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

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 26 октября, печатный экземпляр отправим 30 октября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

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

Дата публикации: 27.12.2018

Статья просмотрена: 249 раз

Библиографическое описание:

Мансурова А. Р. Расчет трубобетонных колонн высотного здания и их сравнение с железобетонными конструкциями // Молодой ученый. — 2018. — №52. — С. 20-23. — URL https://moluch.ru/archive/238/55166/ (дата обращения: 14.10.2019).



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, трубобетонный элемент, стержневая арматура, расчетная модель, толщина трубы.


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