В статье автор приводит основные сведения о конструкции, применении и характеристики композитных балок Deltabeam®.
Ключевые слова: композитные балки, металлические конструкции, системы тонких перекрытий.
Композитные балки Deltabeam® являются разработкой группы компаний Peikko Group, и начали активно применяться в 1988 году после испытаний в Техническом исследовательском центре в Финляндии. Композитные сварные балки трапециевидного поперечного сечения со специальными перфорированными стенками были разработаны для совместного использования с предварительно напряженными пустотными плитами перекрытия в системах тонких полов [2].
Балка Deltabeam® состоит из четырех стальных листов, сваренных вместе в коробчатое сечение. Боковые наклонные стенки решетки имеют круглые отверстия. Внутри балки расположены два арматурных стержня для повышения огнестойкости. Через отверстия в балке происходит заполнение ее бетоном, а также возможно соединение плит перекрытия при помощи предварительно напряженной арматуры. При применении предварительно напряженной арматуры в плитах перекрытия, пролеты, перекрываемые балкой, могут достигать 14 м. При увеличении шага колонн возможно менять планировку здания под эксплуатационные нужды на протяжении всего его жизненного цикла. Конструкция балки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция композитной балки Deltabeam®
Применение описанных систем позволяет также принимать эффективные решения при использовании тонкостенных или монолитных плит перекрытия. Оптимизированные решения с точки зрения минимизации высоты конструкции, высокой несущей способности, простого и очень быстрого монтажа, стандартизированные детали и возможность универсального использования композитных балок, создают прочную основу для успешного и технически эффективного их использования как с железобетонными конструкциями, так и в стальных каркасах. При проектировании в соответствии с EN 1993–1–1:2005 и EN 1994–1–1:2004 учтены все возможные вопросы несущей способности и жесткости как для балок, так и для поддерживающих элементов плит перекрытия [2].
Использование конструкционных балок Deltabeam® экономит конструкционную высоту, снижает энергопотребление в зданиях, упрощает монтаж инженерных сетей, параллельно с этим значительно сокращается время общего монтажа здания и затраты при строительстве. Название Deltabeam® было выбрано, чтобы выделить данный тип композитных балок из других балок трапециевидного сечения, так как данный они имеют несколько определяющих преимуществ. Коробчатое сечение балки обеспечивает жесткость при кручении, что является преимуществом на стадии монтажа. Несмотря на коробчатое сечение, обеспечивается качественное заполнение бетоном внутренней части балки в построечных условиях, благодаря достаточно большим перфорированным отверстиям в стенках. Прежде всего, перфорированные круглые отверстия специальной формы с постоянным шагом 300 мм обеспечивают эффективное взаимодействие стального корпуса с заполнителем из бетона после полного отверждения. Отверстия могут служить пространством для любого вида поперечных связей через тело балки. В основном это используется для соединения плит по обеим сторонам балки. Также очень распространено использование отверстий для пропуска инженерных сетей [1].
Технологии позволяют изготавливать балки с предварительным выгибом для отдельных участков конструкции с учетом действующих нагрузок, конструктивных решений и требований проектировщика. Применение пустотных плит перекрытия с высотой, соответствующей высоте балки, обеспечивает максимальное использование преимуществ сборных конструкций: простой и быстрый монтаж, отсутствие необходимости применения опалубки, значительное сокращение временных поддерживающих опор и раскреплений. Тем не менее, балки Deltabeam® также успешно применяются с монолитными плитами, композитными плитами по гофрированному листу и т. д. Во избежание поворота балки на опоре на время монтажа, требуется установка поддерживающих стоек в местах примыкания балки к колонне. Они демонтируются после набора прочности бетона, заполняющего балку. При изготовлении монолитных плит может потребоваться поддержка балки по всей длине для обеспечения лучшей цементации плиты и бетона балки. На рис. 2. представлено применение балок с монолитными плитами перекрытия с использованием временных подкреплений [1].
Рис. 2. Система композитной балки Deltabeam® с монолитными плитами перекрытия
На начальных этапах внедрения Deltabeam® в Европе, они находили свое применение только в надстраиваемых частях железобетонных зданий. Благодаря интересу конструкторов и архитекторов в последующие года, балки Deltabeam® стали применяться совместно со стальными или композитными конструкциями. Соединение балок с любыми типами колонн, несущих стен, плит всегда предполагало болтовое соединение, не имело стандартного решения и менялось в зависимости от проекта. Разработка Peikko Frame® принесла компании типовое решение, например, соединение с композитными сталежелезобетонными колоннами круглого или квадратного сечения на стальных скрытых кронштейнах [2]. При соединении балки с колоннами используются такие решения как скрытые консоли, анкерные болты и анкерные плиты. Сопряжение балки Deltabeam® с колонной трубного сечения показано на рис. 3.
Рис. 3. Сопряжение балки Deltabeam® с колонной трубного сечения
Балка приваривается или крепится на болты через опорную пластину к стальной колонне сверху или может быть приварена к консольной части колонны. Типовое решение концевых пластин крепления балок представлено на рис. 4.
Рис. 4. Концевые пластины крепления балок к колоннам
В настоящее время балки Deltabeam® нашли широкое применение в Европе. Используемые конструктивные решения основываются на том, что Deltabeam® являются самостоятельными стальными конструкционными элементами, обладающими достаточно высокой способностью передавать весь спектр нагрузок, действующих в стальных или железобетонных рамах [1].
Пример применения балок Deltabeam® в стальном каркасе показаны на рис. 5.
Рис. 5. Стальные каркасные надстройки с системой тонких перекрытий
Deltabeam® работает как стальная балка до того момента, пока бетон в ней не наберет требуемой прочности. На стадии монтажа все нагрузки передаются на балку через ее нижнюю полку с консольными выступами, схема передачи усилий представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема передачи нагрузки на балку в период монтажа
После установки балки в проектное положение, она полностью заполняется бетоном, формируя композитную структуру. На этом этапе нагрузки передаются на балку по дуге на наклонную решетку. Такую схему работы доказали многие опыты, в которых подвергалась испытаниям балка без консольных свесов нижней пластины. Заполнение бетоном пространства между балкой и плитой перекрытия объединяет перекрытие в жесткий диск. Поперечная арматура, установленная в отверстия решетки балки, гарантирует передачу нагрузки по нижеприведенной схеме, представленной на рис.7.
Рис. 7. Схема передачи нагрузки на балку в стадии эксплуатации
Высокая огнестойкость балки обеспечивается благодаря установленным внутри балки арматурным стержням и заполнением ее бетоном. Во время пожара в роли растянутых элементов выступает не только арматура, но и боковая решетка балки. Так как нижняя пластина балки почти не включается в работу, для нее требуются дополнительных мероприятий по огнезащите. В общем случае балка может соответствовать классу огнестойкости R120 без какой-либо дополнительной огнезащиты [2].
Литература:
- P.Nadasky. Steel-Concrete Composite Beams for Slim Floors — Specific Design Features in Scope of Steel Frames Design. Procedia Engineering, 2015, no. 40, pр. 274–279.
- Technical Manual. Deltabeam® Slim Floor Structure. Slim Floor Structure with Integrated Fireproofing, 2018, 35 р.
