Численное моделирование обратной циклической нагрузки в соединении сборной колонны и карманного фундамента

Почему это важно для сейсмобезопасности

Многие современные здания собираются как гигантские наборы Lego: заводские бетонные элементы быстро монтируются на площадке. Это экономит время и средства, но возникает важный вопрос: выдержат ли эти стыки при землетрясении? В статье исследуется именно такой критический узел — место, где вертикальная колонна соединяется с фундаментом — путем анализа типа сборного «карманного» соединения и сравнения его с традиционным монолитным соединением, выполненным заливкой на месте.

Как соединяются элементы конструкции

В обычном строительстве колонны и фундаменты обычно заливаются как единый непрерывный массив бетона, что обеспечивает бесшовное соединение. В сборном строительстве колонну изготавливают на заводе и затем закрепляют на фундаменте на стройплощадке. Один перспективный способ — карманное соединение: фундамент отливают с выемкой (карманом), в которую затем опускают сборную колонну, а зазор заполняют высокопрочным раствором. Этот раствор вместе с трением и опиранием колонны по шершавым поверхностям кармана позволяет узлу работать почти как монолит. Поскольку поврежения при землетрясениях часто концентрируются в таких стыках, улучшение деталировки карманов может сделать сборные здания безопаснее и проще в ремонте.

Разработка двух вариантов усиления узла

Исследователи сосредоточились на расположении арматуры внутри области кармана, поскольку этот скрытый «скелет» определяет, как передаются усилия при дрожании. Они взяли в качестве отправной точки реальные проектные данные четырехэтажного здания по индийским и сингапурским нормам, выделили сильно загруженную колонну у основания и затем создали полуразмерные модели для численного моделирования. Одна модель представляла монолитное, залитое на месте соединение колонны с фундаментом. Две другие воспроизводили разные варианты кармана: PC I — на основе существующей схемы с добавленными угловыми стержнями-шпонками, и PC II — где каждая стенка кармана усилена более автономно вертикальными и горизонтальными стержнями плюс дополнительными хомутами возле основания колонны. Все три варианта подвергли в численной модели многократному возвратно-поступательному поперечному смещению — аналогичному тому, что испытывает колонна при землетрясении — при одновременной постоянной вертикальной нагрузке.

Что показали виртуальные испытания

Команда использовала современное ПО на основе метода конечных элементов для учета растрескивания, дробления бетона и пластической деформации арматуры при повторной нагрузке. Модели воспроизвели предыдущие лабораторные испытания с погрешностью около 15%, что повышает доверие к виртуальным результатам. Как и ожидалось, монолитное соединение оказалось в целом самым прочным, но карманное соединение PC II показало результаты, близкие к монолиту, потеряв лишь около 16% пикового сопротивления, тогда как PC I потеряло примерно 22%. Еще важнее для сейсмозащиты: сборные карманы позволяли колоннам изгибаться сильнее до разрушения. По сравнению с монолитом PC I продемонстрировал примерно на две трети большую деформационную способность, а PC II — более чем вдвое. Карты деформаций показали, что в монолитном узле повреждения концентрировались непосредственно на интерфейсе колонна–фундамент, тогда как в карманных соединениях повреждения распределялись более равномерно, что указывает на их лучшую ремонтопригодность после сотрясения.

Как узлы рассеивали энергию колебаний

Когда здание раскачивается при землетрясении, хорошие соединения не только остаются целыми — они также поглощают и рассеивают энергию, чтобы меньшее ее количество передавалось дальше по конструкции. Исследователи оценивали эту «диссипацию энергии» по петлям нагрузка—смещение, образующимся при повторных циклах в моделях. Оба карманных варианта превзошли монолитный узел: PC I суммарно рассеял примерно на 63% больше энергии, пусть и за счет более локализованных повреждений в зоне кармана. PC II рассеял около 37% больше энергии по сравнению с монолитом и сделал это более контролируемо — с менее интенсивным растрескиванием и лучшим сжатием сердцевинного бетона. Его реакция оставалась устойчивой даже при больших боковых смещениях, что делает этот вариант особенно перспективным для сейсмоопасных районов.

Что это значит для будущих зданий

Для неспециалистов главное: сборное строительство не обязательно означает худшие характеристики. При продуманной деталировке скрытой арматуры в карманных фундаментах соединения колонна–фундамент могут соответствовать, а по некоторым параметрам и превосходить поведение традиционного монолитного бетона. Компоновка PC II особенно хорошо сочетает прочность, гибкость и способность к поглощению энергии. Это значит, что здание может безопасно раскачиваться без внезапного разрушения и быть проще в восстановлении после события. Исследование также демонстрирует: современные численные моделирования, при условии тщательной валидации экспериментами, позволяют оптимизировать более безопасные и устойчивые конструкции еще до заливки первого кубометра бетона.

Цитирование: Hemamathi, A., Jaya, K.P. & Sukumar, B. Numerical simulation of reverse cyclic loading in precast column and pocket foundation connection. Sci Rep 16, 5714 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36686-w

Ключевые слова: сборный бетон, сейсмостойкость, соединение колонна–фундамент, сейсмическая устойчивость, метод конечных элементов