Горизонтальные стыки между несущими панелями

Передача вертикальных усилий в горизонтальных стыках между панелями представляет наиболее сложную задачу  крупнопанельного строительства.

В практике нашли применение четыре основных типа соединений (рис. 4.6):

платформенный стык, особенностью которого является опирание перекрытий на половину толщины поперечных стеновых панелей, т.е. ступенчатая передача усилий, при которой усилия с панели на панель передаются через опорные части плит перекрытий;

зубчатый стык, представляющий модификацию стыка платформенного типа, обеспечивает более глубокое опирание плит перекрытии, которые наподобие «ласточкиного хвоста» опираются на всю ширину стеновой панели, но усилия с панели на панель передаются не непосредственно, а через опорные части плит перекрытий;

контактный стык с опиранием перекрытий на выносные консоли и непосредственной передачей усилий с панели на панель;

контактно-гнездовой стык с опиранием панелей также по принципу непосредственной передачи усилий с панели на панель и опиранием перекрытий через консоли или ребра («пальцы»), выступающие из самих плит и укладываемые в специально оставленные в поперечных панелях гнезда.

Платформенный стык применен для всех типов девятиэтажных домов, а также в порядке эксперимента — в 17-этажных и 25-этажных зданиях с узким шагом поперечных несущих стен.

Обследование и анализ работы узлов такого типа позволяют выявить следующие его особенности. Известно, что сечение в зоне горизонтального стыка более опасное, чем в середине высоты панели; трещины, а затем отслаивание бетона панелей возникают именно в зоне стыков. Основные факторы, влияющие на прочность этого стыка: эксцентрицитет продольной силы вследствие смещения панелей стен, а также отклонения по толщине и глубине опирания плит перекрытий (эксцентрицитет в 2 см уменьшает несущую способность панели толщиной 14 см до 30%); неполное заполнение шва раствором в поперечном сечении; неравномерность толщины и сжимаемости   растворного   шва   по   его длине и как следствие концентрация напряжений в зоне стыка.

Так, например, в платформенном стыке, не заполненном раствором, трещины в опорной части панелей начинают появляться при напряжениях, составляющих всего около 20% призмен-ной прочности бетона панелей.

Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные рядом научно- исследовательских         институтов (ЦНИИСК, НИИМосстроя, ЦНИИЭП жилища), выявили следующие особенности действительной работы платформенных стыков. Разрушение стыковых соединений при платформенном опира-нии плит перекрытий обычно происходит от скалывания бетона панелей над и под плитами перекрытий по наклонной плоскости. Перед разрушением узла наблюдаются значительные горизонтальные деформации (раздвижка) плит перекрытий.

Результаты исследований прочности узлов опирания плит перекрытий на панели стен, отражающие влияние различных факторов на действительную работу узла, приведены в табл. 4.4.

Из проведенных исследований можно сделать выводы о действительной работе платформенного стыка.

Растворный шов имеет неодинаковую плотность и разный модуль деформаций, поэтому напряжение в бетоне панелей по площади контакта с растворным швом передается неравномерно. Вертикальный шов между опорными торцами плит перекрытий (разрезность плит перекрытий) нарушает монолитность сечения и уменьшает его сопротивляемость при сжатии сдвигающим и растягивающим усилиям. Поперечные деформации неотвердевшего раствора в несколько раз больше деформаций бетона. По этой причине в бетоне опорных участков панелей возникают растягивающие напряжения, снижающие несущую способность узла.

Преждевременное разрушение узла от скалывания по косым площадкам опорных кромок панелей при уменьшенных площадках опирания перекрытий может быть предотвращено косвенным армированием опорных граней панелей двумя-тремя горизонтальными сварными каркасами. Введение косвенного армирования опорных граней стеновых панелей повышает их прочность в зоне узла на 20—25%. Испытания показали высокую несущую способность узла на прочном растворе с армированием горизонтального шва сварной сеткой. Имелись случаи, когда разрушалась стеновая панель, а узел оставался неразрушенным.

Прочность узла с неразрезными плитами перекрытий (вертикальный шов отсутствовал) получена значительно большей, чем при разрезном перекрытии.

При разной толщине плит перекрытия и малой прочности раствора усилие в стыке передается со значительным  эксцентрицитетом.  Это   объясняет-

ся неодинаковыми деформациями раствора и неравномерным распределением напряжений по сечению панели вблизи шва.

Средние абсолютные величины деформаций горизонтальных швов приведены  в табл. 4.5.

Деформации сжатия растворных швов почти в 10 раз превышают деформации бетона.

В стыковом соединении платформенного типа при прогибе перекрытий возможно возникновение значительного опорного момента, оказывающего влияние на несущую способность узла.

При полной или частичной заделке плит перекрытий в опорных торцах панелей стен над плитами перекрытий будут возникать горизонтальные растягивающие, а под плитами перекрытий сжимающие усилия, которые должны учитываться при проектировании узлов (методика расчета платформенных узлов приведена в главе 8).

Анализируя напряженное состояние платформенного узла, можно выявить ряд его особенностей.

Пусть внешняя нагрузка от веса перекрытий Р_ь Р₂ и от вышестоящей панели Р₃ приложена к стыку таким образом, что равнодействующая этой нагрузки Р оказывается приложенной с эксцентрицитетом е по отношению к оси рассматриваемой нижестоящей панели (рис. 4.7). Если бы деформации панели / были свободными, то от сжатия и изгиба ее опорная плоскость повернулась на угол ф₀ (штрихпунктир на рис. 4.7). Этому повороту препятствует узел, образованный плитами перекрытий и вышестоящей панелью. Результатом напряженного состояния будет некоторый поворот    всего узла     (стыка)  на    угол

ф_Р<фо-

В четырех элементах в стыке возникнут изгибающие моменты, равные в сумме М — Р₀е₀.

Расчетные эксцентрицитеты устанавливаются в результате напряженного состояния стыка после завершения деформаций. Их величина зависит от начальных эксцентрицитетов, от соотношения  изгибных жесткостей стеновых панелей и перекрытий, образующих стык, и от степени неравномерности обмятия раствора в   зазорах стыка.    Последние два параметра характеризуют жесткость защемления стеновых панелей в стыке.

Выполненный по этой методике расчет несущей стены 12-этажного крупнопанельного дома с переменным шагом поперечных стен 3 и 6 м показал', что при случайном эксцентрицитете в 2 см в стыке на уровне пола второго этажа расчетные эксцентрицитеты в примыкающих к стыку стеновых панелях толщиной 14 см оказались равными 0,77 и 0,76 см. При смещении стеновой панели второго этажа целиком на 2 см от проектного положения расчетные эксцентрицитеты приложения равнодействующей вертикальных нагрузок по верхнему и нижнему торцам этой панели оказались равными соответственно 0,37 и 0,53 см. Влияние рассмотренных случайных эксцентрицитетов, возникающих вследствие дефектов монтажа, практически перестало сказываться уже в панелях четвертого этажа.

При защемлении стеновых панелей в стыках платформенного типа ползучесть материала приводит к снижению изгибающих моментов в панелях стен как в пролете, так и в стыках и, следовательно, к уменьшению расчетных эксцентрицитетов сжимающих сил при одновременном росте изгибающих моментов в перекрытиях, образующих стык .

Таким образом, в стыках платформенного типа имеются некоторые дополнительные, не учитываемые расчетом, запасы прочности.

За последнее время выработаны решения, позволившие расширить область применения платформенных стыков при условии обеспечения ряда дополнительных мер. В качестве такой меры может быть выполнение калиброванных по толщине опорных частей плит, что практически достигается фрезеровкой участков плит (как это было впервые сделано в 17-этажном доме из вибропрокатных панелей, построенном на проспекте Мира), а также применением тонких растворных швов толщиной до 5 мм, выполненных на цементно-песчаных пастах.

Чем же отличается цементно-песча-ная паста от обычного раствора и что дает ее применение?

Цементно-песчаная паста (состава 1:1 по весу) состоит из портландцемента марки 400—500 и мелкого песка с модулем крупности 1,2 с максимальным размером частиц 0,6 мм. В качестве пластифицирующей и противоморозной добавки применяется нитрит натрия в количестве 5—10% от веса цемента. Паста имеет водоцементное отношение 0,4— 0,45 и как в летних, так и в зимних условиях сохраняет подвижность и удобо-укладываемость в течение 4—5 ч. Прочность цементно-песчаной пасты 28-дневного возраста составляет 300— 400 кГ/см² при твердении в летних условиях и 100 кГ/см² при твердении в зимних условиях при температуре —20° С. При положительных температурах ( + 20° С) в последующие 28 дней паста набирает прочность до 400 кГ/см², обеспечивая прочность узлов сопряжения несущих панелей многоэтажных зданий, смонтированных на  морозе   (до—20° С) бег обогрева швов. Но главное преимущество пасты по сравнению с обычным цементным раствором заключается в ее пластичности. При установке панели на тонкий шов из пасты происходит плотное касание, как бы склеивание панелей между собой. Подвижка и рихтовка панелей во время монтажа практически не нарушают       прочности     таких швов.

Исследования прочности соединения элементов на цементно-песчаных пастах проводились в НИИМосстрое. Результаты испытаний образцов, собранных из двух элементов стеновых панелей размером 64X44X14 см и двух элементов перекрытий размером 19X44X14 см, приведены в табл. 4.6. Испытания показали, что образцы, собранные на обычном растворе с нормальной толщиной шва 2 см, разрушались у стыка. Разрушение образцов, собранных на пастах, происходило по стеновой панели, и прочность стыка оказывалась выше прочности панели.

Цементно-песчаная паста (тонкий слой) работает в стыке в условиях стесненных поперечных деформаций. При уменьшении толщины слоя пасты возрастает ее прочность, поэтому в платформенных стыках не происходит разрушения шва. При тонких швах можно было бы ожидать снижения несущей способности платформенного стыка из-за наличия уступов по толщине элементов перекрытий. Однако начальный модуль упругости цементно-песчаной пасты, равный около 200 000 кГ/см², близок к модулю упругости бетона. Этим же объясняется, что уступы величиной до 5 мм не снижают несущей способности платформенного стыка. Таким образом, практически удается получить равнопрочную конструкцию, в которой прочность стыков не уступает прочности самих стеновых панелей.

Уже первые опыты применения паст для монтажа внутренних стеновых панелей подтвердили целесообразность их использования: средняя толщина швов составила 5 мм (из-за неровностей стыкуемых поверхностей) при минимальной толщине в местах контакта 2—3 мм.

Таким образом, применение цементно-песчаных паст позволяет получать равнопрочное соединение по стыкам и панелям, что особенно важно в зданиях повышенной этажности; вести монтаж крупнопанельных зданий как в летних, так и в зимних условиях без обогрева швов; сократить расход раствора в 3—4 раза благодаря получению при контактном способе монтажа тонких швов. Применение цементно-песчаных паст ликвидирует неопределенность в работе стыка. Однако повышение точности изготовления и монтажа, естественно, требует значительных усилий и средств. Применение паст вместо раствора, как мы видели из результатов испытаний, повышает прочность стыка, но при этом погрешности изготовления и монтажа деталей, в результате которых зазоры между панелями стен и перекрытий могут возрастать до 2—3 см ' вместо проектных 0,5 см, сводят на нет положительные качества платформенных стыков на цемен-тно-песчаной пасте. Следовательно, при использовании паст обязательна повышенная точность изготовления панелей поперечных стен и опорных частей плит перекрытий.

При этих условиях (достаточно жестких и практически трудновыполнимых) платформенные стыки могут применяться при величине нормальных напряжений в опорной зоне поперечных панелей до 0,5 К_пр бетона панелей. Рекомендуемая конструкция платформенного стыка приведена на рис. 4.8.

Зубчатые стыки, которые являются разновидностью платформенного стыка (рис. 4.6, б), были предложены для ряда проектов, но не получили практического осуществления. Анализируя особенности этого типа соединений, можно отметить, что зубчатый стык не дает каких-либо качественных улучшений работы узла или передачи нагрузок с панели на панель. Дело в том, что благодаря отработанной технологии монтажа удалось добиться достаточно высокой точности сборки конструкций, что исключает из числа главных вопросов заботу о точности опирания перекрытий (допуск на глубину опирания плит, как правило, не превышает 10 мм, т. е. опирание плит при обычном платформенном стыке оказывается не менее 40—50 мм, что является достаточным).

Вместе с тем в зубчатом стыке не исключается главный недостаток платформенных стыков — сложная многоступенчатая передача усилий.

Рассматривая зарубежный опыт широкого применения платформенных стыков, нужно обратить внимание на качественное отличие технологии выполнения узла от принятой в нашем строительстве. За рубежом плиты перекрытий укладывают не на раствор, а на специальные металлические подкладки. Заполнение нижнего шва раствором выполняется через вертикальный шов между плитами. Такое последующее заполнение шва делает его более однородным, ровным по толщине и соответственно более надежным, так как превращает узел в монолитный. Однако указанная технология значительно сложнее и темпы монтажа ниже, чем при нашей технологии.

Решение узла на выносных консолях (рис. 4.6, в) отвечает принципу контактных сопряжений элементов и в статическом отношении является оптимальным — здесь достигаются условия для непосредственной передачи усилий с панели на панель и для наиболее надежного опирания перекрытий на несущие стены. Такое решение было принято в первом многоэтажном панельном доме с широким шагом поперечных стен — 12-этажном доме на Ленинградском проспекте.

Однако широкому применению стыков такого типа мешает усложненная крестообразная форма панелей. Такие панели могут быть выполнены только в кассетных машинах.

В связи с этим принципы, заложенные в решении рассматриваемого узла, получили дальнейшее развитие в виде контактно-гнездового стыка, где панели перекрытий опираются на консоли, выпущенные из самих панелей перекрытий. Для опирания «пальцев» перекрытий в стенах предусмотрены гнезда (рис. 4Дг).

Основное достоинство этого решения— высокая надежность узлов благодаря четкой передаче усилий с панели на панель через растворный шов, который работает здесь как бетон, заключенный в обойме. По существу в этой конструкции узла достигается монолитное соединение сборных конструкций. В этом замоноличенном узле обеспечивается надежная звукоизоляция от проникания шума из смежных помещений. В зимних условиях могут применяться растворы с противоморозными добавками, а для более интенсивного роста прочности растворных швов в случае необходимости используются комбинированные методы—противоморозные добавки и прогрев.

Таким образом, в силу изложенных соображений, для крупнопанельных домов повышенной этажности при напряжениях в панелях более 0,5 /?_пр бетона (при расчете на внецентренное сжатие от вертикальных и ветровых нагрузок) следует рекомендовать замоноличенные горизонтальные стыки между панелями с непосредственной передачей усилий с панели на панель.

Перспективным направлением может стать переход на «сухие» стыки с заменой    растворных   соединении   упругими прокладками. Хотя  растворный шов погашает все неточности изготовления панелей, неровности их поверхностей и при достаточной прочности раствора обеспечивает прочность узла, позволяющую наиболее    полно    использовать    несущую способность панелей, но применение раствора, в   частности,   в   платформенных стыках имеет и ряд существенных недостатков: двукратное расстилание раствора по верху стеновой панели   под   каждую опирающуюся на нее   панель   перекрытий, расстилание раствора по верху перекрытий под стеновую панель следующего этажа и удаление избытков раствора после установки   каждого   из элементов— процесс   трудоемкий,    сбивающий ритм   монтажа   здания;   медленное нарастание   прочности   раствора    (даже при применении противоморозных добавок)   в зимнее время ограничивает темпы  монтажа здания   в зависимости   от требуемой   несущей   способности   узлов; неопределенность   толщин    горизонтальных швов нарушает   точность   монтажа, что   создает   дополнительные   трудности и, главное, вносит неопределенность в работу узла; различные толщины слоя раствора   по   длине   шва,   неоднородность его  консистенции и неизбежно  возникающие усадочные трещины   по   границам шва не обеспечивают плотного примыкания элементов к раствору, что повышает  звукопроводность   узлов   и   снижает эксплуатационные   качества    панельных зданий.

Таким образом, применение в качестве основного вида соединения панельных конструкций растворных швов не отвечает ни индустриальным методам сборки, ни требованиям к качеству панельных зданий.

Возникла мысль заменить раствор в горизонтальных швах платформенных узлов несущих стен сухими прокладками, обладающими определенными прочностными и упругими свойствами и удовлетворяющими требованиям долговечности (рис. 4.9).

Особую сложность представляет здесь выбор материала прокладок, который   обеспечивал   бы   требуемую   прочность и трещиностойкость узлов, имел толщину в пределах 5—6 мм, был конкурентоспособным по стоимости со швами из цементно-песчаной пасты.

Одной из основных предпосылок применения стыков на сухих упругих прокладках является   обеспечение   высокой точности изготовления сборных элементов здания и гладкость их опорных поверхностей. Такие предпосылки сегодня становятся реальными: так, расчетные допуски на изделия при современных технологиях изготовления сборных железобетонных конструкций составляют по толщине 1—2 мм, по длине 3 мм.

Экспериментальные исследования, проведенные в ЦНИИСК, показали высокую несущую способность образцов с прокладками из асбестового картона. В качестве эталонных образцов испытывались узлы с растворными швами. Для определения критерия наименьшей прочности узла были испытаны образцы, собранные насухо без раствора и прокладок (испытания с прокладками из поролона, древесноволокнистой и древесностружечной плит представляли лишь теоретический интерес).

Средние величины напряжений в шве при появлении первой трещины и разрушении (<у_разр ) узла для каждой группы «близнецов» относительно к напряжению при первой трещине и разрушении эталонного образца со швом, заполненным прочным раствором (соответственно сг_тр._эт и ог_разр._эт ), приведены в табл. 4.7.

Испытания показали также, что абсолютные величины деформаций весьма малы.

Стыки с асбестоцементными прокладками были проверены в натурных условиях в  17-этажном   панельном   доме на Смоленском бульваре и в девятиэтажном доме в районе Дмитровского шоссе. На основании этого эксперимента можно сделать вывод о целесообразности и перспективности общего направления дальнейших исследований стыков с сухими упругими прокладками.

Вместе с тем успех применения этой конструкции целиком зависит от выбора материала прокладок, которые должны обладать комплексом разнохарактерных свойств — прочностью, упругостью, долговечностью. Асбестовые прокладки из-за недостаточной упругости не обеспечивают необходимого уплотнения горизонтальных швов, что хотя и не влияет на прочностные показатели, но ухудшает звукоизоляционные качества ограждений.

По-видимому, перспективным может оказаться применение асбестовых прокладок в сочетании с клеящими составами типа эпоксидных смол и т. п.

Обобщение опыта применения различных конструктивных решений несущих стен и узлов опирания перекрытий позволяет рекомендовать при создании новых типов зданий следующие конструкции.

Основным решением несущих стен по-прежнему   будут   оставаться   плоские железобетонные панели. В целях повышения эксплуатационных звукоизолирующих качеств рекомендуется увеличить толщину панелей до 16 см, что одновременно позволит применять их для домов высотой  16—18 этажей.

В предстоящих поисках новых конструктивных решений панельных домов особое внимание должно быть обращено на обеспечение пространственной жесткости зданий путем создания развитых в плане поперечных стен либо объединения поперечных и продольных стен в общую пространственную систему с устройством конструктивно замоноличснных соединений. При этом наружные стены в домах высотой более 9 этажей должны рассматриваться как навесные не участвующие в статической работе по обеспечению жесткости зданий.

Основным типом узла опирания перекрытий на несущие стены продолжает оставаться платформенный стык, но в новом его качестве — с применением тонких растворных швов на цементно-песчаных пастах и повышенной точностью изготовления опорных частей плит, что обеспечивает необходимую надежность такого соединения; платформенный стык может применяться при напряжениях до 0,5 К_пр бетона панелей. В зданиях повышенной этажности и при широком шаге несущих стен следует расширить применение контактных стыков, обеспечивающих монолитность и поэтому наибольшую надежность этого основного узла панельного дома.

Новое направление в конструировании стыков открывают безрастворные стыки на упругих прокладках, экспериментальные исследования которых должны быть продолжены.