Russian Federation
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
In this work the efficiency of steel-concrete plates in comparison with reinforced concrete has been illustrated. Parameters of the compared analogs have been selected from conditions of their equivalence in amount of working reinforcement and its mechanical properties, working height, resistibility of concrete and the geometrical sizes of the plate in the plan. The limit state on normal section has been considered.
steel-concrete plate, reinforced concrete plate, efficiency of sheet reinforcing
В настоящее время существует достаточное число примеров использования конструкций с внешним армированием в мировой и отечественной практике строительства, что подтверждает их эффективность и конкурентоспособность в сравнении с обычными железобетонными [1–28]. При этом обеспечивается значительный экономический эффект за счет снижения трудоемкости, сокращения сроков строительства, лучшего использования техники.
Как правило, внешняя арматура наиболее эффективна в строительстве монолитных и сборно-монолитных каркасных зданий и сооружений, выполняемых по индивидуальным проектам. Эффективна внешняя арматура и при устройстве большепролетных монолитных и сборно-монолитных перекрытий, перекрытий под большие сосредоточенные и распределенные нагрузки. При этом внешняя арматура позволяет существенно снизить собственный вес и уменьшить габариты конструкций, что особенно важно при строительстве зданий большой высоты. Применяется внешняя арматура и в конструкциях перекрытий со сложным планом и нестандартными пролетами, где нецелесообразно использовать сборный железобетон индивидуального изготовления. Внешняя арматура дает возможность сократить материальные и трудовые затраты на устройство лесов и подмостей монолитных перекрытий, открывает широкие возможности по использованию подвесной, переставной и скользящей опалубки.
Следует, однако, отметить, что сталебетонные конструкции в сравнении с железобетонными находятся в невыгодных условиях. Практика применения стержневого армирования, на протяжении длительного периода развития конструкций из бетона непрерывно совершенствовала технологию производства, конструктивные решения железобетона, а также отдельных его элементов (бетон, арматура). В то же время использование листового внешнего армирования насчитывает чуть более 60 лет и, естественно, не имеет массового характера, а робкие попытки внедрения сталебетона при строительстве отдельных объектов сталкиваются с конкуренцией со стороны развитой индустрии железобетона, имеющей мощную производственную базу.
Эффективность листового армирования наиболее ощутима при монолитном строительстве, которое чаще всего обусловлено необходимостью устройства большого количества отверстий, проемов, наличием большого количества закладных деталей и в некоторых случаях недостаточной мощностью заводов железобетонных изделий в отдельных регионах страны. Кроме того, при наличии дешевых местных материалов (щебень, песок, гравий), монолитное строительство диктуется возможностью существенного снижения стоимости сооружений.
Наиболее трудоемким и сложным процессом при строительстве монолитным способом являются опалубочные работы. Замена деревянной опалубки стальным листом (плоским или гофрированным), с последующим использованием его в качестве растянутой арматуры, позволяет значительно усовершенствовать организацию труда, повысить уровень индустриализации, сократить сроки строительства.
Конструкции с листовой арматурой по существу представляют собой пример интенсификации обычных конструктивных решений за счет возложения на стальной лист дополнительных функций. Опытное применение конструкций с листовой арматурой показывает, что в сооружениях, где по каким либо причинам требуется стальная облицовка, многофункциональное использование листа, в том числе и в качестве арматуры, дает возможность с экономить от
40 % до 60 % внутренней арматуры, повысить несущую способность при изгибе и получить технологический эффект за счет использования листа как опалубки или ее составной части.
Максимальная эффективность от использования стального листа как арматуры достигается при армировании растянутой зоны плит, изгибаемых в двух направлениях.
Опыт проведенных исследований, проектирования и применения в строительстве сталебетонных конструкций показывает целесообразность их использования в различных областях строительства.
Основными показателями, характеризующими эксплуатационные свойства конструкций любого типа, являются их несущая способность и жесткость. Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований показал, что внешнее армирование в плитах приводит к существенному повышению их несущей способности и жесткости по сравнению с железобетонными.
Для иллюстрации эффективности сталебетонных плит по сравнению с железобетонными были выполнены расчеты, результаты которых представлены в таблице 1. Опытные образцы П-3, П-4 (рис. 1, а) были выполнены в виде восьмиугольных симметричных в плане плит размерами описанной окружности R=541 мм, вписанной окружности r=500 мм, стороной b=414 мм и высотой 50 мм. Образцы были запроектированы и изготовлены в виде бетонной плиты с внешним армированием из листовой стали толщиной 1мм. Для совместной работы листовая арматура была объединена с бетоном наклонными петлевыми анкерами 1, расположенными по радиусам 2 с шагом 50 мм (рис. 1, б). Их наклон к горизонтальной поверхности составляет 45° в направлении от центра к полигональному контуру. Кроме плит испытанных авторами в рамках настоящей работы к сравнительному анализу привлекались сталебетонные плиты UR1, UR2, UR3 [29] и железобетонные плиты Г. Баха и О. Графа [30].
|
а |
б |
|
|
|
|
Рис. 1. Внешнее армирование образцов П-3, П-4 а – листовая арматура, б – схема опытного образца 1– анкерные упоры, 2– линии пластических шарниров |
|
Параметры сравниваемых аналогов подбирались из условия их эквивалентности по количеству рабочей арматуры и ее механическим свойствам, рабочей высоте, прочности бетона и геометрическим размерам плиты в плане. Рассматривалось предельное состояние по нормальному сечению.
Разрушающая нагрузка сталебетонных плит П-3, П-4, UR1, UR2, UR3, полученная в эксперименте, сопоставлялась с разрушающей нагрузкой, полученной для их железобетонных аналогов при расчете методом предельного равновесия. Предельная нагрузка железобетонных плит № 822, 863, 866, полученная экспериментально, сравнивалась с несущей способностью, найденной для их сталебетонных аналогов из расчета напряженно-деформированного состояния на ПЭВМ.
Результаты сравнения свидетельствуют о том, что замена стержневого армирования на листовое в плитах, опертых по контуру, приводит к увеличению их несущей способности в 2,2–3,2 раза при одинаковом расходе рабочей арматуры и прочих равных условиях. Существенно повышается жесткость. Так достижение предельных значений прогибов по второй группе предельных состояний происходит при нагрузках, в 2,5–3,0 раза превышающих аналогичные значения для железобетонных плит.
Таблица 1
Сравнение сталебетонных и железобетонных плит
|
№№ Плит, размеры в плане
|
Вид нагрузки |
Предел текучести арматуры, МПа
|
Сталебетонные плиты |
Железобетонные плиты |
|
||||
|
Толщина стального листа, мм
|
Рабочая высота сечения, мм
|
разрушающая нагрузка, кН
|
Площадь арматуры на единицу длины сечения, мм |
Рабочая высота сечения, мм |
Разрушающая нагрузка, кН
|
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
П-3 |
сосред. |
190,0 |
1,0 |
49,5 |
40,0 |
0,50/0,50 |
50,0/50,0 |
17,0 |
2,4 |
|
п-4 |
сосред. |
190,0 |
1,0 |
49,5 |
37,5 |
0,50/0,50 |
50,0/50,0 |
13,0 |
2,9 |
|
UR1 (0,9×0,9) |
сосред. |
210,0 |
0,62 |
100,0 |
163,0 |
0,31/0,31 |
100/100 |
54,0 |
3,0 |
|
UR2 (0,9×0,9) |
сосред. |
210,0 |
0,62 |
49,0 |
84,0 |
0,31/0,31 |
49,0/49,0 |
26,0 |
3,2 |
|
UR3 (0,9×0,9) |
сосред. |
218,0 |
1,0 |
50,5 |
111,0 |
0,50/0,50 |
50,5/50,5 |
44,0 |
2,5 |
|
822 (2,0×2,0) |
равном. |
408,0 |
0,814 |
63,5 |
0,14 |
0,41/0,41 |
67,0/60,0 |
0,063 |
2,2 |
|
863,866 (3,0×2,0) |
равном. |
430,0 |
0,77 |
104,5 |
0,16 |
0,39/0,39 |
108/101 |
0,075 |
2,1 |
Очевидно, отмеченные свойства сталебетонных плит объясняются способностью работы плоского стального листа, воспринимающего растягивающие усилия близкие к его физическому пределу текучести, одновременно во взаимно перпендикулярных направлениях и деформирующегося при этом в стесненных условиях в 1,4–2,0 раза меньше, чем в условиях одноосного растяжения. Кроме того, благодаря изотропным свойствам армирующего листа, после появления трещин сталебетонный элемент в значительно меньшей степени проявляет анизотропные свойства по сравнению с железобетонными, соответственно, лучше сохраняет способность воспринимать крутящие моменты.
Специалисты многих стран считают, что применение листовой опалубки-арматуры является экономичным по стоимости и трудоёмкости возведения, и эффективным средством увеличения жесткости не только сталебетонных плит, но и железобетонных.
1. Chernysheva E.V. Eksperimental'nye issledovaniya stalebetonnyh plit / Kachestvo, bezopasnost', energo- i resursosberezhenie v promyshlennosti stroitel'nyh materialov i stroitel'stve na poroge XXI veka: sb. dokl. Mezhdunar. nauchno-praktich. konf. Belgorod: Izd-vo BelGTASM, 2000. S. 297-300.
2. Seryh I.R., Chernysheva E.V. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie stalebetonnyh brus'ev pryamougol'nogo poperechnogo secheniya s sostavnoy oboymoy pri szhatii i izgibe: monografiya. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2015. 108 s.
3. Chernysheva E.V., Seryh I.R., Statinov V.V., Statinov V.F., Glagolev E.S. Nesuschaya sposobnost' stalebetonnyh plit po normal'nomu secheniyu // Vestnik BGTU im. V.G.Shuhova. 2015. № 5. S. 42-44.
4. Chernysheva E.V., Seryh I.R., Statinov V.V., Statinov V.F., Glagolev E.S. Nesuschaya sposobnost' stalebetonnyh poligonal'nyh plit // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2015. № 6. S. 102--105.
5. Panchenko L.A., Seryh I.R., Yur'ev A.G. Podkreplenie balki polosoy iz polimera, armirovannogo voloknami / Sovremennye stroitel'nye materialy, tehnologii i konstrukcii: sb. materialov Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy 95-letiyu FGBOU VPO «GGNTU im. akad. M.D. Millionschikova» (Groznyy, 24-26 marta 2015 g.). V 2-h tomah. Groznyy: FGUP «Izdatel'sko-poligraficheskiy kompleks «Groznenskiy rabochiy», T.2. 2015. S. 278-283.
6. Panchenko L.A., Seryh I.R., Yur'ev A.G. Napryazheniya v trubofibrobetonnyh izgibaemyh elementah // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2015. № 3-1 (34). S. 110-111.
7. Seryh I.R., Chernysheva E.V. Stalebeton v sovremennom stroitel'stve // Naukoemkie tehnologii i innovacii: sb. dokl. Yubileynoy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy 60-letiyu BGTU im. V.G. Shuhova / BGTU im. V.G.Shuhova. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2014. Ch.2. S. 112-115.
8. Yur'ev A.G., Panchenko L.A., Seryh I.R. Konstrukcii tonneley melkogo zalozheniya s ispol'zovaniem steklofibrobetona // Sbornik nauchnyh trudov Sworld. 2014. T. 9. Vyp. 2. S. 68-71.
9. Seryh I.R. Usilenie konstrukciy uglerodnymi kompozicionnymi materialami / Innovaciya-2013: sb. nauchn. statey Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. // Tashkentskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet (Tashkent 16-18 okt. 2013 g.), Tashkent: Izd-vo Yangi asr avlodi, 2013. S. 125-126.
10. Yur'ev A.G., Panchenko L.A., Seryh I.R. Racional'noe primenenie fibrobetona / Fundamental'nye issledovaniya v estestvennonauchnoy sfere i social'no-ekonomicheskoe razvitie Belgorodskoy oblasti: sb. dokl. nauch.-prakt. konf. // Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G.Shuhova (Belgorod, 12 okt. 2013 g.), Belgorod: Izd-vo BGTU, 2013. Chast' 1. S. 273-275.
11. Klyuev S.V., Gur'yanov Yu.V. Vneshnee armirovanie izgibaemyh fibrobetonnyh izdeliy uglevoloknom // Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. 2013. № 1(36). S. 21-26.
12. Klyuev S.V., Klyuev A.V., Lesovik R.V. Usilenie stroitel'nyh konstrukciy kompozitami na osnove uglevolokna // Germany. 2011. 123 s.
13. Klyuev S.V., Lesovik R.V. Vneshnee armirovanie konstrukciy kompozitami na osnove uglerodnogo volokna // Innovacionnye materialy i tehnologii (XX nauchnye chteniya): mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., Belgorod: izd-vo BGTU im. V.G.Shuhova, 2011. S. 239-243.
14. Klyuev S.V., Lesovik R.V. Raschet usileniya zhelezobetonnyh kolonn uglerodnoy tkan'yu // Innovacionnye materialy i tehnologii (XX nauchnye chteniya): mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., Belgorod: izd-vo BGTU im. V.G.Shuhova, 2010. S. 3-5.
15. Klyuev S.V. Usilenie i vosstanovlenie konstrukcii s ispol'zovaniem kompozitov na osnove uglevolokna // Beton i zhelezobeton. 2012. № 3. S. 23-26.
16. Klyuev S.V. Usilenie i vosstanovlenie konstrukciy s ispol'zovaniem kompozitov na osnove uglevolokna // Beton i zhelezobeton. 2012. №3. S. 23-26.
17. Klyuev S.V. Osnovy konstruktivnoy organizacii prirodnyh i iskusstvennyh materialov // Sovremennye tehnologii v promyshlennosti stroitel'nyh materialov i stroyindustrii: sb. stud. dokl. Mezhdunarodnogo kongressa. Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2003. Ch. 1. S. 161-163.
18. Klyuev S.V. Tehnologiya usileniya konstrukciy uglevoloknom // Belgorodskaya oblast': proshloe, nastoyaschee i buduschee: materialy nauchn.-prakt. konf., Belgorod: Izd-vo BGTU, 2012. Ch.1. S. 404-408.
19. Klyuev S.V., Lesovik R.V. Vysokoprochnye dispersno-armirovannye kompozity dlya vosstanovleniya i usileniya zdaniy i sooruzheniy // Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tehnologii XXI veka. 2012. № 5 (160). S. 12-13.
20. Klyuev S.V. Stalefibrobeton na osnove kompozicionnogo vyazhuschego // Belgorodskaya oblast': proshloe, nastoyaschee, buduschee: materialy obl. nauchn.-prakt. konf. V 3-h ch. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2011. S. 32-36.
21. Chihladze E.D., Vatulya G.L. Predel'noe sostoyanie dvuhsloynyh plit // Zbіrnik naukovih prac'. Rіvne, 2011. Vip. 22. S. 532-537.
22. Vatulya G.L., Shevchenko A.A. Rabota stalebetonnyh perekrytiy raznogo ochertaniya pri silovom vozdeystvii / Modernizaciya i nauchnye issledovaniya v transportnom komplekse: sb. mater. mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. // Permskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitete, Perm'. 2013. T. 3. S.79-86.
23. Chihladze E.D., Arslanhanov A.D. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie stalebetonnyh plit // Stroitel'naya mehanika i raschet sooruzheniy, 1990. № 2. S. 22-26.
24. Vatulya G.L., Orel E.F., Koval'chuk A.M. Eksperimental'nye issledovaniya stalebetonnyh plit perekrytiya // Zbirnik naukovih prac'. Har'kiv, UkrDAZT. 2011. Vip. 126. S. 239-242.
25. Vatulya G.L., Smolyanyuk N.V. Rabota stalebetonnogo perekrytiya pri silovom vozdeystvii // Zbіrnik naukovih prac'. Harkіv, UkrDAZT. 2011. Vip. 127. S. 164-170.
26. Vatulya G.L., Shevchenko A.A., Smolyanyuk N.V. Issledovanie raboty stalebetonnoy krugloy plity pri silovom vozdeystvii / Modernizaciya i nauchnye issledovaniya v transportnom komplekse: sb. mater. mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. // Permskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitete, Perm'. 2012. T. 4. S. 59-65.
27. Vatulya G.L., Shevchenko A.A., Golovko D.V. Eksperimental'naya ocenka napryazhenno-deformirovannogo i predel'nogo sostoyaniya stalebetonnyh kruglyh plit // Zb. nauk. prac'. Harkіv: UkrDAZT, 2012. Vip. 129. S.145-149.
28. Vatulya G.L., Orel E.F., Matyaschuk O.V., Dovganik O.Ya. Ocenka vliyaniya tolschiny metallicheskogo lista na nesuschuyu sposobnost' konstrukciy s vneshnim armirovaniem // Zb. nauk. prac'. Harkіv: UkrDAZT, 2012. Vip. 133. S. 290-295.
29. Richard F.E., Brantzaeg A., Brown R. L. A Study of the Failure of Concrete Under Combined Compressive Stresses. Univ. of Illinois, Eng. Exper. Station. Bull. 185. 1928.
30. Karpenko N.I. Teoriya deformirovaniya zhelezobetona s treschinami. M.: Stroyizdat, 1976. 208s.
