При стандартном проектировании для статических нагрузок расчет соединений в железобетонных рамах обычно не является критическим и поэтому, как правило, не требуется. Однако сейсмические воздействия создают очень высокие напряжения в ограниченном объеме узлов, что делает соединения балки и колонны очень важными для сейсмической безопасности железобетонных рам.
Механизм разрушения
На изображении a) ниже показаны действующие силы из сейсмической нагрузки для внутреннего узла соединения балки и колонны.
Изображения b) и c) показывают механизм отрыва сдвиговой нагрузки в области узла. Этот механизм можно разделить на две составляющие. В первом механизме b), механизме сжатия, сдвиговая сила сосредоточена на сжатой диагональной бетонной стержне. Поперечная армировка обеспечивает обхват бетона, что позволяет стержню иметь большую деформируемость, но только до достижения предела текучести стали. Во втором механизме c), ферменном механизме, часть сдвиговой силы, обусловленная сцеплением арматуры вдоль продольной арматуры в области узла, уравновешивается ферменным механизмом, представленным бетонными сжатиями и вертикальной и горизонтальной хомутовой армировкой узловой области. Сдвиговая несущая способность определяется суммой компонентов сдвиговой силы в соответствии с этими двумя механизмами.
Внутренние и внешние узлы соединения балки и колонны
Поскольку сейсмическое поведение соединений балки и колонны значительно зависит от их расположения в пространственной (трехмерной) железобетонной раме, необходимо различать внутренние и внешние узлы.
Следующее изображение иллюстрирует сейсмические типы узлов.
Определение горизонтальной сдвиговой силы Vjdh на сердцевину бетона узла
Требуется определить для DCH
Внутри соединения балки и колонны происходит скачок в моментной диаграмме колонн. Сердцевина бетона соединения, таким образом, подвержена очень высоким сдвиговым напряжениям. Это поведение показано на следующем изображении.
Для определения горизонтальной сдвиговой силы, действующей на сердцевину соединения между главными балками и колоннами, следует учитывать наиболее неблагоприятные условия при сейсмическом воздействии. Это означает, что, например, емкости балок соединения должны сочетаться с наименьшими значениями сдвиговых сил в других элементах рамы. Действующую горизонтальную сдвиговую силу Vjdh можно, соответственно, определить согласно EC8, пп. 5.5.2.3 (1) - (3) с помощью следующих расчетных формул.
- Для внутренних узлов по (5.22)
|
As1 |
Площадь продольной арматуры балки 1 |
|
As2 |
Область продольной арматуры балки 2 |
|
VC |
Поперечная сила в колонне вышеузла j в расчётной ситуации при сейсмическом воздействии |
|
yRd |
Коэффициент учета избыточной прочности; не должен быть меньше 1,2 |
- Для внешних узлов по (5.23)
|
As1 |
Площадь продольной арматуры балки |
|
VC |
Поперечная сила колонны выше узла j в сейсмической расчётной ситуации |
|
yRd |
Коэффициент учёта сверхпрочности; не должен быть меньше 1,2 |
При определении горизонтальной сдвиговой силы Vjdh должны быть проверены все важные направления. Следовательно, сдвиговая сила в, например, y-направлении колонны вычисляется для положительной и отрицательной горизонтальной сдвиговой силы с учетом соответствующих компонентов армировки. Равновесие положительного и отрицательного направления горизонтальной узловой сдвиговой силы показано на следующем изображении (силы колонн не изображены).
Расчет
Подтверждение соединения требуется согласно EC 8 для класса пластичности DCH. Для этого требуется подтверждение несущей способности сечения для принятия диагонального сжатия и диагонального растяжения. Необходимо соблюдать конструктивные правила как для высокой пластичности (DCH), так и для средней пластичности (DCM).
Подтверждение диагонального сжатия
Требуется подтверждение для DCH
Необходимо обеспечить, чтобы диагональное сжатие, возникающее в узле, не превышало прочность бетона на сжатие при наличии поперечных растягивающих напряжений. Диагональное сжатие в данном случае получается из диагонального механизма стяжки узла. Подтверждение может быть проведено с помощью приведенных ниже уравнений. (EN 1998-1, 2013, Раздел 5.5.3.3, (5.33))
|
bj |
Рабочая ширина колонны |
|
Vjdh |
Горизонтальная поперечная сила, воздействующая на ядро бетона узлов |
|
|
Коэффициент редукции вследствие растяжений в поперечном направлении |
|
|
Относительное значение продольной силы в расчётной ситуации при сейсмическом воздействии |
|
hjc |
Расстояние между крайней арматурой колонн |
Действующая ширина узла bj
Действующая ширина узла bj может быть вычислена с помощью описанного ниже уравнения. (EN 1998-1, 2013, Раздел 5.5.3.3, (5.34a) и (5.34b))
Здесь необходимо определить действующие ширины узлов в обоих направлениях (y и z) колонны, проверяя, возможно, оба узла (+y и -y и +z и -z).
Подтверждение диагонального растяжения
Требуется подтверждение для DCH
Конструктивные правила
Необходимо учитывать для DCM и DCH
Горизонтальная обвязывающая армировка Горизонтальная обвязывающая армировка в узлах основных сейсмически нагружаемых балок и колонн не должна быть меньше, чем хомутовая армировка в критических зонах колонн, то есть обвязка должна проходить через узел.
Продольная армировка С каждой стороны должен быть предусмотрен минимум один вертикальный промежуточный стержень.