CC BY
54
УДК 624.014.2
Ф.С.Замалиев
ФГБОУВПО «КазГАСУ»
ВЫЯВЛЕНИЕ ДОЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИИ СТАЛЬНЫХ БАЛОК-РЕБЕР СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПЕРЕКРЫТИЯ
Приведены результаты экспериментальных исследований сталежелезобе-тонного перекрытия в период возведения. Выявлены закономерности развития напряжений по высоте сечения стальных балок, играющих роль ребер сталеже-лезобетонного перекрытия. Получены данные о характере изменения напряжений и прогибов в стальной балке в период твердения бетона железобетонной полки перекрытия.
Ключевые слова: стальная балка, сталежелезобетонное перекрытие, твердение бетона, напряжения, прогибы.
Опыт проектирования и реставрации, реконструкции архитектурных памятников показывает, что часто возникает необходимость замены существующих деревянных перекрытий в них ввиду ослабления сечения или потери несущей способности конструктивных элементов. К новому перекрытию предъявляют жесткие требования как реставраторы, так и надзорные органы. С позиций реставраторов необходимо сохранить существующие отметки пола и потолков, а с позиций надежности и безопасности нужно обеспечить требуемую прочность, жесткость и пожаробезопасность. Таким требованиям соответствует сталежелезобетонное перекрытие, состоящее из стальных балок и монолитной железобетонной плиты, где совместная работа железобетонной плиты со стальной балкой обеспечивается анкерными связями.
В мостостроении, в отличие от гражданского строительства, такие конструкции достаточно исследованы, имеется опыт их применения [1, 2] и эксплуатации.
Исследованы усадочные напряжения и ползучесть бетона с использованием (для ускорения изготовления) сталежелезобетонных элементов применительно к сборно-монолитным конструкциям [3]. Однако эти исследования не коснулись поведения стальных балок во время изготовления составных конструкций. Видимо, главной целью было изучение поведения сборно-монолитных железобетонных элементов, так как в тот период в институтах Госстроя СССР, а также за рубежом [4], велись обширные исследования, направленные на выявление напряженно-деформированного состояния сборно-монолитного железобетонного элемента, ровно как и за рубежом [4]. В последнее время в связи резким ростом применения сталежелезобетонных конструкций, проводятся многочисленные исследования, направленные на изучение сталежелезо-бетонных конструкций [5].
При проектировании сталежелезобетонных перекрытий используют методы расчета железобетонных конструкций с жестким профилем, либо ведомственные нормативы по сталежелезобетонным конструкциям [6], либо Еврокод, опи-
сывающий проектирование сталежелезобетонных конструкций [7, 8]. В этих документах учтены начальные напряжения в стальной балке на стадии монтажа, но недооценена общая несущая способность перекрытий, в отличие от деформационных методов расчета, основанных на аналитических диаграммах работы материалов, на учете действительного напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов [9, 10]. Однако и деформационные методы расчета не учитывают начальные напряжения и деформации сталежелезобетонных конструкций, возникающие в период возведения перекрытия.
В стальной балке сталежелезобетонного перекрытия в доэксплуатацион-ной стадии возникают напряжения и прогибы сначала от свежеуложенного бетона, опалубки и оборудования, как от монтажной нагрузки. Затем в период твердения бетона в стальной балке, являющейся главным несущим элементом составного сечения, возникает новое напряженно-деформированное состояние. Учет напряжений и прогибов от монтажных нагрузок не вызывает трудностей, расчет стальной балки выполняется по действующим нормам проектирования стальных конструкций. Выявление напряженно-деформированного состояния стальных балок в период твердения бетона на сегодня является неизученной ранее, новой задачей.
Напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонного перекрытия в процессе замоноличивания плитной части экспериментально исследовано на примере фрагмента перекрытия с размерами в плане 6000*6000 мм.
Изготовление опытного фрагмента сталежелезобетонного перекрытия в одном из цехов комбината крупнопанельного домостроения г. Набережные Челны производилось в следующем порядке. Сначала на железобетонные фундаментные блоки, играющие роль опор, укладывали стальные балки из прокатных двутавров № 20 из стали С 245 с шагом 1200 мм; потом установили опалубку под будущую плиту высотой 80 мм; затем уложили сеточную арматуру из проволоки 5 В500 с шагом стержней 100 мм по схеме армирования, принятой для неразрезных железобетонных плит, с расположением арматурной сетки в зонах действия максимальных пролетных и опорных изгибающих моментов. Для обеспечения совместной работы стальных балок и будущей железобетонной плиты к верхнему поясу двутавров приваривали два ряда анкерных стержней диаметром 10 мм А400 с шагом 150 мм в середине пролета, 100 мм — по концам балок (рис. 1, а).
а б
Рис. 1. Анкерные стержни стальной балки, раскладка арматурных сеток для железобетонной полки (а) и верхняя полка стальной балки с электротензодатчиками (б)
Эксперимент (во время бетонирования и твердения бетона) должен был решить следующие задачи:
исследовать деформации, напряжения в сечениях по всей высоте балки (в стенках, в нижней и верхней полках балки);
определить изменения прогибов стальной балки.
Для этого в зоне действия максимальных изгибающих моментов на верхнюю (см. рис. 1, б), нижнюю полки и по высоте стенки стальной балки наклеивались электротензорезисторы с базой 20 мм (рис. 2, а). Для контроля деформаций, получаемых от электротензорезисторов, по нижнему поясу балки измерения дублировались с помощью механического прибора на основе индикатора часового типа (рис. 2, б). Для мониторинга прогибов стальных балок устанавливались под каждой балкой стойки с измерительной шкалой.
Рис. 2. Измерение деформаций электротензодатчиками по высоте сечения балки (а) и индикатором часового типа по нижнему поясу балки (б)
После выполнения всех подготовительных работ были сняты «нулевые» показатели. Заливка монолитного бетона выполнялась при температуре в цехе +26 °С без рывков с подачей его через рукава бетононасоса. Попутно для определения расчетных характеристик бетона забивались стандартные кубы 100^100x100 мм; применялся бетон класса В22,5. Уплотнение бетона производилось глубинным вибратором. Выравнивание и уход за бетоном в период твердения производились по общеизвестной технологии, принятой для цехов железобетонных конструкций.
Показания приборов снимались через каждый час от «0» до момента стабилизации деформаций. За условный «0» принято время завершения формования плиты перекрытия. В начальное время свежеуложенный бетон плиты перекрытия создавал нагрузку на стальные балки, но с течением времени бетон приобретал прочность по мере силикатизации цементного теста. С приобретением бетоном прочности формировалось композитное сталежелезобетон-ное сечение, состоящие из стальной балки и железобетонной плиты. Основной задачей эксперимента было выявление влияния процесса образования стале-железобетонного сечения на общее напряженно-деформированное состояние стальной балки. Поэтому показания приборов снимались каждый час, начиная с условного «0». Были сняты показания, построены графики изменения прогибов балок, относительных деформаций в разных точках нормального сечения стальных балок.
Анализ изменения прогибов (рис. 3) показывает, что с «0» до 6...7 ч в период твердения бетона происходит уменьшение прогибов, что можно объяс-
нить образованием композитного сечения и увеличением изгибной жесткости сечения по сравнению со стальной балкой; в дальнейшем прогибы стабилизировались (рис. 3).
Рис. 3. График изменения прогибов в средней балке
На рис. 4 приведена диаграмма изменения относительных деформаций на стенке в уровне нейтральной оси стальной балки. Анализ диаграммы показывает, что до 3...4 ч происходит медленное наращивание деформаций (теоретически на уровне нейтральной оси сечения по высоте балки деформации не должны меняться). После 4.5 ч идет резкое наращивание деформаций балки (в 3—4 раза), что можно объяснить образованием сталежелезобетонного сечения и подъемом нейтральной оси балки, работавшей как стальная конструкция, на новый уровень, соответствующей нейтральной оси составного сталежелезобетонного изгибаемого элемента.
Рис. 4. График изменения напряжений на уровне нейтральной оси стальной балки
На рис. 5 приведена диаграмма изменения напряжений в верхнем поясе стальной балки, что показывает интенсивный рост напряжений в крайних фибрах верхнего пояса балки. Через 14.15 ч с начала твердения бетона напряжения в верхнем поясе балки уменьшается в 5 раз, что подтверждает образование нового сечения изгибаемого элемента с увеличенными жесткостными характеристиками. Увеличение напряжений в нейтральной оси стальной балки начинается после 3 ч с момента начала твердения, а после 5.6 ч стабилизируется и далее не увеличивается. Интенсивный рост значений напряжений в начальный период можно объяснить также образованием сталежелезобетонного сечения и подъемом нейтральной оси сечения стальной балки на новую отметку — на отметку нейтральной оси составного сечения.
250
100 50 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Время, ч
Рис. 5. Диаграмма изменения напряжений в верхнем поясе стальной балки
Заключение. Исследованиями установлено:
в период твердения бетона происходит обратный выгиб стальной балки сталежелезобетонного перекрытия;
меняются деформации и напряжения по всей высоте сечения стальной балки.
Для учета в практических расчетах экспериментально выявленных деформаций и напряжений в стальной балке в период твердения бетона требуются дальнейшие экспериментально-теоретические исследования.
Библиографический список
1. Стрелецкий Н.Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Транспорт, 1981. 360 с.
2. Гибшман Е.Е. Теория и расчет предварительно напряженных железобетонных мостов с учетом длительных деформаций. М. : Транспорт, 1966. 336 с.
3. Голышев А.Б., Полищук В.П., Колпаков Ю.А. Расчет сборно-монолитных конструкций с учетом фактора времени. Киев : Будивильник, 1969. 220 с.
4. Sattler K. Composite construction in theory and practice. "The structural engineer", 1961, Vol. 39. № 4. P. 163.
5. Bresler Boris. Reinforced concrete engineering. Vol. 1. Materials, structural Elements, Safety. Copyringht 1974, By Tohu Wiley Zo Sons. рр. 236—241.
6. Перекрытия сталежелезобетонные с монолитной плитой СТО 0047. 2005. М. : ЗАО ЦНИИПСК им. Мельникова, 2005. 43 с.
7. EN 1992-1-1:Eurocode 2: Design of Concrede Structures — Parf 1.1.: General Rules and Rules for buildings. CEN. 2007. P. 224.
8. Алмазов В.О. Проблемы использования Еврокодов в России // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 7. C. 36—38.
9. Мирсаяпов И.Т., Замалиев Ф.С., Шаймарданов Р.И. Оценка прочности нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при однократном статическом нагружении // РААСН, НГАСУ : сб. ст. Н. Новгород, 2001. С. 247—250.
10. Замалиев Ф.С., Мирсаяпов И.Т. Расчет прочности сталежелезобетонных изгибаемых конструкций на основе аналитических диаграмм // Разработка и исследование металлических и деревянных конструкций : Сб. науч. тр. Казань : КГАСА, 1999. С. 142—149.
Поступила в редакцию в мае 2013 г.
Об авторе: Замалиев Фарит Сахапович — кандидат технических наук, доцент кафедры металлических конструкций и испытания сооружений, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «КазГАСУ»), 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, 8(843) 510-47-09, em_z@mail.ru.
Для цитирования: Замалиев Ф.С. Выявление доэксплуатационных напряжений и деформации стальных балок-ребер сталежелезобетонного перекрытия // Вестник МГСУ 2013. № 7. С. 33—39.
F.S. Zamaliev
IDENTIFICATION OF PRE-OPERATION STRESSES AND DEFORMATION OF STEEL BEAMS-RIBS OF COMPOSITE FLOORS
Steel rib-reinforced beams are frequently used in the reconstruction of architectural monuments as a replacement for timber slabs. Insufficient amount of information about the stress-strain state of composite steel and concrete slabs limits their use in the domestic construction practice. The author describes the composition and geometric parameters of the structural solution. The author provides illustrations representing the reinforcement slab and anchors needed to track the behavior of composite concrete floors, the photographs featuring the voltage sensors attached to the shelves and the wall of a steel beam, the instrument used to measure the relative strain in the bottom of the beam. The technique employed by the author is used to track the dynamics of strains in the fiber discs, steel beams, and development of deflections. The author also describes the nature of stress on the top of the beam section. The experimental research has confirmed the assumption that the concrete setting time influences the stress-strain state of the steel beams as the basic elements of composite load-bearing floors. The author also provides the findings of the pilot studies.
Key words: steel beam, steel reinforced concrete slab, concrete setting, stress, deflection.
References
1. Streletskiy N.N. Stalezhelezobetonnye proletnye stroeniya mostov [Composite Steel and Reinforced Concrete Span Structures of Bridges]. Moscow, Transport Publ., 1981, 360 p.
2. Gibshman E.E. Teoriya i raschet predvaritel'no napryazhennykh zhelezobetonnykh mostov s uchetom dlitel'nykh deformatsiy [Theory and Analysis of Pre-stressed Reinforced Concrete Bridges with Account for Long-term Deformations]. Moscow, Transport Publ., 1966., 366 р.
3. Golyshev A.B., Polishchuk V.P., Kolpakov Yu.A. Raschet sborno-monolitnykh kon-struktsiy s uchetom faktora vremeni [Analysis of Prefab Monolithic Structures with Account for the Time Factor]. Kiev, Budivilnik Publ., 1969, 220 p.
4. Sattler K. Composite Construction in Theory and Practice. The Structural Engineer, 1961, vol. 39, no. 4, p. 163.
5. Bresler, Boris. Reinforced Concrete Engineering. Materials, Structural Elements, Safety. Vol. 1, Tohu Wiley and Sons, pp. 236—241.
6. Perekrytiya stalezhelezobetonnye s monolitnoy plitoy STO 0047 [Reinforced Concrete Floor with a Monolithic Slab. Standards of Organizations 0047]. Moscow, TsNIIPSK, 2005, 43 p.
7. EN 1992-1-1: Eurocode 2: Design of Concrete Structures — Part 1.1. General Rules and Rules for Buildings. CEN, 2007, 224 p.
8. Almazov V.O. Problemy ispol'zovaniya Evrokodov v Rossii [Problems of Application of the Eurocodes in Russia]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 36—38.
9. Mirsayapov I.T., Zamaliev F.S., Shaymardanov R.I. Otsenka prochnosti normal'nykh secheniy stalezhelezobetonnykh izgibaemykh elementov pri odnokratnom staticheskom nagruzhenii [Assessment of Strength of Regular Sections of Composite Steel and Reinforced Concrete Elements in Bending If Exposed to Single-time Static Loading]. Sbornik statey RAASN [Collected Works of the Russian Academy of Architecture and Civil Engineering]. Nizhny Novgorod, NGASU Publ., 2001, pp. 247—250.
10. Zamaliev F.S., Mirsayapov I.T. Raschet prochnosti stalezhelezobetonnykh izgibaemykh konstruktsiy na osnove analiticheskikh diagram [Strength Analysis of Composite Steel and Reinforced Concrete Structures in Bending on the Basis of Analytical Diagrams]. Raz-rabotka i issledovanie metallicheskikh i derevyannykh konstruktsiy. Sbornik nauchnykh trudov [Development of and Research into Metal and Timber Structures. Collection of Research Papers]. Kazan, KGASA Publ., 1999, pp. 142—149.
About the author: Zamaliev Farit Sakhapovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Metal Constructions and Testing of Structures, Kazan State University of Architecture and Civil Engineering (KazGASU), 1 Zelenaya St., Kazan, 420043, Russian Federation; em_z@mail.ru; +7 (843) 510-47-09.
For citation: Zamaliev F.S. Vyyavlenie doekspluatatsionnykh napryazheniy i deformat-sii stal''nykh balok-reber stalezhelezobetonnogo perekrytiya [Identification of Pre-operation Stresses and Deformation of Steel Beams-Ribs of Composite Floors]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 7, pp. 33—39.
