Эффект применения сталебетонных колонн Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Серых И. Р., канд. техн. наук, доц., Дегтярь А. Н., канд. техн. наук, доц., Наумов А. Е., канд. техн. наук, доц.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова

ЭФФЕКТ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЕБЕТОННЫХ КОЛОНН

inna_ad@mail.ru

В данной работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований эффекта применения сталебетонных колонн по сравнению с железобетонными. Согласно проведенным исследованиям при одинаковой площади поперечного сечения расход металла в железобетонных образцах значительно выше по сравнению со сталебетонными.

Ключевые слова: сталебетонная колонна, железобетонная колонна._

Колонны, являясь основным несущим элементом здания, должны быть жесткими, прочными, устойчивыми и экономичными. Чтобы в полной мере удовлетворять этим требованиям следует в первую очередь уделять внимание их армированию. Характерным примером рационального использования армирующего материала являются сталебетонные колонны, хотя в настоящее время достаточно известны и другие материалы [1-10]. Сталебетонные конструкции, благодаря использованию преимуществ каждого из компонентов при одновременном устранении их недостатков, являются экономически выгодными. В первую очередь это обусловлено тем, что изолированное металлической обшивкой бетонное ядро, имеет повышенную прочность, благодаря боковому обжатию, что в свою очередь повышает несущую способность всей колонны.

Результаты экспериментальных исследований (опытная несущая способность образца Жоп), представленные в данной работе, были получены из испытаний коротких сталебетонных колонн высотой 500 мм с различными поперечными сечениями:

Образцы первой серии (рис.1,а) включали бетонное ядро 3, ограниченное швеллерами 1, полки которых соединялись профилированными листами 2. Площадь поперечного сечения - 196 см2.

Образцы второй серии (рис.1,б) включали бетонное ядро 3, ограниченное уголковыми профилями 1 и профилированными листами 2. Площадь поперечного сечения - 196 см2.

Образцы третьей серии (рис.1,в) включали бетонное ядро 3, ограниченное двутаврами 1. При этом профилированные листы 2 прикреплялись к полкам двутавров таким образом, что вместе они образовывали замкнутые прямоугольные полости, заполненной бетоном. Площадь поперечного сечения - 266 см2.

Образцы четвертой серии (рис.1,г) включали бетонное ядро 3, ограниченное швеллерами 1 (полками наружу), к которым прикреплялись профилированные листы 2, образующие замкну-

тые прямоугольные полости, как и в случае третьей серии. Кроме того, данное сечение было снабжено дополнительным двутавровым прокатным профилем. Площадь поперечного сечения - 266 см2.

Прокатные профили металлической обоймы (уголки, швеллера, двутавры) изготавливали из стального листа толщиной 2,5мм, а профилированный лист с поперечным расположением гофр - из листа толщиной 1 мм. Соединение элементов выполняли сплошным сварным швом по всей длине образца.

Теоретическая несущая способность Ж^р сталебетонных коротких колонн была рассчитана по методике, описанной в источнике [11] и приведена в табл. 1.

Расчет железобетонных колонн производился по СП 63.13330.2012 [12]. Для данного исследования считалась требуемая площадь армирования железобетонных образцов, удовлетворяющая значениям теоретической и опытной несущей способности сталебетонных образцов. При этом в пределах одной серии площадь поперечного сечения сталебетонных и железобетонных образцов была одинаковой. Результаты проведенных исследований также приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что площадь армирования сталебетонных образцов первой серии составляет в среднем 5 %. Чтобы железобетонная колонна смогла выдержать нагрузку Жхеор сталебетонной колонны, ее площадь армирования должна составлять в среднем 8,7 %, а при нагрузке Жоп -9,4 %. В образцах второй серии, имеющей одинаковую с первой площадь поперечного сечения, наблюдается приблизительно схожая картина. С увеличением площади поперечного сечения в образцах третьей серии процент армирования сталебетонных образцов составлял в среднем 4,7 %, а для железобетонных при той же несущей способности требуемый процент армирования 30 %. В образцах четвертой серии процент армирования сталебетонных образцов составлял в среднем 6,1 %, а железобетонных -30 %.

а)

в)

3 2 А 1

4

4 ■ V

< ■ " 1 J Л "

^ 1 < о

j Л 4

*

25 90 25

140

// 1 3 2

и // \" : \ -1 Л

- ' - L ч о

Л Г . Л <

6 - ■л I 4 /

50 90 50

190

б)

3 2 1 / I * JL

г) /Д ß

JL

25

т4о

JL

25

190

Рис.1. Поперечные сечения сталебетонных колонн: а - I серии; б - II серии; в - III серии; г - IV серии; 1- прокатный профиль, 2- проф.лист, 3- бетонное ядро

Таблица 1

Результаты испытания и численных расчетов

Сталебетонные образцы Железобетонные образцы

№ серии Nтеор > кН ^оп , кН А.s см2 % армирования А. при Жтеор , 2 см % армирования А. при Non , 2 см % армирования

898 920 9,78 5,2 17,43 8,9 18,43 9,4

I 876 903 9,99 5,0 16,42 8,4 17,66 9,0

898 940 9,78 5,2 17,43 8,9 19,35 9,9

781 753 5,38 2,6 12,08 6,2 10,80 5,5

II 781 725 5,38 2,6 12,08 6,2 9,53 4,9

763 700 5,38 2,7 11,26 4,7 8,39 4,3

2532 2600 12,93 4,7 78,75 29,6 81,74 30,7

III 2557 2500 12,78 4,7 79,85 30,0 77,35 29,1

2557 2570 12,78 4,7 79,85 30,0 80,42 30,2

2548 2500 16,33 6,1 79,46 29,9 77,35 29,1

IV 2515 2650 16,25 6,2 78,01 29,3 83,93 31,6

2579 2600 16,41 6,1 80,82 30,4 81,74 30,7

В рамках исследования были построены графики вероятности распределения армирова-

ния по четырем группам образцов (рис. 2). Предполагалось, что все входящие параметры (нагрузки, несущая способность) являются непрерывными случайными величинами и подчиняются нормальному закону распределения. Из графиков видно, что вероятности распределения

армирования сталебетонной и железобетонной колон не пересекаются и находятся на достаточном удалении друг от друга, что говорит о значительной экономии материала (арматуры) в случае сталебетонной колоны.

0,04-

14

а)

зо

40

50

70

I К

я!

20 30 40 50 60 70 80 90

1

в) г)

Рис. 2. Вероятности распределения армирования: а - I серии; б - II серии; в - III серии; г - IV серии; ■ сталебетонная колона, 2 - железобетонная колона (опытные данные), 3 - железобетонная колона (теоретические расчеты)

Таким образом, анализ экспериментальных и теоретических исследований показал, что при одинаковой площади поперечного сечения расход металла в железобетонных образцах значительно выше по сравнению со сталебетонными. Например, при площади поперечного сечения 196 см2 речь идет о практически двукратном преувеличении. Повышение площади поперечного сечения на 35 % приводит к пятикратному (в образцах четвертой серии), а в некоторых случаях шестикратному (в образцах третьей се-

рии) увеличению расхода металла.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Клюев С.В., Клюев А.В., Сопин Д.М., Нетребенко А.В., Казлитин С.А. Тяжелонагру-женные полы на основе мелкозернистых фиб-робетонов // Инженерно-строительный журнал, 2013. №3. С. 7 - 14.

2. Клюев С.В., Лесовик В.С., Клюев А.В. Бондаренко Д.О. К вопросу применения нескольких видов фибр для дисперсно-

2

1

3

2

1

2

армированных бетонов // Вестник БГТУ им.

B.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 81 - 83.

3. Лесовик Р.В., Клюев А.В., Клюев С.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе техногенного песка для получения сборных элементов конструкций // Технологии бетонов. 2014. №2. С. 44 - 45.

4. Клюев С.В., Клюев А.В. Пределы идентификации природных и инженерных систем // Фундаментальные исследования. Т.12. Ч.2. 2007.

C. 366 - 367.

5. Клюев С. В. Высокопрочный стале-фибробетон на техногенных песках КМА // Технологии бетонов. 2012. №. 5 - 6. С. 33 - 35.

6. Клюев С.В. Высокопрочный фибробетон для промышленного и гражданского строительства // Инженерно-строительный журнал. 2012. №8(34). С. 61 - 66.

7. Клюев С.В. Высокопрочный стале-фибробетон на техногенных песках КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 11. С. 38 - 39.

8. Клюев С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций // Строи-

тельная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. №.4 С. 71 - 74.

9. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В., Пикалова Е.К. Фиброармированные композиты на техногенном сырье // Сборник научных трудов Sworld. 2014. Т. 19. №1. С. 34 - 36.

10. Lesovik R.V., Klyuyev S.V., Klyuyev A. V., Netrebenko A.V., Metrohin A.A. Kalashni-kov N.V. Combined Disperse Reinforcement of Fine-Grained Concrete with Steel and Polypropylene Fiber on Technogenic Raw Materials and Nanodispersed Modifier // World Applied Sciences Journal, 2014. Т. 31. №12. С. 2008 - 2114.

11. Адамян И.Р., Чихладзе Э.Д. Расчет напряженно-деформированного состояния сталебетонных стержней прямоугольного сечения при продольном изгибе / Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века: сб. докл. Междунар. науч.-практ конф.-шк.-сем. молод. учен. и асп. // Белгор. гос. технол. акад. строит. матер. Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1998. С.145-146.

12. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. М.: НИИЖБ, 2013. 128 с.