Расчет трубобетонных колонн высотного здания и их сравнение с железобетонными конструкциями | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 19 декабря, печатный экземпляр отправим 23 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №52 (238) декабрь 2018 г.

Дата публикации: 27.12.2018

Статья просмотрена: 678 раз

Библиографическое описание:

Мансурова, А. Р. Расчет трубобетонных колонн высотного здания и их сравнение с железобетонными конструкциями / А. Р. Мансурова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 52 (238). — С. 20-23. — URL: https://moluch.ru/archive/238/55166/ (дата обращения: 05.12.2020).



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:

  1. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*. — М.: Минстрой России, 2016. — 105 с.
  2. СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования. — М.: Минстрой России, 2016. — 124 с.
Основные термины (генерируются автоматически): III, бетонное ядро, колонна, SCAD, номер яруса, диаметр трубы, расчетная модель, стержневая арматура, толщина трубы, трубобетонный элемент.


Ключевые слова

расчетная модель, трубобетон, трубобетонное сечение, трубобетонная конструкция, железобетонная колонна

Похожие статьи

Эффективность использования трубобетонных и стальных...

Эффективность использования трубобетонных и стальных колонн в качестве вертикальных несущих элементов высотных зданий.

Узлы и элементы расчетной схемы нагружают

В расчетной модели колонны напрягаемые стержни рабочей продольной арматуры...

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

Только если толщина плиты и сварные соединения колонны с плитой удовлетворяют вышеуказанным расчётам, можно считать соединение колонн с фундаментом по рисунку 1 условно жёстким и в расчётах опорный узел принимать жёстким.

Схема проведения испытаний по восстановлению...

Кришан А.Л. Прочность трубобетонных колонн с предварительно обжатым ядром

Сжатые трубобетонные элементы, имеющие ядро из высокопрочного бетона

г) трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бетонным ядром.

Вариант металлической базы колонны при реконструкции объекта...

Номер расчетных групп (номер разрушаемого элемента). Анализ методов статического расчета безбалочных...

Эффективность использования трубобетонных и стальных колонн... Связи между колоннами моделировались при помощи универсального пространственного.

Стержневые конструкции из сталежелезобетона | Молодой ученый

Для стержневых элементов, таких как балки и колонны, применяются трубобетонные конструкции, которые являются разновидностью сталежелезобетонных. Они выполнены из обоймы в виде металлической трубы, заполненной железобетонной составляющей...

Совместная работа железобетонных плит перекрытий и стальных...

г) трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бетонным ядром без арматуры или с бетонным ядром, армированным продольной гибкой арматуройжелезобетонным ядром). Обратимся к композитным конструкциям из...

Оценка технологий возведения арматурных каркасов высотных...

Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры.

В предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в сжатой зоне воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой, а в растянутой — стержневой арматурой и внешней...

Применимость программного комплекса SCAD для расчета...

Примененные колонны могут быть стальные или сборные железобетонные, несущие конструкции

Для оценки прогрессирующего разрушения в ПК SCAD искусственно удаляется один или группа

К таким элементам в первую очередь относятся, колонны балки, фермы.

Сопряжение пластинчатых элементов по шарнирной схеме

Рис.1. Общий вид расчётной схемы. Рис.2. В расчетной схеме используется жесткая заделка. Рис. 3. Объединение и перемешивание смежных узлов. Рис. 4. Моделирование шарнирного соединения с помощью введения дополнительных стержневых элементов с жесткостью...

Похожие статьи

Эффективность использования трубобетонных и стальных...

Эффективность использования трубобетонных и стальных колонн в качестве вертикальных несущих элементов высотных зданий.

Узлы и элементы расчетной схемы нагружают

В расчетной модели колонны напрягаемые стержни рабочей продольной арматуры...

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

Только если толщина плиты и сварные соединения колонны с плитой удовлетворяют вышеуказанным расчётам, можно считать соединение колонн с фундаментом по рисунку 1 условно жёстким и в расчётах опорный узел принимать жёстким.

Схема проведения испытаний по восстановлению...

Кришан А.Л. Прочность трубобетонных колонн с предварительно обжатым ядром

Сжатые трубобетонные элементы, имеющие ядро из высокопрочного бетона

г) трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бетонным ядром.

Вариант металлической базы колонны при реконструкции объекта...

Номер расчетных групп (номер разрушаемого элемента). Анализ методов статического расчета безбалочных...

Эффективность использования трубобетонных и стальных колонн... Связи между колоннами моделировались при помощи универсального пространственного.

Стержневые конструкции из сталежелезобетона | Молодой ученый

Для стержневых элементов, таких как балки и колонны, применяются трубобетонные конструкции, которые являются разновидностью сталежелезобетонных. Они выполнены из обоймы в виде металлической трубы, заполненной железобетонной составляющей...

Совместная работа железобетонных плит перекрытий и стальных...

г) трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бетонным ядром без арматуры или с бетонным ядром, армированным продольной гибкой арматуройжелезобетонным ядром). Обратимся к композитным конструкциям из...

Оценка технологий возведения арматурных каркасов высотных...

Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры.

В предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в сжатой зоне воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой, а в растянутой — стержневой арматурой и внешней...

Применимость программного комплекса SCAD для расчета...

Примененные колонны могут быть стальные или сборные железобетонные, несущие конструкции

Для оценки прогрессирующего разрушения в ПК SCAD искусственно удаляется один или группа

К таким элементам в первую очередь относятся, колонны балки, фермы.

Сопряжение пластинчатых элементов по шарнирной схеме

Рис.1. Общий вид расчётной схемы. Рис.2. В расчетной схеме используется жесткая заделка. Рис. 3. Объединение и перемешивание смежных узлов. Рис. 4. Моделирование шарнирного соединения с помощью введения дополнительных стержневых элементов с жесткостью...

Задать вопрос