Рационализация сечений сталежелезобетонных балок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛ1ДЖЕННЯ, ПРАКТИКА

УДК 624.072.2.012.45.014:006.015.2

Ю. П. КИТОВ1, Г. Л. ВАТУЛЯ2, М. А. ВЕРЕВИЧЕВА3, С. В. ДЕРИЗЕМЛЯ4*

1 Кафедра «Строительная механика и гидравлика», Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха 7, Харьков, Украина, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, эл. почта budmekh@ukr.net

2 Кафедра «Строительная механика и гидравлика», Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха 7, Харьков, Украина, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, эл. почта vatulya@kart.edu.ua, (ЖСГО 0000-0002-3823-7201

3 Кафедра «Строительная механика и гидравлика», Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха 7, Харьков, Украина, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, эл. почта budmekh@ukr.net

4 Кафедра «Строительная механика и гидравлика», Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха 7, Харьков, Украина, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, эл. почта s.deryzemlia@kart.edu.ua, ОЯСГО 0000-0001-6556-4454

РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ СЕЧЕНИЙ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК

Цель. Целью предлагаемой статьи является определение оптимальных с точки зрения стоимости и прочности формы и размеров комбинированного сечения с учетом характеристик составляющих материалов. Методика. Численные исследования комбинированных равнопрочных сечений, основанные на свойствах приведенных сечений, составляющих материалов и результатах экспериментальных данных различных авторов. Результаты. На основании сортамента стальных двутавров был выполнен расчет и подбор комбинированного двутаврового сечения, у которого верхняя полка заменена на тонкостенное стальное «корыто», заполненное бетоном, и его сравнение с двутавровым сечением, усиленным бетонной плитой. Для достижения условия равнопрочности подбираются высота и ширина бетонной плиты. Показано, что наиболее выгодным с точки зрения стоимости является тавровое стальное сечение с верхней полкой в виде тонкостенного стального «корыта» с бетонной плитой. Научная новизна. В результате выполненных расчетов, на основании условия равнопрочности, выбраны оптимальные вид и размеры сталебетонного сечения, обеспечивающие наименьшую стоимость. Практическая значимость. В настоящее время сталежелезобетонные конструкции все чаще используются в строительстве. Это связано с тем, что они имеют меньший по сравнению с железобетоном собственный вес, а также их стальная часть может использоваться в качестве несъемной опалубки. Усовершенствование таких конструкций приводит к повышению прочностных характеристик и снижению стоимости.

Ключевые слова: сталебетон; приведенное сечение; равнопрочное сечение; сталежелезобетонная балка; изгибающий момент

Введение

Вопросы повышения несущей способности строительных конструкций, экономии бетона и стали оказывают значительное влияния при строительстве новых и реконструкции существующих зданий и сооружений, в том числе транспортных. Наряду с совершенствованием традиционных железобетонных конструкций большое внимание уделяется использованию конструкций с внешним армированием стальным листом, профилем или замкнутой обоймой, т.е. сталебетонных или сталежелезобетон-ных конструкций. В настоящее время такие конструкции находят широкое применение при

реализации в строительстве сооружений различных видов систем (колонн, балок, ферм, арок, комбинированных систем) [1-3]. Элементы этих систем испытывают различные виды напряженно-деформированного состояния -центральное растяжение и сжатие, внецентрен-ное сжатие, сжатие с изгибом, продольные изгиб.

Обзор исследований и цель работы

В ряде работ [4-6] изучаются комбинированные сечения, однако выбор размеров этих сечений и их преимущества перед другими не обосновываются.

В работах [5, 13] предлагается использовать сталежелезобетонные конструкции с сечением в виде симметричных стальных профилей, заполненных бетоном. Однако прочность таких сечений ниже прочности используемых стальных профилей [8]. В связи с этим возникает задача выбора формы и размеров комбинированного сечения с учетом характеристик составляющих материалов.

Материалы сталебетонных конструкций имеют, с одной стороны, различные физико-механические характеристики, с другой стороны - различные стоимости. Например, бетон работает преимущественно на сжатие, значит его надо располагать в сжатой зоне сечения; сталь одинаково воспринимает и растяжение, и сжатие, поэтому основную ее массу естественно сосредотачивать в растянутой зоне; механические характеристики сопротивления деформации и разрушению у стали значительно выше, чем у бетона, а это значит, что бетона в составе конструкции должно быть больше, чем стали; вес бетонной конструкции больше, чем стальной; стоимость бетона меньше, чем стали, и т.д.

На рис. 1 показаны два варианта составного сечения сталежелезобетонной балки, работающей на изгиб. На основании анализа работ [6, 7] с предложениями по усилению стальных стержней бетоном, в статье [8] приведены обоснования того, что эффективным усилением при восприятии деформации при изгибе является расположение плиты в сжатой зоне двутаврового сечения (см. рис. 1, б). Такая форма сечения приемлема при реконструкции сооружения для его усиления.

Во вновь проектируемых сталежелезобе-тонных конструкциях форма и размеры элементов сечения должны выбираться в соответствии с указанными выше особенностями НДС составного сечения.

Поэтому в предлагаемом рациональном сечении (см. рис. 1, а) верхняя (сжатая) полка стального двутавра, в которой нет необходимости для восприятия сжимающих напряжений, отбрасывается и заменяется тонкостенным «корытом». Это «корыто», во-первых, и в основном, необходимо для обеспечения совместной работы бетонной плиты и стального нижнего пояса сечения, во-вторых, целесообразно для использования в качестве опалубки плиты.

а)

ta1

b2

hf

&Vo ÄV - a 7 a

б ö О О

ral

м

*а1 _$

4—i

Г

I----

l

У

Vif

ha 2

ha1

У

б)

Рис. 1. Поперечное сечение сталежелезобетонной балки:

а) - тонкостенного «корыта» с бетонной плитой; б) - прокатного профиля (1) с железобетонной плитой (2)

Общие положения

Чтобы сечение было рациональным, необходимо учесть одно из требований оптимальности конструкции - равнопрочность. Равно-прочность для сечения означает, что напряжения в наиболее удаленных от нейтральной оси волокнах одновременно достигают предельных значений. Для бетона это сс = в сжатых волокнах, в стали - оа = /уй в растянутых волокнах.

Положение нейтральной оси определим, используя метод приведенного сечения [9]. Суммарная осевая сила, действующая в поперечном сечении, должна быть равна нулю, то есть

$оа d A + joc d A = 0.

(1)

При изгибе

z

c

z

a

b

z

c

z

a

С =■

р

с =•

р

(2)

где Еа , Ес - модули упругости стали и бетона. Подставив (2) в (1), получим

j z d A + n J z d A = 0,

(3)

MEd =

УM 0 fydJn

(4)

Момент инерции приведенного сечения определяется формулой

j = J +__c. J

^пр _ a E

(5)

где п = Ес / Еа .

Определение наибольшего изгибающего момента

Согласно уравнению изогнутой оси, наибольший расчетный изгибающий момент МЕй определяется выражением

где Jа, 3с - моменты инерции стальной и бетонной части сечения относительно нейтральной оси сечения.

Сечение с верхней полкой в виде тонкостенного «корыта» с бетонной плитой

Подставив в условие (3) подинтегральные выражения, в соответствии с рисунком (см. рис. 1, а), получим уравнение относительно г, решением которого является положение нейтральной оси га (6).

Расчетное сечение соответствует максимальному изгибающему моменту.

bhi h2,-12 ч f t л Л

-f + tw +(p2 + 2ta 1 )ta 1 f ha 1 + tf j

btf + (( 1 - tf ) +(b2 + 2ta 1 ) 1 + 2 ((2 - ta 1 ) 1 + ^b2hf

2 (ha 2 -ta1 )ta1 |ha1 + ^^ j + f^ hf

+ -

f

\

1 + t +--—

a1 a1 2

|_1/

btf +(ha1 - tf ) +(2 + 2ta1 )ta1 + 2 (ha2 - t^ ) ta1 + -£-b2hf

(6)

Здесь в наиболее удаленных от нейтральной оси волокнах возникают наибольшие напряжения, которые по условию прочности не должны превышать расчетных значений:

MEdZa. < „ f

— УМ0J yd '

Jn

Ec

E„

С = —— С

c max пр max

Ec MEd Zc < f

E„ Jn~ Jcd'

(7)

(8)

M;

Ed

fc

cd

У M 0fy

yd

J,

пр

(EjEa )

(9)

Размеры отдельных элементов, составляющих сечение, должны находиться из условия постоянства соотношения расстояний до крайних волокон бетона и стали от нейтральной оси:

za

fc

cd

где уМ0 - коэффициент надежности стали; Здр - момент инерции приведенного сечения.

Чтобы сечение было равнопрочным и, следовательно, оптимальным, условия прочности бетона и стали при одном и том же изгибающем моменте Мы должны выполняться в виде равенств. Отсюда имеем:

(Ес/Еа )уМд/уй

Из рисунка (см. рис. 1, а) видно, что

гс = Иа1 + + а " га . Из (10) и (11) находим

(^ + + ) ( Ес/Еа ) 1м 0 !уй

fcd + (Ec I Ea )УM 0fy

(10)

(11)

(12)

yd

Уравнение для определения оптимальных размеров составного сечения получаем, при© Ю. П. Китов, Г. Л. Ватуля, М. А. Веревичева, С. В. Дериземля, 2016

z

a

a

a

равнивая правые части условия равнопрочно- сти (12) и выражения (6) для нейтральной оси:

bh2 h2 -12

Uff Hai If

-w + ( + 2tai )tai |hail + у )

btf + (ha1 - -f ) + (b2 + 2-a1 ) -a1 + 2 (a 2 - -a1 )-a1 + ~^b2 hf

+

2 (a 2 -a1 ) -a1 I ha1 +

h 2 + - ,

a2 a1

~b2hf

ha1 + -a1 +-

(ha1 + hf + -a1 )(EC/Ea )M ofy

yd

btf + ( - -f ) + (( + 2-a1 )-a1 + 2 (2 - -a1 )-a1 + ^2 hf fcd +(c/Ea ) Ym f

. (13)

Уравнение (13) решаем приближенно отно- возникающий в балке от заданной внешней

сительно размеров бетонной плиты Ь2 и Н^ (см. рис. 1, а). Для этого задаемся номером дву-

нагрузки.

Получив рациональные значения Ь2 и Н^,

таврового сечения [10] и принимаем в качестве находим значение расчетного изгибающего

момента для этого сечения и сравниваем его с

Ь, tf, tw, На1 = Н - tf размеры его элементов.

т /1 „ максимальным для балки. Если эти моменты не

Так как уравнение (13) является нелиней-

совпадают, меняем номер двутавра и произво-

ным, можно получить различные сочетания Ь2

2 дим перерасчет. Далее находим объемы мате-

и Нг равнопрочных сечений. Из них необходи- риалов и стоимость погонного метра балки.

мо выбрать то, для которого Мтах = Мш , где Для определения наиб°льшег° изгибающего

момента выразим моменты инерции стальной и М тях - максимальный изгибающий момент, ^ ^

тах бетонной составляющих сечения (см. рис. 1, а):

J = 2

-a1 ((ha 2 -a1 ) 12

3 -a1 (a 2 - -a1 )

hf + -a1

- z„

(b2 + 2ta1 ).

12

(2 + 2-a1 ). -a1 (*.+ ^ - za J -,, ( - f f

12

12

+ -,

' (ha1 - -f )-| Za - -f -

12

h - -

a1 V

(14)

bf 12

-bt<

z„ - -

- + -a1 - Za

где са, сс - стоимости погонного метра стали и . (15) бетона (грн/м3); Ус и Ас - объем погонного метра (м3) и площадь бетонной части попереч-Зная моменты инерции (14Х (15), найдем ного сечения (м2); Уа и Аа - объем погонного

b2 hl

Jc = + b2 hf

момент инерции приведенного сечения Jпр (5) и наибольший изгибающий момент (4).

Стоимость погонного метра балки

Стоимость погонного метра балки определяется по формуле

метра ( м3 ) и площадь стальной части поперечного сечения ( м2 ).

Сравнение различных видов сечений

Произведем сравнительный анализ стоимости погонного метра балок с различными вида-

с = V у с + V • с = ( А у с +Г А • IV с (16) ми комбинированных сечений (двутавр с верх-

а1 а а с с \ а )*а а V с ) с 'VА ^ ^ ^ ^

ней полкой в виде «корыта» с бетонной плитой

a

a

МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛ1ДЖЕННЯ, ПРАКТИКА_

и двутавр с верхней полкой, усиленной бетонной плитой), а также с сечением в виде стального широкополочного двутавра [10].

Рассмотрим двухопорную балку пролетом I = 24 м, загруженную равномерно распределенной нагрузкой q = 1,7 кН/м. Механические характеристики материалов: = 30,5 МПа, Ум 0УуЛ = 200 МПа, Еа = 2 -105 МПа,

Ес = 4 -105 МПа. Стоимости погонного метра стали и бетона са = 18 грн/м3, сс = 2500 грн/м3.

Максимальный расчетный изгибающий момент для такой балки равен:

Мтзх = 2 /8 = 1224 кНм.

Рассмотрим балку с поперечным сечением, соответствующим рисунку (см. рис. 1, а). Отыскиваем номер широкополочного двутавра, для которого расчетный момент Мы несколько меньше Мтзх при условии, что толщина бетонной плиты к у не превышает 6 см. Получаем

двутавр 60Ш3 [10], для которого: Жу = 5273 см3, МЕа =ум 0/уЛу =1054,6 кНм.

Размеры стального профиля без верхней полки примем такими же, как у двутавра 60Ш3: Ь = 32 см, ка1 = к -= 57,05 см, tf = 2,45 см,

tw = 1,8 см, размеры «корыта» принимаем равными: tal = 0,5 см, ка2 = 5 см.

Решая приближенно уравнение (11) относительно ку при значениях Ь2 в некотором диапазоне, например, 50...80 см, подберем сечение, для которого расчетный момент равен максимальному: МЕй = Мтзх . Получаем размеры Ь2 = 57,7 см, ку = 12 см (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики рационального сечения

b2, hf , Za , MEd ,

см см см 4 см кНм

50 16,5 42,0 274160 1305,1

55 13,5 40,3 252701 1253,7

57,7 12,0 39,5 241572 1224,4

60 11,0 38,9 234581 1206,3

65 9,5 38,0 225463 1185,3

Получим для двутаврового сечения, усиленного бетонной плитой (см. рис. 1, б) выражения, аналогичные (11)-(15), для определения положения нейтральной оси и наибольшего расчетного изгибающего момента. Проведем для этого сечения расчеты размеров равнопрочного сечения Ь2,ку, перебирая номера

двутавров до выполнения условия МЕй > Мтзх . В результате получим двутавр 60Ш2, Ь2 = 34 см, ку = 23 см, МЕй = 1234,1 кНм.

В табл. 2 приведены сравнительные результаты, полученные для двух равнопрочных комбинированных сечений с различным усилением и для двутавра 70Ш3, обеспечивающего прочность балки при изгибающем моменте М = М_ (Ж, = 7059 см3). Стоимость погон-

тах ^ у '

ного метра определяется согласно (16).

Таблица 2

Сравнение поперечных сечений

Вид усиления b2, см hf , см MEd , кНм C , грн/м

Усиление в виде «корыта» 57,7 12,0 1224,4 3147,9

Усиление в виде

плиты на верхней 34,0 23,0 1234,1 3292,3

полке двутавра

Двутавр 70Ш3 1411,8 4235,8

Как видно из таблицы (см. табл. 2), наименьшая стоимость имеет место для сечения, усиленного тонкостенным «корытом» с бетонной плитой.

Выводы

Предложены критерий оптимальности и метод выбора рационального поперечного сечения сталежелезобетонной балки. Рациональным считается сечение, обладающее свойством рав-нопрочности.

Показано, что наиболее выгодным с точки зрения стоимости является тавровое стальное сечение с верхней полкой в виде тонкостенного стального «корыта», заполненного бетоном (см. рис. 1, а).

Мости та тунелк теорiя, дослщження, практика, 2016, № 10

МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛ1ДЖЕННЯ, ПРАКТИКА

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Стороженко, Л. I. Сталезалiзобетоннi конструкци [Текст] : навчальний посiбник / Л. I. Стороженко, О. В. Семко, В. Ф. Пенц. - Полтава, 2005. - 181 с.

2. Клименко, Ф. Е. Сталебетонные конструкции с внешним полосовым армированием [Текст] / Ф. Е. Клименко. - Кив : Будiвельник, 1984. -88 с.

3. Ватуля, Г. Л. Расчет и проектирование комбинированных и сталебетонных конструкций [Текст] : дисс. д-ра. техн. наук : 05.23.01 / Ватуля Глеб Леонидович ; Укр. гос. ун-т желез-нодор. трансп. - Харшв, 2015. - 430 с.

4. Стороженко, Л. I. Експериментальш досль дження балок двотаврового перерiзу з верхш-ми зал1зобетонними полицями [Текст] / Л. I. Стороженко, О. I. Лапенко, О. Г. Горб // Зб. наук. праць «Галузеве машинобудування, будiвництво». - Полтава : ПНТУ, 2009. -Вип. 24. - С. 85 - 90.

5. Стороженко, Л. I. Сталезал1зобетонш балки i3 залiзобетонним верхшм поясом [Текст] / Л. I. Стороженко, О. А. Крупченко // Вюник Нацюнального ушверситету «Львiвська поль техшка». - Львiв, 2010. - № 662 : Теорiя i практика будiвництва. - С. 354-360.

6. Jianguo, Nie. Experimental Studies on Shear Strength of Steel-Concrete Composite Beams / Jianguo Nie, Yan Xiao, Lin Chen // Journal of Structural Engineering, 2004. - Vol 130. - № 8. - pp. 1206 - 1214.

7. Vasdravellis, George. Shear Strength and Moment-Shear Interaction in Steel-Concrete Composite Beams / George Vasdravellis, Brian Uy // Journal of Structural Engineering, 2014. -Vol. 140. № 11. - pp. 04014084-1-11.

8. Китов, Ю. П. О целесообразности усиления двутавровых балок путем заполнения межполочных пустот бетоном [Текст] / Ю. П. Китов, М. А. Веревичева, Л. Б. Кравцив // Будiвельнi конструкци. Мiжнародний науково-техшчний збiрник «Науково-техшчш проблеми сучасно-го залiзобетону». Зб. наук. праць. - 2011. -Вип. 74. - С. 318 - 325.

9. Тимошенко, С. П. Механика материалов [Текст] / С. П. Тимошенко, Дж. Гере - Москва : Мир, 1976. - 564 с.

10. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент [Текст]. - Введ. 1986-01-01. -Москва : Издательство стандартов, 2003. - 5 с.

11. Державш будiвельнi норми Укра!ни. ДБН В.2.6-160:2010. Конструкци будиншв i спо-руд. Сталезалiзобетоннi конструкци. Основш положення [Текст]. - Надано чинносп 201111-01. - Ки!в : Мшрепонбуд Укра!ни, 2010. -55 с.

12. Голоднов, К. О. Несуча здатшсть сталебетон-них балок при небагаторазово повторних i знакозмiнних режимах навантаження [Текст] : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.23.01 / Го-лоднов Костянтин Олександрович ; Держав-ний науково-дослщний шститут будiвельних конструкцш. - Ки!в, 2015. - 20 с.

13. Лапенко, О. I. Залiзобетоннi конструкци з ро-бочим армуванням незнiмною опалубкою [Текст] : монографiя / О. I. Лапенко. - Полтава : ТОВ «АСМЬ, 2009. - 328 с.

14. Weiwei Lin. Experimental and Numerical Study on Mechanical Behavior of Composite Girders under Hogging Moment / Weiwei Lin, Teruhiko Yoda // Advanced Steel Construction - 2013 Vol. 9, No. 4, pp. 309-333.

Ю. П. К1ТОВ1, Г. Л. ВАТУЛЯ2, М. А. ВЕРЕВ1ЧЕВА3, С. В. ДЕРИЗЕМЛЯ4*

1 Кафедра «Будшельна механжа 1 пдравлжа», Украшський державний утверситет зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха 7, Харюв, Украша, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, ел. пошта budmekh@ukr.net

2 Кафедра «Будшельна механжа 1 пдравлжа», Украшський державний ун1верситет зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха 7, Харюв, Украша, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, ел. пошта vatulya@kart.edu.ua, (ЖСГО 0000-0002-3823-7201

3 Кафедра «Будшельна механжа 1 пдравлжа», Украшський державний утверситет зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха 7, Харюв, Украша, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, ел. пошта budmekh@ukr.net

4* Кафедра «Будшельна механжа 1 пдравлжа», Украшський державний ушверситет зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха 7, Харюв, Украша, 61050, тел./факс +38 (057) 730 10 70, ел. пошта s.deryzemlia@kart.edu.ua, ОЯСГО 0000-0001-6556-4454

РАЦЮНАЛ1ЗАЩЯ ПЕРЕР1З1В СТАЛЕЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ БАЛОК

Мета. Метою запропоновано! статп е визначення оптимально! з точки зору вартосп i мiцностi форми i розмiрiв комбiнованого перерiзу з урахуванням характеристик матерiалiв, що мютяться. Методика. Числовi

МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛЩЖЕННЯ, ПРАКТИКА_

дослщження комбiнованих piBHOM^HicHm nepepi3iB, що базуються на властивостях приведених nepepi3iB, складових матеpiалiв i результатах експериментальних даних piзних автоpiв. Результати. На пiдcтавi сортаменту стальних двотавpiв був виконаний розрахунок i пiдбip комбiнованого двотаврового пеpеpiзу, у яко-го верхня полиця замiнена на тонкоcтiнне стальне «корито», заповнене бетоном, i його поpiвняння з двотав-ровим пеpеpiзом, посиленого бетонною плитою. Щоб досягти умову piвномiцноcтi, пiдбиpаютьcя висота i ширина бетонно! плити. Показано, що найбшьш вигiдне з точки зору вартосп е тавровий стальний пеpеpiз з верхньою полицею у виглядi тонкостшного стального «корита» з бетонною плитою. Наукова новизна. У результат виконаних розрахунк1в, на пiдcтавi умови piвномiцноcтi, вибpанi оптимальнi вид i pозмipи сталебетонного пеpеpiзу, що забезпечують найменшу ваpтicть. Практична значимiсть. У наш час cталезалiзобе-тоннi конструкци все чаcтiше використовуються у будiвництвi. Це пов'язано з тим, що вони мають меншу у поpiвняннi з залiзобетоном власну вагу, в також !х сталева частина може виступати у якоcтi незтмно! опалубки. Удосконалення таких конcтpукцiй призводить до пвдвищення мiцнicних характеристик i зниженню ваpтоcтi.

Ключовi слова: сталебетон; наведений пеpеpiз; piвномiцнicний пеpеpiз; cталезалiзобетонна балка; згина-льний момент

YU. P. KITOV1, G. L. VATULIA2, M. A. VEREVICHEVA3, S. V. DERYZEMLIA4*

1 Department of Structural Mechanics and Hydraulics, Ukrainian State University of Railway Transport, 7 Feuerbach square, Kharkiv, Ukraine, 61050, tel/fax +38 (057) 730 10 70, e-mail: budmekh@ukr.net

2 Department of Structural Mechanics and Hydraulics, Ukrainian State University of Railway Transport, 7 Feuerbach square, Kharkiv, Ukraine, 61050, tel/fax +38 (057) 730 10 70, e-mail vatulya@kart.edu.ua, ORCID 0000-0002-3823-7201

3 Department of Structural Mechanics and Hydraulics, Ukrainian State University of Railway Transport, 7 Feuerbach square, Kharkov, Ukraine, 61050, tel/fax +38 (057) 730 10 70, e-mail budmekh@ukr.net

4* Department of Structural Mechanics and Hydraulics, Ukrainian State University of Railway Transport, 7 Feuerbach square, Kharkiv, Ukraine, 61050, tel/fax +38 (057) 730 10 70, e-mail s.deryzemlia@kart.edu.ua, ORCID 0000-0001-6556-4454

RATIONALIZATION OF COMPOSITE BEAM CROSS SECTION

Purpose. Authors describe optimal combine cross section's dimensions and form determination from the cost and strength point of view, taking into account physical-mechanical properties of utilizing materials. Methodology. Numerical investigations of composite uniform strength cross-sections have been provide based on the reduced cross section properties, peculiarities of structural materials and experimental results of various authors. Findings. The calculations and sections analysis done utilizing the double-T iron assortment. The calculation results compared for combine H-beam whose top flange changed on thin-walled steel case filled by concrete and ordinary H-beam strengthened by concrete slab. Its' depth and width choses due to uniform strength conditions. Provided investigations shown the cost advantages of H-beams with top flange changed on concrete filled thin-walled steel case. Originality. Effective costless cross section's dimensions and form peculiarity proved by the results of uniform strength calculations. Practical value. Composite structures are widely used in construction and renovation practice. This helps to decrease the materials consumption value and bridge span dead weight. Thin-walled steel case can be use as retained formwork. Described structures advancing helps to increase their strength properties and simultaneously ensure cost decrease.

Keywords: steel concrete; reduced cross-section; uniform strength cross-section; composite beam; bending moment

REFERENCES

1. Storozhenko L. I., Semko O. V., Pents V. F. Stalezalizobetonni konstruktsii [Composite structures]. Poltava, 2005. 181 p.

2. Klimenko F. Ye. Stalezhelezobetonnye konstruktsii s vneshnim polosovym armirovaniem [Composite structures with external strip reinforcement]. Kyiv, Budivelnyk Publ., 1984. 88 p.

3. Vatulia G. L. Raschet i proektirovanie kombinirovannykh i stalebetonnykh konstruktsiy Dokt. Diss. [Calculation and design of composite and steel-concrete structures. Doct. Diss]. Kharkov, 2015. 430 p.

4. Storozhenko L. I., Lapenko O. I., Horb O. H. Eksperymentalni doslidzhennia balok dvotavrovoho pererizu z verkhnimy zalizobetonnymy polytsiamy [Experimental studies of I-shaped cross section beam with upper concrete flange]. Zbirnyk naukovykh prats Poltavskoho Natsionalnoho Tekhnichnoho Universytetu im. Yuriia

МОСТИ ТА ТУНЕЛ!: ТЕОРIЯ, ДОСЛЩЖЕННЯ, ПРАКТИКА_

Kondratiuka "Haluzeve mashynobuduvannia, budivnytstvo" [Proc. of Poltava National Technical Yuri Kondratiuk University], 2009, issue 24, pp. 85-90.

5. Storozhenko L. I., Krupchenko O. A. Stalezalizobetonni balky iz zalizobetonnym verkhnim poiasom [Composite beams with reinforced concrete upper flange]. Visnyk Natsionalnoho Universytetu "Lvivska politekhnika" Teoriia i praktyka budivnytstva [Proc. of National University Lviv Polytechnic "Theory and practice of building"], 2010, issue 662, pp. 354-360.

6. Jianguo Nie, Yan Xiao, Lin Chen. Experimental Studies on Shear Strength of Steel-Concrete Composite Beams. Journal of Structural Engineering, 2004, Vol 130, issue 8, pp. 1206 - 1214.

7. Vasdravellis G., Brian Uy. Shear Strength and Moment-Shear Interaction in Steel-Concrete Composite Beams. Journal of Structural Engineering, 2014, Vol. 140, issue 11, pp. 04014084-1-11.

8. Kitov YU. P., Verevicheva M. A., Kravtsiv L. B. O tselesoobraznosti usileniia dvutavrovykh balok putem zapolneniia mezhpolochnykh pustot betonom [Expediency of I-beams strengthening by their inter flange hollows concreting]. Budivelni konstructsii. Mizhnarodnyi naukovo-tekhnichnyi zbirnyk "Naukovo-tekhnichni problemy suchasnoho zalizobetonu" [Building Constructions. International Science and Technology journal. "Science and Technology problems of modern reinforced concrete".], 2011, issue 74, pp. 318-325.

9. Timoshenko S. P., Gere Dzh. Mekhanika materialov [Mechanics of materials]. Moscow, Mir Publ., 1976. 564 p.

10. GOST 26020-83. Dvutavry stalnye goriachekatannye sparallelnymi graniami polok. Sortament. [State Standard 26020-83. Hot-rolled steel I-beam with parallel flange edges. Assortment]. Moscow, Standartinform Publ., 2003. 5 p.

11. DSTU V.2.6-160:2010. Konstruktsii budynkiv i sporud. Stalezalizobetonni konstruktsii. Osnovni polozhennia.

[State Standard V.2.6-160:2010. Buildings and constructions structures. Composite structures. Main rules]. Kyiv, Minrehionbud Ukrainy Publ., 2010. 55 p.

12. Holodnov K. O. Nesucha zdatnist stalebetonnykh balok pry nebahatorazovo povtornykh i znakozminnykh rezhymakh navantazhennia. Avtorefetar Diss. [Carrying capacity of steel concrete beams under frequent iterative and sign-variable load conditions. Author's abstract.] Kyiv, 2015. 20 p.

13. Lapenko O. I. Zalizobetonni konstruktsii z robochym armuvanniam neznimnoiu opalobkoiu [Reinforced concrete structures with working reinforcement by retained formwork]. Poltava, ASMI Publ, 2009. 328 p.

14. Weiwei Lin, Teruhiko Yoda Experimental and Numerical Study on Mechanical Behavior of Composite Girders under Hogging Moment. Advanced Steel Construction - 2013 Vol. 9, No. 4, pp. 309-333.

Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. А. А. Плугиным (Украина), д.т.н, проф. Д. О. Банниковым (Украина).

Поступила в редколлегию 26.09.2016. Принята к печати 26.12.2016.