2291

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Рис. 12. Изополя напряжений τху при пролете среза а=2,5h01

Рассмотренное распределение напряжений в опорной части балки с подрезкой при наличии условных грузовых и опорных площадок позволяет оценить сопротивление бетона в короткой консоли при изменении пролета среза между физическими опорной и грузовой площадками.

Жесткие узлы сопряжения сосредоточенной поперечной арматуры с продольной арматурой балки являются условными грузовыми и опорными площадками.

Верхняя условная площадка служит опорой короткой консоли, нижняя – опорой ригеля. Между условными площадками концентрируются растягивающие нормальные напряжения σу, в направлении которых происходит резкое возмущение касательных напряжений τху.

Основное влияние на сопротивление бетона консольных опор балок с подрезкой оказывают главные сжимающие напряжения, действующие в наклонной сжатой полосе между опорной и грузовой площадками при пролетах среза а≤1,5h01, и касательные напряжения, действующие по вертикальному сечению короткой консоли вдоль сосредоточенных хомутов независимо от пролета среза.

Вывод

На прочность бетона консольной опоры при малых пролетах среза а≤0,9h0 оказывают влияние главные сжимающие напряжения, при пролетах среза а>0,9h0 – касательные напряжения совместно с нормальными.

Список литературы

1.Баранова, Т.И. Расчетные модели сопротивления срезу сжатых зон железобетонных конструкций / Т.И.Баранова. – Саратов: СГТУ, 2006. – 159 с.

2.Карпенко, С.Н. Об общем подходе к построению прочности железобетонных элементов при действии поперечных сил / С.Н. Карпенко // Бетон и железобетон. – 2007. – №2. – С.21–27.

3.Комаров, В.А. Физический эксперимент консольных опор железобетонных ригелей многоэтажных каркасов / В.А. Комаров, О.В. Болдырева // Материалы VIII Академических чтений РААСН – Международной научно-технической конференции. –

Казань, 2014. – С.122–125.

4.Комаров, В.А. Экспериментальная теория сопротивления ригелей с подрезкой: монография / В.А. Комаров. – М.: Спутник+, 2013. – 199 с.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

References

1.Baranova, T.I. Computational models of shear resistance of compressed zones of reinforced concrete structures / T.I. Baranova. – Saratov: SSTU, 2006. – 159 р.

2.Karpenko, S.N. On a General approach to the construction of the strength of reinforced concrete elements under the action of transverse forces / S.N. Karpenko // Concrete and reinforced concrete. – 2007. – No. 2. – P. 21–27

3.Komarov, V.A. Physical experiment of cantilever supports of reinforced concrete crossbars of multi-storey frames / V.A. Komarov, O.V. Boldyreva // Materials of the VIII Academic readings of the RAASN-International scientific and technical conference. – Kazan, 2014. – P. 122–125

4.Komarov, V.A. Experimental theory of resistance of crossbars with pruning: monograph / V.A. Komarov. – M.: Sputnik+, 2013. – 199 р.

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

УДК 624.12.4

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ПОПЕРЕЧНИКА ОДНОЭТАЖНОГО ЗДАНИЯ

КАРКАСНОГО ТИПА

И.С. Гучкин, Н.Н. Ласьков

Рассматривается конструкция поперечника одноэтажного здания каркасного типа. Поперечник состоит из двух замкнутого профиля железобетонных рам, объединенных стропильной балкой. Одна из стоек рамы выполняет функцию колонны, а другая – фахверка и служит для крепления стеновых панелей. Верхний ригель рамы используется как часть стропильной балки, а нижний – как распорная балка. Имея консольный выступ, нижний ригель может воспринимать нагрузку от стеновых панелей. Колонны базируются на фундаменте мелкого заложения глубиной 40…80 см.

Ключевые слова: одноэтажное здание, каркас, железобетонная рама, стропильная балка, колонна, фундамент мелкого заложения

THE DESIGN OF CROSS SECTION STRUCTURES OF ONE

STONEY BULDING OF FRAME TYPE

I.S. Guchkin, N.N. Laskov

The design of the cross-section structures one-story building of frame type is considered. The cross-section consists of two closed profile of reinforced concrete frames united on top by a rafter beam. One of the frame support serves as a column, and the other – half-timbered and serves for fixing wall panels. The upper crossbar of the frame is used as a rafter and the lower crossbar is used as a spacer. With a cantilever protrusion, it can perceive loading from wall panels. The columns are based on a shallow foundation with a depth of 40 ... 80 cm.

Keywords: one-story building, frame, reinforced concrete frame, rafter beam, column, shallow foundation

При строительстве зданий в районах с глубиной промерзания грунта 1,4 м и более значительные материальные средства расходуются на устройство фундаментов под наружные стены.

В разработанной с участием сотрудников кафедры СК ПГУАС конструкции поперечника каркаса производственного здания (рис. 1) фундаменты под наружными стенами отсутствуют, их заменяют консольные выступы рам, на которые опираются стеновые панели. Фундаменты несущих стоек рам размещаются под зданием и располагаются на значительном (3 м и более) расстоянии от наружных стен, т.е. оказываются вне зоны промерзания грунта. Это позволяет использовать фундаменты мелкого заложения (ФМЗ) с глубиной подошвы 40…80 см [1]. В результате экономятся как трудовые, так и строительные ресурсы. Такие фундаменты не требуют

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

большого количества бетона и толстого слоя песка (щебня) для засыпки. Затраты на ФМЗ снижаются в два-три раза.

Рис. 1. Фрагмент здания и конструктивные элементы поперечника

Конструкция поперечника

Поперечник здания, в отличие от традиционного [2], состоит из двух замкнутых железобетонных рам, объединенных поверху стропильной балкой. Рамы цельные, заводского изготовления, состоят из двух стоек и ригелей. Одна из стоек выполняет функцию колонны, а другая – фахверка, служит для крепления стеновых панелей. Верхний ригель рамы используется как стропильная балка, а нижний – как распорная.

Особенностью конструкции поперечника является отсутствие колонн. Стойка рамы, выполняющая функцию колонны, воспринимает нагрузку от покрытия и опирается на отдельный фундамент, где фиксируется анкерным болтом и замоноличивается в стакане. Рабочая арматура верхних ригелей соединяется на сварке с рабочей арматурой стропильной балки, образуя неразрезную конструкцию. Из-за отсутствия под наружными стенами фундамента верхние ригели рам в эксплуатационном режиме работают по схеме консольных балок, нагруженных вертикальной нагрузкой от покрытия и стен. Горизонтальная сила от ветрового напора воспринимается стеновыми панелями и фахверковыми стойками рам. В среднем пролете здания возможна установка кран-балки грузоподъемностью до 3 т. На рис. 1 изображен поперечник каркаса в составе фрагмента здания, включающий поперечные рамы ПР1, стропильную балку СБ12 и фундамент, отличающийся от типового наличием паза и анкерного болта. Здесь же показаны стеновые панели из ячеистого бетона и ребристые плиты покрытия.

Для выявления качественной картины напряженного состояния элементов здания проанализирована совокупность факторов, физических и технологических [3], влияющих на технико-экономические показатели; выполнен статический расчет трехпролетного поперечника здания, состоящего из двух рам ПР-1 замкнутого профиля, объединенных поверху ригелем (стропильной балкой). На рис. 2 приведена расчетная схема поперечника здания (г. Пенза, шаг рам 6 м) и показана огибающая эпюра моментов в его элементах.

Анализ распределения усилий в поперечнике показал, что максимальные изгибающие моменты образуются над опорными стойками и в пролете. Изгибающие моменты в стойках и нижних ригелях рам в целом невелики. При этом наружные стойки рам в основном работают на внецентренное растяжение, а внутренние (опорные) – на внецентренное сжатие. В нижнем ригеле – внецентренное сжатие при действии ветровой нагрузки на стену.

Проблематичной, из-за большого изгибающего момента и, соответственно, большой площади сечения стыкуемых стержней, является зона сопряжения стропильной балки с рамой ПР-1. Однако если в расчете учитывать пластические свойства арматурной стали, то величину момента, а соответственно и площадь сечения рабочей арматуры можно снизить на 30 %. При этом несколько возрастет пролетный момент в

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

стропильной балке, что практически не усложнит ее армирование. Схема распределения усилий и армирование узла рамы в зоне стыка с балкой показаны на рис. 3.

а

б

Рис. 2. Расчетная схема поперечника:

а – схема нагружения; б – огибающая эпюра моментов

Рис. 3. Узел сопряжения рамы ПР-1 и стропильной балки СБ12: а – схема усилий в зоне стыка; б – армирование рамы в зоне стыка

Стропильная балка поперечника решетчатого типа, двускатная, в отличие от типовой выполнена по неразрезной схеме. Имеет рабочую арматуру над опорой и в пролете. Высота сечения на опоре 600 мм, а в середине пролета (при уклоне 1:12) 1100 мм.

Определение координаты расположения опасного расчетного сечения балки в пролете выполняется в следующем порядке:

–задают геометрические параметры балки, классы бетона и арматуры;

–учитывая пластическую деформацию арматуры, снижают (на 30 %) опорный

момент (M1 = 0,7 Mоп), а затем находят координату точки пересечения трансформированной эпюры моментов с осью «X» (рис. 5).

Решают уравнение квадратной параболы

qx22 qlx2 M1 0.

После преобразования ax2 bx c 0, где a q2 ; b ql2 ; c M1 .

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Дискриминант D b2 4ac .

Расстояние от опоры до точки пересечения эпюры моментов с осью «X» (нулевая точка)

Длина участка между нулевыми точками l1 = l – 2х.

При уклоне верхнего пояса балки 1:12 расстояние (х1) от нулевой точки до опасного расчетного сечения находят из уравнения

2х12+2х1 l1 -l1 2 = 0, откуда х1 = 0,37 l1 .

Изгибающий момент в опасном сечении

М2=q х1( l1 -х1)/2.

Расстояние от опоры до опасного сечения

х2=х+х1.

Площадь сечения рабочей арматуры, обычной и предварительно напряженной, расположенной в расчетных сечениях балки, находят по формулам Свода правил [4 ]. Эскиз армирования стропильной балки показан на рис. 6.

Рис. 6. Стропильная балка СБ12. Схема армирования

Новая конструкция поперечника производственного здания в сравнении с традиционной имеет ряд преимуществ. Так, например, при одинаковой ширине здания 18 м расход материалов на конструкцию поперечника шириной 3×2+12 м (вариант 1) и 1×18 м (вариант 2) различен, а именно: в первом варианте по сравнению со вторым

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

расход бетона ниже на 31 %, расход арматуры – на 7,5 % (см. таблицу). Кроме того, в первом варианте за счет применения фундаментов мелкого заложения на 50-60 % сокращается объем земляных работ.

Технические параметры конструкций поперечника здания

Выводы Перспективным направлением дальнейшего совершенствования конструкции

поперечника здания является увеличение крайних пролетов до 4 м, что может быть достигнуто за счет снижения нагрузки, применения облегченного стенового ограждения из трехслойных панелей типа «сэндвич», утепленных пенополиуретаном, и плит покрытия из ячеистого бетона.

Конструкция поперечника здания конкурентоспособна в сравнении с другими известными отечественными и зарубежными аналогами. Максимальный экономический эффект можно получить при строительстве зданий на пылеватых и глинистых грунтах, подверженных морозному пучению.

Список литературы

1.СП 355.1325800.2017. Конструкции каркасные железобетонные сборные одноэтажных зданий производственного назначения. – М.: АО «ЦНИИПромзданий», 2018.

2.Гучкин, И.С. Здание для ремонта сельхозтехники в Поволжском регионе / И.С. Гучкин, И.Г. Бережков // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. – Пенза, 2017. – С. 26–30.

3.Danilov, A. Systems approach to the modeling and synthesis of building materials / A. Danilov, I. Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 8, № 5-8. – Р. 219–225.

4.СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. Свод правил. – М., 2004.

References

1.SP 355.1325800.2017. Prefabricated frame reinforced concrete structures for onestorey buildings for industrial purposes. – M.: JSC «TsNIIPromzdaniy», 2018.

2.Guchkin, I.S. Building for the repair of agricultural machinery in the Volga region / I.S. Guchkin, I.G. Berezhkov. // Effective building structures: theory and practice: Sat. – Penza, 2017. – P. 26–30.

3.Danilov, A. Systems approach to the modeling and synthesis of building materials / A. Danilov, I. Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 8, №. 5–8. – P. 219–225.

4.SP 52-101-2003. Concrete and reinforced concrete structures without prestressing reinforcement: code of rules. – M., 2004.

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

УДК 624.072

ОБЗОР РАБОТ ПО ОПТИМАЛЬНОМУ И РАЦИОНАЛЬНОМУ КОНСТРУИРОВАНИЮ

КОМПОЗИТНЫХ БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ

И.И. Городнов, А.И. Шеин, В.А. Монахов

Приведен обзор работ по оптимизации армирования и конструирования балочных систем. Рассмотрены различные подходы к оптимальному и рациональному проектированию, выявлены достижения и недостатки полученных решений. Определены особенности оптимизации стержневого и распределенного (фибрового) армирования перекрестных балочных систем. Выявлены актуальные проблемы, связанные с оптимизацией перекрестных композитных систем.

Ключевые слова: балки, железобетон, фибробетон, перекрестные системы, арматура, фибра, оптимизация

REVIEW OF THE RESEARCH ON OPTIMAL AND RATIONAL DESIGN OF COMPOSITE MATERIALS BEAM SYSTEMS

I.I. Gorodnov, A.I. Shein, V.A. Monakhov

The article provides an overview of the works on optimization of reinforcement and construction of beam systems. Various approaches to optimal and rational design are considered, achievements and shortcomings of the received solutions are revealed. The features of optimization of rod and distributed (fiber) reinforcement of cross-beam systems are determined. Actual problems related to the optimization of cross-composite systems are identified.

Keywords: beams, reinforced concrete, fiber concrete, cross systems, reinforcement, fiber, optimization

Введение. Перекрестные перекрытия представляют собой системы балок или ферм с параллельными поясами, перекрещивающихся в двух направлениях (рис. 1).

По своей работе такое покрытие приближается к работе сплошной плиты. Конструкции, в которых применены балки, называют перекрестно-ребристыми. Использование перекрестно-ребристых систем зачастую позволяет решить задачу оптимального, рационального и логически обоснованного устройства перекрытий даже при достаточно сложных объемно-планировочных решениях зданий. Системы несущих перекрестных балок можно эффективно использовать для перекрытия целых зданий и сооружений (крупных общественных, спортивных, торговых) либо отдельных помещений при самых разнообразных очертаниях в плане. Перекрестными балкам пере-

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

крывают пролеты до 30 м, однако в одноэтажных облегченных перекрытиях величина пролета может увеличиваться. Балки перекрестной системы можно предусмотреть как в монолитном, так и в сборном варианте, и каждый из них имеет и достоинства, и недостатки.

Рис. 1. Система перекрестных балок

Перекрестные конструкции, имея пространственный характер работы, позволяют снизить общую строительную высоту перекрытия и сократить расход материалов. Пространственный характер работы балок, соединенных между собой в точках пересечения, заключается в том, что нагрузка, приложенная к любой из балок, вызывает деформирование, а следовательно, противодействие этой нагрузке всей системы балок в целом. Наличие несущих пересекающихся элементов позволяет нагрузку на перекрытие передавать на опоры не в одной вертикальной плоскости, как в плоскостных конструкциях, а сразу в двух и даже в трех вертикальных плоскостях. Перекрестные балочные системы часто выполняются из железобетона, но в настоящее время широкое распространение получает такой композитный материал, как фибробетон. Фибробетон – разновидность цементного бетона, в котором в качестве армирующего материала выступают фибры (волокна). Материалом для фибр может служить сталь, стекловолокно, углеволокно, волокна полипропилена, волокна базальта, волокна бора и т.п.

При строительстве и проектировании большую часть армирования (до 80 % от общей массы армирования каркаса) включают в себя перекрытия. В связи с этим актуальной является проблема оптимального проектирования перекрытий зданий и сооружений, и в частности, проблема оптимизации расходов арматуры или фибры. Ведь зачастую перекрытия выполняются значительно переармированными, что ведет к увеличению стоимости конструкции и ее собственного веса.

В связи с этим задачей настоящего исследования является определение современного состояния имеющихся достижений и нерешенных вопросов, проблемы оптимального проектирования балочных (в частности перекрестных балочных) систем.

Современное состояние и степень изученности вопроса. По теме «Системы перекрестных балок из композитных материалов» научные работы и исследования практически отсутствуют. Но по отдельным частям данного вопроса, таким, как «Расчеты систем перекрестных балок», «Конструирование и армирование балок», литература есть, что позволяет в той или иной степени при изучении основного вопроса опираться на предыдущий опыт исследований.

По вопросу расчета систем перекрестных балок стоит выделить несколько научных работ.