Металеві конструкції

БЕТОН І АРМАТУРА СТАЛЕБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

Основним матеріалом сталебетонних конструкцій є бетон, стержнева, листова та профільована сталь. Сталебетонні конструкції стають більш економічними завдяки застосуванню високоміц­них бетонів, сталей та підвищенню коефіцієнта армування. Стержнева арматура застосовується в сталебетонних балках і плитах у вигляді вер­тикальних поперечних стержнів, монтажної та поздовжньої робочої арматури каркасів і сіток.

Стрічкову листову сталь вуглецеву звичайної якості та низьколеговану з межею міцності 290... 400 МПа можна рекомендувати для звичайних ненапружених сталебетонних конструкцій.

Низьколеговані термічно підсилені сталі висо­кої міцності з межею текучості 500...900 МПа ре­комендують для попередньо напружених стале­бетонних конструкцій з напруженою стрічковою арматурою.

За спеціальними замовленнями випускають надміцні сталі, які мають межу текучості 1300... 1800 МПа.

Правильний підбір сталі дає змогу забезпечити належну надійність, довговічність і економічність сталебетонних конструкцій.

Для ненапружених звичайних сталебетонних конструкцій найчастіше застосовують вуглецеву сталь звичайної міцності за ГОСТ 27772-81*. Сталь марок 09Г2, 09Г2С, 14Г2, 15ХСНД і 10ХСНД за ГОСТ 10281-73 і ГОСТ 19282-73, що застосо­вується в сталевих конструкціях, може викорис­товуватися як стрічкова, листова арматура ста­лебетонних конструкцій.

Завдяки термічній обробці підвищують харак­теристики міцності сталей 09Г2, 14Г2, 10Г2С1, збільшують мінімальну межу міцності до 400 МПа, а тимчасовий опір сталі розриву — до 550 МПа.

Сталі марок 17ХГ2САФ і 17ХГ2САФР засто­совують для попередньо напружених конструк­цій; сталі високої міцності з гарантійною межею текучості 600...750 МПа (марки 12Г2СМФ,
14ГСМФР і 15ХГ2СФР) — для попередньо на­пружених сталебетонних конструкцій із напру­женою стрічковою арматурою.

Стрічкова листова арматура періодич­ного профілю.

Під час роботи сталебетонних балкових кон­струкцій на згин виникають значні сили зсуву по площині з'єднання стрічкової арматури та бе­тону вздовж балки. Сили склеювання і тертя, які існують між бетоном і гладкою поверхнею стріч­кової арматури, незначні, тому монолітність ста­лебетонного перерізу забезпечується здебільшого за рахунок різних з'єднань (анкерів, упорів), роз­міщених по довжині і в торцях стрічкової арма­тури.

Монолітність перерізу балки на всіх етапах га­рантована, проте у місцях встановлення анке­рів — поперечних вертикальних стержнях кар­касу — виникає небажана концентрація напру­ження. Це зумовлює появу та розвиток перших тріщин у цих місцях, а подекуди відшарування стрічкової арматури в розтягненій і втрату стій­кості в стисненій зонах.

Надійне та однорідне з'єднання зовнішньої стрічкової арматури з бетоном вздовж контакту отримують шляхом однобічного рифлення гладкої поверхні стрічкової сталі під час її прокатування (рис. 10.5).

Як і стержнева арматура періодичного профі­лю, стрічкова арматура характеризується кутом нахилу рифів до поздовжньої осі стрічки ф, ви­сотою виступу h, кроком і та їх відношенням h/t.

Для визначення раціонального значення кута ф припускають, що виступи нескінченно малі і їх деформації під дією зовнішніх сил дорівнюють деформаціям стрічкової арматури.

Насправді деформації виступу Ев змінюються від його розмірів, товщини стрічкової арматури та інших особливостей.

Внаслідок досліджень деформацій стрічкової арматури періодичного профілю одержано фор­мулу, за якою знаходять напруження у виступі Св, знаючи деформації стрічкової арматури Еп і кут ф

Св = Е„ [V( 1 + EBf сos 2Ф + (1 - рЕл)2 sin 2ф - 1]

(10.12)

Використовуючи це рівняння, будують графік залежності напруження ов від кута ф та вияв­ляють раціональний кут нахилу виступів в діа­пазоні від 45 до 30°. При таких значеннях виступи несуть навантаження спільно зі стрічковою ар­матурою, при цьому напруження у виступі ста­новить св = (0,4 - 0,8); ал — напруження в стріч­ковій арматурі періодичного профілю.

Важливим фактором для стрічкової арматури періодичного профілю є межа зміни відношення

Її визначають з умови несучої здатності вис­тупу та бетону при роботі на зріз та зминання. Оптимальний діапазон зміни h/t становить 0,155—0,200.

Значення розмірів виступів: висота h стано­вить не більше (0,1—0,2) • 8Л товщини стрічкової арматури, а ширина b = (0,75—l,0)h.

Розроблено декілька варіантів поперечних пе­рерізів стрічкової арматури періодичного профі­лю і виконано дослідження сталебетонних зразків на зсув на спеціальному стенді (див. рис. 10.5, 10.6).

Дослідні зразки — елементи прямокутного пе­рерізу 240x120 мм, довжиною 650 мм. Конструкція стенду для випробування при дії зовнішньої сили, утвореної домкратом, не тільки зсувала бетонний зразок відносно зовнішньої арматури, але й зу­мовлювала розтяг арматури періодичного профі­лю, наближуючи її роботу до роботи арматури балкових елементів.

Згідно з дослідженнями, зовнішня стрічкова арматура періодичного профілю має не тільки однорідне надійне зчеплення з бетоном по дов­жині контакту, але й збільшує момент тріщино - утворення в 1,5 раза і більше порівняно з балками з гладкою стрічковою арматурою. Розроблену та запатентовану стрічкову арматуру періодичного профілю виготовляли методом прокатування на стані 550 в Українському інституті металургії у Харкові.

Надалі всі дослідження звичайних та поперед­ньо напружених сталебетонних балок виконували зі застосуванням зовнішньої арматури періодич­ного профілю, що й послужило підставою для ре­комендацій практичного застосування її в будів­ництві.

Зварювання конструкцій зі сталей можна ви­конувати вручну покритими електродами, авто­матами, напівавтоматами під шаром флюсу, на­півавтоматами в середовищі вуглекислого газу. У кожному конкретному випадку пропонується під­бирати відповідні зварні матеріали залежно від застосування марок сталей.

10.2 СТАЛЕБЕТОННІ БАЛКОВІ КОНСТРУКЦІЇ

10.2.1 РОЗРАХУНОК СТАЛЕБЕТОННИХ ПЛИТ ТА ЇХ КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ

Сталебетонні плити залежно від зовнішнього ар­мування поділяють на плити з гладкою листовою сталлю товщиною 4, 6, 8, 10 мм і плити з профі­льованим сталевим настилом.

Сьогодні плити зі зовнішньою сталевою профі­льованою арматурою особливо поширені. Основ­ною робочою арматурою в них є профільований настил, сталеві гофровані профілі марки А80-074- 1,0, Н60-845-1,0 (додатки 10, 11).

Листи виготовляють зі сталі марки ВСтЗкп і алюмінієвих сплавів АМг2п. У будівництві засто­совують конструкцію настилу з анкерними ри­фами заводського виготовлення, призначену для армування монолітних перекрить. Основні кон­структивні розміри цього профільного настилу відповідають габаритам серійного профілю марки Н80-674-1Д

Профільована листова арматура є жорсткою, укладається на сталеві прогони і одночасно ви­користовується як риштування та опалубка. Для захисту від корозії під час виготовлення профілі цинкують або покривають полімерами. Після ви­конання перекриття зовнішню листову арматуру додатково захищають від корозії і вогню методом набризку або за допомогою вогнезахисного екрану.

Армування монолітних плит може бути зов­нішнє або змішане. При змішаному армуванні за­стосовують зовнішній профільований настил і
внутрішню арматуру у вигляді стержнів або дроту. В багатопролітних плитах на опорних пере­різах для сприйняття від'ємних згинальних мо­ментів встановлюють внутрішню арматуру, в про­льотах — зовнішню або змішану.

Розрізняють дві стадії роботи конструкцій з профільованими настилами: виготовлення (стале­вий профільований настил використовують у пе­рекритті до затвердіння бетону як самостійну не­сучу конструкцію); експлуатація (сталевий про­фільований настил у вигляді зовнішньої арматури працює разом зі затверділим бетоном у сталебе­тонному перекритті).

З'єднання (анкерування зовнішньої армату­ри) — профільованого настилу з бетоном по дов­жині контакту має бути забезпеченим. Для будь - якої конструкції плити передбачають анкери на опорах, за допомогою яких профільований настил приварюють до сталевого прогону. Залежно від способу з'єднання листової арматури з бетоном розрізняють такі конструктивні рішення стале­бетонних плит перекриття:

Вм'ятини, видавлені під час штампування на похилій поверхні ребер профільованого настилу, забезпечують з'єднання з бетоном по довжині прольоту; анкери у вигляді дюбелів ставлять тіль­ки на опорах; в багатопролітних плитах над опо­рами передбачена внутрішня арматура у вигляді сіток, каркасів;

У профільованому настилі без вм'ятин або ри­фів на похилій поверхні з'єднання зовнішньої ар­матури (профільного настилу) з бетоном отриму­ють внаслідок приварювання до настилу в про­льотах поперечних арматурних стержнів, на опо­рах — встановленням гнучких або жорстких анкерів;

При встановленні анкерів на опорах моноліт­ність плити забезпечують у прольотах завдяки адгезії цементного гелю і тертю по поверхні кон­такту сталевого листа та бетону.

Конструкції опорних анкерів і формули для визначення зсувних зусиль подані в табл. 10.1.

Стержневі анкери доцільно проектувати з арма­тури класів А-І, А-ІІ, А-ІІІ.

У всіх багатопролітних нерозрізних плитах надопорну арматуру доцільно призначати з дроту у вигляді сіток при висоті h„ < = 150 мм, при ha > 150 мм виконують каркаси зі стержнів. На - допорна арматура плит має бути заведена за грань опори не менше ніж на 1/4 прольоту плити. Товщину плит перекрить призначають з таким розрахунком, щоб над верхньою поличкою про­фільного настилу висота бетону була не менше ЗО мм.

Розраховують сталеву плиту з профільованою листовою арматурою під час виготовлення та екс­плуатації залежно від прийнятого конструктив­ного рішення.

Розрахунок конструкції в стадії виготовлення зводиться до розрахунку профільованого настилу як сталевого згинаного елемента за схемою одно- пролітної або багатопролітної балки. Основними навантаженнями при цьому є власна маса ста­левого настилу, маса робітників із інструментами та підручним матеріалом, і маса щойно укладе­ного бетону.

Розрахунок виконують за несучою здатністю та деформативністю. Під час розрахунку настилу за несучою здатністю коефіцієнт надійності щодо навантаження приймають залежно від технології виготовлення конструкцій.

У стадії експлуатації передбачений розраху­нок конструкції, як залізобетонної зі зовнішньою профільованою арматурою монолітного перерізу.

Розрахунок сталебетонної плити зі зовніш­ньою профільованою арматурою виконують також за міцністю з'єднання листової арматури з бетоном (граничний стан першої групи).

Розрахунок за деформативністю (граничний стан другої групи) передбачає визначення про­гинів плити та порівняння їх з граничними для даного перекриття.

Сталебетонна плита зі зовнішньою профільо­ваною арматурою в поперечному перерізі пред­ставляє собою ребристу балкову конструкцію, розрахунок якої можна звести до забезпечення міцності поодинокого ребра таврового перерізу.

Розрахунок таврового перерізу залежить від розміщення нейтральної осі по висоті перерізу, яка й визначає межу стисненої зони (рис. 10.7).

Нейтральна вісь може бути розміщена в межах полички таврового перерізу або у ребрі.

Надалі сталебетонну плиту зі зовнішньою про­фільованою арматурою розраховують за методи­кою таврових залізобетонних балок як за нор­мальними, так і за похилими перерізами.

Розраховуючи міцність з'єднань стрічкової ар­матури з бетоном, сумарну силу зсуву в анкерах визначають за рівнянням

ТІ = Nj,(i+1) - N^, (10.13)

Де Л^л(г+1) і Nni — нормальні зусилля в стрічковій арматурі на межі ділянок, які розглядають.

Коли анкери містяться тільки за межею опори, доцільно проектувати опорні анкери так, щоб вони сприймали і передавали на бетон повне розра­хункове зусилля в стрічковій арматурі:

АГЛ = КЛАЛ. (10.14)

Міцність з'єднання, зумовлену анкерами, мож­на записати у вигляді

Nji < Ки - (Ю.15)

Сумарна сила зсуву, що сприймається опор­ними анкерами по ширині плити,

Кп = «ай ■ Та, (10.16)

Де 7іан — кількість анкерів за гранню опор, Та — розрахункова сила зсуву, що припадає на один анкер (див. табл. 10.1).

Під час встановлення анкерів у прольоті плити необхідну їх кількість визначають за рівнянням

«2? = - NZ (10.17)

У профільованих настилах, які мають на біч­них поверхнях ребер вм'ятини та виступи (рифи) для збільшення зчеплення арматури з бетоном, сумарна сила зсуву в опорних анкерах

К" = АГл - NZ (10.18)

А сумарна сила зсуву, що сприймається всіма пролітними вм'ятинами (рифами) по довжині і/2 і повній ширині плити

АС = npmaRpA6, (10.19)

Де пр — загальна кількість рифів, розміщених на половині прольоту, та — коефіцієнт умови ро­боти, що дорівнює 0,6; Аб — площа зрізу бетону в межах одного рифа.