автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Поэтажно-несущие панели наружных стен зданий

На правах рукописи

оа

2 3 ГОП

ШАЛЫГИНА Елена Юрьевна

ПОЭТАЖНО - НЕСУЩЕ ПАНЕЛИ НАРУЖНЫХ СТЕН ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Центральном научно - исследовательском и проектном институте индивидуального и экспериментального проектирования жилища /ЦНИИЭП жилища/

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник М.Я. РОЗЕНБЕРГ

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

Ведущая организация - КБ им. А. А. Якушева ГОССТРОЯ РФ

на заседании Диссертационного совета К 033.14.01 в Центральном научно - исследовательском и проектном институте индивидуального и экспериментального проектирования жилища /ЦНИИЭП жилища/ по адресу : 127434, Москва, Дмитровское шоссе, дом 9, корпус " Б ".

С диссертацией можно ознакомиться в методфонде ЦНИИЭП жилища.

профессор Л. Л. ПАНЬШИН

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.В. ГРАНОВСКИЙ

Защита диссертации состоится

часов

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н.. с.н.с.

Т.К. Данилина

Актуальность. Важнейшей задачей проектирования жилых зданий является разработка экономичных и надежных конструкций. Одним из наиболее важных и ответственных элементов крупнопанельных зданий являются наружные стены. В связи с принятием изменения N3 к СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника", предусматривающего повышение к требованию топливно-энергетических ресурсов перспективным является расширение применения трехслойных железобетонных стеновых панелей с металлическими гибкими стержневыми связями.

Применяемые в настоящее время в практике проектирования два основных варианта конструкций наружных стен - несущие и навесные имеют ряд недостатков.

Основным недостатком несущих стен является невозможность обеспечения их равнопрочности в разных этажах здания и унификации панели наружной стены для зданий разной этажности (от 2-3 до 16 этажей).

Навесные панели наружных стен дополнительно нагружают конструкции плит перекры-тия, что приводит к увеличению расхода стали в плитах на № по сравнению с плитами перекрытия, применяемыми в конструктивной системе с несущими панелями наружных стен.

Для устранения указанных недостатков в ЦНИИЭП жилища предложен вариант поэтажно-несущих панелей наружных стен. Такая наружная ланель поэтажно передает нагрузку на внутренние поперечные стены, имеющие обычно значительный запас несущей способности. Конструкция объединяет достоинства как несущих, так и навесных панелей наруж-шх стен. Поэтажно-несущие панели создают рациональную схему опи-эания плит перекрытий, обеспечивающую уменьшение расхода стали в гах, позволяют устраивать балконы. Появляется возможность для мно-'овариантности архитектурных решений фасадов, так как каждая па-[ель наружной стены участвует в работе только одного этажа и может >ыть заменена другой ограждающей конструкцией. Достоинством по-тажно-несущих панелей наружных стен являются также и высокие теп-

лотехнические показатели, которые достигаются путем увеличения толщины слоя утеплителя за счет уменьшения толщины несущего слоя.

Однако, предложенная идея конструктивного решения поэтажно-несущих панелей наружных стен до настоящего времени недостаточно изучена для применения ее в конкретном проектировании, не уточнены вопросы несущей способности, особенности характера разрушения, область применения и методика расчета.

Целью работы является изучение статической работы поэтажно-несущих панелей наружных стен, разработка методов расчета конструкции на основе теоретических и экспериментальных исследований напряженно - деформированного состояния, схем разрушения, податливости вертикальных и горизонтальных стыков, конструирования узлов.

В работе решены следующие задачи:

- изучены особенности совместной пространственной работы трехслойной поэтажно-несущей панели наружной стены с примыкающими конструкциями;

- исследованы особенности нелинейной работы внутреннего несущего слоя трехслойной наружной стены в своей плоскости;

- рассмотрены вопросы разрушения поэтажно-несущей конструкции при местном смятии под опорной " ножкой " наружной стены;

- изучено влияние жесткости вертикального стыка на работу по-этажно-несуидах панелей с учетом этажности здания;

- исследована нелинейная работа однослойных поэтажно-несущих панелей наружных стен.

Границы исследований. Исследования ограничены вопросами применения поэтажно-несущих панелей наружных стен в крупнопанельных зданиях повышенной этажности (до 22 этажей) с большим (6,0-7,2м) и малым (3.0-3,6м) шагами внутренних поперечных стен для обычных условий строительства. Рассмотрена нелинейная работа однослойных панелей наружных стен и трехслойных панелей, с соединением наружного и внутреннего слоев при помощи гибких связей.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты работы :

- увеличение расчетной прочности системы поэтажно-несущих панелей (до 45%) при учете восприятия поперечной силы в верхней перемычке, предельных усилий в опорных "ножках" наружной стены, допустимых значений усилий в гибких связях в трехслойных панелях;

- значения напряжений во внутреннем слое трехслойной поэтажно-несущей наружной стены на разных стадиях работы конструкции, в том числе перед разрушением, в зависимости от условий пространственной работы конструкции, податливости вертикальных и горизонтальных стыков, нелинейных свойств железобетона и т.д.;

- инженерный метод расчета поэтажно-несущей наружной стены, как статически неопределимой рамы с затяжкой, позволяющий определить усилия и рациональное армирование;

- предложения по уменьшению толщины бетонных слоев трехслойных панелей (внутренний несущий - до 85мм.. наружный - до 65мм.), обеспечивающие повышение показателей сопротивления теплопередачи наружных стен в 1.5 раза при сохранении толщины панели (300мм.);

рациональная область применения поэтажно-несущих панелей наружных стен (9 этажей и более).

Достоверность полученных результатов обосновывается расчетно - теоретическими исследованиями поэтажно-несущих панелей наружных стен на ЭВМ в упругой постановке по программе "ЛИРА" и неупругой -по программе "РАДУГА" и данными натурных испытаний образцов на действие вертикальной статической сосредоточенной нагрузки.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

- выявлена зависимость несущей способности системы поэтажно-несущих панелей от податливости вертикальных и горизонтальных стыков; получены количественные зависимости напряженного состояния поэтажно-несущей конструкции от пространственной работы в системе здания, условий закрепления и нелинейных свойств железобетона; выявлены основные схемы разрушения поэтажно-несущих панелей и их за-

висимость от соотношения армирования перемычек и простенков наружных стен, прочности бетона.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что полученные научные результаты позволили обеспечить сокращение расхода бетона на 25% за счет уменьшения толщины внутреннего несущего слоя поэтажно-несущей панели в сравнении с несущими трехслойными наружными стенами; разработать конструкцию, способствующую повышению теплотехнических показателей наружных ограждений (в соответствии с изменением N3 СНиП 11-3-79 "Строительная теплотехника"); выпустить технические решения индустриальных поэтажно-несущих конструкций трехслойных и однослойных панелей наружных стен с малым (3,0 - 3.6 м ), большим ( 6.0 - 7,2 м ) и смешанными шагами несущих поперечных стен для крупнопанельных зданий;

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы при разработке " Рекомендаций по расчету и конструированию крупнопанельных зданий с поэтажно-несущими панелями наружных стен", альбомов чертежей (технических решений) "Конструктивные решения жилых зданий с поэтажно-несущими наружными стенами "и "Программа повышения тепловой защиты зданий в соответствии с изменением N3 СНиП И-3-79 "Строительная теплотехника". Экономический эффект применения поэтажно-несущих панелей наружных стен по сравнению с несущими серии 90 позволяет сократить расход стали на 6% -по трехслойным панелям и 8% - по однослойным панелям на блок-секцию, а по расходу бетона в трехслойных панелях на 25% на одно изделие наружной стены ( применительно к 14 - этажному жилому дому ).

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на научной конференции молодых ученых в ЦНИИСКе в 1991 г. и на научно - технической конференции "Изучение действительной работы конструкций с учетом условий и сроков эксплуатации" в г. Пензе в 1992г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в пяти статьях.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии из 104 наименований; общий обьем работы - 205 страниц, текст диссертации - 105 страниц; фотографий - 16; таблиц - 31; рисунков - 49 .

Исследования выполнялись в отделе конструктивных систем жилых зданий ЦНИИЭП жилища по плану важнейших научно - исследовательских работ института в рамках госзаказа на 1990 - 1993 годы по темам: " Конструкции зданий с поэтажно несущими трехслойными панелями наружных стен с толщиной несущего слоя 8см. для массового строительства ", "Конструктивная схема жилых зданий с поэтажно-несущими панелями наружных стен для массового строительства. Методика расчета".

Содержание работы

В настоящее время накопился ряд теоретических и экспериментальных работ, посвященных анализу напряженно-деформированного состояния и несущей способности стеновых панелей.

Исследованию вопросов несущей способности, характера разрушения, формы трещинообразования, методов расчета и разработке рекомендаций по проектированию и конструированию трехслойных стеновых панелей посвящены работы Ю. Ф. Бирулина, В. А. Векслера, А. А. Гагариной, В.В. Грирорьева, B.C. Когана, Э.А. Мазо, В.И. Лишака, В.Г. Цимблера, Т. А. Усачева, Ю. В. Чиненкова, Г. А. Шапиро и др.

Предложения по конструированию наружных стен нашли отражение в авторских свидетельствах. Г. Д. Макаров, М.М. Акуленко, Ю. П. Кириченко, А. Г. Корешок, Д.М. Подольский (а. с. N1514885) предлагают наружные стены навешивать на внутренние несущие поперечные стены. В Киевпроекте Черемис В.М., Золотарев B.C. и Иванов A.B. (а.с.747953) предложили во внутреннем слое наружной стены сделать выступы по нижней гране - в углах, по верхней гране - в центре. Авторы отмечают, что навесная панель при этом работает как несу-цая, под нагрузкой одного этажа.

Предлагаемая конструкция панелей наружных стен- поэтажно-несущая - Гендельман Л. Б. , Острецов В.М., Кузнецов Д.Г., Левонтин Н.Б. (а.с.N1413205). Также, как и в а. с.747953 внутренний слой наружной стены имеет выступы, внизу - по краям, вверху - в центре, которые служат опорными площадками для плит перекрытия. Как в а. с. 1514885 наружная стена воспринимает нагрузку от одного этажа. Накопление вертикальных нагрузок происходит на внутренние поперечные стены. В отличие от а. С747953 авторы предложили применять поэтажно -несущие панели наружных стен в пролетах 6,0м и 7,2м. Однако, научные исследования в области поэтажно-несущих конструкций недостаточны для внедрения их в практику проектирования и строительства. Имеется ряд проблем, требующих проведения научных исследований для выявления работы поэтажно-несущих наружных стен и плит перекрытия.

Расчетно - теоретические исследования

Расчетно-теоретические исследования имели целью изучение пространственной работы трехслойной поэтажно-несущей панели наружной стены. Решение поставленной задачи выполнялось МКЭ по программе " ЛИРА ", предназначенной для расчета конструкции в упругой стадии. Расчеты при плоском напряженном состоянии элементов стен и плиты перекрытия проводились для двухмодульных (длиной 6м) и одно-модульных (длиной 3,6м) наружных стен. Учитывалось условие совместности деформаций и поворотов горизонтальных и вертикальных граней наружной стены, плиты перекрытия и внутренних стен. Связи в вертикальных и горизонтальных стыках, соединяющие смежные панели, моделировались связями конечной жесткости и их податливость определялась по формулам " Пособия по проектированию жилых зданий , Выпуск 3". Жесткостные характеристики шва опорной части наружной стены определены с использованием данных " Справочника проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий ", Книга 1. Нагрузками, кроме собственного веса элементов, были усилия от верхних (9-ти) этажей, приложенные к внутренним стенам. Таким образом.

рассматривался наихудший вариант положения фрагмента в системе здания, то есть в уровне 1-го этажа. Изучалось напряженное состояние в плоскости панели наружной стены (серия 1) и при ее поперечном изгибе (серия 2).

Работа плиты перекрытия в поэтажно несушей - системе здания: характерные особенности работы плиты перекрытия оценивались по эпюрам изгибающих моментов. Наибольшее сжимающее значение моментов возникает напротив верхней подрезки наружной стены, что является следствием деформативности внутренней стены. Максимальные моменты Мх, вызывающие растяжение нижней грани края плиты перекрытия приходятся на середину оконных проемов наружной стены.

изменение ширины перекрытия с 2,4 м на 3.6 м привело к увеличению армированиия верхней перемычки наружной стены на 10-15%, увеличению максимальных моментов Мх и Му в плите перекрытия в 1.6 раза.

С увеличением опорной площадки плиты перекрытия уменьшаются значения моментов в опорной части наружной стены в 5,5 раза и эксцентриситет приложения нагрузки - 1,5 раза. Таким образом, наиболее благоприятной для конструкции является максимальная глубина опирания плиты на внутренний слой наружной стены.

Влияние навесного наружного слоя: наибольшее влияние на поперечный изгиб панели оказывает навешивание с помощью гибких связей наружного слоя. Величина изгибающих моментов от веса наружного слоя в среднем простенке составляет 68% от значения суммарного момента всех нагрузок.

Влияние горизонтального отсоса ветра: действие ветра существенного влияния на напряженное состояние панели наружной стены не оказывает. Усилия от ветра в сводной эпюре моментов составляют 2%.

Влияние плиты балкона на напряженное состояние наружной стены: навешивание плиты балкона при помощи выступов - "пальцев" на внутренний слой наружной стены оказывает влияние на значения изгибающих моментов в верхней части панели стены, в точках опирания

плиты. Действие нагрузок от плиты балкона быстро "затухает" и на пролетные значения Му практически не влияет.

■Неупругая работа железобетона в поэтажно-несущей панеле наружной стены, а также во внутренней стене и плите перекрытия изучалась по программе "РАДУГА-86" (автор М.Я. розенберг) с целью уточнения особенностей напряженно-деформированного состояния, определения величины разрушающей нагрузки, ширины раскрытия трещин, схемы разрушения, прогибов, напряжений суммарных и в арматуре. Программа "РАДУГА-86" позволяет моделировать процесс нелинейного деформирования и разрушения железобетонных конструкций при плоском напряженном состоянии методом конечных элементов. Нагружение осуществлялось ступенями аналогично тому, как это производилось в эксперименте.

Нелинейная работа внутреннего несущего слоя трехслойной поэтажно-несущей наружной стены в плоскости исследовалась на примере фрагмента в состав которого входили внутренний слой двухмодульной панели, участки примыкающих внутренних стен, плита перекрытия вышележащего этажа (рис.1). Вертикальная нагрузка на фрагмент была приложена к плите перекрытия. В процессе нелинейного расчета нагрузка возрастала от шага к шагу нагружения вплоть до разрушения.

Проведены 2 серии расчетов. В серии 1 внутренний слой наружной стены принимался толщиной (Ь) 12 см. Первые трещины зафиксированы при нагрузке Р = 1,53 Ррасчет. в нижней перемычке наружной стены в углу дверного проема. Ширина раскрытия трещин - 0,25 мм, что не превышает допустимую - 0,3 мм. При Р = 1,56 Ррасчет. появились наклонные волосяные трещины в верхней перемычке в углах оконных проемов. Перед разрушением панели (при Р = ЗРрасчет.) ширина раскрытия трещин достигает в нижней перемычке - 2,1 мм. в верхней перемычке - 0,5 мм. Минимальная разрушающая нагрузка в расчетах серии 1 составила 550 кН. таким образом, коэффициент запаса прочности 3,6 удовлетворяет требованиям ГОСТ 24545 - 81.

По результатам расчетов серии 1 введены изменения:

2-2

88.5

1 - выступы "ножки"

2 - слой раствора

3 - упругая прокладка Рис.1. А. Эпюры напряжений перед разрушением конструкции (Р -ЗбОкН), МПа:

(Эх, S'y, V*.у - суммарные; (2sy - в арматуре. Б. Эпюры распределения усилий (кН) в вертикальном стыке при Р - 320кН. /сечение 2-2/.

- уменьшена толщина внутреннего несущего слоя панели наружной стены до 10 см;

- заданы в расчетной схеме растворные швы и арматурные связи;

- уменьшено количество арматуры в крайних простенках и в верхней перемычке на 30%.

Потеря несущей способности системы произошла по наклоньому сечению, проходящему через нижнюю перемычку дверного проема и верхнюю перемычку оконного проема.

Эпюры напряжений во внутреннем несущем слое панели наружной стены даны при усилие 31-расчет (рис.1а). Несимметричность конструкции и условия ее опирания приводят к тому, что с ростом нагрузки панель поворачивается влево, это отражено в эпюрах напряжений. Наибольшие значения вертикальных напряжений Ох, в крайних простенках, по величине не превышают призменную прочность бетона (15 МПа). Распределение нормальных горизонтальных напряжений Цу показывает, что верхняя перемычка сжата в левом и правом простенках и растянута в среднем пролете панели. Это объясняется тем, что конструкция работает подобно раме с затяжкой. Роль затяжки выполняет нижняя продольная арматура, расположенная под дверным проемом. При этом, верхняя перемычка в средней ч^сти работает совместно с плитой перекрытия.

Эпюры касательных напряжений 'С ху показывают рациональность более частой установки вертикальных стержней (хомутов) в угловых зонах оконных проемов.

Напряжения в арматуре на шаге перед разрушением конструкции (Р = 3, ЗРрасчет) приближаются к пределу текучести (390 МПа) в углу оконных проемов верхней перемычки и в нижней перемычке под дверным проемом - йэх « 379 МПа (рис.1а). Распределение напряжений в вертикальной арматуре по верху панели подтвердили применение учащённого шага хомутов в углах оконных проемов.

Изменение усилий в вертикальном стыке, между панелями наружной и внутренней стен (рис.16), характерно для поэтажно-несущей

системы. Максимальные значения усилий в стыке в уровне верхней и подоконной перемычек панели наружной стены. Для восприятия максимальных усилий устанавлены связи, соединяющие наружную и внутреннюю стены.

Исследования напряженно-деформированного состояния внутреннего несущего слоя панели показали опасность разрушения в плите перекрытия, под опорной "ножкой" наружной стены. Для проверки были выполнены нелинейные расчеты по программе "Р1ЩУГА - 86" опорного узла, который представлял фрагмент, включающий часть плиты перекрытия, часть верхней и нижней наружной и внутренней стен (рис. 2). Характер распределения нагрузки на опорный узел, прочностные характеристики и армирование элементов были приняты в соответствии с результатами расчета одноэтажного фрагмента здания. Для определения более точного момента разрушения выполнен расчет с уменьшенным шагом нагружения.

По результатам расчета опорного узла подтвердилось "слабое" место фрагмента - в плите перекрытия за опорной "ножкой" панели наружной стены (рис.26). Для устранения зоны разрушения вертикальную арматуры плиты перекрытия передвинули за опорную "ножку" не изменяя диаметров арматурных стержней, это повысило несущую способность фрагмента на 12%.

Вторая зона разрушения опорного узла - вертикальный стык. Метая деформативность растворных швов между элементами определилось, сто наиболее рационально применять жесткий вертикальный стык, устраивая по боковым граням стеновых панелей бетонные шпонки, и пластичный - горизонтальный. Шпоночное соединение обеспечивает сов-гестность работы панелей наружной и внутренней стен и поэтажное 1еретекание усилий. Наличие шпонок повышает несущую способность сонструкции на 12% -16%.

Усилия сжатия максимальны в опорной "ножке" и в верхнем углу жонного проема панели, но значения даже на шаге перед разрушением ■ йу = 9,6 МПа невелики по сравнению с призменной прочностью бето-

5-?

(9и

47

тШгттп

14 -

Т1

Ь. 0/ ¿1

в

¿2 ¿4

8.

ей

1ТТгттгТ1^Тгк

Б-е

1

НГГГу^_/ШП^тгп

112.01 31

А. • ¥

1-1

-3-5 159.0\Ц Д

Р

4-4

139.0

б?

(эях

305.0

1 —НАРУЖНАЯ СТЕНА

2-ПЛНТА ПЕРЕКРЫТИЯ

3-ВНУТРЕННЯЯ СТЕН А 4 —ТРЕЩИНА

Рис. 2. к. Эпюры напряжений в опорном узле, МПа: б у, Тху - суммарные; (э эх - в арматуре. Б. Расчетная схема разрушения опорного узла.

75.4

-10.6 10.

9.7

СТЫК СО ШПОНКАМИ

"Л щ

СТЫК БЕЗ ШПОНОК

Е i ЛТггт»......

10.6

5.3 11.5 11.2

10.3

[

11.4

4.7

- f]V.frtTTTg

Ж-

-J

ICE

12.4

4.0

10.61 10.

У.4

10.

11.

3-9 11.6 11.6

И

е.?

OJ

со шпонками без шпонок

А.

11-6 12.3

-JJ

AL

JTrrÁ

dU

4.6

ТПТтп-rr

3.2

КГ

14.2

fe

JJ

У

-Д"

1 этаж

2 этаж

3.

Рис. 3. А. Эпюры напряжений /МПа/ в двухэтажном фрагменте при Р = 840 кЦ/м

Б. Изменение усилий в опорной "ножке" панели

В. Перетекание усилий

на - Шэ = 15 МПа (рис.2а). Касательные напряжения J ху концентрируются по низу плиты перекрытия и в углах оконного проему верхней перемычки наружной стены. При нагрузке близкой к разрушающей значительные растягивающие напряжения возникают в арматуре плиты перекрытия - Обх = 378 МПа, т.е. приближаются к пределу текучести Иэ = 390 МПа (рис.2а).

Комплекс исследований одноэтажного фрагмента поэтажно-несущей конструкции показал, что с ростом этажности здания и изменением условий соединения панелей в вертикальном стыке возможно накопление усилий в опорной "ножке" наружной стены. В связи с этим проведены численные исследования по программе "РАДУГА-86" двухэтажного фрагмента здания, состоящего из участков панелей наружной и внутренней стен цокольного, первого и второго этажей, участков плит перекрытия над цокольным, первым и вторым этажами (рис.За, б). В данном расчете толщина внутреннего слоя наружной стены - 8 см. Возрастание нагрузки шагами на фрагмент моделировало увеличение, этажности. Исследовались два вида вертикального стыка - со шпонками и без шпонок.

Преимущество получило шпоночное соединение панелей наружной и внутренней стен. Усилия в опорной "ножке" при стыке со шпонками с увеличением этажности возрастают равномерно (рис. 36). Накопление усилий в здании высотой 16 этажей в опорной "ножке" - 12%. Наличие шпонок в вертикальном стыке обеспечило: совместность работы и перетекание усилий между наружной и внутренней стенами (рис.Зв);

увеличение несущей способности фрагмента в 1,2 раза при классе бетона панели наружной стены В20 и в 2,3 раза при В7.5.

Исследования двухэтажного фрагмента подтвердили основные схемы разрушения поэтажно-несущей конструкции:

- по опорной "ножке" панели наружной стены - при ослабленной опорной "ножке" или при применении низкопрочного бетона в наружной стене;

- по Еерхней перемычке, данная схема относится к вариантам расчета, где применялся низкопрочный бетон в наружной стене.

А также выявили дополнительные схемы разрушения фрагмента:

- раздавливание внутренней стены под плитой перекрытия и разрушение плиты от изгиба;

- совместное разрушение опорных частей внутренней и наружной

стен;

- разрушение плиты перекрытия от среза и одновременно верхней перемычки наружной стены.

При бетоне класса В20 и толщиной' несущего слоя 8 см. необходимый двухкратный запас прочности обеспечен для зданий высотой 10 -12 этажей. При классе бетона В7.5 поэтажно-несущие панели наружных стен могут применяться в 4-5 этажных зданиях.

При уменьшении толщины бетонных слоев поэтажно-несущей панели наружной стены (65 мм - наружный, 85 мм - внутренний несущий ) возможно возникновение внецентренного сжатия от вертикальной нагрузки. Опасность разрушения слоев панели проверено расчетом на изгиб из плоскости вертикального сечения трехслойной панели с гибкими связями. В расчетную схему включены наружный слой толщиной 70 мм и внутренний - 80 мм. Связь между слоями осуществлялась в среднем сечении - подвеской, в верхнем и нижнем - стержнями-распорками. Сравнение выполнялось при жестком и шарнирном закреплении панели на опоре.

Условия закрепления конструкции оказали существенное влияние на распределение напряжений. При защемлении панели вертикальные напряжения равномерно распределяются по ширине внутреннего слоя, при шарнирном закреплении - максимальны у внутренней грани слоя и минимальны у наружной грани, так как при шарнирном опирании возможен поворот панели в уровне плиты перекрытия. Разрушающая нагрузка жестко защемленной панели на 7% выше, чем для шарнирно опертой.

Работу внутреннего слоя трехслойной панели с гибкими связями определяет тип подвесок. Для сравнения выбраны две формы гибких

связей - трапециевидная и г-образная, а также при наличии распорок и без. Предпочтительным оказался вариант с г-образной подвеской, где эпюра напряжений в горизонтальном сечении слоя меняет знак -правая грань сжата, левая растянута и, следовательно, напряжения компенсируются. Наличие распорок повышало несущую способность панели с трапециевидной подвеской в 2 раза, с г-образной в 2,5 раза. Конструкция разрушалась при разрыве распорки и последующем разрушении бетона наружного слоя выше подвески, что было связано с недостаточной прочностью анкеровки распорки.

По программе "РАДУГА-86" проведены неупругие расчеты однослойных поэтажно-несущих панелей наружных стен. Расчетная модель и схема передачи нагрузки принята из исследований фрагмента с трехслойной панелью наружной стены.

Численные исследования показали схожий характер напряженно-деформированного состояния поэтажно-несущих конструкций однослойных и трехслойных наружных стен. Значения напряжений максимальны в верхней перемычке в углах оконных проемов панели, где образуются зоны наиболее вероятного раскрытия трещин и в нижней перемычке в углах дверного проема, что рекомендует устанавливать дополнительные горизонтальные арматурные стержни, препятствующие отслаиванию продольной арматуры нижнего пояса.

Подтвердились схемы разрушения, выявленные в расчетах трехслойных наружных стен - по опорной "ножке"; в верхней перемычке; в углу дверного проема. Величина разрушающей нагрузки для однослойных панелей меньше на 30 %. чем для трехслойных, что обусловлено их меньшей прочностью бетона.

Достоверность результатов, полученных расчетно - теоретическим путем в упругой постановке по программе "ЛИРА" и неупругой постановке - по программе "РАДУГА 86" подтверждена экспериментальными исследованиями фрагментов с поэтажно-несущей панелью наружной стены.

- 19 -

Экспериментальные исследования

Целью экспериментальной части работы являлось выявление наиболее слабых мест в конструкции поэтажно-несущей панели наружной стены. Характер приложения нагрузки, размеры образцов и расположение проемов в панели для экспериментальных исследований определялись на основе теоретических исследований.

Экспериментальные исследования проводились на примере 2-х фрагментов, состоящих из внутреннего слоя двухмодульной ( Ь=6м.) панели наружной стены с проемами окно и окно-дверь. В испытаниях толщина панели в 1-м фрагменте - 100 мм. во 2-м фрагменте - 80 мм. Учитывая новизну и сложность работы конструкции испытания проведены в натуральную величину. Испытывались фрагменты на действие вертикальной статической сосредоточенной нагрузки, которая создавалась в двух уровнях-по верху панели и на гибкие связи в среднем простенке. В эксперименте вводился эксцентриситет из плоскости панели. Учитывая высокую гибкость панели эксцентриситет создавался только в среднем простенке. Монтаж панелей проводился в 1000-тонном прессе в лаборатории прочностных испытаний ЦНИИЭП жилища.

Для наблюдения за изменением напряженно-деформированного состояния бетона образцов под нагрузкой использовались тензодатчики (база 50 мм). Деформации бетона по низу и верху панели, ширина раскрытия трещин фиксировались индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм, а смещения из плоскости панели - прогибомерами Аистова с ценой деления 0,1 мм.

Испытание Фрагмента Н-1. Фрагмент Н-1 загружался вначале тремя сосредоточенными силами по верху панели стены до суммарной расчетной величины нагрузки от одного этажа и составляющей 50 % от предполагаемого разрушающего усилия на балку-стенку. Далее, неиз-меняя усилие по верху панели, создавали нагружение на гибкие связи до величины расчетной нагрузки от веса наружного слоя на средний простенок. Затем, вплоть до разрушения создавали усилие только по верху панели.

Испытания выявили, что до нагрузки 0,6 Ррасчет = 80 кН деформации панели упругие, далее из-за образования зоны разрушения (под дверным проемом) прогибы резко возрастают.

Опорные "ножки" успешно выдержали нагрукение. Максимальные сжимающие напряжения опорных "ножек" в предельном состоянии не превышают расчетную прочность бетона.

Первые трещины появились в нижней перемычке в углу проема окно-дверь при нагрузке (Р=100 кН) близкой к нормативной. Начиная с усилия Ррасчет =120 кН образовались многочисленные трещины в верхней перемычке среднего и крайнего левого простенков. Трещины имели длину около 0,6 1ю и шли регулярно с шагом 60 мм. Ширина наибольшего раскрытия трещин при нагрузках, соответствующих эксплуатационным составила 0,7-1,6 мм, что превышало значение нормируемое по ГОСТ 8829-85 на проведение статических кратковременных испытаний.

Локальное разрушение фрагмента произошло при нагрузке Р = 210 кН в результате отслоения бетона и "продергивания" вверх вертикальной арматуры нишей перемычки дверного проема.

Для устранения зоны разрушения было решено в фрагменте Н-2 обеспечить совместность работы вертикальной арматуры дверного проема и горизонтальной арматуры нижней перемычки путем постановки вертикальной петли, обхватывающей горизонтальный каркас. Для повышения трещиностойкости верхней перемычки - принять учащенный шаг хомутов в углах оконных проемов и поставить дополнительные продольные горизонтальные стерши.

Испытание фрагмента Н-2. Нагрузка на фрагмент Н-2 создавалась вначале только на гибкие связи среднего простенка, для определения влияния навесного наружного слоя на работу конструкции. Далее панель загружалась по верху до разрушения. В результате были получены следующие эксперментальные данные.

Максимальная величина прогибов по низу в плоскости панели удовлетворяет требованием СНиП 2.03.01-84 < Ь/200 = 30 мм до нагрузки 1,6 Ррасчет. Отрицательные значения деформаций на правой

опорной "ножке" свидетельствуют о раскрытии растворного шва и наличии горизонтальных трещин под "ножкой".

Эпюры нормальных напряжений (йу) в опорной зоне панели в фрагментах Н-1 и Н-2 имеют максимальные значения у внутреннего края опорных "ножек". В эпюрах йу в среднем простенке характерная седловидность с растянутой зоной в середине простенка, что связано с наличием гибких связей. Максимальная величина напряжений - йу= -10 МПа = 0,65 ИЬэ незначительна и подтверждает наличие запаса прочности бетона.

Изменение армирования панели Н-2 повысило трещиностойкость. Первые трещины, как и в фрагменте Н-1, образовались в нижней перемычке при О.бРрасч. Ширина трещин в верхней перемычке вплоть до разрушения составляла 0. 09 - 0.1 мм, что не превышало значения, допускаемого по ГОСТ 8829-85 на статические испытания. Корректировка вертикальной арматуры у дверного проема, в первую очередь постановка связующей арматурной петли в нижней перемычке, ограничила зону разрушения.

Разрушение фрагмента произошло при вертикальной нагрузке Р =

212 кН при раздроблении бетона от сжатия в левом углу дверного

проема в нижней перемычке (аналогично разрушению фрагмента Н-1) и

под оконным проемом в правом простенке. Вторая зона разрушения

о о

представляла собой наклонную трещину под углом 45-50 к горизонтали. Разрушение было пластическим, что подтверждало существенное нарастание деформаций по нижнему поясу панели.

Фрагмент не был доведен до разрушения. Испытания были прекращены при значениях напряжений меньших максимальных достигнутых в расчетах по программе "РАДУГА-86" на 12 - 20 %.

На основе проведенных экспериментальных и расчетно-теорети-ческих исследований был предложен инженерный метод расчета несущей спсобности панели, учитывающий особенности поэтажно-несущей конструкции.

- 22 -

Инженерный метод расчета

При построении расчетной модели учитывалось предельное состояние поэтажно-несущей конструкции в целом и в тех ее сечениях, разрушение которых приводит к потере несущей способности системы. К таким сечениям относятся перемычки и простенки, опорные "ножки", гибкие связи между бетонными слоями в трехслойных панелях.

Расчетная модель поэтажно-несущей панели наружной стены представлена в виде статически неопределимой рамы с затяжкой. Геометрические и жесткостные характеристики рамы определяем с помощью метода сил.

Сечение ригеля (верхней перемычки).

Эпюры нормальных напряжений в верхней перемычке панели и вышележащей плите перекрытия показывают растяжение по всей высоте сечения. Это свидетельствует о том, что плита перекрытия и панель наружной стены работают совместно, принимаем высоту сечения ригеля рамы (Н): Н = Ьр + 1Н51 (1)

где: йр - высота верхней перемычки наружной стены;

1131 - приведенная толщина плиты перекрытия. Ширина сечения ригеля равна толщине панели наружной стены. Длина ригеля определяется по формуле:

I = 1нс - 1/2 СЦ+ 12) (2)

где: 1нс - длина панели наружной стены;

1^; 1г - длины крайних простенков для двухмодульных панелей; - длины правого и левого простенков для одномодульных панелей.

Сечение стойки .

Высота стойки в раме: Нр = Ннс - (3)

где: Ннс - высота панели наружной стены;

11}- высота перемычки под дверным проемом для панелей с балконом;

Ц = 2" Л - для панелей с оконным проемом;

где: Ь - высота подоконной перемычки. Исходя из величины растягивающих усилий в затяжке рамы при варьировании значений моментов инерции ригеля и стойки, высоты стойки

- 23 -

и длины ригеля момент инерции (Л) ригеля рамы:

для трехслойных панелей - сЫВ-Ь) +Ы1 Д - (В - Ь) + №

где: В = 0-.3 м;

Ь - толщина внутреннего несущего слоя панели стены;

(1 - приведенная высота плиты перекрытия, для однослойных панелей - т ЬЪ^

(5)

Для обеих форм разрушения необходима проверка на действие поперечной силы в верхней перемычке для обеспечения прочности по наклонной полосе между наклонными трещинами по ф-лам СНиП 2.03.01-84.

Опорная "ножка" работает на внецентренное сжатие в плоскости и из плоскости панели наружной стены. Проверку на сжатие следует вести в зависимости от неравномерности распределения давления по площади смятия (по "ножке") по п. п. 3.39 - 3.41 СНиП 2.03.01-84.

Значение реакции в опорной"ножке" предлагается определять по формуле:

где: Р^ - нагрузка в "ножке" панели наружной стены при учете коэффициента запаса К = 1,5;

п - число вышележащих этажей, при п<9 значение 5Р. где Р -- нагрузка на панель от одного этажа.

Усилия в гибких связях. Распорка. Продольные усилия в верхних и нижних распорках равны поперечным силам, действующим в железобетонных слоях трехслойной панели: N = Р х Ь/Н (8) где: Ь - длина распорки (расстояние между слоями панели);

Н - расстояние между распорками (высота панели). Из условия Ыр= АвхИз определяется площадь сечения стержня распорки Подвеска. Подвеска в трехслойной панели, представляющая собой жест кий контур трапециевидной или 1 -образной формы рассчитывается как жестко соединенная в узлах рама. Из условия (9) определяем макси-

N = 0,5 Рт-( 1 + 0.1 п )

(6)

мальный момент в подвеске: (о = М / W < Rs (9)

где: (о - напряжение в бетонном слое панели (МПа);

М - максимальный изгибающий момент (кНхсм);

W - момент сопротивления бетона (кНхсм).

Повышение требований к теплозащите ограждающих конструкций всвязи с изменением N3 СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника", предусматривающих увеличение приведенного сопротивления теплопередачи, исходя из условий энергосбережения, примерно в 2,0 раза для трехслойных панелей с гибкими связями по сравнению с действующими требованиями может быть достигнуто за счет применения трехслойных панелей поэтажно-несущих наружных стен с эффективным утеплителем.

Теплотехнический расчет трехслойной поэтажно-несущей панели наружной стены по нормам проектирования жилых зданий показал увеличение расчетного сопротивления теплопередаче в 1,5 раза в сравнении с несущими трехслойными наружными стенами при сохранении толщины панели 300 мм. Повышение сопротивления достигнуто за счет увеличения толщины слоя утеплителя (150 мм) в поэтажно-несущих панелях, что стало вожможным при сокращении бетонных слоев (85 мм, 65мм).

Следует отметить, что поэтажно-несущая конструкция практически не ограничивает этажность здания (30 этажей и выше) при передаче нагрузки от панелей наружных стен непосредственно на внутренние стены, минуя плиту перекрытия. При этом могут меняться требования к внутренним стенам по толщине и классу бетона.

Технико-экономическая оценка эффективности поэтажно-несущих панелей наружных стен производилась на примере 9-ти этажной блок-секции серии 90.1 - 0583. Установлено, что применение поэтажно-несущей конструкции позволяет сократить расход стали в блок-секции: 2

- при однослойных панелях наружных стен на 1,55 кг/м общей площади;

2.

- при трехслойных панелях наружных стен на 5,17 кг/м общей площади. Кроме того, в трехслойных панелях за счет уменьшения толщины

- 25 -

несущего слоя уменьшается расход бетона в 1.14 раза. Результаты исследований, изложенных в диссертации, использованы при разработке "Рекомендаций по расчету и конструированию крупнопанельных зданий с поэтажно-несущими панелями наружных стен" и альбомов технических решений "Конструктивные решения жилых зданий с поэтажно-несущими наружными стенами" и "Программа повышения тепловой защиты зданий в соответствии с изменением N3 СНиП П-3-79 "Строительная теплотехника".

Основные выводы и рекомендации

1. Работа поэтажно- несущих панелей наружных стен заключается в поэтажной передаче нагрузки на внутренние поперечные стены путем перетекания усилий:

- с плиты перекрытия на наружную стену;

- с наружной стены на внутреннюю стену при обеспечении прочности конструкции.

2. Прочность панелей определяется:

- прочностью верхней перемычки от действия поперечной силы;

- прочностью опорных "ножек" на внецентренное сжатие. Дополнительно при конструировании необходимо проверить:

- для всех двухмодульных панелей - нижнюю растянутую арматуру

- для трехслойных панелей :

- усилия в гибких связях между наружным и внутренним слоями на вырыв;

- для трехслойных панелей двухмодульных (дополнительно): горизонтальное сечение среднего простенка панели от вне-центренного сжатия с учетом навесного наружного слоя.

Учет реальных конструктивных особенностей позволяет значительно увеличить прочность поэтажно-несущей системы (до 45%).

3. Соединение поэтажно-несущих панелей наружных стен со смежными панелями внутренних стен в вертикальном стыке целесообразно выполнять жестким, устраивая по боковым граням стеновых панелей

бетонные шпонки. Наличие шпонок повышает несущую способность конструкции на 12 - 16 %. При жестком соединении проверку прочности несущего слоя наружной стеновой панели следует выполнять с учетом дополнительных усилий, возникающих вследствии деформаций • сжатия при осадке внутренних поперечных стен.

4. Предварительное определение усилий и армирования наружной стены рекомендуется выполнять рассчитывая панель инженерным методом. как статически неопределимую раму с затяжкой. Расхождение меж ду расчетными и экспериментальными значениями в наиболее напряженных сечениях конструкции при этом не превышает 10 - 20 %.

5. Детальный анализ напряженно-деформированного состояния поэтажно-несущих наружных стен целесообразно проводить методом конечных элементов как в упругой, так и в неупругой постановке. В расчетной схеме необходимо учитывать пространственную работу панелей наружных стен в системе здания; влияние податливости вертикальных и горизонтальных стыков панелей; нелинейные свойства железобетона.

6. Трещиностойкость поэтажно- несущих конструкций при нормативных нагрузках удовлетворяет нормативным требованиям. Ширина раскрытия трещин в верхних перемычках панелей наружных стен при нормативных нагрузках не превышала в испытаниях и численных исследованиях 0,15 - 0,2 мм.

7. В конструкции трехслойной поэтажно-несущей панели допустимо уменьшать толщины бетонных слоев: внутренний несущий - до 85 мм, наружный навесной - до 65 мм. Увеличение при этом слоя утеплителя до 150 мм, при сохранении толщины панели - 300 мм. повышает расчетное сопротивление теплопередачи в 1,5 раза в сравнении с несущими трехслойными наружными стенами.

8. Рациональным является применение поэтажно-несущих наружных стен в крупнопанельных зданиях:

- с малым шагом несущих поперечных стен (3 - 3,6 м): - однослойные - в зданиях выше 10 этажей;

- 27 -

- трехслойные - в зданиях высотой 5-16 этажей;

- с большим шагом несущих поперечных стен (6 - 7,2 м) в зданиях высотой до 12 этажей;

- с большим и смешанным шагами несущих поперечных стен в зданиях с первыми нежилыми этажами для обеспечения свободной планировки Применение поэтажно-несущих панелей наружных стен в высотных зданиях (до 22 этажей) допускается, но при этом повышаются требования к внутренним стенам по толщине и классу бетона.

9. Экономический эффект крупнопанельного здания серии 90 (несущие панели наружных стен) при применении поэтажно-несущих панелей наружных стен составил на блок-секцию:

- для трехслойных панелей наружных стен - 6 % по расходу стали, 12 % по расходу бетона;

- для однослойных панелей наружных стен - 8% по расходу стали. Применение поэтажно-несущих наружных стен в зданиях высотой 12-16 этажей позволяет унифицировать панели по толщине, как в зданиях с ненесущими наружными стенами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Розенберг М.Я., -¡Ладыгина Е.Ю. Исследования работы железобетонных поэтажно несущих панелей наружных стен жилых зданий // Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций: Сб. научн. тр.: ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, М., 1991. -с. 46-50.

2. Розенберг М. Я., Шалыгина Е. Ю. Особенности работы поэтажно несущей конструкции наружных стен // Жилищное строительство. М., 1992,- N 12, с. 19-21.

3. Розенберг М.Я., Шалыгина Е.Ю. Особенности нелинейной работы поэтажно несущих наружных стен // Изучение действительной работы конструкций с учетом условий и сроков эксплуатации: Тез. докл. конфер. (13-14.2.92г.) -Пенза: 1992,- с.7-8.

4. Розенберг М.Я., Шалыгина Е.Ю. Исследование деформирования

и разрушения поэтажно несущих панелей наружных стен крупнопанельных зданий // Строительные системы и конструкции жилых зданий: Сб. научн. тр.: ЦНШЭП жилища. М.. 1993.-е.53-66.

5. Шалыгина Е.Ю.. Розенберг М.Я. Экономичная конструкция наружных стен крупнопанельных зданий - поэтажно несущая // Жилищное строительство. М.. 1994.-N 2. с. 21-24.

Центральный научно - исследовательский и проектный институт индивидуального и экспериментального проектирования жилища

ЦНИИЭП жилища

На правах рукописи

ШАЛЫГИНА Елена Юрьевна

УДК 692.2:624. 012.45

ПОЭТАЖНО - НЕСУЩИЕ НАРУЖНЫХ СТЕН

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ПАНЕЛИ ЗДАНИЙ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-кандидат технических наук, ст.научн.сотруд.

М.Я. РОЗЕНБЕРГ

Москва 1998

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .... 10

1.1. Конструктивные решения наружных стен ....... 10

1.2. Исследования статической работы панелей наружных стен.......................19

1.3. Выбор перспективных конструкций наружных стен и задачи исследования ............... 24

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

ПОЭТАЖНО-НЕСУЩИХ НАРУЖНЫХ СТЕН ........... 25

2.1. Методика исследования .............. 25

2.2. Изучение пространственной работы 3-х слойной поэтажно-несущей панели наружной стены в упругой стадии ...................... 26

2.3. Исследование работы 3-х слойной поэтажно-несущей панели наружной стены в неупругой стадии ..... 44

2.3.1. Особенности нелинейной работы внутреннего несущего слоя наружной стены в своей плоскости ... 45

2.3.2. Работа поэтажно-несущей конструкции на местное смятие под опорной "ножкой" наружной стены ... 59

2.3.3. Особенности работы поэтажно-несущих панелей наружных стен с учетом этажности здания ..... 69

2.3.4. Напряженное состояние вертикального сечения 3-х слойной панели наружной стены с гибкими связями .80

2.4. Исследование работы однослойной поэтажно-несущей панели наружной стены в неупругой стадии ..... 88

Выводы по главе 2...................100

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ 3-х СЛОЙНЫХ ПОЭТАЖНО-НЕСУЩИХ ПАНЕЛЕЙ НАРУЖНЫХ СТЕН.......'......103

3.1. Методика испытания ...............

3.2. Изготовление и монтаж фрагментов ........

3.3. Схема расстановки приборов и обработка результатов

110

экспериментов

. 116

3.4. Физико - механические характеристики бетона . . . 120

3.5. Испытание 3-х слойной панели наружной стены с гибкими связями и толщиной несущего слоя 100мм. . 125

3.6. Испытание 3-х слойной панели наружной стены с гибкими связями и толщиной несущего слоя 80мм. . 137

Выводы по главе 3.................. 151

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПОЭТАЖНО-НЕСУЩИХ ПАНЕЛЕЙ

НАРУЖНЫХ СТЕН И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 154

4.1. Сопоставление результатов линейных и нелинейных

расчетов по МКЭ с экспериментальными данными . . 154

4. 2. Инженерные методы расчета панельных конструкций

поэтажно-несущих наружных стен

157

4.3. Рекомендации по конструированию и расчету элемен тов крупнопанельных зданий с поэтажно- несущими панелями наружных стен .............

173

4.4. Технико - экономическая эффективность поэтажно-несущих панелей наружных стен .........

182

Выводы по главе 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . ЛИТЕРАТУРА . . .

191

193

196

- 4 -ВВЕДЕНИЕ

Жилищная проблема в России, обострившаяся в условиях рыночной экономики, определяет необходимость проведения жилищной реформы. Одной из важнейших задач жилищной реформы, как неотьемлемой части стабилизации экономики, при возросших ценах на металл, цемент и другие строительные материалы, является разработка экономичных и надежных конструкций зданий /20/. Одним из наиболее важных и ответственных элементов крупнопанельных зданий являются наружные стены, которые могут возводиться из однослойных и слоистых панелей.

В целях экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов, при сокращении приведенных затрат на здание, а также учитывая повышение к требованиям теплозащиты, перспективным является применение трехслойных железобетонных стеновых панелей /66, 67,89/. Из существующих видов трехслойных панелей наиболее перспективны по теплотехническим показателям стеновые панели с металлическими гибкими, в основном стержневыми связями. В их исследование значительный вклад внесли ученые: В.А. Векслер, IA.А. Гагарина!. B.C. Коган, Э. А. Мазо, В. И. Лишак, Л.Л.Паньшин, В. Г. Цимблер,

Ю.В. Чиненков, 1Г.А. Шапиро! и другие.

Однако, в практике проектирования до последнего времени применялись два основных варианта панелей с гибкими связями - несущий и навесной. Вариант самонесущих стен, достаточно распространенный для однослойных наружных стен, в трехслойном исполнении практически не применялся.

Вариант с несущими панелями наиболее распространен в современном крупнопанельном домостроении. Несущие панели воспринимают нагрузку от перекрытий, балконов и лоджий, а также собственной массы и передают ее через нижерасположенные панели на фундаменты. Основным недостатком несущих стен, вследствие нарастания величин усилий от верхних этажей к нижним, является невозможность обеспечения равнопрочности конструкции наружной стены в разных этажах

здания и унификации панели наружной стены для зданий разной этажности (от 2-3 до 16 этажей). Выявлено, что для широкого диапазона нагрузок приходится менять не только класс бетона и армирование, но и толщину внутреннего слоя панели.

Навесные конструкции наружных стен свободны от этого недостатка. Они воспринимают только собственную массу и передают нагрузку от нее на внутренние поперечные стены. Но и такое решение имеет ряд недостатков. Один из них - невозможность опирания плиты перекрытия на наружную стену. Помимо этого, на свободной грани плита дополнительно " подгружается " весом наружной стены, что приводит к значительной ее перегрузке и, следовательно, к перерасходу стали.

В ЦНИИЭП жилища на основе исследований предложен третий вариант - поэтажно-несущей конструкции наружных стен с гибкими связями /9 / . Внутренний слой наружной стены имеет выступы, внизу - по краям, вверху - в центре, которые служат опорными площадками для плит перекрытия. Накопление вертикальных нагрузок происходит на внутренние поперечные стены.

Анализ конструкций поэтажно- несущих наружных стен показал, что она соединяет достоинства как несущих, так и навесных наружных стен. Как и при несущих панелях схема опирания перекрытий позволяет уменьшить расход стали в них, упрощает устройство балконов. С другой стороны, создается возможность для многовариантности архитектурных решений фасадов, так как каждая панель участвует в работе только одного этажа и может быть заменена другой ограждающей конструкцией - эркером и т. д.

В ЦНИИЭП жилища разработке конструкций поэтажно-несущих наружных стен посвящены научно-исследовательские работы Ашкинадзе Г. Н.

Вайсмана Э.Л., [Гагариной А. А.| и других ученых /10,58,62/. Выполненные ими экспериментально- теоретические исследования позволили получить приближенные схемы действующих усилий во внутреннем слое панели наружной стены, плиты перекрытия, разработать приближенные

расчетные схемы и методики расчета. Вместе с тем вопросы несущей способности конструкции, характер разрушения, точные методы расчета, область применения поэтажно- несущих панелей наружных стен остались неизученными. Внедрение поэтажно- несущей конструкции в проектирование существенно тормозиться недостаточным обьемом научных исследований и отсутствием инженерных методов расчета.

Таким образом, актуальность работы заключается в необходимости реализации имеющихся резервов и совершенствования поэтажно- несущих панелей наружных стен и плит перекрытия путем уточнения расчетных схем, изучения статической работы конструкции, определения правильности конструирования и методов расчета. Это будет способствовать внедрению новых конструкций в проектирование и строительство.

Целью работы является изучение статической работы поэтажно-несущих панелей наружных стен, разработка методов расчета конструкции на основе теоретических и экспериментальных исследований напряженно - деформированного состояния, схем разрушения, податливости вертикальных и горизонтальных стыков, конструирования узлов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- изучены особенности совместной пространственной работы трехслойной поэтажно-несущей панели наружной стены с примыкающими конструкциями;

- исследованы особенности нелинейной работы внутреннего несущего слоя трехслойной наружной стены в своей плоскости;

- рассмотрены вопросы разрушения поэтажно-несущей конструкции при местном смятии под опорной " ножкой " наружной стены;

- изучено влияние жесткости вертикального стыка на работу поэтажно-несущих панелей с учетом этажности здания;

- исследована нелинейная работа однослойных поэтажно-несущих панелей наружных стен.

Границы исследований. Исследования ограничены вопросами применения поэтажно-несущих панелей наружных стен в крупнопанельных зданиях повышенной этажности (до 22 этажей) с большим (6,0-7,2м) и малым (3,0-3,6м) шагами внутренних поперечных стен для обычных условий строительства. Рассмотрена нелинейная работа однослойных панелей наружных стен и трехслойных панелей, с соединением наружного и внутреннего слоев при помощи гибких связей.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты работы :

- увеличение расчетной прочности системы поэтажно-несущих панелей (до 45%) при учете восприятия поперечной силы в верхней перемычке, предельных усилий в опорных "ножках" наружной стены, допустимых значений усилий в гибких связях в трехслойных панелях;

- значения напряжений во внутреннем слое трехслойной поэтажно-несущей наружной стены на разных стадиях работы конструкции, в том числе перед разрушением, в зависимости от условий пространственной работы конструкции, податливости вертикальных и горизонтальных стыков, нелинейных свойств железобетона и т.д.;

- инженерный метод расчета поэтажно-несущей наружной стены, как статически неопределимой рамы с затяжкой, позволяющий определить усилия и рациональное армирование;

- предложения по уменьшению толщины бетонных слоев трехслойных панелей (внутренний несущий - до 85мм., наружный - до 65мм.), обеспечивающие повышение показателей сопротивления теплопередачи наружных стен в 1,5 раза при сохранении толщины панели (300мм.);

рациональная область применения поэтажно-несущих панелей наружных стен (9 этажей и более).

Достоверность полученных результатов обосновывается расчетно - теоретическими исследованиями поэтажно-несущих панелей наружных стен на ЭВМ в упругой постановке по программе "ЛИРА" и неупругой -по программе "РАДУГА" и данными натурных испытаний образцов на действие вертикальной статической сосредоточенной нагрузки.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

- выявлена зависимость несущей способности системы поэтажно-несущих панелей от податливости вертикальных и горизонтальных стыков; получены количественные зависимости напряженного состояния поэтажно-несущей конструкции от пространственной работы в системе здания, условий закрепления и нелинейных свойств железобетона; выявлены основные схемы разрушения поэтажно-несущих панелей и их зависимость от соотношения армирования перемычек и простенков наружных стен, прочности бетона.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что полученные научные результаты позволили обеспечить сокращение расхода бетона на 25% за счет уменьшения толщины внутреннего несущего слоя поэтажно-несущей панели в сравнении с несущими трехслойными наружными стенами; разработать конструкцию, способствующую повышению теплотехнических показателей наружных ограждений (в соответствии с изменением N3 СНиП 11-3-79 "Строительная теплотехника"); выпустить технические решения индустриальных поэтажно-несущих конструкций трехслойных и однослойных панелей наружных стен с малым (3,0 - 3,6 м ), большим ( 6, 0 - 7, 2 м ) и смешанными шагами несущих поперечных стен для крупнопанельных зданий;

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы при разработке " Рекомендаций по расчету и конструированию крупнопанельных зданий с поэтажно-несущими панелями наружных стен", альбомов чертежей (технических решений) "Конструктивные решения жилых зданий с поэтажно-несущими наружными стенами "и "Программа повышения тепловой защиты зданий в соответствии с изменением N3 СНиП 11-3-79 "Строительная теплотехника". Экономический эффект применения поэтажно-несущих панелей наружных стен по сравнению с несущими серии 90 позволяет сократить расход стали на 6% -по трехслойным панелям и 8% - по однослойным панелям на блок-секцию, а по расходу бетона в трехслойных панелях на 25% на одно изделие наружной стены ( применительно к 14 - этажному жилому дому ).

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на научной конференции молодых ученых в ЦНИИСКе в 1991 г. и на научно

- технической конференции "Изучение действительной работы конструкций с учетом условий и сроков эксплуатации" в г. Пензе в 1992г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в пяти статьях.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии из 109 наименований; общий объем работы - 206 страниц, текст диссертации - 105 страниц; фотографий

- 16; таблиц - 31; рисунков - 49.

Исследования выполнялись в отделе конструктивных систем жилых зданий ЦНИИЭП жилища по плану важнейших научно - исследовательских работ института в рамках госзаказа на 1990 - 1993 годы по темам : "Конструкции зданий с поэтажно - несущими трехслойными панелями наружных стен с толщиной несущего слоя 8см. для массового строительства", "Конструктивная схема жилых зданий с поэтажно несущими панелями наружных стен для массового строительства. Методика расчета " .

- 10 -

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Конструктивные решения наружных стен.

В практике проектирования наружных стен широкое распространение получили трехслойные панели. До последнего времени панели с жесткими связями являлись распространенным типом трехслойных наружных стен. Конструкция трехслойных наружных стен впервые была применена в 1945 - 1946 гг. в малоэтажных домах. В этой и последующих конструкциях трехслойных панелей, разработанных Институтом строительной техники АСиА для Москвы, Магнитогорска, Череповца и других городов, армированные бетонные ребра жестко соединяли между собой наружные слои.

Железобетонные ребра ухудшают теплотехнические качества наружных стен, способствуя образованию " мостиков холода ". Для компенсации потерь тепла через ребра приходится утолщать теплоизоляционный слой панелей, что не гарантирует надежной теплозащиты.

Зачастую железобетонные ребра заменяют на жесткие ребра из легкого бетона. Легкобетонные ребра, перерезывающие слой теплоизоляции в меньшей степени, но являются " мостиками холода ".

Кроме того, наличие жесткой связи между слоями стесняет температурные деформации наружного слоя. Это приводит к растрескиванию бетона наружного слоя и ребер, что способствует проникновению влаги внутрь конструкции.

Л.И. Гельфанд (ЦНИИЭП жилища) предложил конструкцию трехслойной панели для наружных стен, в которой соединение внутреннего и наружного железобетонных слоев осуществляется только по контуру оконных проемов с помощью рамки из малотеплопроводного материала (легкий бетон, стеклопластик) /17,18 /. При такой конструкции наружный слой, по мнению автора, не стеснен при температурных деформациях и исключается взаимное смещение слоев из плоскости панели.

Значительное улучшение эксплуатационных качеств и экономия

тепла достигается при устройстве в трехслойных наружных стенах гибких металлических связей. При таком решении отсутствуют "мостики холода" и температурные напряжения слоев панели, а наружная стена без увеличения ее массы может иметь высокое сопротивление теплопередаче.

Первые типовые проекты в России с трехслойными наружными стенами с гибкими связями и построенные по ним жилые дома появились в конце 60-х годов. Так, в 1968 г. Мурманский ДСК Главмурманскстроя при участии ЦНИИЭП жилища разработал чертежи 5-этажного 64-квар-тирного дома с наружными стенами из трехслойных стеновых панелей с гибкими связями с утеплителем из пенополистирола. Одним из основных вопросов в Мурманске была проверка коррозийной стойкости гибких связей в зоне непосредственного примыкания к утеплителю. Многолетние наблюдения за домом показали, что сопротивление теплопередаче по полю наружных стен меняется незначительно.

В 1969 г. в МНИИТЭП разработан типовой проект 12-этажного крупнопанельного жилого дома серии 1605-АМ-04/120, наружные стены которого выполнены из трехслойных панелей.

В 1972-73 г. разработаны конструкции наружных стен с гибкими связями со слоями из кирпича для экспериментальных кирпично-па-нельных домов.

Массовое производство трехслойных наружных стен (навесных) с гибкими связями организовано на ДСК-1 и ДСК-2 в г. Москве, на предприятиях полносборного домо�