Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3631310.22363/1815-5235-2023-19-3-302-312QBSENQAnalysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleFlexural stiffness of lightweight steel-concrete slab panels made of low-density foam concreteИзгибная жесткость легких сталебетонных панелей перекрытий из пенобетона низкой плотностиhttps://orcid.org/0000-0002-2299-3096RybakovVladimir A.РыбаковВладимир Александрович

PhD in Engineering, Associate Professor, Higher School of Industrial, Civil and Road Construction, Institute of Civil Engineering

кандидат технических наук, доцент, Высшая школа промышленно-гражданского и дорожного строительства

fishermanoff@mail.ruPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого30092023193VOL 19, NO3 (2023)ТОМ 19, №3 (2023)30231211102023Copyright ©; 2023, Rybakov V.A.Copyright ©; 2023, Рыбаков В.А.2023Rybakov V.A.Рыбаков В.А.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/36313

Lightweight steel-concrete structures (LSCS) are a type of steel-concrete structures where the filling concrete is monolithic (pouring) foam concrete with density 100-1000 kg/m3, the profile steel is lightweight steel thin-walled structures (LSTS), and fiber cement panels perform the function of non-removable formwork. As a rule, these structures are made of structural and heat-insulating foam concrete, which has good insulation and technical characteristics and sufficient strength. The object of the study is lightweight steel-concrete slab panels, which are one of the special cases of LSCS, made of monolithic foam concrete with density of 400 kg/m3. An analysis of the bending stiffness of LSBC slab panels by comparing the experimental data with analytical calculations was carried out. It was found that bendable LSCS made of monolithic foam concrete with density of 400 kg/m3 operate in physical nonlinear way. It was shown that the bending stiffness of LSCS floor panels can be determined as the sum of stiffnesses of profiled steel and foam concrete at the linear stage of work. The reliability of the proposed methodology within the limits of linear operation was demonstrated. It was proved both experimentally and theoretically that the bending stiffness of panels based on LSCS is higher than the bending stiffness of similar panels made of lightweight thin-walled steel (LTSS) by about 30%.

Легкие сталебетонные конструкции (ЛСБК) относятся к сталебетонным конструкциям, в которых в качестве заполняющего бетона выступает монолитный (заливочный) пенобетон марки D100-D1000, в качестве профильной стали - легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК), а функцию несъемной опалубки выполняют фиброцементные панели. Как правило, в данных конструкциях используется конструкционно-теплоизоляционный пенобетон, обладающий хорошими теплотехническими характеристиками и достаточной прочностью. Исследованы легкие сталебетонные панели перекрытия, являющиеся одним из частных случаев ЛСБК, выполненные из монолитного пенобетона марки по плотности D400. Проведен анализ изгибной жесткости панелей перекрытий из ЛСБК на основе сопоставления экспериментальных данных с аналитическим расчетом. Установлено, что изгибаемые ЛСБК из монолитного пенобетона марки по плотности D400 работают физически нелинейно; на линейном участке работы показана допустимость определения изгибной жесткости панелей перекрытий из ЛСБК как суммы жесткостей профильной стали и пенобетона. Продемонстрирована достоверность предложенной методики в пределах линейной работы. Экспериментально и теоретически доказано, что изгибная жесткость панелей на основе ЛСБК больше изгибной жесткости аналогичных панелей из ЛСТК на величину около 30 %.

lightweight steel concrete structuresslab panelsprofiled steelflexural stiffnessfoam concreteлегкие сталебетонные конструкциипанели перекрытийпрофильная стальизгибная жесткостьпенобетонThe study was funded by the Russian Science Foundation Grant No. 23-29-00564, https://rscf.ru/project/23-29-00564.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00564, https://rscf.ru/project/23-29-00564.Tsvetkova A.A. The joint stiffness of precast reinforced concrete wall panels to shear in their plane before cracking. Engineering Research. 2022;(4):26–33. (In Russ.)Цветкова А.А. Жесткость стыков сборных железобетонных стеновых панелей на сдвиг в их плоскости до момента трещинообразования // Инженерные исследования. 2022. № 4 (9). С. 26-33.Efimchenko M.I. Problems and prospects of modern panel housing construction. Engineering Research. 2022;(4):17–25. (In Russ.)Ефимченко М.И. Проблемы и перспективы современного панельного домостроения // Инженерные исследования. 2022. № 4 (9). С. 17-25.Rybakov V.A., Kozinetc K.G., Vatin N.I., Velichkin V.Z., Korsun V.I. Lightweight steel concrete structures technology with foam fiber-cement sheets. Magazine of Civil Engineering. 2018;(6):103–111. https://doi.org/10.18720/MCE.82.10Rybakov V.A., Kozinetc K.G., Vatin N.I., Velichkin V.Z., Korsun V.I. Lightweight steel concrete structures technology with foam fiber-cement sheets // Magazine of Civil Engineering. 2018. No. 6 (82). Pp. 103-111. https://doi.org/10.18720/MCE.82.10Rybakov V.A., Ananeva I.A., Pichugin E.D., Garifullin M.G. Heat protective properties of enclosure structure from thin-wall profiles with foamed concrete. Magazine of Civil Engineering. 2020;(2):11–20. https://doi.org/10.18720/MCE.94.2Rybakov V.A., Ananeva I.A., Pichugin E.D., Garifullin M.G. Heat protective properties of enclosure structure from thin-wall profiles with foamed concrete // Magazine of Civil Engineering. 2020. № 2 (94). Pp. 11-20. https://doi.org/10.18720/MCE.94.2Shevtsov S.V., Astafeva N.S. The concept of modular construction on the example of the use of light metal structures. Engineering Research. 2022;(3):30–37. (In Russ.)Шевцов С.В., Астафьева Н.С. Концепция модульного строительства на примере использования легких металлических конструкций // Инженерные исследования. 2022. № 3 (8). С. 30-37.Ivashchenko Yu.G., Bagapova D.Yu., Strahov A.V. Structural and heat-insulating foam concrete modified with fibrous fillers. Engineering Journal of Don. 2017;(4):157–165. (In Russ.)Иващенко Ю.Г., Багапова Д.Ю., Страхов А.В. Конструкционно-теплоизоляционный пенобетон, модифицированный волокнистым наполнителем // Инженерный вестник Дона. 2017. № 4 (47). С. 157-165.Kudyakow A.N., Kopanitsa N.O., Prishepa I.A., Shangin S.N. Constructional and heat-insulating foam concretes with the thermomodified peat additive. Journal of Construction and Architecture. 2013;(1):172–176. (In Russ.)Кудяков А.И., Копаница Н.О., Прищепа И.А., Шаньгин С.А. Конструкционно-теплоизоляционные пенобетоны с термомодифицированой торфяной добавкой // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1 (38). С. 172-176.Lesovik V., Glagolev E., Voronov V., Zagorodnyuk L.Kh., Fediuk R., Baranov A., Alaskhanov A., Svintsov A.P. Durability behaviors of foam concrete made of binder composites. Magazine of Civil Engineering. 2020;(8):10003. https://doi.org/10.18720/MCE.100.3Lesovik V., Glagolev E., Voronov V., Zagorodnyuk L.Kh., Fediuk R., Baranov A., Alaskhanov A., Svintsov A.P. Durability behaviors of foam concrete made of binder composites // Magazine of Civil Engineering. 2021. No. 8 (100). https://doi.org/10.18720/MCE.100.3Deepak N., Thiagu H., Manivel S. Study on strength of Metakaolin based foamed concrete under different elevated temperature. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2019;(14):2980–2986.Deepak N., Thiagu H., Manivel S. Study on strength of Metakaolin based foamed concrete under different elevated temperature // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2019. № 14 (17). Pp. 2980-2986.Eltayeb E., Ma X., Zhuge Y., Youssf O., Mills J.E. Influence of rubber particles on the properties of foam concrete. Journal of Building Engineering. 2020;30:101217. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101217Eltayeb E., Ma X., Zhuge Y., Youssf O., Mills J.E. Influence of rubber particles on the properties of foam concrete // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 30. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101217Benazzouk A., Douzane O., Mezreb K., Quéneudec M. Physico-mechanical properties of aerated cement composites containing shredded rubber waste. Cement and Concrete Composites. 2006;28(7):650–657. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.05.006Benazzouk A., Douzane O., Mezreb K., Quéneudec M. Physico-mechanical properties of aerated cement composites containing shredded rubber waste // Cement and Concrete Composites. 2006. No. 28 (7). Pp. 650-657. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.05.006Koksal F., Sahin Y., Gencel O. Influence of expanded vermiculite powder and silica fume on properties of foam concretes. Construction and Building Materials. 2020;257:119547. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119547Koksal F., Sahin Y., Gencel O. Influence of expanded vermiculite powder and silica fume on properties of foam concretes // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 257. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119547Oren O.H., Gholampour A., Gencel O., Ozbakkaloglu T. Physical and mechanical properties of foam concretes containing granulated blast furnace slag as fine aggregate. Construction and Building Materials. 2020;238:117774. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117774Oren O.H., Gholampour A., Gencel O., Ozbakkaloglu T. Physical and mechanical properties of foam concretes containing granulated blast furnace slag as fine aggregate // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 238. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117774Belkova N.A., Ivashchenko E.I. Basic characteristics of fiber-reinforced non-autoclaved foam concretes based on basalt and polyamide fibers. Far Eastern Federal University: School of Engineering Bulletin. 2022;(2):97–105. (In Russ.) https://doi.org/10.24866/2227-6858/2022-2/97-104Белькова Н.А., Иващенко Е.И. Фиброармированные пенобетоны неавтоклавного твердения на основе базальтовой и полиамидной фибр: основные характеристики // Вестник инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2022. № 2 (51). С. 97-105. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2022-2/97-104Kotova K. Influence of the foam concrete macroporous structure’s characteristics on the parameters of its adhesion with reinforcing bars. Far Eastern Federal University: School of Engineering Bulletin.2019;(4):144–154. (In Russ.)Котова К.С. Влияние характеристик макропористой структуры пенобетона на параметры его сцепления с арматурой // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2019. № 4 (41). С. 144-154.Mailyan L.R., Mailyan A.L., Makarychev K.V. Structural properties of foam concrete and fiber-foam concrete based on water with reduced setting temperature. Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2012;(2): 75–84. (In Russ.)Маилян Л.Р., Маилян А.Л., Макарычев К.А. Конструктивные свойства пено- и фибропенобетонов на воде с пониженной температурой затворения // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2012. № 2 (26). С. 75-84.Mailyan L., Golova T. Lightweight concrete based on foam and polyamide concrete composition. Construction & Architecture. 2019;(1):70–75. (In Russ.)Маилян Л.Р., Голова Т.А. Легкий бетон на основе пенополиамидбетонной композиции // Строительство и архитектура. 2019. № 1 (7). С. 70-75.Amran Y.H.M., Farzadnia N., Ali A.A.A. Properties and applications of foamed concrete: a review. Construction and Building Materials. 2015;101(Part 1):990–1005. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.112Amran Y.H.M., Farzadnia N., Ali A.A.A. Properties and applications of foamed concrete: a review // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 101, Part 1. Pp. 990-1005. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.112Mestnikov A.E., Rozhin V.N. Non-autoclave foam concrete based on mechanically activated dry mixes for construction in the Arctic regions. Fundamentals of Building Materials Science: Proceedings of the International Online Congress. Belgorod: BSTU named after V.G. Shukhov; 2017. p. 1037–1046. (In Russ.)Местников А.Е., Рожин В.Н. Неавтоклавный пенобетон на механоактивированных сухих смесях для строительства в условиях Арктики // Фундаментальные основы строительного материаловедения: сборник докладов международного онлайн-конгресса. Белгород: БГТУ имени В.Г. Шухова, 2017. С. 1037-1046.Wagh C.D., Indu Siva Ranjani G., Kamisetty A. Thermal properties of foamed concrete: a review. RILEM Bookseries. 2021;29:11–137. https://doi.org/10.1007/978-3-030-51485-3_9Wagh C.D., Indu Siva Ranjani G., Kamisetty A. Thermal properties of foamed concrete: a review // RILEM Bookseries. 2021. Vol. 29. Pp. 113-137. https://doi.org/10.1007/978-3-030-51485-3_9Al-Chasnavi Ya.S.G. Investigation of beams operation made of cellular concrete reinforced with lightweight steel thin-walled structures. Innovative Methods of Designing Structures of Buildings and Facilities: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference, Kursk, 21 November 2019. Kursk: South-West State University; 2019. p. 1–14. (In Russ.)Аль-Хаснави Я.С.Г. Исследование работы балок из ячеистого бетона, армированных легкими стальными тонкостенными конструкциями // Инновационные методы проектирования строительных конструкций зданий и сооружений: сборник трудов конференции Всероссийской научно-практической конференции, Курск, 21 ноября 2019 года. Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. С. 1-14.Guchkin I.S., Bulavenko V.O., Laskov N.N. Strengthening of slabs made of cellular concrete after long-term operation in the roof structure of an industrial building. Regional Architecture and Engineering. 2019;(1):132–137. (In Russ.)Гучкин И.С., Булавенко В.О., Ласьков Н.Н. Усиление плит из ячеистого бетона после длительной эксплуатации в конструкции покрытия производственного здания // Региональная архитектура и строительство. 2019. № 1 (38). С. 132-137.Al-Chasnavi Ya.S.G., Efimov O.I., Zamaliev F.S., Laskov N.N. On the design of a cellular concrete beam with rigid reinforcement. Regional Architecture and Engineering. 2021;(3):137–143. (In Russ.)Аль-Хаснави Я.С.Г., Ласьков Н.Н., Ефимов О.И., Замалиев Ф.С. К вопросу о проектировании балки из ячеистого бетона с жесткой арматурой // Региональная архитектура и строительство. 2021. № 3 (48). С. 137-143.Al-Chasnavi Ya.S.G., Laskov N.N., Efimov O.I., Zamaliev F.S. Preconditions and limitations to the nonlinear analysis of steel-concrete beams made of cellular concrete with rigid reinforcement consisting of thin-walled steel bent profiles. Regional Architecture and Engineering. 2021;(4):88–95. (In Russ.) https://doi.org/10.54734/20722958_2021_4_88Аль-Хаснави Я.С.Г., Ласьков Н.Н., Ефимов О.И., Замалиев Ф.С. Предпосылки и ограничения к нелинейному расчету сталебетонных балок из ячеистого бетона с жесткой арматурой из тонкостенных стальных гнутых профилей // Региональная архитектура и строительство. 2021. № 4 (49). С. 88-95. https://doi.org/10.54734/20722958_2021_4_88Al-Chasnavi Ya.S.G., Laskov N.N., Efimov O.I., Zamaliev F.S. Bonding between rigid reinforcement and cellular concrete. Regional Architecture and Engineering. 2021;(4):79–87. (In Russ.) https://doi.org/10.54734/20722958_2021_4_79Аль-Хаснави Я.С.Г., Ласьков Н.Н., Ефимов О.И., Замалиев Ф.С. Сцепление жесткой арматуры и ячеистого бетона // Региональная архитектура и строительство. 2021. № 4 (49). С. 79-87. https://doi.org/10.54734/20722958_2021_4_79Rybakov V.A. Condition load effect factor of profile steel in lightweight steel concrete structures. Construction of Unique Buildings and Structures. 2020;(4):8907. https://doi.org/10.18720/cubs.89.7Rybakov V.A. Condition load effect factor of profile steel in lightweight steel concrete structures // Construction of Unique Buildings and Structures. 2020. No. 4 (89). https://doi.org/10.18720/cubs.89.7Rybakov V.A. Condition load effect factor of profile steel in lightweight steel concrete wall panels. Construction of Unique Buildings and Structures. 2023;(1):10602. Available from: https://unistroy.spbstu.ru/article/2023.107.2/ (accessed: 12.02.2023).Rybakov V.A. Condition load effect factor of profile steel in lightweight steel concrete wall panels // Construction of Unique Buildings and Structures. 2023. No. 1 (106). Article 10602. URL: https://unistroy.spbstu.ru/article/2023.107.2/ (дата обращения: 12.02.2023).Rybakov V., Seliverstov A., Petrov D., Smirnov A., Volkova A. Strength characteristics of foam concrete samples with various additives. MATEC Web of Conferences. 2018;245(28):03015. https://doi.org/10.1051/matecconf/201824503015Rybakov V., Seliverstov A., Petrov D., Smirnov A., Volkova A. Strength characteristics of foam concrete samples with various additives // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 245. Issue 28. Article 03015. https://doi.org/10.1051/matecconf/201824503015