Стінові системи мають багато різновидів з'єднань. Спосіб з'єднання залежить від функції стіни у будівлі та насамперед від типу матеріалів. З'єднання для нетримальних (ненесучіх) стін (стіни заповнення, раніше відомі як перегородкові стіни та огороджувальні стіни) виконуються іншим чином, ніж для тримальних (несучіх) стін. У цій статті ми розглянемо способи з'єднань: мурованої стіни - залізобетону, мурованої стіни - сталевих конструкцій та мурованої стіни - з мурованою стіною для стін заповнення та тримальних (несучіх) стін. У другій частині розглядаються з’єднання для конструкційних мурованих стін.
З'єднання для конструкційних мурованих стін
Спосіб з'єднання конструкційних мурованих стін з іншими елементами будівлі залежить від матеріалу, до якого слід приєднати стіну. З'єднання забезпечуються за допомогою фрикційних, компресійних або металевих анкерів. Різні типи з'єднань описані нижче.
З'єднання мурованої стіни - з мурованою стіною
Стандарт EC-6 вимагає, щоб взаємно перпендикулярні або косі стіни були з'єднані між собою таким чином, щоб забезпечити вертикальне та горизонтальне навантаження від однієї стіни до іншої. Щоб отримати таке з'єднання, ви можете зʼвязати блоки однієї стіни з муруванням іншої. Це можливо виконати двома способами:
• безпосередньо інтегрувати блоки однієї стіни в іншу
• за допомогою кріплень або арматури, що простягаються в кожну стіну
Рекомендується одночасно зводити тримальні (несучі) стіни, що перетинаються, оскільки це забезпечить належне зчеплення кладочних блоків у їх контактній площині.
Ці ж рекомендації включені до попередніх польських перехідних стандартів та проєкту єврокоду EC-6V. Однак ці стандарти не містять детальних рекомендацій. Тим не менше, дизайнерські моделі стін, які піддаються переважно вертикальному навантаженню та стіни жорсткості, явно підтверджують, що найкращим рішенням для забезпечення взаємодії стін, що перетинаються, є використання звичайних кладочних вузлів.
З'єднання мурованої стіни з залізобетоном
Кладка стінових залізобетонних типів з'єднань застосовується в замкнутих мурованих стінах на перетинах перпендикулярних стін; у стінах, що забезпечують заповнення залізобетонного каркасу (стіни жорсткості) та косих стін; і як вертикальні з’єднання стіна-підлога.
Замкнуті муровані стіни
Як визначено в Єврокоді 6, замкнутою мурованою стіною називається стіна, деформація якої у вертикальному та горизонтальному напрямках обмежена сусідньою залізобетонною конструкцією або армованою мурованою стіною. Визначення замкнутої мурованої стіни та відповідні норми були включені лише до стандартних рекомендацій, коли було запроваджено Єврокод. Це не означає, що в Польщі не будували замкнутих мурованих стін. До впровадження EC-6 у країні були спроєктовані та побудовані замкнуті стіни з муруванням на основі рекомендацій Інституту будівельних досліджень (Instytut Techniki Budowlanej, ITB), публікацій та місцевої практики. Незважаючи на те що в Польщі широко використовуються стіни з замкненим муруванням, інструкція ITB є одним з небагатьох документів, що викладає принципи їх проєктування. В основному в Польщі та за кордоном не проводяться дослідження щодо поведінки замкнутих мурованих стін, що зазнають статичних навантажень. Є багато досліджень, що стосуються замкнутих мурованих стін, що зазнають сейсмічних впливів, але це питання не висвітлюється в EC-6 (але є в EC-8), тому ці дослідження тут не обговорюватимуться.
Приклад замкнутої мурованої стіни
Численні публікації наголошують на відмінностях між замкнутою мурованою стіною та мурованою стіною, яка забезпечує заповнення рами. Якщо спочатку зводиться залізобетонна або сталева конструкція, а потім споруджуються стіни в просторі між стовпами конструкції, важко забезпечити повний контакт стовпів і балок (конструкція) зі стіною (заповнення). Тоді умова обмеження деформації, що випливає з визначення, прийнятого в EC-6, не виконується, і стіна не може розглядатися як замкнута мурована. Правильна технологія будівництва для замкнутих мурованих стін вимагає спочатку будувати стіни, а потім будувати залізобетонну конструкцію, яку потрібно прив’язати до мурованої стіни.
У країні (м.н. Польща) протягом багатьох років будували замкнуті муровані стіни. Слід визнати, що утримання не передбачається у вигляді смуг армованої кладки, але залізобетонні стрижні та кільцеві балки часто роблять для обмеження прогинів стін, зокрема на ділянках, що постраждали від гірничих робіт. Поширені горизонтальні кільцеві балки із залізобетону, які забезпечують просторову жорсткість об’єкта та забезпечують опори для підлог. Однак замкнута мурована стіна визначається як стіна, яка обмежена як в горизонтальному, так і у вертикальному напрямку. Інструкція №391/2003 ІТБ визначає три способи формування вертикальних обмежувальних елементів:
- розмістити арматуру в отворах мурованих елементів
- зробити можливим направляти одиночну планку в мурування
- або спорудити в стіні залізобетонний стовп (стрижень)
Залізобетонні стрижні застосовуються найчастіше, але всі три методи застосовувались і застосовуються в країні. Усі ці методи обмежують деформації і підпадають під визначення Єврокоду замкнутої мурованої стіни.
Відповідно до Інструкції ІТБ № 391/2003, необхідно використовувати вертикальні обмежувальні елементи (вертикальний монолітний пояс), коли на будівлю впливають поштовхи внаслідок гірничих робіт. Вертикальні обмежувальні елементи слід застосовувати, коли поштовхи, що характеризуються значеннями коливань землі, перевищують 500 мм/с2. Необхідність використання вертикальних обмежувальних елементів у мурованих стінах, що піддаються коливанням значної інтенсивності, також підтверджується довідковими публікаціями. Залізобетонні стрижні насправді часто проєктуються та встановлюються при менших значеннях прискорення коливань ґрунту та на об'єктах, що зазнають постійних та неперервних деформацій ґрунту. Поперечний переріз залізобетонного сердечника залежить від товщини стіни, тому зазвичай використовують стрижні перетином від 18x18 см до 40x40 см. Для більшої товщини стін до сердечників зовні додають теплоізоляцію спіненого пінополістиролу, щоб загальна товщина ізоляції та серцевини була рівною товщині стіни. Щоб забезпечити належну взаємодію між серцевиною та мурованою стіною, часто залишають у стіні кладки штроби, а потім заливають бетоном при вкладанні стрижнів у бетон. Коли стіна споруджена без штоб, з’єднання може бути забезпечене протягуванням арматури з шарнірних з’єднань стіни в залізобетонне ядро.
У жорстких стінах вертикальні залізобетонні стрижні в будинках, що піддаються поштовхам внаслідок гірничих робіт, повинні сприймати зусилля розтягу, що виникають внаслідок згинальних моментів у площині стін, і співпрацювати в проведенні поперечних сил, що створюються вібрацією землі. Відповідно до Інструкції, відстань між стрижнями слід визначати на основі аналізу конструкції стіни, яка в основному піддається горизонтальному навантаженню (зігнута від площини). Сердечники повинні розташовуватися в місцях з'єднання тримальних (несучих) стін і стін жорсткості, тобто в кутах стін і в місцях з'єднання зовнішніх тримальних (несучих) стін і внутрішніх стін. Армування монолітного поясу і стрижнів зазвичай передбачається виходячи з умови щодо мінімального відсотка арматури відповідно до нормативів залізобетону. Як рекомендовано в Інструкції № 391/2003 ITB, мінімальний переріз арматури для вертикального сердечника повинен становити ASV,min = 0.0004 m2.
PN-EN рекомендує, щоб стіни з замкнутим муруванням мали вертикальні та горизонтальні обмежувальні елементи із залізобетону або армованої кладки, щоб забезпечити повну співпрацю у проведенні ударів. З цією метою верхні та бічні обмежувальні елементи слід робити після спорудження мурованої стіни таким чином, щоб забезпечити їх з’єднання зі стіною. Це досягається залишенням штоб у мурованій стіні, щоб залити їх бетоном, або використовуючи арматуру в горизонтальних швах стіни, щоб розширити в монолітні стрижні. Єврокод рекомендує застосовувати штроби в мурованих стінах, виготовлених із блоків 1 та 2 групи. Для армування, що з’єднує муровану стіну з серцевиною, можна використовувати стрижні діаметром не менше 6 мм або еквівалентними, на відстані не більше 300 мм. Якщо конструкція стіни передбачає армування горизонтальних швів (наприклад, через згинання), можна закріпити кріпленням, протягнувши цю арматуру в серцевину. Довжину кріплення прямолінійного стрижня в залізобетонному сердечнику слід розраховувати за такою формулою:
ib =ø/4•fyd/fbod, (1)
де ø - діаметр стрижня, fyd - проєктна межа текучості сталі, а fbod - проєктна адгезія арматури, розрахована на основі характерної адгезії fbok, яка відрізняється для стрижнів, які закріплені в бетоні та в будівельному розчині.
Характерне зчеплення збірного армування шарнірного з'єднання визначається випробуваннями згідно з PN-EN 845-2: 2004 / Ap1: 2005 або вважається відповідним окремим поздовжнім пруткам арматури. Зважаючи на низькі поперечні розміри стрижня, прямі або напівкруглі гаки є найпоширенішим кріпленням для стрижнів.
Відповідно до PN-EN, обмежувальні елементи слід робити на рівні кожного поверху. Вертикальні обмежувальні елементи (стрижні) слід розміщувати в місцях з'єднання тримальних (несучих) стін та по обидва боки кожного віконного прорізу площею, що перевищує 1,5 м2. Горизонтальні обмежувальні елементи (монолітний пояс) виконуються на рівнях перекриття. Додаткові обмежувальні елементи можуть знадобитися в стінах, де максимальний проліт, як вертикальний, так і горизонтальний, становить 4,0 м. Рекомендації в EC-6 щодо розміщення обмежувальних елементів у віконних прорізах площею більше 1,5 м2 та відстанню 4,0 м у горизонтальному та вертикальному напрямках дуже жорсткі. Щоб задовольнити ці вимоги, потрібно забезпечити набагато більше стрижнів у стінах порівняно з кількістю, що випливає з попередніх рекомендацій. На щастя, рекомендація щодо відстані монолітних поясів та стрижнів на 4,0 м не є обов’язковою, і PN-EN залишає вибір такої відстані проєктувальнику. Зверніть увагу, що PN-EN не застосовується для проєктування при сейсмічних впливах, на які поширюється дія PN-EN 1998-1. Вплив укладеного мурування стін на поведінку стін, що піддаються статичному або квазістатичному навантаженню, невідомий, існує набагато менше досліджень або аналізів щодо таких конструкцій, ніж для замкнутих мурованих стін, що зазнають сейсмічних впливів. Цікаво, що максимальна відстань обмежувальних елементів на сейсмічних ділянках становить 5,0 м відповідно до PN-EN 1998-1, тобто більше, ніж зазначено в PN-EN. Враховуючи відсутність достатніх досліджень, положення про можливу необхідність використання обмежувальних елементів, розташованих на відстані кожні 4,0 м, прийнято в PN-EN, щоб забезпечити безпеку, на основі загальних рекомендацій у довідкових публікаціях та численних стандартів (наприклад, мексиканська, аргентинська, колумбійська). Зауважте, що максимальна відстань обмежувальних елементів 4,0 м є однією із найнижчих значень, прийнятих у стандартах при проєктуванні на сейсмічних територіях, тоді як багато стандартів (включаючи EC-8) допускають відстань 5,0 м (наприклад, італійський стандарт) або більше.
Для відстані стрижнів на 4,0 м у PN-EN використовується фразу “може знадобитися”; але для віконних прорізів площею більше 1,5 м2 стандарт зазначає, що на таких отворах “слід” використовувати стрижні. Як випливає з цього положення, стрижні слід використовувати майже на кожному віконному прорізі та кожному дверному проході. За словами Томазевича, розмір 1,5 м2 занадто малий, і він пропонує у своїй роботі збільшити максимальну площу віконного прорізу, де не потрібно встановлювати обмежувальних елементів до 2,5 м2. Мексиканський стандарт передбачає, що обмежувальні елементи слід проєктувати, коли ширина отвору перевищує ¼ відстані між вертикальними стрижнями.
Відповідно до PN-EN, обмежувальні елементи повинні мати поперечний переріз не менше 0,02 м2, з найменшим розміром не менше 150 мм у площині стіни і повинні мати поздовжню арматуру з мінімальним перетином яка дорівнює 0,8% перерізу утримуючого елемента, але не менше 200 мм2. Слід використовувати стремена діаметром не менше 6 мм і відстанню до 300 мм. Приклад найменшого сердечника, прийнятного для EC-6.
У стінах замкнутого мурування, де використовуються кладочні блоки групи 1 та 2, блоки, що прилягають до обмежувальних елементів, повинні перекриватися відповідно до правил склеювання мурованих стін, викладених у EC-6. В якості альтернативи може бути застосована арматура діаметром не менше 6 мм або еквівалент і відстань не більше 300 мм, закріплена в бетонному розчині та шви заповнені розчином.
Армування вертикальних стрижнів та горизонтальних балок і кільцевих балок повинно бути виконано відповідно до рекомендацій Єврокоду по залізобетону. Надзвичайно важливо прийняти правильні методи кріплення стрижнів, особливо в районі кутів монолітних поясів та балок-балок та з'єднання горизонтальних вузлів із стрижнями.
Муровані стіни жорсткості та зілізобетонний або сталевий каркас
Для стін, що є елементами жорсткості для каркасних конструкцій (із залізобетону або сталі), має бути забезпечений їх контакт з такими конструкціями. Як правило, це досягається заповненням точки контакту між мурованою стіною та стовпами каркасу цементним розчином. Забезпечити повний контакт між мурованою стіною та каркасом важко, тому останнім часом можна спостерігати тенденцію до створення монолітних стінок жорсткості в залізобетонних каркасних конструкціях, а муровані стіни виконуються як заливні стіни.
Горизонтальні з’єднання стін з перекриттям
Коли бетонні підлоги або стелі спираються на стіну, тримальна (несуча) здатність з'єднання може бути внаслідок зсуву забезпечена тертям згідно з EC-6. Власне, такий тип з'єднання можна забезпечити, використовуючи залізобетонні монолітні пояси на всіх тримальних (несучих) та жорстких стінах об'єкта, як зовнішніх, так і внутрішніх. Таке конструктивне рішення, коли монолітні пояси виконуються на стіні одночасно з спорудженням перекриттів, повинно забезпечувати належний зв’язок між мурованою стіною та поверхнею монолітного поясу.
Монолітні пояси мають вирішальне значення, коли конструкція пошкоджена внаслідок її неправильного використання або незвичного впливу в непропорційній мірі порівняно з нормальними умовами.
Стандарт EC-6 прямо передбачає, що при правильно розробленому розташуванні монолітних поясів буде сформована вторинна тримальна (несуча) конструкція. Таким чином, залізобетонні монолітні пояси, які з’єднують стіни з перекриттями, є надзвичайно важливими для формування вторинної несучої конструкції за таких обставин, коли значна частина тримальної (несучої) стіни зазнала пошкоджень, які запобігають прогресуючому руйнуванню будівлі.
Прогресивний обвал здебільшого загрожує недостатньо зв’язаними збірними конструкціям, але не може бути виключений і в будинках із мурованими стінами. Незважаючи на те, що будівлі з бетонною конструкцією (з великих панелей) та будівлі з мурованими стінами значною мірою відрізняються одна від одної, застосовується один і той же метод для зменшення прогресивного обвалення через незвичні наслідки в обох випадках. Мета полягає в тому, щоб мати таку конфігурацію перекриттів і монолітних поясів, щоб підтримувати повну інтеграцію елементів тримальної (несучої) конструкції при значних подовженнях арматури та появі широких тріщин. Армування монолітного поясу має важливе значення для формування вторинної тримальної (несучої) системи, і вона бере на себе сили розтягу, які формуються в конструкційних стінах в зоні над пошкодженою частиною будівлі.
Іншим важливим елементом є опорне армування перекриттів, яке об’єднує одноповерхові відсіки у жорсткий щит, а також запобігає падінню перекриттів з опори при втраті тримальної (несучої) стіни.
Вторинна несуча система, що утворилася після локального пошкодження значної частини:
а) поздовжньої несучої стіни, б) - двосхилої стінки 1 - монолітного поясу, натягнутого, 2 - монолітного поясу, стиснутого
ITB провів дослідження поведінки настінного кронштейна, сформованого над пошкодженою ділянкою в куті великопанельної будівлі типу Wk-70 з відносно слабким з'єднанням плит перекриття. Висновки досліджень та аналізу вторинної тримальної (несучої) конструкції були використані для формулювання конструктивних рекомендацій для великопанельних будівель висотою до 12 поверхів та перекриттям до 6,0 м з регулярним видом. В ході досліджень було встановлено, що для формування вторинної тримальної (несучої) конструкції потрібна кільцева арматура над тримальною (несучою) стіною, здатна проводити зусилля, рівне 140 кН або вище, а для 8-поверхового будинку - зусилля 80 кН.
Однак формування вторинної тримальної (несучої) конструкції вимагає побудови стін, здатних приймати сили стиску, наявні у вторинній конструкції, і це можуть бути муровані стіни, що заповнюють простір між стовпами каркасної конструкції. У будівлі з каркасною конструкцією та легкими стінами заповнення, не здатними приймати сили стиску, ви можете спроєктувати стовпи з достатньо низьким інтервалом, щоб забезпечити формування вторинної тримальної (несучої) конструкції.
Опорна арматура, яка використовується для запобігання падінню перекриття з опори
1 - нижня арматура над опорою, 2 - арматура нижньої опори, неправильно закріплена над опорою, 3 - арматура монолітного поясу
Монолітні пояси - це залізобетонні елементи, що охоплюють всю будівлю або її визначену частину. Зазвичай це залізобетонні елементи, розташовані на місці перекриттів і піддані натягу або стиску та зсуву, рідше згинанню. Монолітні стяжки можуть бути виконані у вигляді сталевих стрижнів або секцій або посилених мурованих стін. Відповідно до припущень, прийнятих у EC-6, ці елементи повинні мати здатність проводити проєктні сили розтягування зі значенням не менше 45 кН. Окружну арматуру монолітних поясів або стяжок слід будувати безперервною, навіть якщо є отвори або зміни рівня підлоги тощо. Коли застосовуються монолітні стяжки із залізобетону, EC-6 рекомендує використовувати принаймні два арматурні прути загальною площею не менше 150 мм2, що на практиці означає, що використовуються 2 прутки ø 10 мм. Паралельне суцільне армування можна розглядати, якщо воно має повний переріз за умови, що воно розташоване в перекриттях або перемичках на відстані не більше 0,5 м від середини стіни або підлоги відповідно. Що стосується конструкції арматури монолітного поясу щодо використовуваних матеріалів та арматурних з'єднань, EC-6 посилається на положення EC-2, підкреслюючи, що коліна армування повинні бути розподіленими.
У залізобетонних об'єктах із збірними перекриттями з порожнистих плит та деякими брусовими та блоковими перекриттями, як правило, використовується поздовжня кільцева арматура балки 3 ø 10 мм. Однак для будівель із звичайною конструкцією стін з балочно-блоковими перекриттями або монолітними перекриттями найпоширенішим рішенням, що застосовується у монолітній балці, є 4 ø 10 мм. Висота монолітної балки повинна бути рівною щонайменше конструктивній висоті підлоги і не менше 125 мм.
Монолітна балка під віконним прорізом:
а) монолітна балка перекриття, розташована вище ≥¼h, б) монолітна балка перекриття, розташована на <¼h (h - висота віконного прорізу, 1 - монолітна балка)
Оскільки стандарт рекомендує для всіх багатоповерхових будинків із залізобетонними перекриттями, кераміки та залізобетону та автоклавних газобетонних плит, тримальні (несучі) кладочні стіни слід закінчувати залізобетонними монолітними поясами площею перерізу щонайменше 0,025 м2. Арматура монолітного поясу, незалежно від марки сталі, повинна мати перетин не менше 230 мм2, що на практиці передбачає використання 3-х прутків діаметром 10 мм. У роботі також зазначається, що для будівель з 5 і більше поверхами рекомендувалося, щоб переріз поперечної арматури монолітних балок був не менше 330 мм2 (4ø12).
Перехідних стандарт передбачав, що для будівель із мурованими стінами слід передбачити залізобетонні монолітні балки, які охоплюватимуть усі конструктивні стіни в будівлі на рівні перекриття. Як наслідок, перекриття можна розглядати як горизонтальні жорсткі щити для розрахунків жорсткості стін. Поздовжня арматура монолітних балок повинна мати здатність проводити силу розтягування Fi не нижче:
Fi ≥ ii 15 kN/m ≥ 90 kN (2)
де:
ii - відстань у поперечних осях стінок жорсткості, в метрах.
Щоб задовольнити граничні умови експлуатаційної придатності для ширини тріщин, розрахунок необхідної арматури проводився при характеристичній границі текучості сталі. Окрім того, стандарт монтажу чітко зазначав, що інші конструкційні елементи з армуванням, здатні приймати сили розтягування в площині тримальних (несучих) стін, також можуть розглядатися як монолітні балки. В основному це стосується ділянок залізобетонних перекриттів з армуванням по краях, які утворюються у вигляді прихованих балок або арматури на три отвори. Для монолітних поясів, що використовуються у вигляді залізобетонних балок, німецькі рекомендації вимагають, щоб арматура виконувалась щонайменше з двох прутків діаметром ø 10 мм. Якщо монолітний пояс утворений як армоване мурування, то арматура, що складається з 3 ø 8 мм або 4 ø 6 мм, повинна розташовуватися в двох горизонтальних швах мурування (починаючи з нижньої поверхні перекриття). Для об'єктів, розташованих на ділянках, що піддаються нерівномірному осіданню або поштовхам внаслідок гірничих робіт, рекомендується проєктувати перекриття як монолітні щити, закріплені в своїх площинах залізобетонними монолітними балками, відлиті на місці і розміщені по колу уздовж внутрішніх тримальних (несучих) та жорстких стін. У монолітних поясах необхідна безперервна арматура, тому рекомендується з'єднувати прутки зварюванням. Монолітні пояси перекриття над підвалом повинні бути посилені щонайменше 4 вставками діаметром 12 мм. Армування, що використовується на інших поверхах, може бути типовим із загальною площею, що дорівнює 230 мм2 (PN-89), а не 150 мм2, як у EC-6. Для підлоги над віконним прорізом або з дверним проходом, розміри якого в 6 разів перевищують товщину підлоги, навколо прорізу слід спроєктувати замкнений монолітний пояс із залізобетону шириною не менше 200 мм, який повинен забезпечувати горизонтальну передачу сили, що відносяться до вирізаної частини перекриття.
Резюме
Припущення про правильний спосіб з'єднання стіни з іншою конструкцією є головним етапом проєктування і має вирішальний вплив на напруги та деформації будівлі та стіни. Як показують згадані приклади настінних з'єднань, типових і звичайних структурних рішень не існує. Зважаючи на різноманітність можливих способів зʼєднання, необхідно показати відповідні конструктивні деталі в проєкті дозволу на будівництво або в детальному проєкті. Часту відсутність таких рішень слід вважати пропуском, що може призвести до будівельних рішень, що призведуть до пошкодження стін.