Колонны. Колонны каркаса приняты .сечением 400X400 мм, высотой на два этажа (рис. 10.2). От применения более высоких колонн пришлось отказаться в связи с возникающими при этом дополнительными осложнениями на монтаже- трудностями закрепления высокой колонны до "развязки" ее ригелями, а также сложностью монтажа ригелей и элементов перекрытий, которые пришлось бы заводить в глубокие колодцы между смонтированными колоннами. Колонны выполняются из бетона марок 300 и 500. Армирование наиболее тяжелых колонн производится восемью стержнями диаметром 36 мм из стали класса A-III, что позволяет при бетоне марки 500 получить предельную несущую способность колонн 600 т.
Наиболее сложная задача при проектировании сборного железобетонного каркаса - решение стыков колонн, работающих в условиях высоких усилий. В практике проектирования сборных железобетонных колонн выработался ряд различных решений стыков, которые могут быть сведены по существу к двух типам: стыки, в которых усилия передаются через стальные элементы - опорные плиты или оголовки, и стыки, в которых осуществляется непосредственная передача усилий с бетона на бетон.
В стыках первого типа концы элементов колонн снабжаются стальными обоймами, приваренными к продольной стержневой арматуре (рис. 10.3, а). На монтаже колонна устанавливается на центрирующей металлической прокладке и стальные обоймы смежных элементов соединяются приваркой арматурных накладок. Шов между торцами колонн за-чеканивается раствором, а вокруг стальных обойм на высоту стыка бетонируется защитный слой.
Опыт применения стыков такой конструкции показал, что они многодельны, требуют значительного расхода металла и большого количества ручной дуговой сварки. Так, например, на строительстве гостиницы "Россия" при устройстве стыков колонн сечением 300X400 мм со стальными обоймами расход стали на один стык составил до 70 кг, трудовые затраты--около 8,5 чел.-часа, расход электродов - 20 кг. Сварной арматурный каркас для колонн в заводских условиях выполнялся в течение 5-7 мин, тогда как металлические закладные обоймы на два торца колонны изготовлялись (заготовка и сварка) в течение 2-2,5 ч.
Традиционные стыки колонн со стальными обоймами необходимо обето-нировать по арматурной сетке для защиты их от коррозии (рис. 10.3,6), а в зимнее время года требуется дополнительная тепловая обработка стыков, например, электропрогревом. Зачеканка шва между торцами элементов осложнена из-за наличия продольных накладок и трудно контролируема. На практике швы часто остаются незаполненными бетоном или частично заполненными. В этих условиях отсутствует четкая передача усилий и создается неопределенность в работе соединения. Усилия передаются в основном через центрирующую прокладку и через накладки, приваренные к стальным обоймам элементов колонн. При этом часто вследствие неточного совпадения граней обойм для обеспечения примыкания к ним накладок их предварительно изгибают.
При сварке рабочей арматуры с обоймой образуются перекосы опорных плоскостей. В результате между центрирующей прокладкой и торцом обойм колонн возникают клинообразные щели с раскрытием до 10 мм. Это значительно повышает деформативность стыка. Вследствие перекоса торцовых поверхностей в стыках (рис. 10.3, б) происходит концентрация напряжений в периферийной зоне, возникают случайные, неучтенные эксцентрицитеты, что приводит к значительному перенапряжению колонны. Сама по себе передача усилий в стыке с бетона на бетон через металлические опорные плиты (а не непосредственно) противоречит природе железобетона.
В стыке второго типа осуществляется принцип непосредственной передачи усилий с бетона на бетон. Для унифицированного каркаса была принята конструкция стыка с передачей усилий через сферические торцовые поверхности колонн. Стыки арматуры выполняются с помощью ванной сварки (рис. 10.4).
Применение ванной сварки арматуры (рис. 10.5, б) по сравнению с ранее принятым стыкованием арматуры через дополнительные накладки (рис. 10.5, а) позволяет повысить надежность стыка и значительно упростить его, сократить количество монтажной сварки, уменьшить число поперечных сеток, затрудняющих и ухудшающих условия и качество бетонирования опорных зон (см. таблицу к рис. 10.5). Стыкование четырех основных, наиболее мощных стержней повышает несущую способность и надежность стыка. Остальные стержни, меньших диаметров, не доводятся до стыка. Усилия с этих стержней передаются в стыке через бетон путем использования эффективной работы поперечной косвенной арматуры в пределах опорной зоны - около стыка. Число сеток зависит от количества не доведенных до стыка арматурных стержней.
Эффективность выполнения ванной сварки, в том числе и сварки стержней крупных диаметров, значительно повысилась в связи с созданием полуавтоматов, которые позволяют надежно и с минимальной трудоемкостью выполнять ванную сварку стержней.
Опыт изготовления и монтажа колонн со сферическими стыками показал необходимость особо тщательного подхода к геометрическим размерам и точности сферических поверхностей, так как перекос сферы приводит к резкому смещению центра передачи усилий в стыке и появлению значительных эксцентрицитетов в колонне. Для необходимой центрировки усилий в этих стыках после многочисленных исследований принята форма стыка, в котором радиусы сфер создают наилучшие условия для передачи усилий. При этом радиусы кривизны сфер стыкуемых колонн принимаются разными (см. рис. 10.4). Оставшаяся в средней части торца колонны сферическая вогнутая поверхность диаметром 250 мм играет роль центрирующей прокладки. Следует подчеркнуть особые качества стыка сферического типа, выявившиеся в процессе исследований, ?- самоцентрирование усилия за счет некоторого смятия бетонных поверхностей при случайных эксцентрицитетах, т. е. своего рода приспособляемость стыка к внецентренной нагрузке в процессе его работы при постепенном росте нагрузок.
Для уменьшения свободной длины сварных выпусков продольной арматуры колонн предусмотрен хомут диаметром 12 мм, охватывающий соединяемые рабочие стержни.
Таким образом, доработка конструкции сферического стыка - выбор оптимальной формы поверхностей, переход на ванную сварку стержней при одновременном повышении точности изготовления колонн - позволила получить
конструкцию, которая обладает высокой прочностью при наименьшем среди других типов стыков расходе стали. Так, расход стали на колонну со сферическим-стыком на 50% ниже, чем на колонну со стальными оголовками.
Высокую прочность стыка подтвердили выполненные МНИИТЭП и, НИИЖБ многочисленные испытания (более 70 образцов), при которых разрушение образцов происходило не по стыку, а по стволу колонн. Исследования позволили также выявить фактическую. несущую способность, деформативность и трещиностойкость бетонных сферических стыков колонн в зависимости от условий их выполнения, роль бетона за-моноличивания стыковых ниш, монтажного хомута и инъекции зазора между сферами.
Испытания проводились на длинных. образцах колонн по 3 ж со стыком, что в наибольшей мере отвечает натурным, условиям. В момент испытания опытных образцов замерялись деформации бетона в зоне стыка и на околостыковых участках колонн, отмечалось появление первых трещин и последующее их раскрытие, т. е. была выявлена общая картина напряженного состояния и работы стыка. По показаниям датчиков замерялись относительные деформации бетона, а по ним были определены действительные эксцентрицитеты в нескольких характерных сечениях элементов колонн. со стыком. Полученные опытные разрушающие нагрузки сопоставлялись с теоретическими, подсчитанными по формулам СНиП, с учетом действительных эксцентрицитетов, при наличии внецент-ренного и косого внецентренного сжатия, т. е. при эксцентрицитетах в двух направлениях. Опыты подтвердили, что бетон замоноличивания в стыке включается в работу почти одновременно с основным бетоном колонн, причем тем эффективнее, чем выше его прочность, т. е. площадь замоноличенных участков следует учитывать в расчете.
Дополнительная установка монтажного хомута диаметром 12 мм на арматурных стержнях в зоне стыка значительно улучшает его работу, предохраняя стержни от преждевременной потери устойчивости и приближая их работу к работе арматуры в монолитном сечении колонны.
Вычисленные (для возможности сравнения несущей способности опытных образцов, испытанных при различных фактических эксцентрицитетах) условно приведенные к центральному сжатию разрушающие нагрузки превосходят расчетную (при центральном сжатии) в разрушавшихся по стыку образцах в 1,78-2,54 раза и в образцах, разрушавшихся по стволу, в 1,7-1,87 раза.
Абсолютная величина деформации стыка при нормативной нагрузке существенно зависит от способа его выполнения: при отсутствии бетона замоноличи-вания она составляет около 1 мм, при замоноличивании стыковых ниш бетоном прочностью 300 кГ/см2 - 0,25 мм, а при инъекции в стык цементного раствора (в замоноличенных стыках) - всего около 0,15 мм. Замеренная (на базе 300 мм) абсолютная деформация ствола колонны при нормативной нагрузке составляла около 0,25 мм.
Таким образом, замоноличивание и инъекция раствора оказывают существенное влияние на деформативность рассматриваемых стыков. Инъецирование стыков повышает трещиностойкость околостыковых участков ствола колоны: первые трещины в инъецированных образцах появлялись при нагрузках, равных 1,5-1,68 нормативной. В связи с этим наиболее целесообразно применять сферические бетонные стыки в сочетании с инъецированием, что по существу превращает их в монолитные. При этом околостыковая зона колонн рассчитывается на усилия с повышающим коэффициентом не 1,5 (как при сборных "сухих" стыках), а только 1,2, что позволяет значительно сократить объем сетчатого армирования.
Особенностью стыков колонн, выполняемых с ванной сваркой выпусков арматуры больших диаметров 36 и 40 мм, является возникновение напряжений сжатия в бетоне и растяжения в арматуре. Растягивающие напряжения в арматуре могут достигать предела текучести
и даже приводить к разрыву стержней. Во избежание этого отработана специальная технология сварки, которая предусматривает определенную последовательность и режим, в частности сварку стержней рекомендуется выполнять по диагонали последовательно по одному стержню (рис. 10.6, а) либо попарно.
В последнее время предложено использовать плоские стыки с центрирующей прокладкой (рис. 10.7), которые требуют значительно более простых форм для изготовления, чем применяемомые для колонн со сферическими стыками.
Исследованиями, проведенными ЦНИПС в 1930-1935 гг., было выявлено, что бетонные элементы, армированные сетками, при центральном сжатии могут выдерживать на смятие весьма большие напряжения (до 3000 кГ/см2), превышающие призменную прочность бетона более чем в 10 раз. При этом усилия, которые передает прокладка, распределяются равномерно по всему сечению бетона. Эти свойства и были использованы при конструировании замоноличенных стыков с подрезками и ванной сваркой продольной арматуры (см. рис. 10.7, а). На основе экспериментальных исследований для освоения промышленностью рекомендовано следующее конструктивное решение стыка: концы элементов колонн усиливаются армированием поперечными сварными сетками и заканчиваются плоскими торцами с центрирующей бетонной площадкой, выступающей на 20-25 мм, снабженной сеткой. Размеры подрезки бетона назначаются из условия выполнения сварки выпусков арматуры. После установки колонн и выверки выпуски арматуры соединяются полуавтоматической электрошлаковой ванной сваркой в съемных медных формах. Узкий шов между торцами элементов колонн и подрезки, в которых расположены выпуски арматуры, замоноличиваются либо бетоном с зачеканкой его в щель и заполнением подрезки с применением вибраторов, либо раствором под давлением.
В 1966-1967 гг. в НИИЖБ были проведены испытания колонн с плоскими стыками рассмотренного типа. Опытные образцы стыков колонн замоноли-чивались бетоном с уплотнением его внутренней и наружной вибрацией (см. рис. 10.7, б). В этом случае форма изготовлялась в виде раструба для подачи бетона и укладки его вибраторами. В других образцах замоиоличивание выполнялось цементно-песчаным раствором с подачей его ручным насосом под давлением. При этом раствор одновременно заполнял как шов между торцами элементов колонн, так и зоны подрезки в стыке. Таким образом, образцы обеих серий отвечали двум возможным технологиям выполнения стыков в натуре.
Разрушение стыков характеризуется одновременным раздроблением бетона по контуру сеток косвенного армирования (защитного слоя) бетона замоноли-чивания и потерей устойчивости продольной арматуры. Исследования пока^ зали достаточно высокую прочность, трещиностойкость и жесткость замоноли-ченных стыков колонн с плоскими торцами, в которых передача усилий близка к работе монолитной колонны. При этом опытные разрушающие нагрузки были выше теоретических. Для расчета концевых участков колонн за счет замо-ноличивания возможно снижение расчетного коэффициента до 1 или 1,25 против &=1,5, регламентированного СНиП для сборных железобетонных колонн с "сухим" стыком.
Интересные новые данные получены по влиянию сварки арматурных стержней на напряженное состояние бетона в торцовых зонах колонн. Испытания НИИЖБ показали, в частности, что наличие центрирующей прокладки благоприятно сказывается на снижении реактивных начальных напряжений в бетоне за счет обмятия бетонного торца колонны.
На основании полученных средних остаточных деформаций е0 =1/200 = = 0,0045-45- Ю-5 сваренных стержней в зоне стыка можно составить приближенное представление о возможных величинах остаточных сварочных напряжений в бетоне элементов колонн с центрирующей прокладкой. Средние значения остаточных сварочных напряжений (реактивных) могут достигать величины сто=450-10-6Х2,Ы06 кГ/см2. При этом наибольшие растягивающие напряжения в момент сварки стержней довольно велики: а?акс = 1400 o 10-6Х2,2- 106 =
= 2940 кГ/см2, что составляет почти 65% предела текучести. Наименьшие значения напряжений <7рИН=820- Ю~в X Х2,1 o 106= 1720 кГ/см2, что составляет 33% предела текучести. Если предположить, что в начальный период сварки стержней центрирующая прокладка в месте сопряжения обжата не полностью, т. е. сжатая зона равна хотя бы половине площади прокладки (^п =144:2 = ==72 см2), то возможно подсчитать примерную величину усилий, которыми предварительно обжимается бетон в месте стыка на разных стадиях: Р0 - = 945-72 = 68 т, Рмин =1720-72= 124 г; ^макс =2940-72 = 212 т.
Опирание колонны на фундаменты предуматривается через сборный железобетонный башмак (рис. 10.8). Передача усилий с колонны на башмак, достигающих 600 т, происходит через прочный растворный шов, который работает в этом случае на смятие, будучи заключенным в обойму. При этом не требуется стыкования арматуры, что конструктивно было бы очень сложно осуществить..
Серьезную инженерную задачу представляет выполнение колонн для нижних этажей, нагрузки на которые достигают 1500-2000 т. Для увеличения несущей способности колонн под большие нагрузки возможно несколько путей: развитие сечений колонн до размеров 60x60, 80Х Х80 см и т. д., повышение марки бетона, применение в колоннах жесткой несущей арматуры.
Кажущееся логичным при росте нагрузок увеличение поперечных сечений колонн вступает в противоречие с индустриальными методами строительства, ибо изменение размеров колонн сразу же повлечет за собой изменение длины примыкающих к ним элементов (ригелей, настилов-распорок, стенок жесткости, наружных панелей) и, таким образом, вызовет резкий рост количества типоразмеров сборных элементов в каркасе здания. Увеличение марки бетона пока, к сожалению, трудно осуществимо в массовом строительстве. Таким образом, остается возможность увеличения несущей способности колонн нижних этажей путем насыщения арматурой. Однако увеличение содержания гибкой арматуры ограничивается практически 5-6%. При больших нагрузках оказалось целесообразным сконцентрированное сечение в виде стального сердечника (рис. 10.9). Стыки колонн, сложность устройства которых непосредственно связана с величиной действующих усилий, выполняются в этом случае с помощью фрезерования торцов металлических сердечников и обетонирования стыка. Конструкция сердечника принимается наиболее компактной, что позволяет бетонное сече-
ние колонн для нижних этажей оставить в габаритах 40 X Х40 см. Это дает возможность все элементы перекрытия - ригели, настилы-распорки, а также стенки жесткости и наружные панели - принять едиными для всего здания.
Анализ показывает, что с увеличением марки бетона и процентного содержания арматуры стоимость колонн растет медленнее, чем их несущая способность. Это обстоятельство подтверждает целесообразность повышения несущей способности колонн путем упрочения материала, а не увеличения их габаритных размеров.
Промышленностью строительных материалов Москвы освоен выпуск сборных колонн с сердечниками, полностью комплектующихся с элементами унифицированного каркаса. Сердечники изготовляются на заводах металлоконструкций из прокатной стали. Предложены различные сечения составных сердечников из толстой полосы сечением 230x115 мм, прокатываемой на Кузнецком металлургическом комбинате, пакет полос толщиной 32-40 мм, наборное сечение ("капуста") из угловой стали. Сердечники двух первых типов по сложности изготовления примерно равноценны. В первом из них меньше сварки, но сильно затруднена правка в случае серповидности полос (достаточно часто встречающейся); во-втором проще правка, зато больше сварных соединений. Ощутимым недостатком сердечников первого типа является также неполное использование прочности металла, так как в толстой полосе предел текучести и расчетное сопротивление уменьшаются на 10-20% по сравнению с прокатом нормальных толщин. Наборное сечение из уголков достаточно просто в изготовлении, но менее компактно. Наиболее перспективными представляются сердечники в виде полос нормальной толщины. В условиях широкого применения автоматической сварки большая протяженность сварных швов не может считаться серьезным недостатком.
Концы сердечников обрабатываются на торцефрезерных станках, что обеспечивает максимальную простоту стыкования колонн.
Для сердечников применяются обычно легированные строительные стали марки 14Г2 или 10ХСНД. Использование таких сталей экономически целесообразно, несмотря на то что сердечники из них обходятся дороже, чем из Ст. 3.
Сравнительная стоимость сборных колонн сечением 40x40 см и длиной 6 м, армированных сердечниками площадью 400 см2 из разных сталей и четырьмя продольными стержнями диаметром 36 мм из стали класса A-III, приведена в табл. 10.1. Из таблицы видно, что хотя сердечники из стали ЮХСНД на 41% дороже аналогичного сердечника из Ст. 3, цена колонн "в деле" разнится всего на 21%, а удельная стоимость (отношение стоимости к несущей способности колонны) при сердечнике из стали ЮХСНД на 14% меньше, чем при сердечнике из Ст. 3
Проведенные в 1966-1967 гг. в ЦНИИСК испытания образцов сборных железобетонных колонн с металлическими сердечниками (т. е. с высоким - до 30%-насыщением бетона арматурой) показали, что бетон в средней по высоте зоне колонны активно включается в работу, а бетон в опорных сечениях работает хуже, причем в этих сечениях наблюдалось появление растягивающих
усилии, которые привели к раннему появлению трещин в бетоне. При нагруже-нии колонны напряжения по длине колонны выравнивались, а затем наблюдалась обратная картина - среднее сечение нагружалось больше опорных, в которых происходила разгрузка. Разгрузка в опорных сечениях связана с постепенным исчерпанием несущей способности бетона, работающего на смятие.
Результаты испытаний говорят о том, что несущая способность опорных участков колонн (около стыков) должна быть увеличена, в частности, приваркой к сердечнику фасонок и дополнительным сетчатым армированием бетона в опорной зоне. Стыки колонн на монтаже должны быть замоноличены с установкой соответствующих хомутов. Методика расчета железобетонных колонн с металлическими сердечниками приведена в главе 13.
Организация массового производства колонн с сердечниками позволит применять сборные колонны в зданиях высотой до 30-40 этажей.
