В данной работе, с целью выявления эффективности использования сталежелезобетонной плиты, произведен расчет двух вариантов перекрытия: железобетонной плиты по профилированному настилу, армированной гибкой стержневой арматурой, и сталежелезобетонной плиты, армированной профилированным настилом с выштамповками и гибкой стержневой арматурой. В качестве показателя эффективности исследовалась материалоемкость.
Ключевые слова: профилированный настил, выштамповки, сталежелезобетон, железобетон, стержневая арматура.
Объектом для данного исследования послужила этажерка производственного комплекса, расположенного в Тобольске нефтехимического комбината «ЗапСибНефтехим». Уровень ответственности сооружения — I (повышенный). Нормативная временная нагрузка на перекрытие 
.
Расчет перекрытия производился по двухпролетной неразрезной схеме для участка балочной клетки, приведенного на рисунке 1.а. Расчетная схема перекрытия и эпюры изгибающих моментов и поперечных сил приведены на рисунке 1.б.
Рис. 1. Схемы: а) схема участка балочной клетки; б) расчетная схема перекрытия и эпюры M и Q
Для выполнения расчета использовались положения СП «Конструкции сталежелезобетонные» раздела 6.1 «Расчет сталежелезобетонных плит с профилированным настилом» [1].
Расчет выполняется для двух стадий работы: бетонирования и эксплуатации.
На стадии бетонирования плиты, стальной профилированный настил выполняет функции опалубки и является несущей конструкцией, работающей на поперечный изгиб. Эта стадия одинакова для двух рассматриваемых вариантов плиты.
До набора свежеуложенным бетоном плиты кубиковой прочности равной 10 МПа настил рассчитывается на прочность и жесткость как стальной тонкостенный изгибаемый элемент, работающий на нагрузку от собственного веса настила, веса свежеуложенной бетонной смеси и от монтажной нагрузки, включающей массу оборудования и людей в процессе возведения перекрытия.
На стадии бетонирования выполняются проверки настила на:
- прочность;
– устойчивость стенок гофров на опорах;
– прогиб.
Прочность стального профилированного настила в надопорных и пролетных сечениях проверяется по формуле:
где 
изгибающий момент от расчетных нагрузок;
минимальный расчетный момент сопротивления профиля настила по НД на профилированные листы.
Устойчивость стенок трапециевидных гофров настила при укладке бетонной смеси проверяется по формуле:
где 
поперечная критическая сила на одну стенку гофра, соответствующая потере ее местной устойчивости;
коэффициент, зависящий от значения опорной реакции, определяемый в зависимости от схемы раскладки настила на опоры и принимаемый равным 1,25 — для двухпролетного настила;
расчетная равномерно распределенная нагрузка на настил;
шаг гофров настила;
коэффициент условия работы стенок гофров настила равный:
1,25 — для настила на промежуточной опоре;
1,05 — для настила на крайней опоре.
Поперечная критическая сила на промежуточной опоре неразрезного настила, соответствующая потере местной устойчивости одной из стенок его гофра, определяется по формуле:
где 
коэффициент для промежуточных опор;
толщина стенки настила;
предел текучести стали;
модуль упругости стали;
радиус гиба в гофрах;
расчетная ширина опоры настила;
угол наклона стенки гофра в градусах.
Максимальный прогиб профилированного настила нормативных нагрузок 
не должен превышать 1/200 пролета:
где 
коэффициент, определяемый в зависимости от схемы раскладки настила и принимаемый равным 0,0091 — для двухпролетного настила;
нормативная равномерно-распределенная нагрузка на настил;
момент инерции сечения профиля на 1 м ширины настила (по НД на профилированные листы).
В результате выполнения всех проверок по стадии бетонирования, для первого варианта плиты перекрытия был принят настил Н.114–750–0,8, в соответствии с ГОСТ 24045–2016 [3], а для второго варианта был принят CKH90Z-1000–1,2, в соответствии с СТО 57398459–002–2009 [4]. Этот настил выбран в связи с тем, что вдоль стенок его гофров выполнены зигзагообразные выштамповки, повышающие сцепление настила с бетоном плиты на стадии ее эксплуатации (рис. 2). Бетон для двух вариантов принят мелкозернистый класса прочности B15.
Рис. 2. Зигзагообразные выштамповки
На стадии эксплуатации расчет двух вариантов перекрытия различается. В первом случае, настил не включается в работу, и плита рассчитывается как железобетонная конструкция с рабочей стержневой арматурой. Во втором случае, благодаря выштамповкам, настил работает совместно с железобетоном, и плита рассчитывается как железобетонная конструкция с внешней рабочей арматурой из стального профилированного настила и с гибкой стержневой арматурой.
Принятые варианты сечения одного ребра плиты и действующие в нем усилия представлены на рисунках 3 и 4.
Рис. 3. Сечение и схема усилий 1-го варианта: а) в пролете; б) над промежуточной опорой
Рис. 4. Сечение и схема усилий 2-го варианта: а) в пролете; б) над промежуточной опорой
В первом и во втором случае, над промежуточной опорой устанавливается дополнительная стержневая арматура в соответствии с эпюрой материалов, представленной на рисунках 5 и 6. Длина анкеровки арматуры определяется по формуле [2]:
где 
соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;
расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле
здесь 
расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;
-коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным 2,5 — для ненапрягаемой горячекатаной и термомеханически обработанной арматуры периодического профиля;
коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным 1,0 при диаметре ненапрягаемой арматуры ds < 32 мм.
Рис. 5. Эпюра материалов одного ребра плиты для 1-го варианта перекрытия
Рис. 6. Эпюра материалов одного ребра плиты для 2-го варианта перекрытия
Расчет сталежелезоботонного сечения по первой группе предельных состояний включает проверку по трем критериям прочности [1]:
– по нормальным сечениям (при условии обеспечения сцепления настила с бетоном);
– по наклонным сечениям;
– по условию обеспечения сцепления настила с бетоном.
– Расчет по второй группе предельных состояний включает:
– расчет на образование и раскрытие нормальных и наклонных трещин;
– определение прогиба плиты (при условии обеспечения сцепления настила с бетоном).
Расчет прочности плиты в пролете (рис 4.а) выполняется из условия
Высота сжатой зоны сечения плиты в этом случае определяется из условия
где 
площадь поперечного сечения одного гофра настила;
площадь поперечного сечения стержневой растянутой арматуры;
площадь поперечного сечения стержневой сжатой арматуры;
расчетное сопротивление сжатию стержневой сжатой арматуры;
изгибающий момент в рассматриваемом сечении плиты;
высота сжатой зоны бетона;
ширина верхней части расчетного сечения;
защитный слой сжатой стержневой арматуры;
высота рабочего сечения плиты, принимается как расстояние от крайней сжатой грани плиты до точки приложения равнодействующей растягивающих усилий в настиле и гибкой арматуре;
коэффициент условия работы, принимаемый равным 0,8 — для профилированных настилов с зигзагообразной выштамповкой на стенках гофров с одним упором в каждом гофре.
Расчет прочности плиты на опоре (рис 4.б) выполняется из условия
Высота сжатой зоны сечения плиты в этом случае определяется из условия
где 
площадь поперечного сечения одного гофра настила;
изгибающий момент в рассматриваемом сечении плиты;
расстояние от нижней полки стального профилированного листа до точки приложения растягивающих усилий в стержневой растянутой арматуре;
статический момент площади верхней полки профилированного настила относительно оси 
.
Высота сжатой зоны 
должна удовлетворять условию
где высота рабочего сечения плиты.
Значение граничной относительной высоты сжатой зоны сечения 
определяется в соответствии с [2] по формуле:
где 
относительная деформация сжатого бетона при напряжениях, равных 
принимаемая равной 0,0035 в соответствии с указаниями [2];
относительная деформации растянутого стального элемента, принимаемая равной 0,00202.
Значение 
принимается максимальным из значений относительной деформации растянутой арматуры 
0,00175 при напряжениях, равных 
определяемого в соответствии с требованиями [2, п. 8.6.1], и относительной деформации растянутого стального настила 
0,00202 при напряжениях, равных 
определяемого в соответствии с [1, приложение Д].
После выполнения всех проверок по стадии эксплуатации, произведено сравнение двух полученных вариантов сечения плиты перекрытия — по расходу стали, арматуры и бетона. Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнение вариантов
|
Вариант |
Сталь, т |
Арматура, т |
Бетон, т |
|
1. Железобетонная плита |
0,90 |
0,28 |
20,34 |
|
2. Сталежелезобетонная плита |
1,03 |
0,21 |
19,64 |
Сравнение вариантов показало, что во втором варианте, по сравнению с первым, расход бетона и стержневой арматуры меньше на 3 % и 24 % соответственно, а расход профилированной стали больше на 13 %.
Таким образом, сталежелезобетонная плита с профилированным настилом является более эффективным вариантом плиты перекрытия по показателям расхода стержневой арматуры и бетона.
Литература:
- СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования.: издание официальное. — М.: Минрегион России, 2016. — 124 с.
- СП 63 13330. 2012. Бетонные и железобетонный конструкции. Основные положения.: издание официальное. — М.: Минрегион России, 2011. — 155 с.
- ГОСТ 24045–2016. Профили стальные листовые гнутые с трапециевидными гофрами для строительства.: издание официальное. — М.: Стандартинформ, 2016–22 с.
- СТО 57398459–002–2011. Перекрытия железобетонные монолитные с несъемной опалубкой из профилированного листа. Общие технические требования. Проектирование и производство работ. — Рязань, 2011. — 62 с.
