Proceedings of Petersburg Transport University

Известия Петербургского университета путей сообщения

1815-588X 2658-6851

76005

10.20295/1815-588X-2024-01-85-102

Общетехнические задачи и пути их решения

GENERAL TECHNICAL PROBLEMS AND SOLUTION APPROACH

Общетехнические задачи и пути их решения

Analysis of the stress-strain state of nodal joints of high-rise buildings taking into account climatic influences

Анализ напряженно-деформированного состояния узловых соединений высотных зданий при учете климатических воздействий

Белаш

Татьяна Александровна

Belash

Tat'yana Aleksandrovna

belashta@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

https://orcid.org/0000-0002-3809-399X

Кузнецов

Анатолий Всеволодович

Kuznecov

Anatoliy Vsevolodovich

akuznetsov@pgups.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

Володченко

Дина Геннадьевна

Volodchenko

Dina Gennad'evna

dina.volod@yandex.ru

АО «Научно-исследовательский центр «Строительство» Москва Россия JSC Research Center of Construction Moscow Russian Federation

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint Petersburg Russian Federation

ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" RU FSBEI HE "Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University" RU

29 03 2024

21 1 85 102 16 03 2024

https://atjournal.ru/en/nauka/article/76005/view

Цель: проанализировать конструктивные решения узлов сопряжения перекрытий с наружными стенами в зданиях, возводимых по монолитной технологии. Выявить дефекты и повреждения, возникающие на фасадах и дисках перекрытий с перфорацией под термовкладыши в процессе возведения и эксплуатации. Исследовать численными методами напряженно-деформированное состояние диска перекрытия на участке узлов сопряжения с наружной стеной с учетом температурных воздействий. Материалы и методы: рассмотрен стандартный вариант узлового соединения монолитного здания различной этажности. Фрагмент узла сопряжения диска перекрытия со стеной моделировался в программных комплексах Ansys и SCAD. Модель состояла из анизотропного материала — бетона и включенными в нее арматурными стержнями. Исследовалось поведение напряженного-деформированного состояние при различных температурных воздействиях. Результаты: численным способом, с учетом геометрических параметров и температурных нагрузок, выявлены закономерности, влияющие на характер изменений величин нормальных напряжений в характерных сечениях перфорированной плиты. Дана оценка существующим типам конструктивных решений. Определены места зон концентрации напряжений и их влияние на эксплуатационные качества. Практическая значимость: показано, что наиболее опасное сечение в перфорированных дисках перекрытиях под термовкладыши проходит в местах шпоночных соединений. Определено, что уязвимость в таких соединениях вызвана влиянием знакопеременных циклических температур. Установлены закономерности, приводящие к росту нормальных напряжений в местах концентрации напряжений. Предложены принципиально новые конструктивные решения, защищенные патентами на полезные модели, позволяющие снизить значения напряжений и тем самым обеспечить более высокие эксплуатационные качества в монолитных зданиях, включая и высотные.

Purpose: to analyze the design solutions of the junctions of floors with external walls in buildings erected using monolithic technology. To identify defects and damages that occur on facades and overlaps with perforations for thermal pads during construction and operation. To investigate by numerical methods the stress-strain state of the overlap disk at the junction with the outer wall, taking into account temperature influences. Materials and methods: the standard version of the nodal connection of a monolithic building of various storeys is considered. The fragment of the junction joint of the overlap disk with the wall was modeled in the Ansys and SCAD software complexes. The model consisted of an anisotropic material — concrete and reinforcement rods included in it. The behavior of the stress-strain state under various temperature influences was studied. Results: numerically, taking into account geometric parameters and temperature loads, the patterns affecting the nature of changes in the values of normal stresses in the characteristic sections of the perforated plate are revealed and the existing types of design solutions are evaluated. The locations of stress concentration zones and their impact on performance are determined. Practical significance: it is shown that the most dangerous cross-section in perforated discs of overlaps takes place at the key joints. It is determined that vulnerability in such compounds is caused by the influence of alternating cyclic temperatures. Patterns leading to an increase in normal stresses at stress concentration sites have been established. Fundamentally new design solutions have been proposed, protected by utility model patents, which allow to reduce stress values and thereby ensure higher performance in monolithic buildings, including high-rise ones.

метод конечных элементов напряженно-деформированное состояние желе- зобетонные монолитные перекрытия численные методы расчета температурно-климатические воздействия конструктивные решения

finite element method reinforced concrete monolithic slabs numerical calculation methods temperature and climatic effects

Волкова О. Е. Монолитное домостроение в современном строительстве / О. Е. Волкова, К. А. Сидоренко // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. - 2021. - Т. 1. - С. 146-149.

Volkova O. E. Monolitnoe domostroenie v sovremennom stroitel'stve / O. E. Volkova, K. A. Sidorenko // Trudy Bratskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i inzhenernye nauki. - 2021. - T. 1. - S. 146-149.

Kuznetsov A. V. Energy Efficient Design Solution for the Interface Node Between the Floor Slab and the Wall / A. V. Kuznetsov, A. M. Demin // International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2021, Novosibirsk, 11-14 мая 2021 года. - Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2022. - P. 799- 807. - DOI: 10.1007/978-3-030-96380-4_87.

Kuznetsov A. V. Energy Efficient Design Solution for the Interface Node Between the Floor Slab and the Wall / A. V. Kuznetsov, A. M. Demin // International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2021, Novosibirsk, 11-14 maya 2021 goda. - Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2022. - P. 799- 807. - DOI: 10.1007/978-3-030-96380-4_87.

Kuznetsov A. V., Zimin S. S. Temperature stresses in the perforated overlap disc / A. V. Kuznetsov, S. S. Zimin // Construction of Unique Buildings and Structures. - 2022. - No. 3(101). - P. 10103. - DOI: 10.4123.

Сидоров В. Н., Примкулов А. М. Численно-аналитическое решение нестационарной задачи теплопроводности с переменными теплофизическими параметрами среды / В. Н. Сидоров // Вестник МГСУ. - 2023. - Т. 18, № 5. - С. 685-696. - DOI: 10.22227/1997-0935.2023.5.685-696.

Sidorov V. N., Primkulov A. M. Chislenno-analiticheskoe reshenie nestacionarnoy zadachi teploprovodnosti s peremennymi teplofizicheskimi parametrami sredy / V. N. Sidorov // Vestnik MGSU. - 2023. - T. 18, № 5. - S. 685-696. - DOI: 10.22227/1997-0935.2023.5.685-696.

Лебедева А. В. Влияние температурно-климатических воздействий на напряженно-деформированное состояние монолитного железобетонного каркаса здания / А. В. Лебедева, С. А. Тумаков // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. - 2019. - № 4 (11). - С. 9-14.

Lebedeva A. V. Vliyanie temperaturno-klimaticheskih vozdeystviy na napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie monolitnogo zhelezobetonnogo karkasa zdaniya / A. V. Lebedeva, S. A. Tumakov // Zhilischnoe hozyaystvo i kommunal'naya infrastruktura. - 2019. - № 4 (11). - S. 9-14.

Сотникова О. А., Целярицкая М. И., Пащенко Ю. О. Анализ «мостиков холода» с целью выявления недостатков монолитного домостроения в г. Воронеже. Известия Юго-Западного государственного университета. - 2022. - № 26 (3). - С. 21-34. DOI: 10.21869/2223-1560-2022-26-3-21-34.

Sotnikova O. A., Celyarickaya M. I., Paschenko Yu. O. Analiz «mostikov holoda» s cel'yu vyyavleniya nedostatkov monolitnogo domostroeniya v g. Voronezhe. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. - 2022. - № 26 (3). - S. 21-34. DOI: 10.21869/2223-1560-2022-26-3-21-34.

Merita G., Flogerta K., Klodjan Xh. Study of thermal performance of prefabricate large panel buildings// Proceedings of the 2nd Croatian Conference on 17 Earthquake Engineering - 2CroCEE. DOI: 10.5592/ CO/2CroCEE.2023.63.

Ищук М. К., Ищук Е. М., Айзятуллин Х. А., Черемных В. А. Дефекты наружных стен с лицевым слоем из пустотелого кирпича // Промышленное и гражданское строительство. - 2022. - № 4. - С. 29-35. - DOI: 10.33622/0869-7019.2022.04.29-35.

Ischuk M. K., Ischuk E. M., Ayzyatullin H. A., Cheremnyh V. A. Defekty naruzhnyh sten s licevym sloem iz pustotelogo kirpicha // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. - 2022. - № 4. - S. 29-35. - DOI: 10.33622/0869-7019.2022.04.29-35.

Зимин С. С. Напряженно-деформированное состояние кирпичной облицовки в области сопряжения с плитами перекрытия при отсутствии деформационного шва / С. С. Зимин, А. Ю. Сударь, Е. И. Васильева // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2018. - № 8 (71). - С. 13-21. - DOI: 10.18720/CUBS.71.2. - EDN CXJFDV.

Zimin S. S. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie kirpichnoy oblicovki v oblasti sopryazheniya s plitami perekrytiya pri otsutstvii deformacionnogo shva / S. S. Zimin, A. Yu. Sudar', E. I. Vasil'eva // Stroitel'stvo unikal'nyh zdaniy i sooruzheniy. - 2018. - № 8 (71). - S. 13-21. - DOI: 10.18720/CUBS.71.2. - EDN CXJFDV.

10.

Орлович Р. Б. Повреждение каменного лицевого слоя в зоне сопряжения с железобетонными перекрытиями / Р. Б. Орлович, В. Н. Деркач, С. С. Зимин // Инженерно-строительный журнал. - 2015. - № 8 (60). - С. 30-37. - DOI 10.5862/MCE.60.4.

Orlovich R. B. Povrezhdenie kamennogo licevogo sloya v zone sopryazheniya s zhelezobetonnymi perekrytiyami / R. B. Orlovich, V. N. Derkach, S. S. Zimin // Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. - 2015. - № 8 (60). - S. 30-37. - DOI 10.5862/MCE.60.4.

11.

Деркач В. Н., Горшков А. С., Орлович Р. Б. Проблемы трещиностойкости стенового заполнения каркасных зданий из ячеисто-бетонных блоков / В. Н. Деркач, А. С. Горшков, Р. Б. Орлович // Строительные материалы. - 2019. - № 3. - С. 52-56. - DOI: 10.31659/0585-430X-2019-768- 3-52-56. - EDN TBACNL.

Derkach V. N., Gorshkov A. S., Orlovich R. B. Problemy treschinostoykosti stenovogo zapolneniya karkasnyh zdaniy iz yacheisto-betonnyh blokov / V. N. Derkach, A. S. Gorshkov, R. B. Orlovich // Stroitel'nye materialy. - 2019. - № 3. - S. 52-56. - DOI: 10.31659/0585-430X-2019-768- 3-52-56. - EDN TBACNL.

12.

Luigi Coppola, Beretta Silvia, Bignozzi Chiara Maria, Francesco Todaro. The Improvement of Durability of Reinforced Concretes for Sustainable Structures: A Review on Different Approaches. - April 2022 - Materials 15 (8): 2728. - DOI: 10.3390/ ma15082728.

13.

Tamrazyan A. G. The influence of depth of tensile concrete deterioration on the load bearing strength and deflections of corrosion-damaged floor slabs /A.G. Tamrazyan, A. A. Minasyan // VI integration, partnership and innovation in construction science and education. Matec. - 2018. - Vol. 251, 02012. - 6 р.

14.

Желдаков Д. Ю., Пономарев О. И, Минасян А. А., Турсуков С. А. Оценка долговечности кирпичных и каменных конструкций при проведении инженерных изысканий / Д. Ю. Желдаков, О. И. Пономарев, А. А. Минасян, С. А.Турсуков // Вестник НИЦ Строительство. - 2023. - № 1 (36). - С. 27-40. - DOI: 10.37538/2224- 9494-2023-1(36)-27-40.

Zheldakov D. Yu., Ponomarev O. I, Minasyan A. A., Tursukov S. A. Ocenka dolgovechnosti kirpichnyh i kamennyh konstrukciy pri provedenii inzhenernyh izyskaniy / D. Yu. Zheldakov, O. I. Ponomarev, A. A. Minasyan, S. A.Tursukov // Vestnik NIC Stroitel'stvo. - 2023. - № 1 (36). - S. 27-40. - DOI: 10.37538/2224- 9494-2023-1(36)-27-40.

15.

Kramarchuk A., Ilnytskyy B., Kopiika N. Ensuring the Load-Bearing Capacity of Monolithic Reinforced Concrete Slab Damaged by Cracks in the Compressed Zone// Proceedings of EcoComfort 2022/ January 2023. DOI: 10.1007/978-3-031-14141-6_21.

16.

Сотникова О. А. Анализ «мостиков холода» с целью выявления недостатков монолитного домостроения в г. Воронеже / О. А. Сотникова, М. И. Целярицкая, Ю. О. Пащенко // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2022. - Т. 26, № 3. - С. 21-34. - DOI: 10.21869/2223-1560-2022-26-3-21-35.

Sotnikova O. A. Analiz «mostikov holoda» s cel'yu vyyavleniya nedostatkov monolitnogo domostroeniya v g. Voronezhe / O. A. Sotnikova, M. I. Celyarickaya, Yu. O. Paschenko // Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. - 2022. - T. 26, № 3. - S. 21-34. - DOI: 10.21869/2223-1560-2022-26-3-21-35.

17.

Томаков В. И., Томаков М. В., Пахомова Е. Г., Андриенко В. В. Анализ причин обрушения опалубочных систем в строящихся зданиях при устройстве монолитных перекрытий // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. - 2018. - Т. 8, № 4(29). - С. 79-92. - EDN PNTULV.

Tomakov V. I., Tomakov M. V., Pahomova E. G., Andrienko V. V. Analiz prichin obrusheniya opalubochnyh sistem v stroyaschihsya zdaniyah pri ustroystve monolitnyh perekrytiy // Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tehnika i tehnologii. - 2018. - T. 8, № 4(29). - S. 79-92. - EDN PNTULV.

18.

Тихонов И. Н., Козелков М. М. Расчет и конструирование железобетонных монолитных перекрытий зданий с учетом защиты от прогрессирующего обрушения / И. Н. Тихонов, М. М. Козелков // Бетон и железобетон. - 2009. - № 3. - С. 2-8.

Tihonov I. N., Kozelkov M. M. Raschet i konstruirovanie zhelezobetonnyh monolitnyh perekrytiy zdaniy s uchetom zaschity ot progressiruyuschego obrusheniya / I. N. Tihonov, M. M. Kozelkov // Beton i zhelezobeton. - 2009. - № 3. - S. 2-8.

19.

Колчунов В. И. Напряженно-деформированное состояние нагруженного и коррозионно-поврежденного железобетона в зоне наклонных трещин / В. И. Колчунов, М. С. Губанова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2016. - № 2 (42). - С. 11-22.

Kolchunov V. I. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie nagruzhennogo i korrozionno-povrezhdennogo zhelezobetona v zone naklonnyh treschin / V. I. Kolchunov, M. S. Gubanova // Nauchnyy vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. - 2016. - № 2 (42). - S. 11-22.

20.

Яров В. А. Исследования напряженно-деформированного состояния монолитных перекрытий, выполненных с теплоизолирующими вставками / В. А. Яров, А. А. Коянкин, К. В. Скрипальщиков // Вестник МГСУ. - 2010. - № 1. - Proceedings of Petersburg Transport University 18 2024/1

Yarov V. A. Issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya monolitnyh perekrytiy, vypolnennyh s teploizoliruyuschimi vstavkami / V. A. Yarov, A. A. Koyankin, K. V. Skripal'schikov // Vestnik MGSU. - 2010. - № 1. - Proceedings of Petersburg Transport University 18 2024/1

21.

Корсун В. И. Напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций в условиях температурных воздействий. - Макеевка: ДонГАСА, 2003. - 153 с.

Korsun V. I. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie zhelezobetonnyh konstrukciy v usloviyah temperaturnyh vozdeystviy. - Makeevka: DonGASA, 2003. - 153 s.

22.

Довженко О. А. Эффективные шпоночные соединения многопустотных плит перекрытий со стенами в современном крупнопанельном домостроении / О. А. Довженко, В. В. Погребной,Л. В. Карабаш // Наука и техника. - 2018. - Т. 17, № 2. - С. 146-156. - DOI: 10.21122/2227-1031- 2018-17-2-146-156. - EDN YNQSHZ.

Dovzhenko O. A. Effektivnye shponochnye soedineniya mnogopustotnyh plit perekrytiy so stenami v sovremennom krupnopanel'nom domostroenii / O. A. Dovzhenko, V. V. Pogrebnoy,L. V. Karabash // Nauka i tehnika. - 2018. - T. 17, № 2. - S. 146-156. - DOI: 10.21122/2227-1031- 2018-17-2-146-156. - EDN YNQSHZ.

23.

Колчунов В. И., Московцева В. С., Бушова О. Б., Жуков Д. И. Расчетный анализ способов защиты монолитных каркасов многоэтажных зданий с плоскими перекрытиями от прогрессирующего обрушения // Строительство и реконструкция. - 2021. - № 4 (96). - С. 35-44. - DOI: 10.33979/2073-7416-2021-96-4-35-44.

Kolchunov V. I., Moskovceva V. S., Bushova O. B., Zhukov D. I. Raschetnyy analiz sposobov zaschity monolitnyh karkasov mnogoetazhnyh zdaniy s ploskimi perekrytiyami ot progressiruyuschego obrusheniya // Stroitel'stvo i rekonstrukciya. - 2021. - № 4 (96). - S. 35-44. - DOI: 10.33979/2073-7416-2021-96-4-35-44.

24.

Альхименко А. И. Влияние температуры замыкания при возведении на напряжения в несущих конструкциях / А. И. Альхименко, А. И. Снегирев // Инженерно-строительный журнал. - 2008. - № 2 (2). - С. 8-16.

Al'himenko A. I. Vliyanie temperatury zamykaniya pri vozvedenii na napryazheniya v nesuschih konstrukciyah / A. I. Al'himenko, A. I. Snegirev // Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. - 2008. - № 2 (2). - S. 8-16.

25.

Ерофеев В. Т., Ельчищева Т. Ф., Левцев А. П. [и др.] Термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций при переменном тепловом потоке // Промышленное и гражданское строительство. - 2022. - № 10. - С. 4-13. - DOI: 10.33622/0869-7019.2022.10.04-13.

Erofeev V. T., El'chischeva T. F., Levcev A. P. [i dr.] Termicheskoe soprotivlenie naruzhnyh ograzhdayuschih konstrukciy pri peremennom teplovom potoke // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. - 2022. - № 10. - S. 4-13. - DOI: 10.33622/0869-7019.2022.10.04-13.

26.

Варламов А. А., Шишлонов Е. А., Ткач Е. Н. [и др.] Закономерности связи напряжений и деформаций в бетоне / А. А. Варламов, Е. А. Шишлонов, Е. Н. Ткач [и др.] // Academy. - 2016. - № 2 (5). - С. 7-16.

Varlamov A. A., Shishlonov E. A., Tkach E. N. [i dr.] Zakonomernosti svyazi napryazheniy i deformaciy v betone / A. A. Varlamov, E. A. Shishlonov, E. N. Tkach [i dr.] // Academy. - 2016. - № 2 (5). - S. 7-16.

27.

Barabanshchikov Iu. G. The Influence of Concrete Composition on the Ratio of Strength to Elastic Modulus as a Criterion of Crack Resistance / Iu. G. Barabanshchikov, T. H. Pham // Construction of Unique Buildings and Structures. - 2021. - No 4 (97). - P. 9704. - DOI: 10.4123/CUBS.97.4.

28.

Кузнецов А. В. Патент на полезную модель № 199000 U1 Российская Федерация, МПК E04B 1/78. Устройство для повышения теплозащитных качеств наружной стены здания: № 2020111631: заявл. 19.03.2020: опубл. 06.08.2020 / А. В. Кузнецов; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I».

Kuznecov A. V. Patent na poleznuyu model' № 199000 U1 Rossiyskaya Federaciya, MPK E04B 1/78. Ustroystvo dlya povysheniya teplozaschitnyh kachestv naruzhnoy steny zdaniya: № 2020111631: zayavl. 19.03.2020: opubl. 06.08.2020 / A. V. Kuznecov; zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Peterburgskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya Imperatora Aleksandra I».

29.

Кузнецов А. В. Патент на полезную модель № 199001 U1 Российская Федерация, МПК E04B 1/78. Устройство для утепления наружной стены здания: № 2020111623: заявл. 19.03.2020: опубл. 06.08.2020 / А. В. Кузнецов, М. В. Калушин, А. М. Демин; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I».

Kuznecov A. V. Patent na poleznuyu model' № 199001 U1 Rossiyskaya Federaciya, MPK E04B 1/78. Ustroystvo dlya utepleniya naruzhnoy steny zdaniya: № 2020111623: zayavl. 19.03.2020: opubl. 06.08.2020 / A. V. Kuznecov, M. V. Kalushin, A. M. Demin; zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Peterburgskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya Imperatora Aleksandra I».

30.

Кузнецов А. В. Узлы сопряжения диска перекрытия с ограждающими стеновыми конструкциями в монолитном домостроении: диссертация … кандидата технических наук: 2.1.1 / Кузнецов Анатолий Всеволодович [Место защиты: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»; Диссовет 24.2.380.01 (Д 212.223.03)]. - Санкт-Петербург, 2022. - 206 с

Kuznecov A. V. Uzly sopryazheniya diska perekrytiya s ograzhdayuschimi stenovymi konstrukciyami v monolitnom domostroenii: dissertaciya … kandidata tehnicheskih nauk: 2.1.1 / Kuznecov Anatoliy Vsevolodovich [Mesto zaschity: FGBOU VO «Sankt-Peterburgskiy gosudarstvennyy arhitekturno-stroitel'nyy universitet»; Dissovet 24.2.380.01 (D 212.223.03)]. - Sankt-Peterburg, 2022. - 206 s