Устройство анкерных связей в сталежелезобетонных плитах перекрытия

Device anchor ties in concrete floor slabs

Dmitry Uzun,

undergraduate, Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Saint-Petersburg

Аннотация. Проведён общий анализ конструктивных особенностей сталежелезобетонных конструкций и представлены виды данных конструкций применяемые в промышленном и транспортном строительстве. Рассмотрены существующие типы анкерных связей обеспечивающих совместную работу железобетонной плиты, профилированного настила и стальных рёбер сталежелезобетонных конструкций.

Abstract. A general analysis of the structural features of the composite structures and the types of design data used in industrial and transport construction is presented. The existing types of anchor ties that ensure the joint operation of a reinforced concrete slab, profiled flooring and steel edges of steel-reinforced concrete structures are considered.

Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, плиты перекрытия, свойства, совместная работа, анкерные связи.

Keywords: steel-concrete structures, floor slabs, properties, teamwork, anchorage lines.

Всё чаще и всё больше в современном строительном секторе применяются сталежелезобетонные конструкции. Впервые открытые на рубеже 19 столетия, их применение стало бурно развиваться в начале 21 века. Они охватили практически все области и направления современной строительной сферы. 21 век можно назвать веком начала применения композитных материалов во всех жизненных сферах человеческого общества. Не обошли они стороной и сферу строительства, так как сталежелезобетонные конструкции являются примером композитной формы включающей в свой состав сталь, бетон и арматуру. Материалы которые совмещают в себе свойства традиционно применяющихся строительных материалов.  При этом получают совершенно новый  строительный материал  который качественно отличается от каждого из составляющих его структуру. В первые сталежелезобетон начали применять в транспортном строительстве, в частности в мостостроении. Но в нынешнее время такой тип строительных конструкций широко применяется при строительстве таких ответственных сооружений как тоннели, метрополитены высотные и большепролётные промышленные и гражданские здания.

В стележелезобетонах бетон и сталь работают в единой конструкции, что позволяет при определённых условиях наилучшим образом использовать положительные качества каждого из материалов.

В конце ХIХ века проводились наблюдения и были сделаны выводы, что стальные балки которые были облицованы бетоном для увеличения огнестойкости  или просто по конструктивным соображениям обладают более высокой жёсткостью и прочностью. Советские мостоиспытательные станции отмечали, что при монолитной железобетонной проезжей части на верхних поясах стальных балок прогибы и напряжения значительно меньше расчётных данных [1, с.8].

Под сталежелезобетонными  объединёнными конструкциями понима-ется большой класс строительных конструкций, отличающихся как по конструктивному признаку, так и по степени использования фактора совместной работы бетона и стали. К сталежелезобетонным конструкциям отнесят сталежелезобетонные  плиты перекрытия которые ещё армируют  профилированным металлическим листом, сталежелезобетонные и трубобетонные балки и колонны.

Сталежелезобетонные конструкции согласно принципу их работы делятся на четыре типа:

1) строение, которое состоит из прокатных, сварных и гнутых профилей, располагающихся с наружной части конструкции;

2) строение, из жестких металлических профилей, находящихся внутри железобетонной части;

3)  строение, из жестких металлических профилей и листового проката, располагающихся по периметру сечения;

4) строение, из тонкостенных плоских или профилированных листов, которые располагают с одной или с двух сторон железобетонной конструкции.

Сталежелезобетонная конструкция -  далее объединённая конструкция это новый вид железобетонного строения. Формы этих конструкций различны. Благодаря им, таким строениям, можно продуктивно повышать положительные качества стальных, сталебетонных и сталежелезобетонных элементов. Благодаря этому повышается жесткость таких строений по сравнению со стальными, сокращается расход стали и понижается себестоимость. Объединённая конструкция имеет бесспорное превосходство. Применение такой объединённой конструкции в перекрытиях многоэтажных зданий содействовало в создании и развитии элементов с внешним листовым армированием.

Появление искривляемых железобетонных строений с внешней листовой арматурой относится к 40-ым и 50-ым годам прошлого столетия, когда металлический профилированный лист, применявшийся ранее как  несъемная опалубка, был скомбинирован  с укладываемым поверх  листа бетоном определёнными связями с задачей привлечения листа в работу как удлинённой арматуры.

Особенности объединённых плит перекрытия обеспечиваются по причине единой работы стальной и железобетонной части. Устранение сдвига в месте контакта совмещённых частей при появлении нагрузок  создаются за счет склеивающихся свойств, трения и зацепления объединительных частей.

Сталежелезобетонная объединенная система включает в себя 3–и основных конструктивных элемента:

1) стальная часть;

2) железобетонная часть;

3) соединительных частей (жесткие или гибкие упоры, анкера).

Проблема надёжного соединения составных частей в сталежелезобетонных конструкциях является актуальной задачей и по сей день. И сегодня продолжается поиск наиболее приемлемых и рациональных конструктивных решений анкерных связующих элементов, но при этом необходимо найти надёжные способы оценки прочности новых анкерных связующих элементов. Для совместной работы железобетонной плиты с металлическими балками необходимо создание надежной связи, способной передавать сдвигающие усилия, возникающие между бетоном и верхними поясами металлических балок [2, с.80].

Наличие в структуре сталежелезобетонных плит частей с различными физико-механическими свойствами требует повышенной надёжности анкерных устройств. При выборе конструкций анкеров необходимо проводить расчёты по их устройству с позиции их рациональности по трудоёмкости, надёжности работы на сдвиг и экономичности по расходу материалов.

Первые предложения по применению объёдинительных деталей для более надёжной совместной работы железобетона и стали были предложены во Франции.

В 1939 г. в Швейцарии были запатентованы балки системы «Альфа», с приваренной к верхнему поясу арматурных спиралей (рис.1) для объединения железобетона и стали, данные спирали стали первым типом анкерных  устройств применяемых в сталежелезобетонных конструкциях [1, с.8].

Рисунок 1. Соединение железобетона и стали система «Альфа»

По принципу работы соединительные приспособления можно разделить на 4 разновидности:

1) жесткие упоры, действующие на изгиб и создающие в бетоне однородные деформации сжатия;

2) гибкие упоры, действующие в большинстве случаев на искривление;

3) анкера, работающие на удлинение;

4) объединения, создающие передачу сил сдвига благодаря трению и зацеплению бетона плиты и стальных конструкций (например, стальной профилированный лист с выштамповками).

Понятие «объединение» называется такое соединение железобетонных и стальных частей элемента для единого действия, при котором благодаря передачи через шов сдвигающих, отрывающих и прижимающих усилий в объединенном элементе обеспечивается напряжённо-деформированное состояние, близкое к соответствующему состоянию цельного элемента [1, с.291].

Наиболее простым средством объединения железобетона и стали являются жёсткие упоры (рисунок 2.а) укреплённые на стальном элементе. Сжимающие усилия передаются бетону непосредственно через упорные поверхности, при этом в бетоне происходят деформации местного смятия. Жёсткий упор воздействует на бетон и вызывает равномерные деформации смятия в монолитной части. Уменьшив жёсткость упоров, они превратятся в гибкие упоры и деформации смятия по высоте станут неравномерными.

Гибкие упоры (рисунок 2.б) работают на изгиб и наибольшее смятие монолитной части возникает у основания гибкого упора. Если гибкий упор заанкеровать в монолите он будет воспринимать не только сдвигающие но и отрывающие усилия. Такой упор будет называться вертикальным анкером. Работа гибкого вертикального анкера на растяжение связана с передачей через шов отрывающих сил и косых растягивающих напряжений.

Рисунок 2. Конструкции анкерных устройств

а – жесткие упоры: 1 – из прокатных профилей; 2 – составные сварные; 3 – составные сварные, исключающие поворот упоров в бетоне; б – гибкие упоры и анкеры: 4 –из прокатных профилей; 5 – стержневые анкеры; 6 – петлевые анкеры

Ещё одним способом объёдинения железобетонных плитах конструкций со стальными является объёдинение высокопрочными болтами (рисунок 3).

Для того чтобы объединить в одну целую конструкцию сборные железобетонные плиты с металлическими балками в местах установки упоров устраивают приямки, которые после того как установили плиты заполняют бетоном, прочность которого должна быть на класс выше прочности монолитной плиты [3, с.208].

Рисунок 3. Объединение высокопрочными болтами

1 – высокопрочный болт; 2 – отверстие в бетоне; 3 – арматурный каркас;  4 – распределительная подкладка

На рисунке 4 представлены общие строения монолитных плит, армированных профлистами, использующихся в перекрытиях гражданских зданий. Гофрированные профили, установленные в виде сплошного единого профлиста по металлическим балкам и закреплённый к ним, представляет собой опалубку для уложенного в плиту бетонного замеса и после набора прочности бетоном — арматурой нижней части сечения плиты. Междуэтажные перекрытия в виде монолитных плит образуют жесткие горизонтальные диски, обеспечивающие пространственную работу каркаса и позволяющие уменьшить число связей и рам, что создает большую свободу объемно планировочных решений.

Совместная работа стального профилированного листа и бетона обеспечивается (рисунок 4):

а) механической  связью сдвига, благодаря выштамповкам в профиле;

б) фрикционная связь сдвига с помощью профилей с гофрами закрытого типа;

в) концевой анкеровкой, созданная приваркой стад-болтов для соединения стального листа с бетоном  и деформацией гофров на концах профилированного листа.

Рисунок 4. Сталежелезобетонная конструкция с профилированным настилом

а) связи в виде стад-болтов; б) связь за счет выштамповок в настиле; в) связь с устройством отверстий в настиле; г) связь за счет отгиба полок и стенок профиля; 1 – стальной профилированный настил; 2 – монолитный бетон; 3 – арматурная сетка; 4 – балки; 5 – средства объединения

В 2018 году в России в г. Санкт-Петербург завершилось строительство первого высотного здания Лахта-Центр высотой 462 метра (рисунок 5).

Рисунок 5. Лахта-Центр

В настоящее время оно является самым высоким зданием не только в России но и во всей Европе в конструкции которого применялись сталежелезобетонные объединённые системы, сталежелезобетонные плиты перекрытия. Все основные несущие строительные элементы являются сталежелезобетонными. К примеру на рисунке 6 показан общий вид сталежелезобетонного перекрытия в Лахта-Центре.

Рисунок 6. Общий 3D вид сталежелезобетонного перекрытия

Данные, недавно созданные объединённые конструкций могут применятся не только в несейсмических, но и в сейсмических территориях. Сталежелезобетоны показали свои плюсы в экономичности материалов, надёжности, неизменности и твёрдости. Следует безусловно предполагать что сталежелезобетоны будут постоянно и стремительно развиваться .