В данной статье приведены общие сведения о сталежелезобетонных конструкциях, об особенностях их работы, проектирования, достоинствах и недостатках. В качестве исследуемого здания для проведения моделирования и расчетов элементов выбрано стандартное промышленное здание административно-бытового комплекса. На его примере произведен расчет конструкций в соответствии с действующими нормами и правилами с обеспечением их надежности и долговечности. Результатом проведенного исследования является заключение о рациональности использования, сложности моделирования и выполнения расчета сталежелезобетонных конструкций.
Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, профилированный настил, разрезная балка, расчет, исследование, промышленное строительство.
Современные строительные предприятия находятся в условиях серьезной конкуренции. Поэтому основной задачей каждой фирмы является обеспечение быстрого и качественного строительства с минимизацией материальных затрат и повышением эффективности использования трудовых ресурсов. Как следствие, результатом процесса проектирования должно являться лаконичное и надежное конструктивное решение. Так, одним из видов конструкций, незаслуженно не получивших массового распространения в промышленном строительстве на территории России, являются сталежелезобетонные конструкции [1].
Применение сталежелезобетонных конструкций является одним из наиболее рациональных методов строительства в условиях Крайнего Севера, поскольку система состоит одновременно из железобетонных и стальных элементов. Бетон обеспечивает высокую прочность элементов конструкции при сжатии, сталь — при растяжении. Более того, бетон удерживает тонкие стальные профили от местного и бокового кручения. Бетон также обеспечивает защиту от коррозии и теплоизоляцию стали при повышенных температурах.
На сегодняшний день известны ряд таких решений — монолитное перекрытие по профлисту, использование стальных балок типа DeltaBeam [2], сборные и сборно-монолитные плиты по стальным балкам и ряд других решений.
Сталежелезобетонные сечения могут быть использованы во всех основных несущих элементах сооружения: комбинированными балками, трубобетонными колоннами и плитами перекрытий по профилированному настилу [3]. Стоит отметить, что сталежелезобетонные плиты перекрытий рациональны для применения в промышленном строительстве в силу достижения увеличения легкости и прочности. Использование профилированного настила позволяет снизить затраты как на материалы (арматуру и бетон), так и на строительно-монтажные работы [4, 5].
На данный момент сталежелезобетонные конструкции четко не классифицированы, но их можно разделить на три основных вида [6]:
- Обетонированные стальные конструкции (железобетонные конструкции с жесткой арматурой в виде стальных профилей);
- Смешанные стальные и железобетонные конструкции (стальные и железобетонные элементы соединены друг с другом в определенных точках);
- Объединенные конструкции (с обеспечением совместной работы стали и железобетона).
Основным недостатком сечений п. 2 и п. 3 является большая высота сечения, которая уменьшает полезную высоту каждого этажа. Актуальным решением, позволяющим снизить материалоемкость является использование перекрытий минимальной толщины.
Для проведения численного эксперимента за основу выбрано классическое промышленное здание — административно-бытовой комплекс. Сооружение имеет габариты в плане 42.0 х 12 м. Здание двухпролетное, длина пролета — 6 м. Этажность здания — 4 этажа, общая высота — 16 м.
Устойчивость здания в продольном направлении обеспечивается связями и жестким сопряжением колонн с фундаментом, в поперечном направлении — жестким сопряжением колонн с фундаментом. Колонны квадратного трубобетонного сечения 250х250 мм.
В данной статье подробнее рассмотрим проектирование перекрытий.
Так, сталежелезобетонная плита является разрезной и имеет расчетную схему однопролетной балки на шарнирных опорах (пролет принят 2 м). Расчет ведется на 1 погонный метр.
Разработанная конструкция плиты перекрытия состоит из сталежелезобетонной плиты по профилированному настилу, опирающейся на стальные балки. Сечение стальных балок является сварным. Оно адаптировано для простоты изготовления, удобства монтажа и конструктивной рациональности опирания плиты (см. рис. 1–3).
Рис. 1. Внешний вид сталежелезобетонного перекрытия, опертого на балки
Рис. 2. Сечение сталежелезобетонного перекрытия (стержневая арматура условно не показана)
Рис. 3. Схема опирания сталежелезобетонного перекрытия на стальную балку
Расчет сталежелезобетонных плит с профилированным настилом производится на двух стадиях: на стадии бетонирования и на стадии эксплуатации [7].
Расчет на стадии бетонирования производится с учетом того, что профилированный настил является несущей конструкцией и должен быть рассчитан на прочность и жесткость с учетом монтажных нагрузок. К монтажным нагрузкам относятся:
— Нагрузка от собственного веса настила;
— Нагрузка от веса свежеуложенной бетонной смеси.
Сталежелезобетонная плита на стадии эксплуатации рассчитывается как железобетонная конструкций с внешней рабочей арматурой из стального профилированного настила и с гибкой стержневой арматурой [7]. Расчет производится по двум группам предельных состояний: для первой группы — по трем критериям прочности (по нормальным сечениям, по наклонным сечениям и по условию обеспечения сцепления настила с бетоном), для второй группы — по прогибам и по трещиностойкости.
Расчетная схема плиты представляет собой разрезную конструкцию на шарнирных опорах.
Расчет сталежелезобетонной плиты на стадии бетонирования выполнен в соответствии с СП 266.1325800.2016 [7], СП 63.13330.2018 [8], СП 16.13330.2017 [9], СТО 57398459–035–2014 [10], СТО 0047–2005 [11].
В качестве профилированного настила принят настил марки Н75–750–0,7 по [12]. Высота полки плиты составляет 45 мм. Расчет плиты ведется на 1 п.м. Нагрузки и коэффициенты надежности по нагрузкам приняты в соответствии с СП 20.13330.2016 [13] и приложены к профнастилу (см. рис. 4) согласно расчетной схеме на рис. 5. Таблицы сбора нагрузок условно не приведены.
Рис. 4. Вводимые данные для расчета
Рис. 5. Расчетная схема профилированного настила
Профилированный настил располагается широкими полками вниз. Так, узкие полки, расположенные сверху, сжаты.
Следовательно, геометрические и физические характеристики профнастила выбраны для марки Н75–750–0.7 из стали С255 согласно табл. Б.2 [12], табл. В.3 [9] и табл. 2 [9].
На рисунке 6 представлены эпюры изгибающих моментов и поперечных сил в профнастиле на стадии бетонирования. Также выполнен расчет по второй группе предельных состояний: определены прогибы при монтаже сталежелезобетонного перекрытия. Результаты проверки сечения профлиста представлены на рисунке 7.
Рис. 6. Эпюры усилий и опорные реакции в профнастиле
Рис. 7. Результаты проверки сечения профилированного настила Н75–750–0.7 по двум группам предельных состояний по разрезной схеме на стадии монтажа
Профилированный настил Н75–750–0.7 удовлетворяет условиям прочности и деформативности на стадии монтажа.
В таблице 1 приведены исходные данные, физические и геометрические характеристики, для расчета сталежелезобетонного перекрытия.
Таблица 1
Исходные данные для расчета сталежелезобетонного перекрытия
|
Показатель |
Буквенное обозначение |
Значение |
Ед. изм. |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Марка стали профилированного настила |
- |
С255 |
- |
|
Класс бетона |
- |
В25 |
|
|
Класс арматурных стержней |
- |
А500С |
- |
|
Расчетное сопротивление бетона сжатию |
R b |
13,05 |
МПа |
|
Расчетное сопротивление бетона растяжению |
R bt |
0,945 |
МПа |
|
Значение начального модуля упругости бетона |
Е b |
30000 |
МПа |
|
Центр тяжести сечения профлиста Н75–750–0.7 |
y c |
40,8 |
мм |
|
Шаг гофр профилированного настила |
b ш |
187,5 |
мм |
|
Площадь сечения настила |
А |
880 |
мм 2 |
|
Площадь сечения настила |
А n |
206,25 |
мм 2 |
|
Диаметр стержневой растянутой арматуры |
d р |
12 |
мм |
|
Диаметр стержневой сжатой арматуры |
d сж |
8 |
мм |
|
Площадь поперечного сечения стержневой растянутой арматуры |
А s |
113,10 |
мм 2 |
|
Площадь поперечного сечения стержневой сжатой арматуры |
А' s |
50,27 |
мм 2 |
|
Момент сопротивления настила |
W x1 |
22,5 |
см 3 |
|
Момент сопротивления настила |
W x2 |
29,1 |
см 3 |
|
Момент инерции настила |
J x |
104,5 |
см 4 |
|
Толщина |
t n |
0,7 |
мм |
|
Коэффициент условий работы профилированного настила |
γ c |
0,8 |
д.ед. |
|
Значение сопротивления материала настила изгибу |
R y |
250 |
МПа |
|
Значение расчетного сопротивления арматуры растяжению |
R s |
435 |
МПа |
|
Значение расчетного сопротивления арматуры растяжению |
R sc |
435 |
МПа |
|
Расстояние от центра тяжести сжатой арматуры до грани бетона |
a' |
24 |
мм |
|
Высота полки приведенного таврового сечения |
h' f |
45 |
мм |
|
Высота ребра приведенного таврового сечения |
h p |
75 |
мм |
|
Ширина полки приведенного таврового сечения |
b p |
1000 |
мм |
|
Ширина ребра по низу приведенного таврового сечения |
b' f |
460 |
мм |
|
Ширина ребра по верху приведенного таврового сечения |
b f |
687,5 |
мм |
|
Ширина ребра приведенного таврового сечения |
b p |
573,75 |
мм |
|
Коэффициент условий работы тяжелого бетона |
φ b4 |
1,5 |
д.ед. |
|
Коэффициент, учитывающий влияние сжимающих и растягивающих напряжений |
φ n |
0 |
д.ед. |
Максимальный изгибающий момент определен как сумма моментов от каждого загружения: собственного веса профнастила, собственного веса плиты, собственного веса покрытия, технологической нагрузки и снеговой нагрузки. Значение максимального изгибающего момента — 0,685 тм, поперечной силы — 1,371 т. Расчет плиты на стадии эксплуатации представлен в таблице 2.
Таблица 2
Расчет сталежелезобетонной плиты на стадии эксплуатации
|
Показатель |
Буквенное обозначение |
Значение |
Ед. изм. |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Расчет прочности плиты по нормальным сечениям |
|||
|
Характеристика сжатой зоны |
w |
0,746 |
д.ед. |
|
Предельное напряжение в стержневой арматуре сжатой зоны |
σ SR |
435 |
МПа |
|
Наибольшее из величин R y и R s |
R |
435 |
МПа |
|
Граничное значение относительной высоты сжатой зоны |
ξ R |
0,564 |
д.ед. |
|
Рабочая высота сечения плиты |
h 0 |
85,8 |
мм |
|
Граничная высота сжатой зоны бетона |
x R |
48,38 |
мм |
|
Высота сжатой зоны бетона |
x |
28,03 |
мм |
|
Нейтральная ось в полке плиты (x
|
|||
|
Максимальный изгибающий момент в сечении |
M span |
0,128 |
тм |
|
Изгибающий момент, который может воспринять сечение |
M |
0,774 |
тм |
|
Коэффициент использования |
k |
0,166 |
д.ед. |
|
Так как k<1, то прочность плиты по нормальным сечениям обеспечена |
|||
|
Расчет прочности плиты по наклонным сечениям |
|||
|
Поперечное усилие, воспринимаемое стенками настила в одном гофре |
0,34 R y g c h n t n |
0,364 |
т |
|
Поперечное усилие, воспринимаемое бетоном |
Q b |
0,645 |
т |
|
Поперечное усилие, воспринимаемое поперечной арматурой |
Q sw |
0 |
т |
|
Поперечное усилие в сечении |
Q внеш |
0,257 |
т |
|
Поперечное усилие, воспринимаемое сечением |
Q |
1,009 |
т |
|
Коэффициент использования |
k |
0,255 |
д.ед. |
|
Так как k<1, то прочность плиты по наклонным сечениям обеспечена |
|||
|
Расчет анкеровки |
|||
|
Изгибающий момент в сечении |
M span |
0,13 |
тм |
|
Расчетный момент, воспринимаемый профнастилом |
M n |
0,13 |
тм |
|
Максимальный изгибающий момент, воспринимаемый профнастилом |
(T an +T rif ) · z n |
1,32 |
тм |
|
Максимальный изгибающий момент, воспринимаемый арматурой |
ϒ s R s A s z s |
36,67 |
тм |
|
Диаметр анкерного стержня (класс арматуры — А500С) |
d |
12,00 |
мм |
|
Сопротивление анкеровки сдвигу на опорах по концам настила, наименьшее значение из T an1 , T an2 , T an3 |
T an |
18,39 |
т |
|
Сопротивление рифов, расположенных на стенках настила сдвигу |
T rif |
0,00 |
т |
|
Сопротивление анкеровки сдвигу на опорах по концам настила |
T an1 |
18,39 |
т |
|
Сопротивление вырыванию настила вокруг анкера |
T an2 |
24,26 |
т |
|
Сопротивление разрыва настила в зоне приварки анкера |
T an3 |
29,79 |
т |
|
Расчет на местное смятие |
|||
|
Опорная реакция на один гофр |
N |
0,26 |
т |
|
Максимально допустимое смятие бетона |
0,5R b A loc |
0,36 |
т |
|
Расчетное сопротивление бетона сжатию |
R b |
0,80 |
МПа |
|
Площадь смятия |
A loc |
0,0092 |
м 2 |
|
Ширина гофра по низу таврового сечения плиты |
b |
0,092 |
м |
|
Длина опирания |
a |
0,1 |
м |
|
Расчет на прогиб |
|||
|
Прогиб плиты перекрытия |
f m |
10,09 |
мм |
|
Прогиб плиты от действия нагрузок в стадии эксплуатации |
f rc |
8,60 |
мм |
|
Дополнительный прогиб плиты за счет податливости анкерных связей |
f add |
1,49 |
мм |
|
Пролет плиты |
l |
2000 |
мм |
|
Максимально допустимый прогиб плиты |
l/150 |
13,33 |
мм |
|
Наибольший изгибающий момент в пролете от нормативной нагрузки |
M n,span |
0,189 |
тм |
Коэффициенты использования рассчитываемого сечения свидетельствуют о том, что плита не догружена, следовательно, обладает большим запасом прочности. Также при сохранении величин нагрузок имеет смысл уменьшить сечение плиты путем применения профилированного настила меньшей высоты, что уменьшает металлоемкость конструкции и снижает расход бетона.
В программном комплексе SCAD++ выполнен расчет конструкции балок, на которые опираются перекрытия по профилированному настилу (см. рис. 3). Расчетная модель состоит из трубобетонных колонн, главных балок и второстепенных балок. Каждая балка замоделирована двумя стержневыми элементами. Первый стержень стального сечения (см. рис. 9), второй — железобетонного с учетом габаритов обетонирования стального (рис. 8, жесткость № 4). При этом железобетонному сечению назначены жесткие вставки высотой, равной расстоянию между центрами тяжести вышеуказанных сечений.
Расчет ведется без учета проверки на устойчивость, так как она обеспечивается замоноличиванием бетоном. Принятые жесткостные характеристики представлены на рис. 8.
Рис. 8. Жесткости всех элементов здания
Рис. 9. Стальное сечение второстепенной балки
Результаты расчетов представлены на рис. 10.
Рис. 10 Результаты расчета по второстепенных балок по прочности
Выводы
- Коэффициенты использования рассчитываемого сечения свидетельствуют о том, что плита не догружена, следовательно, обладает большим запасом прочности. Также при сохранении величин нагрузок имеет смысл уменьшить сечение плиты путем применения профилированного настила меньшей высоты, что уменьшает металлоемкость конструкции и снижает расход бетона.
- Основным недостатком применения сталежелезобетонных конструкций является сложность моделирования при проектировании, поскольку в наиболее распространенных расчетных комплексах отсутствует возможность корректного учета анкеровки, обеспечивающей сцепление бетона и настила. Более того, сталежелезобетонные конструкции рассчитываются в две стадии: в доэксплуатационный период и в период эксплуатации. Это обусловлено тем, что в плитах перекрытий по профилированному настилу, стальная часть конструкции является несущим элементом до набора бетоном проектной прочности. Поэтому, профнастил рассчитывается на прочность и жесткость с учетом монтажных нагрузок, собственного веса бетона, нагрузок от собственного веса и людей. В период эксплуатации такого перекрытия несущим элементом становится железобетонная плита, а профилированный настил выполняет роль рабочей внешней арматуры.
- Сталежелезобетонные конструкции эффективно применять в промышленном строительстве, поскольку сечения имеют малую толщину. Толщина рассмотренного сталежелезобетонного элемента составляет 120 мм и требует минимального расхода арматуры. Железобетонное перекрытие аналогичной толщины является более трудоемким с точки зрения выполнения строительных работ, поскольку в элементах малой толщины сложнее производить бетонирование.
Литература:
- Кибирева Ю. А., Астафьева Н. С. Применение конструкций из сталежелезобетона. // Экология и строительство. — 2018. — № 2. — С. 27–34.
- DELTABEAM Slim Floor Structure for open spaces Technical Information.– URL: https://www.peikko.com/products/deltabeam-slim-floor-structures/technical-information/
- Мартынов, Ю. С. Сталежелезобетонные конструкции в промышленном и гражданском строительстве БССР //Опыт разработки и внедрения / Ю. С. Мартынов. — Минск, 1989. — 57 с.
- Рекомендации по проектированию монолитных железобетонных перекрытий со стальным профилированным настилом/НИИЖБ, ЦНИИПромзданий. — М., 2007, 43 с.
- Монолитное перекрытие по профнастилу [Электронный ресурс]. — URL: https://profnastil35.ru/raznoe/monolitnoe-perekrytie+po-profnastilu.html (дата обращения: 27.02.2022).
- Манькин, А.М., Подольский И. Я., Дмитриев Ю. В. Применение сталежелезобетонных конструкций в промышленном строительстве // ЦБНТИ Минпромстроя. Строительная индустрия / А. М. Манькин, И. Я. Подольский, Ю. В. Дмитриев. — 1974. — вып.5. — С. 23–24.
- СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования. — URL: https://docs.cntd.ru/document/456044285
- СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. — URL: https://docs.cntd.ru/document/554403082
- СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81*. — URL: https://docs.cntd.ru/document/456069588
- СТО 57398459–035–2014. Плиты перекрытий зданий и сооружений сталежелезобетонные с применением стальных профилированных листов. Нормы проектирования. — URL: http://www.proflist.ru/techinfo/STO_57398459–035–2014.pdf
- СТО 0047–2005. Перекрытия сталежелезобетонные с монолитной плитой по стальному профилированному настилу. Расчет и проектирование. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1200080354
- ГОСТ 24045–2016. Профили листовые гнутые с трапециевидными гофрами для строительства. Технические условия. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1200141111
- СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*. — URL: https://docs.cntd.ru/document/456044318
