Проектирование сталежелезобетонных конструкций зданий в соответствии с Еврокодом 4 и национальными приложениями Украины
Н.А. Беляев, К.В. Калафат, А.С. Билык, А.М. Постернак
2017 г.
Данная публикация освещает проектирование сталежелезобетонных конструкций в соответствии с Еврокодом 4, делая особый акцент на практическом применении, изложенного материала. Публикация разделена на несколько основных тематик в зависимости от соответствующего этапа проектирования конструкции: расчета, конструирования, расчета огнестойкости и проектирования огнезащиты. Каждый из разделов включает теоретическую и практическую части с примерами расчета.
Изложенный материал охватывает обе основные для сталежелезобетонных конструкций расчетные ситуации: этап строительства и этап эксплуатации, соответствующие требования, нагрузки и расчетные предпосылки.
Так как наиболее распространенными и рациональными типами сталежелезобетонных конструкций в мировой практике считаются шарнирно опертые балки и монолитные плиты перекрытий по профилированному настилу, в данной публикации им уделено особое внимание.
С целью обеспечить максимальное прикладное использование проектировщиками материалов данной публикации в ней рассмотрен ряд численных примеров.
Оглавление
1 ВВЕДЕНИЕ 10
1.1 Цели и область применения 10
1.2 Преимущества сталежелезобетонных перекрытий 15
1.3 Преимущества сталежелезобетонных колонн 20
1.4 Структура 22
1.5 Термины и определения 23
1.6 Обозначения 24
2 Материалы и компоненты 28
2.1 Конструкционная сталь 28
2.2 Соединительные элементы (анкерные упоры) 30
2.3 Профилированные стальные настилы 35
2.4 Другие типы и интересные решения настилов 43
2.5 Бетон 48
2.6 Арматурная сталь 53
3 Нагрузки и воздействия 58
3.1 Общие положения 58
3.2 Нагрузки и воздействия на этапе строительства 61
3.2.1 Постоянные нагрузки на этапе строительства 61
3.2.2 Переменные нагрузки на этапе строительства 62
3.2.3 Комбинации нагрузок на этапе строительства 66
3.2.3.1 Предельные состояния по несущей способности 66
3.2.3.2 Предельные состояния по эксплуатационной пригодности 67
3.3 Нагрузки и воздействия на этапе эксплуатации 68
3.3.1 Предельные состояния по несущей способности 68
3.3.2 Предельные состояния по эксплуатационной пригодности 70
3.3.3 Аварийные ситуации и обеспечение живучести 71
4 Определение внутренних усилий 76
4.1 Создание расчетной модели 76
4.2 Учет геометрической нелинейности 76
4.3 Учет несовершенств 79
4.4 Методы расчета 86
4.4.1 Расчет в упругой стадии (линейно-упругий) 87
4.4.1.1 Ползучесть и усадка 87
4.4.1.2 Образование трещин 93
4.4.1.3 Последовательность возведения 94
4.4.1.4 Ограниченное перераспределение усилий при расчете в упругой стадии 95
4.5 Классификация поперечных сечений 97
5 ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 102
5.1 Расчет на этапе строительства 102
5.1.1 Расчет настила 102
5.1.1.1 Несущая способность на изгиб 103
5.1.1.2 Несущая способность на сдвиг 104
5.1.1.3 Несущая способность по действию локальной поперечной нагрузки 105
5.1.1.4 Совместное действие поперечного и осевого усилия с изгибающим моментом 108
5.1.1.5 Совместное действие изгибающего момента и локальной нагрузки (опорной реакции) 109
5.1.2 Расчет балок настила 109
5.1.2.1 Несущая способность балки на изгиб 110
5.1.2.2 Несущая способность балки при действии поперечной силы 111
5.1.2.3 Несущая способность балки при совместном действии изгибающего момента и поперечной силы 113
5.1.2.4 Несущая способность балки по критерию устойчивости плоской формы изгиба 114
Общий случай для элементов постоянного сечения 115
Кривые потери устойчивости плоской формы изгиба для прокатных и эквивалентных сварных сечений 116
Критический момент потери устойчивости в упругой стадии 117
5.2 Расчет на этапе эксплуатации 120
5.2.1 Сталежелезобетонные плиты 120
5.2.1.1 Несущая способность на изгиб 121
Расчетное сечение 121
Расчет на изгиб при полном сдвиговом соединении 121
Расчет на изгиб при частичном сдвиговом соединении 125
Эмпирический m-k метод проверки продольного сдвига 127
Концевая анкеровка 129
5.2.1.2 Несущая способность на сдвиг в вертикальной плоскости 130
Расчетное сечение 130
Расчет на сдвиг в вертикальной плоскости 130
5.2.1.3 Несущая способность на действие локальных нагрузок 132
Расчетное сечение 132
Расчет на поперечный изгиб 134
Расчет на продавливание 135
5.2.2 Сталежелезобетонные балки 136
5.2.2.1 Несущая способность балки на изгиб 137
Расчетное сечение 137
Несущая способность на изгиб в пластической стадии с полным сдвиговым соединением 140
Несущая способность на изгиб в пластической стадии с частичным сдвиговым соединением 144
Балки с обетонированнием стенки 148
Несущая способность на изгиб с учетом физической нелинейности материалов 148
Несущая способность на изгиб в упругой стадии 149
5.2.2.2 Несущая способность балки на сдвиг 149
Расчетное сечение 149
Расчет на сдвиг 150
5.2.2.3 Несущая способность балки при совместном действии изгибающего момента и поперечной силы 150
5.2.2.4 Несущая способность балки по критерию устойчивости плоской формы изгиба 151
Упрощенная проверка элементов зданий без непосредственных вычислений 152
Проверка для сечений неразрезных балок Классов 1, 2 и 3 по модели U-образной рамы 153
5.2.2.5 Несущая способность стенки балки при действии локальных поперечных нагрузок 158
5.2.2.6 Анкерные упоры 158
Стад-болты 159
Анкерные упоры Hilti X-HVB 162
Гибкие упоры в виде прокатных швеллеров без подкрепляющих ребер 163
Уголковые упоры с арматурным анкером в сплошных плитах 164
Наклонные и петлевые анкеры в сплошных плитах 165
Жесткие упоры с гибкими наклонными либо петлевыми анкерами в сплошных плитах 166
5.2.2.7 Расчет на продольный сдвиг 168
Расчетное сечение 168
Определение касательных напряжений от усилий продольного сдвига 170
Расчет условных сжатых бетонных подкосов 172
Расчет поперечной арматуры 173
5.2.3 Сталежелезобетонные колонны 174
5.2.3.1 Общий метод расчета 175
5.2.3.2 Упрощенный метод расчета 176
Классификация 176
Область применения упрощенного метода 177
Расчетное сечение 180
Местная потеря устойчивости 180
Несущая способность по прочности сечения на сжатие 181
Несущая способность по устойчивости элемента при центральном сжатии 183
Проверка несущей способности сжато-изогнутого элемента 188
Усилия сдвига и их влияние на кривую взаимодейтсвия 196
Сдвиговое соединение и приложение нагрузки 197
Сдвиговое соединение в зонах приложения нагрузки 198
Сдвиговое соединение за пределами зон приложения нагрузки 207
6 ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ 209
6.1.1 Расчет на этапе строительства 214
6.1.1.1 Расчет настила 214
Расчетное сечение 214
Определение прогибов 215
6.1.1.2 Расчет балок настила 217
Расчетное сечение 217
Определение прогибов 217
6.1.2 Расчет на этапе эксплуатации 219
6.1.2.1 Расчет сталежелезобетонных плит 219
Расчетное сечение 219
Определение прогибов 221
Контроль вибраций 223
Трещиностойкость 223
6.1.2.2 Расчет сталежелезобетонных балок 224
Расчетное сечение 224
Определение прогибов 225
Контроль напряжений 232
Контроль вибраций 233
Трещиностойкость 235
6.1.2.3 Расчет сталежелезобетонных колонн 242
7 Рабочие примеры 243
7.1 Монолитная сталежелезобетонная плита по профилированному настилу 243
7.2 Однопролетная шарнирно опертая сталежелезобетонная балка с плитой по профилированному настилу 268
7.3 Центрально сжатая сталежелезобетонная колонна с сечением из круглого замкнутого профиля, заполненного бетоном 299
7.4 Сталежелезобетонная сжато-изогнутая колонна с двутавровым частично обетонированным сечением 309
8 КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ 348
8.1 Конструирование сталежелезобетонных плит 348
8.1.1 Крепление настилов 348
8.1.2 Опирание плит 352
8.1.3 Армирование плит 357
8.1.4 Проемы в перекрытиях 360
8.1.5 Торцы перекрытий 362
8.2 Балки настила 364
8.3 Расположение соединительных элементов (анкерных упоров) в сталежелезобетонных балках 374
8.4 Защитный слой 385
8.5 Анкеровка арматуры 389
8.6 Перехлест арматуры 393
8.7 Конструирование сталежелезобетонных колонн 397
9 РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СООТВЕТСТВИИ С ЕВРОКОДАМИ 400
9.1 Основные положения противопожарного проектирования 400
9.1.1 Варианты расчета огнестойкости сталежелезобетонных конструкций 401
9.1.2 Температурные режимы 401
9.1.2.1 Номинальные температурно-временные зависимости 402
9.1.2.2 Стандартный температурный режим 402
9.1.2.3 Температурный режим наружного пожара ef 402
9.1.2.4 Температурный режим углеводородного пожара HC 403
9.1.2.5 Параметрические температурно-временные зависимости 403
9.1.3 Основные принципы расчета конструкций в условиях пожара 403
9.2 Свойства материалов 405
9.2.1 Теплофизические свойства 405
9.2.2 Механические и деформационные свойства конструкционной стали 408
9.2.3 Механические и деформационные свойства бетона 410
9.2.4 Механические и деформационные свойства арматурных сталей 412
9.2.5 Механические и деформационные свойства болтовых и сварных соединений 412
9.3 Методика расчета огнестойкости сталежелезобетонных конструкций 413
9.3.1 Основные положения 413
9.3.2 Конструирование 415
9.3.2.1 Балки и колонны с частичным обетонированием 415
9.3.2.2 Трубобетонные колонны 416
9.3.2.3 Узлы примыкания балок к колоннам 416
9.3.3 Упрощенные расчетные методики 417
9.3.4 Табличные данные 420
9.3.4.1 Балки с частичным обетонированием сечения 420
9.3.4.2 Колонны с частичным обетонированием сечения 423
9.3.4.3 Колонны с полным обетонированием сечения 424
9.3.4.4 Трубобетонные колонны 425
9.3.5 Уточненные расчетные модели 429
9.4 Огнезащита сталежелезобетонных конструкций 430
9.5 Рабочие примеры 431
9.5.1 Расчет сталежелезобетонной балки без обетонирования сечения 431
9.5.2 Расчет огнестойкости сталежелезобетонной плиты согласно ДСТУ-Н Б EN 1994-1-2 435
10 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 442
ПРИЛОЖЕНИЕ A РЕКОМЕНДУЕМАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ ЭЛЕМЕНТОВ 444
А.1. Учет геометрической нелинейности 444
А.2. Учет ползучести 445
А.3. Учет усадки 446
А.4. Учет образования трещин 447
А.5. Расчет неразрезной сталежелезобетонной плиты 448
А.6.1 Расчет шарнирно опертой однопролетной сталежелезобетонной балки по несущей способности 449
А.6.2 Расчет шарнирно опертой однопролетной сталежелезобетонной балки по эксплуатационной пригодности 450
А.7. Расчет центрально сжатой колонны 451
А.8. Расчет сжато-изогнутой колонны 452
1.1 Цели и область применения 10
1.2 Преимущества сталежелезобетонных перекрытий 15
1.3 Преимущества сталежелезобетонных колонн 20
1.4 Структура 22
1.5 Термины и определения 23
1.6 Обозначения 24
2 Материалы и компоненты 28
2.1 Конструкционная сталь 28
2.2 Соединительные элементы (анкерные упоры) 30
2.3 Профилированные стальные настилы 35
2.4 Другие типы и интересные решения настилов 43
2.5 Бетон 48
2.6 Арматурная сталь 53
3 Нагрузки и воздействия 58
3.1 Общие положения 58
3.2 Нагрузки и воздействия на этапе строительства 61
3.2.1 Постоянные нагрузки на этапе строительства 61
3.2.2 Переменные нагрузки на этапе строительства 62
3.2.3 Комбинации нагрузок на этапе строительства 66
3.2.3.1 Предельные состояния по несущей способности 66
3.2.3.2 Предельные состояния по эксплуатационной пригодности 67
3.3 Нагрузки и воздействия на этапе эксплуатации 68
3.3.1 Предельные состояния по несущей способности 68
3.3.2 Предельные состояния по эксплуатационной пригодности 70
3.3.3 Аварийные ситуации и обеспечение живучести 71
4 Определение внутренних усилий 76
4.1 Создание расчетной модели 76
4.2 Учет геометрической нелинейности 76
4.3 Учет несовершенств 79
4.4 Методы расчета 86
4.4.1 Расчет в упругой стадии (линейно-упругий) 87
4.4.1.1 Ползучесть и усадка 87
4.4.1.2 Образование трещин 93
4.4.1.3 Последовательность возведения 94
4.4.1.4 Ограниченное перераспределение усилий при расчете в упругой стадии 95
4.5 Классификация поперечных сечений 97
5 ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 102
5.1 Расчет на этапе строительства 102
5.1.1 Расчет настила 102
5.1.1.1 Несущая способность на изгиб 103
5.1.1.2 Несущая способность на сдвиг 104
5.1.1.3 Несущая способность по действию локальной поперечной нагрузки 105
5.1.1.4 Совместное действие поперечного и осевого усилия с изгибающим моментом 108
5.1.1.5 Совместное действие изгибающего момента и локальной нагрузки (опорной реакции) 109
5.1.2 Расчет балок настила 109
5.1.2.1 Несущая способность балки на изгиб 110
5.1.2.2 Несущая способность балки при действии поперечной силы 111
5.1.2.3 Несущая способность балки при совместном действии изгибающего момента и поперечной силы 113
5.1.2.4 Несущая способность балки по критерию устойчивости плоской формы изгиба 114
Общий случай для элементов постоянного сечения 115
Кривые потери устойчивости плоской формы изгиба для прокатных и эквивалентных сварных сечений 116
Критический момент потери устойчивости в упругой стадии 117
5.2 Расчет на этапе эксплуатации 120
5.2.1 Сталежелезобетонные плиты 120
5.2.1.1 Несущая способность на изгиб 121
Расчетное сечение 121
Расчет на изгиб при полном сдвиговом соединении 121
Расчет на изгиб при частичном сдвиговом соединении 125
Эмпирический m-k метод проверки продольного сдвига 127
Концевая анкеровка 129
5.2.1.2 Несущая способность на сдвиг в вертикальной плоскости 130
Расчетное сечение 130
Расчет на сдвиг в вертикальной плоскости 130
5.2.1.3 Несущая способность на действие локальных нагрузок 132
Расчетное сечение 132
Расчет на поперечный изгиб 134
Расчет на продавливание 135
5.2.2 Сталежелезобетонные балки 136
5.2.2.1 Несущая способность балки на изгиб 137
Расчетное сечение 137
Несущая способность на изгиб в пластической стадии с полным сдвиговым соединением 140
Несущая способность на изгиб в пластической стадии с частичным сдвиговым соединением 144
Балки с обетонированнием стенки 148
Несущая способность на изгиб с учетом физической нелинейности материалов 148
Несущая способность на изгиб в упругой стадии 149
5.2.2.2 Несущая способность балки на сдвиг 149
Расчетное сечение 149
Расчет на сдвиг 150
5.2.2.3 Несущая способность балки при совместном действии изгибающего момента и поперечной силы 150
5.2.2.4 Несущая способность балки по критерию устойчивости плоской формы изгиба 151
Упрощенная проверка элементов зданий без непосредственных вычислений 152
Проверка для сечений неразрезных балок Классов 1, 2 и 3 по модели U-образной рамы 153
5.2.2.5 Несущая способность стенки балки при действии локальных поперечных нагрузок 158
5.2.2.6 Анкерные упоры 158
Стад-болты 159
Анкерные упоры Hilti X-HVB 162
Гибкие упоры в виде прокатных швеллеров без подкрепляющих ребер 163
Уголковые упоры с арматурным анкером в сплошных плитах 164
Наклонные и петлевые анкеры в сплошных плитах 165
Жесткие упоры с гибкими наклонными либо петлевыми анкерами в сплошных плитах 166
5.2.2.7 Расчет на продольный сдвиг 168
Расчетное сечение 168
Определение касательных напряжений от усилий продольного сдвига 170
Расчет условных сжатых бетонных подкосов 172
Расчет поперечной арматуры 173
5.2.3 Сталежелезобетонные колонны 174
5.2.3.1 Общий метод расчета 175
5.2.3.2 Упрощенный метод расчета 176
Классификация 176
Область применения упрощенного метода 177
Расчетное сечение 180
Местная потеря устойчивости 180
Несущая способность по прочности сечения на сжатие 181
Несущая способность по устойчивости элемента при центральном сжатии 183
Проверка несущей способности сжато-изогнутого элемента 188
Усилия сдвига и их влияние на кривую взаимодейтсвия 196
Сдвиговое соединение и приложение нагрузки 197
Сдвиговое соединение в зонах приложения нагрузки 198
Сдвиговое соединение за пределами зон приложения нагрузки 207
6 ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ 209
6.1.1 Расчет на этапе строительства 214
6.1.1.1 Расчет настила 214
Расчетное сечение 214
Определение прогибов 215
6.1.1.2 Расчет балок настила 217
Расчетное сечение 217
Определение прогибов 217
6.1.2 Расчет на этапе эксплуатации 219
6.1.2.1 Расчет сталежелезобетонных плит 219
Расчетное сечение 219
Определение прогибов 221
Контроль вибраций 223
Трещиностойкость 223
6.1.2.2 Расчет сталежелезобетонных балок 224
Расчетное сечение 224
Определение прогибов 225
Контроль напряжений 232
Контроль вибраций 233
Трещиностойкость 235
6.1.2.3 Расчет сталежелезобетонных колонн 242
7 Рабочие примеры 243
7.1 Монолитная сталежелезобетонная плита по профилированному настилу 243
7.2 Однопролетная шарнирно опертая сталежелезобетонная балка с плитой по профилированному настилу 268
7.3 Центрально сжатая сталежелезобетонная колонна с сечением из круглого замкнутого профиля, заполненного бетоном 299
7.4 Сталежелезобетонная сжато-изогнутая колонна с двутавровым частично обетонированным сечением 309
8 КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ 348
8.1 Конструирование сталежелезобетонных плит 348
8.1.1 Крепление настилов 348
8.1.2 Опирание плит 352
8.1.3 Армирование плит 357
8.1.4 Проемы в перекрытиях 360
8.1.5 Торцы перекрытий 362
8.2 Балки настила 364
8.3 Расположение соединительных элементов (анкерных упоров) в сталежелезобетонных балках 374
8.4 Защитный слой 385
8.5 Анкеровка арматуры 389
8.6 Перехлест арматуры 393
8.7 Конструирование сталежелезобетонных колонн 397
9 РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СООТВЕТСТВИИ С ЕВРОКОДАМИ 400
9.1 Основные положения противопожарного проектирования 400
9.1.1 Варианты расчета огнестойкости сталежелезобетонных конструкций 401
9.1.2 Температурные режимы 401
9.1.2.1 Номинальные температурно-временные зависимости 402
9.1.2.2 Стандартный температурный режим 402
9.1.2.3 Температурный режим наружного пожара ef 402
9.1.2.4 Температурный режим углеводородного пожара HC 403
9.1.2.5 Параметрические температурно-временные зависимости 403
9.1.3 Основные принципы расчета конструкций в условиях пожара 403
9.2 Свойства материалов 405
9.2.1 Теплофизические свойства 405
9.2.2 Механические и деформационные свойства конструкционной стали 408
9.2.3 Механические и деформационные свойства бетона 410
9.2.4 Механические и деформационные свойства арматурных сталей 412
9.2.5 Механические и деформационные свойства болтовых и сварных соединений 412
9.3 Методика расчета огнестойкости сталежелезобетонных конструкций 413
9.3.1 Основные положения 413
9.3.2 Конструирование 415
9.3.2.1 Балки и колонны с частичным обетонированием 415
9.3.2.2 Трубобетонные колонны 416
9.3.2.3 Узлы примыкания балок к колоннам 416
9.3.3 Упрощенные расчетные методики 417
9.3.4 Табличные данные 420
9.3.4.1 Балки с частичным обетонированием сечения 420
9.3.4.2 Колонны с частичным обетонированием сечения 423
9.3.4.3 Колонны с полным обетонированием сечения 424
9.3.4.4 Трубобетонные колонны 425
9.3.5 Уточненные расчетные модели 429
9.4 Огнезащита сталежелезобетонных конструкций 430
9.5 Рабочие примеры 431
9.5.1 Расчет сталежелезобетонной балки без обетонирования сечения 431
9.5.2 Расчет огнестойкости сталежелезобетонной плиты согласно ДСТУ-Н Б EN 1994-1-2 435
10 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 442
ПРИЛОЖЕНИЕ A РЕКОМЕНДУЕМАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ ЭЛЕМЕНТОВ 444
А.1. Учет геометрической нелинейности 444
А.2. Учет ползучести 445
А.3. Учет усадки 446
А.4. Учет образования трещин 447
А.5. Расчет неразрезной сталежелезобетонной плиты 448
А.6.1 Расчет шарнирно опертой однопролетной сталежелезобетонной балки по несущей способности 449
А.6.2 Расчет шарнирно опертой однопролетной сталежелезобетонной балки по эксплуатационной пригодности 450
А.7. Расчет центрально сжатой колонны 451
А.8. Расчет сжато-изогнутой колонны 452
Комментарии
Авторизоваться
Отдельное спасибо за качество.