Легкие сталебетонные фермы

Бурное развитие легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТK), вопросов их конечноэлементного моделирования, общей и местной устойчивости [1], редукции сечений [2], огнестойкости [3], сейсмостойкости [4], общих вопросов проектирования [5], [6] многочисленные экспериментальные исследования различного типа конструкций ферм [7]–[9], колонн [10], [11], в том числе с использованием комбинированных сечений [12], [13], а также соединений ЛСТК [14] и их активное внедрение в практику строительства привело к появлению большого количества построек данного типа. К сожалению, ошибки при проектировании фундаментов и каркаса здания, ошибки при монтаже конструкций, а также такие запроектные воздействия, такие, как, например, чрезмерно обильные снегопады в сочетании с зимними оттепелями, приводят к неравномерным осадкам основания и недопустимым прогибам в конструкции и ее аварийному состоянию.

Только некоторые, наиболее известные случаи обрушения зданий из ЛСТК, описанные профессором И.И. Ведяковым и некоторыми другими исследователями в [15], [16], представлены в таблице 1.

Table 1. The most well-known failures of LGSS of the beginning of the XXI century

Местоположение	Год	Основные размеры конструкции	Назначение здания	Предполагаемая причина обрушения, кратко
Россия, Домодедовский район Московской области	2008	60х100м, высота 36м	Складское	ошибки при проектировании
Россия, Брянская область	2010	-	Сельскохо зяйственное	ошибки при проектировании
Южная Осетия, Багиатский завод	2013	-	Промышленное	ошибки при проектировании

Таким образом, появляется необходимость усиления аварийных ЛСТК, в том числе ферм, но не все способы усиления стальных ферм, описанные, например, в [17], совместимы с технологией ЛСТК. Необходимо искать способы усиления, наиболее полно совместимые с данной технологией.

В [18] исследована ферма из ЛСТК, сжатый пояс которой заполнен тяжелым бетоном. Это возможно, когда ферма соединена с монолитным перекрытием. Было проведено экспериментальное и численное исследование такой фермы. Исследование показало, что применение бетонного заполнения сжатого пояса повышает жесткость конструкции и позволяет увеличить несущую способность фермы до 46%. Как видим, в данной публикации подтверждается факт повышения несущей способности ЛСТК при заполнении бетоном, однако, во-первых, данная публикация посвящена частному случаю, когда ферма соединена с монолитным перекрытием, и ее верхний пояс заполнен тяжелым бетоном, и, во-вторых, в публикации нет решения, как можно применить данный вид конструкции для усиления аварийной фермы из ЛСТК.

Одним из способов совершенствования технологии ЛСТК, направленных на устранение таких недостатков тонкостенных профилей и наиболее вероятных причин выхода из строя ЛСТК, как потеря общей и местной устойчивости элементов профиля и депланация сечений, является технология, основанная на заполнении пространства между профилями, например, бетоном с заполнителем на песке из пустыни (desert sand) [19] или полистиролбетоном [20].

В литературе описаны особенности совместной работы стали и легкого бетона для стеновой панели [20] панели перекрытия [19] , балки [21] .

К достоинствам композитных конструкций из стали и бетона можно отнести повышение предела огнестойкости таких конструкций по сравнению со стальными [22], [23] и невысокое значение отношения веса к несущей способности, в связи с чем его использование в сейсмических районах является целесообразным, что отмечают Lisantono A., Wigroho H., Sari M. в [24] для плотности пенобетона 1550кг/м3.

Ранее нами были предложены легкие сталебетонные конструкции (ЛСБК), в которых «в качестве заполняющего бетона выступает монолитный пенобетон … марки D100…D1000, в качестве профильной стали, – как правило, ЛСТК, а функцию несъемной опалубки выполняют фиброцементные панели» [25]. Использование пенобетона в ЛСБК позволяет повысить коэффициент условий работы профильной стальной конструкции: в работе [26] нами исследован коэффициент условий работы пенобетонной панели перекрытия, в [27] – коэффициент условий работы стеновой панели, в [28] – изгибная жесткость пенобетонной панели перекрытия; в [29] и [30] - огнестойкость пенобетонной панели перекрытия и стеновой панели, соответственно, при потере несущей способности (R).

Фермы из ЛСБК в целом, ранее ни нами, ни другими исследователями с точки зрения коэффициента условий работы еще не изучались, а также не был предложен соответствующий способ усиления аварийных ферм.

Все вышеуказанное свидетельствует о необходимости проведения дальнейших исследований и позволяет сформулировать цель: предложить способ усиления аварийных ЛСТК, основанный на заполнении пространства между профилями ЛСТК пенобетоном пониженной плотности и изучить напряженно-деформированное состояние полученной конструкции.

Легкие сталебетонные фермы (ЛСБФ) или lightweight steel concrete trusses (LSCT), полученные в результате заполнения аварийной фермы из ЛСТК пенобетоном, являются объектом данного исследования, их напряженно-деформированное состояние – его предметом.

• 2    Materials and Methods

Рассмотрим способ усиления аварийной фермы здания, общий вид которого представлен на рисунке 1. Фотография аварийной фермы из ЛСТК представлена на рисунке 2а. Фотография производства работ по предлагаемой технологии усиления фермы из ЛСТК – на рисунке 2b.

a)

Fig. 1 – The overall view of the building in disrepair

b)

Fig. 2 – The light gauge steel truss to be strengthened: a) The construction of the truss in disrepair; b) The technology of manufacturing the brace-rack prefab-monolithic lightweight steel-concrete structures

Фермы расположены с шагом 6м и имеют три пролета: крайний левый пролет 10м, два пролета по 12 метров. Шаг ферм 6 метров. Схема фермы представлена на рисунке 3.

Вследствие обильных снегопадов в декабре 2023 года, вкупе с оттепелями, снеговая нагрузка превысила проектное значение, а ошибки при учете геологических условий при проектировании фундамента привели к неравномерным осадкам: согласно исполнительной съемке смещение опоры по оси В составило 7 мм, опоры по оси Д1- 17мм, опоры по оси И - 22 мм.

Аварийная ферма поддерживается временными подпорками.

Fig. 3 – The scheme of the truss

Сечения элементов данной фермы представлены на рисунке 4. Сечение верхнего пояса состоит из двух стоечных профилей 250-50-16-1.5 и двух профилей 89-50-16-1.5, нижний пояс состоит из трех профилей 89-50-16-1,5, сечения стоек и раскосов состоят из двух профилей 8950-16-1.5. В местах сопряжения нижнего пояса со стойками сечение усилено профилями 250-5016-1.5.

Fig. 4 – The cross-sections of the elements of the truss: a) top chord; b) bottom chord; c) diagonals d) reinforced bars

Замоделируем данную расчетную ситуацию в SCAD Office : учтем экстремальную снеговую нагрузку с помощью повышающего коэффициента 1.3, неравномерные осадки фундамента зададим с помощью функции «Заданные перемещения» и проведем расчет с учетом геометрической нелинейности. Результат расчета сечений в постпроцессоре «Сталь»

представлен на рисунке 5.

	Critical factor
а П w	0.94                31!
и Пол	1.01                    1
i ■ 1.01	132             23

Fig. 5 – The section utilization factor before strengthening with foam concrete (without consideration the loading sequence)

Проверим, достаточно ли мероприятий по очистке покрытия от снега и устранения неравномерных осадок фундамента для восстановления работоспособности фермы, для этого произведем имитацию ремонтных работ.

Зададим следующие стадии монтажа: исходная стадия, без снеговой нагрузки, возвращение фермы в проектное положение.

Результаты расчета перемещений, усилий и коэффициента использования сечений на третьей стадии монтажа представлены на рисунке 6.

a)

b)

c)

N______________ kN kN

И I 1-263.47 -218.44 20 * |

Hl 1-218.44 -173.42 14

И | 1-173.42 -128.39 49 ' | HI 1-128.39 -83,37 65 "Q

H I I -83.37 -38.34 79 '|

И | | -38.34 8.6910^1

HQ 6.69  61.7159 'Q

-El П 51.71 96.74 58 " И 0И9674 141.76 42 'И

Critical factor

2 И 0.03 0.9937!

20 0,991,010

±f И 1,01 1,47 18

Fig. 6 – The results of the calculation before strengthening with foam concrete ( considering loading sequence). a) Vertical displacements in the construction; b) Longitudinal forces in the construction; с) The section utilization factor

Неработоспособными элементами в данной ферме являются раскосы с площадью сечения A = 6.347см2.

Усилия в данных элементах составляют N= 263.47 кН, таким образом напряжения составят 415МПа, что превышает предел текучести стали С345 в 1.2 раза.

Разработаем способ усиления данной аварийной конструкции пенобетоном «Совби» (производство ООО «Совби», Санкт-Петербург, Россия) с учетом [25] (рисунок 7).

Omega-section profile ПШ-50-1.2

Fig. 7 – The layout of omega-section profiles over the surface of the truss

В качестве несъемной опалубки будем использовать фиброцементные листы толщиной 8мм, которые будем крепить самонарезающими винтами Harpoon (производство группы компаний «Гарпун», Санкт-Петербург, Россия) HD-R 4.8х16 к омега-профилям в шести точках (рисунок 9). Омега-профили ПШ-50-1.2, в свою очередь, разместим по всей площади фермы с шагом 600мм по высоте (Рисунок 8) и прикрепим их к элементам фермы саморезами Harpoon HD-R 5.5х25 [31]. В фиброцементных листах выполним отверстия Ø60мм через каждые 2м по длине фермы для подачи раствора пенобетона. В отдельных местах раскосов целесообразно выполнить отверстия для возможности затекания пенобетона внутрь сечения раскоса.

Имеется возможность применять различные марки бетона от D200 до D1000, в зависимости от степени повреждения конструкции, с увеличением марки бетона увеличивается степень разгрузки усиливаемой конструкции.

A omega-section profile ПШ-50-1.2

* self-tapping screw Harpoon HD-R 5.5x25

Fig. 8 – Fragment 1 of fig. 7. The scheme of omega-section profiles layout

the fiber-cement sheet 1200x600x8 . self-tapping screw Harpoon HD-R 4.8x16

Fig. 8 – Fragment 1 of fig. 7. The fiber-cement sheets layout

Fig. 9 – The A-A cross-section

• 3    Results and Discussion

Сравним результаты усиления конструкции аварийной фермы с заполнением пенобетоном по двум вариантам – плотностью D200 и D400. Добавим в расчетную схему, рассмотренную в предыдущем разделе – еще одну стадию монтажа – заполнение пространства между стержнями фермы пенобетоном (рисунок 10). Будем моделировать пенобетон в виде пластинчатых конечных элементов с шагом 0.3м. Согласно [25] плотность пенобетона D200 – 200кг/м3, модуль упругости – 290МПа, плотность пенобетона D400 – 400кг/м3, модуль упругости – 960МПа.Толщина пластинчатых элементов – 140мм. Результаты расчета представлены на рисунках 11,12.

Fig. 10 – The calculation model after adding finite elements of foam concrete

a

b

c

236.63 -212.8 ?

Critical factor

Ji

МШ2

МП 212.8 M □ 188,9?

МП 165.15

МП 141.32

МП-117.49

М П-93.66

Шкала pi

188.97 1 'j 165,15 2 'j 141.32 1б'[ 117,49 3O'[ ■93.66 3O'[ ■69.84 43'Г

Z mm | min | _______ M| 17.13 16.05 З^И M 0-16,05 -14,97 a'O M П 14.97 13.89 52'1 И 0 -1389 12.81 27*1 M 0-12.81 -11.73 2f|    |

МП H 73-10.65 2^ 1    |

M О-Ю.65 -9,57 2/|   |

M О-9.57 8.5 22'1    |

MO-8-5 -7.42 1t‘Q

a)

b)

c)

Fig.11 – The results of the calculation with D200 foam concrete: a) Vertical displacements in the construction; b) Longitudinal forces in the construction;с) The section utilization factor

Fig.12 – The results of the calculation with D400 foam concrete: a) Vertical displacements in the construction; b) Longitudinal forces in the construction;с) The section utilization factor

Сведем полученные результаты в таблицу 2.

Table 2. Comparison of calculation results before and after adding foam concrete to the calculation model

Состояние конструкции	Максимальные верти кальные перемеще ния, мм	Максимальные продольные усилия в стойках, раскосах, кН	Максимальные напряжения в стойках, раскосах МПа	Максимальный коэффициент использования сечения
До усиления пенобетоном	-20.78	-263.47	415	1.47
После усиления пенобетоном D200	-17.13	-212.8	335	0.87
После усиления пенобетоном D400	-15.16	-187.77	295	0.74

• 4    Conclusions

В результате исследования достигнуты следующие результаты:

• 1)    предложен вариант нестандартного проектного решения для усиления ферм из ЛСТК -легкие сталебетонные фермы (ЛСБФ) , состоящие из стальных тонкостенных оцинкованных профилей и монолитного пенобетона пониженной плотности от 200 кг/м³ до 400 кг/м³ , как способ усиления аварийных ферм на основе ЛСТК.

• 2)    показано, что в результате применения пенобетона марки по плотности D200 для трехпролетной ЛСБФ с пролетами 10 и 12м перемещения в конструкции уменьшились на 17%, внутренние продольные усилия в стойках и раскосах на 20%, коэффициент использования сечения – на 40%.

• 3)    показано, что в результате применения пенобетона марки по плотности D400 для трехпролетной ЛСБФ с пролетами 10 и 12м перемещения в конструкции уменьшились на 27%, внутренние продольные усилия в стойках и раскосах на 29%, коэффициент использования сечения – на 50%.

• 5    Fundings

  Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23–29– 00564, https://rscf.ru/project/23-29-00564/.

• 6    Conflict of Interests

The authors declare no conflict of interest. The funders had no role in the design of the study; in the collection, analyses, or interpretation of data; in the writing of the manuscript; or in the decision to publish the results.