АНАЛИЗ СТЫКОВОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН И ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

АНАЛИЗ СТЫКОВОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН И ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Квиринг Роберт Владимирович

 магистрант факультета общего строительства, Международная образовательная корпорация,

Республика Казахстан, г. Алматы

Полякова Ирина Марковна

проф., Международная образовательная корпорация,

Республика Казахстан, г. Алматы

АННОТАЦИЯ

Рассматриваются соединения сборных железобетонных колонн. Существует большое количество вариантов соединения колонн, и задача исследования понять актуальность их использования на основе теоретических данных и проведённых исследований каждого отдельного варианта. Целью исследования является теоретическое описание стыков сборных железобетонных колон с применением и без применения металлических стыковочных элементов. Изучалась история развития соединений колонн, методы решения проблем, возникавших при конструировании стыков. На основе анализа данных выбраны два варианта стыков, наиболее оптимальных по простоте исполнения, надёжности, соответствия цены и качества. Выводы сделаны на основе анализа теоретических и практических испытаний на прочность, представленных в литературных источниках. Результаты исследования могут быть применены при выборе конструкции стыковочных соединений железобетонных колонн.

ABSTRACT

The connections of precast reinforced concrete columns are considered. There are a large number of options for connecting columns, and the task of the study is to understand the relevance of their use on the basis of theoretical data and conducted studies of each individual option. The purpose of the study is a theoretical description of the joints of precast reinforced concrete columns with and without the use of metal docking elements. The history of the development of column joints, methods of solving problems that arose during the construction of joints were studied. Based on the data analysis, two variants of joints were selected, the most optimal in terms of simplicity of execution, reliability, price and quality compliance. The conclusions are based on the analysis of theoretical and practical strength tests presented in the literature. The results of the study can be applied when choosing the design of the docking joints of reinforced concrete columns.

Ключевые слова: стыки колонн, закладные детали, деформации, сварные соединения, бессварные соединения, сборные железобетонные колонны, железобетонные конструкции, полимер растворы, косвенное армирование

Введение

Строительство каждый день развивается и появляются новые конструктивные решения, использование которых увеличивает качество и надёжность строимых зданий. За долгое время существования сборного железобетона накопилась масса различных решений по стыковке сборных железобетонных колонн. Важным вопросом является выбор правильного соединения исходя из поставленной задачи. Рассматриваются сварные и бессварные соединения, анализируются их преимущества и недостатки.

Очень важным является вопрос реконструкции старых зданий. Урбанизация городов увеличивается и появляется необходимость увеличение рабочей и жилой площади зданий в центрах городов. Часто строители приходят к необходимости увеличить полезную площадь таких зданий и делается это в основном за счёт повышения этажности, что влечёт за собой повышение нагрузки на несущие конструкции. Повышение нагрузки нужно в обязательном порядке компенсировать увеличением прочности конструкции. Сборный железобетон может оказаться отличным решением данной проблемы, если правильно подобрать конструктивное решение можно сильно увеличить скорость выполнения работы и несущую способность сооружения. Поэтому материалы данной работы найдут отклик и в реконструкции зданий.

Целью настоящих исследований является проведение анализа вариантов соединений сборных железобетонных колонн и выбор самых лучших. Для этого необходимо изучить все возможные литературные источники, в которых описаны различные узлы и проведен их теоретический и экспериментальный анализ прочности.

Задачи исследования:

• Обзор имеющихся методов стыковки элементов, описать их сильные и слабые стороны;
• Оценка основных факторов, влияющих на работу конструкций;
• Определение надёжности рассматриваемых соединений;
• Сравнение способов монтажа и производства различных стыков.

Объект исследования

Объектом исследования являются соединения сборных железобетонных колон, анализ конструктивных решений, сравнение их по прочности и сложности монтажа.

Анализ конструктивных решений выполнения соединений сборных железобетонных колонн

Колонна – конструктивный элемент, используемый в каркасных зданиях. Выполняется в виде вертикального стержня как в монолитном, так и в сборном исполнении из железобетона. Необходима для принятия нагрузки с ригелей (в полном каркасе), либо непосредственно с плит перекрытий (в неполном каркасе) в здании и передачи её вниз друг по другу на фундамент.

В строительстве в основном применяют колонны прямоугольного и квадратного сечения. Различают два варианта колонн: стыковые и бесстыковые. Бесстыковые применяются в малоэтажном строительстве, стыковые используются в зданиях средней этажности и выше, именно о них пойдёт речь в статье. Стык колонн обычно менее крепок, в сравнении с остальным сечение, поэтому требует особого расположения. В стыковых колоннах он должен находиться в наименее нагруженной части, т.е. на расстоянии от плиты перекрытия, оно составляет 700-900 мм.

Существует два вида соединений колонн: сварные и без использования сварки. Можно сказать, что был переход от более простых бессварных к сварным соединениям, в которых используют ванную сварку или закладные детали. Несмотря на этот переход бессварные соединения так же эволюционируют и используются по сей день.

На колонны в здании приходится очень большая нагрузка, как статическая, так и динамическая. Помимо этого, колонны чаще всего внецентренно сжатые. Из-за возникающих эксцентриситетов могут присутствовать ошибки в производстве и монтаже, напряжения от сварки и прочие дефекты. Поэтому стыки колонн проектируются с некоторым запасом прочности, который поможет нивелировать негативные факторы.

Первое каркасное железобетонное здание на территории СНГ было построено в Москве в качестве общежития. Поскольку на тот момент это было первым подобным сооружением, там использовались примитивные методы стыковке. Конкретно в этом здании стыки были расположены на уровне плит перекрытий. В этой конструкции колонны работали на практически осевое сжатие. Предложение построить здание с такой конструктивной схемой последовало от Государственного Института Сооружений (ГИС), над проектом здания работали выдающиеся инженеры А.Ф. Лолейт, Е.В. Костырко, А.А. Гвоздев. Несмотря на то, что проект был сформирован высококвалифицированными людьми, уже тогда было понятно, что конструкция имеет ряд недостатков, которые необходимо устранить. На эти цели были выделены огромные средства, благодаря чему Советский союз стал лидирующей державой по производству сборных железобетонных конструкций.

В дальнейшем ГИС было предложено необычное на тот период шарнирное соединение. Рамы в каркасе имели П-образрую форму и подвесные ригеля. Шарнирность соединение была достигнута сферическими торцами колонн (Рис 1). За исследование данного соединения взялся Васильев А.П., в ходе исследования нескольких образцов выяснились конструктивные недостатки таких соединений. Из-за сильного обжатия в стыке возникала высокая деформативность - сколы, трещины и прочие дефекты. Основная часть разрушений приходилась не на стык, а на тело колонны, из-за высокого изгибающего момента [1]. Несмотря на недостатки конструкции было построено несколько малоэтажных промышленных зданий с применением такой конструктивной схемы.

В дальнейшем разработкой шарнирных соединений занимались Крылов С.М. и Коровин Н.Н. В Качестве исправления недостатков было предложено располагать шарнирный стык в уровне перекрытия, а также, изменить расчётную схему. Теперь шарнирными были только опоры, а подвесные ригели сменились жёстко заделанными в раме. Требования застройки постоянно менялись и нагрузки на конструкцию увеличивались, в основном с увеличением этажности. Имеющаяся конструкция не выдерживала: бетон выкрашивался, а стык давал трещины. Для борьбы с этим было предложено сваривать арматуру на углах колонны ванной сваркой (Рис. 2).

Рисунок 1. Сферические торцы колонн

Рисунок 2. Сферические торцы колонн с угловыми укреплениями

Одной из основных нагрузок, влияние которых учитывалось при экспериментах, была сейсмическая. Она была самой проблемной, и в попытках решить эту проблему пришли к следующему решению: сохранили старые достижения (ванная сварка угловых стержней и стыковка плоских площадок), но к ним добавили стыковку металлическими пластинами и центровка с помощью специальной выемки по центру (Рис. 3).

Можно сказать, что это были первые и простейшие варианты соединений, которые требовали больших модификаций, к примеру, появился вариант с металлическими оголовками, которые сваривались друг с другом (Рис 4.а). Далее этот вариант заменили на горизонтальные пластины на торцах, которые были намертво закреплены на торцах с помощью арматурных стержней замоноличенных в тело колонны (Рис 4.б).

Большое количество экспериментов показало эффективность таких соединений, но несмотря на это они имели ряд недостатков с экономической и технологической точек зрения.

Рисунок 3. Усиление торцов колонн закладными деталями и центрирующими элементами

Увеличение несущей способности повлекло за собой увеличение объёмов используемых материалов, в особенности металла, использование сварки в сцеплении арматуры оказывало меньшее негативное влияние, нежели использование её при сварке пластин, в которых появлялись неравномерные деформации, что в дальнейшем могло негативно отразиться на прочности конструкции. Поэтому было понятно, что идеального решения пока не найдено, в это время предложили ещё одно интересное решение: для центровки и опирания колонн использовали массивную металлическую трубу (Рис 4.в) [2, 3, 4, 5, 6].

а                     б                     в

Рисунок 4. Усиление торцов колонн а) металлические оголовки б) горизонтальные пластины в) применение металлических труб

Помимо разработки вариантов соединений колонн шли так же исследования направленные на увеличение прочности самих колонн на торцах. Одним из самых надёжных решений оказалось усиление торцов косвенной поперечной арматурой в виде сеток, такой вариант укрепления был обследован Матковым Н.Г. [7, 8, 9]. При стыковке колонн с закругленными концами эта поверхность рассматривалась как оболочка вращения, нагруженная осесимметрично. Статические и динамические характеристики таких элементов рассматриваются в [10, 11].

В [7,8,9] пытались решить проблему использования сварки, дающей негативные напряжения, путём использования полимеррастворов, такие эпоксидные растворы применялись как в самом стыке, так и в соединении арматуры, используя трубки и муфты [7]. У таких растворов был явный недостаток в виде малой жаростойкости, но эту проблему решили гипсовой обмазкой.

К 1980 начались исследования в сфере бессварных соединений: гильзовые, муфтовые, штепсельные и т.д. В 1985 были Матков Н.Г. и Васильев А.П. написали труд по контактным стыкам колонн с обрывом продольной арматуры. Самым простым вариантом здесь можно выделить штепсельное соединение, так как требует наименьшее количество трудозатрат при монтаже (Рис 5). Существует большая вариация таких соединений: выпуски арматурных стержней снизу или сверху, использование четырёх продольной арматуры по углам сечения или расположение их по периметру. В соединении часто применяют центрирующий стержень. Так же выпуски арматуры могут быть сразу на обоих концах соединения (Рис 6).

Рисунок 5. Штепсельное соединение колонн без сварки арматуры

1- выпуски арматуры, 2 – трубки, 3 – раствор, 4 – сетки косвенного армирования, 5 – центрирующая прокладка, 6 – зона обжатия

Рисунок 6. Штепсельное соединение с выпусками с обеих сторон

Заключение

Рассмотрено развитие вариантов соединений сборных железобетонных колонн, их эволюция с течением времени. Проанализировав вышеописанные данные, был сделан вывод, что сложные варианты соединений не всегда самые лучшие, но и слишком простые не выдерживают поставленные задачи.

К примеру, сварные соединения показывают хорошие результаты при проверке на прочность соединения из-за своей жёсткости, но высокая жесткость может иметь негативные последствия при динамических воздействиях. Сварка металлических элементов в виде закладных деталей, на подобии пластин приводит к образованию напряжений в металле, которые не идут на пользу конструкции, металл может вытягиваться и вызывать отклонения в расчётной схеме. Подобные напряжения возникают и в продольных стержнях арматуры, что может отразиться на целостности конструкции при сдвиговой нагрузке. Несмотря на достаточную прочность появляется и вопрос монтажа и производства сварных соединений, добавление дополнительных элементов и сам процесс сварки добавляет технологических сложностей, что может отразиться на экономической части проекта.

Бессварные соединения обладают неоспоримым преимуществом с технологической точки зрения, сильно подкупает простота исполнения и скорость монтажа таких узлов. Уходит необходимость использовать труд сварщиков и не тратиться на сварочное оборудования. При необходимости можно заменить сварное соединение на болтовое. Но возникает вопрос прочности таких соединений, за счёт погружения выпусков продольной арматуры в металлические трубы с последующим замоноличиванием можно получить достаточную прочность к сдвиговым нагрузкам, но есть вопросы к надёжности конструкции на изгиб.

Сделан вывод, что выбор сварных или бессварных соединений сильно зависит от конкретной ситуации и нагрузок, которые будут воздействовать на стык.

Рисунок 7. Сварное соединение с угловой подрезкой

1 – металлическая пластина, 2 – центрирующий элемент, 3 – продольная арматура с угловой подрезкой бетона

В дальнейшем исследовании будет произведено сравнение самых популярных вариантов, не только по надёжности, но и по трудозатратам на производство. Поскольку сейчас используются как сварные соединения, так и бессварные, будут взяты варианты из обеих групп. Выбор пал на два соединения, штепсельное бессварное (Рис. 6) и сварное с угловой подрезкой (Рис. 7)

Список литературы:

1. Горшкова, В.М. Работа шарнирного стыка колонн на поперечную силу [текст] // Бетон и железобетон. 1981. - № 10. - С. 25-26.
2. Васильев, А.П. Прочность стыков и узлов железобетонных каркасов многоэтажных зданий при нагрузках типа сейсмических [текст] / А.П. Васильев, Ю.Д. Быченков, Ю.Е. Тябликов // Бетон и железобетон. 1968.-№8.-С. 2-7.
3. Гусаков, В.Н. О стыках сборных железобетонных колонн [текст] // Строительная промышленность. 1955. - № 7. - С. 18-19.
4. Драбкин, Г.М. Многоэтажные промышленные промздания из сборного железобетона [текст] / Г.М. Драбкин, А.Г. Марголин // Л.: Стройиздат, 1974.-215 с.
5. Довгалюк, В.И. Новый стык колонн под большие нагрузки [текст] / В.И. Довгалюк, Н.Л. Котляр, Ю.Л. Крицман // Бетон и железобетон. 1972. - № 2 . - С . 10-12.
6. Стыки железобетонных элементов каркасов многоэтажных зданий [текст] / Матков Н.Г. Строительство и архитектура. Строительные конструкции. Обзорная информация. Выпуск 3 - М., ВНИИИС, 1982.-96 с.
7. Стыки сборных железобетонных конструкций (Под. ред. А. П. Васильева) [текст] / М., Стройиздат, 1970. - 190 с.
8. Матков, Н.Г. Применение эпоксидных полимеррастворов в стыках колонн при отрицательной температуре [текст] / Н.Г. Матков, А.Н. Волгушев // Промышленное строительство. 1978. - № 4. - С. 5-8.
9. Матков, Н.Г. Особенности работы стыков колонн с боковыми подрезками на внецентренное сжатие в каркасах промзданий [текст] // Бетон и железобетон. 1977. - № 5. - С. 26-29.
10. Васильев, А.П. Стыки колонн без сварки арматуры в каркасах многоэтажных зданий [текст] / А.П. Васильев, Н.Г. Матков // Бетон и железобетон. 1979. - № 1. - С. 8-10.
11. I. Polyakova, R. Imambayeva, B. Aubakirova. DETERMINATION OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ELASTIC SHELL STRUCTURES. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies ISSN 1729-3774. 6/7 ( 114 ) 2021. DOI: 15587/1729-4061.2021.245885
12. I. Polyakova, R. Imambayeva, B. Aubakirova, N. Shogelova, Y. Glyzno, A. Zhumagulova DETERMINING STATIC CHARACTERISTICS OF CORRUGATED SHELL ELEMENTS MADE FROM COMPOSITE MATERIALS. DOI: 10.15587/1729-4061.2022.269399. "Eastern-European Journal of Enterprise Technologies" (№6/7 (120) 2022).