Численные исследования самонапряжения сталежелезобетонной балки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.012.

Замалиев Фарит Сахапович

кандидат технических наук, доцент

E-mail: [email protected]

Биккинин Эмиль Гатович

аспирант

E-mail: [email protected]

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1

Численные исследования самонапряжения сталежелезобетонной балки

Аннотация

Постановка задачи. Цель исследования - использовать внутреннее напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонной балки для ее самонапряжения.

Поставлена задача на основе анализа напряженного состояния балки при усадке бетона путем введения временных опор в пролетной зоне балки создать преднапряженную балку на действие эксплуатационных нагрузок (при снятой временной опоре). Записать выражения внутренних усилий (моментов и других внутренних сил) для составного сечения, а также провести численные эксперименты по анализу процесса самонапряжения балки.

Результаты. Основные результаты исследований состоят в выявлении ряда принципиальных положений напряженно-деформированного состояния

самонапряженной сталежелезобетонной балки и оценка численных результатов исследований балки без преднапряжения и самонапряжением.

Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли состоит в выявлении напряженного состояния балки составного сечения от усадки бетона и использование внутренних напряжений для самонапряжения балки. Полученные зависимости могут быть использованы при сооружении балочных конструкций составного сечения в новом строительстве и при восстановлении перекрытий зданий архитектурного наследия.

Ключевые слова: сталежелезобетонная балка, напряженное состояние, самонапряжение, усадка бетона, прогибы и напряжения.

Введение

Преднапряжение в железобетонных и металлических конструкциях нашло достойное применение, а в сталежелезобетонных конструкциях пока не нашло такого распространения, хотя из литературы известны эпизодичные использования преднапряжения. Применение предварительного напряжения в металлических конструкциях позволяет уменьшить деформативность и расход металла, в железобетонных конструкциях, улучшает трещиностойкость, повышает эффективность использования высокопрочной арматуры.

Выявление напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонной балки от усадки и использование его для самонапряжения является актуальной задачей. В статье приведены методика, модели расчета сталежелезобетонной балки, состоящего из стальных ребер-балок и бетонного верхнего пояса, даются аналитические выражения для расчета сталежелезобетонной балки описанного сечения.

В сталежелезобетонной балке, благодаря наличию жесткой стальной арматуры (двутавра), как основного составляющего сечения при усадке бетона возникает внутреннее напряженное состояние, а при подведении временных опор в пролетной зоне при твердении бетона фиксируется внутреннее напряженно-деформированное состояние, создавая самонапряженную конструкцию.

Обзор литературы

Труды исследователей в основном посвящены исследованиям сталежелезобетонных конструкций со стальным профнастилом или со сборными железобетонными плитами [1-4]. В зарубежных изданиях исследования посвящены

выявлению напряженного состояния и статических сил составных сталежелезобетонных сечений [5-9, 20]. В последние годы появились исследования отражающие поведение сталежелезобетонных преднапряженных конструкций [10-12].

Роспатентом выданы новые патенты на преднапряженные сталежелезобетонные балки [13-17]. В этих патентах реализованы как новые идеи непосредственного преднапряжения балок сталежелезобетонного сечения, так и идеи создания преднапряженных сталежелезобетонных изгибаемых балок через преднапряжение металлических профилей с последующим их обетонированием. Идея создания самонапряженной конструкции реализована в патенте РФ № 177801 путем применения бетона на расширяющемся цементе и неметаллической арматуры [18].

В балочных пролетных строениях мостов искусственное регулирование внутренних усилий для улучшения работоспособности сталежелезобетонных конструкций применяется с 60-х годов XX столетия, нашедшее отражение в диссертационных работах и статьях [19].

Исследования

Анализ теоретическим и экспериментальных исследований преднапряженных сталежелезобетонных балок [10,12], принципы регулирования внутренних усилий в сталежелезобетонных балочных строениях мостов [19] позволили выявить определенные закономерности в оценке их поведения и напряженно-деформированного состояния, а также нацелили на поиск рациональных путей создания самонапряженного сталежелезобетонного изгибаемого элемента. Самонапряженная сталежелезобетонная балка наряду с изолированным ее применением, с тем же успехом может использоваться как ребра сталежелезобетонного перекрытия.

Определяем внутренние силовые факторы в сталежелезобетонной балке, состоящей из бетонной плиты и стальной балки-ребра (рис. 1).

Рис. 1 Поперечное сечение, эпюра напряжений, внутренние усилия Напряжения от усадки бетона:

с,

( А V ^

+1— / - У,

А Т

Внутренние продольные усилия в бетоне и стальном профиле:

(1)

N = (с б-уе + с ^у}^ (2)

N = (С :-Уа + С а-У} ^ (3)

Внутренние моменты в бетонной плите и стальной балке:

М6 = С б - с б)• кб • (4)

ыа=С а-с а) • к. (5)

.к ка

Результирующий момент в составной балке от усадки бетона:

т=^уб+ыб=^уа+ма. (6)

В середине пролета балки ставим временную опору-подпорку, которую снимаем после стабилизации процесса усадки бетона (примерно через две недели).

Решение уравнений при изменении статической схемы балки (превращение ее из однопролетной в двухпролетную) производим методом сил (рис. 2).

Расчетная схема Ц

,М 1 1 М М М Ы 1.

М(х-z-i \м

Í-

ОСНОВНОЙ сиотелло I

а

ЕДПППШ

. WL t

»

основная систегло г

r! - t ■ -Р

Эпюра М от усад^

05М

ЛГ

«

Рис. 2. Расчетные схемы и эпюра моментов

ду-JmM EM +j Ni

N" ; Nr)

EI

51" = í

Mr Md

EI

TAXI" 51"+ A" = o-

(7)

(8)

^ - (9)

к=1

Результирующая эпюра моментов от усадки бетона полки представлена на рис. 2 г Постадийное распределение моментов от стадии монтажа стальной балки, укладки бетонной смеси, процесса усадки до стадии снятия временной опоры представлено на рис. 3.

Стадия I: (Уюнтсж стальной бал*и

4

Стали» 2: Заливая бетонной смеси

32.8

Ж

Стйди? Э: Начало щэсцесса voom-i

49

39

СюдИЯ <1: Chhihü врнлманний илиры

61 78

©

Рис. 3. Постадийное распределение моментов

dl

e

Для оценки результатов аналитического расчета на основе метода сил выполнены численные исследования в расчетном комплексе Midas Civil 2018, позволяющий моделировать объемные усадочные явления в составе сталежелезобетонных конструкций. Решение поставленной задачи в данной программе осуществляется в несколько этапов: 1) Устанавливается тип решаемой задачи (МДТТ) с настройкой программы под диаграммы деформирования принятых материалов; 2) Задаются типы конечного элемента основной СТЖБ балки и временной средней опоры; 3) Задаются свойства бетона, зависящие от времени (ползучесть, усадка) согласно рекомендациям НИИЖБ Госстроя СССР; 4) Моделируются постадийный монтаж комбинированной балки с включением в работу бетонной части и снятием временной опоры после окончания усадочных процессов.

Выполненные численные исследования на базе программного комплекса Midas Civil 2018 позволили выявить общую картину напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонной балки (рис. 4-10).

п ьа_ к "'

Зки ■. Ч г ы ь п- * ^остн 11"-пр- |рмтр Ь.1, ¡^«^

Г ■ !■ 441т ■ н -|и ■ ли- ^ '.Л'1

Рис. 4. Создание 3Б-модели

Сталь

НиЛуЛь

Искр. г^аптна: К|л+±- 1 йтл. ;

^дг.'ьш^ пгг: 1_1 Г.-етнс-гть р^Бетт

ГНиЛуПь уГрц-ОЛИ; Ко?= Пунпссвнп: КДЭф ТЯ71 (¡¿СшН|И

Пг отность

МШе+Зйб

0.5

ОЛ1.1..Ч-. ■

0 ПС75.5 О.СССОчОЗП чзЦа

г

° Ю)ЬллЗ [_0

Рис. 5. Задание свойств материалов

ДаЁй^-ъ/^ЫЕННТ: -ГГ./1:— В0Т, *13М?|1. га грг-ч. Гпсгзщчгпъ /

1'чп;

Порта

Рппуй

Кмк [нл. В

Ртмротеффя рннк>С№ ¡1 -,-: =■ I-.1 [-'гч-."|. юл1 риостк.Н

1'г:заг ост >-1а б М4И

: игтЕпки-оь

©

ШПЗК£Еэ Н

Кетэш п5м£ст-а1 Тчпип^^ч^

а ЬЫС-ПП Р^^ЭОШ'М

падзшсть

Ьетш т|¥1

а Грия.пь н Зетам (N5 ^ег^йял-нгта м 6

Оыщии* ешы, П

МТКГНЛИиъ^Я ^ГЬйСТа ЛТГЯ

яилуча« V

Уягт I |т ^1|"||чтг) т.пг^ии и.гтп нити тг|~п П--

зс

I

|Дта

Пимшлдчд^!

0 №1

^ с-1

ьи

Рис. 6. Задание типа бетона

"Ькам-ь фрткцне ма-еруалэ, немеры ого от 5р«*»«-и

Емй са -ы:-. фртндо -игагг-чмх 1 Дгфдоацип при гшвучкт Й Дрф. ТРЭД«

1П

С ты- :ггсзы

П Глгцмфн. тс X

,' Лсгаж:?л икала пэ V

На1-. за_5.: Лп- : <аг. и^-оа :

ша дс-яз

Нрямп (4*1 Зызчсмнс

£1079 с-вМ

2 17.74 З.ЗЧ^^ССц.

■Э Э3.71 з.704о5ч:о1

31.82-

п 1?1Т 3 ЗПйп-СШ-

в М.ЗЗ з.ьлаи им

Г

8 -аа.ао ■1.03?1В-С(И

а 133 ЗГ. А ПГЛв-СЫ-

1Г1 л 9Шп

/

и (

1"

= * :

я 3 -

—;

■ ■

Ер-ыл

Рис. 7. Задание кривой усадки

Стадия еоэмдений

Рис. 8. Задание стадий монтажа

Дйбз&нГГЬч^йОМЁн мТЬ ииыанчис с-йчёниё дли СГйдии вшьвдений

ЛИМШ -1тадип Чонтэ* стали 1

Тт 1 1:ыз^Ьвп! '1

Оосгавгай™ -Юиниъльй

Тип осчкни

^орчэ (НчвШЧ

Сгияк 11д1Я

Госгедюват&гьностэ нд-гте-жл

Част ь Тип "атерньл 3 мгтеривп Ставня е.Въедингння Вир аст ■1 Жесте Иэош аб и<е:тк л ^

1 ЭПСМСН Мойки С 0 0

г мггтнри ЕМ ВКПЮ1ЁНИ» 0 75 0

Постадийное распределение моментов, стадия включения плиты в работу, напряженно-деформированные состояния балки представлены на рис. 11.

Стадия 1: Монтаж стальной балки

I: >--IIH

Эпюра М для стадии 1

Эпюра М для стадии 2

■ ш

I Ii 1—1 -Li ■__i

gggr " L

V * Й Li

Стадия 2: Включение плиты в работу

Стадия 3: Снятие временной опоры

Эпюра М для стадии 3 для однопролетной балки

Эпюра М для стадии 3

Рис. 11. Результаты численных исследований в Midas Civil

Результаты сопоставительных расчетов приведены в табл., а эпюры напряжений и моментов на рис. 12.

Шт'сп (без предна пряжения) Рис. 12. Поперечное сечение, эпюры напряжений и моментов

Таблица

Сравнение результатов расчетов

Проверки/методы Метод сил MidasCivil Погрешность

Пролетный момент от постоянных нагрузок 32,8 32,9 <1 %

Пролетный момент от усадки 17 17,2 <1 %

Опорный момент от усадки 34 33,8 <1 %

Продольная сила сжатия от усадки 5,6 6,13 9 %

Конечный пролетный момент от комбинации загружений 61 55 9,80 %

Заключение

1. Исследовано постадийное напряженно-деформированное состояние (НДС) сталежелезобетонной балки от стадии монтажа с временной подпоркой, укладки и твердения бетона до стадии снятия подпорки.

2. Использовано внутреннее напряженно-деформированного состояния балки бетона для ее самонапряжения. Записаны аналитические выражения внутренних усилий.

3. Проведены расчеты аналитическим методом на основе метода сил и численными исследованиями на основе ПК MidasCivil. Расхождения в расчетах не превышают 1-9,8 %.

4. Использование самонапряжения в сталежелезобетонной балке приводит к уменьшению:

а) значения доэксплуатационного изгибаемого момента в 2,15 раза (168:78=2,15);

б) напряжения в растянутом поясе профиля в 1,5 раза (323:211=1,5);

в) напряжения в сжатом поясе профиля в 11,9 раза (406:34=11,9).

Список библиографических ссылок

1. Айрумян Э. Л., Каменщиков Н. И., Румянцева И. А. Особенности расчета монолитных плит сталежелезобетонных покрытий по профилированному стальному настилу // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 9. С. 21-26.

2. Туснин А. Р. Перекрытия многоэтажных зданий со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 8. С. 10-14.

3. Туснин А. Р., Коляго А. А. Конструкция и работа сталежелезобетонного перекрытия с использованием сборных пустотных железобетонных плит // Современная наука и инновации. 2016. № 3. С. 141-147.

4. Астахов И. В., Кузнецов А. Ю., Морозова Д. В. Исследование работы сталежелезобетонных конструкций // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 3 (62). С. 15-20.

5. Hadzalic E., Barucija K. Concrete shrinkage effects in composite beam // Construction of unique buildings and structures, 2014. № 11 (26). P. 85-93

6. Champenoy D., Corfdir A., Corfdir P. Calculating the critical buckling force in compressed bottom flanges of steel-concrete composite bridges // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2014. № 18 (3). P. 271-292.

7. Gholamhoseini A., Khanlou A., MacRae G., Scott A., Hicks S., Leon R. An experimental study on strength and serviceability of reinforced and steel fibre reinforced concrete (SFRC) continuous composite slabs // Engineering Structures. 2016. № 114 (1). P. 171-180.

8. Vasdravellis G., Uy B., Tan E. L., Kirkland B. Behaviour and design of composite beams subjected to sagging bending and axial compression Original Research // Journal of Constructional Steel Research. 2015. № 110. P. 29-39.

9. BSI (2010) BS 5950-3.1.A1. Structural use of steelwork in buildings. Design in composite construction. Code of practice for design of simple and continuous composite beams. BSI, London.

10. Замалиев Ф. С. К оценке напряженного состояния преднапряженных сталежелезобетонных балок // Известия КГАСУ. 2017. № 3 (41). С. 87-98.

11. Замалиев Ф. С. К оценке прочности сталежелезобетонного перекрытия с преднапряженными балками и плитой // Известия КГАСУ. 2018. № 1 (43). С. 120-129.

12. Замалиев Ф. С. Численные и натурные эксперименты преднапряженных сталежелезобетонных балок // Вестник МГСУ. 2018. Т. 3. № 3 (114). С. 309-321.

13. Сталебетонная преднапряженная балка : пат. 155802 Рос. Федерация. № 2014152337 ; заявл. 23.12.14 ; опубл. 20.10.15, Бюл. № 29. 2 с.

14. Преднапряженная сталебетонная балка : пат. 155488 Рос. Федерация. № 2015102306 ; заявл. 26.01.15 ; опубл. 10.10.15, Бюл. № 28. 2 с.

15. Сталежелезобетонная преднапряженная балка : пат. 165473 Рос. Федерация. № 2016114023 ; заявл. 11.04.16 ; опубл. 20.10.16, Бюл. № 29. 2 с.

16. Преднапряженная стальная обетонированная балка: пат. 172515 Рос. Федерация № 2017112142/03 ; заявл. 10.04.2017 ; опубл. 11.07.17, Бюл. № 20. 2 с.

17. Преднапряженная сталебетонная балка: пат. 174326 Рос. Федерация № 2017101736/03 ; заявл. 19.01.2017 ; опубл. 11.10.17, Бюл. № 29. 2 с.

18. Самонапряженное деревобетонное перекрытие : пат. 177801 Рос. Федерация. № 2017126964 ; заявл. 26.07.17 ; опубл. 13.03.18, Бюл. № 8. 2 с.

19. Белуцкий И. Ю. Совершенствование методов расчета и оценки работоспособности эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений. Хабаровск, 2004. 37 с.

20. Kayumov R. A., Muhamedova I. Z., Suleymanov A. M., Tazyukov B. F. Development of film- and fabric- composite materials durability assessing methodology under time-dependent influences of temperature and solar radiation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016 V. 158 010250.

Zamaliev Farit Sakhapovich

candidate of technical sciences, associate professor E-mail: [email protected] Bikkinin Emil Gatovich post-graduate student E-mail: [email protected]

Kazan State University of Architecture and Engineering The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1

Numerical studies of self-stressing of composite beams

Abstract

Problem statement. The main purpose of the investigation is to use the internal stressed-deformed state of the steel-concrete composite beam for self-stressing.

Solved the problem of prestressing a composite steel beam with the account of shrinkage of concrete and the introduction of a temporary support on the effect of operational loads (temporary support removed). Expressions of internal forces (moments and other internal forces) for the composite section are recorded, and numerical experiments on the analysis of the self-stressing process of the beam are carried out.

Results. The main results of the investigations consist the identification of a number of principal positions of the stress-strain state of the self-stressed steel-concrete composite beam and the evaluation of numerical results of beam research without prestressing and self-stressing.

Conclusions. The significance of the results obtained for the construction industry is to identify the stressed state of the beam of the composite section from the shrinkage of concrete with of internal stresses for self-stressing the beam. The obtained dependences can be used in the construction of beam structures of the composite section in new construction and in the restoration of the floors of architectural heritage buildings.

Keywords: steel-concrete composite beam, stressed state, self-stressed structures, shrinkage, deflection and tension.

References

1. Ayrumyan E. L., Kamenshchikov N. I., Rumiantseva I. A. Features of the calculation of monolithic slabs of steel-reinforced concrete coatings on profiled steel flooring // Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitel'stvo. 2015. № 9. P. 21-26.

2. Tusnin A. R. Overlapping multi-storey buildings with a steel frame // Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitel'stvo. 2015. № 8. P. 10-14.

3. Tusnin A. R., Kolyago A. A. Construction and work of composite slabs using precast hollow reinforced concrete slabs // Sovremennaya nauka i innovatsii. 2016. № 3. P. 141-147.

4. Astakhov I. V., Kuznetsov A. Y., Morozova D. V. Investigation of the work of steel-reinforced concrete constructions // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2017. № 3 (62). Р. 15-20.

5. Hadzalic E., Barucija K. Concrete shrinkage effects in a composite beam // Construction of unique buildings and structures, 2014. № 11 (26). P. 85-93.

6. Champenoy D., Corfdir A., Corfdir P. Calculating the critical buckling force in the bottom flanges of steel-concrete composite bridges // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2014. № 18 (3). P. 271-292.

7. Gholamhoseini A., Khanlou A., MacRae G., Scott A., Hicks S., Leon R An experimental study on the strength and serviceability of reinforced and steel fiber reinforced concrete (SFRC) for continuous composite slabs // Engineering Structures. 2016. № 114 (1). P. 171-180.

8. Vasdravellis G., Uy B., Tan E. L., Kirkland B. Behavior and design of the composite beams subjected to sagging bending and axial compression Original Research // Journal of Constructional Steel Research. 2015. № 110. P. 29-39.

9. BSI (2010) BS 5950-3.1.A1. Structural use of steelwork in buildings. Design in composite construction. Code of practice for design of simple and continuous composite beams. BSI, London.

10. Zamaliev F. S., Estimation of the stressed state of prestressed steel-reinforced concrete beams // Izvestiya KGASU. 2017. № 3 (41). P. 87-98.

11. Zamaliev F. S., Strength of composite steel slab with prestressed beams and slab // Izvestiya KGASU. 2018. № 1 (43). P. 120-129.

12. Zamaliev F. S., Numerical and nuclear experiments of intensified steel - concrete beams // Vestnik MGSU. 2018. № 3 (114). P. 309-321.

13. Pre-stressed pre-stressed beam : patent 155802 Ros. Federation. № 2014152337 ; decl. 23.12.14 ; publ. 20.10.15. Bul. № 29. 2 p.

14. Pre-stressed reinforced concrete beam : patent 155488 Ros. Federation. № 2015102306 ; decl. 26.01.15 ; publ. 10.10.15. Bul. № 28. 2 p.

15. Precast concrete pre-stressed beam : patent 165473 Ros. Federation. № 2016114023 ; decl. 11.04.16 ; publ. 20.10.16. Bul. № 29. 2 p.

16. Pre-stressed steel obtonated beam : patent 172515 Ros. Federation № 2017112142/03 ; decl. 10.04.2017; publ. 11.07.17. Bul. № 20. 2 p.

17. Pre-stressed reinforced concrete beam : patent 174326 Ros. Federation. № 2017101736/03 ; decl. 01.19.2017 ; publ. 11.10.17. Bul. № 29. 2 p.

18. Self-stressed wood-concrete roofing : patent 177801 Ros. Federation. № 2017126964 ; decl. 26.07.17; publ. 13.03.18, Bul. № 8. 2 p.

19. Belutsky I. U. Perfection of methods for calculating and assessing the operability of exploited steel-and-concrete span structures: author's abstract. Khabarovsk, 2004. 37 p.

20. Kayumov R. A., Muhamedova I. Z., Suleymanov A. M., Tazyukov B. F. Development of film- and fabric- composite materials durability assessing methodology under time-dependent influences of temperature and solar radiation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016 V. 158 010250.