Металлобетонное перекрытие с рациональными параметрами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.04: 539.3

МЕТАЛЛОБЕТОННОЕ ПЕРЕКРЫТИЕ С РАЦИОНАЛЬНЫМИ

ПАРАМЕТРАМИ

В.С. Шмуклер, профессор, д.т.н., ХНАГХ, Е.В. Бережная, доцент, к.т.н., ХНАДУ, В.В. Герасименко, доцент, к.т.н., ХГТУСА, В. Исмаил, магистр, О.А. Калмыков, студент, ХНАГХ

Аннотация. Предложена конструкция и технология изготовления большепролетного диска перекрытия для многоэтажных зданий различного назначения. Эффективность конструкции предопределена рациональным сочетанием плитной бетонной части и металлической пространственной структуры.

Ключевые слова: сталебетон, структура, напряженно-деформированное состояние.

МЕТАЛОБЕТОННЕ ПЕРЕКРИТТЯ З РАЩОНАЛЬНИМИ

ПАРАМЕТРАМИ

В.С. Шмуклер, професор, д.т.н., ХНАМГ, К.В. Бережна, доцент, к.т.н., ХНАДУ, В.В. Герасименко, доцент, к.т.н., ХДТУБА, В. 1смаш, магктр, О.О. Калмиков, студент, ХНАМГ

Анотаця. Запропоновано конструкщю та технолог1ю виготовлення великопрогтного диска перекриття для багатоповерхових буд1вель р1зного призначення. Ефективтсть конструкцп зумовлена ращональним сполученням плитног бетонног частини та металевог просторовог структури.

Ключов1 слова: сталебетон, структура, напружено-деформований стан.

STEEL-CONCRETE SLAB-FLOORING WITH RATIONAL PARAMETERS

V. Shmukler, Professor, Doctor of Technical Science, KhNAUE, E. Bereznaya, Associate Professor, Candidate of Technical Science, KhNAHU, V. Gerasimenko, Associate Professor, Candidate of Technical Science, KhSTUCA, V. Ismail, master, O. Kolmykov, student, KhNAUE

Abstract. The construction and technology of wide-span slab-flooring production for multy-storied buildings of different purpose is offered. The design effeciency is predetermined by the rational combination of slab concrete section and metal space structure.

Key words: steel-concrete, structure, stress-strain state.

Введение

Диски перекрытий являются одним из наиболее ответственных конструктивных элементов в здании. На них расходуется максимальное, по отношению к другим конструкциям, количество материала.

Конструкция дисков перекрытия должна обеспечивать их необходимую несущую способность при восприятии вертикальных и горизонтальных нагрузок, а также обладать ограниченной деформативностью. При этом следует найти рациональное соотношение ресурсов, необходимых для восприятия полезной нагрузки и для восприятия собственного веса. Здесь ключом для поиска решения

могут служить слова Б. Фуллера «Если вы хотите установить степень совершенства здания, взвесьте его...». Кроме сказанного, надо учитывать, что диски перекрытий интенсивно работают в своей плоскости [1], обеспечивая общую устойчивость колонн и воспринимая горизонтальные нагрузки от многих воздействий (ветровая нагрузка, нагрузка от изломов колонн, возникших вследствие неточностей бетонирования или монтажа, нагрузка от изменения жесткостей вертикальных элементов и совместной работы перекрытия с фундаментом, а также от изменения температуры перекрытий, от сейсмических воздействий и т.д.). Перечисленное особенно актуально для связевых каркасных систем.

Цель и постановка задачи

Таким образом, можно заключить, что совершенствование структуры перекрытий остается одной из приоритетных задач, возникающих при проектировании. Рассматривая конструкции перекрытий с позиций предлагаемого подхода, следует отметить, что эффективность решения (цель проблемы) может быть достигнута как за счет управления топологией структуры, так и за счет рационального размещения используемых материалов. В качестве критерия эффективности здесь приняты зависимости (требования), полученные на основе вариационных принципов механики нелинейных систем [2, 3]. В связи с этим, постановка задачи предопреде-

ляет поиск структуры большепролетного сталебетонного перекрытия, механико-геометрические атрибуты которого разыскиваются на основе изучения потенциальной энергии деформаций системы и применения некоторых экстремальных принципов.

Конструктивная реализация

Обозначенной постановке проблемы, в значительной мере, удовлетворяет конструкция большепролетного сталебетонного перекрытия, предназначенного для высотных промышленных и гражданских зданий (рис. 1) [4]. Как и для большинства сталебетонных элементов, в системе произведена дифференциация конструктивов, воспринимающих деформации разных знаков, и установлена рациональная топология металлической решетки плиты. Кроме указанного положительного сочетания конструкционных материалов, предложенную систему отличает процедура упрощенной сборки, минимизирующая её время и трудоемкость.

Данная конструкция целесообразна для перекрытий пролётом до 30,0 м. Суть конструктивного решения этого агрегата сводится к следующему. Формируется структура, состоящая из металлических модульных элементов, верхних и нижних поясов, а также железобетонных сборных или монолитных плит (арматурных сеток) (рис. 1).

Верхнии пояс

мпйцльнпео элемента

Монолитная

железобетонная панель

гьязь сОбига

Арматурная сетка

Раскосы

/Прогоны

Нижнии пояс

модульного элемента

Рис. 1. Предлагаемая конструкция большепролетного перекрытия

-д гот

000^1

Рис. 2. Металлобетонное перекрытие (структура)

При этом металлические модульные элементы выполняются в виде плоских ферм длиною «на пролет» и устанавливаются под углом ±45° к вертикальной оси перекрытия, а верхние пояса образуют крестообразные связи сдвига, являющиеся ложементом для сборных железобетонных плит (арматурных сеток). Кроме того, пояса модульных элементов (ферм) выполняются из одиночных уголков, повернутых под углом 45° к вертикальной оси модульного элемента (фермы).

Как видно из рис. 1, 2, металлобетонное пространственное перекрытие образовано из соединенных между собой установленных под углом модульных элементов 1, верхних 6 и нижних поясов 2, а также железобетонных сборных плит 3 или арматурных сеток 10.

Каждый модульный элемент 1 представляет собой ферму с параллельными поясами. Пояса фермы 8, 9 выполняют из одиночных уголков, повернутых под углом 45° к вертикальной оси. Стержни решетки 9, в основном замкнутого сечения, крепятся к металлическим косынкам 4, вваренным в уголки поясов вдоль биссектрис прямого угла. В процессе укрупнительной сборки модульные элементы 1 устанавливают под углом 45° к горизонту, объединяя их сваркой через пластинки 5 («сухарики»). Поверху и понизу полученной складчатой системы располагают прогоны 2, 6 из металлических профилей, направленных в перпендикулярном относительно модульных элементов направлении. При этом верхние прогоны 6 совместно с поясами 7 модульных элементов 1 образуют замкнутые по контуру ячейки-ложементы, в которые укладываются железобетонные сборные плиты 3 либо арматурные сетки 10. В последнем случае арматурные сетки заливаются бетоном, как правило, легким. Упомянутые прогоны 6 в совокупности с арматурными сетками 10 являются связями сдвига, обеспечивающими совместную работу составного (монолитного) железобетонного диска со стержнями пространственной металлической структуры. Нижние пояса 2 объединяют модульные элементы 1 по нижней плоскости конструкции.

Надежность предлагаемой конструкции обеспечивается за счет одинакового (стандартного) решения узлов соединения как верхних, так и нижних поясов, уменьшения сварных соединений, выполняемых в построечных условиях, отсутствия сварных соединений

между плитами, расположенными в плоскости верхнего пояса и стержнями решетки. Упрощение, точность и скорость сборки достигаются за счет поворота поясов модульных элементов на угол 45° к их вертикальной оси, что, как следствие, обеспечивает плотное прилегание верхних и нижних поясов модульных элементов друг к другу при сборке. Последнее возможно, так как каждый модульный элемент устанавливается под углом ±45° к вертикальной оси перекрытия. Таким образом, рассматриваемая конструкция одновременно является кондуктором для собственной сборки. Рациональное использование применяемых материалов обеспечивается за счет удачного расположения железобетонной (плита) и металлической (решетка) частей конструкции. Данное обстоятельство обусловлено тем, что железобетонные сборные плиты (арматурные сетки) расположены в плоскости верхнего пояса и полностью находятся в сжатой зоне конструкции.

Монтаж металлобетонного про-

странствен-ного перекрытия сводится к непосредственному объединению между собой модульных элементов (ферм) 1.

Рационализация параметров конструкции

Экономическая эффективность предлагаемого решения определяется снижением его металлоемкости по сравнению с известными, а также увеличением точности и скорости монтажных работ. Данное обстоятельство обусловлено эксплуатацией прямых методов, изложенных в [2, 3]. В частности, приняв углы наклона раскосов структуры в качестве внешних параметров, вычислялась величина потенциальной энергии деформаций конструктива и = и (а ,Р) (а , Р - углы наклона раскосов во взаимно перпендикулярных плоскостях), а затем из решения системы нелинейных уравнений

м 3 и (а , р) П 3а [ 3 и (а , р)

о зр

= 0;

= 0,

(1)

устанавливались значения а и р , соответствующие ^ и и определяющие минимальный расход материалов. Для рассматриваемой конструкции система уравнений (1)

Таблица 1 Подбор угла наклона раскосов в плоскости модульного элемента для разных пролетов

№ п/п

Количество ячеек фермы

Длина стержня

Усилие

Потенциальная энергия

Оптимальный угол наклона раскоса

п=2 (рис. 1, а)

/1 = /6 = /7 = Ь

/2= /3 = /4 = /5 = Ь ^СОВД

N1= - Р /*§а N 2 = N 5 = - Р /¡ЯП а N3 = N4 = 0 N 6 = N 7 = Р ^а

2£

РЬ [о] = ЗСОЯа + 1 яш а Чсоя а

а=63,44°

п=4 (рис. 2, б)

/1 / 2 / 3

/12 = /13 = /14 = /15 = Ь /4 = /5 = /6 = /7 =

/ 8 = / 9 = /10 =

/11 = Ь/2соя а

N1 = N з = - 3Р /

N 2 = - 4Р / N 4 = N11 = - 2Р /яд а N 5 = N10 = Р а

N 6 = N 9 =- Р/sin а

N7 = N8 = 0 N12 = N15 = 2Р / N13 = N14 = 4Р /

2Д

РЬм

11соя2 а + 4 sinа Чсоя а

а=62,69°

п=8 (рис. 3, в)

/1 = / 2 = / 3 = / 4 = / 5 = / 6 = / 7 = / 24 = / 25 = / 26 = / 27 = / 28 = / 29 = / 30 = / 31 = Ь

/ 8 = / 9 = /10 = /11 = /12 =

/13 = /14 = /15 = / 16 17 /18 = /19 = / 20 = / 21 = / 22

= / 23 = Ь/2соя а

N1 = N7 = - - 7Р / tga

N 2 = N 6=- 12Р / tga

N з = N5 = - 15Р / tga

N 4 = - 16Р / tga

N 8 = N 23 =- - 4Р/яш а

N 9 = N 22 = 3Р /яш а

N10 = N 22 = - 3Р/яш а

N и = N 20 = 2Р /яш а

N12 = N19 = - 2Р /яш а

N13: = N18 = Р/sin а

N14 = N17 = - Р/яш а

N15 = N16 = 0

N 24 : = N 31 = 4Р / tga

N 25 = : N30 = 10Р / tga

N 26 = : N 29 = 14Р / tga

N 27 = : N 28 = 16Р / tga

2Д

рьм

94соя2 а + 16 яш а Чсоя а

а=69,3°

1

2

3

4,ь = (е,ь Чег/)у 4Ь -1, (5)

где .4ц, - площадь сечения /-го стержня, определенная на Ь-ном шаге итераций; А ,ь-1 - то же на (Ь-1) шаге; е,Ь-1 - плотность энергии деформаций, определенная для /-го стержня

е и

на Ь-ом шаге итераций; е^и = у о (е ^е - пре-

0

дельное значение плотности энергии деформаций для /-го стержня; ви - предельная де-формативность; о=о(е) - в общем случае нелинейная функция, определяющий физиче-

ский закон для материала стержня; у О [ 0,1] -коэффициент, характеризующий скорость сходимости метода адаптивной эволюции

[2]. При этом А О ДО А™'"; Агтах Щ, а процесс итераций (5) продолжается до выполнения условия: 1А,ь - 4,(ь- 1) У А , где А/т1П; А™х - заданные постоянные; А - точность вычислений.

При этом определение компонентов напряженно-деформированного состояния при

Рецензент: А.В. Бильченко, профессор, к.т.н., Статья поступила в редакцию 7 апреля ХНАДУ. 2010 г.