Оценка несущей способности металлических балок в составе кирпичных сводов



Рассматривается проблема отсутствия методики расчета несущей способности металлической балки в составе кирпичного свода. Показана неточность метода расчета балки как отдельного элемента.

Ключевые слова: металлическая балка, кирпичные своды, несущая способность, методика расчета.

В современной практике обследования исторических зданий довольно часто встречаются перекрытия в виде кирпичных сводов.

Сводчатые перекрытия обладают достаточно высокой несущей способностью, а также долговечностью и огнестойкостью. К недостаткам таких перекрытий можно отнести большой собственный вес, а также сложность оценки несущей способности конструкции в целом [1].

В нормативной литературе не отражены методики расчета, которые описывают действительную работу конструкции кирпичного свода по металлическим балкам.

По результатам визуального обследования и поверочных расчетов часто делается вывод о недопустимом или аварийном состоянии металлических балок. Отсутствие нормативных методик расчета зачастую приводит к бесполезным работам по усилению или демонтажу перекрытий [2–5].

На рис. 1 приведены фотографии кирпичного сводчатого перекрытия по металлическим балкам с различных объектов. На представленных фотографиях можно увидеть, что металлические балки поражены коррозией, однако других дефектов, свидетельствующих о превышении их несущей способности (значительные прогибы, трещины по сводам и пр.), не выявлено.

Рис. 1. Перекрытия в виде кирпичных сводов по металлическим балкам на различных объектах культурного наследия: сверху — «Красный дом», г. Ивангород; слева — «Дворец культуры», г. Выборг; справа — Учебный корпус СПб ГМТУ

Целью настоящей статьи является анализ методики расчета несущей способности металлической балки в существующих конструкциях без учета совместной работы с кирпичным сводом.

Произведем расчет несущей способности металлической балки на примере одного из вышеописанных объектов. Уровень ответственности здания нормальный.

Конструкции перекрытия состоят из кирпичных сводов, опертых на металлические балки. Сечение балок — двутавр № 18 Германского нормального сортамента, пролет , шаг балок

Производим оценку несущей способности металлической балки № 18 Германского нормального сортамента со следующими геометрическими характеристиками: ; ;

В результате сбора нагрузок на балку перекрытия расчетная нагрузка с учетом нагрузки от собственного веса балки, кирпичного заполнения, пирога пола составила

Согласно п. 18.2.4 [6] для зданий до 1932 года постройки принимаем расчетное сопротивление стали Согласно Техническому заключению по результатам обследования сводчатое заполнение представлено кирпичом керамическим полнотелым маркой по прочности М75, марка раствора М25. Удельный вес кирпичной кладки принимаем 1800 кг/м ³ . Высота свода 200 мм, стрела подъема свода

Принимаем расчетный пролет с учетом величины заделки балки в кирпичную стену:

(1)

где — пролет балки в свету, м; — величина заделки балки в кирпичную стену, м.

Балки рассматриваются как обособленные стержневые элементы системы, нагруженные весом кирпичного заполнения.

Расчетная схема элемента представляет собой однопролетную шарнирно опертую балку.

Изгибающий момент от расчетной нагрузки:

(2)

Расчет на прочность выполняем по формуле 41 ¹ :

(3)

где коэффициент условий работы.

Около 35–50 % запаса прочности металлической балки приходится на нагрузку от веса кирпичного заполнения. При анализе несущей способности металлических балок на аналогичных объектах, в различных условиях (длина пролета, сечение балки, высота сводчатого перекрытия и прочее) коэффициент использования находится в пределах 1,6…2,2. Полученный результат противоречит фактическому состоянию конструкции перекрытия.

Такой метод оценки несущей способности металлической балки в составе кирпичного свода не учитывает совместную работу конструкций.

Совместная работа может быть учтена путем:

– приведения конструкции к общему сечению через сопоставления разных геометрических и жесткостных характеристик элементов;

– учета силы трения, возникающего на контакте материалов в результате действия горизонтальной распорной реакции от двух смежных сводов.

Необходимо выполнить натурные испытания подобных конструкций, для анализа напряженно-деформированного состояния.

Эксперимент позволит получить необходимые данные о работе металлической балки и всей конструкции в целом. Результаты испытания будут являться обоснованием для возможности учета совместной работы разнородных материалов.

Литература:

1. Лахтин Н. К. Расчет арок и сводов. М.: 1911. — с.480.

2. Лаптев Е. А. Оценка несущей способности перекрытий по стальным балкам с накатом в виде сводиков в зданиях Санкт-Петербурга: ВКР магистра: 08.04.01/ Лаптев Е. А. — СПб., 2016. — 55 с.

3. Фролов А. В., Зимин С. С., Фролова Е. В. Влияние жесткости кирпичного сводчатого заполнения на несущую способность балок. // Синергия наук. — 2017. № 10. — с.580–592.

4. Фролов А. В., Зимин С. С., Фролова Е. В. Методика расчета несущей способности балок с учетом жесткости кирпичного сводчатого заполнения// Синергия наук. — 2017. № 10. — с.593–619.

5. Попов А. О., Антипина В. В. Технология перекрытий конструкции «Монье»// Успехи современной науки. — 2017. Том 4, № 1. — с.179–182.

6. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*»