Изгибная жесткость легких сталебетонных панелей перекрытий из пенобетона низкой плотности

Полный текст

1. Введение Панельное домостроение появилось в середине ХХ в. и с тех пор является крайне востребованным [1]. Использование готовых изделий (панелей) обладает рядом преимуществ, таких как низкие сроки строительства, снижение затрат на внутреннюю отделку и, как следствие, пониженная стоимость недвижимости в панельных домах [2]. Легкие сталебетонные конструкции (ЛСБК) [3; 4] - вид конструкций, в которых в качестве заполняющего бетона выступает монолитный (заливочный) пенобетон марки D100-D1000, в качестве профильной стали, как правило, - легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) [5], а функцию несъемной опалубки выполняют фиброцементные панели. Расчетные усилия от всех воздействий воспринимаются пенобетоном и профильной сталью. Аналогичные конструкции из прокатных металлических профилей также могут быть отнесены к ЛСБК. Объект исследования в данной работе - легкие сталебетонные панели перекрытий, являющиеся одним из частных случаев ЛСБК, в которых используется монолитный (заливочный) пенобетон марки D400. Как правило, в данных панелях используется конструкционно-теплоизоляционный пенобетон, обладающий хорошими теплотехническими характеристиками [4] и достаточной прочностью. Несущая способность элементов из конструкционно-теплоизоляционного пенобетона напрямую зависит от структуры бетона. Применение различных минеральных и органических модификаторов в пенобетонной смеси влияет на размер, форму и равномерность распределения пор в материале. В [6] установлено, что стабилизатором ячеистой структуры бетона может выступать волокнистый целлюлозный наполнитель. Введение 1,4 % этого материала от общей массы компонентов смеси увеличивает прочность пенобетона плотностью 500-530 кг/м3 на 2,9-3,15 МПа. В [7] показано, что введение термомодифицированной торфяной добавки в пенобетонную смесь в количестве 6 % от массы цемента повысило прочность пенобетона на 35-43 %, снизило значения коэффициента теплопроводности на 14 % и водопоглощение на 23-32 %. Исследованы и другие добавки для улучшения структуры и эксплуатационных свойств пенобетона, такие как зола-уноса [8], метакаолин [9], измельченная резина [10; 11], микрокремнезем [12] и доменный шлак [13]. Конструкционный пенобетон в сравнении с тяжелыми бетонами имеет меньшую плотность и лучшие теплотехнические характеристики конструкций на его основе. Конструкционный пенобетон подходит для возведения монолитных несущих и самонесущих конструкций зданий. В [14] авторы экспериментально исследовали пенобетон плотностью 1200 кг/м3 с армирующими добавками для возведения несущих изгибаемых конструкций малоэтажных зданий. Подобран оптимальный состав бетона, содержащий армирующую добавку в виде полиамидного фиброволокна длиной 12 мм в количестве 2-3 кг/м3. В [15] исследована взаимосвязь параметров структуры пенобетона с прочностью сцепления в системе «пенобетон - арматура». Установлено, что прирост прочности сцепления при увеличении средней плотности пенобетона в диапазоне 1200-1600 кг/м3 составил 20-65 %. Наибольшую прочность сцепления с пенобетоном показала стеклокомпозитная арматура со значением прочности сцепления на 20-45 % выше, чем для базальтокомпозитной и стальной арматуры. Ряд научных работ выполнен под руководством профессора Л.Р. Маиляна. В [16] обоснована возможность повышения физико-механических характеристик различных видов пенобетонов с помощью затворения воды с пониженной температурой. В [17] разработан матричный состав пенобетонной смеси для введения полиамидной фибры, показавший улучшенную адгезию с цементной матрицей с сохранением прочностных свойств. Несмотря на широкую сферу применения различных видов пенобетона и их перечисленные достоинства известным недостатком этого материала является повышенная усадка - в 4-10 раз больше, чем у обычного бетона, что в свою очередь приводит к снижению трещиностойкости [18; 19]. Усадка ухудшает пористую структуру пенобетона, и, как следствие, снижается прочность и увеличивается теплопроводность пенобетона [20]. В рассмотренных выше работах изучены физико-механические, теплотехнические и прочие свойства пенобетона в несущих и ограждающих конструкциях (крыши, полы, стены и др.) без наличия профильной стали в конструкции. Полученные всеми указанными авторами результаты не дают ответов на обозначенную ранее проблему изучения свойств ЛСБК. На сегодняшний день нормативно-техническая база в России в области ЛСБК недостаточно развита. Основным нормативным документом является СТО 06041112.002-2018 (с изм. 1, 2) «Сталебетонные конструкции из теплоизоляционного неавтоклавного монолитного пенобетона, профильной стали с облицовкой фиброцементными листами. Правила проектирования». Кроме того, имеется нормативный документ СТО 06041112.001-2018 (с изм. 1, 2) «Панели из сталебетонных конструкций на основе теплоизоляционного неавтоклавного монолитного пенобетона, профильной стали с облицовкой фиброцементными листами» на отдельный подвид ЛСБК - легкие сталебетонные панели (ЛБП). В научной литературе теплотехнические, механические и иные физические свойства ЛСБК являются малоизученными. Известные публикации [21-25] как отдельных авторов - Я.С.Г. Аль-Хаснави, Н.Н. Ласькова, О.Н. Ефимова, Ф.С. Замалиева, М.Ш. Ноурузи, И.С. Гучкина, В.О. Булавенко, так и авторских коллективов, посвящены теоретическому и экспериментальному исследованию прочностных и деформационных свойств сталебетонных балок из стальных тонкостенных профилей и монолитного пенобетона различных классов прочности на сжатие от В2,5 [21] до В25 [23]. Бетоны указанного диапазона прочности имеют класс плотности не ниже D500, являются конструкционными, относятся к материалам конструкций, включенных в СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», и поэтому могут быть рассчитаны по методикам для бетонных и железобетонных конструкций с жесткой арматурой. Исследованию прочностных характеристик ЛСБК с использованием пенобетонов марок ниже D500, являющихся по своей сути теплоизоляционными, посвящены наши ранее опубликованные работы [26; 27], где предлагался метод расчета ЛСБК, основанный на формулах расчета стальных конструкций, но с при- менением повышающего коэффициента условий работы. При этом в [28] показано, что сам по себе теплоизоляционный пенобетон марок D200-D400 обладает крайне низкой прочностью. Величину фактического сопротивления пенобетона в расчете на прочность самой конструкции невозможно учесть: роль такого пенобетона в конструкции сводится к предотвращению стесненного кручения, депланации и местных эффектов Однако, помимо условия прочности, несущие горизонтальные элементы конструкций должны удовлетворять требованиям по жесткости (предельным прогибам), соответственно, данный аспект панелей перекрытий из ЛСБК, в которых используется монолитный пенобетон марки D400 по плотности, должен быть проанализирован отдельно, что и является целью исследования. Для достижения цели поставлены задачи: 1. Экспериментально измерить перемещения в середине пролета двух образцов панелей из ЛСБК на основе теплоизоляционного неавтоклавного монолитного пенобетона марки D400, профильной стали с облицовкой фиброцементными листами. 2. Аналитически определить перемещения с учетом пенобетона и без его учета. 3. Сопоставить аналитические результаты с экспериментальными. 2. Материалы и методы Схема образцов для испытаний на изгиб представлена на рис. 1. Изображение выглядит как текст, диаграмма, линия, Параллельный Автоматически созданное описание ГПС 200×1,5 Изображение выглядит как диаграмма, Технический чертеж, План, зарисовка Автоматически созданное описание Рис. 1. Конструкция панели перекрытия для испытания на изгиб C-profilecornercornersteel pull rivet4000Изображение выглядит как текст, диаграмма, линия, Шрифт Автоматически созданное описание 200×1.5 C-profile Изображение выглядит как диаграмма, Технический чертеж, План, зарисовка Автоматически созданное описание Figure 1. Slab panel design for bending test Профиль типа ГПС принят по ТУ 1121-001-87370376-2015 «Профили стальные гнутые. Технические условия» (ООО «Сталь-Профиль») и имеет размеры 200×50×1,5. Момент инерции одиночного сечения I1 = 262,61 см4. Фиброцементные листы марки «Стеклоцем» приняты по ТУ 5742-008-53743439-12 «Листы стекло- магнезитовые огнестойкие „СТЕКЛОЦЕМ“. Технические условия». Внешний вид одного из образцов представлен на рис. 2, на котором наружная облицовочная панель временно снята для наглядности. Экспериментальная установка изображена на рис. 3, а. Панели на основе ЛСБК и ЛСТК размерами 4000×800×216 мм свободно опираются на специальные шарнирные опоры, на которые во избежание местного продавливания панели уложена стальная жесткая пластина (рис. 3, б). Таким образом, свободный пролет испытываемых панелей оказался равным L = 3,85 м. Рис. 2. Внешний вид образцов панелей ЛСБК (фото автора) Figure 2. Appearance of the LSCS panels samples (photo by author) Изображение выглядит как стол, мебель, инструмент, в помещении Автоматически созданное описание а б Рис. 3. Экспериментальная установка (фото автора) Figure 3. Experimental setup (photo by author) Нагружение происходило с помощью трех гидравлических домкратов, соединенных в единую систему, поддерживающую равенство усилий в каждом из них, упирающихся в жесткую металлическую траверсу в виде стального условно недеформируемого швеллера, закрепленного к силовому полу с помощью двух стоек. Домкраты передают усилия через распределительные металлические элементы на бетонные призмы сечением 150×150 мм и длиной 800 мм, совпадающей с шириной панели. Данные бетонные призмы (6 шт.) имитируют сосредоточенную нагрузку на испытываемую панель. Между панелью и бетонным призмами во избежание разрушения по бетону проложены деревянные прокладки по всей поверхности контакта призм и панели. Таким образом, в экспериментальной установке (рис. 3, а) каждый домкрат передает на панель по две полосовые (перпендикулярно пролету) нагрузки, что в совокупности соответствует балке с шестью сосредоточенными нагрузками, расположенными на равном расстоянии друг от друга (рис. 4). Данное загружение можно считать эквивалентным равномерно распределенной нагрузке. Рис. 4. Испытательная схема Figure 4. The test scheme Общий вес распределительных элементов составил 2,55 кН. Измерение перемещений производилось с помощью тензометров Т1 и Т2, расположенных посередине пролета плиты - с двух ее сторон. Исследовано два образца панелей. В качестве аналитической модели эксперимента примем балку с эпюрой моментов, представленной на рис. 5. Рис. 5. Расчетная схема и эпюра изгибающих моментов от заданной нагрузки Figure 5. Calculation scheme and diagram of bending moments from the specified load Для определения перемещения рассмотрим вспомогательное загружение системы единичной силой с эпюрой моментов на рис. 6. Изображение выглядит как линия, диаграмма, текст Автоматически созданное описание Рис. 6. Расчетная схема и эпюра моментов от единичной силы Figure 6. Calculation scheme and diagram of bending moments from a unit load Для определения перемещений воспользуемся формулой Максвелла - Мора (1) и, подставив значения эпюр (рис. 5-6), получим результат: (1) Определим изгибную жесткость конструкции на изгиб как сумму жесткостей пенобетона и профильной стали: (2) 3. Результаты и обсуждение Расчетные значения моментов инерции для пенобетона и для профильной стали типа ГПС (2 шт., рис. 1) составят соответственно (3) Модули деформации пенобетона и профильной стали Eb = 960·106 Па (для марки пенобетона при средней плотности D400, СТО 06041112.002[12]); Es = 2,1·1011 Па. Проанализируем прогибы в упругой стадии работы и до достижения значений, предельно допусти- мых по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»: (4) Фактические значения плотностей образцов измерены после вскрытия конструкций по завершении эксперимента и отличаются от заявленных. Следовательно, изменится и значение модулей упругости: - для образца 1: ρ1 = 413 кг/м3 и Eb1 = 1075·106 Н/м2; - для образца 2: ρ2 = 325 кг/м3 и Eb1 = 669·106 Н/м2. Допустимое отклонение средней плотности пенобетона по стандарту российской организации ООО «СОВБИ» СТО 06041112.001, приложение Е[13] относительно марки D400 для серии образцов составляет 39 кг/м3 для первой категории качества. Отклонение средней плотности пенобетона образца 1 не превышает допустимого значения, а для образца 2 превышает допустимое значение на 36 кг/м3. Однако это несоответствие не повлияет существенно на результаты исследования, так как у данного образца наибольшая несущая способность. Расчетные значения прогибов и их сравнение с экспериментальными значениями для двух образцов представлены на рис. 7-8. Рис. 7. График деформирования, образец 1 Figure 7. Deformation graph, sample 1 Рис. 8. График деформирования, образец 2 Figure 8. Deformation curve, sample 2 В образце 1 максимальная нагрузка составила 12,75 кН на один домкрат. При усилии в каждом домкрате, равном 9,88 кН (что соответствует равномерно распределенной нагрузке на плиту 9,44 кН/м2), фактический прогиб достигнет предельно допустимого значения fu = 19,25мм (что соответствует расчетному прогибу по линейной методике, равному 15,265 мм, и 78 % несущей способности образца). При этом, начиная с усилия в каждом домкрате 6,0 кН (что соответствует равномерно распределенной нагрузке на панель 5,73 кН/м2), необходимо учитывать нелинейную работу пенобетона, что составляет 61 % от нагрузки, соответствующей предельному прогибу. В образце 2 максимальная нагрузка составила 17,66 кН на один домкрат. При усилии в каждом домкрате, равном 12,8 кН (что соответствует равномерно распределенной нагрузке на панель 12,23 кН/м2), фактический прогиб достигнет предельно допустимого значения fu = 19,25 мм (что соответствует 72 % несущей способности образца). В пределах нагрузок, соответствующих допустимому прогибу, работа образца оказалась приближенной к линейной. Из проведенных расчетов можно сделать вывод, что визуальная разница на графиках между эксплуатационными значениями и аналитическим решением обусловлена неучетом жесткости фиброцементных панелей. Учет жесткости фиброцементных панелей не представляется целесообразным ввиду возможности демонтажа или замены листов обшивки данного типа на другие (в ходе проектирования, строительства, а также ремонта помещений) 4. Заключение По результатам исследования можно сделать следующие выводы: 1. Установлено, что изгибаемые ЛСБК из монолитного пенобетона плотностью D400 в целом работают физически нелинейно. 2. На линейном участке работы (до достижения 60 % предельно допустимого прогиба L/200) продемонстрирована допустимость определения изгибной жесткости панелей перекрытий из ЛСБК как суммы жесткостей профильной стали и пенобетона; показана достоверность предложенной методики в пределах линейной работы. При прогибах в диапазоне от 60 до 100 % от L/200 в практических расчетах рекомендуется применять повышающий коэффициент 1,3. При необходимости эксплуатации конструкции при прогибах, превышающих L/200, величину перемещений необходимо устанавливать на основании численного моделирования в нелинейной постановке. 3. Экспериментально и теоретически доказано, что изгибная жесткость панелей на основе ЛСБК больше изгибной жесткости аналогичных панелей из ЛСТК на величину около 30 %, что в целом коррелирует с результатами анализа несущей способности и коэффициентом условий работы, изложенными в ранних трудах автора.

Об авторах

Владимир Александрович Рыбаков

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Автор, ответственный за переписку.
Email: fishermanoff@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2299-3096

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

Санкт-Петербург, Российская Федерация

Список литературы