Прочность элементов объединения железобетона и стали в виде арматурных стержней-упоров в комбинированных балках

Введение. Обеспечение совместной работы компонентов сталежелезобетонных конструкций является важнейшей задачей при их проектировании. В настоящее время в зарубежной практике строительства набирает популярность новый вид противосдвиговых соединений, выполненных посредством пропущенных через отверстия в стенках стальных профилей арматурных стержней. Достоинствами данного технического решения является независимость от производителя упоров, относительная простота и отсутствие сварочных процессов при их установке. Также важным является возможность использования стержней-упоров в перекрытиях, в которых высота железобетонной плиты близка к высоте стальной балки.

Целью работы является разработка методики расчета на сдвиг сталежелезобетонных конструкций с применением в качестве противосдвиговых упоров арматурных стержней, пропущенных через отверстия в стальных профилях.

Материалы и методы. Разработка инженерной методики выполнена на основе результатов экспериментальных исследований и анализа существующего мирового опыта по расчету сдвиговых соединений, выполненных посредством пропущенных через отверстия в стенках стальных двутавровых профилей арматурных стержней.

Результаты. Представлено описание исследуемых моделей, приведены особенности использованных при изготовлении моделей материалов и их характеристики. Приведены данные об экспериментальном оборудовании, схеме испытания и нагружения конструкций. Представлены общие виды и характер разрушения, графические результаты испытаний.

Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных данных.

Выводы. Главными факторами при определении несущей способности рассматриваемых соединений являются диаметр и прочность арматурных стержней. Прослеживается почти прямая зависимость между увеличением диаметра арматурного стержня, пропущенного сквозь отверстие, и несущей способностью модели. Изученные стержни-упоры в составе сталежелезобетонных перекрытий позволяют надежно объединять стальную и железобетонную части составной конструкции. Соединение работает на сдвиг и воспринимает существенные нагрузки вплоть до деформаций смещения 40–50 мм. На основе выполненных экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета прочности объединения железобетона со стальными профилями посредством арматурных стержней, пропущенных через отверстия в стенке стального профиля.

1. Friberg B.F. Design of Dowels in Transverse Joints of Concrete Pavements. Amercian Society of Civil Engineers (ASCE), 1938, pp.1809–1828.

2. Rasmussen B.H. The Carrying Capacity of Transversely Loaded Bolts and Dowels Embedded in Concrete. Bygningsstatiske Meddelelser, 1963, pp. 39–56.

3. Tanaka Y., Murakoshi Y. Reexamination of Dowel Behavior of Steel Bars Embedded in Concrete. American Concrete Institute (ACI) Structural Journal, 2011, pp. 659–679.

4. Dulacska H. Dowel action of reinforcement crossing cracks in concrete. Journal of the American Concrete Institute (ACI), 1972, pp. 654–757.

5. Sorensen J.H., Hoang L.C., Olesen J.F., Fischer G. Testing and modeling dowel and catenary action in rebars crossing shear joints in RC. Engineering Structures, 2017, pp. 234–245. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.05.020

6. Huo B.Y., D’Mello C. Push-out tests and analytical study of shear transfer mechanisms in composite shallow cellular floor beams. Journal of Constructional Steel Research, 2013, pp. 191–205. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2013.05.007

7. Toi Limazie, Shiming Chen. Effective Shear Connection for Shallow Cellular Composite Floor Beams. Journal of Constructional Steel Research, 2017, vol. 128, pp. 772–778. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.10.010

8. Toi Limazie, Shiming Chen. FE modeling and numerical investigation of shallow cellular composite floor beams. Journal of Constructional Steel Research, 2016, vol. 119, 190–201. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2015.12.022

9. Braun M. Investigation of the Load-Bearing Behaviour of CoSFB-Dowels: DISSERTATION Defence held on 11/06/2018 in Luxembourg – Luxembourg, 2018. 206 p. Available at: https://hdl.handle.net/10993/36873

10. Braun M., Hechler O., Obiala R. et al. Experimentelle Untersuchungen von Slim-Floor-Tragern in Verbundbauweise. Anwendung von tiefliegenden Betondubeln bei Slim-Floor-Konstruktionen – CoSFB. Stahlbau, 2014, vol. 83, pp. 741–749. DOI: https://doi.org/10.1002/stab.201410204

11. Braun M. Anwendung von tiefliegenden Betondubeln bei Slim-Floor-Konstruktionen – CoSFB. Stahlbau, 2014, vol. 83, pp. 302–308. DOI: https://doi.org/10.1002/stab.201410154.

12. Therese Sheehan, Xinghe Dai, Kan Zhou. Flexural behaviour of composite slim floor beams. Structures, 2019, vol. 21, pp. 22–32. DOI: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.06.021

13. Dai X., Lam D., Sheehan T., Yang J., Zhou K. Effect of dowel shear connector on performance of slim-floor composite shear beams. Journal of Constructional Steel Research, 2020, vol. 173, no. 2, p. 106243. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2020.106243

14. Ahmed I.M., Tsavdaridis K.D. The evolution of composite flooring systems: applications, testing, modelling and eurocode design approaches. Journal of Constructional Steel Research, 2019, vol. 155, pp. 286–300. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.01.007.

15. Hicks S.J., Lawson R.M. Design of Composite Beams Using Precast Concrete Slabs. Bracknell: Steel Construction Institute. 2003. 102 p. DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.23890.35529

16. Toi Limazie, Shiming Chen. Composite slim floor beams with innovative shear connections. ICE Proceedings Structures and Buildings, 2017, vol. 171, pp. 29–37. DOI: https://doi.org/10.1680/jstbu.16.00171

17. Braun M., Obiala R., Schafer M. Tragverhalten von CoSFB-Dübeln . Stahlbau, 2019, vol. 88, pp. 642– 652. DOI: https://doi.org/10.1002/stab.201900036.

18. Hechler O., Braun M., Obiala R., Kuhlmann U., Florian Eggert, Hauf G. CoSFB-Composite Slim-Floor Beam: Experimental Test Campaign and Evaluation. International Conference on Composite Construction in Steel and Concrete. North Queensland, 2016. DOI: https://doi.org/10.1061/9780784479735.013

19. Braun M., Hechler O., Birarda V. 140 m2 Column Free Space due to Innovative Composite Slim Floor Design. 9th International Conference on Steel Concrete Composite and Hybrid Structures. Naples, Italy, 2009. 6 p.

20. Hanswille G., Schäfer M. Zur praktischen Ermittlung der Verformungen von Verbundträgern und Flachdeckensystemen unter Berücksichtigung der Nachgiebigkeit der Verbundfuge. Stahlbau, 2007, vol. 76, no. 11, pp. 845–854. DOI: https://doi.org/10.1002/stab.200710090

21. Peikko [website]. DELTABEAM with steel decking: a perfect match for lightweight slim floor structure. URL: https://www.peikko.com/reference/hannamdong-sales-facility/

22. Феоктистов А.Л. Анализ результатов международных исследований стержней-упоров из арматуры в комбинированных балках // Строительная механика и расчет сооружений. 2025. Т. 319. № 2. С. 54–63. DOI: https://doi.org/10.37538/0039–2383.2025.2.54.63.

23. 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: https://doi.org/10.31675/1607–1859–2023–25–4-98–115

24. Конин Д.В., Крылов А.С., Каприелов С.С., Чилин И.А., Ртищева И.В., Рожкова Л.С. Работа сборных перекрытий с частично обетонированными стальными балками // Теория инженерных сооружений. Строительные конструкции. 2023. Т. 108. № 4. С. 19–32. DOI: https://doi.org/10.33979/2073–7416–2023–108–4-19–32.