В статье автор анализирует существующие методики по расчёту железобетонного безбалочного перекрытия на динамическую нагрузку, связанную с падением груза.
Ключевые слова: железобетон, безбалочное перекрытие, динамические нагрузки, падение груза, продавливание.
В настоящее время является актуальным вопрос модернизации существующих производственных зданий и сооружений. Наряду с установкой нового оборудования требуется и «обновление» существующих объемно-планировочных решений. К таким «гибким» планировочным решениям относится и устройство монолитного каркаса, образованного монолитными железобетонными колоннами и жестким диском монолитного перекрытия.
Данные тенденции предписывают уделить особое внимание расчету узла стыка колонны и безбалочного плоского перекрытия, т. е. расчету на продавливание, в том числе при динамическом воздействии.
Сложность расчета на продавливание при динамических воздействиях обусловлена не только сложностью процессов, возникающих в железобетонных конструкциях при продавливании, но и отсутствием в нормативных документах определенных расчетных методик, позволяющих определять величину несущей способности плиты под действием динамического нагружения как в российских, так и в зарубежных нормах.
Российскими учеными в настоящее время проводятся исследования продавливания безбалочных перекрытий, как правило эти работу направлены на анализ существующих решений при статических нагружениях. Результаты натурных экспериментов представлены в работах А. З. Сорокурова [1], А. А. Коянкин [2], С. Ф. Клованич [3]. Анализу работы узла сопряжения при динамических нагрузка посвящено значительно меньшее количество трудов, в частности работы В. В. Крылова [4]. В. В. Крыловым были проведен натурный эксперимент по проверке несущей способности безбалочной плиты перекрытия на продавливание при динамических нагрузках. В результате экспериментов были получены опытных данные, характеризующие процессы, возникающие в бетоне и арматуре, выявлены схемы разрушения образцов при центральном нагружении колонны.
Несмотря на отсутствие рекомендаций по выбору метода расчета в действующих нормативных документах, определять напряженно-деформированное состояние конструкций при расчете узла сопряжения безбалочного перекрытия и колонны, согласно технической и научной литературе, предписывают квазистатическим методом [5]. В современных расчетных программных комплексах определить напряженно-деформированное состояние конструкций можно прямым динамическим расчетом, в том числе в программном комплексе «SCAD++».
Для определения возможности использования каждого из вышеуказанных методов был выполнен численный эксперимент.
В качестве опытного образца для вычислительного анализа была рассмотрена конечно-элементная модель фрагмента монолитного перекрытия безбалочного каркаса. Основные параметры модели:
– шаг сетки колонн 6х6 м;
– сечение колонн 400х400 мм;
– толщина перекрытия — 220 мм;
– бетон класса В25;
– арматура класса А500;
– плита имеет жесткое защемление по контуру.
Шаг триангуляции плиты перекрытия 0,2 м. В узлах сопряжения плиты с колонной размещены абсолютно жесткие тела (АЖТ) с базовым узлом в центре колонны. Размер АЖТ соответствует поперечному сечению колонны. Конечно-элементная модель опытного образца представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Модель перекрытия в ПК «SCAD++»
Расчет узла сопряжения колонны и безбалочного перекрытия выполнен в 2 этапа: 1 этап — определение напряженно-деформированного состояния конструкций одним из двух раннее приведенных методов, 2 этап — проверка прочности узла согласно положениям п.10.4.18 СП 88.13330.2022 [6].
В качестве динамической нагрузки принята ударная нагрузка от падения тела с высоты 1,0м. Масса тела — переменная характеристика, принято три различных значения:
1 Первое значение принято менее значения эквивалентной массы конструкции перекрытия (9,355т) и равным
2 Второе значение принято менее значения эквивалентной массы конструкции перекрытия (9,355т) и равным
3 Третье значение принято более значения эквивалентной массы конструкции перекрытия (9,355т) и равным
Поперечное армирование принято стержнями диаметром 12мм из стали A500 с шагом 60мм, стержни расположены равномерно вдоль контура расчетного поперечного сечения.
Результаты выполненных расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительная таблица результатов расчета плиты перекрытия при различной массе падающего груза
|
Параметр |
Квазистатический метод |
Динамический расчет |
||||
|
2,5т |
5,0т |
20,0т |
2,5т |
5,0т |
20,0т |
|
|
Максимальное перемещение плиты по Z, мм |
21,76 |
22,73 |
80,57 |
12,63 |
23,62 |
68,89 |
|
Максимальное продольное усилие N в колоннах в верхнем сечении, т |
55,35 |
57,57 |
189,07 |
28,71 |
53,71 |
156,62 |
|
Максимальный изгибающий момент M y в расчетном контуре, т·м |
-8,32 |
-8,64 |
-27,99 |
-4,22 |
-7,90 |
-23,04 |
|
Максимальный изгибающий момент M x , т·м |
-15,6 |
-16,26 |
-55,92 |
-8,66 |
-16,2 |
-47,23 |
|
Коэффициент использования сечения |
0,573 |
0,597 |
1,959 |
0,298 |
0,557 |
1,623 |
По результатам расчетов, представленных в таблице 1, можно сделать вывод о том, что не сходимость результатов, полученных двумя различными методами, при различной массе падающего груза при прочих равных условиях варьируется от 7 % до 50 %.
Сводная диаграмма зависимости коэффициента использования сечения перекрытия от массы падающего груза при различных методах расчета представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Сводная диаграмма по результатам расчетов при переменной массе падающего груза
На основании анализа полученных результатов следует что график зависимости коэффициента использования сечения от массы падающего груза имеет скачкообразный характер. При этом при увеличении массы груза в 2 раза коэффициент использования уменьшается на 11 %, а при уменьшении массы в 2 раза коэффициент использования уменьшается на 72 %. После увеличения массы груза до значений равных эквивалентной массе конструкции (9,355Т) коэффициент использования имеет малые изменения на определенном участке графика (от 10т до 20тТ). Сравнение результатов, полученных разными методами, показало, что наибольшая дифференциация значений достигает при массе груза равной 2,5т и составляет 48 %.
Литература:
- Сокуров, А.З.. Продавливание плоских железобетонных плит, усиленных поперечной арматурой: автореферат дис.... кандидата технических наук: 05.23.01 / Сокуров А. З.; Москва, 2015. — 22 с.
- Коянкин А. А. Разработка и исследование капительных узлов сопряжения колонн с перекрытиями в безригельных каркасах многоэтажных зданий/ Коянкин А. А.; СФУ — Красноярск — 2009г.
- Клованич С. Ф. Продавливание железобетонных плит. Натурный и численный эксперименты / Клованич С. Ф., Шеховцов В. И.; Одесса: ОНМУ, 2011. — 119 с.
- Программа экспериментальных исследований несущей способности безбалочных плит на продавливание при динамическом нагружении. Конструкция опытных образцов/ Крылов В. В., Саркисов Д. Ю., Эргешов Э. Т., Евстафьева Е. Б. // Строительные материалы и изделия/ 2020.- Т. 3. — № 3.
- Бирбраер А. Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А.Н Бирбраер, А.Ю Роледер.; СПб.: Издательство Политехнического университета, 2009г.- 594с.
- СП 88.13330.2022 «СНиП II-01–77* Защитные сооружения гражданской обороны».
