В настоящее время в строительстве, а также при реконструкции и реставрации гражданских и промышленных зданий широко применяются сталежелезобетонные конструкции перекрытий. Сталежелезобетонные конструкции — большой класс строительных конструкций, отличающихся как по конструктивному признаку, так и по степени использования фактора совместной работы бетона и стали. Эти столь различные строительные материалы эффективно сочетаются и дополняют друг друга. С 1802 года — момента изобретения железобетона сталь и бетон неразрывно связаны друг с другом. Так же как не существует железобетонного строения без стали, не существует и стального строительства без бетона [1].
Есть несколько типов сталежелезобетонных конструкций, используемых в строительстве зданий и сооружений:
а) Композитные конструкции из железобетонных плит и стальных балок, объединенных для совместной работы конструкции при помощи специальных крепежей или путем обетонирования стальных балок. Основные типы поперечных сечений приведены на рис. 2.
Рис. 2. Варианты поперечных сечений композитных конструкций из железобетонных плит со стальными балками: а) стальная балка и плита объединены при помощи анкерных упоров; б) стальная балка частично обетонирована и объединена с плитой при помощи анкерных упоров; в) стальная балка и плита с вутами объединены при помощи анкерных упоров; г) стальная балка частично обетонирована, сборные железобетонные плиты опираются на нижний пояс балки через лист; д) и ж) опирание плиты по профилированному настилу на стальную балку (промежуточная опора настила), е) опирание плиты по профилированному настилу на частично обетонированную стальную балку (крайняя опора настила); з) полное обетонирование стальной балки; и) опирание железобетонной плиты на нижний пояс балки, анкерные упоры на полке балки; к) опирание железобетонной плиты на нижний пояс балки, анкерные упоры на стенке балки
б) сталежелезобетонные плиты с профилированным настилом, конструкция плиты с профилированным настилом;
в) железобетонные конструкции с жесткой арматурой, работающие на центральное или внецентренное сжатие, растяжение;
г) трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бетонным ядром без арматуры или с бетонным ядром, армированным продольной гибкой арматурой (с железобетонным ядром).
Обратимся к композитным конструкциям из железобетонных плит и стальных балок.
Объединение в совместную работу железобетонной плиты и стальных балок дает возможность получить достаточно эффективные конструкции перекрытий, надежно работающих как при статических, так и при динамических нагрузках. При этом на участке положительных моментов железобетонные плиты выполняют функцию сжатого верхнего пояса, а нижняя часть стальной балки — растянутого нижнего пояса. Такое распределение усилий ведет к уменьшению сечения стальной балки [2]. На участке отрицательных моментов железобетонные плиты только тогда могут включиться в работу, когда растягивающие усилия, появляющиеся при этом в бетоне, будут преодолены с помощью предварительного напряжения. Предварительно-напряженные сталежелезобетонные балки выгодны только при больших пролетах, что подойдет для производственных зданий.Чем интенсивнее железобетонная плита включается в совместную работу со стальной балкой, тем при меньшей затрате металла можно добиться требуемой несущей способности пролетного строения.
Для достижения совместной работы в сталежелезобетонной конструкции необходимо соединить стальные балки с лежащими на них железобетонными плитами так, чтобы обеспечить надежное восприятие появляющихся между ними сил сдвига. Если этого не сделать, то несущие способности обоих элементов просто суммируются, тогда как несущая способность объединенного сечения существенно возрастает. Это можно пояснить на примере штабеля свободно лежащих друг на друге досок (рис. 1.а и 1.б), которые имеют такую же общую несущую способность, как если бы они лежали рядом друг с другом. Только соединение досок гвоздями, которые воспринимают силы сдвига, обеспечивает большую несущую способность балки, сбитой из досок (рис. 1.в) [1].Исключение сдвига в области контакта составных частей при возникновении нагрузок обеспечивается за счет адгезионных свойств, трения и зацепления соединительных элементов. Эти элементы могут быть изготовлены как жесткие и гибкие упоры, анкеры. На изгиб работают упоры жесткого типа.
Рис. 2. Штабель свободно лежащих друг на друге досок: а, б — свободно лежащие друг на друге доски; в — доски, соединенные гвоздями
Работа объединенных железобетонной плиты и стальной балки отличается от работы конструкций, чья работа учитывается независимо друг от друга: когда стальная балка не объединена с железобетонной плитой, она несет нагрузку одна. Нейтральная ось находится посередине высоты балки. В случае совместной работы, нейтральная ось сдвигается вверх. Верхняя полка балки из стали находится близко к нейтральной оси и может иметь меньшую площадь по сравнению с нижней полкой. При этом в случае одинаковых наибольших напряжениях в нижнем поясе угол эпюры напряжений и прогиб балки значительно меньше, чем в конструкции, где железобетонная плита и стальная балка работают раздельно.
При твердении свежий бетон уменьшается в объеме вследствие происходящих в нем химических процессов. При длительном действии нагрузки в бетоне со временем проявляются неупругие деформации. В сталежелезобетонных балках этим явлениям подвержена только железобетонная плита. Если в объединенной со стальной балкой железобетонной плите происходят деформации в результате явлений усадки и ползучести в результате действия изгибающего момента, то ее несущая способность значительно снижается. При этом стальная балка воспринимает долю нагрузки. Происходит перераспределение усилий. Это явление должно учитываться при расчете комбинированных несущих конструкций большого пролета.
Эффективность сталежелезобетонных конструкций по сравнению с цельно стальными или железобетонными достигается за счет совместной работы двух материалов (бетона и стали), т. е. реализации одного из основополагающих принципов проектирования — принципа совмещения функций различных элементов [3]. По сравнению с несоставными балками достигается экономия массы стали от 30 до 50 %, также увеличивается жесткость конструкции и тем самым уменьшается прогиб перекрытия.
Использование сталежелезобетонных конструкций особенно эффективно в перекрытиях общественных и производственных зданий при больших нагрузках.
Как и у всяких конструкций у сталежелезобетонных конструкций есть свои недостатки:
- Необходимость устройства объединительных элементов;
- Появление специфических воздействий, вызванных перепадом температур, усадкой и ползучестью бетона;
- Усложнение расчетов на прочность и жесткость, необходимость учета двухстадийной работы конструкции, трещинообразования, ползучести бетона, сдвига разнородных материалов по поверхности контакта и других специфических факторов
Проектирование сталежелезобетонных балок затрудняет отсутствие в России нормативных документов по сталежелезобетонным конструкциям в гражданском и промышленном строительстве. Имеется лишь СП 35.13330.2011 Мосты и трубы, где приведены нормы расчета сталежелезобетонных пролетных строений. Эти нормы проектирования адаптируют под строительство зданий и сооружений. Нередко российские проектировщики обращаются к Еврокоду EN 1994–1-1 Проектирование сталежелезобетонных конструкций. Издано руководство для проектировщиков к Еврокоду 4. Его наличие существенно упрощает пользование иностранным нормативным документом. В настоящее время ведется разработка свода правил Сталежелезобетонные сооружения. Правила проектирования. Однако, отсутствие нормативных документов не препятствует изучению сталежелезобетонных конструкций в России. Испытания таких конструкций активно проводятся в Казанском государственном архитектурно-строительном университете. Результаты этих испытаний представлены в работах [4], [5].
Литература:
1. Харт Ф., Хенн В., Зонтаг Х. Атлас строительных конструкций. — М.: Стройиздат, 1977. — 352 с.
2. Туснин А. Р. Перекрытия многоэтажных зданий со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. — 2015. — № 8. — С. 10–14.
3. Общая характеристика сталежелезобетонных конструкций, формообразование, конструктивные решения, особенности работы // НИО «БратскСтальПроект». URL: http://br-sp.ru/st2-SBK.html (дата обращения: 8.12.2016).
4. Замалиев, Ф.С., Сагитов Р. А., Хайрутдинов Ш. Н. Испытание фрагмента сталежелезобетонного перекрытия на статические нагрузки // Известия КазГАСУ —2010. —№ 1 (13). —С. 102–105.
5. Замалиев, Ф.С., Шаймарданов Р. И. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных конструкций на крупномасштабных моделях. // Известия КазГАСУ, 2008, № 2 (10). — С. 47–52.
