CC BY
43
Технико-экономический расчет металлических, железобетонных и трубобетонных колонн с использованием вычислительных комплексов
Ашраф Аадсан, Дамиан Ортега Тенемаза, А.Ю. Кубасов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: В данной статье рассмотрен расчет по различным методикам и сравнение экономической эффективности применения металлических, железобетонных и трубобетонных колонн при разработке проекта реконструкции производственного корпуса. Произведено технико-экономическое сравнение по следующим показателям: масса стали и бетона; стоимость основных материалов; трудоёмкость и стоимость изготовления. Анализ вариантов расчета строительных конструкций может помочь в выборе способа восстановления эксплуатационной надежности и несущей способности железобетонных сжатых элементов.
Ключевые слова: бетон, трубобетон, несущая способность, двутавр колонный, железобетон, строительные конструкции, арматура, постоянная нагрузка, прочность, эксплуатационная надёжность, деформации.
Эффективность применения строительных конструкций при возведении зданий и сооружений обусловлена расходом материалов, трудозатратами, стоимостью этих конструкций.
Одним из способов рационального сочетания свойств различных строительных материалов при их совместной работе, является использование в качестве несущих конструкций стальных труб, заполненных бетоном (трубобетона) [1].
Исследованию работы сжатых трубобетонных элементов посвятили свои работы отечественные и зарубежные ученые и инженеры: Альперина О.Н., Гвоздев А.А., Гнедовский В.И., Долженко А.А., Лукша Л.К., Людковский И.Г., Кикин А.И., Коврыга С.В., Кришан А.Л., Маилян Д.Р., Маренин А.Ф., Мартиросов Г.М., Матвеев В.Г., Мурашкин Г.В., А. Менаже, Сахаров А.А., Несветаев Г.В., Нестерович А.П., Нурадинов Б.Н., Передерий Г.П., Резван И.В., Ренский А.Б., Росновский В.А., Санжаровский Р.С., Скворцов Н.Ф., Стороженко Л.И., Трулль В.А., Фонов В.М., Шабров В.Л., Шахворостов А.И., Ф. Бойда,Г. Георгиус, Н. Гарднер, В. Годер, С. Дзонг, Р.С. Джонсон, Б. Дзяо, К. Дзю,Х. Дзу, Д.К. Ким, Т. Кибрия, У. Кофер, К. Клопель,
В.С. Лор, Д. Лам, Д. Макклин,Д. Севел, Н. Такео, Р.В. Фурлонг, Д.Ф. Хаджар, Ш.-Х. Цай, Т. Чапмен, С.П. Шнейдер, М. Юхансон, Т. Ямамото и др. В них отмечается эффективность применения трубобетонных колонн, их высокая несущая способность. Значительно повышается прочностьи деформативность бетона, улучшаются его реологические свойства.
Высокая несущая способность трубобетона позволяет приниматьнебольшие размеры поперечного сечения элементов, что является образцом рационального сочетания прочностных характеристик стали и бетона. При бетонировании конструктивных элементов поперечное и продольное армирование бетона обеспечивают стальные трубы, выполняющие роль несъёмной опалубки [2,3].
Применение трубобетонных элементов позволяет сократить сроки строительства, уменьшить размеры поперечного сечения вертикальных несущих элементов зданий и сооружений, а также снизить расход бетона и стали. Снижение ветровых воздействий на здания и сооружения, происходит за счет аэродинамических свойств цилиндрических стержней. При одинаковых расчетных длинах стержни круглого сечения являются равно устойчивыми [4,5,8].
Целью магистерской диссертационной работы является расчет по различным методикам и сравнение экономической эффективности применения металлических, железобетонных и трубобетонных колонн при разработке проекта реконструкции производственного корпуса.
1. Расчет сборной железобетонной колонны (СП 63.13330. 2012.Бетонныеижелезобетонныеконструкции.Основныеположения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003).
Бетон тяжелый, класс В20, рабочая продольная арматура класса А400, поперечная арматура А240.
Усилия от постоянной нагрузки: (п - 1) 01 + 02 + 03 + (п - 1) 04 =
1
(5 - 1) -152, 059 + 140,157 + 16, 302 + (5 - 1) • 7, 759 = 795, 731 кН. Усилия от длительно действующей временной нагрузки на перекрытиях:
(п -1) Р1 = (5-1) • 249, 934 = 999, 736 кН.
Усилие от кратковременной нагрузки на перекрытиях:
(п - 1) Р2 = (5 - 1) • 71, 410 = 285, 640 кН.
Усилие от длительно действующей и кратковременной части снеговой нагрузки:
Р3= Р4=26,779 кН.
Основное сочетание нагрузок (постоянная, длительные, одна кратковременная):
N =795,731+999,736+26,779+285,640=2107,886 кН. Максимальное усилие в колонне N = 2107,886 кН, в том числе длительно действующее:М=795,731+999,736+26,779=1822,246 кН. Гибкость колонны:^ =/0 /И =390 /40 =9,75.
Площадь продольной арматуры находим из условия прочности:
N <фП(Яь А +Я,А),
где ф - коэффициент продольного изгиба.
ф = фь + 2(ф8ъ - фъ)
<р = 0,895 + 2 • (0,904 - 0,895) • — • 0,01 = 0,884 < 0,904.
11,5
_ N / Яь ■ А, А' ^ '
А = Ь х И = 40 х 40 = 1600 см2;
А 2107886/0,884 -11,5 100 1600 14 917 2 1491 7 2
А _-_ 14,917см _ 1491,7 мм .
4 355•100
Принимаем: 4022 А400, Афс1 =1521 мм2.
Поперечная арматура: 06 А240. Шаг хомутов £ = 400 мм.
:
Принимаем колонну 2КБД4.48-4.3.
2. Расчет трубобетонной колонны квадратного сечения [6,7] Принят профиль стальной, гнутый, замкнутый, сварной, квадратный для строительных конструкций200х200х6,5 (ГОСТ 30245—2012).
Расчётный предел текучести стали Яс = 235 МПа; площадь поперечного
2 2 сечения стальной трубы Ас = 48,86 см ; площадь бетонного ядраАб = 349 см ;
ЕЬ =27 104 МПа; Ес = 2,1105 МПа; класс бетона В20; ЯЬ =11,5 МПа.
N = Я ■ А„
г Е А Л 1 + ЕЬ ■ А
V Ес Ас у
к = 1 + Е, ■ А;
Ь ЕА/
N = кь ■ Яс ■ Ас; N = 235 ■ 10-4 ■ 48,86 ■
, 2,7 ■ 104 349 1 + —
2,1 -105 48,86у
= 2,19 МН = 2190 кН.
3. Экспертиза колонны
Расчет выполнен программой «АРБАТ» [9].
Таблица № 1
Заданное армирование
Арматура Сечение
51 - 2028, 52 - 2028. Поперечная арматура вдоль оси 2: 2506, шаг поперечной арматуры 150 мм. Поперечная арматура вдоль оси У: 2506, шаг поперечной арматуры 150 мм.
Бетон тяжелый В25. Плотность бетона 2,5 Т/м3. Арматура А500, А240.
Влажность воздуха окружающей среды - 40-75%.Сечение: Ьх к = 400 х
400 мм; а1 = 4,5 мм; а2 = 4,5 мм.
Таблица № 2
Результаты расчета
Участок Коэффициент использования Проверка Проверено по СНиП
1 0,696 Прочность по предельной продольной силе сечения п. 8.1.18
0,764 Прочность по предельному моменту сечения п.п. 8.1.8-8.1.14
0,546 Деформации в сжатом бетоне пп. 8.1.20-8.1.30
0,095 Продольная сила при учете прогиба при гибкости:£0//>14 пп. 8.1.15, 7.1.11
0,225 Предельная гибкость в плоскости ХоУ п. 10.2.2
0,225 Предельная гибкость в плоскости Хо2 п. 10.2.2
4. Расчет стойки (СП 266.1325800.2016Конструкции
1
сталежелезобетонные. Правила проектирования - М.:Минрегион России, 2016). Расчет выполнен программой «Кристалл» [9]. Сталь: С345, категория 3.
Коэффициент надежности по ответственности 1,15. Коэффициент условий работы 1.
400
±
1
16
200
Г200
Рис. 1. - Сечение элемента
Таблица № 3
Результаты расчёта
Проверено по СНиП Проверка Коэффициент использования
п.5.12 Прочность при действии изгибающего момента Mz 0,045
пп.5.12,5.18 Прочность при действии поперечной силы Qy 0,012
пп.5.24,5.25 Прочность при совместном действии продольной силы и изгибающих моментов без учета пластики 0,573
п.5.3 Устойчивость при сжатии в плоскости XOУ (хои) 0,637
п.5.3 Устойчивость при сжатии в плоскости XOZ (ХОУ) ) 0,546
п.5.27 Устойчивость в плоскости действия момента Mz при внецентренном сжатии 0,637
пп.5.30-5.32 Устойчивость из плоскости действия момента Mz при внецентренном сжатии 0,546
пп.6.15,6.16 Предельная гибкость в плоскости XOУ 0,345
пп.6.15,6.16 Предельная гибкость в плоскости XOZ 0,113
Кристалл (64-бит) - Стоики
Файл Режимы Настройки Сервис Справка
Общие параметры Сечение Усилия Расчетная длина в плоскости ХОУ Расчетная длина в плоскости Х02
Высота стойки [з^-Силовая плоскость
Предельные гибкости
, Сжатые элементы ¡180 - 60а
й
Л
Я+Я Растянутые элементы 1300 Ст С345 категория 3
\
Коэффициент условий работы
Коэффициент надежности по
|ТЛ5
Расчетная схема в плоскости ХОУ
О Отдельно стоящие колонны и стойки
(•) Колоты рам посто5иного сечения
Вид рамы Этажность
(•) свободная <•) одноэтажная
0 несвободная
^ Меню
0 многоэтажная
ответственности □ Неупругая работа сечения не допускается Расчетная схема в плоскости Ю1 0 Отдельно стоящие колонны и стойки (•) Колонны рам постоялого сечения
Вид рамы Этажность
(•) свободная (§) о,а*оэтажная
0 многоэтажная
,ез7
[Устойчивость из плоскости действия момента Му при внеиентренном сжатии
* Выше лить ^ Факторы
0 Отчет Справка
Принимаем колонный двутавр40К1 (ГОСТ 26020-83).
5. Проверка на прочность сечений сталебетонных колонн на основе деформационной модели(СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003)произведена по программе ЭСПРИ 2014 (Электронный справочник инженера) [10].
Принимаем двутавр колонный 20К2 (ГОСТ 26020-83).
Технико-экономический расчет металлических, железобетонных и трубобетонных колонн показывает, что, в сравнении с металлическими, экономия стали в трубобетонных конструкциях составляет до 40 %, а стоимость уменьшается до 1,6 раз; по сравнению с железобетонными масса уменьшается до 70 %.
Литература
1. Резван И.В., Маилян Д.Р., Блягоз А.М. Методика оптимизации сечения центрально-сжатого трубобетонного элемента // Вестник Майкопского государственного технологического университета. - 2011. -№4. - С. 18 - 25.
2. Кришан А. Л., Мельничук А. С. Трубобетонные колонны квадратного сечения // Жилищное строительство. 2012. № 5. С. 19-21.
3. Mailyan, D., Mailyan, L. Ecologically Safe and Techno Economically Efficient Reinforced Concrete Constructions of Equal Resistance// MATEC Web of Conferences, 2016, URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/mat ecconf_tpacee2016_04020.
4. T. Yu; Y.L. Wong; J.G. Teng; S.L. Dong; and E. S.S. Lam. Flexural Behavior of Hybrid FRP-Concrete-Steel Double-Skin Tubular Members // Journal of Composites for Construction, Vol. 10, No.5, October 1, 2006. pp. 443-452.
5. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В. Теория расчёта центрально-сжатых трубобетонных конструкций крепи // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. Выпуск 38. Алчевск - 2012, URL: sbornik.dstu.education/article.php?id=120.
6. Мурадян В. А. Расчет оптимальной величины защитного слоя бетона колонн квадратного сечения // Инженерный вестник Дона, 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1846.
7. К.Ю. Лыжненко, А.Ю. Кубасов, Д.Р. Маилян. К вопросу восстановления экспериментальной надежности железобетонных конструкций // Инженерный вестник Дона, 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4422.
8. Маилян Д.Р., Кубасов А.Ю. К вопросу обеспечения устойчивости арматурных стержней при их предварительном сжатии // Научное обозрение. - 2015. - №10. - С. 173 - 176.
9. SCAD Office: URL: scadsoft.com/.
10. ЛИРА-САПР, ЭСПРИ: URL: liraland.ru/.
References
1. Rezvan I.V., Mailyan D.R., Blyagoz A.M. Vestnik Majkopskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. 2011. №4, pp. 18-25.
2. Krishan A. L., Mel'nichuk A. S. Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2012. № 5, pp.
19-21.
3. Mailyan, D., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences.2016, URL: matec-
conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/mat ecconf_tpacee2016_04020.
4. T. Yu, Y.L. Wong, J.G. Teng, S.L. Dong, and E. S.S. Lam. Journal of Composites for Construction, vol. 10, №.5, October 1. 2006, pp. 443-452.
5. Litvinskij G.G., Fesenko EH.V. Sbornik nauchnyh trudov Donbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Vypusk 38. Alchevsk. 2012, URL: http://sbornik.dstu.education/article.php?id=120.
6. Muradyan V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1846.
7. K.YU. Lyzhnenko, A.YU. Kubasov, D.R. Mailyan. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4422.
8. Mailyan D.R., Kubasov A.YU. Nauchnoe obozrenie. 2015. №10, pp. 173176.
:
9. БСЛБ О£йее: ШЪ: scadsoft.com.
10. ьтЛ-БЛРК БШРМ: ШЬ: liraland.ru.
