Прочность и деформативность сталежелезобетонных образцов плит перекрытий при изгибе Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Прочность и деформативность сталежелезобетонных образцов плит перекрытий при изгибе

сч о сч

Сойту Наталья Юрьевна

кандидат технических наук, доцент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, natali_s01@mail.ru

Алейникова Маргарита Анатольевна

кандидат технических наук, доцент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ale11971_80@mail.ru

Конструктивные решения, предусматривающие расположение рабочей арматуры на поверхности железобетонной конструкции, без использования защитного слоя бетона, являются основной отличительной особенностью сталежелезобетонных конструкций различного функционального назначения. Несмотря на присутствие ряда факторов и показателей функциональной эффективности, применение сталежелезобетонных конструкций в каркасных конструктивных системах не является распространенным в практической деятельности архитектурно-строительным решением. В определенной мере, данное обстоятельство связано, в том числе, и с недостаточной проработкой методических основ проектирования таких конструкций. В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с развитием методических основ определения параметров напряженно-деформированного состояния и особенностей конструктивной реализации сталежелезобетонных монолитных плит перекрытий (покрытий). Основной целью исследований является алгоритм выявления и верификации показателей несущей способности конструкции с применением синтеза методов исследований.

Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, несущая способность, методы исследований, плита перекрытия, анализ состояний при изгибе

Введение

Применение сталежелезобетонных конструкций является эффективным и рациональным способом формирования конструктивных решений для строительных объектов различной конструктивной сложности и функционального назначения. Конструктивные решения сталежелезобетонных конструкций объединяют в своем составе бетон (тяжелый бетон), арматурные изделия (сетки, каркасы, отдельные стержни) или стальные прокатные профили [1,2].

Особый, инновационный способ организации взаимодействия структурных элементов (бетона и арматурных изделий) в составе единого и целостного конструктивного решения определяет сложный, многофакторный анализ параметров напряженно-деформированного состояния. Несмотря на сравнительно простую форму сталежелезобетонных конструкций, корректное решение задачи определения показателей несущей способности достигается синтезом методик, рассматривающих численно-аналитические, расчетно-теоретические и экспериментальные (с использованием натурных стендов) исследования [3,4].

На Рисунке 1 представлены основные особенности варианта конструктивного решения монолитной сталежелезобе-тонной плиты перекрытия, работающей в условиях изгиба.

1 - стальная балка перекрытия.

2 - стальной профилированный лист.

3 - бетон.

б) общий вид профилированного листа

в) характеристики профилированного листа

Рисунок 1 - Конструктивное решение монолитной сталежелезобе-тонной литы перекрытия

О ш со

X

<

со о

X

Эффективность рассматриваемого варианта конструктивного решения сталежелезобетонной плиты достигается использованием специального вида профилированного листа профнастила (профнастила). Главной особенностью рассматриваемого вида профнастила является наличие специальных конструктивных элементов - выштамповок или рифов, предназначенных для обеспечения совместной работы профнастила с бетоном в составе монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия [5,6].

Цель и задачи исследования

Выявления особенностей параметров напряженно-деформированного состояния монолитных сталежелезобетонных плит перекрытий, конструктивное решение которых предусматривает применение листов стального профилированного настила специального профиля в качестве рабочей арматуры сечения плиты. Достижение поставленной цели исследований осуществляется последовательным решением следующих основных задач:

- разработка и проведение программы экспериментальных (натурных) исследований параметров несущей способности монолитных сталежелезобетонных плит перекрытий (образцов), для одно- и двухпролетной (многопролетной) схем опирания, при различных значениях длины пролета между опорами;

- выявления параметров несущей способности монолитных сталежелезобетонных плит перекрытий (образцов) с применением расчетно-теоретических положений строительной механики;

- разработка рекомендаций по определению параметров несущей способности монолитных сталежелезобетонных плит перекрытий в расчетных условиях с применением с применением многофакторных моделей, учитывающих особенности свойств и состояний конструкций в условиях изгиба.

Результатом исследований являются рекомендации о параметрах напряженно-деформированного состояния монолитных сталежелезобетонных плит перекрытий, составленных в максимально информативных и практичных для решения практических задач представлениях.

Методы исследований предусматривают синтез экспериментальных и расчетно-теоретических методов определения параметров несущей способности конструкции монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытий, работающей в условиях изгиба без дополнительной рабочей арматуры (арматурных изделий в виде сеток, каркасов, отдельных стержней или прокатных или гнутых профилей) [7].

Экспериментальные исследования особенностей состояния и параметров напряженно-деформированного состояния (несущей способности) сталежелезобетонных перекрытий производятся с целью проверки выдвинутой научно-технической гипотезы о возможности совместной работы листа проф-настила специального профиля (с выштамповками для сцепления с бетоном) и бетонной смеси в составе единого и целостного конструктивного решения.

Расчетно-теоретические исследования параметров напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных перекрытий предусматриваются для адаптации полученных экспериментальных данных к решению широкого круга проектных задач, учитывающих различные параметры расчетных схем опирания, а также свойств структурных элементов, формирующих конструктивное решение сталежелезобетонной плиты перекрытия.

Описание образцов монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытий и условий эксперимента

Образцы сталежелезобетонной плиты перекрытия с использованием листов профилированного настила с выштам-повками (рифами), характеризуются следующими основными особенностями:

- толщина стальной основы листа профнастила составляет: 1.0 мм (см. Рисунок 1);

- расчетное сопротивление стальной основы (предела текучести) листа профнастила составляет: 320 МПа (марка стали S320GD+Z, EN 10326);

- расчетное сопротивление бетона соответствует нормативному классу бетона на сжатие: В25;

- общая толщина сталежелезобетонной плиты перекрытия составляет: 150 мм;

- расчетная схема опирания листов профнастила: сжаты широкие полки (положение «позитив», см. Рисунок 1);

- дополнительное рабочее и вспомогательное армирование поперечного сечения плиты: отсутствует.

Расчетная схема предусматривает однопролетное и двух-пролётное опирание образцов при длине пролета 3.0, 4.5 и 6.0 м (Рисунок 2,3).

У»

>50.

5

Рисунок 2 - Расчетная схема опирания образца монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия по однопролетной схеме

п

150 , т1п!20

>..¡.11 гг, [

2-2

□ Л. N □ □ 50 Л,

Рисунок 3 - Расчетная схема опирания образца монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия по двухпролетной схеме

Рисунок 4 - Общий вид экспериментальной установки (натурного стенда) для исследований образца по однопролетной схеме

X X О го А С.

X

го т

о

м о

м ■р»

ем о ем

0 Ш СО

1

< СО

0

1 I

На Рисунке 4 представлен общий вид экспериментальной установки (натурного стенда), для передачи расчетной (разрушающей) нагрузки на образец сталежелезобетонной плиты перекрытия, работающей в условиях изгиба по однопролетной схеме.

На Рисунке 5 приведен характер напряженно-деформированного состояния образца плиты перекрытий, наступивший после приложения разрушающей величины изгибающей нагрузки.

а) разрушение бетона плиты в пролете

Толщина и Нали- Длина Тол- Схема Длина Результат испы-

располо- чие ан- листа щина испы- про- тания

жение кера на проф- плиты, таний лета, м Пози- Значе-

проф- опоре настила, мм ция ние

настила м нагрузки, кг/м2

«Позитив», нет 3.00 150 Одно- 3.00 1 2481,13

1.0 мм про- 2 2481,13

лётная 3 2481,13

4 2481,13

5 2481,13

6 2481,13

Примечание к Таблице 1:

позиция 1 - предельная нагрузка по несущей способности; позиция 2 - предельная нагрузка для прогиба 1/150 = 20 мм; позиция 3 - предельная нагрузка для прогиба 1/200 = 15 мм; позиция 4 - предельная нагрузка для прогиба 1/250 = 12 мм; позиция 5 - предельная нагрузка для прогиба 1/300 = 10 мм; позиция 6 - предельная нагрузка для прогиба 1/350 = 8,57 мм.

Результаты и обсуждения

На Рисунках 6 и 7 представлены результаты сравнения экспериментальных и расчетно-теоретических значений параметров напряженно-деформированного состояния образцов плит перекрытий.

На Рисунке 6 представлены параметры напряженно-деформированного состояния образца монолитной сталежеле-зобетонной плиты перекрытия по однопролетной схеме опира-ния и длине пролета, равной: L = 4.0 м.

б) разрушение (сдвиг) бетона на опоре Рисунок 5 - Результаты напряженно-деформированного состояния образца плиты перекрытия. Однопролетная схема опирания

В Таблице 1 приведены основные результаты (параметры) напряженно-деформированного состояния образца монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия, находящегося в условиях поперечного изгиба от действия внешней нагрузки, «приведенной» к формату равномерно-распределенной нагрузки.

Таблица 1

Результаты определения несущей способности плиты в условиях изгиба от равномерно-распределенной нагрузки

1.25 1.50 1.75

2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 пролет, м

а) по первой группе предельных состояний (прочности) конструкции

45000,0 40000,0 35000,0 30000,0 25000,0 . 20000,0 15000,0

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00

б) по второй группе предельных состояний (прогибам) конструкции. 1/150 I

30000,0

25000,0

20000,0

15000,0

10000,0

5000,0

0,0

10000,0

5000,0

0,0

пролет,м

в) по второй группе предельных состояний (прогибам) конструкции. 1/200 ^

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 пролет, м

-аналитика —■—эксперимент

г) по второй группе предельных состояний (прогибам) конструкции. 1/250 L

Рисунок 6 - Верификация аналитических и экспериментальных значений параметров напряженно-деформированного состояния. Од-нопролетная схема

На Рисунке 7 представлены параметры напряженно-деформированного состояния образца монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия по двухпролетной схеме опирания и длине пролета, равной: L = 6.0 м.

а) по первой группе предельных состояний (прочности) конструкции

б) по второй группе предельных состояний (прогибам) конструкции. 1/150 ^

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 пролет, м

-аналитика —■—эксперимент

в) по второй группе предельных состояний (прогибам) конструкции. 1/200 ^

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 пролет, м

- аналитика —ш—эксперимент

г) по второй группе предельных состояний (прогибам) конструкции. 1/250 L

Рисунок 7 - Верификация аналитических и экспериментальных значений параметров напряженно-деформированного состояния. Двухпролетная схема

Верификация результатов исследований проведена и для других длин пролета (до L=12.0 м включительно, для однопролетной схемы опирания) и для позиций по прогибам, равным

X

го m

о

M

о

M ■р»

250000,0

200000,0

150000,0

100000,0

50000,0

□,0

250000,0

200000,0

150000,0

100000,0

50000,0

0,0

1/300 L и 1/350 L (см. примечание к Таблице 1): как для однопролетной, так и для двухпролетной схем опирания.

Сравнительный анализ применённых методов исследований показывает, что наибольшие расхождения наблюдаются при анализе параметров напряженно-деформированного состояния по второй группе предельных состояний: при длине пролета в диапазоне от 0.1 до 2.0 м.

Именно для такого диапазона длин пролетов целесообразно провести дополнительные исследования образцов, например, с применением конечноэлементных моделей и рассмотреть нелинейный анализ свойств и состояний образцов плит перекрытий.

Проведенный комплекс исследований показал возможность адаптации результатов на решение широкого круга проектных задачах, связанных с применением более массивных конструктивных решений (сечение плит составляет от 150 до 300 мм) и других классов тяжелого бетона (от класса В15 до класса В45) при многопролетных схем опирания, одинаковой и неодинаковой длиной пролетов.

Литература

1. Бабалич В.С., Андросов Е.Н. Сталежелезобетонные конструкции и перспектива их применения в строительной практике России // Успехи современной науки. 2017. Т. 4, № 4. С. 205-208.

2. Горбач П.С., Гордеев К.И. Опыт использования сталеже-лезобетонных конструкций // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2022. № 19. С. 78-81.

3. Туснин А.Р. Численный расчет сталежелезобетонных конструкций // Строительство: наука и образование. 2022. Т.12, №1. С.61-73.

4. Bridge R.Q., Patrick M.S. Innovations in composite slabs incorporating profiled steel sheeting // Advances in Building Technology.2002. Pp. 191-198.

5. Чихладзе Э.Д., Арсланханов А.Д. Несущая способность сталебетонных плит // Известия вузов. Строительство и архи-тектура.1989. №4. С. 5-8.

6. Wright H.D., Evans H.R., Harding P.W.. The use of profiled steel sheeting in floor construction // Journal of Constructional Steel Research. Vol. 7. Issue 4.1987. Pp. 279-295.

7. Бенин А.В., Семенов А.С. , Семенов С.Г., Мельников Б.Е. Математическое моделирование процесса разрушения сцепления арматуры с бетоном. Часть 1. Модели с учетом несплошности соединения // Инженерно-строительный журнал. 2013. №5(40). С. 86-99.

сч

0

сч

01

п

S I— О ш m х

<

m о х

X

Strength and deformability of steel-reinforced concrete samples of floor slabs

during bending Soytu N.Yu., Aleynikova M.A.

Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53

The structural solutions, providing for the location at the working reinforcement on the surface in reinforced concrete structure, without the use of a protective layer concrete, is the main distinctive feature for the steel and concrete structures in various functional purposes. Despite the presence of a number at the factors and indicators they functional efficiency, the use steel and concrete structures in frame structural systems is not a common architectural and construction solution in practical activities.

To a certain extent, this circumstance is associated, among other things, with the insufficient study in methodological foundations for the design of such structures. This article discusses the issues related to the development the methodological principles for determining the parameters for stressed-deformed state and the features the structural implementation in steel-reinforced concrete monolithic floor slabs (roofs). The main purpose of the research is an algorithm for identifying and verifying the display-bodies the bearing capacity at the structure using the synthesis research methods. Keywords: steel-concrete structures, bearing capacity, research methods, slab,

analysis in bending conditions References

1. Babalich V.S., Androsov E.N. Steel-reinforced concrete structures and the prospect

of their application in the construction practice of Russia//Successes of modern science. 2017. Vol. 4, no. 4. Pp. 205-208.

2. Gorbach P.S., Gordeev K.I. Experience in the use of steel-reinforced concrete

structures//Collection of scientific works of Angarsk State Technical University. 2022. № 19. Pp. 78-81.

3. Tusnin A.R. Numerical calculation of steel-reinforced concrete structures //

Construction: science and education. 2022. Vol.12, no.1. Pp.61-73.

4. Bridge R.Q., Patrick M.S. Innovations in composite slabs incorporating profiled steel

sheeting // Advances in Building Technology.2002. Pp. 191-198.

5. Chikhladze E.D., Arslankhanov A.D. Bearing capacity of steel-concrete slabs //

News of universities. Construction and architecture. 1989. №4. Pp.5-8.

6. Wright H.D., Evans H.R., Harding P.W.. The use of profiled steel sheeting in floor

construction // Journal of Constructional Steel Research. Vol. 7. Issue 4.1987. Pp. 279-295.

7. Benin A.V., Semenov A.S., Semenov S.G., Melnikov B.E. Mathematical modeling

of the process of breaking the adhesion of reinforcement with concrete. Part 1. Models considering discontinuity of connection // Civil Engineering Logbook. 2013. №5 (40). Pp.86-99.