ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

В наше время интенсивно развивается строительная наука и техника, разрабатываются новые материалы и технологии. С учетом этих прогрессивных тенденций, существующие строительные конструкции оказались устаревшими, чрезвычайно энергоемкими и требуют много ручного труда. Это вызвало появление принципиально новых конструктивных решений, способных удовлетворить потребности современного строительства. Возникли проблемы их проектирования.

АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПУБЛИКАЦИЙ

Учитывая существующие вызовы, кроме новых материалов, разработаны и нашли применение в строительстве комплексные сталежелезобетонные конструкции нового поколения. Сущность этих прогрессивных конструкций заключается в том, что в них для рациональной совместной работы объединены разнообразные стальные прокатные и гнутые профили и железобетон. При этом полностью учитываются положительные качества, что их имеют как стальные, так и железобетонные конструкции.

Положительные качества сталежелезобетона особенно ярко прослеживаются на примере трубобетона. Оказывается, что разнообразные колонны и стойки можно строить чрезвычайно просто: отрезать кусок трубы необходимой длины, поставить его вертикально и заполнить бетоном. Если сравнить такую стойку с железобетонной, то при строительстве трубобетонной колонны не нужна чрезвычайно стоимостная опалубка, трудоемкие и дорогие арматурные каркасы, закладные детали. Сравнивая со стальной, такая колонна имеет гораздо большую несущую способность. Результаты проведенных фундаментальных исследований показывают, что трубобетонные элементы рационально работают потому, что сочетают в своем составе прочную оболочку и слабее сердечника, а это напоминает по строению стволы деревьев и трав, отобранных за миллиарды лет эволюции самой природой. В качестве примера чрезвычайно рациональной сталежелезобетонной конструкции также можно навести железобетонные монолитные плиты по стальному профилированному настила. В этом случае при строительстве не нужна опалубка перекрытий и поддерживающие леса.

Целью статьи является ознакомление с результатами изобретательской работы по созданию новых видов сталежелезобетонных конструкций, в которых стальные профили и бетон соединены для рациональной совместной работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Нами предложены и глубоко исследованы новые типы разнообразных сталежелезобетонных конструкций, разработаны методы их расчета и конструирования. Результаты этих исследований широко публиковались в научной и технической прессе (опубликованы сотни статей и десятки монографий). Эта огромная научная работа нашла активный отклик в строителей, теперь сталежелезобетонные конструкции строятся по всей нашей стране. Разработан и введен в действие нормативный документ по проектирование сталежелезобетонных конструкций. В основу создания новых видов сталежелезобетонных конструкций положены предпосылки:

• по возможности, бетон в конструкциях должен работать только на сжатие, а металл - на растяжение;
• металлические профили и листы должны выполнять функции не только рабочей арматуры, но и опалубки и поддерживающих конструкций;
• необходимо обеспечить совместную работу бетона и стали в несущей конструкции.

На протяжении многолетних исследовательских работ нами предложены новые конструктивные решения, значительно расширяющие области рационального применение трубобетона. Среди них такие:

• Несущие конструкции промышленных и гражданских зданий.
• Пространственные конструкции специальных зданий (например, опоры под транспортные галереи).
• Трубобетонные конструкции сельскохозяйственных зданий.
• Центрефугованный трубобетон, в том числе со смещенной полостью.
• Случаи, когда трубобетон армирован продольными стержнями (смещены стержни, концы стержней приварены к внутренней поверхности труб).
• Узлы соединения трубобетона с монолитными балками и фундаментами.
• Стыки в колоннах с переменным по высоте сечением.
• Подпорные стенки из трубобетонным каркасом.

Эти разработки способствовали широкому применению трубобетона в промышленном и гражданском строительстве, которое мы наблюдаем сейчас. Нами сформулированы соответствующие предложения по конструированию отдельных узлов элементов, которые способствовали строительству трубобетонных конструкций. На рис. 1 приведены варианты конструкции стыков по высоте трубобетонных стоек. В результате экспериментов установлено, что в строительстве с успехом может использоваться элементарно простой стык, приведенный на рис. 1а.

Рисунок 1. Конструкции стыков сжатых трубобетонных элементов: а - “сухой”; б - “мокрый”; в - фланцевый; г - “сухой” усиленный накладками; д - “сухой” через металлическую прокладку

В практике строительства часто возникает необходимость устраивать узлы сопряжения трубобетонных стоек с монолитным железобетоном. Некоторые из предложенных нами узлов приведены на рис. 2. Проведены экспериментальные исследования и опыт внедрения доказали, что такие стыки могут успешно применяться в строительстве.

Рисунок 2. Узел сопряжения трубо бетонных элементов с монолитным железобетоном: 1 - трубобетонный элемент; 2 - железобетонный элемент; 3 - соединительный трубчатый стержень; 4 - соединительный арматурный каркас; 5 - анкерные арматурные стержни; 6 - арматурные узлы

По ряду причин часто возникает необходимость при строительстве трубо-бетона использовать арматурные стержни для повышения несущей способности конструкции. Мы не рекомендуем для повышения несущей способности бетонного ядра применять традиционные арматурные каркасы, потому что они затрудняют заключение бетона в трубу и способствуют возникновение полостей в ядре, что сводит на нет эффект от образования арматурного каркаса и часто снижает несущую способность конструкции.

Предложенные нами способы армирования бетонных элементов трубопродольными стальными стержнями приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Общий вид и сечения исследовательских трубобетонных образцов с дополнительным продольным армированием: 1 - труба-оболочка; 2 - стержневая арматура; 3 - бетонное заполнение; 4 - кольцевой хомут

На наш взгляд интересными являются предложения по привариванию концов продольной стержневой арматуры до внутренней поверхности трубы. Это позволяет не устанавливать арматурные хомуты и обеспечивает лучшее качество заключенного в трубу бетона. Заслуживает внимания предложение о асимметричного расположения продольной арматуры внутри трубы, что способствует рациональной работе стойки при внецентровому сжатии.

Были предложены и детально исследованы трубобетонные элементы с центрефугованным бетонным ядром и с полостью в ядре. Некоторые из перерезов таких элементов приведены на рис. 4. Установлено, что благодаря центрефугуванной прочностью бетона в трубе повышается в 2...3 раза. Заслуживают на внимание элементы со смещенной внутренней полостью, благодаря чему улучшается работа стойки при внецентровой нагрузке. В случаях, когда внутри колонн необходимо размещать коммуникации, целесообразно устраивать стойки с внутренней трубой, как это показано на рис. 4.

Рисунок 4. Типы поперечных сечений трубобетонных элементов с внутренними полостями

Кроме трубобетонных, предложены другие типы сталежелезобетонных стоек, в частности стойки, армированные стальными листами, стойки из стальных двутавров с заполненными бетоном боковыми полостями.

Сообщение прокатных профилей с бетоном для их рациональной работы очень разнообразные, поэтому сталежелезобетонные конструкции могут быть разных видов и удовлетворять самым высоким требованиям. Кроме колонн сталежелезобетонными проектируются и строятся балки, плиты и другие конструкции.

Нами разработаны ряд новых типов сталежелезобетонных балок:

• балки с армированием вертикальными листами;
• балки из стальных двутавров с заполненными бетоном боковыми полостями с попеременным их бетонированием;
• двутавровые балки с железобетонным верхним поясом балки с армированием растянутой зоны трубами, вертикальными листами при бетонировании конструкций в перевернутом состоянии.

Конструктивное решение предложенных нами поперечных сечений изогнутых элементов с внешней листовой арматурой позволяет при обеспечении необходимой прочности, жесткости уменьшить высоту, размеры сечений конструкций. Использование внешнего листового армирования позволяет отказаться от предварительного напряжения арматуры нижнего пояса, тем самым уменьшив материало- и трудозатраты при изготовлении элементов.

Весомое место среди несущих сталежелезобетонных конструкций занимают плиты. Они могут быть достаточно разнообразными: это и плиты из ортотропным листовым армированием, железобетонные плиты по профильному настила, плиты со стальным обрамлением. Наряду с уже известным вариантам таких конструкций, нами предложены новые конструктивные решения,  подтвержденные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения. Интересной является наше предложение относительно склеивания бетона и стального листа в процессе изготовления, благодаря которому обеспечивается совместная работа бетона и стали.

Предложены и другие виды сталежелезобетонных конструкций, подтвержденные патентами на изобретения, в частности сталежелезобетонные структурные конструкции. Они состоят из железобетонной плиты и соединенной с ней в одно целое в процессе строительства структуры из стальных стержней. Особенностью сталежелезобетонной структурной конструкции является то, что стальная решетка в ней работает совместно с железобетонной плитой, при этом плита заменяет верхние сжатые пояса перекрестных ферм структуры и выполняет ограждающие функции. Такая пространственная конструкция имеет большую жесткость, а железобетонная плита используется в качестве верхнего пояса. В качестве решетки наиболее рационально применять трубы, что дает возможность при необходимости использовать полости труб поясов для расположение в них предварительно напряженной арматуры.

С целью более широкого внедрения сталежелезобетонной в строительство разработан нормативный документ по его проектирования. Наличность этого ДБН и международного нормативного документа Eurocodе 4 расширяют возможности проектирования рациональных сталежелезобетонных конструкций. Сейчас ведется работа по разработке рекомендаций по проектирование тех или иных видов сталежелезобетонных конструкций.

Работой по исследованию и внедрению в строительство сталежелезобетонных конструкций занимается широкий круг ученых, аспирантов и студентов. Результаты исследований публикуются в научной прессе, в том числе в сборнике научных трудов общереспубликанских конференций „Сталежелезобетонные конструкции: исследование, проектировавание, строительство и эксплуатация”, которые проводятся каждые два года по активным участием ученых, проектировщиков и строителей.

ВЫВОДЫ

На протяжении многолетних исследований нами предложены новые виды сталежелезобетонной  конструкций, в которых сочетаются стальные профили и железобетон для их рациональной работы в зданиях и сооружениях. Проведены исследования позволяют сделать вывод, что эти конструкции эффективно работают под нагрузкой и находят применение в промышленном и гражданском строительстве.

Стороженко Л.И.

Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка

г. Полтава, Украина