Выбор комбинированных элементов сталебетонных смешанных конструкций
Чтобы повысить жесткость и прочность внешних каркасов сталебетонных смешанных конструкций, часто применяют комбинированные элементы. В главных частях сложных железобетонных конструкций также часто применяют комбинированные элементы. Далее приведен анализ достоинств и недостатков комбинированных элементов.
- Бетонные элементы со стальными профилями
В смешанных конструкциях бетонные элементы с жесткой арматурой являются комбинированными элементами, которые широко применяются при проектировании высотных зданий. Их можно использовать как балки, колонны и стены-диафрагмы. Если добавлять жесткую арматуру в железобетонные элементы, можно значительно повысить их жесткость и несущую способность. А по сравнению со стальными элементами железобетонные элементы с жесткой арматурой имеют высокую жесткость, хорошую огнестойкость и коррозиостойкость.
Железобетонные колонны с жесткой арматурой
Железобетонные конструкции с жесткой арматурой выдерживают значительные нагрузки. Формы сечений колонн с жесткими профилями показаны на рисунке ниже. Исследования показали, что способность к сопротивлению поперечной силе сечения решетчатого типа (е) очень небольшая. Поэтому в настоящее время в основном применяются типы сечений (a)-(d).
Типы сечений железобетонных колонн с жесткой арматурой
Железобетонные колонны с профилями в сравнении с обычными железобетонными колоннами имеют следующие достоинства:
1. меньший размер сечений, малый собственный вес, увеличение используемого пространства
В железобетонных колоннах со стальными профилями несущая способность значительно повышается и особенно повышается сопротивляемость поперечной нагрузке. Это позволяет значительно уменьшать размеры элементов и повышать сейсмостойкие свойства конструкций.
Для обычных железобетонных колонн при сейсмических воздействиях сечение, которое воспринимает поперечную силу, должно удовлетворять следующим условиям:
- отношение высоты здания к высоте сечения > 2: (Hn/2h)
Из приведенных условий ограничения размеров сечений, колонн при сейсмостойких воздействиях, видно, что сечения железобетонных колонн с жесткой арматурой (профилями) могут быть меньше;
2. Более высокая пластичность и лучше свойства сейсмостойкости колонн с жесткой арматурой;
3. высокая скорость возведения каркаса.
Железобетонные колонны с жесткой арматурой в сравнении со стальными колоннами имеют следующие достоинства:
1. внешний бетон предупреждает изгиб локальной части стального профиля, повышает жесткость элементов, и обеспечивает экономию стали;
2. имеет большую жесткость и быстрое затухание колебаний, а также более эффективно с позиций ограничения деформаций конструкций;
3. внешний бетон повышает долговечность и огнестойкость конструкций.
Железобетонные балки с жесткой арматурой
Железобетонные балки с жесткой арматурой (профилями) устанавливают на железобетонных стенах- диафрагмах. Обычный применяемый тип сечения дан на рисунке ниже.
Железобетонные балки с жесткой арматурой
Достоинством железобетонных балок с жесткой арматурой, так же как и для железобетонных колонн с жесткой арматурой, является то что их прочность выше прочности обычных железобетонных балок.
Поверхность профиля покрывает бетон, поэтому в таких балках необходимо контролировать ширину раскрытия трещин. При этом особенно важно обращать внимание на железобетонные балки с профилями большого пролета, для которых ширина трещин является главным ограничивающим фактором.
Железобетонные стены-диафрагмы с жесткой арматурой
Железобетонные стены-диафрагмы с жесткой арматурой - это стены-диафрагмы, в которых установлены профили. Обычно применяемые типы сечений - это железобетонная стена-диафрагма в которой по краям установлены профили.
Железобетонные стены-диафрагмы с профилями
В местах скрытых колонн по их краям также могут устанавливаться профили. Это значительно повышает прочность и деформативность скрытых колонн железобетонных стен-диафрагм. Кроме этого из-за расположения профиля по краю стен-диафрагм соединение между стальными балками и стенами-диа- фрагмами более удобно. Поэтому в смешанных конструктивных системах железобетонные стены-диафрагмы с профилями применяются достаточно широко.
- Железобетонные комбинированные балки с профилями
Профили в железобетонных комбинированных балках устанавливают в растянутых зонах, а бетон - в сжатых зонах.
По сравнению с обычными железобетонными балками комбинированные конструкции позволяют уменьшить расход бетона в растянутых зонах и снизить собственный вес. Для них не требуется выполнение условия по ограничению ширины раскрытия трещин, при действии одинаковых нагрузок комбинированные конструкции имеют меньшую высоту сечения. В тоже время из-за открытых стальных элементов в таких балках, нужно производить мероприятия по повышению огнестойкости и антикоррозиестойкости. Железобетонные комбинированные балки с профилями и железобетонные балки с жесткой арматурой широко используются в высотных зданиях.
- Комбинированные колонны со стальными обоймами
Комбинированные колонны со стальными обоймами конструируются из стальных труб в которые заливается бетон. Обычно применяются колонны с круглыми стальными трубами и колонны с замкнутым прямоугольным поперечным сечением.
Бетонные колонны с круглыми обоймами
Бетонные колонны с круглыми стальными обоймами состоят из стали и бетона, и полностью используют прочность стальных материалов и бетона, усиливая друг друга.
Когда в сжатом бетоне появляются микротрещины, возникают продольные деформации, а наличие внешних стальных труб ограничивает продольные деформации бетона. Бетон находится в сжатом трехосном напряженном состоянии и его прочность намного повышается. В то же время благодаря существованию бетонного ядра ограничивается локальный изгиб внешних обойм, и стальная труба полностью используют свою прочность. Поэтому фактически несущая способность бетонных колонн с круглыми стальными обоймами значительно выше, чем при сложении несущей способности стальных труб и бетона.
Комбинированные колонны со стальными обоймами квадратного (прямоугольного) сечения
Квадратное (прямоугольное) сечение обойм комбинированных колонн также обеспечивает эффект обоймы- для бетона внутри сечения трубы, но этот эффект слабее, чем у комбинированных колонн с круглыми стальными обоймами. Этот эффект связан с толщиной и длиной стальных труб и рядом других факторов.
Комбинированные колонны со стальными обоймами в сравнении с обычными железобетонными колоннами имеют следующие достоинства:
1. стальные обоймы хорошо сопротивляются горизонтальному давлению, а при заливке бетона можно уменьшить количество технологических процессов и снизить стоимость;
2. стальные обоймы сами являются арматурой и несут функцию продольной и поперечной арматуры. Производство стальных труб более технологично, чем у стальных каркасов, из открытых профилей и более пригодно для заливки бетона;
3. стальные трубы сами работает как каркас и скорость их возведения такая же, как и у стальных конструкций.
Комбинированные колонны в сравнении со стальными колоннами из открытых профилей, имеют следующие достоинства:
- хорошая огнестойкость
- большая жесткость и более высокие диссигативные свойства, что полезно для ограничения перемещений конструкций.
Комбинированные колонны с обоймами из круглых стальных труб, в сравнении с комбинированными колоннами с прямоугольными обоймами более рациональны по несущей способности. Комбинированные колонны с круглыми обоймами являются самыми экономичными и рациональными конструкциями. Их несущая способность также сравнительно высокая. С точки зрения архитектурного проектирования, при условии обеспечения одинаковой жесткости, размер сечения квадратной стальной трубы может быть меньше и обеспечить лучшую архитектурную выразительность. Поэтому такие колонны все больше используются во внешних каркасах смешанных конструктивных систем зданий, тем не менее комбинированные колонны с круглыми обоймами это самый рациональный тип конструкций.