аспирант с 01.01.2015 по настоящее время
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Сборно-монолитные перекрытия являются оптимальным решением с точки зрения стоимости и сроков производства работ. Кроме того, за счет легких блоков заполнения, входящих в устройство сборно-монолитной конструкции, перекрытие имеет меньший вес, чем классическое монолитное или сборное. В рамках данной работы были проведены расчеты элементов сборно-монолитных перекрытий – железобетонных тавровых балок со стальным тонкостенным профилем, который используется на этапе строительно-монтажных работ в первую очередь в качестве опалубки. Тем не менее, учет в расчетах стального профиля в качестве внешнего армирования повышает несущую способность балок на 50%. Для оценки фактического влияния стального тонкостенного профиля на прочностные характеристики элементов конструкции были проведены экспериментальные исследования. По результатам эксперимента было выявлено, что вклад стального тонкостенного профиля в несущую способность балок составляет 15%, в то время как если уменьшить проскальзывание профиля за счет анкеровки в приопорных зонах – несущая способность увеличивается на 55% по сравнению с аналогичными балками без профиля.
сталежелезобетон, внешнее армирование, тонкостенный стальной профиль, несущая способность, прочность
Введение. Сборно-монолитные перекрытия являются оптимальной конструкцией с точки зрения снижения веса при сохранении необходимой несущей способности, сокращения сроков производства работ, а также уменьшения стоимости строительства. Сравнительный анализ монолитного, сборно-монолитного и сборного типов перекрытий, представленный в статье [1], показал очевидную конкурентоспособность сборно-монолитных перекрытий в сравнении с традиционными конструкциями.
Такие перекрытия состоят из железобетонных балок с объемным треугольным каркасом из арматурных стержней, блоков заполнения из различных легких бетонов, а также монолитного слоя бетона, укладываемого на строительной площадке (рис. 1) [2].
Рис. 1. Устройство сборно-монолитного перекрытия
В ходе работы были исследованы два основных типанесущих элементов сборно-монолитных перекрытий – с бетонным основанием и с основанием в виде стального тонкостенного профиля, выполняющего роль опалубки на стадии укладки монолитного бетона (рис. 2) [3].
Рис. 2. Основные типы несущих элементов для сборно-монолитных перекрытий
Обзор литературы показал, что несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических исследований сталежелезобетонных конструкций, вопрос совместной работы бетона и стального листа требует дополнительных исследований. Поиск конструктивных вариантов, оптимальных с точки зрения строительно-монтажных работ и одновременно обеспечивающих надежное сцепление бетона и стали, в настоящее время продолжает быть актуальным [4-15].
Кроме того, сдерживающим фактором широкого применения сталежелезобетонных конструкций при проектировании и строительстве в Российской Федерации являлось отсутствие до 2017 г. специализированного свода правил, в то время как в странах Евросоюза с 1994 г. существует стандарт – Еврокод 4 «Проектирование сталежелезобетонных конструкций» [16].
Методология. В качестве исследуемого объекта приняты тавровые железобетонные балки с шириной ребра 120 мм, шириной полки – 740 мм, высотой 250 мм и длиной 3000 мм со стальным тонкостенным профилем или без него (рис. 3,4). Для оценки влияния тонкостенного стального профиля на несущую способность балочных элементов были проведены экспериментальные исследования трех образцов: без профиля (балка I), со стальным профилем (балка III-I) и с анкерованным стальным профилем в приопорных зонах (по 10 дюбелей с каждой стороны с целью крепления стального профиля к бетону – балка III-II) (рис. 5, 6).
Рис. 3. Поперечное сечение балки со стальным тонкостенным профилем
Рис. 4. Стальной тонкостенный профиль
Рис. 5. Анкеровка стального профиля в приопорных зонах
Рис. 6. Фотоиллюстрация анкеровки стального профиля
Анализ СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» показал, что нормативный документ не позволяет произвести расчет тавровых железобетонных балок со стальным тонкостенным профилем и в целом имеет достаточно ограниченную область применения, а именно:
- сталежелезобетонные плиты с профилированным настилом (рис. 7);
Рис. 7. Сталежелезобетонная плита с профилированным настилом
- комбинированные балки (рис. 8);
Рис. 8. Комбинированные балки
- железобетонные конструкции с жесткой арматурой, работающие на центральное или внецентренное сжатие, растяжение (рис. 9);
Рис. 9. Железобетонные конструкции с жесткой арматурой
- трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бе
тонным или железобетонным ядром (рис. 10).
Рис. 10. Трубобетонные конструкции
Таким образом, расчет прочности и деформации тавровых железобетонных балок со стальным тонкостенным профилем производился на основании методов, продиктованных СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».
Экспериментальные исследования проводились по схеме шарнирно-опертой балки с двумя равными сосредоточенными силами, приложенными в третях пролета (рис. 11). Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости».
Рис. 11. Схема испытаний балок
Нагрузка прикладывалась при помощи гидравлических домкратов. Усилия Q, создаваемые домкратами, определялось с помощью электронных динамометров ДМС-30/1МГ4, а также достаточно точно контролировались по величине давления рабочей жидкости (масла) в системе нагнетания.
Фотоиллюстрации экспериментальных исследований представлены на рис. 12.
Рис. 12. Фотоиллюстрации экспериментальных исследований
Основная часть. Расчет сталежелезобетонных балок сборно-монолитных перекрытий по прочности нормальных сечений согласно СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» производится из уравнений равновесия изгибающих моментов и проекций продольных сил на продольную ось элемента, действующих в нормальном сечении от внешних нагрузок и от усилий в сжатой зоне бетона и в арматуре растянутой зоны (рис. 13):
Рис. 13. Расчетная схема усилий в нормальном сечении изгибаемого железобетонного элемента
при его расчете по прочности
Уравнение равновесия изгибающих моментов рассматривается относительно оси, проходящей через центр тяжести арматуры 
, таким образом:
|
(1) |
=>
;
|
(2) |
=>
;
где 
– расчетное сопротивление арматуры 
растяжению, 
; 
– сопротивление арматуры растяжению, ; – площадь арматуры , 
; 
– высота сжатой зоны бетона, см; 
– расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, .
Примечания:
- Расчет проводится до достижения напряжениями
и/или 
задаваемого критерия прочности (традиционно Rs). - Представленная модель является основой для уточнения (проверки) разрабатываемой деформационной модели для неоднородного сталежелезобетонного элемента с внешним листовым армированием.
Прочностные характеристики примененных материалов определялись в соответствии с требованиями нормативных документов: бетон В25, арматура – класса А500, арматурная сетка– Вр1, характеристики тонкостенного стального профиля Rsпринимались по данным от завода-изготовителя.
После проведенных экспериментов были повторно произведены расчеты тавровых железобетонных балок со стальным тонкостенным профилем, где характеристики механических свойств бетона были приняты фактическими, с учетом испытаний образцов-кубиков до разрушения по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» и по ГОСТ 24452-80 «Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона».
Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными значениями представлены в таблице 1.
Таблица 1
Опытные и расчетные значения несущей способности балок
|
Балка I |
Балка III-I |
Балка III-II (с профилем и анкеровкой) |
||||||
|
Расчетные значения |
||||||||
|
|
2620 |
|
|
4720 |
|
|
4540 |
|
|
|
62,5% |
|
|
117,5 % |
|
|
113 % |
|
|
Опытные значения |
||||||||
|
|
4020 |
|
|
4620 |
|
|
6120 |
|
|
|
100 % |
|
|
115,7 % |
|
|
155 % |
|
Примечания:
- Над чертой – значения изгибающих моментов М в кг*м, под чертой – значения в относительных величинах (в %);
- За 100 % принят экспериментальный разрушающий изгибающий момент балки I (без профиля).
Выводы. Сопоставление расчетов по методике СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» с результатами эксперимента позволяют сделать следующие выводы:
1. У образца со стальным профилем (балка III-I) несущая способность на 15 % выше, чем у образца без профиля (балка I);
2. У образцов, в которых стальной профиль заанкерен в бетон при помощи стальных дюбелей в приопорных зонах (балки III-II), несущая способность на 55 % выше, чем у образца без профиля (балка I);
3. Расчетные значения несущей способности балок, в среднем, на 35–40 %, ниже соответствующих опытных величин, что связано, главным образом, с осторожной оценкой нормами расчетных характеристик бетона и арматуры соответствующих классов.
1. Недвига Е.С., Виноградова Н.А. Системы сборно-монолитных перекрытий // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. №4(43). С. 87-107.
2. Ватин Н.И., Величкин В.З., Козинец Г.Л., Корсун В.И., Рыбаков В.А., Жувак О.В. Технология сборно-монолитных балочных железобетонных перекрытий с керамзитобетонными блоками // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. №7(70). С. 43-59.
3. Derysz J., Lewinski P.M., Wiech P.P. New concept of steel-reinforced concrete floor slab in the light of computation model and experimental research // Procedia Engineering. 2017. Vol. 193. Pp. 168-175.
4. Балуев В.Ю. Автоматизированное оптимальное проектирование сталежелезобетонных перекрытий : дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2004. 149 с.
5. Замалиев Ф.С. Экспериментальные исследования пространственной работы сталежелезобетонных конструкций // Вестник МГСУ. 2009. №8. С. 20-37.
6. Rybakov V.A., Kozinets G.L., Vatin N.I., Velichkin V.Z., Korsun V.I. Lightweight steel concrete structures technology with foam fiber-cement sheets // Magazine of Civil Engineering. 2018. Vol. 6(82). Pp. 103-111.
7. Медведев В.Н., Семенюк С.Д. Прочность и деформативность балочных изгибаемых элементов с внешним листовым армированием // Инженерно-строительный журнал. 2016. №3(63). С. 3-15.
8. Soty R., Shima H. Formulation for Maximum Shear Force on L-Shape Shear Connector Subjected to Strut Compressive Force at Splitting Crack Occurrence in Steel-Concrete Composite Structures // Procedia Engineering. 2011. Vol. 14. Pp. 2420-2428.
9. Kvocak V., Kozlejova V., Dubecky D. Analysis of encased steel beams with hollow cross-sections // Procedia Engineering. 2012. Vol. 40. Pp. 223-228.
10. Козлов К.В. Изгиб неразрезной сталежелезобетонной балки с учетом нелинейной ползучести бетона // Вестник гражданских инженеров. 2011. №4(29). С. 59-64.
11. Holomek J., Bajera M., Vilda M. Test Arrangement of Small-scale Shear Tests of Composite Slabs // Procedia Engineering. 2016. Vol. 161. Pp. 716-721.
12. Nadasky P. Steel-Concrete Composite Beams for Slim Floors - Specific Design Features in Scope of Steel Flames Design // Procedia Engineering. 2012. Vol. 40. Pp. 274-279.
13. Ahmed I.M., Tsavdaridis K.D. The evolution of composite flooring systems: applications, testing, modelling and eurocode design approaches // Journal of Constructional Steel Research. 2019. Vol. 155. Pp. 286-300.
14. Грешкина Е.В., Починок В.П. Задачи исследования влияния внешнего армирования на прочность стенки железобетонных балок // Научные труды КубГТУ. 2018. №1. С. 55-70.
15. Кибирева Ю.А., Астафьева Н.С. Применение конструкций из сталежелезобетона // Экология и строительство. 2018. №2. С. 27-34.
16. Rybakov V.A., Ananyeva I.A., Rodicheva A.O., Ogidan O.T. Stress-strain state of composite reinforced concrete slab elements under fire activity // Magazine of Civil Engineering. 2017. Vol. 6(74). Pp. 161-174.
