Сегодня по всему миру растет популярность применения трубобетонных конструкций в разных отраслях строительства. Процесс изготовления трубобетона выгоднее как по трудозатратам, так и по стоимости. Существенно уменьшается вес как самого каркаса, так и здания в целом из трубобетонных конструкций, что приводит к снижению общей стоимости конструкций из трубобетона в 2–3 раза. Это связано c тем, что уменьшается расход стали на изготовление трубы и поперечное сечение элемента, по сравнению с железобетонными конструкциями, при условии, что сохраняется одинаковая несущая способность.
В данной статье, с целью выявления эффективности использования трубобетона, как строительного материала, выполнен расчет сечения трубобетонных колонн. Также показано сравнение полученного результата с традиционными железобетонными колоннами.
Ключевые слова: трубобетон, трубобетонное сечение, трубобетонная конструкция, железобетонная колонна, расчетная модель.
Введение
В настоящее время в самых различных областях строительства эффективно применяются трубобетонные конструкции. Это композитные конструкции, состоящие из стальной трубы-оболочки, заполненной бетоном. Благодаря высоким конструктивным и строительно-технологическим характеристикам, a также технико-экономическим показателям, трубобетонные элементы можно встретить в мостостроении, строительстве подземных дорог (a именно метро), строительстве промышленных и гражданских зданий, a также при возведении высотных зданий, строительство которых за последнее время значительно увеличилось.
Одним из важных моментов при возведении зданий c применением трубобетонных конструкций являются обеспечение совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки, a также устройство стыковых соединений колонн по высоте и перекрытиям, что требует разработки существенно новых конструктивно-технологических решений.
B России ведутся разработки, которые направлены на использование трубобетонных конструкций в массовом строительстве, несмотря на существование ряда факторов, которые сдерживают широкое применение трубобетона: недостаточно развитая нормативная база, отсутствие эффективной методики расчета, недостаток научных исследований в области технологии возведения каркасов зданий.
1 Создание расчетной модели высотного здания всреде SCADOffice 21.1
В качестве рассматриваемого высотного здания была выбрана 42-этажная башня делового центра высотой 154,42 м от отметки пожарного проезда до отметки верхней конструкции. Уровень ответственности здания I — повышенный. Согласно разработанным СТУ степень огнестойкости — особая, предусмотрены повышенные пределы огнестойкости несущих конструкций до R 240 и REI 240. Конструктивная схема высотного здания каркасная в монолитном железобетонном исполнении. Ядрами жесткости служат монолитные лестничные клетки и шахты лифтов.
Построение расчетной модели осуществляется при помощи программного комплекса SCAD Оffice 21.1. При моделировании здaниe разбивается нa три секции: 1–4 этажи, 5–19 этажи, 20–42 этажи (рис.1, 2).
Рис. 1. Разбивка здания на секцииРис. 2. Модель расчетной схемы
Колонны моделируем стержнями, перекрытия и пилоны — пластинами. Расчет конструкции здания в вычислительном комплексе основан на методе конечных элементов, поэтому пластины представляем в виде сетки конечных элементов, a стержни разбиваем на несколько участков. Класс бетона для плит перекрытий — В35, для колонн и стен ядра жесткости, пилонов — В35 и В60 соответственно. Толщина плит перекрытий составляет 200 мм. Здание c землей соединено жесткo.
Расчетное сочетание усилий монолитного каркаса здания выполнялся по [1] на следующие нагрузки: собственный вес; ветровая нагрузка; вес перегородок; вес полов; кратковременная нагрузка от жилых и служебных помещений; нагрузка от ограждений; нагрузки от кровли.
Результаты статического расчета представлены в таблице 1. Рассчитывать колонну будем по [2].
Таблица 1
Внутренние усилия вколоннах
|
Номер яруса |
Внутренние усилия |
||||
|
N, кН |
My, кНм |
Mz, кНм |
Qz. кН |
Qy, кН |
|
|
I (0,000–21,300 м) |
37330,60 |
181,09 |
25,82 |
25,90 |
13,93 |
|
II (21,300–72,000 м) |
17538,18 |
36,66 |
8,49 |
16,94 |
8,02 |
|
III (72,000–154,420 м) |
11273,06 |
27,43 |
7,12 |
9,06 |
3,85 |
2 Расчет несущей способности трубобетонных колонн
Расчет по прочности нормальных сечений внецентренно сжатых элементов по [2] выполняется из условия:
,
где N — продольная сила от внешней нагрузки;
e — эксцентриситет приложения продольной силы относительно центра тяжести сечения c учетом случайного эксцентриситета и влияния продольного изгиба;
Rpc — расчетное сопротивление металла трубы при сжатии в составе трубобетонного элемента;
Rbp — расчетное сопротивление бетона при сжатии в составе трубобетонного элемента принимается в соответствии;
rb — радиус бетонного ядра;
rр — радиус срединной поверхности трубы.
As — площадь стержневой арматуры;
Rs — расчетное сопротивление растяжению стержневой арматуры;
Rsс — расчетное сопротивление сжатию стержневой арматуры.
Результаты подбора сечения трубобетонных колонн и их проверка на прочность представлены в таблицах 2 и 3 соответственно.
Таблица 2
Подобранные сечения трубобетонных колонн
|
Номер яруса |
Сечение колонны, мм |
Площадь сечения, м2 |
|
I (0,000–21,300 м) |
920 ˟ 16 |
0,664 |
|
II (21,300–72,000 м) |
720 ˟ 11 |
0,407 |
|
III (72,000–154,420 м) |
530 ˟ 9 |
0,221 |
Таблица 3
Проверка подобранных сечений трубобетонных колонн
|
I ярус: диаметр трубы 920 мм, толщина трубы 16 мм, радиус бетонного ядра 0,444 м. |
II ярус: диаметр трубы 720 мм, толщина трубы 11 мм, радиус бетонного ядра 0,349 м. |
III ярус: диаметр трубы 530 мм, толщина трубы 9 мм, радиус бетонного ядра 0,256 м. |
|
3963,18 кНм ˂ 4537,27кНм |
715,94 кНм ˂ 872,30кНм |
660,69 кНм ˂ 674,10кНм |
В качестве исходных данных имелось здание с заданными сечениями железобетонных колонн, которые представлены в таблице 4.
Таблица 4
Размеры поперечных сечений железобетонных колонн
|
Номер яруса |
Сечение колонны, мм |
Площадь сечения, м2 |
|
I (0,000–21,300 м) |
1200 ˟ 1200 |
1,4 |
|
II (21,300–72,000 м) |
3000 ˟ 400 |
1,2 |
|
III (72,000–154,420 м) |
2500 ˟ 400 |
1,0 |
Таким образом, получаем, что отношение площадей исходного и подобранного сечений соотносятся следующим образом: I ярус ̶ 0,47; II ярус ̶ 0,34; III ярус ̶ 0,22.
В таблице 5 показана сравнительная характеристика подобранного сечения трубобетонного элемента с железобетонным.
Таблица 5
Соотношение площадей подобранных иисходных сечений колонн
|
Номер яруса |
Трубобетонное сечение |
Железобетонное сечение |
Аb2 / Аb1 |
Аs / Атр |
||
|
Площадь бетона Аb1, м2 |
Площадь стальной трубы Атр, м2 |
Площадь бетона Аb2, м2 |
Площадь арматуры Аs, м2 |
|||
|
I |
0,619 |
0,046 |
1,313 |
0,087 |
2,12 |
1,89 |
|
II |
0,382 |
0,025 |
1,129 |
0,071 |
2,95 |
2,84 |
|
III |
0,206 |
0,015 |
0,937 |
0,063 |
4,54 |
4,20 |
Заключение
На основе расчета созданной модели в программном комплексе SCAD Office 21.1 и выполненных расчетных сочетаний усилий было подобрано сечение трубобетонных колонн и сделана проверка несущей способности данных сечений по [2].
Замена железобетонных колонн на трубобетонные позволяет уменьшить их поперечное сечение, что дает существенную экономию бетона и стали.
В ходе расчетов было установлено, что на несущую способность трубобетонных элементов влияют исходные прочностные характеристики материалов, геометрические характеристики сечения трубы — его диаметр и толщина стенки стальной оболочки, а также характер приложения нагрузки.
Также особенностью трубобетонной конструкции является отсутствие потребности в опалубке и дополнительных закладных деталях, что в результате позволяет снизить трудозатраты и сроки строительства.
Литература:
- СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*. — М.: Минстрой России, 2016. — 105 с.
- СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования. — М.: Минстрой России, 2016. — 124 с.
