Учет частичного защемления сопряжения колонн со сборным перекрытием связевого каркаса

Расчетная схема многоэтажных связевых каркасов представляет комбини­рованную конструкцию, состоящую из рамной части и диафрагм жесткости. При расчете на вертикальные и горизонтальные нагрузки узлы сопряжения ригелей и плит с колоннами принимаются шарнирными. Шарнирное сопряжение плит пе­рекрытия в продольном направлении принято и в рамно-связевых каркасах. На практике, в результате имеющих место конструктивных факторов и выполнения ряда обязательных монтажных операций, таких, как сварка закладных деталей (рис. ниже, а), омоноличивание швов, устройство выравнивающих стяжек или локальных усилений, возникает частичное защемление колонн в продольном и поперечном направлениях, которое ограничивает поворот колонн относительно элементов сборного перекрытия. Появление сопротивления взаимному повороту элементов в узлах сопряжения повышает жесткость продольных и поперечных рам, тем самым разгружая диафрагмы жесткости.

Величина момента на опоре зависит от направления действия нагрузки. В растянутых элементах (пластинах, арматурных стержнях) (рис. ниже, а) при расчетных максимальных нагрузках допускаются напряжения, соответствую­щие пределу текучести, что приводит к возникновениию остаточных деформа­ций и в итоге к повышению деформативности узла при знакопеременных вре­менных нагрузках по сравнению с начальным значением.

В узлах сопряжения ригеля с колонной связевого каркаса без монтаж­ных соединений по верхней зоне (рис. ниже, 6) сопротивление повороту ри­геля относительно колонны возникает после сварки опорных закладных деталей и омоноличивания швов. Для сопряжений рис. ниже, б защемление носит односторонний характер. При действии изгибающего момента в сто­рону пролета узел «раскрывается» (рис. ниже, в) и опорные моменты малы, поскольку на изгиб работают только опорные закладные детали, при дейст­вии изгибающего момента в другом направлении происходит обжатие шва омоноличивания и возникает пара сил (см.рис. ниже, в).

Поскольку опорные закладные детали обладают податливостью, а бе­тон омоноличивания, как правило, имеет более низкую прочность чем бе­тон сопрягаемых конструкций, то узел обладает меньшей изгибной жестко­стью, чем сечения ригеля.

В продольном направлении (вдоль плит перекрытий) эффект частичного защемления проявляется при устройстве перекрытия из ребристых плит, про­дольные ребра которых на опорах привариваются к полкам ригелей. При свар­ном соединении механизм возникновения сопротивления при повороте опорного сечения плиты относительно ригеля тот же, что и в ригеле с колонной.

Конструкции сопряжений ригеля с колонной в связевом каркасе

а - со скрытой консолью и верхней монтажной соединительной пластиной; б - со скрытой прямоугольной консолью; в - схема распределения усилий при действии горизонтальной нагрузки. σ_В1-:-σвз сжимающие напряжения в бетоне шва; G_Z1, Gz2, Мz - сдвигающие усилия и изгибающий момент в закладной детали

Коэффициент угловой жесткости сопряжения ригеля с колонной связевого каркаса (см. рис. выше, а) без учета сжатого бетона шва:

Сφ= h₀²/(K_N1*(1/B_c)+K_N2*((1/B_ZK)+(1/B_ZR)))

где 1/B_c деформации от единичных усилий верхней стальной накладки.
При действии обратного момента необходимо учитывать возможность потери устойчивости верхней накладки.
В омоноличенных торцевых швах без верхней накладки (см. рис. выше, б) при действии момента противоположного знака коэффициент угловой жест­кости равен:

Сφ= h₀²/(K_NB1*(1/B_Sh)+K_NB2*((1/B_ZK)+(1/B_ZR)))

где K_NB1, K_NB2 – коэффициенты, учитывающие влияние продольной силы:

K_NB1= (1+η)*(1/(1-ξ/m)), K_NB2 =(1+η)*(1/(1-ξ/m)-h₀/e₀),

здесь т - коэффициент, зависящий от формы эпюры напряжений в бетоне сжатой зоны (3 - для треугольной, 2 - для прямоугольной).

Высота сжатой зоны определяется из условия равновесия сечения.

Эффект от частичного одностороннего защемления достаточно высок и может быть проиллюстрирован численным анализом деформирования трех- и шестиэтажных рам, результаты которого представлены на рис. ниже. Кон­струкции рассчитаны на горизонтальные нагрузки. На графиках линия 1 соответствует прогибам рамы с чистыми шарнирами, а линия 4 - с жестким защемлением в сопряжениях ригеля с колонной. Остальные линии соответ­ствуют: 2 - сопряжения с жесткостью связевого каркаса; 3 - сопряжения с жесткостью рамного каркаса в предельной стадии по несущей способности узла. Наличие сопротивления изгибу в узле сопряжения привело к сниже­нию горизонтальных нагрузок как минимум на 25%.

Наглядно зависимость снижения прогибов рамных систем от жесткости сопряжения ригелей с колонной показывает график на рис. ниже, где по оси абсцисс отложены значения коэффициента жесткости сопряжения ригеля с колонной, а по оси ординат - соотношения максимальных прогибов рам с податливым защемлением к прогибам рам с шарнирами в узлах ригеля с ко­лонной. По графику определяется оптимальная жесткость сопряжения.

Для типового сопряжения связевой системы значения начальных ко­эффициентов угловой жесткости соответственно в направлении ригелей и ребристых плит составили: С_х = 0,6x10⁵ кНм/рад и С_у = 0,09x10⁵ кНм/рад. В исследуемом диапазоне изменения угла поворота стыкуемых элементов снижение коэффициента С_х(у) составило 10%.

Результаты расчета многоэтажных плоских рам

а, в- расчетные схемы рам; б, г- эпюры прогибов от горизонтальной нагрузки (f_с и f_h), - прогибы соответственно при учете защемления и при всех шарнирных сопряжениях ригеля с колонной)

Частичное защемление колонн в дисках перекрытий существенно по­вышает изгибающие моменты в уровне междуэтажных перекрытий. По ре­зультатам численных исследований увеличение изгибающих моментов в колоннах на уровне третьего этажа составило более 2 раз. Однако по абсо­лютной величине изгибающие моменты в колойнах на уровне междуэтаж­ных перекрытий существенно ниже, чем по обрезу фундамента. Снижение внутренних усилий в связевой панели при учете частичного защемления распределяется таким образом: минимальное влияние на уровне первого этажа - 9% и максимум на верхних этажах - до 47%.