CC BY
33
Исследование применения трубобетонных элементов в условиях
реконструкции
Хайянь Цзянг, Чэньин Чжай, А.Ю. Кубасов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: В данной статье приведена история развития и эффективность применения трубобетонных конструкций при возведении зданий и сооружений различного технического назначения. Рассмотрен вариант применения трубобетонных колонн с целью восстановления эксплуатационной надежности и несущей способности сборных железобетонных конструкций производственного корпуса при его реконструкции. Произведен расчёт на несущую способность с учётом дополнительных нагрузок и проверка на прочность сечений трубобетонной колонны по деформационной модели. Ключевые слова: бетон, трубобетон, несущая способность, железобетон, строительные конструкции, арматура, постоянная нагрузка, прочность, эксплуатационная надёжность, деформации.
Трубобетонная конструкция представляет собой бетон, заключенный в оболочку круглой или более сложной формы. Трубобетон с металлической оболочкой используется в гражданском, транспортном, промышленном, а в последние годы в высотном строительстве [1].
Металлическая оболочка предназначена не только в качестве несъемной опалубки бетона и одновременно продольной и поперечной арматуры, но и создает идеальные условия для работы бетонного ядра под нагрузкой, что значительно ускоряет и упрощает процесс строительства [23].
Трубобетонные конструкции способны выдерживать большие нагрузки, прикладываемые в произвольных направлениях. Металлическая оболочка создает эффективные условия для работы бетонного ядра, препятствуя расширению в поперечном направлении и развитию трещин. Бетон, заполнив оболочку, увеличивает общую и местную устойчивость конструкции, а также повышает ее жесткость [4, 6].
Идея армирования бетона стальной круглой трубой появилась сто лет назад в США, где стальные трубы, заполненные бетоном, применили как несущие колонны для многоэтажных зданий (до 6 этажей). В 1930-х годах в
России был построен железнодорожный трубобетонный арочный мост через реку Исеть пролетом 140 м, и профессор А.А. Гвоздев впервые создал теорию расчета трубобетонных конструкций по методу предельного равновесия.
Наиболее широко в последние десятилетия трубобетон начал применяться в КНР, где создана нормативная база его применения в строительстве. За последние годы с применением технологии трубобетона в КНР построено уже более 100 небоскребов. Среди них здание с каркасом из трубобетона на площади Сайгэ в Шэньчжэне построенное за 15 месяцев по проекту профессора Цао Шао Хуая - главного разработчика конструкции и технологии трубобетона в КНР (аспиранта профессора Гвоздева А. А.). В наземной части - 72 этажа, в подземной - 4, общая высота составляет 291,6 м, общая площадь здания превышает 160 тыс. кв. м [5-6].
Исследования и практический опыт возведения малоэтажных и высотных зданий, проведенные в США, Германии, Японии, Великобритании, Австралии, КНР показывают конструктивно-технологическую и экономическую эффективность применения технологии трубобетона при возведении зданий и сооружений различного технического назначения.
Теория и практика применения трубобетона свидетельствует о том, что трубобетон помимо высокой силы сжатия, легкости, устойчивости к нагрузкам, ударостойкости обладает еще следующими преимуществами:
— высокая несущая способность трубобетонных колонн;
— эффективность работы стальной обоймы - трубы вместо арматуры;
— повышение прочностных показателей, долговечности и стойкости бетона;
— снижение массы несущего каркаса здания;
— повышение огнестойкости стальных конструкций каркаса;
— высокая стойкость здания к сейсмическим воздействиям;
— работа в зимнее время;
— высокая скорость возведения каркасов из трубобетона;
— снижение объемов сварочных работ в 2-3 раза;
— сокращение расхода металла на возведение каркасов здания в 1,8-2
— сокращение сроков строительства в 1,5-2 раза;
— снижение себестоимости строительства каркаса зданий и сооружений
на 25-30% [7-8].
Целью магистерского исследования является расчет несущей способности сборных железобетонных конструкций производственного корпуса при малых эксцентриситетах приложения продольной силы.
Расчет на несущую способность центрально сжатой трубобетонной колонны произведен по методике, разработанной в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко [9].
N =3000 кН; Вр = 0,5 м; ^ = 0,008 м; уъ1 = 0,9, при длительной нагрузке.
Класс бетона В30;ЛЬ= 17- уъ1 = 17- 0,9 = 15,3 МПа; сталь трубы С235 (ГОСТ 10704-91); Яу = 225 МПа; Ь = 3 м. Случайный эксцентриситет: Ь / 600 = 3/600 = 0,005 м; В / 30 = 0,5/30 = 0,016667 м; принимаема = 0,016667 м.
Радиус бетонного ядра: тъ = (Вр-2-Гр) / 2 = (0,5-2 0,008) / 2= 0,242 м;
срединной поверхности трубы:
Гр = (Вр- tp) / 2 = (0,5 - 0,008) /2= 0,246 м.
Площадь металла в поперечном сечении трубы:
раза;
А
Р 4 4
п- 0,52 п • (0,5 - 2 • 0,008) 4 4
2
= 0,012365 м2.
Площадь поперечного сечения бетонного ядра:
А
- 2 ■ гр )2 _п(0,5 - 2 • 0,008)
0,183984 м\
4 4
Эксцентриситет приложения нагрузки относительно центра тяжести сечения: е0= еа.
а = 2; Ь = 2,52 - безразмерные; с = 25 МН; Яр= Яу.
АЯ _ Я,
а + Ье
~~(ЯрАр + кьА)^
V
г„
Я
У »р - ^р Яь
15,3
Г -ь Л
—(2250,012365+15,3^0,183984)
2 + 2,52 е25
V У
0,008
225
0,5 - 2 ■ 0,008 15,3
16,809915 МПа.
АЯ. _ Я +АЯ,
1 -■
7,5 е
Эр - 2г
р У
_ 15,3 +16,809915
1 - 7,5 ■ 0,01667 V 0,5 - 2 ■ 0,008 У
_ 27,768512 МПа.
Ярс _ Яу - ^ Яу
7,5е
Эр -
р У
_ 225 - ^225 4
- 7,5■ 0,01667 ^ 0,5 - 2 ■ 0,08 У
_ 183,277376.
г
1
Л
а— Бш2а V 2
ЯЬр +аА^с
п
г
0,2422
1
а — Бт2а 2
V пУ
а
АЛ +~~АрЯрс п
V п У
■ 27,768512 + —■ 0,012365 п
\ а
V п У
0,0122365 ■ 225 _3.
а = 1,716244 радиан.
2 1 1
Миы _ 3гь Яьр а + -Аг вЬа(( + Яж) + ~АрГ вта(( + ^).
Мик _ |0,2423 ■ 27,768512 ■ Бт2 (1,716244) + П • 0,012365 0,246 •
п
■ Бт(1,716244) • (225 +183,277376) _ 0,647998МН « 648кН.
М = Ы-во = 3 0,016667 = 0,05 МН м <0,647998 МИ.
Проверка на прочность сечений трубобетонной колонны по деформационной модели(СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 5201-2003) произведена по программе ЭСПРИ 2014 (Электронный справочник инженера)[10].
Таблица № 1
Результаты проверки
Процент армирования сечения, % 6,91128
Относительная высота сжатой зоны бетона
Высота сжатой зоны бетона, мм х=484
Ширина раскрытия трещин, мм асгс 0
Максимальная глубина трещин, мм ^сгс=0
Частота трещин, м 1сгс 0
Координаты приведенного центра тяжести 7=0 м Z=0 м
Приведенные жесткости сечения £Агеа=414378 т £7у=10047,2 тПм2 £4=10047,2 тПм2
Относительная деформация крайнего сжатого волокна бетона £ps^Max=0,00087375
Коэффициент упрочнения сжатого бетона Rb*/Rb=1,53906
Литература
1. S.-H. Cai. Modern Street Tube Confined Concrete Structures. Shanghai, China CommunicationPress, 2003, p. 358.
2. Min Yu, Xiaoxiong Zha, Jianqiao Ye, Yuting Li. A unified formulation for circle and polygon concretefilled steel tube columns under axial compression / Engineering Structures. - 2013. - 49. - pp. 1-10.
3. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Использование трубобетона в жилищном строительстве // Промышленное и гражданское строительство. -2011. -№3. - с. 14-15.
4. Оценка прочности трубобетона. Несветаев Г.В., Pезван И.В. // Фундаментальные исследования. - 2011. -№ 12 (часть 3)- с. 580-583.
5. Маилян ДР., Кубасов А.Ю. К вопросу обеспечения устойчивости арматурных стержней при их предварительном сжатии // Научное обозрение. - 2015. - №10. - с. 173 - 17б.
6. Pезван И.В., Маилян ДР. Несущая способность бетонного ядра трубобетонных колонн // Вестник Майкопского государственного технологического университета. - 2011. - №3. - с. 18 - 25.
7. Pезван И.В., Маилян Д.P., Pезван А.В. Построение диаграммы «напряжения-деформации» бетона в условиях пассивного бокового обжатия //Инженерный вестник Дона, 2012, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1127.
8. ДР. Маилян, Г.В. Несветаев. Зависимость относительной несущей способности колонн от относительного эксцентриситета // Инженерный вестник Дона, 2012, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1334.
9. Научно-технический отчет по теме: «Разработка стандарта организации «Сталежелезобетонные конструкции. Правила проектирования». ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, НИЦ «Строительство». - М.: 2015. - 78 с.
10. ЛИРА-САПР, ЭСПРИ: URL: liraland.ru/.
References
1. S.-H. Cai. Shanghai, China Communication Press, 2003, p. 358.
2. Min Yu, XiaoxiongZha, Jianqiao Ye, Yuting Li. Engineering Structures, 2013, pp. 1-10.
3. Afanas'ev A.A., Kurochkin A.V. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2011. №3, pp. 14-15.
4. Nesvetaev G.V., Rezvan I.V. Fundamental'nye issledovaniya. 2011. № 12 (chast' 3), pp. 580-583.
5. Mailyan D.R., Kubasov A.YU. Nauchnoe obozrenie. 2015. №10, pp. 173176.
6. Rezvan I.V., Mailyan D.R. Vestnik Majkopskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. 2011. №3, pp. 18-25.
7. Rezvan I.V., Mailyan D.R., Rezvan A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1127.
8. D.R. Mailyan, G.V. Nesvetaev. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1334.
9. Razrabotka standarta organizacii «Stalezhelezobetonnye konstrukcii. Pravila proektirovaniya» [Development of the standard of the organization "Steel Reinforced Concrete Structures. Design rules»]. CNIISK im. V.A. Kucherenko, NIC «Stroitel'stvo». Moscow, 2015, 78 p.
10. LIRA-SAPR, EHSPRI: URL: liraland.ru.
