По жесткости соединения балки и колонны рамы можно разделить на три основных типа: жесткие рамы, гибкие рамы и полужесткие рамы. Жесткие рамы определяются сопротивлением сдвигу, моменту и кручению более эффективно, чем другие типы рам. Гибкие рамки определяются свободным вращением сустава для загрузки. Полужесткие рамы определяются тем, что фактическая жесткость соединений лежит между жесткими и гибкими соединениями [1], [2]. Общая жесткость рам зависит главным образом от размеров и свойств материала балок и колонн [3].
Многие исследования посвящены влиянию различных переменных на поведение соединения балка-колонна, в этих исследованиях были приняты различные способы укрепления суставов. Повышение прочности на сжатие в соединении, использование дополнительного количества стальных арматурных стержней и обмотка полосами из углеродного волокна и стальной пластиной являются общими методами для улучшения характеристик соединений. G. M. S. Alva и др. [4] представили экспериментальное и теоретическое исследование, чтобы обсудить влияние прочности бетона на сжатие и поперечной арматуры сустава на степень ограничения сустава. Основываясь на анализе пяти железобетонных соединений балки и колонны, можно сделать вывод, что прочность бетона на сжатие явно способствует изменению поведения соединения от жесткого к полужесткому за счет увеличения относительного движения соединения балки с колонной за счет уменьшения прочность бетона на сжатие рамы.
K. M. Amanat and B. Enam [5] предложили модель конечных элементов для исследования влияния глубины балки и коэффициента стальной арматуры на степень ограничения железобетонного соединения балки и колонны (например при строительстве монолитного каркаса для коттеджа). Это исследование показало, что вращательная жесткость соединения балки с колонной увеличивается при увеличении глубины балки и коэффициента армирования стали.
Несколько исследователей Aly M. Said and Moncef L. Nehdi [6] и Ali E. Yeganeh [7] показали обширные исследования свежих и механических свойств бетона (прочность на сжатие, прочность на разрыв и прочность на изгиб) с использованием новых типов бетона, таких как как самоуплотняющийся бетон и сверхвысокопрочный бетон. По сравнению с обычной бетонной рамой были улучшены несущая способность, начальная жесткость и способность к поглощению энергии самоуплотняющихся бетонных и сверхвысокопрочных бетонных рам.
L. F. Maya and L. Albajar [8] провели высокоэффективные армированные волокнистым цементом композитные соединения балка-колонна. Структурные характеристики для рамы были оценены на основе отклика нагрузки-прогиба, прочности на изгиб бетонных балок и рисунка трещин на стыке. Последующий анализ данных испытаний показал, что по сравнению с рамами с ЧПУ наблюдается высокая реакция железобетонных высокопроизводительных бетонных каркасов на нагрузку. Хорошие конструкционные характеристики железобетонных высокопроизводительных бетонных рам достигается за счет уменьшения прогиба балок в середине пролета в дополнение к ограничению распространения трещин в соединениях.
M. Soleymani Ashtiani, R.P. Dhakal & A.N. Scott [9] исследовали соединения балки колонны SCC под действием циклического нагружения. Основное внимание в этом исследовании было уделено изучению влияния использования SCC на стыки вместо обычного бетона на прогиб балки, жесткость рамы и пластичность образцов до разрушения; они обнаружили, что суставы SCC показали меньший прогиб и большую жесткость. Кроме того, результаты испытаний показывают, что соединения SCC имели более высокую пластичность и поглощение энергии по сравнению с NC.
Недавно Mario R.F., Coellio и др. предложили метод укрепления соединения балка-колонна с использованием слоистых материалов из углеродного волокна. [10]. Это исследование включает в себя циклические испытания трех полных железобетонных соединений. В этом исследовании использовались две упрочняющие конфигурации: деформация углепластика в одном направлении и разнонаправленная деформация ламината углепластика. Техника упрочнения была очень эффективной в увеличении прочности до 35%, начальная жесткость была рекордной, а поглощение энергии увеличилось. Другие исследователи проснулись, чтобы укрепить соединение балки с колонной с помощью техники деформации с помощью листов из углеродного волокна, например U. Akguzel, S. Pampanin [11], N. Vijayalakshmi и др. [12].
Стальной лист был использован для укрепления железобетонных рам по методу Yulita Rahmi и др. [13]. Конечно-элементная модель была разработана с использованием ABACOS. Были проанализированы две железобетонные рамы, одна из которых включала опорную раму (без усиления), а другая – стальную пластину на стыке. Сравнение результатов показало, что стальная пластина может увеличить боковую прочность, пластичность, рассеивание энергии и увеличить прочность соединения на сдвиг.
По результатам экспериментальных работ можно сделать следующие выводы:
1. Использование железобетона из стального волокна в соединении между балкой и колонной было эффективным для уменьшения прогибов балки.
2. В случае конструкционного соединения на соединении балки и колонны рама не квалифицируется как прочная рама с точки зрения несущей способности, первой трещинной нагрузки, жесткости и структуры разрушения.
3. В результате использования железобетона из стальных волокон в соединении между балкой и колонной несущая способность, первая трещинная нагрузка, жесткость и пластичность значительно увеличились.
Использованные источники
[1] ACI 352R-02,” Recommendations for Design of Beam-column Joints in Monolithic Reinforced Concrete Structures”, American Concrete Institute , ACI-ASCE Committee 352, Detroit, 2002.
[2] Wight, J. K. and Macgregor, J. G., “Reinforced Concrete Mechanics and Design”, 6th Edition, Pearson Education Inc., November, 2012.
[3] Haluk, S., “Effect of Connection Rigidity on Seismic Response of Precast Concrete Frames”, PCI Journal, January-February 1995, pp. 94-103.
[4] Alva, G. M. S., Ferreria, M. A. and El debs, A. L. H. C., ” Partially Restrained Beam-column Connections in Reinforced Concrete Structures”, IBRACON Structures and Materials Journal, Vol. 2, No. 4, December, 2009, pp 356 – 379.
[5] Amanat, K. H. and Enam, B., ” Study of The Semi- rigid Properties of Reinforced Concrete Beam- column Joint”, Journal of civil engineering the institution of engineering, Vol.27, No.1, pp. 59-69.
[6] Said, A. M. and Moncef, L. N., ” Behavior of Beam- column Joints Cast Using Self-consolidating Concrete under Reversed Cyclic Loading”, 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Canada, August 1-6, 2004, pp. 10.
[7] Yeganeh, A. E., ” Structural Behavior of Reinforced High Performance Concrete Frames Subjected to Monotonic Lateral Loading”, M.Sc. Thesis, BEng, Ryerson University, Toronto, Ontario, 2013, pp. 95.
[8] Maya, L.F. and Albajar, L.,” Beam-Column Connections for Precast Concrete Frames Using High Performance Fiber Reinforced Cement Composites”, Material and structures, RILEM, 2012, p.p. 347-354.
[9] Ashtiani, M. S., Dhakal, R. P. and Scott, A. N.,” Seismic Performance of High-Strength Self- Compacting Concrete in Reinforced Concrete Beam- Column Joints”, Journal of Structural Emgineering, 140 (5), 2014, 04014002.
[10] Coelho, M. R. F., Fernandes, P. M. G., Sena-Cruz, J. and Barros, J. A. O.,” Efficiency of Different Technique in Seismic Strengthening of RC Beam- column Joints”, 15th World Conference on Earthquake Engineering, University of Minho, Civil Engineering Department, September, 2012.
[11] Akguzel, U. and Pampanin, Stefano,” Assessment and Design Procedures for the Seismic Retrofit of Reinforced Concrete Joints Using FRP Composite Materials”, Journal of Composite for Construction, Vol. 16, Issue 1, February, 2012.
[12] Vijayalakshmi, N., Kalaivani, M., Murugesan, A. and Thirugnanam, G. S.,” Experimental Investigation of RC -Beam”, International Journal of Civil and Structural Engineering”, Vol.1, No.1, 2010.
[13] Rahmi, Y., Saputra, A. and Siswosukarto, S.,” Numerical Modeling of Interior RC Beam-column Joints for Non-engineered Buildings Strengthened Using Steel Plates”, MATEC Web of Conference, 2017, EDP Sciences, France.
[14] British Standard Institute, “Method for Determination of Compressive Strength of Concrete Cubes”, BS 1881: part116: 1983.
[15] ASTM C469,”Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of Concrete in Compression”, Annual Book of American Society for Testing Concrete and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, 2014.
[16] ASTM C496-86, “Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens” , Annual Book of American Society for Testing Concrete and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, 2014.
Behavior of Reinforced Concrete Frames with Different Beam-column Joints Types
Aamer Najim Abbas, Saif Khudhair Ali, Waleed Awad Waryoosh