ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КИРПИЧНЫХ СТЕН ИЗ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАПОЛНЕНИЯ НА РАБОТУ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МОНОЛИТНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ РЕСПУБЛИКИ БУРУНДИ

Полный текст

Введение. В республике Бурунди кирпич является относительно недо- рогим строительным материалом, поэтому кирпичная кладка активно приме- няется в межколонном заполнении монолитных каркасных зданий. В инже- нерных расчетах влияние стенового заполнения на пространственную работу каркаса не учитывается. Тем временем, согласно исследованиям [1, 4], кирпич- ные стены в каркасных зданиях приводят к перераспределению внутренних усилий в элементах каркаса. Установлено, что в системе «колонны - кладка - ригели» первичную роль играют колонны [3], последние отвечают за совмест- ную работу монолитного каркаса с кирпичными стенами заполнения. Колонны в таком случае работают на сжатие со случайным эксцентриситетом [2]. Обзор литературных источников свидетельствует о недостаточности ис- следований распределения внутренних усилий в колоннах и ригелях при учете стенового заполнения в пространственной работе каркаса. В связи с этим акту- альность данной статьи заключается в общей количественной оценке внутрен- них усилий, возникающих в монолитном каркасном здании с кирпичными сте- нами заполнения. Объект исследования. В качестве исследуемого объекта рассматривается пространственная модель девятиэтажного каркасного здания с кирпичными стенами из местных материалов заполнения республики Бурунди. В основании здания располагается скальный грунт.Физико-механические характеристики кладки были определенны экспериментально-теоретическимиметодами. При- нималось, что железобетонные элементы каркаса изготовлены из бетона класса В25.Толщина кирпичных стен составляла полтора кирпича (380мм). По архи- тектурным соображениямширина поперечного сечения колонн и ригелей была принята равной толщине кирпичных стен (рис. 1). Рис. 1. Схема с указанием исследуемых колонн с учетом их расположения в плане Рис. 2.КЭ модель «1» монолитного каркасного здания без учета влияния стенного заполнения Железобетонные колонны и ригели таврового сечения моделировались пространственными стержневыми конечными элементами (КЭ). Плиты межэ- тажных перекрытий икирпичные стены заполнения моделировались плоскими оболочечнымиКЭ и КЭ типа «балка-стенка» соответственно [6, 7]. По контурукирпичной стены заполнения принималась шарнирная связь с железобетонными элементами каркаса.Деформационные характеристики желе- зобетонных элементов были приняты согласно рекомендациям[5], учитываю- щим нелинейную работу железобетона и возможность образования трещин. Для проведения численных исследованийбыли разработаны 3 дискретные пространственные конечно-элементные модели монолитного каркасного зда- нияКЭ модель «1» монолитного каркасного зданиясостоит из 21326 узлов, 24368 элементов и 99760 неизвестных узловых перемещений (рис. 2). В этой модели не учитывалось влияниестен заполнения на пространственную работу каркаса. Нагрузка от собственного веса заполнения рассматривалась как линей- ная равномерно распределенная, приложенная на ригели каркаса. В отличие от модели «1» КЭ модель «2» учитывает влияние кирпичного заполнения на напряженно-деформированное состояние каркаса и состоит из 37024 узлов, 43370 элементов и 166830 неизвестных узловых перемещений (рис. 4).Для предотвращения возможного прогрессирующего обрушения при выходе из строя стенового заполнения нижнего этажа была разработана специ- альная КЭ модель, котораясостояла из 35436 узлов, 41416 элементов и 160272 неизвестных узловых перемещений. Методика проведения исследования. В ходе проведения численного ис- следования каркаса здания рассматривалось 3 варианта сочетания нагрузок.В первомварианте проведен анализ работы железобетонных колонн и ригелей при постоянных и эксплуатационных воздействиях без учета ветровой нагрузки, данный вариант обозначался (1-БВН).Во втором вариантерассматривался слу- чай, когда на здание кроме эксплуатационных нагрузок, воздействует ветровой напор со средней скоростью 25м/сперпендикулярно продольной стороны зда- ния, этот вариант обозначался (2-СВН). И наконец, в третьем варианте(3-ВСС) рассматривался случай выхода из строя стенового заполнения нижнего этажа при постоянных и эксплуатационных нагрузках. Для исследования влияния деформативности кладки на усилия в элементах монолитного каркаса отдельно рассматривались 3 различных модуляупруго- стикладки стен заполнения: ; ; .Полученныепри этом согласно- моделям «2» и «3» значения продольных усилий в колоннах и риге- лях,сравнивались со значениями, вычисленными по модели «1», в которойне учитывалась деформативность стенового заполнения(E0 = 0). В последнем ва- рианте нагрузка от собственного веса стенового заполнения учитывалась как дополнительная линейная нагрузка на ригели каркаса. Таким образом, для принятого j-ого этажа, уменьшения( ) продольных внутренних усилий определялись по выражению (1),как отношение продольных усилий в монолитном каркасе без учета влияния стенового заполнения (КЭ модель «1») к продольным усилиям , определяемымс учетом влияния стенового заполнения на пространственную работу каркаса (КЭ модели «2», «3»): (1) Результаты исследования. Анализ результатов расчетадискретных ком- пьютерныхмоделей исследуемого здания позволил определить продольные усилия в колоннах и ригелях. Возникновение продольных усилий в ригелях обусловленовлиянием эксцентриситета, деформативностью нижележащей кладки, препятствующей изгибу ригеля, а также пространственной работой мо- нолитного каркасного здания в целом.Результаты показали, что выход из строя кирпичных стен заполнения нижнего этажа приводит к увеличению продоль- ных (растягивающих) усилий в ригелях первого этажа (рис.5). Рис.5. Зависимостьмаксимальных значений продольных усилий в ригеляхнижнего этажаотрасчетной прочости (fd)кладки заполнения на сжатие Рис. 6. Зависимость максимальных значений изгибающих моментов в ригелях первого этажа от расчетной прочости (fd) кладки заполнения на сжатие Чем выше оказывается несущая способность кладки заполнения, тем боль- ше наблюдается увеличение продольных растягивающих усилий в ригелях пер- вого этажа.Выход из строя стен заполнения нижнего этажа приводит к сущест- венному увеличению изгибающих моментов в ригелях (рис. 6), которые превы- шают изгибающие моменты, получаемыесогласно КЭ модели «1». Анализ результатов расчета показал, что учет в пространственной работе каркаса кирпичных стен заполнения приводят к уменьшению продольных уси- лий (рис. 7; рис. 8; рис. 9). Максимальное и минимальное уменьшение продоль- ных сил наблюдаетсяна нижних и верхних этажахсоответственно. Рис. 7 . Зависимость уменьшений продольных сил в колоннах первого этажа от несущей способности кладки по варианту«1-БВ» Рис. 8 - Зависимость уменьшений продольных сжимающих усилий в колоннах первого этажа при варианте с учетом ветровой нагрузкой. Рис. 9. Зависимость уменьшений продольных сжимающих усилий в колоннах первого этажа при выходе из строя стен первого этажа от расчетной прочности (fd) кладки заполнения Результаты проведенных исследованийпоказывают, что при выходе из строя стен заполнения нижнего этажа, в угловых колоннах продольные усилия пре- вышают значения, получаемые приисследовании каркаса без учета влияния стенового заполнений на его пространственную работу. В угловых колоннах, внутренние продольные усилия увеличиваются на 27,07%. Во внутренних и на- ружных не угловых колоннах, продольные усилияснижаются на 23,45%(рис. 10). Рис. 10. Диаграмма уменьшений и увеличений(в процентах) продольных внутренних усилий в колоннах при выходе из строя стен нижнего этажа Также результатыисследований показывают, что в монолитных каркасных зданиях кирпичные стены заполнения передают на фундамент значительную долю продольных вертикальных усилий (рис.11). Рис.11. Зависимостьпередаваемыхна фундамент стенами заполнения продольных усилий от расчетной прочности кладки заполнения на сжатие Выводы. По результатам проведенных исследований можно сделать сле- дующие выводы: ? кирпичные стены заполнения влияют на пространственную работу моно- литных каркасных зданий независимо от величины горизонтальных воздейст- вий; ? кирпичные стеныперераспределяют внутренние усилия в колоннах и ри- гелях; ? выход из строя стен заполнения нижнего этажа приводит к перегрузке уг- ловых колонн и разгрузке остальных (не угловых)колонн, увеличению внутрен- них растягивающих усилий и изгибающих моментов в ригелях первого этажа; ? уменьшение продольных усилий в колоннах зависит от прочности кир- пичной кладки и места расположенияколоннывпланеи по высоте здания; ? кирпичные стены заполнения передают на фундамент существенную до- лю вертикальных усилий. Заключение При проектировании и расчете монолитных каркасных зданий с кирпич- ными стенами заполнения следует учитывать особенность работы железобетон- ных стержневых элементов для армирования сечений железобетонных колонн и ригелей.

Об авторах

ЭММАНУЭЛЬ МИКЕРЕГО

Российский университет дружбы народов

Email: mikeregoemmanuel@hotmail.com
аспирант Ул. Оржоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419

АЛЕКСЕЙ СЕМЕНОВИЧ МАРКОВИЧ

Российский университет дружбы народов

Email: markovich.rudn@gmail.com
канд. тех. наук., доцент Ул. Оржоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419

ЮРИЙ КЛЕМЕНТЬЕВИЧ БАСОВ

Российский университет дружбы народов

канд. тех. наук., доцент Ул. Оржоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419

Список литературы