Шпоночные соединения в сейсмостойких зданиях: динамические испытания и результаты

Во время проектирования крупнопанельного здания с напрягаемой арматурой и шпоночными соединениями элементов возникли вопросы, обоснованное решение которых могло быть выполнено только на основе опытных данных. В частности, неясным оставалось напряженное состояние внутренних и наружных стеновых панелей при динамических воздействиях и различной степени натяжения горизонтальной и вертикальной связевой арматуры, поскольку на сейсмостойкость здания может влиять не только натяжение арматуры, но и место ее расположения.

Надежность шпоночных соединений также можно было проверить только экспериментально. Кроме того, при испытаниях модели предполагалось определить картину перераспределения напряжений в бетоне и арматуре при появлении пластических деформаций, схему трещинообразования и картину разрушения элементов. Получение перечисленных сведений на модели позволяет избежать грубых ошибок на стадии проектирования и обоснованно рассчитывать конструкции здания для опытного строительства.

В соответствии с этими целями модель фрагмента крупнопанельного здания проектировалась по принципу простого приближенного подобия (масштабный множитель геометрического подобия α = 1\2. Простое подобие позволяет использовать для изготовления крупномасштабной модели обычные материалы (мелкозернистый бетон и арматурную сталь). Приближенность моделирования обусловлена невозможностью подобрать в точности диктуемые требованиями полного и точного подобия соотношения между геометрическими и физико-механическими параметрами модели и натурного сооружения. Кроме того, невозможно подобрать материал модели таким, чтобы соблюдались необходимые соотношения с материалом натурного здания, так как их плотность практически одинакова и для компенсации малой массы модели необходимо создавать пригрузку. Тем не менее, если ускорения в модели и оригинале одинаковы, то необходимость в пригрузке из-за малой плотности модели отпадает и значения множителей подобия для массы и ускорения будут соответственно α³ и ⴄ.

Сейсмическая нагрузка является, как известно, величиной случайной со сложным спектральным составом. В то же время при испытании модели на виброплатформе колебания представляются гармоническими синусоидальными и могут возбуждаться таким образом, чтобы приближенно выполнялось требование об одинаковых ускорениях модели и оригинала. В этом случае точность моделирования будет вполне приемлемой и без дополнительного пригружения. В соответствии с изложенными соображениями при проектировании модели был принят принцип простого подобия при следующих масштабных множителях:

Прототипом для модели являлось девятиэтажное крупнопанельное здание с предварительно напряженной арматурой и шпоночными соединениями элементов, запроектированное на базе типовой серии 1-464АС для опытного строительства в Кутаиси. На основе сформулированного А. Г. Назаровым принципа поэлементного моделирования было принято решение испытать модель фрагмента реального крупнопанельного здания. В качестве фрагмента приняты две ячейки здания, ограниченные двумя пролетами между поперечными внутренними стенами. Для получения более общих и надежных результатов ячейка выбрана с несплошной внутренней стеной, т. е, ослабленной в поперечном и продольном направлениях по сравнению с фрагментом обычной регулярной ячейки, имеющей сплошные внутренние стены. На рис. 88 представлены планы первого и второго этажей модели из которых видны основные геометрические размеры.

Рис. 88. Планы первого и второго этажей модели: 1 — стеновая панель наружная; 2 — то же, внутренняя; 3 — напрягаемая вертикальная канатная арматура

В конструктивном отношении модель представляет собой сборную конструкцию высотой в два этажа, размером в плане 2,99X3,89 м, состоящую из панелей внутренних и наружных стен и плит перекрытия.

Панели наружных стен модели имеют толщину 15 см, однослойные, изготовлены из легкого бетона класса В7.5 плотностью 1450 кг/см³. Для размещения напрягаемой арматуры по торцам наружных стен устроены вертикальные и горизонтальные борозды. Панели внутренних стен толщиной 8 см из тяжелого бетона класса В15. В местах соединения с панелями наружных стен имеются шпоночные выемы, заполняемые после сборки цементно-песчаным раствором. Плиты перекрытия толщиной 8 см из тяжелого бетона класса В15 в места сопряжения со стеновыми панелями имеют отверстии, в которые входят шпонки стеновых панелей. После монтажа элементов все шпоночные соединения заполняются цементно-песчаным раствором.

Стеновые панели и плиты перекрытия армированы двойной сеткой из гладкой арматурной проволоки диаметром 4 мм класса В-I с ячейкой 147 мм. Это армирование интегрально моделирует ненапрягаемую арматуру соответствующих элементов натурного сооружения.

После сборки модели производилось натяжение горизонтальной и вертикальной связевой арматуры. В качестве горизонтальной предварительно напряженной арматуры использованы стержни диаметром 12 мм класса A-I. По наружным стенам в осях «А» и «В» размещались по два стержня (сверху и снизу плиты перекрытия). По оси «Б» располагались четыре стержня. Для вертикального предварительного напряжения в качестве связевой арматуры использовалась канатная арматура К-7 диаметром 9 мм.

Предварительное напряжение горизонтальной связевой арматуры составляло 88,5 мПа (1000 кг на каждый стержень), и в процессе испытаний не менялось. Натяжение арматуры производилось гайками и контролировалось тензорезисторами. Натяжение вертикальной арматуры выполнялось гидравлическими домкратами ДГ-10 в три этапа. Максимальное усилие - натяжения на каждый канат составляло 50 кН, т. е. на каждый вертикальный стык приходилось 100 кН (на два каната). На рис. 89 показано испытание модели.

Рис. 89. Модель, подготовленная к испытаниям сверху — вид сбоку; снизу — вид сверху

Испытание выполнялось в такой последовательности. Сначала ударом груза в 20 кН по верху модели определялись ее динамические характеристики, затем приводилась в действие виброплатформа, и модель подвергалась динамическому воздействию. Динамические испытания были выполнены при различных значениях натяжения вертикальной арматуры.

Таким образом, во время испытаний решались две задачи: исследовались динамические характеристики в зависимости от величины и места натяжения вертикальной арматуры; определялись деформации, напряжения, трещинообразование и изменение усилий в горизонтальной и вертикальной напрягаемой арматуре в процессе динамических воздействий при разных значениях натяжения вертикальной арматуры.

При испытаниях в режиме свободных и вынужденных колебаний регистрировались горизонтальные перемещения точек модели, замерялись напряжения и деформации на вертикальных поверхностях стеновых панелей, в горизонтальной и вертикальной напрягаемой арматуре. Регистрировалась картина трещинообразования и обжатия швов. Испытания производились при различных натяжениях вертикальной напрягаемой арматуры.

В зависимости от степени натяжения вертикальной напрягаемой арматуры в бетоне стеновых панелей были зарегистрированы сжимающие напряжения различной интенсивности. Максимальное сжатие отмечалось на участках, прилегающих к торцам, т. е. там, где размещается напрягаемая арматура. По мере удаления, от торцов и приближения к дверным и оконным проемам напряжения сжатия уменьшаются.

Картина трещинообразования представлена на рис. 90, а, б. Трещины, появившиеся в результате вынужденных колебаний, помечены датой испытания. Первоначально трещины появились в углах проемов, в местах концентрации напряжений и в середине дверного проема, а затем начали развиваться по высоте элемента.

По характеру возникновения трещин можно судить в какой-то мере о работе элементов модели. Наиболее слабое место - участки над проемами во внутренних стенах, следовательно, на этих участках необходимо усилить армирование. Кроме того, характер трещинообразования в панелях внутренних стен означает, что на сжатие работают в основном простенки.

В вертикальном стыке по оси «Б» произошло отслоение торцов панелей вследствие сдвиговых деформаций. Вертикальные панели отслоились и по горизонтальной линии в местах заделки панелей в основание (90, б). Особенно сильные сдвиговые деформации отмечены 25.02, когда по нейтральной оси (ось «Б») натяжение предварительно напряженной арматуры было снято полностью. Это указывает на то, что вертикальное натяжение арматуры в узлах по нейтральной оси целесообразно.

Рис. 90. Развитие трещин при испытаниях: а — натура; б —схема; 0 — трещины, появившиеся до начала испытания при транспортировке, до монтажа и т. д.; 04.02.81 и т. д. — даты испытания

На рис. 91 представлены графики деформации панелей, измеренных датчиками, наклеенными на их поверхности. Максимальные сжимающие деформации отметили датчики 3—6. По мере приближения к дверному проему наблюдается падение сжимающих деформаций. Датчики 7—11 фиксируют незначительные деформации, в этом месте расположен дверной проем. На участке 11—17 отмечены также сжимающие деформации. Таким образом, усилия натяжения передаются в основном на участке от торца до дверного проема. Вынужденные колебания несколько меняют деформативные состояния панелей. В некоторых элементах вместо сжатия фиксируется растяжение.

Рис. 91. Перераспределение напряжений в результате вынужденных колебаний

В результате воздействия вынужденных колебаний происходит перераспределение напряжений, вследствие чего сжимающие напряжения в бетоне уменьшаются и более равномерно распределяются по длине панелей. На рис. 91 показаны деформации бетона стеновых панелей при трех испытаниях и соответствующих условиях натяжения вертикальной арматуры. От воздействия вынужденных колебаний в горизонтальной напрягаемой арматуре напряжения уменьшаются (в среднем на 4 МПа, т. е. почти наполовину).

В вертикальной напрягаемой арматуре падение напряжений в результате вынужденных колебаний лежит в пределах суммарных потерь от обжатия бетона горизонтальных швов и ползучести бетона (18 МПа).

На рис. 92 приведены деформации вертикальной напрягаемой канатной арматуры на двух этапах испытаний: I—канаты были натянуты до 1000 МПа, однако при вибрационном испытании потери напряжения составили 18—54 МПа; II—спустя 30 дней напряжение в канатах было спущено до 500 МПа. После многократного испытания в течение 30 дней потерь напряжения не наблюдалось (менялись в пределах допустимого).

Рис. 92. Деформация вертикальной напрягаемой арматуры на двух этапах испытаний

Такая же картина наблюдалась на всех этапах испытания. Видно, что динамические воздействия практически не вызывают падения напряжений, а те изменения, которые наблюдались, зависят от степени обжатия горизонтальных швов. Величина потерь, полученная экспериментально, хорошо согласуется со значениями потерь, вычисленными по СНиП 2.03.01-84.

Результаты опытов, приведенные на рис. 92, показывают, что обжатие горизонтальных швов и соответствующее падение напряжений в вертикальной арматуре в основном зависят от степени натяжения арматуры и в меньшей мере — от динамических воздействий. Таким образом установлена надежная работа вертикальной напрягаемой арматуры в условиях сейсмики.

Испытание модели на виброплощадке при различных усилиях натяжения вертикальной напрягаемой арматуры позволило выявить динамические характеристики конструкции и определить их зависимость от степени натяжения. Эксперименты проводились при свободных и вынужденных колебаниях.

Анализ собственных колебаний модели показал, что с увеличением вертикального-обжатия конструкций возрастает их частота. Декремент затухания колебаний уменьшается. В табл. 12 и 13 приведены значения динамических характеристик модели в условиях свободных и вынужденных колебаний при различных уровнях натяжения вертикальной арматуры.

Перераспределение усилий в бетоне и напрягаемой арматуре при динамическом воздействии может меняться вследствие возникновения пластических деформаций и трещинообразования. Соответственно изменяются динамические характеристики. При испытании модели в процессе вынужденных колебаний первоначально трещины образуются в углах проемов, в местах концентрации напряжений и в середине дверных и оконных проемов, затем они развиваются по высоте элементов. В результате сдвигающих деформаций в вертикальных стыках образуются продольные трещины (см. рис. 90, б). Характер трещинообразования позволяет составить суждение о напряженном состоянии конструкций. На сжатие в основном работают простенки здания.

Армирование перемычек предопределяет развитие пластических деформаций и соответствующее перераспределение усилий в конструкциях. Сдвиговые деформации в горизонтальных и вертикальных стыках существенно зависят от количества напрягаемой вертикальной связевой арматуры и степени ее натяжения.

Испытания модели фрагмента крупнопанельного здания с предварительно напряженной горизонтальной и вертикальной связевой арматурой и шпоночными соединениями элементов подтвердили правильность конструктивных принципов, положенных в основу расчета и проектирования таких зданий для сейсмических районов. Вместе с тем получены ответы на некоторые вопросы, касающиеся напряженно-деформированного состояния здания в условиях динамических воздействий.

В частности, получена картина изменения динамических характеристик здания при свободных и вынужденных колебаниях (жесткости, частоты и периода собственных колебаний, декремента затухания) от степени натяжения вертикальной арматуры. Найдены наиболее напряженные участки конструкций (надпроемные перемычки, места анкеровки горизонтальной арматуры и т. д.). Установлено, что при натяжении вертикальной связевой арматуры на бетон стеновых панелей падение напряжений при динамических воздействиях несущественно. Данные по обжатию бетона горизонтальных стыков позволяют обоснованно выполнить их расчет и уточнить потери в вертикальной напрягаемой арматуре.

Сведения об авторе и источнике:

Автор: Л. С. Махвиладзе

Источник: Сейсмостойкое крупнопанельное домостроение