Усиление металлической обоймой колонн: Усиление колонн металлической обоймой

Усиление колонн металлической обоймой

Колонны представляют собой прочные стержневые элементы. Их работа направлена на продольный изгиб и сжатие. Они отличаются значительным запасом прочности. Но с течением времени колонны начинают разрушаться и требовать ремонта. В этих случаях выполняют их усиление. Такая процедура обычно требуется после появления коррозии на опорах, узлах башмаков и горизонтальных элементах решетки.

Чаще всего в этих целях используют метод усиления при помощи металлических обойм. Этот способ позволяет осуществить процедуру за короткий срок. При этом практически не уменьшается пространственный объем помещений. Метод получил распространение благодаря простоте и эффективности. Металлические обоймы состоят из:

  • соединительных планок;
  • уголковых стоек;
  • опорных подкладок.

Стальные уголки имеют высоту, равную высоте колонны. При усилении обоймы выполняют двойную функцию. Первая — заключается в сдерживании поперечных деформаций колонны.

Помимо этого обоймы частично разгружают усиливаемые элементы, принимая долю вертикальной нагрузки на себя. С их помощью можно усиливать не только колонны, но и кирпичные простенки или столбы.

Сдерживание поперечных деформаций осуществляют планки стальных обойм. Принятие вертикальной нагрузки — выполняют уголковые стойки. Объемное напряжение можно увеличить, если в планках вызвать предварительное напряжение. Этого можно добиться при помощи электронагревания, применения натяжных гаек или попарного стягивания. Аналогичными способами можно увеличить степень включения в работу вертикальных уголков.

При усилении колонн многоэтажных домов нужно учитывать появление реакций распорок на нижних этажах. Они провоцируют возникновение дополнительных нагрузок на нижележащие перекрытия. По этой причине усиление нужно начинать с наиболее нижних колонн.

На практике эта операция представляет собой установку внешней конструкции. Ее несущие элементы имеют вид вертикальных уголков. Их устанавливают на крепкий цементный раствор по четырем углам сооружения. В точках установки подкладок арматуру колонн оголяют. Затем ее приваривают к стойке и подкладке обоймы.

Надежность конструкции будет более высокой, если все 4 планки будут приварены на одной высоте. Вслед за этим над ней выполняют следующий пояс. Самый последний из них закрепляют под потолком. В итоге всю колонну с равным шагом будет окутывать металлическая обвязка.

Наша компания обладает значительным опытом в этой области. При необходимости на требующемся объекте мы выполним усиление колонн с помощью металлических обойм. Для нас неважно место выполнения работ. Мы готовы выполнить усиление колонн внутри и снаружи здания, в частном доме и многоэтажке, на промышленных и гражданских объектах.

Усиление бетонных колонн металлическими обоймами в Ростове-на-Дону

Колонны – это строительные конструкции, которые вместе с капитальными стенами надежно удерживают верхние плиты перекрытия. Они не позволяют прогибаться потолку и, следовательно, испытывают повышенную нагрузку.

Колонны — не просто украшения зданий внутри или снаружи, они – важный конструктивный элемент строения. Знаменитые скульптуры-атланты, поддерживающие козырек входа в Новый Эрмитаж, что в Сантк-Петербурге, пожалуй, самый яркий пример высокохудожественных колонн.

Причины разрушения колонн


Но, к сожалению, ничто не вечно под луной. Поскольку любая колонна состоит из строительных материалов, эта конструкция со временем подвергается старению. Иногда случается, что в возведенном всего несколько лет назад здании при расчете колонн разработчиками была допущена ошибка по расчету несущей нагрузки, в результате чего конструкции быстро разрушаются.

Также и строители вполне могли при возведении колонн не выдержать технологию или, что случается не так редко, в целях экономии застройщик сэкономил на стоимости особо крепкого бетона и заменил его более дешевой маркой. Результат в этих случаях всегда один – придётся делать усиление колонн.

  • Одним словом, как только Вы увидели, что штукатурка на колоннах взбугрилась или, того хуже, по ней пошли трещины (особенно в верхней части), немедленно нужно не просто приступать к косметическому ремонту, а принимать более решительные меры.

С чего начинается усиление колонн

Что именно следует делать (да и следует ли), могут решить только инженеры-строители. Именно они после проведения строительной экспертизы вынесут вердикт о необходимости усиления колонн и выберут самый оптимальный способ капитального ремонта.

В нашей компании работает конструкторский отдел, специалисты которого проведут анализ состояния сооружения и выполнят проект усиления железобетонной колонны. Для этого не потребуется больших затрат, но зато станет ясно, нужно ли прибегать к серьезным мерам (а усиление колонн обоймами дело крайне ответственное), или трещины — всего лишь ложная тревога.

Чтобы сделать строительную экспертизу, в колонне берутся на анализ образцы:

  • цемента;
  • арматуры.

Кроме того, инженеры рассчитывают все виды нагрузок, которые реально испытывает конструкция. В результате вы будете знать точно, необходимо ли, и если да, как срочно нужно сделать усиление железобетонной колонны.

Как происходит усиление колонн обоймами из стали

Чтобы выполнить усиление колонн обоймами, наши мастера отрежут четыре стальных уголка просчитанного номера в размер высоты колонны. Далее на крепкий цементный раствор эти уголки устанавливаются по четырем углам конструкции.

Чтобы усиление колонн в дальнейшем было надежным, уголки стягиваются специальными хомутами. В результате они прижимаются к поверхности колонны до тех пор, пока цементный раствор не начнет выдавливаться.

Усиление колонн обоймами нужно проводить лишь после того, как уголки прихватятся. Далее отрезаются стальные полосы (планки) просчитанной длины. Перед привариванием металлических планок к уголкам полосы нагреваются, тем самым происходит линейное расширение материала (планки удлиняются под воздействием температуры).

Только после этого стальную полосу приваривают. Причем усиление колонн будет выполнено надежно, если все четыре планки привариваются на одной высоте, а после делается следующий пояс над ней на расчетной высоте. Так колонна охватывается металлической обвязкой с равным шагом до самого верха, причем последний пояс из полос крепится под самым потолком.

После остывания металлические полосы укорачиваются, и вся обвязка колонны надежно удерживает и укрепляет несущую конструкцию, за счет чего и происходит усиление железобетонной колонны.

Усиление колонн железобетонными обоймами

Нужно сказать, что усиление колонн железобетонными обоймами хоть и выполняют сегодня, но эту технологию можно считать вчерашним днем в строительстве. Чтобы произвести такие работы, необходимо сделать опалубку сначала на части высоты колонны и, заложив арматуру, залить бетон.

Хоть перед монтажом опалубки и приходится сбивать верхний слой на колонне, сцепление между новым и старым бетоном обеспечить трудно, а значит, гарантировать надежное усиление колонн проблематично.

Кроме того, заливаемый между опалубкой и колонной раствор технологически сложно качественно утрамбовать (особенно в верхней части колонны). Это обстоятельство так же снижает надежность такого вида усиления колонн.

Поэтому наша компания, ориентируясь на более передовые технологии, выполняет усиление колонн обоймами практически всегда с помощью монтажа металлического пояса. Хотя, иногда заказчики желают сделать усиление колонн только с помощью железобетонной обоймы.

И они получают требуемое т.к. наши собственные наработки и огромный опыт выполнения всех видов усиления колонн обоймами позволяет справиться и с такой задачей. Именно поэтому наше кредо – «Желание клиента исполнимо!».

Если необходимо выполнить усиление железобетонной колонны, мы готовы Вам в этом помочь. Где бы не потребовалось сделать такую ответственную работу:

  • внутри или снаружи здания;
  • на промышленном или гражданском объекте;
  • в многоэтажке каркасного типа или в частном доме,

Мы произведем для Вас эти и другие строительные работы по приемлемой смете и в кротчайший срок. Вам осталось лишь позвонить!

Обоймы металлические для усиления колонн

Компания ООО «МТ» выполняет заказы по изготовлению металлических обойм для усиления металлических и железобетонных колонн. Изделия производятся по эскизам (чертежам) заказчика или с разработкой проектно-сметной документации инженерами компании.

Для изготовления обойм используется высококачественный стальной прокат, преимущественно – уголок и листовой металл. Соединение составных частей конструкции – при помощи высококачественной сварки. В арсенале компании – современные сварочные аппараты для аргоновой, дуговой и полуавтоматической сварки.

Основная задача обоймы – увеличение несущей способности колонны за счет ее обжатия (стеснения поперечных деформаций). Таким образом, колонна продолжает полноценно выполнять все свои несущие функции, но с повышенными прочностными характеристиками бетона. Кроме того, монтаж обоймы снимает с колонны часть вертикальной нагрузки, разгружая ее.

Укрепляющая конструкция состоит из стоек уголкового профиля, которые монтируются по вдоль колонных граней. Между собой они соединяются поперечными планками. В качестве опорных подкладок может использоваться уголок или листовая сталь.

В каких случаях требуется усиление колонн стальными обоймами

  • выявление в ходе обследования дефектов и деформаций, связанных с естественным износом или перегрузками – выгибы, погнутости арматурных стержней, коррозия бетона и арматуры, отслоение и расслоение бетона, появление сколов и трещин;
  • разрушения под воздействием форс-мажорных обстоятельств – силовых воздействий, пожаров, наводнений, взрывов и т. п.;
  • отклонение от вертикальности;
  • недостаточная изначальная прочность бетонной конструкции из-за ошибок в проектировании;
  • некачественные строительные работы в ходе возведения колонн;
  • конструктивные изменения здания, связанные с перепланировкой и/или реконструкцией;
  • повышение эксплуатационных нагрузок и пр.

Преимущества укрепления колонн металлическими обоймами

  • быстрый монтаж – это лучшее решение в тех случаях, когда усиление требуется выполнить в кратчайшие сроки;
  • минимальное использование пространства помещения;
  • оптимальное соотношение эффективности и цены.

Заказать металлические обоймы для усиления колонн вы можете по телефону +7 (495) 7777 923 или электронной почте info@metalo-baza.ru.

цели, виды и особенности расчетов

Одна из популярных услуг нашей компании – усиление колонн. Это эффективный метод, продлевающий срок безопасного использования определенных элементов здания. Увеличение несущей способности может происходить без изменения напряженного состояния или всей конструкции. Для этого используется металлическая, стальная или железобетонная обойма. Мы рекомендуем при выборе обратиться за помощью к профессионалу. Он сможет выполнить грамотный подсчет для правильного перераспределения нагрузок.

Когда требуется усиление колонн?

Часто причиной становятся инженерные ошибки, нарушение технологии при выполнении монолитных работ. Актуален и при реконструкции здания. Усиление колонны обоймой выполняется:

  • при увеличении нагрузки на определенную часть при замене конструкций, которые должны устанавливаться выше;
  • модернизации или коррекции технологических процессов в сооружении;
  • эксплуатационном износе, когда несущая способность объекта теряется;
  • случайных повреждениях.

К плюсам этого способа укрепления относится высокая скорость выполнения работ и низкая стоимость. Металлические обоймы состоят из вертикальных угловых стоек. Обычно их делают из уголка и пластин из листового металла. Обязательно есть в этих элементах опорная обвязка, выполненная из уголка или швеллера.

Предварительные работы

Перед началом усиления оценивается состояние колонн, их фактическое состояние. Наши специалисты готовы при необходимости провести работы и в отношении других несущих конструкций, элементов зданий. При проведении работ мастера:

  • осматривают колонны;
  • изучают места соединения колонн;
  • измеряют с помощью специальных инструментов
  • определяют дальнейшую возможность эксплуатации объекта.

В процессе работы составляются акты, дефектные ведомости, делаются фототаблицы, схемы и чертежи. После этого производится расчет новых нагрузок. Например, это может касаться строительства новых этажей или конструкций. Все подсчеты выполняются так, чтобы нагрузка равномерно распределялась на фундамент. Если возникают проблемы, то наши специалисты готовы предложить несколько вариантов укрепления.

Выбор и использование обоймы

Один из самых практичных методов увеличения несущей способности – применение обоймы из железобетона. Она состоит из бетонного слоя, продольной арматуры и других металлических элементов. Обязательно перед работами удаляется с колонны штукатурка, делаются небольшие насечки, а выступающая арматура очищается, покрывается составами для защиты от ржавчины. За 60 минут до выполнения работ сама конструкция промывается обычной водой.

Если заказчик не хочет уменьшать свободное пространство в доме требуется проведение работ в короткий срок, то актуальным становится использование стальные обоймы. В процессе работы продольные элементы монтируются, прижимаются к самому объекту. После привариваются поперечные детали. Особенность этого способа заключается в том, что сама конструктивная часть этого здания может сразу эксплуатироваться.

В дальнейшем при необходимости возведенный каркас можно будет модифицировать. Для этого вносятся дополнительные элементы крепления. Помните, что основная задача, для решения которой применяется обойма, может выполняться исключительно при условии плотного прилегания стяжек и планок с уголками к поверхности колонны.

Повышение эффективности усиления

Для повышения объемного напряжения наши мастера используют:

  • гайки натяжения;
  • попарное стягивание;
  • электронагрев.

К классическим способам относится монтаж предварительно перегнутых уголков. После выпрямления они трансформируются в распорки, которые эффективно разгружают колонну. Возможность передачи нагрузки на вертикальные элементы ограничены, если уголки плохо прижаты к самому объекту. Они могут начать деформироваться до тех пор, пока зазор не исчезнет. Поэтому важно доверить все работы профессионалам.

Обратитесь в нашу компанию, чтобы мы могли подобрать для вас оптимальный способ усиление колонны с учетом норм и стандартов. Благодаря профессионализму мастеров вы легко продлите срок эксплуатации здания и отдельных колонн, устраните небезопасные зоны и качественно подготовите сам дом к изменению планировки или к перестройке.

Усиление железобетонных сжатых и внецентренно сжатых конструкции


Железобетонные сжатые и внецентренно сжатые конструкции (колонны, стойки) так же, как изгибаемые конструкции, усиливают несколькими достаточно проверенными способами. Одним из распространенных способов усиления сжатых элементов являются обоймы. Особенность обойм состоит в охвате усиливаемого элемента с четырех сторон.
Для усиления колонн применяются обоймы нескольких типов. Во-первых, обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны. Толщина обоймы обычно не превышает 300 мм. Диаметр продольной арматуры обоймы принимается не менее 16 мм для сжатых и 12 мм для растянутых стержней, а хомутов не менее 6 мм с шагом не более 15 диаметров продольной арматуры, не более трехкратной толщины обоймы и не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается в 2 раза. Длина обоймы на поврежденном участке должна превышать его размеры не менее чем на пять толщин обоймы, не менее ширины большей грани колонны и не менее 400 мм.
Обойма колонны другого типа, обладающая повышенной несущей способностью при сжатии, выполняется с поперечной арматурой в виде спиральной обмотки из проволоки. В этом случае спирали в плане должны быть круглыми, расстояние между витками спирали должны быть не менее 40 мм, не более 1/5 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью, и не более 100 мм, спирали должны охватывать всю рабочую продольную арматуру.

Помимо железобетонных обойм для усиления колонн могут применяться металлические обоймы из профильного и листового металла (рис. 3.33, а). Металлические обоймы состоят из стоек уголкового профиля, соединительных планок и опорных подкладок из листового металла. При устройстве металлических обойм необходимо обеспечить плотное примыкание металлических стоек к граням усиливаемой колонны и их вертикальность.
Для повышения усиления металлической обоймой пояса вокруг колонн, образованные соединительными планками, предварительно напрягают. Напряжение осуществляют нагревом соединительных планок с двух противоположных граней до температуры 100°C и приваркой к стойкам в нагретом состоянии второго свободного конца (один конец приваривается заранее). По мере остывания нагретых соединительных планок усиливаемая колонна подвергается обжатию металлическими поясами. Применение металлических обойм позволяет не уменьшать габариты производственных помещений.
Вариант усиления центрально и внецентренно сжатых колонн под нагрузкой устройством предварительно напряженных двухсторонних металлических распорок аналогичен изложенному. Конструкция распорок (рис. 3.33, б, в) состоит из уголков, связанных между собой приваренными соединительными планками из листового металла. Вверху и внизу уголки соединены планками, с помощью которых распорка передает нагрузки на упорные уголки. Последние непосредственно примыкают к усиливаемым колоннам.
Упорные планки распорок выполняют из полосовой или листовой стали толщиной 15 мм и более и должны выступать за грани уголков распорок на 100…120 мм. Распорки имеют перегиб в середине высоты из-за выреза в боковых полках уголков. Предварительное напряжение создается закручиванием гаек натяжных болтов и приданием тем самым уголкам распорок вертикального положения (см. рис. 3.33, в). После выпрямления двухсторонних распорок их соединяют приваркой планок по свободным боковым граням. Реже, но встречается при усилении колонн способ одностороннего наращивания. Если необходимо значительное наращивание сечения, то применяют специально приваренные соединительные элементы (рис. 3.34).
В случае когда элементы, на которые опираются разгружающие конструкции, не обладают необходимой несущей способностью, или когда необходимо создать опоры для установки разгружающих конструкций, на колоннах устраивают опорные хомуты либо железобетонные, либо металлические с последующим обетонированием. Перед устройством опорных хомутов арматура колонн и ригелей обнажается.
Опорные хомуты из бетона выполняют на мелком щебне или гравии пластичной консистенции с осадкой конуса 10 см, причем хомуты должны возвышаться над нижней поверхностью ригелей на 10…15 см для заполнения пространства под ригелями бетоном под некоторым давлением.
Металлические опорные хомуты, как правило, выполняют из швеллеров, которые привариваются к угловым стержням арматуры колонн и ригелей. Перед приваркой швеллеры
соединяются между собой стяжными болтами. После выполнения сварочных работ по контуру устанавливают конструктивную арматуру и опорный хомут обетонируют.

При усилении железобетонных ферм встречается необходимость как в усилении отдельных элементов (стоек, раскосов, поясов), так и узлов. Усиление узлов ферм может проводиться с помощью металлических предварительно напряженных затяжек (рис. 3.35), которые состоят из верхних и нижних прокладок из уголков, соединенных планками, и затяжек между ними, имеющих понизу резьбу. Предварительное напряжение создается закручиванием гаек, но может быть обеспечено сопособом взаимного стягивания хомутов, аналогично показанному на рис. 3.23.
При усилении растянутых элементов решетки ферм применяют наружные затяжки (рис. 3.36), крепление которых в узлах осуществляют либо приваркой к фасонкам, закрепленным болтами и хомутами, либо приваркой к уголкам, притянутым анкерными болтами к поясу фермы. Затяжки натягивают закручиванием гаек.
При значительном повреждении сжатых и растянутых поясов ферм рекомендуется их замена или сквозное усиление обоих поясов (рис. 3.37). Причем элементы сжатого пояса усиливают металлическими обоймами из профильного и листового металла, а нижние растянутые пояса — предварительно напряженными затяжками, анкеровка которых осуществляется на опорных узлах в торцах ферм с закреплением в промежуточных узлах специальными хомутами-фиксаторами на сварке.


УСИЛЕНИЕ КОЛОНН

Колонна – вертикальная строительная конструкция, работающая на сжатие и несущая вес опираемых на нее конструкций. В практике эксплуатации и реконструкции зданий нередко возникает необходимость увеличить способность колонны нести нагрузку.  Вот в каких случаях возникает такая необходимость:

  1. обнаружение дефектов в существующей колонне
  2. увеличение нагрузок в процессе эксплуатации
  3. планы реконструкции здания.

Как правильно усиливать колонны

Чтобы правильно выполнить усиление колонн здания, нужно придерживаться простого и логичного принципа, представленного такой последовательностью  работ и операций:

  • проверка состояния существующей колонны, включая опорные части прилегающих конструкций
  • расчет реальной потребности в усилении
  • конструирование усиления, наиболее подходящего к структуре здания.

Эксперт – профессионал может сделать выводы о техническом состоянии колонны, в том числе – о главных параметрах:

  1. марке прочности бетона, кирпича или кладки, ее состоянии
  2. степени коррозии металла
  3. характере армирования железобетона
  4. геометрии колонны.

 Существующие способы усиления колонн из разных материалов применяются сообразно особенностям объекта. Вот некоторые наиболее распространенные способы усиления колонн, применимые как на  полностью контролируемой властями и обществом стройке, так и в усадьбе индивидуального  самодеятельного застройщика:

  1. Усиление стальной обоймой – устройство своеобразной обвязки вокруг колонны. Применяется для железобетонных и кирпичных колонн и столбов
  2. Усиление железобетонной обоймой – устройство железобетонной оболочки вокруг колонны, значительно повышающей ее несущую способность. Применяется ко всем типам колонн, кроме деревянных
  3. Усиление методом устройства дубликата состоит в монтаже дополнительной колонны в непосредственной близости м первой. Этот метод выгоден при усиление деревянной колонны или столба, причем дублирование выполняется двумя симметричными элементами – ветвями.

 Главное в правильном усилении –качественный расчет, который  должен  содержать особенности выполнения усиления на месте и включения усиливающей конструкции  в работу.  К примеру, если усиливается колонна со значительными повреждениями, то такое усиление довольно скоро будут  исполнять работу колонны полностью.  Соответственно должен делаться и расчет такой колонны – не исключено, что несущие способности существующей конструкции будут приняты равными нулю.

Усиление колонн стальными обоймами

Еще одно важное условие эффективного усиления колонн без излишних затрат – логичный учет особенностей опирания вышележащих конструкций на колонну  и самой колонны. Для этого также требуется компетентный анализ существующих конструкций.

Даже качественные и исчерпывающие по объемы обмеры колонны, требующей усиления, да и сам предварительный вывод о необходимости такого усиления делается квалифицированным экспертом. Такие эксперты, в распоряжении которых есть полный арсенал требуемой аппаратуры, представляют ПРОКОНТРОЛЬ, нашу научно-производственную лабораторию неразрушающего контроля.  Своевременно заказать требуемую экспертизу – значит обеспечить дополнительный фактор качества в строительстве.

способы укрепления конструкции, советы мастеров

В ремонтно-строительных работах технические операции с колоннами выполняются довольно часто. Связано это с большими нагрузками, которые ложатся на данный конструкционный элемент, изнашивая его структуру. Наиболее распространенной ремонтно-восстановительной операцией этого типа можно назвать усиление колонн, для которого используется широкий спектр методов.

В каких случаях требуется усиление ствола колонны?

Потребность в дополнительном укреплении строительных конструкций обычно возникает после образования дефектов. Колонна в основном применяется как несущий архитектурно-строительный элемент, поэтому для нее характерны разного рода повреждения. Наиболее часто встречаются следующие проблемы:

  • Трещины. Самая распространенная разновидность повреждений колонной конструкции, которая может иметь разные формы и проявления. Что касается причин, то деформационные трещины могут возникать в результате усадки здания, повышения нагрузок, коррозии арматуры в стволе, уменьшения прочности бетона и т. д.
  • Сколы. Не менее опасный дефект, образование которого может быть связано с механическими или огневыми воздействиями на конструкцию, а также с утратой изначальных свойств металлических несущих стержней.
  • Отслоения. Такого рода повреждения также возникают из-за огневых воздействий, коррозии арматуры и давления новообразований – ледяной корки или щелочей.
  • Шелушение. Как правило, является следствием контакта с агрессивными средами. Циклические процессы увлажнения/высыхания или замораживания/оттаивания обычно приводят к полному разрушению конструкции.

Факторы деформации структуры могут оказывать влияние на выбор тактики ремонтно-восстановительных мероприятий. Но чаще всего технологии усиления колонн подбираются на основе физико-эксплуатационных качеств и параметров ствола. Перед тем как приступить к обзору конкретных методов решения поставленной задачи, стоит ознакомиться с универсальными правилами организации работ.

Общие советы специалистов по ходу работ

В усиливающих технических операциях, которые выполняются применительно к несущим сооружениям и конструкциям, часто задействуются различные опоры, накладки и угловые элементы поддержки. Используя подобные приспособления, важно учитывать два правила:

  • Количество уровней или пластов укрепляющего бандажа не должно быть меньше трех. Поперечная обвязка и вовсе накладывается в четыре слоя.
  • Выдерживается нахлест порядка 20-30 см. Стыковые соединения, как правило, исключаются.

Если планируется использовать способы усиления колонн с обработкой поверхности ствола композитными средствами и полимерами, то изначально должны быть учтены следующие условия:

  • Влажность бетона должна составлять не менее 4%. Данный коэффициент проверяется влагомером.
  • Конденсат должен быть удален с поверхности колонны.
  • Перед непосредственной укладкой полимера на ствол наносится слой эпоксидной смолы.
  • Температура конструкции должна варьироваться в диапазоне +10…+45 °С. Это нормальный режим для работы с полимерными составами.

Независимо от применяемого способа усиления ствола колонны, следует произвести зачистку и обеспылевание поверхности. Она должна быть избавлена от загрязнений, жировых пятен, и цементного молочка. Подобные задачи решаются шлифовальным инструментом – ручным или машинным в зависимости от площади.

Технология усиления обоймой

Использование комбинированной обоймы для укрепления стволов колонн позволяет обеспечить стойкость конструкции, как перед динамическими, так и перед статическими нагрузками. Стандартным вариантом исполнения данного метода считается усиление колонн металлической обоймой, но специалисты рекомендуют изначально просчитывать дополнение каркаса железобетонными вставками с замкнутыми стальными хомутами.

Перед выполнением монтажных операций следует выполнить насечки в структуре ствола глубиной до 5 мм. Поверхность колонны также очищается от инородных частиц и защищается от коррозии. Основу каркаса обоймы составит конструкция из поперечных планок и продольных металлических уголков. Продольные компоненты усаживаются на цементно-песчаный раствор и зажимаются струбцинами. Далее по всей длине ствола к уголкам необходимо приварить точечной сваркой поперечные планки, выдерживая шаг порядка 50-60 см.

К преимуществам усиления колонн стальными обоймами можно отнести скорость монтажа и конструкционную гибкость схемы крепления. Сразу после завершения установки каркаса ствол будет готов к принятию расчетных нагрузок, а в дальнейшем при необходимости каркас можно будет модифицировать, внося дополнительные элементы крепежа. Но основную задачу укрепления обойма сможет выполнить только при условии плотного прилегания стяжек и планок с уголками к поверхности колонны. Качество же фиксации определяется гладкостью ствола и его геометрией.

Технология наращивания сечения

Типовая конструкция строительной колонны состоит из двух структурных частей – бетона и армирующих элементов. Если усиление колонн обоймами ориентируется на повышение жесткости несущего металлического скелета ствола наружным способом, то наращивание сечения ставит целью расширение площади несущей поверхности. Увеличивается основная бетонная масса, которая делает конструкцию стабильнее и долговечнее.

Данный метод используется в тех случаях, когда в принципе допускается возможность наращивания технической зоны в месте эксплуатации колонны. Оптимальным способом может стать одностороннее наращивание сечения – по ширине, длине или глубине конструкции. С технологической точки зрения, главная задача мастера будет заключаться в обеспечении достаточно прочной связи нового бетонного слоя со старым. Для этого используются методы усиления колонн металлическими обоймами. Но каркас в данном случае выполняет не функцию самостоятельного несущего элемента, а выступает в качестве вспомогательной армирующей обрешетки, которая и позволит связать два бетонных уровня. Монтируется та же продольная арматура с насечками и уголками. В идеале по возможности ее следует приваривать к основной арматуре в стволе металлическими коротышками. Затем выполняется непосредственное наращивание кладкой бетонного раствора.

Технология усиления композитными материалами

Сегодня во многих сферах строительства и производства металлические детали заменяются изделиями из композитов и углепластиковых волокон. Данный вариант усиления колонн выгоден тем, что при меньшей массе и размерах элемента позволяет обеспечивать те же функциональные задачи. Легкое углепластиковое волокно само по себе не перегружает колонну (особенно важно для конструкций ветхих памятников культуры), но проявляет стойкость к нагрузкам подобно стали. Более того, прочность некоторых композитов на растяжение в 4-5 раз выше, чем у железобетонной арматуры.

Техника усиления колонн в данном случае будет заключаться в приклеивании композитных или углепластиковых ламелей перпендикулярно к поверхности ствола. Обычно расчет делается на облегчение вертикальных нагрузок с акцентом на изгибающий момент. Для достижения такого эффекта усиления пластины наклеиваются вдоль линии действия момента нагрузки. Что касается клеевого состава, то могут применяться полимерные строительные смеси, которые также выполнят вспомогательные задачи наружного армирования структуры, влагозащиты и термостойкости – набор свойств клея будет зависеть от условий его применения. Среди достоинств этого метода выделяется отсутствие конструкционных изменений колонны, возможность декорирования ствола путем покраски ламелей и долговечность.

Усиление железобетонных колонн

Для архитектурных стволов этого типа рекомендуется использовать методы укрепления стальной рубашкой. Поскольку речь идет о массивной конструкции с большой массой, то и усиливающий каркас должен плотно входить в структуру колонны. В то же время и перегружать несущий ствол нежелательно, так как это обусловит более высокий эффект механической усталости не только для колонны, но и для нижнего перекрытия. Оптимальным будет применение стальной обоймы с уголками на цементно-песчаном растворе. Как и в классической схеме, усиление ж/б колонн выполняется с поперечными планками и переходными вставками, приваренными к внутренней арматуре ствола.

Перед сваркой важно учесть одну технологическую хитрость. Специалисты рекомендуют нагревать обойные планки до 100-120 °С, и только после этого приступать к соединению. Когда элемент остынет, его размеры станут меньше, что обеспечит положительный эффект преднапряжения. Также в усилении железобетонных конструкций будет не лишним задействовать дополнительные страховочные приспособления. Удобнее всего монтировать распорки, образованные двумя уголками-швеллерами. Они связываются планками и крепятся по принципу опор натяжными болтами.

Усиление нагретыми хомутами

Если колонны не испытывают больших расчетных нагрузок и не требуют капитального укрепления конструкции, то можно обойтись оптимизированной техникой устройства накладок из полосовой стали. Получаются своего рода обвязочные хомуты, которые монтируются по всей высоте ствола. В итоге экономится стройматериал с фурнитурой, а конструкция колонны остается нетронутой. Технологическая сложность такого решения заключается в предварительном нагреве металлических полос и корректном обжиме колонны. Теоретически хомуты могут использоваться в усилении ж/б колонн с круглым, прямоугольным и квадратным сечением. Но в каждом случае будет своя схема обжима, для которой подбирается и соответствующий способ захвата полос.

Заготовки для накладок нагревают в печном сооружении или горелкой примерно до 300 °С. Далее, используя специальный кондуктор или струбцины, необходимо плотно обжать хомутом ствол в ранее установленной зоне. Через некоторое время после обвязки хомут остынет, а металл в результате температурного сокращения еще плотнее прижмется к поверхности колонны. Опять же, в итоге получится не столько самостоятельный усиливающий каркас, сколько вспомогательное средство армирования.

Усиление металлических колонн

По сравнению с железобетонными стволами, полностью металлические конструкции исключают возможность монолитного наращивания структуры путем устройства каркаса или бетонной кладки. Поэтому чаще вводятся оттяжки, затяжки, распорки и преднапряженные устройства. Весьма практичным и функциональным считается вариант усиления стальной колонны путем расширения или упрочнения конструкционного башмака, примыкающего к перекрытию или фундаментной основы. На нижнем ярусе как раз допускается возможность создания бетонной стяжки, которая повысит вертикальную стабильность колонны.

Небольшие конструкции стволов рекомендуется усиливать посредством предварительно напряженных элементов. В этом качестве применяют инвентарные и телескопические шпренгели с жесткими распорками, параметры которых можно менять в зависимости от текущей нагрузки. К слову, подобное усиление ЖБ-колонн будет затруднено из-за недостаточной структурной жесткости, но металлические стволы позволяют использовать средства поддомкрачивания. То есть пользователь может менять высоту и положение конструкции, расклинивая и соединяя ее с хомутами.

В опорных участках для дополнительной страховки выполняют щели и пазовые выемки, а также монтируют ограничительные временные пластины с круговыми прорезями для армирования. После этого устанавливается арматурный прут, а приопорная зона бетонируется. Когда залитая стяжка наберет достаточно прочности, стержень арматуры напрягается анкерными метизами и болтами – их можно встраивать в отверстия со стороны нижних граней. Получается капитальный способ конструкционного усиления колонн, который используется только при технической возможности переустройства прилегающей площадки.

Усиление сжатых колонн

Внецентренно сжатые стволы укрепляются за счет комбинации технических средств, среди которых армирующие бандажи, профильные металлические уголки и поперечные планки. Комплексное усиление позволяет в данном случае обеспечить стесненное деформирование и взаимную работу элементов обвязки с перекрытиями. То есть моменты нагрузки не перераспределяются, а напрямую перекладываются с верхней бетонной конструкции на нижнюю.

Основу усиливающей системы формируют несколько поперечных бандажей, которые перемежаются с одиночными армирующими вставками из стали или углепластика. Но если усиление колонны железобетонной обоймой производится с добавкой песчано-цементного раствора, то бандаж с накладками рассчитывается только на метизные крепежи. В частности, тот же бетон заменяется анкеровкой продольными элементами через перекрытия. Главная сложность монтажа такой системы сводится к необходимости выдержки осевой симметрии при установке продольных элементов захвата и крепления.

Заключение

Характер применения того или иного метода усиления вертикальной архитектурной конструкции в значительной степени будет зависеть от характеристик сопряженных с нею частей сооружения. К примеру, усиление железобетонных колонн при больших нагрузках может предусматривать и установку металлического каркаса с бетонным расширением, и монтаж распорок. Но только в случае, если это позволяет выполнить нижнее перекрытие – ограничение может быть обусловлено превышением проектной нагрузочной массы. Особенно остро подобные ограничения становятся в ситуациях усиления групповых колонных композиций. Как правило, массивные и тяжеловесные каркасы и стяжки в таких случаях не допускаются, а перед разработчиками технического проекта становится задача детального расчета по устройству дополнительных связей путем интеграции жестких предварительно напряженных опор.

10 типов стальных колонн, используемых в строительстве

Строительство зданий требует использования ряда материалов. Строителям важно выбрать подходящие материалы, чтобы обеспечить зданиям и сооружениям необходимую поддержку. Многие здания требуют использования стальных балок в своей конструкции. В этой статье мы определяем, что такое стальная колонна, и обсуждаем общие стальные конструкции и типы стальных колонн.

Связано: 64 Термины и определения конструкции

Что такое стальная колонна?

Стальная колонна — это вертикальный элемент конструкции, используемый в строительстве для обеспечения необходимой опоры.Они могут нести нагрузки при сжатии или могут передавать нагрузки от таких вещей, как балки, потолки, плиты перекрытия или кровельные плиты, на перекрытия или фундамент. Стальные колонны также могут нести изгибающие моменты вблизи осей поперечного сечения.

Несмотря на то, что при строительстве колонн используется много типов материалов, часто используется сталь. Его структура предлагает более прочную, гибкую и прочную структуру, чем бетонная конструкция. Кроме того, стальные колонны, как правило, легче и быстрее возводятся, чем бетонные.

В строительстве используются различные типы стальных колонн. Каждый тип столбца получает классификацию на основе определенных условий. Эти классификации могут включать:

  • Колонны на основе строительного материала
  • Колонны на основе поперечного сечения или формы
  • Колонны на основе высоты колонны и поперечного сечения
  • Колонны на основе формы
  • Колонны на основе коэффициента гибкости
  • Колонны на основе по типам нагрузки
  • Колонны, классифицируемые по удельному сопротивлению боковой нагрузке
  • Колонны без особой классификации

Связанные: 21 Типы колонн для использования в строительстве

Типы стальных колонн

Вот некоторые общие типы стальных колонн:

Круглые колонны

Круглые колонны — это колонны, классифицируемые по форме. Эти колонны содержат внутри более четырех продольных стальных стержней, которые действуют как арматурный стержень. Круглые колонны часто имеют более высокое сопротивление изгибу, чем прямоугольные или квадратные колонны. Круглые колонны обычно используются в строительстве для свай и подъема зданий по эстетическим причинам, а строительные рабочие часто используют их в качестве опор мостов.

Композитные колонны

Композитные колонны — это тип арматурной колонны, изготовленной из конструкционной стали, бетона и арматуры.Они обладают высокой несущей способностью и обеспечивают продольное армирование, поэтому в строительных работах их часто используют при строительстве высотных зданий. Композитные колонны часто обладают хорошими противопожарными характеристиками и обеспечивают высокий уровень прочности при небольшом поперечном сечении.

Связано: Чем занимается монтажник стали?

Колонны L-формы

Колонны L-формы — это тип колонн, классифицируемый на основе их формы. Эти колонны легко построить и отлить, а уровень поддержки, который они обеспечивают, часто делает их отличным выбором для зданий и других тяжелых конструкций.Строители используют эти колонны в углах ограждающих стен.

Короткие армированные колонны

Короткие армированные колонны — это колонны, классифицируемые на основе их гибкости. Эти колонны имеют коэффициент гибкости менее 12 дюймов и содержат стальные стержни. Короткие армированные колонны обладают некоторой гибкостью, а нагрузки, которые они выдерживают, варьируются и зависят от таких факторов, как прочность материалов и размер поперечного сечения.

Спиральные железобетонные колонны

Спиральные железобетонные колонны — это бетонные арматурные колонны со встроенной стальной сеткой, называемой арматурой, которая обеспечивает усиление конструкции колонны.Это цилиндрические колонны с непрерывной спиральной полосой, обернутой вокруг каждой колонны. Спиральная конструкция колонны обеспечивает поперечную опору по ширине конструкции.

Квадратные или прямоугольные столбцы

Квадратные или прямоугольные столбцы — это столбцы, классифицируемые на основе их формы. Они содержат как минимум четыре продольных стальных балки для поддержки. Квадратные или прямоугольные колонны часто позволяют легко опалублять, размещать арматуру и заливать бетон.Это, в сочетании с их общей доступностью, делает их популярным выбором в строительстве.

Заглушки

Заглушки — это столбцы, классифицируемые на основе модели их построения. Эти колонны опираются на плиты, а не на фундамент, чтобы обеспечить дополнительную поддержку. Строители могут размещать эти короткие колонны вертикально или горизонтально. Хотя короткие колонны часто бывают стальными, они также могут быть бетонными. Пример того, когда вы можете увидеть или использовать заглушку, может быть под верхними резервуарами для воды.

Связано: Как стать сталелитейщиком

Натяжные колонны

Натяжные колонны классифицируются в зависимости от их нагрузочной способности. Натяжные колонны — это колонны из стали, бетона или других материалов. Однако это не часто используемый тип колонны в строительстве. Строители обычно используют эти колонны в особых случаях, например, при строительстве мостов или продолжении полноразмерных колонн до фундамента.

Связанные железобетонные колонны

Связанные железобетонные колонны — это тип арматурных колонн, сделанных из бетона с заделанной сеткой, также известной как арматура, которая обеспечивает армирование. Эти колонны имеют закрытые боковые перемычки, равномерно распределенные по ним. Однако расстояние между стяжками важно. Стяжки должны располагаться достаточно далеко друг от друга, чтобы не влиять на схватывание бетона, но достаточно близко, чтобы предотвратить разрушение конструкции.

Т-образные столбцы

Т-образные столбцы — это тип столбцов, классифицируемых на основе их формы.Строители могут использовать эти колонны в зависимости от требований их конструкции. Колонны Т-образной формы чаще всего используются при возведении мостов.

Другие типы стальных конструкций

Строители часто используют сталь не только для изготовления колонн. Например, многие строители используют стальные балки. Как и колонны, балки поддерживают несущую силу, нагрузки и изгибающие моменты. Однако стальные балки бывают горизонтальными, а не вертикальными.

Общие типы других стальных конструкций могут включать:

  • Угловые балки: Угловые балки или L-образные балки имеют две опоры, которые могут быть равными или неравными по длине, которые соединяются для создания 90-градусного угол.

  • Несущие сваи: Несущие сваи имеют Н-образную форму для передачи нагрузок и обеспечения системы глубокого фундамента, если конструкция не может иметь неглубокий фундамент.

  • С-образные балки: С-образные балки, также называемые С-образными балками или структурными С-образными каналами, имеют С-образное поперечное сечение с верхними и нижними полками, соединенными перемычкой.

  • Блоки стальных полых профилей: Блоки или конструкции полых стальных профилей содержат металл с полым, трубчатым поперечным сечением и могут иметь круглую, эллиптическую, прямоугольную или квадратную форму.

  • Трубы: Трубы из конструкционной стали — это полые цилиндрические трубы, доступные в различных размерах, с различными конструкциями и возможностями, такими как обеспечение прочности и устойчивости.

  • S-образные балки: S-образные балки, также называемые S-образными балками или американскими стандартными балками, имеют перемычку между катаным профилем и двумя узкими полками, параллельными друг другу.

  • Т-образная балка: Т-образная балка или тройник имеет Т-образное поперечное сечение с полкой и вертикальной стенкой, и они могут выдерживать большие нагрузки.

  • Универсальные балки: Универсальные балки, также называемые двутавровыми или двутавровыми балками, включают в себя два горизонтальных элемента, называемых полками. Это позволяет им сопротивляться изгибному движению, потому что они связаны вертикальным элементом или сеткой, которая сопротивляется силе.

(PDF) Применение решетчатых композитных конструкций в качестве армирующих элементов бетонных колонн

ECCM17 — 17-я Европейская конференция по композитным материалам

Мюнхен, Германия, 26-30 июня 2016 г. 6

Андрей А.Склезнев, Валерий Васильев и Александр Федорович Разин

Однако предлагаемые конструкции страдают двумя основными недостатками. Первый из них

связан с относительно низкой огнестойкостью полимерных композитов. Этот недостаток можно частично преодолеть за счет расположения решетчатой ​​конструкции, которая находится внутри бетонной колонны и защищена от огня

внешним бетонным слоем, толщина которого может быть правильно рассчитана.Второй недостаток

связан с относительно высокой стоимостью композитных материалов (что характерно для всех армированных композитами колонн

). Применительно к решетчатым композитным армирующим элементам можно достичь значительного снижения затрат на

, используя недорогие стеклянные или базальтовые волокна в ребрах и недорогую обмотку из влажных волокон

, применяемую для изготовления решетчатых структур [8,9].

Список литературы

[1] В. Степанова, Л. Григорьев.Перспективы применения композитов. Москва: Строительство

Газета

. N10, 08.03.2015, Россия, 2015. — с. 5 с.

[2] А.Н. Бормотов, Е.А. Колобова, Ю.В. Конопацкий. Методика представления композиционного материала

как объекта исследования и моделирования. Строительные материалы и изделия. Региональная архитектура и

инженерия. N3. — Россия, 2012. — с. 44-51 с.

[3] B.N. Румянцев, А.Д.Жуков. Принципы создания новых строительных материалов.Интернет-

вестник ВолгГАСУ. Сер .: Политематика, N3 (23). — Россия, 2012. — с. 1-6 с.

[4] Электронная база рефератов журнала ВИНИТИ.

http://www2. viniti.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=236&xmf=s&Itemid=101

— веб. Дата обращения: 10 апр. 2015).

[5] В.В. Васильев, В. Барынин, А.Ф. Разин. Анизосетки решетчатые конструкции — Обзор развития

и применение // Композитные конструкции.54. — США, 2001. — с. 361-370.

[6] В.В. Васильев, А.Ф. Разин. Анизосеточные композитные решетчатые конструкции для космических и летательных аппаратов

Приложения // Композитные конструкции. 76. –США, 2006. — 182–189 с.

[7] В. Васильев, А. Груздин, С. Петроковский, А. Разин. Составная решетчатая структура для интерфейса

между ракетой-носителем и космическим кораблем. Полет, №9. — Россия 1999. — с. 44-47 (на русском

).

[8] В.В. Васильев, В.А. Барынин, А.Ф. Разин. Композитные решетчатые конструкции с аниосеткой — Разработка

и аэрокосмические приложения // Композитные конструкции. 94. — США, 2012. — с.1117-1127.

[9] В.В. Васильев, В. Барынин, А.Ф. Разин, С. А.Петроковский, В.И. Халиманович. Композитные решетчатые конструкции Anisogrid

— разработка и применение в космической технике. Композиты и

Наноструктуры. N3. — Россия, 2009. — с. 38-50 с.

[10] I.И. Улицкий, С.А.Рывкин, М.В. Самолетов, А.А. Дыховичный, М. Френкель, В. Кретов.

Железобетонные конструкции (расчет и проектирование) // Киев, «Будивельник». — СССР, 1972. —

992 с.

[11] В.В. Васильев, А.Ф. Разин, А.А. Склезнев. Бетонно-композитный столб. Патент РФ на полезный

модель RU155801 У1, ФИПС

[12] В.В. Васильев, Е. Морозов. Современная механика композитных материалов и конструкций

элементов.3-е издание. — Elsevier, 2013. — 816 с.

[13] А.А. Склезнев, А.Ф. Разин. Бетонные конструкции с решетчатым композитным армированием //

Композиты и наноструктуры. Том 7. N3. — Россия, 2015. с. 145-150 с.

Влияние отношения линейной жесткости балки к колонне на механизм разрушения железобетонных каркасных конструкций, сопротивляющихся моменту RC) каркасные конструкции, сопротивляющиеся моменту, допускают пластическую деформацию балок, сохраняя при этом упругость колонн.

Рамы SCWB спроектированы в соответствии с требованиями к соотношению прочности на изгиб балки и колонны для обеспечения механизма балка-шарнир во время сильных землетрясений и без учета влияния отношения жесткости балки к колонне на режимы разрушения глобальных конструкций. Отношение линейной жесткости балки к колонне является исчерпывающим показателем жесткости на изгиб, высоты этажа и пролета. В этом исследовании предлагаются предельные значения для различных классов сейсмостойкости на основе основного уравнения, выведенного с точки зрения пластичности стержня.Математическое выражение показывает, что механизм податливости конструкции сильно зависит от таких параметров, как прочность материала, размер сечения, степень усиления и степень осевого сжатия. Механизм шарнира балки может быть достигнут, если фактическое отношение линейной жесткости балки к колонне меньше рекомендуемых предельных значений. Две модели в масштабе 1/3 трехсекционных трехэтажных железобетонных каркасов были построены и испытаны при низкой обратной циклической нагрузке для проверки теоретического анализа и исследования влияния отношения линейной жесткости балки к колонне на характер структурных отказов. .Серия нелинейных динамических анализов была проведена на численных моделях, как несоответствующих, так и соответствующих предельным значениям отношения линейной жесткости балки к колонне. Результаты испытаний показали, что сейсмические повреждения, как правило, возникают на колоннах в конструкциях с большим отношением линейной жесткости между балками и колоннами, что препятствует рассеянию энергии. Динамический анализ показывает, что учет отношения линейной жесткости балки к колонне при проектировании конструкций приводит к переходу от механизма шарнира колонны к механизму шарнира балки.

1. Введение

Каркасы из железобетона (ЖБИ) — это наиболее широко используемые конструкционные системы для многоэтажных промышленных и гражданских зданий во всем мире. Однако в последние десятилетия многие здания показали плохие сейсмические свойства во время сильных землетрясений из-за разрушения более слабых вертикальных элементов, в то время как горизонтальные элементы оставались в основном упругими [1]. Правильное распределение внутренних сил в балках и колоннах является важным принципом проектирования, который оказывает значительное влияние на механизм разрушения железобетонных каркасных конструкций.

Философия проектирования слабой балки с сильной колонной (SCWB) применяется для обеспечения того, чтобы сумма предельной прочности на изгиб всех колонн была больше, чем у балок в местах соединения балки с колонной на местном уровне. Это требование может быть выражено как Σ M uc / Σ M ub > η amp , где M uc и M ub представляют собой предельную прочность на изгиб. столбцы и лучи соответственно, а η amp представляет коэффициент усиления, который изменяется от кода к коду.Код ACI318-14 [2] определяет коэффициент как 1,2, в то время как Еврокод 8 [3] предлагает коэффициент SCWB 1,3; Китайский Кодекс [4] определяет различные значения в соответствии с классом сейсмостойкости, который классифицируется на основе интенсивности обогащения, структурной формы и высоты здания для удовлетворения различных требований к пластичности. Значения: 1,7 для 1-го класса, 1,5 для 2-го класса, 1,3 для 3-го класса и 1,2 для 4-го класса; TEC-2007 [5] требует, чтобы сумма предельных моментов колонн была как минимум на 20% больше, чем у балок в том же стыке; NZS3101 [6] определяет коэффициент динамического усиления для верхнего этажа конструкции с учетом более высокого режима, который изменяется в зависимости от периода собственных колебаний и высоты конструкции.Однако многочисленные исследования показали, что эти положения норм сейсмического проектирования могут оказаться недостаточными для предотвращения механизма шарнира колонны; то есть требуемые значения отношения SCWB обычно больше, чем спецификации кода. Накашима и Саваидзуми [7] изучали соотношение прочности колонны и балки для обеспечения упругого отклика колонн на основе модели стальной моментной рамы. Они обнаружили, что коэффициент прочности увеличивался с увеличением амплитуды колебаний грунта и достиг значения 1,5, когда амплитуда была равна 0.5 м / с. Дули и Браччи [8] сравнили сейсмический отклик 3- и 6-этажных железобетонных каркасных конструкций с различными коэффициентами SCWB, варьирующимися от 0,8 до 2,4, и обнаружили, что минимальное соотношение прочности 2,0 было эффективным для предотвращения механизма шарнира колонны. Кунц и Браунинг [9] проанализировали сейсмические характеристики 4- и 16-этажных железобетонных каркасных конструкций. Они обнаружили, что коэффициент прочности для создания механизма балка-шарнир увеличивался с увеличением высоты конструкции и определили коэффициент SCWB, зависящий от местоположения. Медина и Кравинклер [10] исследовали влияние таких параметров, как естественный период, количество этажей и сейсмический уровень, на соотношение прочности для обеспечения механизма балка-шарнир и определили, что требуемая прочность на изгиб колонн пропорциональна естественному периоду и сейсмический уровень.Ибарра и Кравинклер [11] изучали сейсмическое поведение 9- и 18-этажных зданий с железобетонным каркасом и предположили, что коэффициент SCWB, равный 3,0, необходим для предотвращения механизма шарнира колонны. Haselton et al. [12] изучали вероятность обрушения зданий с железобетонным каркасом с различными коэффициентами SCWB. Их результаты показали, что коэффициент SCWB 1,2 требуется для 4-этажной рамы и 3,0 для 12-этажной рамы, и было предложено соотношение SCWB в зависимости от высоты.

Основным ограничением этих предыдущих исследований в области исследований сейсмических характеристик железобетонных конструкций является то, что они в первую очередь сосредоточены на относительной прочности на изгиб балок и колонн.Вопрос, который в значительной степени игнорируется, заключается в том, как относительная жесткость балок и колонн влияет на характер отказов строительных конструкций из ЖБИ. Следовательно, нет никаких конкретных положений для отношения линейной жесткости балки к колонне в сейсмическом проектировании каркасных зданий из ж / б. Отношение линейной жесткости балки к колонне может полностью отражать изменение жесткости на изгиб, высоту этажа и пролет и иметь значительное влияние на сейсмическое поведение железобетонных каркасных конструкций. Основная цель данного исследования — изучить влияние отношения линейной жесткости балки к колонне на режимы разрушения железобетонных каркасных конструкций.Основное уравнение для управления механизмом податливости конструкции выводится с учетом пластичности элемента, и предлагаются различные предельные значения отношения линейной жесткости балки к колонне для различных классов сейсмостойкости. Затем обсуждаются псевдостатические испытания RC-каркасов с целью проверки теоретического анализа и исследования влияния отношения линейной жесткости балки к колонне на сейсмические характеристики конструкции. Кроме того, серия нелинейных динамических анализов проводится на каркасах из ЖБИ с различной сейсмической интенсивностью фортификации.Эти прототипы зданий спроектированы как несоответствующие, так и соответствующие предложенным предельным значениям. Распределение пластических шарниров и пластическая деформация компонентов сравниваются, чтобы подчеркнуть важность отношения линейной жесткости балки к колонне.

2. Предельные значения отношения линейной жесткости балки к колонне
2.1. Критерий слабой балки с сильной колонной

Ж / б каркасные конструкции обычно демонстрируют два типа механизмов податливости во время сильных землетрясений: слабая балка с сильной колонкой и слабая балка с сильной балкой.В механизме податливости SCWB пластиковые шарниры конструкций вынуждены концентрироваться на концах балок и днищах колонн первого этажа. Пластиковые шарниры колонн следует отложить или даже избегать, а большая часть сейсмической энергии должна рассеиваться пластиковыми шарнирами балок. Для сравнения: сильнодействующий механизм податливости слабой колонны обычно приводит к разрушению отдельного этажа или обрушению конструкции из-за слабого слоя, вызванного концентрацией пластиковых шарниров в колоннах.

Колонны, которые действуют как основные вертикальные элементы и элементы, противодействующие боковым силам, имеют важное влияние на общую устойчивость конструкций [13]. Балки также участвуют в сопротивлении поперечной силе и структурной устойчивости, но структурные повреждения, вызванные отказом балки, менее серьезны, чем повреждения, вызванные разрушением колонны. Исходя из этого, SCWB является предпочтительным механизмом податливости, поскольку деформационная способность всей конструкции может быть полностью использована за счет мобилизации ее пластичности.Механизм податливости SCWB может быть выражен в терминах пластичности элемента в том смысле, что секции балки достигают предела текучести раньше секций колонны. Для достижения этого механизма податливости должны быть соблюдены следующие соотношения: где × b и × c — параметры, характеризующие способность вращения балок и колонн, соответственно; θ yb и θ yc — углы поворота текучести секций балки и колонны, соответственно; и θ b и θ c — измеренные углы поворота секций балки и колонны во время землетрясения, соответственно.

2.2. Управляющее уравнение слабой балки сильной колонны

Рассматривая механическую модель подструктур балка-столбец регулярных плоских каркасных конструкций RC, выводится основное уравнение для отношения линейной жесткости балки к стойке, которое облегчает механизм SCWB. . Расчетная модель показана на рисунке 1.


Сделаны следующие допущения: (а) не учитывается сцепление-проскальзывание между сталью и бетоном, как и растяжение бетонного материала или деформация сдвига элементов; б) деформированные сечения элементов остаются плоскими; и (c) деформация линейно распределяется по высоте сечения. Кривые напряжения-деформации сжатия бетона и стали представлены следующим образом:

Кривые напряжения-деформации бетона представлены как где f c — прочность бетона на осевое сжатие; ε 0 — деформация сжатия, соответствующая f c , ε 0 = 0,002 + 0,5 × ( f у.е., k −50 ) × 10 −5 , принятое равным 0,002 для ε 0 <0.002; ε cu — предельная деформация сжатия бетона, ε cu = 0,0033–0,5 × ( f cu , k −50 ) × 10 −5 , принятая как 0,0033 для ; ε у.е. > 0,0033; и n — коэффициент, n = 2–1 / 60 × ( f cu , k −50 ), принимается равным 2,0 для n > 2,0.

Кривые деформации стали представлены следующим образом: f y — предел текучести стали, ε sy — деформация текучести, соответствующая f y и E s — модуль упругости.

2.2.1. Деформация текучести балок

Кривизна текучести сечения балки φ yb определяется для следующих условий: деформация растягивающей арматуры достигает предела текучести ( ε s = ε sy ), деформация бетона на краю зоны сжатия меньше максимальной деформации ( ε c < ε 0 ), а деформация арматуры в зоне сжатия относительно мала () .

Силовая диаграмма показана на рисунке 2, где x — это расстояние от одной точки в зоне сжатия до нейтральной оси, а ε — деформация бетона, соответствующая точке, полученная из соотношения геометрического подобия на основание предположения о плоском сечении: где h 0 — это расстояние от результирующей точки растягивающей арматуры до края зоны сжатия, а x c — высота зоны сжатия, соответствующая сечение уступчивое.


Напряжение бетона в зоне сжатия выражается следующим образом:

Подставляя уравнение (4) в уравнение (6), мы получаем

Результирующая сила бетона в зоне сжатия выражается следующим образом:

Из равновесия осевой силы, показанного на рисунке 2, можно получить следующее:

Подставляя уравнения (5) и (8) в уравнение (9), мы получаем

Разделив обе части уравнения (10) на f c bh 0 и определение ξ yb = x c / h 0 , ρ = A

9027 902h (коэффициент армирования растяжимой стали) и (коэффициент армирования сжатой стали) можно получить уравнение (11), где
ξ yb получается по уравнению (11), а кривизна текучести сечения балки затем вычисляется c в соответствии с геометрическим соотношением:

2.2.2. Деформация текучести колонн

Кривизна текучести сечения колонны φ yc определяется для следующих условий: деформация, при которой бетон на краю зоны сжатия достигает максимальной деформации ( ε c = ε 0 ), деформация, при которой арматура в зоне сжатия меньше предела текучести (), а деформация растягивающей арматуры достигает предела текучести ( ε s = ε sy ).Диаграмма сил показана на рисунке 3. В соответствии с предположением о плоском сечении из соотношения геометрического подобия можно получить следующие уравнения:


Напряжение бетона в зоне сжатия выражается следующим образом:

Результирующая сила бетона в зоне сжатия выражается следующим образом:

Из равновесия осевой силы, показанного на рисунке 3, получается следующее уравнение:

Подставляя уравнения (13), (14) и (16) в (17) ), получаем

Разделив обе части уравнения (18) на f c bh 0 и определив ξ yb = x c / h 0 ρ = A s / bh 0 , и получается следующее уравнение: где ξ yc получается из уравнения (19), а кривизна текучести секции колонны i s затем рассчитывается в соответствии с соотношением геометрического подобия.

Благодаря тому, что жесткость компонента приближается к константе до того, как растянутые арматурные стержни поддаются, распределение кривизны изолированного элемента аналогично диаграмме изгибающего момента треугольной формы, как показано на рисунке 4:


Предполагая, что l 1 = л 2 = л b /2 и h 1 = h 2 = л c /2, угол поворота стержней получается согласно приведенному выше распределению: где и — расстояния от результирующей точки растягивающей арматуры до края зоны сжатия для секций балки и колонны, соответственно, и l b и l c — пролет конструкции и высота этажа соответственно.

Поскольку текучесть секций стержня эквивалентна исходной текучести продольной арматуры в данном исследовании, угол поворота секций балки и колонны при землетрясении можно рассчитать следующим образом: где M b и M c — момент на концах балок и колонн соответственно, а I b и I c — момент инерции балок и колонн соответственно.

Подставляя уравнения (20) и (21) в уравнение (1), получается следующее уравнение:

Определяя модуль упругости при изгибе балки и секций колонны как и, соответственно, получается следующее соотношение:

Согласно к равновесию внутренней силы в соединениях, Σ M b = Σ M c , и следующие допущения: (a) точки перегиба балок рамы расположены в середине пролета, а точки перегиба колонн рамы — на средний рост под действием боковой нагрузки; (б) размер поперечного сечения, прочность материала и конфигурация продольной арматуры балок, обрамляющих левую и правую стороны стыков, одинаковы, как и пластическая деформация при землетрясении; (c) размер поперечного сечения, прочность материала и конфигурация продольной арматуры колонн, обрамляющих верхнюю и нижнюю стороны соединений, такие же, как и пластическая деформация — получается следующее уравнение:

Параметр, который отражает относительное соотношение между жесткостью на изгиб балок и колонн вводится в уравнение (24) и называется отношением линейной жесткости балки к колонне: где k — отношение линейной жесткости балки к колонне, а h b и h c — высота сечения балок и колонн соответственно.

Если R χ = χ b / χ c определяется как параметр, характеризующий последовательность деформации балки и колонны, значение менее 1,0 указывает на то, что структурный механизм податливости SCWB достигается во время сильного землетрясения. R m = ( f y E c ) / ( f c E y ) и R s l h c ) / ( l c h b ) определяются как параметры, связанные со свойствами материала и размером компонента, соответственно. R k = [Σ1 / (1 — ξ yb )] / (Σ1 / ξ yc ) определяется как параметр, связанный с высотой зоны сжатия, который в основном касается с конфигурацией армирования и степенью осевого сжатия, как показано в расчете ξ yb и ξ yc .

Согласно приведенным выше определениям, теоретические предельные значения отношения линейной жесткости балки к колонне для достижения механизма податливости SCWB равны

Если k <[ k ], механизм податливости SCWB происходит во время землетрясение; в противном случае возникает механизм податливости сильного пучка и слабого столба.

2.3. Предлагаемые предельные значения

Уравнение (26) показывает, что механизм SCWB, возникающий во время землетрясения, сильно зависит от таких параметров, как прочность материала, размер компонента, степень усиления элемента и степень осевого сжатия. Параметры приняты равными и n = 2,0 из-за того, что высота секций стержня, обычно используемых в практическом проектировании, обычно превышает 600 мм. При расчете параметра ξ yb необходимо попеременно использовать растягивающую и сжимающую продольную арматуру, поскольку силовые условия балок, обрамляющих стыки, всегда противоположны при землетрясении.

Уравнения (11) и (19) для расчета параметров ξ yb и ξ yc можно упростить следующим образом:

Практически этажная высота каркасных конструкций составляет 3,0 м, 3,3 м, 3,6 м, 3,9 м или 4,2 м, а пролет обычно составляет 4,8 м, 5,4 м, 6,0 м, 6,6 м или 7,2 м. Если предположить, что h b h c , значение R s будет варьироваться от 1,15 до 2,50. Прочность материалов, участвующих в уравнении (27), оценивается следующим образом: HRB335, HRB400 и HRB500 для стали и C30, C35, C40, C45, C50, C55 и C60 для бетона, которые также обычно используются в машиностроении.Предельные значения степени армирования и степени осевого сжатия для различных классов сейсмостойкости четко указаны в действующих строительных нормах [4]. На основе этих технических характеристик рассчитывается диапазон отношения линейной жесткости балки к колонне, как показано в таблице 1.

90781

Прочность бетона Уровень сейсмостойкости 1 Уровень сейсмостойкости 2 Асейсмичность 3 Асейсмичность 4
Минимум Максимум Минимум Максимум Минимум Максимум Минимум Максимум
0,4854 0,0753 0,4690 0,0672 0,4192 0,0643 0,4009
C35 0,0876 9078 0,07 9078 0,07 0,4595
C40 0,0975 0,6693 0,0897 0,6321 0,0794 0,5594 0.0745 0,5249
C45 0,1365 0,7625 0,1281 0,7175 0,1127 0,6200 0,1039 0,6200 0,1039 0,579015 907 0,1158 0,6706 0,1101 0,6375
C55 0,1657 0,9635 0,1531 0.8813 0,1271 0,7394 0,1206 0,7016
C60 0,1805 1,0837 0,1608 0,9655 0,1608 0,9655 907 907 907 907 907 907

Для железобетонных каркасных конструкций, соответствующих проектным нормам, механизм податливости SCWB не может быть достигнут, если фактическое отношение линейной жесткости балки к колонне в зоне соединения больше верхнего предела [ k ].Напротив, если отношение линейной жесткости балки к колонне меньше нижнего предела [ k ], механизм SCWB возникает при землетрясении, независимо от изменения других влияющих параметров.

Для облегчения практического применения рекомендуемые предельные значения максимального отношения линейной жесткости балки к колонне для различных сейсмических классов приведены путем реорганизации данных в таблице 1, как показано в таблице 2.


Класс сейсмостойкости
1 2 3 4

Отношение линейной жесткости балки к колонне 4.80 0,75 0,65 0,60

3. Экспериментальная проверка предельных значений

Предложено проверить предельные значения отношения балки к столбцу с линейной жесткостью бумаги. Ж / б каркасное здание с регулярной плоскостью было спроектировано в соответствии с Китайскими правилами сейсмического проектирования зданий [4]. Рассматривая нижнюю трехслойную подструктуру одной каркасной конструкции в качестве модели, два образца в масштабе 1/3 были построены и испытаны при низкой обратной циклической нагрузке.

3.1. Конструкция образца

Конструкция прототипа представляла собой типичную стойкую к моменту раму RC, расположенную в сейсмической зоне с интенсивностью сейсмического укрепления 8, классом грунта II и проектной группой 1. Расстояние между колоннами в продольном и горизонтальном направлениях составляло 6 м. вместе с высотой 3,3 м. Размер сечения колонн был рассчитан на 600 × 600 мм, а у балок — 300 × 600 мм; толщина плиты 100 мм. Чтобы исследовать влияние отношения линейной жесткости балки к колонне на сейсмические характеристики каркасной конструкции, высота первого этажа была скорректирована, в то время как другие параметры, такие как поперечное сечение компонентов и пролет, остались неизменными.Сравнительная рама KJ-2 имела высоту первого этажа 4,5 м с принципами конструкции SCWB, сильного сдвига, слабого изгиба и слабого элемента с прочным соединением согласно соответствующим положениям [4]. Были построены две модели 3-х этажных, 3-пролетных монокаркасных железобетонных конструкций в масштабе 1/3. Масштабированные модели могут точно отражать сейсмическое поведение прототипов, например характер разрушения, последовательность пластиковых шарниров, предельную несущую способность и предельную деформационную способность, с помощью метода сохранения постоянства коэффициента усиления и прочности материала до и после масштабирования. .Механическое поведение во время процесса растрескивания было трудно реализовать, потому что влияющие факторы, такие как диаметр стали и коэффициент усиления, а также соответствующие переменные не могли быть полностью масштабированы в соответствии с геометрическим сходством, но этот недостаток можно было устранить с помощью метода, принятого выше. Коммерческий бетон, использованный в испытательных моделях, был C40 с размером заполнителя от 5 мм до 40 мм, а стальные стержни были HRB400. Средняя прочность на сжатие бетонных кубов диаметром 150 мм составила 30 единиц.5 МПа. Стальные стержни с номинальными диаметрами 6 мм, 8 мм и 10 мм использовались в качестве продольной арматуры в колоннах и балках, что соответствует фактическим пределам текучести 471,2 МПа, 548,9 МПа и 539,2 МПа и пределам прочности 606,2 МПа, 640,2 МПа. , и 593,7 МПа соответственно. Кроме того, проволока из низкоуглеродистой стали толщиной 4 мм использовалась в качестве хомутов как в колоннах, так и в балках; Фактический предел прочности составил 678,6 МПа. Геометрические размеры и детали армирования образцов показаны на рисунке 5.Основные конструктивные параметры каждого образца для испытаний, такие как степень осевого сжатия, отношение линейной жесткости балки к колонне и коэффициент усиления, представлены в таблице 3.


Образец KJ-1 KJ-2

Соединение J-1 J-5 J-2 J-6 J-1 J-5 J-2 J-6
Степень осевого сжатия 0.23 0,23 0,29 0,29 0,23 0,23 0,29 0,29
Отношение жесткости балки к колонне 9089 0,5 907 907 907 907 907 0,27 0,27 0,74 0,54
Коэффициент усиления изгибной способности 3,23 2,95 2,69 2,53 3,23 2.95 2,69 2,53

Примечание: J-1 и J-2 — это внешние и внутренние стыки первого этажа образца соответственно, а J-5 и J-6 — это внешние и внутренние стыки второго этажа соответственно.

В этом эксперименте образцы рамы были построены без плиты. Чтобы избежать опасности, вызванной кучей нагрузок на балки каркаса, нагрузки на перекрытие были преобразованы в вертикальные сосредоточенные нагрузки, а затем равномерно приложены к верхней части каждой колонны.Осевые нагрузки компенсировались во времени с помощью четырех ручных гидравлических домкратов для обеспечения постоянных нагрузок на протяжении всего процесса погрузки. Испытательная установка и оборудование представлены на рисунке 6.


Боковая малообратная циклическая нагрузка была приложена к центральной линии балок верхнего этажа в режиме управления смещением. Амплитуда каждого шага смещения-нагружения определялась предельными значениями угла межэтажного сноса на разных уровнях производительности (1/550 для рабочего, 1/250 для небольшого повреждения, 1/120 для среднего повреждения, 1/50 для серьезного повреждения. , и 1/25 для развала).Боковое смещение увеличивалось с 0 мм до 18 мм с интервалом 3 мм с одним циклом нагружения для каждой амплитуды смещения. После того, как произошло небольшое повреждение, образцы для испытаний перешли в стадию пластичности. Впоследствии были применены три полных цикла нагружения при каждой амплитуде смещения. После структурной деформации смещение увеличивалось с шагом 9 мм до тех пор, пока угол сноса крыши не достигал 1 / 26,2, а общее приложенное смещение составляло 126 мм, после чего образцы для испытаний должны были разрушиться.История циклических нагрузок представлена ​​на рисунке 7.


В эксперименте использовались два метода измерения. Традиционные инструменты сбора данных, такие как тензодатчики и линейные дифференциальные дифференциальные трансформаторы (LVDT), были размещены на северной стороне каждого образца для измерения межэтажного смещения и отслеживания изменения деформации стали в процессе испытаний, как показано на рисунке 8. Два Тензодатчики были установлены на продольных стальных стержнях в сечениях концов компонентов и по одному на стороне растяжения и сжатия.Тензодатчики, установленные на поперечных стальных стержнях, располагались на каждом стыке балки с колонной с интервалом 100 мм. LVDT использовались для записи деформации элементов и смещения на каждом этаже. Два широкодиапазонных LVDT были размещены на каждом уровне пола, а один LVDT был расположен на уровне базовой балки для контроля бокового смещения. LVDT с более низким диапазоном были размещены вертикально на концах балок, чтобы получить относительное вращение между балками и колоннами.


Кроме того, на южной стороне каждого тестового кадра использовалась цифровая корреляция изображений (DIC), развивающийся бесконтактный оптический метод измерения смещения и деформации [14].

Пять камер высокого разрешения использовались для получения изображений недеформированных образцов перед загрузкой и последующих изображений на каждом этапе загрузки. Кроме того, было введено программное обеспечение с открытым исходным кодом Ncorr-V1.2 [15] для анализа полученных цифровых изображений и получения локальной деформации структурных компонентов. Система DIC и пятнистый узор показаны на рисунке 9.


3.2. Механизм наблюдения и устранения повреждений
3.2.1. Явление повреждений

На основании предельных значений угла сноса между этажами при различных уровнях производительности было принято, что испытательные кадры проходят через пять периодов, т.е.е., в рабочем состоянии, небольшие повреждения, средние повреждения, серьезные повреждения и обрушение.

При коэффициенте сноса крыши 1/1100 небольшие трещины изгиба сначала возникли на концах балки с максимальной шириной 0,04 мм. Когда коэффициент сноса кровли увеличился до 1/550, трещины на концах балки образца KJ-1 продолжали развиваться и распространяться до среднего положения, хотя количество трещин оставалось относительно низким. Однако в образце KJ-2, очевидно, увеличились как длина, так и количество трещин, а ширина трещин колебалась от 0.От 06 мм до 0,12 мм. Большинство трещин было распределено по концам балки, но несколько трещин наблюдались в середине пролета (рабочий уровень).

Для двух образцов средняя длина и ширина трещин на концах балки значительно увеличились, поскольку коэффициент сноса кровли увеличился до 1 / 366,5. Длина увеличилась до 5–10 см, а ширина — до 0,08–0,24 мм, а в нижней части концов балок образовалось несколько сквозных трещин. В основании колонн первого этажа появились новые трещины, но трещин в стыках в течение цикла не обнаружено (небольшой уровень повреждений).

Когда коэффициент сноса кровли достиг 1 / 122,2, проникающие трещины на концах балок значительно увеличились, и трещины в середине пролета продолжали развиваться с шириной от 0,12 до 0,44 мм. Кроме того, началось отслаивание бетона на стыке балки и колонны второго этажа образца KJ-1. Появились трещины в днищах колонн первого этажа, и наблюдалось небольшое количество сквозных трещин. В стыках обнаружено даже несколько волосовидных трещин, совпадающих с вершинами балок.Развитие трещины на концах балки образца KJ-2 было меньше, чем у образца KJ-1, хотя трещины в нижней части колонны первого этажа были очевидны наряду с многочисленными сквозными трещинами. Видимых трещин в стыках образца KJ-2 при этой амплитуде (средний уровень повреждений) не было.

Когда коэффициент сноса крыши увеличился до 1 / 52,4, небольшие фрагменты бетона начали падать с концов балки образца KJ-1, обнажая продольную арматуру. Между тем, в днищах колонн первого этажа образовались массивные проникающие трещины.На образце KJ-2 также были обнаружены серьезные повреждения в виде отслаивания бетона на концах балок и днищ колонн первого этажа (серьезный уровень повреждений).

Когда коэффициент сноса крыши достиг 1 / 36,7, большие фрагменты бетона отслаивались от концов балок, и открытые стальные стержни начали коробиться в образце KJ-1. В нижней части колонны первого этажа произошло сильное растрескивание бетона, а продольные стальные стержни и хомуты внутри можно было четко увидеть в нижней части внутренней колонны на западной стороне.Степень повреждения на концах балки образца KJ-2 была меньше, чем у образца KJ-1, и его стальные стержни были обнажены, но не изогнуты. Крупные бетонные фрагменты отслаивались от днищ колонн, а стальные стержни обнажались. Когда коэффициент сноса крыши увеличился до 1 / 33,3, открытые продольные стальные стержни на концах балки изгибались и даже ломались в двух испытательных образцах. Большое количество бетона упало с нижней части внутренних колонн первого этажа. Продольные стальные стержни и хомуты сильно прогнулись и почти сломались.Когда коэффициент сноса кровли увеличился до 1 / 27,7 для образца KJ-1 и 1 / 26,2 для образца KJ-2, бетон в нижней части внутренних колонн первого этажа был раздроблен в больших масштабах, а продольные стальные стержни и Стремена были значительно деформированы и впоследствии разорваны. Погрузка была немедленно прекращена из-за внезапной потери вертикальной грузоподъемности. Явление разрушения в конце нагрузки показано на рисунке 10 (уровень обрушения).

3.2.2. Характеристики разрушения

В соответствии с описанием явлений разрушения, приведенным выше, можно суммировать следующие характеристики: (1) трещины на концах балки были в основном распределены в первой 1/3 длины пролета и состояли в основном из трещин изгиба; было обнаружено несколько косых трещин.Продольная арматура на концах балки поддалась первой, а пластмассовые петли полностью сформировались. Продольные стальные стержни на стыке соединения балки с колонной сломались под многократной нагрузкой из-за нескоординированной деформации между балками и колоннами. (2) Полностью сформированные пластиковые шарниры в нижних частях колонн первого этажа и способность рассеивать энергию сталь истощилась. В других колоннах не образовались пластиковые петли, хотя по всей высоте образовывались трещины изгиба.(3) Повреждения стыков балки и колонны были незначительными, а деформация стали была далека от предела текучести, что указывало на то, что повреждение в основном было вызвано проскальзыванием стальных стержней. (4) Сравнение явлений разрушения образцов KJ-1 и KJ-2, было обнаружено, что пластиковые шарниры недостаточно развиты на концах балок, но легко образуются в нижней части колонн в конструкциях с большим отношением линейной жесткости балки к колонне.

3.2.3. Последовательность и распределение пластиковых петель

Оценка режима разрушения конструкции обычно зависит от последовательности и положения пластиковых петель, которые были зарегистрированы в процессе испытаний.Внешний вид пластиковых шарниров определяется как состояние, в котором измеренная деформация превышает предел текучести растягивающей арматуры, и результаты показаны на Рисунке 11.

Пластиковые шарниры в колоннах, сформированные в основном после шарниров на концах балки. Режим отказа двух испытательных моделей был типичным механизмом балка-шарнир из-за того, что соотношение линейной жесткости балки и колонны в основном зависело от размеров сечения элемента, а не от коэффициентов усиления. Образцы для испытаний в этом исследовании имеют одинаковые коэффициенты усиления, а также приблизительный размер члена; Таким образом, последовательность формирования пластиковых шарниров и режим окончательного разрушения двух образцов были почти одинаковыми.

3.2.4. Количественная оценка режима разрушения

Простое сосредоточение внимания на последовательности и положении пластиковых петель — это качественная оценка режима разрушения конструкции без количественных показателей. В этом разделе модель сейсмического повреждения используется для расчета факторов повреждения и оценки степени повреждения компонентов при сильном землетрясении. Кроме того, режим разрушения конструкции определяется на основе соотношения повреждений балки и колонны.

Локальная деформация компонентов может быть точно и напрямую измерена с помощью технологии DIC.Таким образом, модель Mehanny-Deierlein [16] была выбрана для количественной оценки степени повреждения элементов. Эта модель учитывает влияние пути загрузки и имеет хорошую вычислительную сходимость. Распределение повреждений в испытательных рамах при различных уровнях производительности показано на рисунке 12.

Повреждения компонентов, накопленные по мере увеличения амплитуды нагрузки и количества циклов, и в основном сконцентрированы на концах балок и низах колонн первого этажа при окончательном обрушении. . Кроме того, индексы повреждений нижних элементов обычно были больше, чем у верхних: для KJ-1 средний индекс повреждений в колоннах первого, второго и третьего этажа был равен 0.97, 0,62 и 0,15 соответственно; балки первого, второго и третьего этажа составляли 0,95, 0,86 и 0,74 соответственно при окончательном обрушении. Для KJ-2 средний индекс повреждений в колоннах первого, второго и третьего этажа составил 0,93, 0,65 и 0,19 соответственно; балки первого, второго и третьего этажа составляли 0,85, 0,76 и 0,59 соответственно.

С точки зрения относительной степени повреждения балок и колонн, соотношение повреждений балок и колонн для первого, второго и третьего этажей — отношение среднего повреждения балок к среднему повреждению колонн на том же этаже — было 0.98, 1,38 и 4,84 соответственно в образце KJ-1 и 0,92, 1,16 и 3,08 соответственно в образце KJ-2. Коэффициенты повреждений для каждого этажа в образце KJ-1 были больше, чем в образце KJ-2, что указывает на то, что степень повреждения балок была более серьезной, чем у колонн в конструкциях с меньшей линейной жесткостью между балками и колоннами. соотношения. Полезно избегать механизма шарнира колонки, вызванного концентрацией накопленных повреждений на колонках.

3.3.Проверка теоретических предельных значений

Достоверность предложенных предельных значений была проверена на основе экспериментальных результатов для рам RC-плоскости, представленных в предыдущем разделе. Учитывая, что конструктивная форма и конфигурация арматуры были полностью симметричными и что влияние нагружающего устройства на прочность элементов было неизбежным, только стыки первого и второго этажей (J-1, J-2, J- 5 и J-6). Результаты представлены в таблице 4.

7 907 907 5,278 907 907 907 902 902 9078 907 907 907 907 907 J5 907 150787

Соединения рамы B × h (мм) (мм 2 ) A s 902 I 0 (мм 4 ) L (мм) [ k ] max k Экспериментальные результаты
KJ1-J1 Балка 100 × 200 150.79 84,82 2,61 × 10 8 2000 0,75 0,27 Петля балки Петля балки
207 8 1100

KJ1-J2 Балка 100 × 200 150,79 84,82 2,6178 × 10 0,975 0,27 Петля для балки Петля для балки
Стойка 200 × 200 185,35 185,35 5,25 × 10 8 9128 907 907 907 907 907 9907 9907 J5 Балка 100 × 200 150,79 84,82 2,61 × 10 8 2000 0,75 0,27 9089 Петля балки Балка 200 185.35 185,35 5,25 × 10 8 1100

KJ1-J6 Балка 100 × 200 150784 907 150784 907 2000 0,75 0,27 Петля для балки Петля для балки
Стойка 200 × 200 185,35 185,35 5,2578 × 10 7 907 907 907 907 907
KJ2-J1 Балка 100 × 200 235.61 150,79 2,58 × 10 8 2000 0,75 0,37 Петля для балки Петля для балки
200 × 200 4 8 1500

KJ2-J2 Балка 100 × 200 235,61 150,79 2,5878 × 10 75 0,37 Петля для балки Петля для балки
Колонна 200 × 200 285,88 285,88 5,21 × 10 8 Колонна 100 × 200 150,79 150,79 2,60 × 10 8 2000 0,75 0,27
185.35 185,35 5,25 × 10 8 1100

KJ2-J6 Столбец 100 × 200 150784 150784 907 2000 0,75 0,27 Петля для балки Петля для балки
Балка 200 × 200 185,35 185,35 5,2578 × 10
Примечание: — площадь поперечного сечения сжимающей арматуры; A s — площадь поперечного сечения растянутой арматуры; I 0 — момент инерции компонентов; l — эффективная длина компонентов.В этом исследовании площадь сечения стальных стержней была преобразована в площадь сечения бетонного материала с эффективным моментом инерции во время расчета момента инерции компонентов. Отношение линейной жесткости балки к колонне определяется как отношение упругой линейной жесткости без учета различных методов расчета между внешними и внутренними соединениями. Кроме того, отношение линейной жесткости балки к колонне для внутренних швов было уменьшено вдвое по сравнению с теоретическими предельными значениями в таблице выше, на основании того факта, что размеры поперечного сечения и конфигурации арматуры балок, обрамляющих одинаковые суставы были идентичны.

Результаты в таблице 4 в целом согласуются с теоретическими результатами в таблице 2, которые показывают, что основное уравнение механизма деформации конструкции имело определенную возможность улучшить философию проектирования SCWB.

4. Применимость отношения линейной жесткости балки к колонне

Предыдущие исследования землетрясений показали, что структурные повреждения в основном сконцентрированы на концах колонн, в то время как на балках образуется мало пластиковых шарниров.Эти явления указывают на то, что только повышения прочности колонн на изгиб недостаточно для контроля режима разрушения конструкции; то есть не следует пренебрегать относительной жесткостью балок по отношению к колоннам. В этом разделе шесть 6-этажных трехпролетных плоских рам спроектированы в соответствии с различной интенсивностью сейсмических укреплений, а влияние относительной жесткости балок по отношению к колоннам на достижение механизма балки-шарнира изучается путем сравнения упругопластического времени — результаты исторического анализа численных моделей с учетом и без учета предельных значений отношения линейной жесткости балки к колонне.

4.1. Конструкция корпуса

Планировка плоскости, высота этажа, длина пролета и толщина плиты в числовых примерах были такими же, как у прототипа (6-этажное 3-пролетное здание из ЖБИ). Размеры сечений и детали арматуры элементов были скорректированы в соответствии с интенсивностью сейсмического укрепления, чтобы удовлетворить требованиям несущей способности и пластической деформации при сейсмическом возбуждении. Одноплоскостные рамы в конструкции были выбраны в качестве объектов исследования, а коэффициенты пластичности шарниров и коэффициенты пластичности кривизны балок и колонн были взяты в качестве оценочных показателей для определения режима разрушения конструкции.Числовые модели: 6 градусов (0,05 г), 7 градусов (0,10 г), 7 градусов (0,15 г), 8 градусов (0,20 г), 8 градусов (0,30 г) и 9 градусов (0,40 г). ) сейсмическая интенсивность обозначена соответственно KJ1, KJ2, KJ3, KJ4, KJ5 и KJ6. Размеры сечений и детали армирования показаны в таблице 5.

8207904 24

Рама Тип компонента Размер сечения Пол Детали армирования k
Интерьер Внешний вид

KJ1 Балки 250 × 600 1–6 414 (218) 414.674 5,551
Колонны 550 × 550 1–6 416 + 814

KJ2 Балки78 600–7 + 214 (314) 416 (314) 0,792 5,052
5 414 (314)
6 314 (314) 9078 550 × 550 1–6 1216

KJ3 Балки 300 × 600 1–4218 + 217 907 (314) 4 0.803 4,323
5 316 (314) 216 + 214 (314)
6 314 (314)
Колонны 550 550 1216

KJ4 Балки 300 × 600 1–4 220 + 218 (316) 420 (316) 0,816907 0,816907 907 416 (316)
6 414 (316)
Колонны 550 × 550 1 420 + 420 + 418
2–6

KJ5 Балки 300 × 600 1–4 225 + 220 (218 + 216) 225 + 220 (418) 0.832 2,787
5 418 + 416
6 416 + 416
Колонны 550 × 550 1 420 + 818 422 + 420 + 418
3 1220 422 + 420 + 418
4 1220 420 + 81890 51890 5 1220

KJ6 Балки 300 × 650 1–4 425 (222 + 220) 225 + 220 (4202) 907. 89974 2,612
5 220 + 218 (416 220 + 218 (416)
6 416 (416)
Колонны 550
9
550 2425 428 + 828 + 825
2 1825 425 + 825 + 420
3 425 + 625 + 622 425 + 825 + 42025
425 + 625 + 420
5–6 1220

Примечание: 414 (218) означает, что верхняя и нижняя арматура 414 и секции балки 218 соответственно.

Плоский каркас в основном состоит из балок и колонн; таким образом, волоконно-лучевой элемент B31 был выбран для создания численной модели. Свойства балки были определены для прямоугольной формы поперечного сечения. Каждая секция была разделена на пучки из нескольких волокон с одноосным отношением напряжения и деформации бетонного материала к каждому волокну. Стальная арматура была вставлена ​​в каждый элемент с помощью ключевого слова ∗ REBAR, чтобы обеспечить вычислительную сходимость и повысить вычислительную эффективность [17], как показано на рисунке 13.Ключевое слово ∗ Поперечная жесткость на сдвиг также использовалось для определения поперечной жесткости на сдвиг каждой секции.


Материальные конститутивные модели были смоделированы с помощью подпрограммы PQ-Fiber [18] через программу конвертера UMAT. UConcrete02 был использован в качестве бетонного материала, чтобы учесть ограниченное влияние хомутов на прочность и пластичность. Это изотропный упругопластический бетонный материал, определяемый модифицированной моделью Кент-Парка [19,20] как определяющее соотношение сжатия и билинейной моделью с разупрочняющимся сегментом как определяющим соотношением растяжения, как показано на рисунке 14.Usteel02 использовался в качестве стального материала для учета эффекта Баушингера, вызванного ухудшением жесткости. Это улучшенная форма предлагаемой билинейной модели с максимальной точечной ориентацией [21], как показано на рисунке 15.



Согласно соответствующим положениям кодекса сейсмического проектирования, средний спектр отклика выбранных сейсмических записей должен быть статистически в соответствии с расчетным спектром реакции, принятым в методе разложения по модам. Таким образом, пять записей движения грунта, которые были аналогичны расчетному спектру реакции, были выбраны для анализа упругопластической истории во времени на основании того факта, что масштабирование сейсмической амплитуды должно выполняться в соответствии с интенсивностью сейсмического укрепления.Разница между средним спектром отклика и спектром отклика конструкции составила 13,33% и 18,92% в контрольных диапазонах [0,1, T g ] и [ T 1 — 0,2, T 1 + 0,5], соответственно, как показано на рисунке 16. Таким образом, он в целом удовлетворяет требованиям метода управления в двухчастотной области [22].

4.2. Режим разрушения конструкции без учета предельных значений

Выбранные записи движения грунта были применены в численных моделях KJ1 – KJ6, а затем режимы разрушения конструкции были определены в соответствии с распределением пластических шарниров.

4.2.1. Пластмассовые шарниры балок и колонн

Пластиковые шарниры балок и колонн определяются пропорцией пластмассовых шарниров на концах балок или колонн к общему количеству элементов конструкции. Значения пластмассовых шарниров балок и колонн в моделях KJ1 – KJ6 показаны в таблицах 6–11. Из приведенных выше таблиц видно, что жесткость пластиковых шарниров балок всегда была больше, чем у колонн для каркасных конструкций с различной интенсивностью сейсмических укреплений.Однако значения этих двух параметров имеют тенденцию постепенно становиться идентичными по мере увеличения пикового ускорения грунта. Следовательно, конструкции могут разрушиться из-за чрезмерного образования пластиковых шарниров на концах колонн при воздействии землетрясения, превышающего расчетную интенсивность укрепления. Примечательно, что степень пластического шарнира балок и колонн была относительно низкой для модели KJ1 с сейсмической интенсивностью 6 градусов (0,05 г), потому что конструкция не была серьезно повреждена, и большинство элементов все еще находились в упругом диапазоне при низких пиковое ускорение грунта, соответствующее интенсивности сейсмического укрепления.Для модели KJ6 с сейсмической интенсивностью 9 градусов (0,40 г) скорость пластического шарнира балок и колонн имела тенденцию к снижению, что указывает на то, что стабильность конструкции может быть лучше гарантирована, если коэффициент усиления и 1,2 M bua. настроены в соответствии с сейсмическим кодом.

c — это пластмассовая петля для колонн, а P b — пластмассовая петля для балок.


Образец Избранные сейсмические волны P c Среднее P

9089 902 902 902 907 901 901 901 902 901 901 902 901 907

Северо-Западная Калифорния.09.02.1941 0,08 0,15 0,11 0,28
Холлистер 24.03.1974 0,13 0,28
0,307 Имперская долина
Паркфилд 28.06.1966 0,21 0,39
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,13 0,28

0

Образец Отдельные сейсмические волны P c Среднее
KJ2 Северо-Западный Калифорния. 09.02.1941 0,08 0,19 0,22 0,38
Холлистер 24.03.1974 0.17 0,39
Имперская долина 19.05.1940 0,21 0,44
Паркфилд 28.06.1966 0,25 0,28
/02 0. 25 0,56

111
Cal783 1 Северное сияние Cal783 1 Северное 909.02.1941111
Cal783 1 Северное сияние Cal783 1 Северное09.02.194111
Cal783 1 Северное сияние Cal783 1 Северное09.02.19412.2. Коэффициенты пластичности при кривизне балок и колонн

Коэффициенты пластичности при кривизне балок и колонн определяются как отношения максимальной кривизны к предельной кривизне, которые отражают пластическое вращение элементов. Коэффициенты пластичности кривизны балок и колонн в KJ1 – KJ6 показаны в таблицах 12–17.


Образец Выбранные сейсмические волны 90 b Среднее значение

KJ3 Северо-Западный Калифорния.09.02.1941 0,17 0,30 0,39 0,53
Холлистер 24.03.1974 0,21 0,56
0,39 Империал Вэлли 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 0,42 0,56
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,38 0,78



Образец Отдельные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,25 0,38 0,44 0,61
Холлистер 24.03.1974 0,33 0,61
0,56
Паркфилд 28.06.1966 0,38 0,67
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,50 0,78



Образец Избранные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,42 0,44 0,56 0,68
Холлистер 24.03.1974 0,50 0,56
Имперская долина
Паркфилд 28.06.1966 0,42 0,72
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,42 0,67



Образец Отобранные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,25 0,23 0,00 0,38
Холлистер 24.03.1974 0,25 0,11
Империал Вэлли 5/1978 9089 907
Паркфилд 28.06.1966 0,17 0,28
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,33 0,83


907 907 907 907 907 907 907 907 908 North .09.02.1941

Образец Отобранные сейсмические волны cd c Среднее cd b 1,06 1,18 1,11 1,18
Холлистер 24.03.1974 1,21 1,15
04 Империал-Вэлли 1 1978 204 1,2 19,78 c — это максимальный коэффициент пластичности при кривизне колонн, а cd b — максимальный коэффициент пластичности при кривизне балок.

Паркфилд 28.06.1966 1,16 1,21
Сан-Фернандо 09.02.1971 1,24 1,23

907


Образец Отобранные сейсмические волны cd c Среднее 9011 9089 907 907 907 907 907 Северо-Западный Калифорния. 09.02.1941 1,43 1,59 1,03 1,35
Холлистер 24.03.1974 1.63 1,34
Имперская долина 19.05.1940 1,63 1,56
Паркфилд 28.06.1966 1,45 1,14
/02 1,80 1,67

907811
North
North09.02.1941111
North09.02.194111
North09.02.1941 можно увидеть 9 Таблицы показывают, что не было существенной разницы между коэффициентами пластичности кривизны балок и колонн с разной интенсивностью сейсмических укреплений.Это указывает на то, что чрезмерная пластическая деформация могла произойти в колоннах перед балками и, таким образом, привела к ухудшению структурной пластичности из-за резкой потери вертикальной несущей способности.

Коэффициенты пластичности кривизны балок и колонн KJ1 были небольшими из-за низкой сейсмической интенсивности и небольшого повреждения. Для KJ6 с сейсмической интенсивностью 9 градусов (0,40 г) коэффициент пластичности колонн уменьшился, в то время как коэффициент пластичности балок немного увеличился, что указывает на то, что механизм балки с шарниром может быть реализован при соблюдении регулировки коэффициента усиления и 1 .2Σ M буа.

4.3. Режимы разрушения конструкции с учетом предельных значений

Поперечные размеры балок и колонн были скорректированы для уменьшения отношения линейной жесткости балки к колонне ниже предельных значений, представленных в таблице 2. Скорректированные численные модели 6-градусного (0,05 г) , 7-градусная (0,10 г), 7-градусная (0,15 г), 8-градусная (0,20 г), 8-градусная (0,30 г) и 9-градусная (0,40 г) сейсмическая интенсивность были обозначены как KJ7, KJ8, KJ9, KJ10, KJ11 и KJ12 соответственно.Размеры сечений и детали армирования показаны в Таблице 18.


Образец Выбранные сейсмические волны4 c78d4

KJ3 Северо-Западный Калифорния.09.02.1941 1,43 1,63 1,17 1,52
Холлистер 24.03.1974 1,61 1,46
1.978 Империал Вэлли 5/19/1
Паркфилд 28.06.1966 1,52 1,41
Сан-Фернандо 02.09.1971 1,86 1,81



Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее

1,70 2,19 1,34 2,08
Холлистер 24.03.1974 2,03 2,04
Империал-Вэлли 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 1,77 1,79
Сан-Фернандо 09.02.1971 2,67 2,24



Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее


1,65 1,95 1,13 1,53
Холлистер 24.03.1974 1,97 1,47
2,0762 Имперская долина
Паркфилд 28.06.1966 1,71 1,41
Сан-Фернандо 09.02.1971 2,33 2,02



Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее

1,46 1,56 0,98 1,73
Холлистер 24.03.1974 1,50 1,17
1,707 Имперская долина
Parkfield 28.06.1966 1,17 1,27
Сан-Фернандо 09.02.1971 1,97 2,72

KJ87 550 Столбцы 9083 9083 907 907 550 907 420 + 420 + 4184 422 + 420 + 418

Рама Тип компонента Размер сечения Пол Детали армирования k
Интерьер Внешний вид

KJ7 Балки 250 × 500 1–5 414 (218)395 5,661
6 314 (218) 314 (218)
Колонны 550 × 550 1–6 416 + 814
Балки 300 × 600 1–4 216 + 214 (314) 416 (314) 0,557 5,344
5 907
314 (314) 314 (314)
Колонны 600 × 600 1–6 1216

9177 9179
9179 907 907 1–4 218 + 216 (218) 218 + 216 (218) 0.531 4,713
5 316 (218) 216 + 214 (218)
6 414 (216) 314 (216)
1–6 1216

KJ10 Балки 250 × 600 1–4 220 + 216 (218) 22009 + 216 (218) 22009 + 216 (218) 22009 3,836
5 216 + 214 (218) 216 + 214 (218)
6 314 (218)
Колонны
2–6 418 + 816

KJ11 Балки 300 × 600 1–4 220 (222 + 220) 0.601 2,975
5 220 + 218 (416) 220 + 218 (416)
6 416 (416)
Колонны 1625 2025
2 422 + 422 + 420 425 + 420 + 425
3 422 + 420 + 418 425 + 420 + 422
1222
5–6 1222 1222

KJ12 Балки 30078 650–1501902 220) 225 + 220 (422) 0.730 2,733
5 220 + 218 (416) 220 + 218 (416)
6 416 (416)
Колонны 60078 2425 2028
2 425 + 625 + 620 425 + 420 + 825
3 1425 425 + 420 + 62590 4258 4258 4
5–6 1222

4.3.1. Скорости пластического шарнира балок и колонн

Скорости пластического шарнира балок и колонн в KJ7 – KJ12 показаны в таблицах 19–24.

8
907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 28/1966

Образец Выбранные сейсмические волны P c Среднее P
Северо-Западный Калифорния. 09.02.1941 0.08 0,12 0,17 0,33
Холлистер 24.03.1974 0,08 0,28
Империал Вэлли 5/19/1940 0,13 0,13 0,13 0,39
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,17 0,44

9089 9089
9089 Северная Калифорния.09.02.1941
Cal783 1 North Cal783 1 North09.02.1941
Cal783 1 Северное сияние1 Северное09.02.1941111
Cal783 1 Северное побережье1 Северное09.02.194111
Cal783 1 Северное побережье Cal783 1 Северное09.02.1941/

94 Империал
Выбранные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее

KJ8 0,08 0,18 0,33 0,51
Холлистер 24.03.1974 0,17 0,50
0,56
Паркфилд 28.06.1966 0,25 0,50
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,25 0,67


Образец Отобранные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,17 0,26 0,50 0,62
Холлистер 24.03.1974 0,21 0,67
0,67
Паркфилд 28.06.1966 0,33 0,67
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,29 0,67


Образец Избранные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,17 0,29 0,50 0,67
Холлистер 24.03.1974 0,25 0,67
Империал Вэлли 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 0,33 0,67
Сан-Фернандо 09.02.1971 0,33 0,89



Образец Избранные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,33 0,34 0,56 0,73
Холлистер 24.03.1974 0,42 0,72
Империал Вэлли 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 0,38 0,67
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,25 0,89



Образец Отдельные сейсмические волны P c Среднее значение P b Среднее значение
0,17 0,18 0,22 0,38
Холлистер 24.03.1974 0,13 0,17
0,44
Паркфилд 28.06.1966 0,25 0,28
Сан-Фернандо 02.09.1971 0,17 0,94 0,17 0,94

Из приведенных выше таблиц видно, что жесткость пластмассового шарнира балок была значительно больше, чем у колонн, с учетом предельных значений.

Вид разрушения представляет собой желаемый механизм балки-шарнира, что указывает на то, что регулирование отношения линейной жесткости конструкции балки к колонне в пределах разумных предельных значений на этапе проектирования полезно для отсрочки образования пластиковых шарниров в колоннах и предотвращения обрушение конструкции из-за недостаточной вертикальной несущей способности.

4.3.2. Коэффициенты пластичности при кривизне балок и колонн

Коэффициенты пластичности при кривизне балок и колонн в KJ7 – KJ12 показаны в таблицах 25–30.

7 907 907 907 907 907 907 907 908 North . 09.02.1941 92

907 907

92

907 907

92


Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее cd b
1,15 1,11 1,08 1,23
Холлистер 24.03.1974 1,03 1,19
Империал Вэлли 907.09 1,30
Паркфилд 28.06.1966 1,14 1,17
Сан-Фернандо 09.02.1971 1,16 1,41
77777907.02.194111
North09.02.194111
North09.02.194111
North09.02.19411
09.02.1941 можно увидеть 9 приведенные выше таблицы показывают, что пластическая деформация балок значительно увеличивается, а деформация колонн остается практически неизменной.Это указывает на то, что подходящая регулировка соотношения между жесткостью балки и колонны может уменьшить пластическую деформацию колонн и, таким образом, эффективно создать механизм балки и шарнира.

4.4. Распределение пластиковых шарниров

Наихудший сценарий имеет место, когда показатели пластических шарниров и коэффициенты пластичности кривизны достигают своих максимальных значений одновременно. Это представлено движением грунта под названием Сан-Фернандо в моделях KJ1 – KJ12. Сравнение распределений пластических шарниров с учетом и без учета предельных значений отношения линейной жесткости балки к колонне показано на рисунках 17–22 (числа на рисунках — коэффициенты пластичности при кривизне элементов).Как показано на рисунках выше, как образование пластиковых шарниров, так и коэффициенты пластичности кривизны в колоннах уменьшились, в то время как в балках значительно увеличились, если принять во внимание отношение линейной жесткости балки к колонне.

Пластиковые шарниры в колоннах постепенно переходили на балки, а в режимах разрушения конструкции преобладали шарниры балок.

5. Заключение и обсуждение

Было подробно исследовано влияние отношения линейной жесткости балки к колонне на режимы разрушения железобетонных каркасных конструкций.Были предложены различные предельные значения отношения линейной жесткости балки к колонне для различных асейсмических классов, которые были подтверждены экспериментальными результатами, полученными на каркасах RC при низкой обратной циклической нагрузке. Нелинейный динамический анализ проводился на плоских моделях каркаса, спроектированных несоответствующими и соответствующими предельным значениям. Сделанные выводы основаны на рамах, использованных в этом исследовании, и показаны следующим образом: (1) Прочность материала, размер сечения, коэффициент усиления и степень осевого сжатия были наиболее чувствительными факторами, влияющими на механизм деформации конструкции.Относительная линейная жесткость балок к колоннам оказала значительное влияние на механизм отказа RC момент сопротивления раме. Механизм шарнира балки можно было легко реализовать, если фактическое отношение линейной жесткости балки к колонне было меньше рекомендуемых предельных значений. (2) Результаты экспериментов показали, что отношение линейной жесткости балки к колонне влияет на относительное повреждение. конструктивных элементов. В зданиях с большим отношением линейной жесткости балки к колонне пластиковые петли больше концентрируются в колоннах и медленнее развиваются в балках.В зданиях с более низким соотношением линейной жесткости балки к колонне, отношения повреждения балки к колонне были больше, что указывает на то, что степень повреждения балок была более серьезной, чем у колонн. Это полезно для облегчения механизма шарнира балки. (3) Результаты динамического анализа показали, что относительная прочность на изгиб балок относительно колонн — как указано во многих нормах проектирования — может быть недостаточной для гарантии сейсмического поведения SCWB. То есть относительная жесткость балок по отношению к колоннам также должна учитываться при проектировании конструкции.Здания, соответствующие предельным значениям отношения линейной жесткости между балками и колоннами, продемонстрировали очевидное уменьшение образования пластических шарниров и пластической деформации в колоннах.

Существующие исследования показывают, что монолитные плиты увеличивают моментное сопротивление и жесткость балок, поэтому эффективную ширину плиты следует учитывать при расчете предельных значений отношения линейной жесткости балки к колонне. Однако эта тема может потребовать дальнейшего предметного исследования. Представленное управляющее уравнение механизма деформации основано на предположении, что текучесть продольной арматуры равна текучести секций стержня, а предельные значения и выводы были ограничены теорией упругости; Таким образом, все значения и выводы следует распространить на упругопластическую стадию.Нелинейный динамический анализ проводился с ограничениями выбранных сейсмических записей и упрощенной численной модели. Для изучения распределения пластиковых петель рекомендуется проводить углубленные исследования, основанные на пространственных численных моделях и большем количестве сейсмических записей.

Доступность данных

Данные на рисунках 11 и 12, использованные для подтверждения результатов этого исследования, были связаны с исходными данными экспериментов, финансируемых Национальным фондом естественных наук Китая, и поэтому не могут быть доступны бесплатно в связи с юридическими ограничениями.Запросы на доступ к этим данным следует направлять руководителю этого академического проекта (адреса электронной почты: bqliu@chd.edu.cn). Данные в таблицах 6–30 и на рисунках 17–22, использованные для подтверждения результатов этого исследования, были рассчитаны с помощью коммерческого программного обеспечения Abaqus. Другие данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, были получены с помощью уравнений, представленных в статье, а методы расчета были включены в документ.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Дж. С., Б. Л. и Ю. М. участвовали в разработке и реализации. Все авторы внесли свой вклад в анализ и тестирование. Все авторы участвовали в редактировании и рецензировании рукописи.

Благодарности

Это исследование было частично поддержано Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51578077) и Проектом международного сотрудничества в области науки и технологий провинции Шэньси (грант № 2016KW-056).

Типы колонн — Проектирование зданий

Колонна — это вертикальный элемент конструкции, предназначенный для передачи сжимающей нагрузки.Например, колонна может передавать нагрузки от потолка, пола или плиты крыши или от балки на пол или фундамент.

Колонны обычно изготавливаются из таких материалов, как камень, кирпич, блоки, бетон, древесина, сталь и т. Д., Которые обладают хорошей прочностью на сжатие.

В классической архитектуре колонны часто сильно украшены стандартным дизайном, включая ионический, дорический, коринфский и т. Д.

Дополнительные сведения см. В разделе «Элементы классических столбцов».

Колоннада — это ряд колонн, расположенных через равные промежутки времени, которые могут использоваться для поддержки горизонтального антаблемента, аркады или крытого прохода, или как часть крыльца или портика.

Подробнее см .: Колоннада.

Стальные колонны обладают хорошей прочностью на сжатие, но имеют тенденцию к изгибу или изгибу при экстремальных нагрузках. Это может быть связано с их:

  • Длина.
  • Площадь поперечного сечения.
  • Способ крепления.
  • Форма сечения.

Площадь поперечного сечения и форма сечения включены в геометрическое свойство сечения, известное как радиус вращения. Это относится к распределению компонентов объекта вокруг оси. Его можно рассчитать:

г = √I / A

Где, I = 2-й момент площади, A = площадь поперечного сечения.

Коэффициент гибкости — это эффективная длина колонны по отношению к наименьшему радиусу вращения ее поперечного сечения. Если этого отношения недостаточно, может возникнуть коробление.

Гибкость колонны можно классифицировать как:

  • Длинный или тонкий: длина колонны превышает критическую длину продольного изгиба. Механический отказ обычно происходит из-за потери устойчивости. В поведении длинных колонн доминирует модуль упругости, который измеряет сопротивление колонны упругому деформированию (т.е. непостоянно) при приложении силы.
  • Короткая: длина колонны меньше критической длины продольного изгиба.Механический отказ обычно происходит из-за срезания.
  • Промежуточный: Между длинными и короткими колоннами, и его поведение определяется пределом прочности материала.

Классификация будет зависеть от геометрии колонны (т.е. ее степени гибкости) и свойств материала (т.е. модуля Юнга и предела текучести).

Колонны можно классифицировать по форме поперечного сечения. Общие формы столбцов включают:

  • Прямоугольный.
  • пл.
  • Циркуляр.
  • Шестиугольник
  • Восьмиугольник.

В профиле они могут быть коническими, неконусными или бочкообразными, их поверхность может быть гладкой, рифленой, скрученной, панельной и т. Д.

Колонны могут иметь простую унифицированную конструкцию или они могут состоять из центральной «шахты», сидящей на основании колонны и увенчанной «капителью». Дополнительные сведения см. В разделе «Элементы классических столбцов».

Железобетонные колонны имеют встроенную стальную сетку (известную как арматура) для армирования.

Конструкция арматуры может быть спиральной или привязной.

  • Спиральные колонны имеют цилиндрическую форму с непрерывным спиральным стержнем, обернутым вокруг колонны. Эта спираль обеспечивает опору в поперечном направлении.
  • Связанные колонны имеют закрытые боковые связи, расположенные приблизительно равномерно по всей колонне. Расстояние между стяжками ограничено тем, что они должны располагаться достаточно близко, чтобы предотвратить разрушение между ними, и достаточно далеко друг от друга, чтобы не мешать схватыванию бетона.

Каменные колонны (или вибро-каменные колонны) образованы гранулированным заполнителем, который вставляется в выемки в форме колонны и затем уплотняется для повышения несущей способности грунта и материала насыпи.

Pilotis — это опоры, которые поднимают здание над землей или водоем. В форме древесины они традиционно использовались в народной архитектуре Азии и Скандинавии или везде, где коренные народы жили у кромки воды. Их также можно использовать в районах, подверженных ураганам или наводнениям, чтобы поднять конструкцию выше уровня штормовых нагонов.

Первопроходцем в создании современных пилотных зданий был архитектор Ле Корбюзье, который использовал их как функционально в качестве опорных колонн на уровне земли, так и философски как инструмент для освобождения от жесткости традиционных планировок, позволяя создавать эффективные здания как «машины для жизни».

См. Pilotis для получения дополнительной информации.

термин «пирс» может использоваться как синонимы для нескольких различных строительных элементов. В общем, это вертикальная опора для конструкции или надстройки, но это также может относиться к участкам несущих структурных стен между проемами и различными типами колонны .

См .: Пирсы для получения дополнительной информации.

Слово «столб» взаимозаменяемо со словом «столбец», хотя обычно оно используется по отношению к меньшим структурным элементам, которые в некоторых случаях могут быть независимыми, а не частью более широкой структуры.

[править] Завязанный

Узловой столб — это каменная опора, высеченная в виде двух или четырех колонн, соединенных узлом. Узел в столбцах предназначен для представления различных духовных посланий, связанных с человечеством и его отношением к Святой Троице.

См .: Завязанный столбец для получения дополнительной информации.

ИНТЕГРАЦИЯ БЕТОННЫХ СТЕНОК С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СТРОИТЕЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ

ВВЕДЕНИЕ

Металлические постройки широко используются для складов и других сооружений, требующих больших открытых площадей. Частично гибкость их дизайна обусловлена ​​способностью облицовывать металлические здания различными материалами, чтобы придать зданиям различный внешний вид или функции.Бетонные стены из кирпича являются популярными системами ограждения металлических зданий из-за эстетической привлекательности, ударопрочности, прочности и огнестойкости кладки. Прочность бетонной кладки выдерживает случайные удары ручных тележек и вилочных погрузчиков, обеспечивает максимальную защиту от стихийных бедствий, таких как землетрясения и ураганы, а также превосходную безопасность, огнестойкость и контроль шума.

Стены из бетонной кладки, используемые для металлических зданий, могут включать: внешние стены в полную высоту с парапетом или без него; наружные частичные стены или стены из обшивки; и внутренние несущие стены или ненесущие стены или перегородки.Архитектурные бетонные блоки для каменной кладки, такие как цветные, полированные, полированные или рифленые блоки, могут использоваться для создания практически безграничного набора текстур и узоров для стен. Эти блоки могут использоваться для всего фасада или для полос для создания определенных узоров или выделения определенных аспектов дизайна здания.

Более подробное обсуждение системы, наряду со структурным проектированием и конструктивными соображениями, включено в Бетонные стены для металлических строительных систем (см.1). Руководство предназначено для преодоления разрыва между инженером, который проектирует систему металлического здания, и инженером, который проектирует бетонные стены из каменной кладки, чтобы объединить их соответствующие знания.

ПОДРОБНЕЕ

Типичное металлическое здание, облицованное каменной кладкой, показано на рисунке 1. На рисунках 2–6 показаны некоторые типичные детали, используемые для наружной облицовки бетонной кладкой металлического здания. Эти детали, возможно, потребуется изменить для соответствия индивидуальным проектным условиям.

Из-за существенных различий в материалах между сталью и каменной кладкой необходимо внимательно рассмотреть возможность учета различного перемещения между двумя материалами и их сборками. В соображениях эксплуатационной пригодности для малоэтажных зданий (см. 2) для малоэтажных зданий с наружными каменными стенами, укрепленными вертикально, предлагается предел бокового сноса H / 100 для повторяющейся в течение десяти лет ветровой нагрузки, основанный на основных нагрузках системы сопротивления ветровой силе. . См. Таблицу 12.12.1 ASCE 7 (ссылка 4) для допустимого смещения этажа для сейсмической нагрузки. Большинство армированных каменных стен для металлических зданий спроектированы так, чтобы перекрывать их по вертикали, опираясь на стальную перемычку вверху и фундамент внизу.

Настенное основание

Из-за несовместимости жесткости и деформации гибкой стали и жестких блоков каменной кладки и, следовательно, для контроля местоположения трещин в стенах кладки, которые могут возникнуть в результате относительно больших прогибов стального каркаса в верхней части конструкции, можно использовать «шарнир». встроен в основание каменной кладки, чтобы позволить вращение вне плоскости.

Два таких шарнирных соединения показаны на рисунках 2 и 3. В конструкции, показанной на рисунке 2, используется гидроизоляция сквозь стенку для разрыва соединения в основании стены, обеспечивая условия простой опоры, позволяющие перенос сдвига, но без момента для выхода из положения. загрузка самолета. Во многих случаях сила сдвига может быть адекватно передана посредством трения через стык оплавленного слоя. Однако рекомендуется обеспечить соединение с положительным сдвигом, протянув фундаментные дюбели поперек стыка.Рекомендуется минимизировать количество стержней, проходящих через горизонтальное соединение, и ограничить удлинение до 2 дюймов (51 мм), чтобы гарантировать, что соединение будет вести себя так, как предполагалось. Следовательно, каждый вертикальный стержень, необходимый для прочности на критических участках, не обязательно должен проходить через соединение.

Стены из кирпичной кладки, работающие на сдвиг, очень прочные и жесткие и часто используются для противодействия боковым нагрузкам. Однако секции каменной стены, используемые в качестве сегментов стены, работающей на сдвиг, должны иметь вертикальное армирование, непрерывное в фундамент, как показано на Рисунке 3.На уровне пола также предусмотрена обшивка, чтобы стена могла вращаться вне плоскости из-за сноса здания. В «Бетонные стены для металлических строительных систем» (ссылка 1) включены средства проектирования для плоских и внеплоскостных армированных каменных стен, а также для перемычек и анкерных болтов. В Приложении C также представлены примеры проектирования с использованием популярного, простого в использовании программного обеспечения NCMA для проектирования строительных конструкций (ссылка 3). Как показано на Рисунке 4, эти стены обычно проходят вертикально и с боков поддерживаются перемычкой в ​​верхней части кирпичной части стены.

Когда кладка спроектирована с базовым шарниром, важно правильно детализировать углы здания, чтобы они соответствовали движениям. Вертикальный изоляционный шов следует разместить рядом с углом здания, и необходимо уделить должное внимание стыковке каменной кладки и стальным соединениям на угловых колоннах. Следует использовать гибкие анкеры и / или соединения с пазами.

Рисунок 1 — Схема металлического здания, облицованного бетонными каменными стенами
Рисунок 2 — Боковая стена из железобетонной кладки с вертикальным простиранием на фундаменте для сегмента стены, отличного от сдвига
Рисунок 3 — Деталь сегмента вертикально перекрывающейся железобетонной стены с поперечным сдвигом стены на фундаменте
Рисунок 4 — Стена с одинарным витком без парапета у низкой боковой стены или карниза (см. Также рисунок 6)

Стены Wainscot

Хотя каменные стены в полную высоту дают наибольшую пользу, особенно когда кладка используется для стен со сдвигом, иногда используются стены неполной высоты или обшивка.Эти стены обычно имеют высоту от 4 до 10 футов (от 1,2 до 3,0 м) со стенами из металлических панелей, простирающимися от верха кладки до крыши. Кладка обеспечивает прочность и ударопрочность той части стены, которая наиболее подвержена повреждениям.

Деталь колонны

На рис. 5 показано соединение колонны жесткого каркаса с боковыми стенками бетонной кладки с совпадающим вертикальным контрольным швом. На деталях показаны регулируемые по вертикали анкеры для колонн, соединяющие стену с колонной. Для стен, предназначенных для вертикального перекрытия, рекомендуется предусмотреть номинальное количество анкеров, соединяющих стену с колонной, чтобы придать краю стены жесткость и прочность.Если эти анкеры достаточно жесткие, они могут помочь в поперечной фиксации внешнего фланца колонны. Для больших боковых нагрузок могут потребоваться более прочные соединения. Крепление к колоннам торцевой стены очень похоже.

Рисунок 5 — Регулируемое анкерное соединение с жесткой рамной колонной и узлом управляющего соединения

Деталь перемычки

Типичная деталь перемычки показана на рисунке 6.Перемычки следует размещать как можно выше, чтобы уменьшить пролёт кладки над перемычкой, особенно на стенах с парапетами. В зависимости от используемой конфигурации жесткой рамы, жесткие соединительные пластины рамы и диагональные ребра жесткости могут ограничивать расположение перемычки. Спандрель разработан производителем металлоконструкций. Если необходимо закрепить внутренний фланец перемычки, производитель металлических конструкций покажет на чертежах, где требуются распорки, а также информацию, необходимую инженеру-каменщику для их проектирования и их крепления к стене.

Прокладочные пластины следует использовать на соединениях перемычки / кирпичной кладки, чтобы учесть изгиб перемычки и другие строительные допуски (см. Рисунок 6). Никогда не подтягивайте стальную перемычку к кирпичной стене, затягивая анкерные болты.

Рисунок 6 — Конструктивная перемычка для боковой нагрузки Деталь

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА

Как правило, строительство металлических зданий с бетонными стенами из каменной кладки происходит следующим образом: бетонирование фундаментов и установка колонн; бетонная кладка фундамента, возведение стены до уровня; укладка бетонной плиты; стальной монтаж; и бетонная кладка стен.Обратите внимание, однако, что эту последовательность может потребоваться изменить для удовлетворения потребностей конкретного проекта. Например, эта последовательность строительства изменяется при использовании несущих торцевых стен. В этом случае сталь, поддерживаемая кладкой, возводится после того, как кладка стены уложена.

Координация различных профессий важна для эффективного строительства. Предстроительные конференции — отличный способ для подрядчиков и субподрядчиков согласовать график строительства и избежать конфликтов и задержек.

Список литературы

  1. Бетонные стены для металлических строительных систем, TR 149A. Национальная ассоциация каменщиков из бетона, Ассоциация производителей металлических зданий, Международный совет по кодам, 2011.
  2. Соображения по проектированию эксплуатационной пригодности стальных зданий, AISC Steel Design Guide # 3. Американский институт стальных конструкций, 2003 г.
  3. Программное обеспечение системы проектирования каменной кладки. Национальная ассоциация бетонных кладок, Ассоциация глиняных изделий западных штатов, Ассоциация кирпичной промышленности и Международный совет по кодексу, 2010 г.
  4. Минимальные расчетные нагрузки для зданий и других конструкций, ASCE 7-05. Американское общество инженеров-строителей, 2005 г.

NCMA TEK 5-5B, редакция 2011 г.

NCMA и компании, распространяющие эту техническую информацию, не несут никакой ответственности за точность и применение информации, содержащейся в этой публикации.

Стальные трубчатые колонны, армированные бетоном, при осевой и поперечной циклической нагрузке

Для исследования поведения колонн SRCFT и сравнения их с CFT для анализа были рассмотрены 12 образцов CFT и SRCFT в двух группах, как показано на Рис.8 и 9 соответственно.

Рис.8

Площадь поперечного сечения первой группы колонн SRCFT

Рис.9

Площадь поперечного сечения второй группы колонн SRCFT

Для проведения анализа были рассмотрены некоторые допущения со следующими деталями:

  • Колонна не тонкая, и все узлы ограничены основанием и вершиной колонн.

  • Внутренняя стальная арматура была выбрана из стандартных профилей и размеров DIN.Кроме того, геометрические параметры образцов CFT контролируются с помощью кодов BS 5400-1 (1990) и EC4 (1994).

  • Единицы измерения длины и силы — миллиметры и ньютоны соответственно.

  • Столбцы считаются столбцами с фиксированным концом.

  • Модуль упругости стали имеет вид E s = 2E5 МПа.

  • Предел текучести стали имеет вид f y = 240 МПа.

  • Прочность бетона на сжатие составляет f c ′ = 40 МПа.

  • Бетонный модуль упругости бетона имеет вид E c = 3E4 МПа.

  • Длина образцов, L = 6000 мм.

  • Отношение площади стальной арматуры к общей площади поперечного сечения = ρ s .

  • Круглая колонна SRCFT, усиленная стальным профилем IPB (120, 160, 200), стальным профилем 2 IPE и поперечным стальным профилем соответственно = CB (120, 160, 200), C 2 IPE, C-Cross.

  • Квадратная колонна SRCFT, усиленная стальным профилем IPB (120, 160, 200), стальным профилем 2 IPE и поперечным стальным профилем соответственно = SB (120, 160, 200), S 2 IPE, S-Cross.

  • Круглый столбец CFT и квадратный столбец CFT, соответственно = C-CFT, S-CFT.

Характеристики первой и второй групп столбцов SRCFT приведены в таблице 3.

Таблица 3 Технические характеристики колонок SRCFT

Влияние соотношения арматурной стальной секции

Для исследования соотношения общей площади стальной секции были проанализированы первые две обычные круглые и квадратные колонны CFT (C-CFT и S-CFT). Затем, чтобы исследовать влияние стального арматурного профиля, были проанализированы три типа круглых и квадратных профилей CFT, каждый из которых усилен IPB120, IPB160 и IPB200. На рис. 10а, б показаны сравнительные кривые нагрузки и поперечного прогиба круглых и квадратных колонн соответственно.Как и ожидалось, при увеличении ρ s грузоподъемность секций увеличивается.

Рис.10

a Круглые колонки SRCFT, b квадратные колонки SRCFT

Таким образом, изменение соотношения армирующей стали оказало значительное влияние на характеристики колонн SRCFT при осевой нагрузке, так что снижение нагрузки в колоннах SRCFT с более низким ρ больше, чем в состояниях, в которых коэффициент армирования был выше из-за большего поперечного сечения. -площадь стальных арматурных профилей.

Однако на рис. 11, чтобы точно исследовать влияние ρ s на увеличение несущей способности колонн SRCFT, были указаны приращения прочности в образцах SRCFT по сравнению с сечением CFT. Рисунок 11 показывает, что с увеличением осевой деформации осевая нагрузка увеличивается. Таким образом, для образца CB200 при осевой деформации около 10 мм это приращение составляет около 50%, а при осевой деформации около 60 мм это приращение составляет около 100%.

Рис. 11

Процент увеличения прочности SRCFT по сравнению с CFT

Это показывает, что увеличение несущей способности колонны после уровня пост-продольного изгиба более очевидно и ощутимо. Кроме того, очевидно, что увеличение несущей способности круглых колонн SRCFT превосходит таковое у квадратных секций. Существенным моментом является то, что в квадратных колоннах CFT коробление под нагрузкой происходит на стальной оболочке при осевой деформации около 28 мм. С другой стороны, при армировании секции CFT арматурной стальной секцией грузоподъемность колонны увеличивается, и не происходит локального коробления стальной оболочки.Кроме того, колонна способна выдерживать больше прогибов.

На рис. 12а, б представлена ​​деформированная форма квадратной колонны CFT до и после армирования стальным профилем соответственно. Как показано на рис. 12a, в обычных квадратных колоннах CFT коробление и отделение стальной оболочки от бетонного ядра происходит в средней точке длины колонны. Однако эта секция после усиления стальной секцией (рис. 12b) не показывает никакой локальной потери устойчивости, а потеря прочности происходит только из-за общей потери устойчивости колонны.

Рис. 12

a Деформированная форма квадратной колонны CFT до использования арматурного стального профиля, b Деформированная форма квадратной колонны CFT после использования арматурного стального профиля

Влияние типов арматурного стального профиля

Для исследования влияния формы стального профиля на прирост прочности колонны был проанализирован первый, круглый и квадратный образцы CFT (C-CFT и S-CFT) каждой группы. Затем три типа круглых колонн SRCFT (C-Cross, CB 200 и C 2 IPE) и квадратных колонн SRCFT (S-Cross, SB 200 и S 2 IPE) каждой группы с одинаковой площадью поперечного сечения арматуры. проанализированы стальные профили (IPB200, 2 IPE и поперечное сечение).На рис. 13а, б показаны кривые осевой нагрузки – осевого деформирования образцов первой и второй групп соответственно. На рис. 13а показано, что предел текучести и жесткость образца C-Cross выше, чем у образцов CB 200 и C 2 IPE. Эти результаты ясно показывают значительное влияние арматурного стального профиля на поведение колонн SRCFT. Следовательно, образец C-Cross показал лучшее поведение при нагрузке и прогибе, чем образцы CB 200 и C 2 IPE, в отношении более стабильного поведения после продольного изгиба с допустимой нисходящей ветвью деградации прочности.Влияние более высокого момента инерции стальных арматурных профилей C-Cross и удерживающий эффект бетона были основными причинами лучшего поведения и помогли задержать образование внутренних трещин раскола по длине стальных профилей. Стоит отметить, что образец SRCFT показывает соответствующее поведение по сравнению с образцом CFT из-за использования арматурного стального профиля.

Рис.13

a Круглые колонки SRCFT, b квадратные колонки SRCFT

Рисунок 13 демонстрирует, что при осевой нагрузке, при небольших прогибах, форма арматурного стального профиля не влияет на прочность колонн SRCFT.Однако при больших прогибах эффект арматуры стального профиля проявляется постепенно. Кроме того, наблюдается, что секции S-Cross, SB 200 и S 2 IPE оказывают наибольшее влияние на прирост прочности колонн SRCFT, соответственно.

Эффект взаимодействия стали и бетона

Для лучшей реализации механизма взаимодействия используются три типа круглых колонн SRCFT (C-Cross, CB 200 и C 2 IPE) и квадратные колонны SRCFT (S-Cross, SB 200 и S 2 IPE) из каждой группы.Образцы нагружали осевым сжатием. Геометрические характеристики и характеристики материала образцов представлены в таблице 3. Для этого сначала отдельно были проанализированы профили из арматурной стали (нержавеющая сталь) и CFT. Затем наложенные кривые, полученные при добавлении секции из нержавеющей стали и секции CFT, сравнивались с кривыми, полученными при анализе образцов SRCFT.

На рис. 14a, b показаны реакции осевой нагрузки и осевого смещения круглых и квадратных образцов SRCFT, армированных двумя стальными секциями IPE, соответственно.

Рис.14

a Круглый SRCFT (C 2 IPE), b квадратный SRCFT (S 2 IPE)

Принимая во внимание кривые SRCFT и St.Steel + CFT, полученные на основе анализа образца C 2 IPE, очевидно, что на линейном участке кривых взаимодействие между сталью и бетоном не оказало большего влияния на нагрузку. грузоподъемность колонн. После этого момента этот механизм очень эффективен, потому что бетон предотвращает локальное продольное изгибание арматурной стальной секции, а трение на границе раздела между арматурной стальной секцией и бетонной поверхностью вызовет больший переход контактного напряжения между двумя поверхностями и, следовательно, осевую нагрузку. ношение образца будет увеличено.

Рассматривая рис. 14, очевидно, что снижение осевой прочности в колонне SRCFT началось при деформации, равной 20 мм, тогда как эта величина для образца St.Steel + CFT составляет примерно 12 мм; Таким образом, можно понять важную роль контактного напряжения в увеличении осевой прочности.

На рисунке 15 показан процент прироста прочности круглых и квадратных образцов SRCFT в сравнении с наложенной прочностью арматурного стального профиля и образца CFT (St.Сталь + CFT) соответствующих образцов SRCFT. Для сравнения в качестве эталона были выбраны образцы CFT каждой группы. Рассматривая оболочки на рис. 15, можно заметить, что взаимодействие между сталью и бетоном в круглом сечении значительно выше, чем в квадратных сечениях. Кроме того, прочность и характеристики двух образцов IPE с точки зрения взаимодействия стали и бетона выше, чем сечение B 200. Кроме того, прочность и характеристики B 200 выше, чем у крестообразного сечения.В колонне SRCFT, армированной 2 секциями IPE, прирост прочности колонн SRCFT в точке прогиба около 60 мм составляет около 75% по сравнению с наложенной прочностью арматурной стальной секции и колонны CFT.

Рис. 15

Процент увеличения прочности SRCFT по сравнению с CFT

Коррозия закладных материалов

Коррозия арматурной стали и других закладных металлов является основной причиной разрушения бетона. Когда сталь подвергается коррозии, образующаяся ржавчина занимает больший объем, чем сталь.Это расширение создает в бетоне растягивающие напряжения, которые в конечном итоге могут вызвать растрескивание, расслоение и отслаивание.

Сталь подвержена коррозии, потому что это не встречающийся в природе материал. Скорее, железная руда выплавляется и очищается для производства стали. Этапы производства, которые превращают железную руду в сталь, добавляют металлу энергии.

Сталь, как и большинство металлов, за исключением золота и платины, термодинамически нестабильна при нормальных атмосферных условиях, выделяет энергию и возвращается в свое естественное состояние — оксид железа или ржавчину.Этот процесс называется коррозией.

Для возникновения коррозии должны присутствовать следующие элементы:

  • Должны быть как минимум два металла (или два участка на одном металле) с разными уровнями энергии
  • электролит
  • металлическое соединение

В железобетоне арматурный стержень может иметь много отдельных участков с разными уровнями энергии. Бетон действует как электролит, а металлическое соединение обеспечивается проволочными стяжками, опорами стульев или самой арматурой.

Коррозия — это электрохимический процесс, связанный с потоком зарядов (электронов и ионов). В активных участках стержня, называемых анодами, атомы железа теряют электроны и переходят в окружающий бетон в виде ионов железа. Этот процесс называется реакцией окисления полуячейки или анодной реакцией и представлен как:

2Fe → 2Fe 2+ + 4e

Электроны остаются в стержне и текут к участкам, называемым катоды, где они соединяются с водой и кислородом в бетоне.Реакция на катоде называется реакцией восстановления. Обычная реакция восстановления:

2H 2 O + O 2 + 4e → 4OH

Для поддержания электрической нейтральности ионы двухвалентного железа мигрируют через поры бетона и попадают в них. катодные участки, где они объединяются с образованием гидроксидов железа или ржавчины:

2Fe 2+ + 4OH → 2Fe (OH)

Этот начальный осажденный гидроксид имеет тенденцию далее реагировать с кислородом с образованием более высоких оксидов.Увеличение объема по мере дальнейшей реакции продуктов реакции с растворенным кислородом приводит к внутреннему напряжению в бетоне, которого может быть достаточно, чтобы вызвать растрескивание и отслаивание бетонного покрытия.

Коррозию металлических заделок в бетоне можно значительно снизить, укладывая бетон без трещин, с низкой проницаемостью и достаточным бетонным покрытием. Бетон с низкой проницаемостью может быть получен за счет уменьшения отношения воды к вяжущим материалам в бетоне и использования пуццоланов и шлака.Пуццоланы и шлак также увеличивают удельное сопротивление бетона, тем самым снижая скорость коррозии даже после ее возникновения. ACI 318-11, Строительные нормы и правила для конструкционного бетона содержат минимальные требования к бетонному покрытию, которые помогут защитить металлические конструкции от коррозионных материалов. Дополнительные меры по снижению коррозии стальной арматуры в бетоне включают использование добавок, замедляющих коррозию, покрытие арматуры (например, эпоксидной смолой) и использование герметиков и мембран на поверхности бетона.Герметики и мембраны, если они используются, необходимо периодически повторно наносить.

Бетон и пассивный слой

Хотя сталь естественным образом склонна к коррозионным реакциям, щелочная среда бетона (pH от 12 до 13) обеспечивает защиту стали от коррозии. При высоком pH на стали образуется тонкий оксидный слой, предотвращающий растворение атомов металла. Эта пассивная пленка фактически не останавливает коррозию; снижает скорость коррозии до незначительного уровня. Для стали в бетоне скорость пассивной коррозии обычно равна 0.1 мкм в год. Без пассивной пленки скорость коррозии стали бы как минимум в 1000 раз выше (ACI222 2001).

Благодаря присущей бетону защите, арматурная сталь не подвергается коррозии в большинстве бетонных элементов и конструкций. Однако при разрушении пассивного слоя может возникнуть коррозия. Разрушение пассивного слоя происходит при снижении щелочности бетона или повышении концентрации хлоридов в бетоне до определенного уровня.

Роль хлорид-ионов

Воздействие хлорид-ионов на железобетон является основной причиной преждевременной коррозии стальной арматуры. Проникновение хлорид-ионов, присутствующих в солях для борьбы с обледенением и морской воде, в железобетон может вызвать коррозию стали, если кислород и влага также доступны для поддержания реакции. Растворенные в воде хлориды могут проникать через прочный бетон или попадать в сталь через трещины. Примеси, содержащие хлориды, также могут вызывать коррозию.

Ни один другой загрязнитель не задокументирован так подробно в литературе как причина коррозии металлов в бетоне, чем ионы хлора. Механизм, с помощью которого хлориды вызывают коррозию, не совсем понятен, но наиболее популярная теория заключается в том, что ионы хлора проникают через защитную оксидную пленку легче, чем другие ионы, что делает сталь уязвимой для коррозии.

Риск коррозии увеличивается с увеличением содержания хлоридов в бетоне. Когда содержание хлоридов на поверхности стали превышает определенный предел, называемый пороговым значением, возникает коррозия, если также доступны вода и кислород.Исследования Федерального управления шоссейных дорог (FHWA) показали, что пороговый предел в 0,20 процента общего (растворимого в кислоте) хлорида от веса цемента может вызвать коррозию арматурной стали в настилах мостов (Clear 1976). Однако только водорастворимые хлориды способствуют коррозии; некоторые растворимые в кислоте хлориды могут быть связаны в агрегатах и, следовательно, не могут способствовать коррозии. Работа в FHWA (Clear 1973) показала, что коэффициент преобразования кислотно-растворимых хлоридов в водорастворимые может варьироваться от 0.От 35 до 0,90, в зависимости от состава и истории бетона. Произвольно было выбрано 0,75, в результате чего предел растворимости в воде хлоридов составляет 0,15% от веса цемента.

Хотя хлориды несут прямую ответственность за возникновение коррозии, они, по-видимому, играют лишь косвенную роль в скорости коррозии после ее возникновения. Основными факторами, регулирующими скорость, являются доступность кислорода, удельное электрическое сопротивление и относительная влажность бетона, а также pH и температура.

Карбонизация

Карбонизация происходит, когда двуокись углерода из воздуха проникает в бетон и вступает в реакцию с гидроксидами, такими как гидроксид кальция, с образованием карбонатов. В реакции с гидроксидом кальция образуется карбонат кальция:

Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O

Эта реакция снижает pH раствора пор до 8,5, при котором пассивная пленка сталь нестабильна.

Карбонизация — обычно медленный процесс. Было подсчитано, что в высококачественном бетоне карбонизация будет происходить со скоростью до 0,04 дюйма в год. Уровень карбонизации значительно увеличивается в бетоне с высоким водоцементным отношением, низким содержанием цемента, коротким периодом отверждения, низкой прочностью и высокопроницаемой или пористой пастой.

Карбонизация сильно зависит от относительной влажности бетона. Самый высокий уровень карбонизации наблюдается при относительной влажности от 50 до 75 процентов.При относительной влажности ниже 25% степень карбонизации считается незначительной. При относительной влажности выше 75% влага в порах ограничивает проникновение CO2. Коррозия, вызванная карбонизацией, часто возникает на участках фасадов зданий, которые подвергаются воздействию дождя, затенены от солнечного света и имеют низкое бетонное покрытие над арматурной сталью.

Карбонизация бетона также снижает количество хлорид-ионов, необходимых для ускорения коррозии. В новом бетоне с pH от 12 до 13 требуется от 7000 до 8000 ppm хлоридов, чтобы вызвать коррозию закладной стали.Однако, если pH понижается до диапазона от 10 до 11, пороговое значение хлоридов для коррозии значительно ниже — на уровне или ниже 100 частей на миллион. Однако, как и ионы хлора, карбонизация разрушает пассивную пленку армирования, но не влияет на скорость коррозии.

Пример карбонизации на фасаде здания.

Коррозия разнородных металлов

Когда два разных металла, такие как алюминий и сталь, контактируют в бетоне, может возникнуть коррозия, потому что каждый металл обладает уникальным электрохимическим потенциалом.Знакомый тип коррозии разнородных металлов происходит в обычной батарее фонарика. Цинковый корпус и угольный стержень — это два металла, а влажная паста действует как электролит. Когда углерод и цинк соединены проволокой, течет ток. В железобетоне коррозия разнородных металлов может происходить на балконах, где закладные алюминиевые перила контактируют с арматурной сталью. Ниже приведен список металлов в порядке электрохимической активности:

1. Цинк 5. Никель 9.Медь

2. Алюминий 6. Олово 10. Бронза

3. Сталь 7. Свинец 11. Нержавеющая сталь

4. Железо 8. Латунь 12. Золото

Когда металлы контактируют в активном электролите, тем меньше активный металл (нижнее число) в серии корродирует.

Список литературы

Комитет ACI 222, Защита металлов в бетоне от коррозии , ACI 222R-01, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган, 2001, 41 страница.

Комитет ACI 318, Требования строительных норм для конструкционного бетона , ACI 318-05, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган, 2005 г., 443 страницы.

Клир, К.С., и Хэй, Р.Э., «Время до коррозии арматурной стали в бетонной плите, V.1: Влияние параметров проектирования и строительства смеси», FHWA-RD-73-32, Федеральное управление шоссейных дорог, Вашингтон, Округ Колумбия, апрель 1973 г., 103 страницы.

Clear K.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

ЮК «Эгида-Сочи» - недвижимость.

Наш принцип – Ваша правовая безопасность и совместный успех!

2023 © Все права защищены.


Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее cd b Среднее
1,54 1,49 1,48 1,62
Холлистер 24.03.1974 1,28 1,39
1,54 Империал Вэлли 907 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 1,58 1,76
Сан-Фернандо 02.09.1971 1,73 1,92



Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее

1,34 1,50 1,97 1,90
Холлистер 24.03.1974 1,51 1,29
1,51
Паркфилд 28.06.1966 1,48 2,13
Сан-Фернандо 02.09.1971 1,63 2,34



Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее значение


1,69 1,99 2,20 2,17
Холлистер 24.03.1974 2,06 1,79
Империал Вэлли 907 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 1,64 2,32
Сан-Фернандо 02.09.1971 2,34 2,64



Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее


1,57 1,69 1,89 2,13
Холлистер 24.03.1974 1,85 2,04
1.85 Империал Вэлли 5/19/1919
Паркфилд 28.06.1966 1,71 2,19
Сан-Фернандо 02.09.1971 1,87 3,16


Образец Избранные сейсмические волны cd c Среднее значение cd b Среднее значение

1283

1,14 1,32 1,95 2,03
Холлистер 24.03.1974 1,66 1,29
Империал Вэлли 5/19/1919
Parkfield 28.06.1966 1,23 1,34
Сан-Фернандо 02.09.1971 1,58 3,22