» » Предложения по конструированию стен монолитных зданий

Предложения по конструированию стен монолитных зданий

16.04.2016

Вряд ли нужно доказывать, что в основе конструирования любой железобетонной конструкции, в том числе и стен монолитных зданий, должны лежать результаты соответствующих расчетов. В этой связи, к сожалению, приходится констатировать явное несовершенство существующего расчетного аппарата монолитных зданий. Фактически при сейсмичности 7 баллов расчет зданий высотой до 12—14 этажей на особое сочетание нагрузок является пустой формальностью, поскольку заранее известно, что в результате его выполнения арматура не потребуется. Между тем вряд ли мы рискнем построить в условиях 7-балльной сейсмичности 14-этажное здание без единого арматурного стержня в стенах!
Поэтому магистральный путь к совершенствованию систем армирования стен монолитных зданий лежит через создание глубоко обоснованной методики их расчета, возможно полнее учитывающей величину реальных сейсмических сил, развитие пластических деформаций в конструкциях, возможность перераспределения в них усилий, пространственный характер работы зданий с учетом проявления высших форм колебаний, кручения и пр.
В этом направлении ведутся соответствующие исследовательские работы, но результаты их еще далеки от обобщения в единую расчетную методику. Поэтому пока приходится удовлетвориться анализом сложившихся принципов конструирования монолитных стен и по возможности усовершенствовать их, опираясь на накопленные результаты экспериментально-теоретического изучения поведения конструкций этого типа в различных силовых ситуациях.
Прежде всего рассмотрим функции конструктивного армирования. He вызывает сомнений нормативное требование об установке вертикальной арматуры у торцевых граней простенков. На этих участках она необходима прежде всего для восприятия растягивающих напряжений, возникающих при изгибе стен. Однако непонятно, с какой целью следует предусматривать вертикальное армирование пересечений стен (рис. 5.4 и 5.5)? По условиям работы стены как в плоскости, так и из плоскости установка вертикальных каркасов в пересечениях стен не требуется. Скорее с помощью армирования следует обеспечивать совместность работы сопрягаемых стен. Ho для этого нужны не вертикальные, а горизонтальные каркасы.
Судя по всему, истоки этого нормативного требования следует искать в практике проектирования крупнопанельных зданий. Из принципов конструирования монолитных зданий его безболезненно можно исключить.
Поскольку мы затронули вопрос контурного армирования, рассмотрим требование норм (в частности, РСН 13—87) о распределении его на участках длиной (0,1—0,2)h. Это требование созвучно имеющемуся в некоторых зарубежных нормах. Однако этим еще не доказывается его рациональность. Неясно, какова связь между длиной стены и длиной участка контурного армирования?
Основное назначение контурной арматуры — воспринимать растягивающие напряжения, возникающие при изгибе стены, и препятствовать раскрытию нормальных и наклонных трещин. С этой целью целесообразно располагать ее возможно ближе к торцевым граням стен. Однако при изменении знака горизонтальной нагрузки (например, при сейсмическом воздействии) растянутые контурные стержни могут оказаться сжатыми, и тогда возникнет опасность их выпучивания. Вероятность этого тем выше, чем меньше толщина защитного слоя бетона и шаг поперечных стержней.
В этой связи, казалось бы, увеличением размера а2 (рис. 5.6,а) можно добиться предотвращения выпучивания но крайней мере внутренней пары стержней вертикального каркаса, устанавливаемого у торцевой грани стены. Однако это не так, поскольку увеличение а2 никак не отражается на величине защитного слоя а3, в силу чего, предотвращая опасность выпучивания стержней в плоскости стены, мы оставляем неизменной возможность их выпучивания из ее плоскости, что и наблюдалось при испытании фрагментов монолитных стен.
Заметим, что выполнение рассматриваемого нормативного условия может привести к ничем не оправданному развитию одного из размеров поперечного сечения вертикальных контурных каркасов и, как следствие, — к перерасходу стали. Например, при длине сплошной стены H = 12 м длина участка, занимаемого торцевым каркасом (Lpк), должна находиться в пределах 1,2—2,4 м. При таких цифрах, согласно СНиП 11-21—75, в каркасах необходимо предусматривать дополнительные вертикальные стержни. Помимо этого установление величины Lрк от 0,1 до 0,2 длины стены не способствует унификации каркасов контурного армирования стен.
Очевидно, вероятность выпучивания вертикальных стержней будет наименьшей, когда они отстоят от свободных поверхностей стен на величину, равную половине толщины стены. Это условие без особого труда можно выполнить, заменив тривиальные прямоугольные каркасы на менее металлоемкие треугольные (рис. 5.6,б).
Предложения по конструированию стен монолитных зданий

A.E. Fiorato, R.G. Desterle, J.Е. Carpenter в качестве меры против выпучивания сжатых стержней, предлагают косвенное армирование опорных зон стен в местах установки вертикальных каркасов. Однако, как они отмечают, и эта мера лишь частично препятствует нежелательному деформированию этих стержней.
Одним из важнейших аспектов проблемы конструирования стен монолитных зданий является выявление роли полевой арматуры, предусматриваемой, как правило, по конструктивным требованиям. Несмотря на малый процент армирования (0,05%), на долю конструктивного полевого армирования приходится 40—55% всей стали, расходуемой на стены монолитных зданий повышенной этажности.
Естественно возникает вопрос: каковы функции этой арматуры при работе зданий в нормальном эксплуатационном режиме и при сейсмическом воздействии. Судя по соответствующим публикациям, среди специалистов нет единого мнения по этому вопросу. Об этом свидетельствуют и строительные нормы разных стран. Так, по некоторым зарубежным нормам минимальный процент полевого армирования (0,25%) в пять раз превышает величину, установленную СНиП 2.03.01—84.
Для того чтобы разобраться в назначении полевого армирования стен, рассмотрим наиболее вероятные его функции. Это:
1) восприятие напряжений, возникающих вследствие усадки и ползучести бетона, а также при температурных перепадах;
2) восприятие напряжений, появляющихся при эксплуатации зданий в результате явлений, не учитываемых расчетом (случайные эксцентриситеты сил, местные крутящие моменты, неравномерные деформации стен, их первичное напряженное состояние, история загружения и т. п.);
3) обеспечение прочности стен при работе из плоскости;
4) увеличение несущей способности стен при работе в плоскости.
Из этого перечня первые две причины можно отбросить. Сделать это позволяют как действующие нормы, так и опыт эксплуатации монолитных зданий в несейсмических районах.
Согласно «Руководству по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий» конструктивное вертикальное армирование по полю стены необходимо предусматривать только в тех случаях, когда от расчетных нагрузок в сечении возникают растягивающие напряжения, или когда в полностью сжатом сечении σу(min)≤1МПа при σу(mах)≥0,8 Rb. Если же перечисленные условия не имеют места, то полевая арматура не предусматривается.
Указанное Руководство распространяется на проектирование зданий для несейсмических районов. В стенах многих таких зданий, в том числе повышенной этажности, полевая арматура отсутствует, что не препятствует их нормальной эксплуатации в течение длительного срока. Из этого следует, что требование обязательной установки полевой арматуры в стенах монолитных зданий нужно рассматривать как дань возможному сейсмическому воздействию. Считается, что в такой силовой ситуации она необходима, однако это положение, узаконенное нормами, по мнению автора, не имеет убедительного основания.
Для того чтобы разобраться в этом вопросе, рассмотрим работу стен из плоскости и в плоскости. При их деформировании из плоскости возможны две силовые ситуации: статическая и динамическая.
Часто расчеты стен в статическом режиме при основном сочетании нагрузок показывают, что их прочность при внецентренном сжатии из плоскости обеспечивается бетонным сечением, т. е. без армирования.
При работе здания в динамическом режиме (например, при сейсмическом воздействии) имеет место депланация стен, или так называемый мембранный эффект, обусловленный продольным изгибом относительно тонких стен.
При действии знакопеременной горизонтальной нагрузки в стене может возникнуть сетка из пересекающихся наклонных трещин, в результате чего стена окажется раздробленной на отдельные куски бетона.
Можно предположить, что не будучи связанными между собой полевой арматурой, эти куски бетона в силу мембранного эффекта могут выпасть из поврежденного участка стены, что повлечет за собой снижение ее несущей способности. Развивая эту гипотезу разрушения стены, логично допустить, что стержни полевой арматуры могут сыграть в этом случае положительную роль, связуя упомянутые куски бетона и препятствуя их выпадению из плоскости стены.
Объективным противоречием этой гипотезе является отмеченное при знакопеременном загружении панелей выпучивание стержней полевых сеток, способствовавшее выдавливанию кусков бетона из стен и образованию в них пустот значительных размеров. Такой вид разрушения не наблюдался в панелях без полевого армирования.
До недавнего времени объективная информация о поведении монолитных зданий при сильных землетрясениях по существу отсутствовала. Этот пробел был ликвидирован в 1986 году, когда в зоне сильного Карпатского землетрясения оказалось свыше 120 монолитных зданий высотой от 8 до 24 этажей. Все они получили повреждения различной степени, а несколько зданий оказалось в аварийном состоянии. Характер повреждения их стен был разнообразным, включая и трещины по наклонным сечениям, но не было ни одного примера разрушения стены вследствие ее раскалывания на отдельные куски и их выпадения. Наряду с этим довольно часто отмечалось раздробление и выкрошивание бетона стен по причине его низкой прочности. В таких случаях довольно тонкие и редко поставленные стержни полевой арматуры не только не смогли воспрепятствовать выкрошиванию рыхлого бетона, но в известной мере способствовали этому своим выпучиванием.
Конечно, для того чтобы полноценно разобраться в функциях полевой арматуры стен, желательно располагать информацией о их поведении в динамическом режиме при высоких уровнях горизонтальной инерционной нагрузки. Такие сведения могут быть получены, например, при вибрационных испытаниях зданий.
Из перечисленных в начале настоящего раздела возможных функций полевой арматуры стен нам осталось рассмотреть влияние этой арматуры на несущую способность стены при одновременном действии вертикальных и горизонтальных сил в ее плоскости.
Предложения по конструированию стен монолитных зданий

В табл. 5.5 даны результаты испытаний фрагментов стен с близкими значениями прочности бетона. При их рассмотрении прежде всего обращает внимание тот факт, что во всех случаях усиление контурного армирования с 2014 до 4014 обусловило существенный (до 50—70%) рост несущей способности стен. Эти же опыты выявили малоэффективность нолевого армирования. Так, при одинаковом контурном армировании образцов серий «А» и «Г» установка полевой арматуры привела к увеличению несущей способности фрагментов стен примерно на 25%, при том что процент полевого армирования (ρsq = Psw) в этих образцах достигал 0,2%, т. е. в четыре раза превышал установленный СНиП 2.03.01—84 конструктивный минимум. Если же с помощью уравнении (4.24)—(4.29) оценить рост несущей способности испытанных фрагментов стен за счет полевого армирования при psq=psw=0,05%, то искомый эффект составит лишь около 3,5%.
О том, насколько рациональнее расходовать сталь на контурное армирование стен, нежели на полевое при работе их в своей плоскости, еще более наглядно свидетельствует рисунок 5.7. Для получения представленных на нем данных, используя уравнения (4.24)—(4.29), был рассчитан ряд панелей, которые можно разбить на две группы.
К первой из них относились панели, размеры которых полностью соответствовали размерам образцов, фигурировавших в опытах КПИ им. С. Лазо. Расчетные модели этих образцов загружались вертикальной нагрузкой N = 840 кН с эксцентриситетом ео = 80 см. Панели второй группы от панелей первой группы отличались только тем, что имели меньшую длину (h = 130 см; (β = 1) и загружались такой же вертикальной нагрузкой, но с эксцентриситетом ео = 40 см. В пределах каждой группы имелись панели только с контурной арматурой (S), либо только с вертикальной (Sq) или горизонтальной (Sw) полевой.
Предложения по конструированию стен монолитных зданий

Анализ результатов этого расчетного исследования приводит к следующим выводам, имеющим прямое отношение к разработке систем оптимального конструирования стен монолитных зданий.
1. С уменьшением геометрической характеристики стен β, начиная от его предельного для широких участков стен значения, равного единице, эффективность всех видов армирования (за исключением горизонтального полевого) с увеличением его мощности возрастает. Абсолютное участие арматуры Sw в формировании несущей способности стен практически не изменяется с изменением их геометрической характеристики.
2. В квадратных стенах (β=1) эффективность вертикального (Sq) и горизонтального (Sw) полевого армирования: почти одинакова, но с уменьшением β четко проявляется более высокая целесообразность вертикального полевого армирования по сравнению с горизонтальным. В этой связи заметим, что в реальных зданиях стены с β=1 являются лишь частным случаем широких участков стен.
3. Во всех случаях эффективность контурного армирования намного выше, чем полевого (особенно горизонтального). Здесь уместно напомнить, что зарубежные нормы рекомендуют горизонтальную полевую арматуру как одно из основных средств борьбы со сдвиговым характером разрушения степ.
Все эти выводы так пли иначе подтверждаются экспериментальными данными, полученными лабораторией сейсмостойкого строительства КПИ им. С. Лазо и некоторыми зарубежными авторами. Суммируя экспериментальные и теоретические данные о функциях контурной и полевой арматуры стен, можно констатировать следующее.
Контурная арматура относится к числу основных слагаемых несущей способности стен монолитных зданий. Помимо этого она обеспечивает пластичный характер их деформирования, что весьма важно при сейсмическом воздействии.
Полевая арматура в существенно меньшей степени (при равноценных расходах стали) участвует в формировании несущей способности стен в их плоскости и в большинстве случаев не оказывает влияния на пластичность их деформирования. В качестве исключения, пожалуй, следует указать только на полевое армирование наклонными и диагональными каркасами из арматуры с явно выраженными пластическими свойствами. Такие конструкции отличаются повышенной пластичностью деформирования.
Имеющиеся экспериментальные результаты статических испытаний стеновых панелей и изучение характера повреждения стен монолитных зданий при Карпатском землетрясении 1986 г. негативно характеризуют роль полевой арматуры в работе стен, во всяком случае при относительно низком процентном содержании, характерном для практики отечественного монолитного строительства.
Все это приводит к выводу, что в случаях когда требуемая по расчету несущая способность стен может быть обеспечена только_ контурной арматурой и сжатым бетоном, от полевой арматуры можно отказаться. Вывод этот подтвердили соответствующие динамические испытания фрагментов монолитных зданий, проведенные в г. Кишиневе.
В этой связи уместно напомнить о продемонстрированной при землетрясениях высокой сейсмостойкости каркасно-каменных зданий высотой до 9 этажей. Железобетон (причем слабоармированный) в их стенах имеется только в местах сопряжений, а поле стен обычно выполняется из низкопрочной кладки, характеризующейся к тому же крайне слабым сцеплением раствора с камнем (Rt≤0,06 МПа). Предлагаемый отказ от полевого армирования позволит существенно снизить металлоемкость монолитных степ, а в необходимых случаях высвободит металл для усиления контурного армирования. В этом случае монолитные здания превращаются в здания со своеобразным скрытым каркасом, заполнение ячеек которого выполнено из довольно прочного бетона.
Заканчивая рассмотрение функций полевого армирования, необходимо еще раз обратить внимание на то, что в современной практике монолитного домостроения для полевого армирования стен очень широко применяется проволока из стали классов Bp-1 и B1. Эти хрупкие сорта стали полностью лишены возможности пластического деформирования, поэтому полевая арматура из такой стали оказывается совершенно бесполезной, так как она разрывается еще до достижения стеной предельного состояния.
До недавнего времени в отечественной практике проектирования сейсмостойких бескаркасных зданий мало уделялось внимания пластичности их деформирования в динамическом режиме работы. Между тем эта характеристика стен с позиций сейсмостойкости имеет не менее важное значение, чем их несущая способность. А для обеспечения требуемых уровней пластичности деформирования стен их необходимо армировать сталью с явно выраженными пластическими свойствами.
Применявшиеся до настоящего времени принципы армирования монолитных стен в значительной мере заимствованы из практики конструирования стен крупнопанельных зданий, чья работа в различных условиях довольно хорошо изучена. В меньшей степени основой для разработки этих принципов послужило соответствующее изучение монолитных здании. Ощутимые результаты этих исследований проявились лишь недавно. Они и сейчас еще недостаточно полны, однако уже позволяют внести некоторые предложения по изменению принципов конструирования монолитных стен. Основные из этих предложений следующие.
1. Основой армирования монолитных стен должна являться контурная арматура, параметры которой, как правило, следует назначать по результатам расчета зданий на особое сочетание нагрузок. В большинстве случаев контурное армирование должно выполняться унифицированными каркасами небольшого количества типо-размеров. Мощность контурного армирования при использовании таких каркасов может изменяться путем варьирования диаметра продольных стержней (d).
Для предотвращения выпучивания продольных стержней контурной арматуры толщина защитного слоя бетона должна быть не менее (2,5—3) d, а шаг замкнутых хомутов на участках высотой 0,25 H (считая от опорного сечения) — не более 10d
2. Как правило, поле стен армировать не следует. Помимо снижения металлоемкости стен отказ от полевого армирования позволит снизить общую трудоемкость работ по возведению стен и улучшит качество их бетонирования.
В PCH 13—87 это предложение пока реализовано для зданий с расчетной сейсмичностью 7 баллов и высотой до 2 этажей.
3. В тех случаях, когда необходимость полевого армирования обоснована надлежащим образом, выполнять его целесообразно наклонными или диагональными каркасами, учитываемыми в расчетах прочности и деформативности стен.
4. Пересечения стен не следует армировать вообще, поскольку появление в них расчетной арматуры маловероятно, а в конструктивной арматуре нет необходимости.
5. Арматура (как продольная, так и поперечная) для стен монолитных зданий должна иметь явно выраженные пластические свойства. От применения для этой цели хрупких сортов стали следует отказаться.