Определение и учет податливости рамных узлов

Узлы сопряжения ригеля с колонной являются одними из наиболее напряженных зон многоэтажных каркасных зданий, возводимых из сборных железобетонных конструкций. В них, на достаточно коротких участках, концентрируются изгибающие и крутящие моменты, продольные и поперечные силы. Вследствие неровностей контактных зон, погрешностей изготовления и монтажа в сопряжениях сборных конструкций практически невозможно достичь равномерно распределенной передачи нагрузок между стыкуемыми элементами, поэтому имеют место концентраторы напряжений и неравномерность распределения деформаций. Кроме того, каждый элемент сопряжения работает в неравных условиях и на разных стадиях напряженно-деформированного состояния.

В силу нелинейности деформирования, физической и конструктивной анизотропии напряженно-деформированное состояние сопряжения необходимо анализировать с позиций его работы в составе пространственной несущей системы здания. Кроме усилий от вертикальных и горизонтальных нагрузок, определенных согласно плоским расчетным схемам, в сопряжениях ригеля с колонной действуют усилия, обусловленные пространственной работой каркаса. Ригели являются составной частью диска перекрытия, при изгибе или повороте которого в своей плоскости возникают сжимающие и растягивающие напряжения, а также касательные напряжения, вызванные сдвиговыми деформациями, и деформации, вызванные изменением температуры в пределах блока.

После многократного воздействия знакопеременных эксплуатационных нагрузок это полезная вертикальная и ветровая нагрузки, в сопряжениях накапливаются остаточные деформации, величина которых зависит от уровня нагружения элемента. По мнению некоторых авторов считается, что рама в дальнейшем работает с упруго-податливыми узлами при горизонтальных нагрузках, т.е. происходит приспособление конструкции.

Однако при увеличении нагрузок или изменении расчетных схем нелинейность деформирования проявляется вновь. Такая ситуация может возникнуть, например, при реконструкции, что в настоящее время является достаточно актуальным направлением.

Основную часть усилий в сопряжении ригеля с колонной рамного каркаса вызывают вертикальные нагрузки. Элементы сопряжения работают как упруго-пластические. Вследствие образования и развития трещин, текучести арматуры жесткость узла является переменной величиной. Это, в свою очередь, приводит к снижению опорных усилий и перераспределению их в пролет, которые могут достигать 40%.

Продольные усилия в ригеле вызывают в основном горизонтальные нагрузки ветер, температурные и сейсмические воздействия. По данным некоторых источников предельное растягивающее усилие ограничивается величиной 240 кН. Сжимающее усилие от ветровой нагрузки зависит от сетки колонн, высоты этажа и ветрового района. Величины сжимающих усилий, по мнению В.В. Ханджи могут достигать 50-80 кН. Имеют место и усилия распора, возникающие при изгибе балочных конструкций вследствие реакции отпора вертикальных конструкций. В связи с этим анализ деформируемости узла должен быть проведен с учетом всех силовых факторов.

Общие принципы теоретического определения угловой жесткости сопряжения были заложены В.Н. Байковым и А.К. Фроловым. Эти принципы основаны на статической схеме работы узла и гипотезе плоских сечений на примере узлового сопряжения в связевом каркасе серии ИИ-04 с металлической накладкой из листовой стали в растянутой зоне для восприятия фиксированного момента.

Применение в расчетах конечного значения коэффициента угловой податливости предполагает его линейную зависимость от внешнего усилия или расчет в предельном равновесии, между тем известно, что на основе расчета по упругой схеме с неизменными жесткостными характеристиками усилия в узлах сопряжений ригеля с колонной получаются существенно завышенными, что заметно повышает металлоемкость конструкции узла. Для оценки напряженно-деформированного состояния необходимо вводить в расчет диаграмму изменения коэффициента податливости в зависимости от величины внутренних усилий.

В рассматриваемых конструкциях стыков ригеля с колонной вертикальная опорная реакция передается на консоль, поэтому влияние поперечных сил на работу сопряжения можно не учитывать.

Работу сопряжения ригеля с колонной рекомендуется рассматривать для двух состояний: первое швы не омоноличены, что соответствует стадии монтажа или конструкции так называемого сухого стыка (рис. ниже, а)\ второе швы омоноличены и бетон шва включается в работу (рис. ниже, б, в).

В стыках, по аналогии с сечениями железобетонных элементов, могут возникать три стадии напряженно-деформированного состояния: первая условно-упругая; вторая упруго-пластическая и третья предельная по несущей способности.

Критерием предельного состояния узлового сопряжения колонны с перекрытием рекомендуется принимать допустимый угол поворота опорного сечения ригеля или плиты перекрытия относительно оси колонны (рис. ниже), который определяется:

• для первой группы предельных состояний из условий достижения физического или условного предела текучести в растянутой или сжатой арматуре, временного сопротивления сжатию бетона шва или стыкуемых конструкций, предельного сдвига или отрыва закладных деталей;
• для второй группы предельных состояний из условий предельных прогибов и горизонтальных перемещений, или предельного раскрытия трещин.

Коэффициент угловой жесткости узла сопряжения ригеля с колонной Сφ равен отношению изгибающего момента М к соответствующему углу поворота φ опорного сечения ригеля относительно оси колонны:

С φ=М\ φ

Угол поворота опорного сечения ригеля, показанного на рис. ниже, определится по выражению

φ=(Δs-Δz)\h0

где Δs =ΣΔs_i и Δz = -ΣΔz_i суммарные удлинения растянутой арматуры и перемещения сжатой зоны по линии опирания ригеля на консоль; h₀ расстояние между линиями измерения перемещений (расстояние от линии опирания ригеля или плиты перекрытия на консоль до центра тяжести растянутой или сжатой арматуры).

Расчетные схемы для определения коэффициента угловой жесткости сопряжения ригеля с колонной

Дня рассматриваемых типовых узлов сопряжения ригеля с колонной коэффициент угловой жесткости стыка рекомендуется определять по формуле

где 1/Bci и 1/B_Tj — приращения смещении от единичных усилии соответст-

венно в сжатой и растянутой зонах сечения стыка; K_Ni) K_NJ коэффициенты, учитывающие влияние осевого сжимающего усилия (при отсутствии продольной силы принимаются равными единице).

Напряжения и деформации крайнего растянутого волокна бетона при омоноличивании равны нулю. Образование трещин происходит от прироста вертикальной и горизонтальной нагрузки в стадии эксплуатации. Поэтому оценивать трещиностойкость узлового сопряжения следует только на добавляемую часть внешней нагрузки при кратковременном ее действии. С учетом длительности действия нагрузки необходимо вводить в расчет дополнительный прирост опорного момента за счет перераспределения усилий, вызванных ползучестью бетона. Исходя из практики проектирования, для предварительной оценки учет длительности действия нагрузки можно производить снижением первоначальной постоянной нагрузки до 50% и введением ее в нагрузку после омоноличивания.

Учет податливости узлов при статическом расчете рамы

При расчете рамы методом перемещений реакции ригеля от единичных деформаций и внешней нагрузки, учитывающие податливость узлов, определяют по формулам, приведенным в табл. ниже.

Определение опорных реакций ригеля от единичных деформаций и нагрузок с учетом податливости узлов