Важность учета нелинейных свойств материалов составного сечения сталежелезобетонных конструкций | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №21 (416) май 2022 г.

Дата публикации: 28.05.2022

Статья просмотрена: 67 раз

Библиографическое описание:

Суходолов, М. В. Важность учета нелинейных свойств материалов составного сечения сталежелезобетонных конструкций / М. В. Суходолов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 21 (416). — С. 63-70. — URL: https://moluch.ru/archive/416/92110/ (дата обращения: 16.12.2024).



В статье рассматривается сравнение аналитического и численного методов расчета сталежелезобетонного перекрытия для обоснования важности учета пространственной работы элементов перекрытия и их нелинейных свойств.

Ключевые слова: сталежелезобетон, совместная работа, нелинейность, составное сечение, приведенное сечение.

Введение

Из-за стремления строительных организаций к сокращению финансовых затрат на строительство, материалоемкости и трудоемкости появляется необходимость в улучшении качеств строительных материалов. Одним из ярких примеров такого улучшения является использование совместной работы стали и железобетона.

Несмотря на наличие богатой нормативной базы по расчету и проектированию сталежелезобетонных конструкций, существует необходимость в обосновании значимости нелинейности при расчете таких конструкций. Методика расчета [1]–[4] не позволяет в полной мере определить величину прогибов и в целом напряженно-деформационное состояние конструкции. Данный метод расчета можно учесть в численном расчете, используя различные программные комплексы.

Опыт использования сталежелезобетонных конструкций показывает развитие прогибов и перемещение в течение определенного времени. В некоторых случаях такие деформации приводят к разрушению конструкции. Поэтому при проектировании и расчете сталежелезобетонных конструкций необходимо учитывать нелинейные свойства железобетона.

Целью настоящих исследований является обоснование важности в той или иной степени учета нелинейных характеристик материалов при расчетах на прочность сталежелезобетонных конструкций зданий и сооружений.

Основная часть

1. Расчет сталежелезобетонного перекрытия

Расчет сталежелезобетонного перекрытия сводится к расчету составного сечения сталежелезобетоной балки и производится по двум стадиям: возведения и эксплуатации.

1.1. Аналитический расчет сталежелезобетонной балки составного сечения на стадии возведения

На стадии возведения конструкции (бетонировании) стальная балка является несущей конструкцией, работающей на поперечный изгиб. До набора прочности бетона в 50 % стальные балки необходимо рассчитывать на прочность и жесткость как стальной элемент в соответствии с СП 16.13330.2017 [1].

В случае с технологией комбинированной сталежелезобетонной конструкции на стальную балку будет давить лишь часть веса бетонной смеси и собственный вес балки [4]. В рамках статьи возьмем ¼ от веса бетонной смеси, который давит на конструкцию опалубки и стальной балки в целом. Также необходимо учитывать, что во время возведения конструкции по балкам могут ходить рабочие, следовательно, необходимо задать полезную нагрузку. Собственный вес балки условно примем равным , что соответствует прокатному двутавру № 20Б3.

Принимаем условно балочную клетку с шагом стальных балок равным 1м и длиной пролета 6м.

Таким образом задаемся нагрузками, воздействующими на стальную двутавровую балку (таблица 1).

Таблица 1

Сбор нагрузок на стальную балку

п/п

Вид нагрузки

Нормативная нагрузка

Расчетная нагрузка

Постоянная

1

Собственный вес стальной балки

0,01

1,05

0,011

2

Вес бетонной смеси ( )

0,63

1,2

0,76

Итого

Временная

3

Полезная нагрузка

1,5

1,3

1,95

Итого

Всего

Определяем интенсивность нормативной и расчетной равномерно распределенных нагрузок, действующих на балку (1.2, 1.3 соответственно):

(1.2)

(1.3)

Расчетный изгибающий момент и расчетная поперечная сила в стальной балке равны (1.4, 1.5 соответственно):

(1.4)

(1.5)

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения стальной балки при упругой работе определяется из условия (1.6) [1] п.8.2.1:

(1.6)

Для заданных условий за материал балки настила принимаем сталь С235, расчетное сопротивление

.

Рассчитываем требуемый момент инерции по формуле (2.7):

(1.7)

По расчетам принимаем стальную балку двутаврового сечения № 20Б1.

Проверка по нормальным и касательным напряжениям выполняется из условий (1.8, 1.10 соответственно):

,(1.8)

,(1.9)

,(1.10)

.(1.11)

Проверка выполнена и по нормальным напряжениям, и по касательным.

Проверка жесткости (прогиба) стальной балки двутаврового сечения выполняется по формуле (1.12):

,(1.12)

.(1.13)

При проверке на прогибы стальной балки должно выполняться условие (1.14):

,(1.14)

.(1.15)

Проверка по прогибам стальной балки проходит, следовательно, окончательно принимаем стальную балку двутаврового сечения № 20Б1.

1.2. Аналитический расчет сталежелезобетонной балки составного сечения на стадии эксплуатации

На стадии эксплуатации плита рассчитывается как железобетонная конструкция с внешней рабочей арматурой из стального профилированного настила и с гибкой стержневой арматурой [4].

Для расчета изгибающего момента от внешней нагрузки и поперечной силы собираем нагрузки на монолитную плиту (таблица 2).

Таблица 2

Сбор нагрузок на монолитную плиту

п/п

Вид нагрузки

Нормативная нагрузка

Расчетная нагрузка

Постоянная

1

Собственный вес плиты ( )

2,5

1,2

3

2

Цементно-песчаная стяжка ( )

0,3

1,3

0,39

3

Паркет

0,1

1,1

0,11

4

Подвесной потолок

0,12

1,1

0,132

Итого

Временная

5

Перегородки

0,5

1,3

0,65

6

Полезная нагрузка

1,5

1,3

1,95

Итого

Всего

Интенсивность нормативной и расчетной равномерно распределенных нагрузок вычисляем по формулам (1.2, 1.3 соответственно):

;(1.16)

.(1.17)

Приведенная площадь железобетонной плиты к металлу будет равна (1.18):

,(1.18)

где: коэффициент приведения равен (1.19):

.(1.19)

Приведенная площадь сечения равна (1.20):

(1.20)

Расстояние от центра тяжести приведенного сечения до нижней грани (1.21):

,(1.21)

где:

 статический момент площади приведенного сечения относительно нижней грани:

;(1.22)

 статический момент площади стальной балки относительно нижней грани составного сечения:

;(1.23)

 статический момент железобетонной плиты относительно нижней грани составного сечения:

.(1.24)

Момент инерции приведенного сечения относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести (1.25):

;(1.25)

,(1.26)

Расчетный изгибающий момент в сталежелезобетонной балке равен (1.27):

.(1.27)

Момент сопротивления приведенного сечения по нижней зоне равен (1.28):

.(1.28)

Проверка прочности по условию (1.6):

.(1.29)

Производим проверку приведенного сечения сталежелезобетонной балки с учетом совместной работы стали и бетона по прогибам по формуле (1.30):

. (1.30)

Максимально допустимый прогиб для такой балки, при пролете в 5м, будет равен:

.(1.31)

Условие жесткости конструкции выполняется.

1.3. Численный расчет сталежелезобетонного перекрытия

Пространственная модель сталежелезобетонного перекрытия была замоделирована в программном комплексе «ANSYS» (рис. 1) с учетом нелинейных свойств материалов составного сечения перекрытия.

Размеры плиты 6х4 м. Все остальные характеристики и нагрузки такие же, как и в аналитическом расчете. После расчета сталежелезобетонного перекрытия на действие внешней нагрузки были получены максимальные прогибы и напряжения (рис. 2–6).

Общий вид пространственной модели перекрытия

Рис. 1. Общий вид пространственной модели перекрытия

Прогибы сталежелезобетонного перекрытия от действия внешней нагрузки

Рис. 2. Прогибы сталежелезобетонного перекрытия от действия внешней нагрузки

Максимальные напряжения

Рис. 3. Максимальные напряжения

Максимальные напряжения по оси z

Рис. 4. Максимальные напряжения по оси z

Максимальные напряжения по оси x

Рис. 5. Максимальные напряжения по оси x

Максимальные напряжения в отдельной балке

Рис. 6. Максимальные напряжения в отдельной балке

Анализируя полученные результаты аналитического и численного расчетов, становится видно, что увеличение значения прогибов перекрытия приблизительно равно 15 %. Таким образом, делаем вывод, что учет нелинейных свойств материалов составного сечения сталежелезобетонного перекрытия учитывать нужно. Однако стоит отметить, что при расчете конструкций с небольшим пролетом прогибы увеличиваются незначительно. Если же рассматривать пролетные конструкции, например — мостовые сооружения, где часто используются сталежелезобетонные перекрытия с учетом больших по значению нагрузок и различных по характеру воздействия на конструкцию, то в таких случаях учет нелинейных свойств просто необходим. В данном случае аналитический метод расчета сильно уступает численному. Так же в аналитическом методе не учитывается пространственная работа элементов сечения, что склоняет чашу весов в сторону именно численного метода расчета, где учитывается пространственная работа стали и железобетона, работа анкерных устройств и нелинейные свойства материалов перекрытия.

Литература:

  1. СП 16.13330.2011. «Стальные конструкции». Госстрой России. — М.: ГУП ЦПП, 2002. — 96 с.
  2. СП 52–101–2003. «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры». Госстрой России. — М.: ГУП НИИЖБ, 2004. — 59 с.
  3. СП 63.13330.2012. «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». — Введ. 2013–01–01. — М.: Изд-во стандартов, 2012. — 161 с.
  4. СП 266.1325800.2016. «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования». — Введ. 2017–07–01. — М.: Издательство стандартов, 2017. — 131 с.
  5. Сталежелезобетонные конструкции перекрытий и покрытий общественных зданий // Реферат работы МНИИТЭП. — 1975. Реф. сб. «Строительные конструкции». — М.: Институт НТ информации, 1975. — 52 с. Сталежелезобетонные конструкции перекрытий и покрытий общественных зданий // Реферат работы МНИИТЭП. — 1975. Реф. сб. «Строительные конструкции». — М.: Институт НТ информации, 1975. — 52 с.
  6. СТО АРСС 11251254.001–2016. «Сталежелезобетонные конструкции. Правила проектирования». — М.: АРСС, 2016. — 135 с.
  7. Стрелецкий Н. Н. Сталежелезобетонныепролетныестроениямостов [Composite Steel-and-Concrete Superstructures of Bridges]. Moscow, Transport Publ., 1981, 360 p.
Основные термины (генерируются автоматически): стальная балка, сталежелезобетонное перекрытие, составное сечение, приведенное сечение, расчет, сталежелезобетонная балка, аналитический расчет, двутавровое сечение, полезная нагрузка, численный расчет.


Ключевые слова

нелинейность, совместная работа, сталежелезобетон, составное сечение, приведенное сечение

Похожие статьи

Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонного балочного перекрытия

В статье автор проводит исследование понижающих коэффициентов к модулю упругости бетона при квазинелинейном расчете железобетонного балочного перекрытия.

О дискретизации нормального сечения железобетонного элемента с неоднородными свойствами бетона при расчете по нелинейной деформационной модели

В статье рассмотрены особенности дискретизации нормального сечения железобетонного элемента с неоднородными свойствами бетона по толщине при реализации расчета по деформационной модели. Приведены указания по трансформации выражений, определяющих жест...

Особенности расчета изгибаемых элементов сталефибробетонных конструкций двутаврового сечения под влиянием циклов замораживания-оттаивания

Исследования работы монолитного перекрытия по металлическим балкам с нарушенным сцеплением при помощи численной модели

В статье производится анализ различных форм контакта анкеров с бетоном в монолитном перекрытии по металлическим балкам при помощи ПК Ansys. Сделаны выводы о характере работы перекрытия.

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.

Характер образования пластических деформаций в толстых железобетонных балках

В данной статье описывается характер возникновения пластических деформаций бетона в железобетонных балках с большой высотой поперечного сечения. Проводятся расчеты определенного количества толстых балок по нормальным и наклонным сечениям с целью опре...

Определение силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибропенобетона

В статье рассматривается методика проведения испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона. Испытаниям подвергались образцы-балки, изготовленные из конструкционного пенобетона, армированные стальной проволочной фиброй ...

Применение неавтоклавных фибропенобетонных блоков в навесных фасадах

В статье рассматриваются проблема определения несущей способности навесной фасадной системы и обеспечения ее безопасной эксплуатации в аспекте применения конкретных строительных материалов и изделий в подсистемах (на примере фибропенобетонных стеновы...

Расчет железобетонных элементов, усиливаемых наращиванием сечения, с использованием деформационной модели

Приведен метод расчета железобетонного элемента, усиленного наращиванием (увеличением) сечения. Описываемый подход базируется на использовании нелинейной деформационной модели и гипотезе плоских сечений. В связи со сложившимися различиями напряженно-...

Влияние полимерного покрытия на характеристики мелкозернистого гидротехнического цементного бетона

Приведены результаты исследования влияния эпоксидных композитов, модифицированных наноуглеродной добавкой, на водопоглощение и прочностные характеристики мелкозернистого цементного бетона. Показано, что прочность бетона при изгибе увеличивается с уве...

Похожие статьи

Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонного балочного перекрытия

В статье автор проводит исследование понижающих коэффициентов к модулю упругости бетона при квазинелинейном расчете железобетонного балочного перекрытия.

О дискретизации нормального сечения железобетонного элемента с неоднородными свойствами бетона при расчете по нелинейной деформационной модели

В статье рассмотрены особенности дискретизации нормального сечения железобетонного элемента с неоднородными свойствами бетона по толщине при реализации расчета по деформационной модели. Приведены указания по трансформации выражений, определяющих жест...

Особенности расчета изгибаемых элементов сталефибробетонных конструкций двутаврового сечения под влиянием циклов замораживания-оттаивания

Исследования работы монолитного перекрытия по металлическим балкам с нарушенным сцеплением при помощи численной модели

В статье производится анализ различных форм контакта анкеров с бетоном в монолитном перекрытии по металлическим балкам при помощи ПК Ansys. Сделаны выводы о характере работы перекрытия.

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.

Характер образования пластических деформаций в толстых железобетонных балках

В данной статье описывается характер возникновения пластических деформаций бетона в железобетонных балках с большой высотой поперечного сечения. Проводятся расчеты определенного количества толстых балок по нормальным и наклонным сечениям с целью опре...

Определение силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибропенобетона

В статье рассматривается методика проведения испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона. Испытаниям подвергались образцы-балки, изготовленные из конструкционного пенобетона, армированные стальной проволочной фиброй ...

Применение неавтоклавных фибропенобетонных блоков в навесных фасадах

В статье рассматриваются проблема определения несущей способности навесной фасадной системы и обеспечения ее безопасной эксплуатации в аспекте применения конкретных строительных материалов и изделий в подсистемах (на примере фибропенобетонных стеновы...

Расчет железобетонных элементов, усиливаемых наращиванием сечения, с использованием деформационной модели

Приведен метод расчета железобетонного элемента, усиленного наращиванием (увеличением) сечения. Описываемый подход базируется на использовании нелинейной деформационной модели и гипотезе плоских сечений. В связи со сложившимися различиями напряженно-...

Влияние полимерного покрытия на характеристики мелкозернистого гидротехнического цементного бетона

Приведены результаты исследования влияния эпоксидных композитов, модифицированных наноуглеродной добавкой, на водопоглощение и прочностные характеристики мелкозернистого цементного бетона. Показано, что прочность бетона при изгибе увеличивается с уве...

Задать вопрос