Капительные стыки колонн с плитами перекрытий часто применяют при проектировании нежилых зданий с пролетами более 6 м, а также при больших нагрузках на плиты (например, в подземных и надземных паркингах, торгово-офисных, складских зданиях, а также в различных промышленных сооружениях). Но не смотря на частое использование при проектировании, в наших обязательных нормативных документах нет требований по конструированию и расчету капителей, как отдельного конструктивного элемента. Например, СП 63.13330 (который является обязательным) относит капители к специфическим конструкциям: «Настоящий свод правил не содержит требования по проектированию специфических конструкций (пустотные плиты, конструкции с подрезками, капители и т.п.)«. Так как в терминах и определениях данного нормативного документа авторы не указали, что считать конструкциями с подрезками, и что «капителями и т.п.», остается только предполагать, что речь идет о классических капителях (т.е. утолщениях верхней части колонн), а подрезки — это местное изменение сечения в плите или балке с широкого на более узкое. При отсутствии определений, например, «подрезкой» или конструкцией подобной капители можно также считать короткие консоли колонн, расчет которых приводится в приложении Ж СП 63. Такая путаница получается из-за того, что только небольшая часть нормативных документов по железобетонным конструкциям стала обязательной и многие очевидные для авторов норм понятия приходится уточнять для правильного понимания требований этих документов.
Известно, что капители стали применять в качестве дополнительного конструктивного элемента после создания железобетона, до этого капитель была лишь архитектурным элементом оформления верхней части колонны, т. е. декоративным элементом оформления колонны. С появлением железобетонных конструкций и железобетонных перекрытий их стали использовать для уменьшения пролета плиты, распределения сконцентрированных надколонных моментов, повышения общей жесткости соединения плиты с колонной и уменьшения горизонтальные смещений плит, уменьшения расчетной длины колонн, повышения несущей способности перекрытий на продавливание и уменьшения их прогибов. Со временем их стали применять в зданиях, рассчитываемых на сейсмические воздействия, а также в зданиях рассчитываемых на прогрессирующее обрушение, так как их наличие повышало надежность таких зданий. Появилась потребность и в расчете самих капителей. В России упоминания о капителях при проектировании конструкций начали появляться в начале прошлого века. В частности, при проектировании монолитных перекрытий с капителями. На сегодняшний день об особенностях проектирования капителей написано в нормативных документах разных стран, но в российских обязательных нормах по железобетону требований к их расчету проектированию пока нет.
Чтобы разобраться, является ли конструкция капителью или это утолщение плиты с «подрезкой» в обратную сторону, стоит изучить требования к капителям в зарубежных нормативных документах, а также в технической литературе у нас.
По рекомендациям, описанным в «НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ по теме: Разработка методики расчета и конструирования монолитных железобетонных безбалочных перекрытий, фундаментных плит и ростверков на продавливание», авторами которого являются и авторы СП 63, проверку прямоугольной капители на продавливание следует проводить при ее вылете за грань колонны более чем в полтора раза превышающем толщину. При меньшем вылете продавливание проверяют в плите за гранью капители. То есть, авторы считают, что при вылете менее 1,5 высоты утолщение можно считать классической капителью (утолщением колонны).
В зарубежной (а также в советской) литературе и нормативных документах используется понятие эффективной ширины оголовка колонны (расчетной ширины капители). Эта ширина ограничивается линиями идущими под углом 45 градусов от центральной оси колонны до нижней поверхности плиты и не зависит от реальной ширины верхней части капители, т.е. если угол наклона более 45 градусов, эффективная ширина все равно принимается не более ширины, ограниченной конусом с гранями, идущими под 45 градусов от оси колонны к плите. Это предположение, в частности, подтверждается экспериментально и аналитически в статье «Experimental and numerical analysis of reinforced concrete mushroom slabs. A. F. Lima Neto; M. P. Ferreira; D. R. C. Oliveira; G. S. S. A. Melo». Со статьей можно ознакомиться по ссылке: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1983-41952013000200007&script=sci_arttext&tlng=en.
При небольших углах наклона граней капители, теоретически, она может работать и на изгиб (например, при отношении вылета капители к высоте 1/10 и менее), но классическая капитель с углом наклона граней 45 градусов, работает на сжатие по наклонной сжатой бетонной полосе и изгибаемым элементом не является. Её расчет аналогичен расчету короткой консоли, входящей в состав жесткого (рамного) узла, указанного в приложении «Ж» СП 63.
На рисунке 3 показан пример армирования классической, капители из книги «Manual for detailing reinforced concrete structures to EC2. Jose Calavera. 2012»:
Данная капитель является классической конусообразной капителью колонны, которая армируется наклонными стержнями, которые анкеруются снизу — в колонну, а сверху — в плиту капители. Наклонные стержни охватываются, как обручами, хомутами капители. Кроме этого, внутри капители показаны хомуты колонны, возможно конструктивно (для фиксации вертикальной арматуры). В верхней части капители показана капительная плита. Эту плиту добавляют при больших нагрузках для большего уменьшения пролета и увеличения контура продавливания в вышележащей плите.
В Советском Союзе капители применяли часто, так как они позволяли экономить арматуру, которой, в те времена не хватало. О капителях, к примеру, написано в книге Штаермана и Ивянского «Безбалочные перекрытия. Москва 1953 г.». Фрагмент из книги: «Размеры капителей должны быть обоснованы и каждый раз проверены расчетом плиты на главные растягивающие напряжения по периметру в местах перелома капителей. При средних величинах нагрузок наиболее целесообразными и экономичными являются размеры капителей, равные 0,35 пролета при расчетной ширине капители С, равной примерно 0,22l. Расчетная ширина капители С должна быть во всех случаях не меньше 0,2l, а верхние наружные размеры капители при капителях I и II — не менее 0,35 величины соответствующего пролета l и при капителях типа III — не менее 0,2l. Армирование капители в огромном большинстве случаев по расчету не требуется, так как сечение ее настолько велико, что растягивающие усилия у наружных граней капители не возникают, а сжимающие усилия всегда меньше допускаемых. Поэтому армирование капителей производится только по конструктивным соображениям для обеспечения лучшей связи ее с колонной и плитой. Прямые капители (без изломов) армируются обычно прямыми стержнями диаметром 8-10 мм, поставленными по углам и по середине сторон и стянутыми по высоте 3-4 хомутами диаметром 6 мм (рис. 5,а). Капители с изломом армируются так же, как прямые капители (рис. 5,б), полукапители пристенных колонн армируются так же, как и средние капители. В капителях с надкапительной плитой капитель армируется, как прямая капитель, а в надкапительной плите, в которой возникают только сжимающие усилия, расчетной арматуры не требуется. Она армируется только по конструктивным соображениям сеткой из стержней диаметром 8-10 мм через 10-15 см с концами, отогнутыми вверх под прямым углом (рис. 5,в)».
Некоторую информацию о расчете монолитных капителей можно также найти в «Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций. Москва 1975 г». Например, в пункте 4.8 этого документа написано о расчете на продавливание капители: «Капители рассчитываются на продавливание в наиболее слабых местах, например там, где очертание образует входящие узлы… При расчете на продавливание капителей или полукапителей, а также плиты по периметру капителей и полукапителей величина силы Р принимается равной сумме сил, передающихся через перекрытие на рассматриваемую колонну, за вычетом нагрузок, приложенных к верхнему основанию пирамиды продавливания».
В пункте 4.11 этого Руководства также даны рекомендуемые параметры ломаных капителей: «При применении квадратных или прямоугольных капителей ломаного очертания рекомендуется принимать величину Сх / lx и Cy / ly — пределах от 0,08 до 0,12; отношение высоты hk капители в месте перелома ее очертания к толщине плиты hп в пределах от hk / hп = 2 до hк / hп = 2,5″.
Классические капители с углом наклона граней 45 градусов хороши тем, что их не нужно проверять на продавливание, не нужно армировать по расчету (только конструктивно), они повышают жесткость стыка плиты с колонной и уменьшают прогибы плит. Однако, их главным минусом являются большие габариты, из-за которых возникают сложности с проводкой коммуникаций и планировкой помещений.
При уменьшении высоты капителей и увеличении угла наклона их граней в капителях возникают проблемы с продавливанием и в них устанавливают не горизонтальные, а вертикальные хомуты (или каркасы). Такие капители можно отнести к утолщению плиты.
Ниже приведены схемы определения расчетных сечений в капительных стыках по зарубежным нормам.
Расчет отдельно стоящих фундаментов с банкетками под железобетонные и стальные колонны на продавливание и на поперечную силу, также описан в главе 2 «Пособия по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений (к
О конструировании и расчете капителей также говорится в «Руководство по проектированию железобетонных конструкций с безбалочными перекрытиями. Москва Стройиздат 1979».
В некоторых зарубежных нормах можно найти запрет на бетонирование капителей отдельно от основной плиты перекрытия, поэтому данное требование также нужно иметь в виду при проектировании. При необходимости устройства холодных швов бетонирования в местах соединения капители (или банкетки) с основной плитой, данный стык необходимо проверить на сдвиг контактного шва по формуле 5.26-5.32 П 1-98 к СНиП 2.03.01-84*.
В нашей литературе можно встретить также исследования надкапительных стыков. Например, в диссертации «РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ СОПРЯЖЕНИЯ КОЛОНН С ПЕРЕКРЫТИЯМИ В БЕЗРИГЕЛЬНЫХ КАРКАСАХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ», автор проводит сравнительное экспериментально-аналитическое исследование «надкапительных» стыков и дает рекомендации по их расчету и конструированию. Основные выводы диссертации:
«Определение несущей способности перекрытия с капителями на продавливание при одновременном действии сосредоточенной силы и изгибающего момента производится по двум сечениям возможного образования трещин:
— в первом случае наклонная трещина пирамиды продавливания образуется на стыке капители и плиты, и следует до нижней поверхности перекрытия, пересекая наклонную арматуру (сеч. І-І, рис. 2);
— во втором случае наклонная трещина образуется на верхней по-верхности перекрытия, и следует под углом 45 град. к нижней поверхности плиты к месту начала отгибов наклонной арматуры (сеч. II-II, рис. 2).
1. Расчет по сечению І-І производят из условия:
где F — сосредоточенная сила от внешней нагрузки;
М — изгибающий момент от внешней нагрузки, учитываемый при расчете на продавливание;
и — предельные сосредоточенная сила и изгибающий момент, воспринимаемые бетоном по сечению І-І;
Fsw,ult и Msw,uit — предельные сосредоточенная сила и изгибающий момент, воспринимаемые наклонной арматурой.
— усилие, воспринимаемое бетоном по сечению І-І, определяется по формуле:
где Rbt — расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;
— площадь расчетного сечения І-І, расположенного на расстоянии 0,5h0 от грани колонны при h > с или на расстоянии 0,5(d+h0) при h < с (рис. 2).
— предельный изгибающий момент, воспринимаемый бетоном по сечению І-І, определяют по формуле:
— момент сопротивления расчетного контура поперечного сечения І-І.
Усилие Fsw,ult, воспринимаемое наклонной арматурой, определяется по формуле:
где Rswi, Aswi, — соответственно, расчетное сопротивление растяжению, площадь и угол наклона к горизонтали каждого наклонного арматурного стержня.
2. Расчет по сечению ІІ-ІІ производят из условия:
и — предельные сосредоточенная сила и изгибающий момент, воспринимаемые бетоном по сечению ІІ-ІІ.
В результате исследований установлено, что наличие капителей приводит к:
— повышению трещиностойкости и уменьшению прогибов перекрытия на 14 — 22%;
— снижению главных напряжений в опорных зонах перекрытий в 1,5 раза;
— повышению несущей способности стыков на продавливание
на 9 — 42%. Выявлено, что на продавливание наибольшее влияние оказывает армирование капители наклонной арматурой;
— уменьшению изгибающих моментов на опорах на 28 — 34%
и в пролетах — на 7 — 11%, а также уменьшению количества верхней
продольной арматуры на 29 — 36% и нижней продольной арматуры на 6 — 9%;
— снижению горизонтальных деформаций здания до 19%.
3. Проведенные экспериментальные исследования стыков, изготовленных в натуральную величину, показали, что применение капителей приводит к:
— повышению жесткости и трещиностойкости стыковых со
единений перекрытий с колоннами. Причем, наибольшей жесткостью обладает стык с капителью в форме цилиндра. Прогибы плит с капителями до 46% меньше прогибов плиты бескапительного стыка;
— снижению напряжений в продольной арматуре плит на 10 — 20%. Деформации в бетоне снижаются в 2 раза;
повышению несущей способности стыковых соединений на
продавливание на 20 — 50%, в зависимости от формы и размера
капителей, а также их армирования;
5. Технико-экономический анализ показал, что применение капителей приводит к снижению стоимости строительно-монтажных работ по устройству перекрытий на 10% в сравнении с бескапительными перекрытиями. Снижение стоимости устройства перекрытий происходит вследствие уменьшения расхода арматуры на 25%» .
В статье «ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЙ УСИЛЕННЫХ УЗЛОВ ОПИРАНИЯ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ НА КОЛОННЫ» авторами проведен численно-экспериментальный анализ «надкапители», и предложен вариант по усилению перекрытия «надкапителью» следующего вида:
В конце статьи, хочется обратить внимание на то, что классическую капитель, которая не требует никаких специальных расчетов и армируется конструктивно, авторы СП 63 отнесли к специфическим конструкциям и не внесли в данный нормативный документ. Из-за большой популярности этого конструктивного элемента, хотелось бы, чтобы авторы наших обязательных норм добавили определение капители и указали параметры, по которым капитель можно считать классической, а также дали рекомендации по её конструктивному армированию.
Ссылки: