перераспределение усилий, причем после снятия перегрузки шарнир снова замыкался и сечение могло бы передавать изгибающий момент.

Таким образом, конструктивное решение стыков нельзя принимать из чисто функциональных соображений, поскольку:

1) конструкция стыка зависит от конфигурации самих стыкуемых элементов, поэтому она в значительной мере предопределяется, еще и их напряженным состоянием при эксплуатации, а также технологией изготовления и монтажа элементов;

2) напряженно-деформированное состояние стыков существенно влияет на совместную работу стыкуемых элементов, что должно быть отражено в соответствующих расчетных схемах;

3) одним из главных показателей эффективности стыка является его материалоемкость и технологичность, предопределяющие основную часть трудозатрат на возведение всего здания;

4) от конструкции стыка в значительной мере зависят требования, касающиеся точности изготовления стыкуемых элементов и монтажных допусков. Необоснованное повышение этих требований также ведет к увеличению трудозатрат на строительство крупнопанельных зданий;

5) прочностные расчеты стыков затрудняются из-за сложности представления их расчетных моделей. Упрощение расчетных моделей стыков может привести как к необоснованному перерасходу материалов, так и к снижению надежности стыка и прочности здания в целом.

Анализируя конструкции существующих стыков, а также учитывая изложенные трудности, возникающие при разработке стыковых соединений, можно наметить пути, обеспечивающие создание эффективных конструкций стыков и повышение их надежности:

конструкция вертикальных и горизонтальных стыков стеновых панелей должна быть максимально упрощена и унифицирована. Наличие фигурных шпонок и выемок по торцам стыкуемых панелей необходимо свести до обоснованного минимума;

металлонасыщенность стыка необходимо уменьшить. Количество арматуры, размещаемой конструктивно, должно быть строго минимизировано. При этом нужно стремиться к уменьшению количества арматурных выпусков в стыкуемых панелях, что значительно упростит технологию изготовления и монтажа элементов, снизит трудозатраты;

возможное уменьшение прочности стыка в результате двух вышеизложенных мероприятий можно компенсировать использованием арматуры более высоких классов, а также конструкцией шпоночных соединений (например,, стеновых панелей с плитами перекрытий). При этом связевая арматура может быть частично или полностью изъята из стыкуемых элементов и перенесена в стыки;

для обеспечения совместной работы стыкуемых элементов и эффективного использования высокопрочной стали связевую арматуру, в случае необходимости, следует предварительно напрягать, так как указанные мероприятия создают для этого все необходимые предпосылки;

упрощение конструкции стыков позволит решить многие технологические вопросы, поскольку соответственно изменяются форма и армирование стеновых панелей. Сокращение количества арматурных выпусков упростит формы и бортоснастку, что, в свою очередь, позволит повысить качество работ и снизить трудозатраты при изготовлении и монтаже.

Такими нам представляются основные пути преодоления недостатков существующих конструкций стыковых соединений.

Поскольку стыки являются важным элементом крупнопанельных зданий с точки зрения обеспечения прочности, они должны рассчитываться по обеим группам предельных состояний—как по прочности, так и по жесткости и трещиностойкости. Расчет прочности стыков и прилегающих к ним участков панелей производится на невыгодную комбинацию нагрузок, а жесткости и трещиностойкости—на постоянные и длительные нагрузки. Расчет на сейсмические воздействия в соответствии со СНиП II-7-81 производится только по первой группе предельных состояний. Однако следует отметить, что с точки зрения надежности здания прочность, жесткость и трещиностойкость стыков взаимосвязаны. В частности, разрушение стыков, т. е. исчерпание их прочности, может происходить в результате повышенного трещинообразования, приводящего к коррозии арматуры и бетона при проникании влаги.

Следовательно, вопросу обеспечения жесткости и трещиностойкости стыков должно уделяться большое внимание. Расчет на сейсмические воздействия по второй группе предельных состояний в настоящее время не нормируется, поэтому величина раскрытия трещин определяется без учета сейсмических воздействий.

В соответствии с [11] максимально допустимое длительное раскрытие трещин от постоянных и временных длительных нагрузок 0,3 мм, кратковременное от постоянных и временных длительных и кратковременных нагрузок 0,4 мм. Длительное раскрытие сквозных трещин не допускается. Соответственно нормируются сдвиги и прогибы. Взаимный сдвиг панелей не должен быть более: длительный—0,6 мм, кратковременный—0,8 мм. Поперечный прогиб—не более 0,001 высоты здания, максимальные ускорения при вынужденных колебаниях—не более 0,1 м/с².

Для зданий до девяти этажей выполнение перечисленных требований, относящихся к расчету по второй группе предельных состояний, как правило, не требует каких-либо дополнительных мероприятий, если их прочность обеспечена. Для более высоких зданий необходимы специальные мероприятия, повышающие жесткость и трещиностойкость стыков и соответственно зданий в целом.

Особый интерес для конструирования зданий с напрягаемой арматурой представляет исследование несущей способности стыка в зависимости от распределения поперечной арматуры по его высоте. Отмечается, что при сосредоточении поперечной арматуры в уровне междуэтажных перекрытий несущая способность стыка уменьшается примерно на 10—20 % и предлагается пользоваться поправочным коэффициентом т_р = 0,85.

В конечном итоге для определения несущей способности вертикального стыка при сдвиге рекомендуется формула

Полагаем, что приведенная выше расчетная формула не может считаться совершенно обоснованной. Коэффициенты tg φ, К_α и m_p нуждаются в дальнейшем уточнении. Кроме того, внесение в конструкцию стыка новых элементов (например, напрягаемой горизонтальной и вертикальной арматуры) повлечет соответствующие изменения в приведенной формуле.

Внимания заслуживают эксперименты, подтверждающие повышение несущей способности стыков за счет, включения в работу горизонтальной диафрагмы (перекрытий и расположенной в них горизонтальной поперечной арматуры). На основании опытов М. Поммере [44] доказано, что поперечная арматура работает не на срез, а на растяжение, препятствуя раскрытию вертикальных трещин в стыке. Таким образом, усилие распора воспринимается горизонтальной арматурой (выпусками) и непрерывной арматурой по верху и низу панели.

Для зданий с напрягаемой арматурой и шпоночным соединением элементов представляют интерес данные испытаний вертикальных стыков панелей, связанных между собой через шпонки, замоноличенные в плитах перекрытий. По данным работы [31] прочность таких стыков оказалась высокой. Напряжение бетона панелей при разрушении составило 0,84—0,89 приведенной призменной прочности бетона с учетом продольного и поперечного армирования торцов стеновых панелей двумя сетками. Разрушение произошло от скалывания бетона панелей и плит перекрытий в шпоночных узлах по наклонной площадке. Результаты этих экспериментов свидетельствуют о высокой надежности шпоночных соединений, являющейся следствием включения в работу горизонтальных диафрагм жесткости (перекрытий). Взаимодействие стеновых панелей происходит не только через металлические связи, но также и через железобетонные плиты перекрытий.

Сведения об авторе и источнике:

Автор: Л. С. Махвиладзе

Источник: Сейсмостойкое крупнопанельное домостроение