Численное моделирование железобетонных перекрытий из сборных плит по стальным балкам

Введение. В современных многоэтажных зданиях, строящихся из различных материалов, все больше применяется стальной каркас, который обеспечивает гибкость планировочных решений и сокращает сроки строительства. Различные типы перекрытий, такие как монолитные железобетонные плиты и сборные многопустотные плиты, позволяют ускорить монтаж и повысить прочность конструкции, а также обеспечивают передачу горизонтальных нагрузок. Для оптимального проектирования перекрытий из сборных плит, особенно опирающихся на нижнюю полку стальных балок, необходимо использовать численное моделирование методом конечных элементов, чтобы точно учесть особенности работы конструкций и повысить их эффективность.

Материалы и методы. При формировании конечно-элементной модели использованы стержневые элементы для колонн и балок, а также конечные оболочечные элементы для плит перекрытия, что дает возможность точно моделировать их жесткость и поведение под нагрузками. Для учета особенностей работы сборных железобетонных плит рассмотрено несколько подходов: применение жестких вставок и триангуляция контура, а также создание шарниров с расшивкой узлов для моделирования соединений и совместной работы элементов. В расчетах использовались численные параметры жесткости и закрепления, а также учтены особенности опирания и эксцентриситетов, что повышает точность моделирования и позволяет оценить усилия и прогибы в конструкции.

Результаты. Определены максимальные вертикальные перемещения балок для обоих рассмотренных вариантов численного моделирования. Получены изгибающие моменты в балках и выполнено сравнение полученных значений для численного и теоретического расчетов.

Выводы. Численные исследования показали, что вариант с моделированием сборных железобетонных плит с помощью триангуляции контура (без использования жестких вставок) более точно отражает характер работы конструкции перекрытия. Усилия в балках, полученные при этом способе моделирования, оказываются больше, чем при использовании в модели жестких вставок.

1. Lawson R.M., Ogden R.J., Rackham J.W. Steel in multi-storey residential buildings. Steel Construction Institute, 2004. 68 p.

2. Туснин А.Р., Вараксин П.А. Типовой стальной каркас пятиэтажного здания // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 10. С. 45–49. EDN SKGHNZ.

3. Карасев Д.О., Шипилова Н.А., Арутунян М.С. Малоэтажное строительство. Виды строительных материалов для возведения зданий // Интернет-журнал Науковедение. 2016. Т. 8. № 3 (34). С. 121. EDN WIRKDJ.

4. Сазонова Т.В., Казаков Д.С. Малоэтажное строительство. Проблемы и решения // Вестник УГУЭС. Наука, образование, экономика. Серия: Экономика. 2014. № 1 (7). С. 194–198. EDN SJNAPJ.

5. Павлов А.Б., Айрумян Э.Л., Камынин С.В., Каменщиков Н.И. Быстровозводимые малоэтажные жилые здания с применением легких стальных тонкостенных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 9. С. 51–53. EDN HVAZXX.

6. Туснин А.Р. Перекрытия многоэтажных зданий со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 8. С. 10–14. EDN SGGTOM.

7. Туснин А.Р. Облегченные перекрытия многоэтажных зданий со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 10. С. 99–103. EDN WWMTNV.

8. Конструкции гражданских зданий / под ред. М.С. Туполева. М. : Архитектура-С, 2007. 239 с. EDN OWONHR.

9. Соловьёв А.К., Туснина В.М. Архитектура зданий : учебник. М. : Академия, 2014. 334 с.

10. Трофимов Д.С., Суходолов М.В. Исследование численной модели монолитного перекрытия по металлическим балкам в ПК Ansys // Молодой ученый. 2022. № 21 (416). С. 70–73. EDN TRYJMQ.

11. Pari M., Van de Graaf A.V., Hendriks M.A.N., Rots J.G. A multi-surface interface model for sequentially linear methods to analyse masonry structures // Engineering Structures. 2021. Vol. 238. P. 112123. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112123

12. Туснин А.Р., Коляго А.А. Конструкция и работа сталежелезобетонного перекрытия с использованием сборных пустотных железобетонных плит // Современная наука и инновации. 2016. № 3 (15). С. 141–147. EDN YPKUYB.

13. Конин Д.В. Напряжения и сдвиг сталежелезобетонных перекрытий со сборными элементами и стальными балками // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. Т. 25. № 4. С. 98–115. DOI: 10.31675/1607-1859-2023-25-4-98-115. EDN RFDPNF.

14. Way A.G.J., Cosgrove T.C., Brettle M.E. Precast concrete floors in steel framed buildings. Steel Construction Institute, 2007. 101 p.

15. Lam D. Designing composite beams with precast hollowcore slabs to Eurocode 4 // Advanced Steel Construction. 2007. Vol. 3. Issue 2. Pp. 594–606. DOI: 10.18057/IJASC.2007.3.2.5

16. Alqawzai S., Chen K., Shen L., Ding M., Yang B., Elchalakani M. Load-Bearing Capacity of Steel Beams with Precast Concrete Slabs: Numerical and Experimental Study // Journal of Constructional Steel Research. 2020. Vol. 170. P. 106115. DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106115