ВведениеСовершенствование ограждающих конструкций зданий различного назначения связано с разработкой и применением как новых строительных материалов, так и способах их конструирования их сечений [1,2]. Исследования силового сопротивления новых и усовершенствованных таких конструкций проводятся на основе теоретических посылок как численными методами, так и экспериментальными [3,4,5]. Для трехслойных железобетонных конструкций с монолитно связанными бетонными слоями разработаны методы расчета по прочности, трещиностойкости и деформациям в широком диапазоне соотношения физико-механических характеристик бетонных слоев при различных способах и видах нагружения. Экспериментальные исследования носят преимущественно фрагментарный характер и относятся в большей части к лабораторным образцам, устанавливающим монолитность связи бетонных слоев различной прочности, и моделям, имитирующим напряженно-деформируемое состояние реальных конструкций [6,7,8,9]. Несмотря на то, что все проведенные экспериментальные исследования подтверждают теоретические подходы и методы расчета многослойных железобетонных конструкций с монолитной связью слоев, необходимо иметь верифицированные результаты экспериментальных исследований с расчетными, полученными на основе разработанных моделей.МетодыЭкспериментальные конструкции стеновых панелей запроектированы со средним слоем из бетона класса по прочности на сжатие В0,75. В наружных слоях конструкций предусмотрено применение конструкционных бетонов классов по прочности на сжатие В12,5 и В25. Толщины наружных слоев приняты с учетом действующих нагрузок, а также размещения в них рабочей арматуры и обеспечения ее защиты, а теплоизоляционных - по теплотехническому расчету (рис.1). При этом для опытной проверки использованы конструкции наименьшей толщины с целью оценки их несущей способности, трещиностойкости и деформативности.Рис.1. Конструкция экспериментальной панелиДля экспериментальных исследований по рабочим чертежам изготовлены натурные конструкции стеновых панелей горизонтальной разрезки. Опытные конструкции изготовлены в количестве двух образцов одного наименования и предназначены для испытаний в соответствии с реальной схемой их работы в здании.Последовательность изготовления панелей включает следующие этапы: в подготовленные формы укладывают пространственный арматурный каркас, затем конструкционный бетон нижнего слоя и бетон низкой прочности среднего слоя, уплотняя каждый слой на вибростоле в течение 30...40 сек. , далее укладывают конструкционный бетон верхнего слоя с уплотнением на вибростоле не более 20 сек. для предотвращения перемешивания его со средним слоем. Перерывы между укладкой смежных слоев составляли не более 20 мин., что соответствует периоду возможного образования монолитной связи между слоями. После укладки в формы и 5-часовой выдержки панели пропаривают в камерах тепловой обработки по режиму: подъем температуры - 3, изотермическая выдержка при температуре 600С -10 и остывание - 2 часа.После изготовления и набора прочности стеновых панелей определяли их фактические прочностные и деформативные характеристики материалов с использованием одновременно изготовленных бетонных кубов и призм для обоих видов бетонов и арматурных стержней одной и той же партии (табл.1).Таблица 1Проектные и фактические прочностные и деформативные характеристики бетонов слоев и арматуры опытных панелейШифр панелиБетон наружных слоевБетон среднего слояРабочая арматурапроектный класс по прочности на сжатиефактические характеристики, МПапроектный класс по прочности на сжатиефактические характеристики, МПадиа-метр, мми классAs, смsy, МПаsu, МПаRRbEb×10-3RRbEb×10-3ПС-1В1529,6-28,0ВО,751,0-0,712 мм 410651ПС-2В1521,1-19,1ВО,750,64--12 мм 410651ПС--3В25-28,528,7ВО,35-0,460,36  8 мм0,495436-ПС-4В25-28,528,7ВО,35-0,460,36     8 мм0,495436-Опытные образцы трехслойных стеновых панелей испытаны в соответствии с проектом при одновременном нагружении вертикальной и горизонтальной (имитация ветровой) нагрузками в вертикальном положении (рис.2). Для испытаний выбраны панели, имеющие наибольший из номенклатуры расчетный пролет и предназначенные для эксплуатации под нагрузками наибольшей величины.Рис. 2. Испытание экспериментальной панелиПанели испытаны на стенде, обеспечивающем независимую передачу вертикальной и горизонтальной нагрузок. Вертикальная нагрузка создавалась с помощью домкрата, горизонтальная - естественными грузами. Равномерно распределенная нагрузка на панель - вертикальная (от собственного веса испытываемой и вышележащей панели) и горизонтальная (от ветра) заменялись соответственно четырьмя и восемью сосредоточенными силами, приложенными симметрично на расстояниях, равных четверти пролета. Вертикальную нагрузку передавали по верхней грани, а горизонтальную по боковой в двух уровнях с расстоянием между ними 100 см, а по длине панелей - как и вертикальную. Грузы в виде 20 кг гирь располагались на 4-х платформах, нагрузка от которых передавалась на панель с помощью тросов и распределительных балок. Домкрат с помощью специального устройства при испытании перемещали вслед за панелью при ее прогибе для исключения горизонтальной составляющей от нагрузки при наклоне тяжей, передающих вертикальную нагрузку. Для обеспечения свободного поворота панелей при нагружении все опоры выполняли подвижными шаровыми.Результаты исследованияБольшинство опытных конструкций было испытано до разрушения. Некоторые конструкции испытывали до нагрузок, близких к разрушающим, в основном, по причине предотвращения хрупкого разрушения в приопорных зонах по наклонному сечению при дальнейшем увеличении нагрузки после достижения рабочей арматурой предела текучести и из-за достижения арматурой, не имеющей площадки текучести, временного сопротивления разрыву. Все испытанные на одновременное воздействие горизонтальных и вертикальных нагрузок стеновые панели разрушались в средней части пролета вследствие достижения напряжений в рабочей растянутой арматуре предела текучести или превышения условного предела текучести для арматуры, не имеющей площадки текучести. Разрушение сопровождалось значительными горизонтальными перемещениями и резким увеличением ширины раскрытия трещин. Ни в одной из испытанных конструкций вплоть до разрушения трещины по контакту слоев и взаимное их смещение обнаружены не были.Основные результаты испытаний опытных трехслойных железобетонных панелей с монолитной связью слоев в сравнении с теоретическими значениями приведены в табл.2. Разрушающие нагрузки при испытаниях всех опытных конструкций оказались близки теоретическим, определенным с учетом фактических прочностных характеристик бетона и арматуры.Таблица 2Результаты испытаний трехслойных железобетонных стеновых панелей с монолитной связью слоевШифр панелиРазрушающая нагрузка (%)Нагрузка трещино-образования (%)Прогиб при нормативной нагрузке, см(%)опытнаятеоретическаяопытнаятеоретическаяфактическийтеоретическийпредельно допустимыйПС-145,6(108)43,6(100)27,6(100)41,1(149)0,16(100)0,14(89)2,9(1813)ПС-2*--21,3(100)41,1(193)0,15(100)0,14(93)2,9(1933)ПС-345,2(100)54,6(121)17,5(100)14,4(82)0,35(100)0,34(97)1,11(317)ПС-445,2(100)44,5(98)20,0(100)14,4(72)0,33(100)0,34(103)1,11(336)Примечания:1. Для стеновых панелей, испытанных при одновременном действии горизонтальных и вертикальных нагрузок, приведены значения горизонтальных составляющих в кН и соответствующие им прогибы.2. Знаком "*" обозначены панели, испытанные до нагрузок близких к разрушающим, но не доведенные до физического разрушения.Первые нормальные трещины во всех испытанных конструкциях появились после достижения нормативных нагрузок - при нагрузках, незначительно меньших расчетных, либо даже превышающих их. В этой связи оценка по раскрытию трещин не требуется - трещиностойкость конструкции обеспечена. По расчету с учетом фактических прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры величины нагрузок образования трещин также превышают нормативные нагрузки. Но в отдельных опытных конструкциях (панель ПС-1 и ПС-3, ПС-4) фактическая прочность на растяжение бетонов наружных слоев оказалась выше проектной. В этой связи, очевидно, в реальных конструкциях трещины могут образовываться при нагрузках меньше нормативных. При проектных характеристиках материалов для панели ПС-1 теоретическая величина нагрузки трещинообразования на 14,7% ниже нормативной. Однако ширина раскрытия трещин при этом по расчету составляет 0,2 мм и не превышает допустимых величин. На основании экспериментальных результатов для избежания существенного раскрытия трещин при нормативной нагрузке для наиболее нагруженных панелей нижнего ряда рекомендуется в реальных конструкциях увеличение толщины наружного ограждающего слоя от 5 до 6,5 см.Реализация разработанного алгоритма расчета в практической деятельности при проектировании стеновых панелей, которые в эксплуатационной стадии испытывают силовые горизонтальные и вертикальные нагрузки, ориентирована на использование современных программных комплексов, которые значительно сокращают трудозатраты инженера при возможности повысить точность расчета за счет учета сравнительно малых действующих нагрузок.  В подобных случаях они не учитывались или учитывались введением коэффициентов запаса прочности.  Расчет по образованию трещин трехслойных железобетонных стеновых панелей при одновременном действии горизонтальных и вертикальных нагрузок с многорядным расположением арматуры по сечению производился, исходя из условий:$M_x \leq M_{crc,x}$$M_y<M_{crc,y}$        (1)где Mcrc,x  и M_{crc,y} – моменты, воспринимаемые сечением, нормальным к продольной оси элемента при образовании трещин в направлении горизонтальных и вертикальных осей х и y.$M_{crc,x}=N_b(X_{bt}-x_b+ \sum_{i=1}^n N_{si}(x_{si}-x{bt})+N(x_{bt}-x_N)$;$M_{crc,y}=N_b(y_{bt}-x_b+ \sum_{i=1}^n N_{si}(y_{si}-y{bt})+N(y_{bt}-y_N)$ где xN и yN – координаты точки приложения нормального усилия усадки относительно координатных осей х и y.Для всех испытанных конструкций на всем диапазоне нагружения не было отмечено появление наклонных трещин. Это подтверждается и расчетом. В отдельных случаях при испытании панелей горизонтальной разрезки наклонные трещины в среднем слое образовывались. Однако, это происходило при нагрузке, превышающей нормативную до 30%. Но и в этом случае до конца испытания, когда нагрузка превышала нормативную в 2,58 раза, обеспечивалась совместная монолитная работа сечения в целом без его расслоения.Фактические прогибы всех стеновых панелей при нормативной нагрузке близки теоретическим и существенно меньше предельно допустимых значений, равных 1/200 пролета.ЗаключениеРезультаты испытаний трехслойных конструкций с наружными слоями из конструкционного бетона и средним слоем из низкотеплопроводного бетона по жесткости и трещиностойкости свидетельствуют об их высоких эксплуатационных качествах. Ни в одной из испытанных конструкций вплоть до разрушения в среднем слое из низкопрочного бетона не образовывались наклонные трещины, не было трещин по контакту слоев и взаимного их смещения. Последнее свидетельствует о надежной монолитной связи слоев панели между собой при принятой технологии изготовления, а отсутствие наклонных трещин - о долговечности разработанных конструкций. Для всех испытанных конструкций образование нормальных трещин происходило при нагрузках, превышающих нормативные, а их раскрытие было существенно меньше допускаемого нормами проектирования. Указанные особенности работы трехслойных железобетонных панелей связаны с использованием в наружных слоях конструкционных бетонов и важны для обеспечения их эксплуатационных качеств.