В статье автор исследует преимущества сталежелезобетонных плит перекрытия перед плитами со стержневой арматурой и необходимость изучения расчётных показателей сталежелезобетонных плит при применении их различных конфигураций.
Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, стальной профилированный настил.
На сегодняшний день выбор конструктивных элементов и строительных материалов при проектировании зданий основывается не только на обеспечении прочности несущих конструкций. Многолетний опыт использования типовых элементов, развитие BIM-технологий и постоянное совершенствование и модернизирование строительных материалов и механизмов все больше сводит задачу современного проектирования к повышению эффективности строительства.
Одним из решений, соответствующим потребностям проектировщиков в их стремлении повысить эффективность конструкций, является сталежелезобетон, появившийся в XIX веке и являющийся актуальным по сей день.
Сталежелезобетонные конструкции представляют собой комбинированную систему, в которой железобетон и стальные элементы работают совместно. Для подобных конструкций основными стальными элементами являются стальной профилированный настил (СПН), стальные прокатные профили и гибкая арматура. Номенклатура сталежелезобетонных конструкций, работающих на изгиб, выделяет следующие виды изделий:
— сталежелезобетонные плиты, состоящие из монолитного железобетона и стального профилированного настила (СПН). При изготовлении СПН играет роль несъёмной опалубки плиты, а на стадии эксплуатации профнастил начинает работать как внешняя рабочая арматура совместно с рабочим армированием плиты;
— комбинированные балки, основным элементом которых является стальная балка, объединённая с железобетонной плитой с помощью специальных упоров или путём обетонирования балки;
— более усовершенствованным конструктивным решением являются сталежелезобетонные монолитные плиты с внешним армированием из профнастила уложенных по комбинированным балкам, работающим совместно с плитой.
Подбор материалов для сталежелезобетонных плит перекрытий производится в соответствии с [1]. Бетон принимается тяжёлый плотностью от 2200 до 2500 кг/м 3 и мелкозернистый средней плотности от 1800 до 2200 кг/м 3 . Сталь используют в виде гибкой жёсткой арматуры. В качестве гибкой арматуры принимается горячекатаная или термомеханически упрочнённая арматура периодического профиля диаметром 6–50 мм, допускается использование канатов диаметром 6–18 мм классов А-400, А-500, А-600, В-500 и Вр-500. В качестве жёсткой арматуры принимают прокатные профили из стали С245, С255 и С345. В качестве несъёмной опалубки плит используются профили листовые гнутые из оцинкованной стали с трапециевидными гофрами открытого или закрытого типа. Таким образом, высокие показатели прочности, широкий выбор материалов для изготовления и простота монтажа, обусловленная наличием в одном из виде конструкций несъёмной опалубки, позволяют использовать сталежелезобетонные плиты при строительстве как малоэтажных, так и многоэтажных промышленных, гражданских и общественных зданий.
Применение сталежелезобетонных перекрытий с профилированным настилом по комбинированным балкам дает следующие преимущества:
— снижение расхода стали на 15 % на балки;
— сокращение трудозатрат при строительстве на 25–40 % по сравнению с традиционными монолитными перекрытиями (со стержневой арматурой);
— сокращение сроков строительства на 25 %;
— уменьшение массы перекрытия на 30–50 % по сравнению с железобетонными перекрытиями традиционной конструкции:
— уменьшению строительной высоты на 10 %;
— увеличение жесткости перекрытий здания при действии горизонтальных нагрузок;
— размещение коммуникаций в гофрах профилированного настила перекрытия;
— отсутствие деревянной опалубки;
— повышение безопасности труда и пожарной безопасности на стадии монтажа.
Ещё в конце ХIX века считалось, что стальные конструкции, облицованные бетоном, обладают повышенной огнестойкостью, прочностью и жесткостью, по сравнению с обычными стальными конструкциями. Убедиться в этом удалось лишь после проведенных испытаний в Англии в 1923 году, при этом было отмечено, что при наличии монолитных частей в стальных конструкциях подверженных изгибу, фактические прогибы и напряжения получаются меньше расчётных.
Уже в 1929 году британские инженеры Каугей и Скотт заявили о возможности применение объединённых деталей из стали и железобетона. Так, в 1939 году в Швейцарии были запатентованы первые сталежелезобетонные балки системы «Альфа». Такие балки представляли из себя спираль из арматурной стали, замоноличенную в бетон и приваренную к верхнему поясу тавровой балки. Основная идея конструкции заключалась во включении в работу верхнего пояса железобетонной плиты. Первые сталежелезобетонные конструкции нашли своё применение в пролётных дорожных строениях. Пролётные строения с балками представленного типа были построены в Нью-Йорке и Швейцарии, после чего получили широкое распространение.
Рис. 1. Балка системы «Альфа»
В 1946 году Проектстальконструкция впустила первые типовые проекты объединённых пролётных строений из углеродистой стали и монолитной плиты с клёпанными соединениями. Эти конструкции имели пролёт 21, 32,4 и 42,5 метра и использовались при восстановлении автомобильных дорого в тяжёлое послевоенное время. Такие конструкции были наиболее просты и менее трудоёмки при монтаже, что являлось важнейшим критерием в тот период, но достигалось это за счёт перерасхода стали в главных балках конструкций.
Рис. 2. Типовые сталежелезобетонные конструкции, разработанные Проектстальконструкцией
В гражданском и промышленном строительстве широкое применение получили трубобетонные конструкции. В 1970-х годах в Америке было разработано новое конструктивное решение «SWMB» для возведения высотных зданий. В основу системы легло использование стальных труб, заполненных сверхпрочным бетоном, в качестве колонн. Первым зданием, построенным с применением системы «SWMB» стало 58-ми этажно административное здание «Two Union Square» высотой 230,7м в городе Сиэтл, США. Помимо трубобетонных колонн, в здании были применены сталежелезобетонные балки и плиты перекрытий, что помогло снизить затраты на строительство высотки на 30 %.
Монолитные железобетонные плиты по стальному профилированному настилу (СПН) применялись в гражданском строительстве в России и за рубежом, однако, их использование осложнялось отсутствием нормативной базы для проектирования.
Ярким отечественным примером применения сталежелезобтона в строительстве гражданских зданий являются «Сталинские» высотки. Семь многоэтажных зданий, высота которых варьируется от 90 до 180 метров, были построены в период с1947 по 1957 год. Здесь сталежелезобетон использовался при возведении рамного каркаса. Основные конструкции каркаса принимались из стальных прокатных профилей, обетонированных тяжёлым бетоном, за счёт чего и обеспечивалась совместная работа стали и железобетона.
Важным фактором, влияющим на применение сталежелезобетона при проектировании, является также и то, что до определённого момента нормативная база по проектированию конструкций такого вида попросту отсутствовала, первые актуальные рекомендации появились лишь в 2017 году.
В 1978 году научно-исследовательским институтом железобетона имени А. А. Гвоздёва и ЦНИИПРОМЗДАНИЙ было разработано первое в СССР руководство по проектированию сталежелезобетонных колонн и балок «Руководство по проектированию железобетонных конструкций с жёсткой арматурой», в 1987 году вышло ещё одно руководство по проектированию сталежелезобетонных плит перекрытия по профилированному настилу «Рекомендации по проектированию монолитных железобетонных перекрытий со стальным профилированным настилом». Т. к. данные редакции носили рекомендательный характер и не являлись нормативными до 2017 года комбинированные конструкции рассчитывались инженерами по [4].
Активное обсуждение проблем проектирования комбинированных конструкций началось лишь в нашем веке. В 2015 году на форме 100+ Forum Russia ведущие специалисты страны подняли вопрос об усовершенствовании нормативной базы сталежелезобетонных конструкций, приводя опыт строительства уже осуществлённых проектов.
В 2016 году Ассоциацией развития стального строительства был разработан стандарт СТО «Сталежелезобетонные конструкции. Правила проектирования» [2]. На основе документа организации в 2017 году был выпущен первый в России свод правил СП 266.13252800.2016. Конструкции сталежелезобетонные» [3].
Данный стандарт требовал от инженеров хороших навыков ручного расчёта конструкций, в связи с чем возникла потребность в методических указаниях и рекомендациях по расчёту конструкций из сталежелезобетона. Такие были выпущены в 2018 году НИИЖБ имени Гвоздёва А. А. совместно с ЦНИИСК имени Кучеренко В. А. и были включены в методику расчёта [4]. После чего компании-производители начали выпуск собственных СТО с рекомендациями по проектированию и расчётными данными и геометрическими характеристиками своей продукции.
Литература:
1. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.
2. Руководство по проектированию сталежелезобетонных конструкций / Ассоциация развития стального строительства; [И. И. Ведяков, Д. В. Конин, С. Б. Крылов, В. А. Семенов, А. С. Крылов, Л. С. Рожкова]. — Москва: АКСИОМ ГРАФИКС ЮНИОН, 2018. — 116 с.
3. СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования.
4. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03–84*.
5. Монография. Плитная сталежелезобетонная конструкция//Научное издание / Д. А. Пекин. — М.: Изд. АСВ, 2010. — 440 с.
