Saint Petersburg, St. Petersburg, Russian Federation
Saki, Moscow, Russian Federation
Veliky Ustyug, Vologda, Russian Federation
UDC 693.5
The article presents information on spatial hybrid structural coatings using steel fiber reinforced concrete and a methodology for calculating their technical and economic indicators depending on the dimensions on the plan, temporary loads, and the materials used. It also provides brief information on known variants of structural coatings, the feasibility of using BIM technology and the Revit program for assessing the technical and economic performance of structural elements using calculation tables developed for this purpose. Steel fiber concrete systems built on the basis of pyramidal elements occupy a special place in the field of modern building structures. The classic configuration involves the location of the pyramid apexes upwards with the obligatory inclusion of stiffening slabs in the overall structure. This solution demonstrates high adaptability to various planning solutions. In parallel, the concept of composite coatings is developing, where the pyramidal elements have the opposite direction of apexes. The structural scheme provides for the use of reinforced concrete foundations and steel tubular elements in tension zones. A characteristic feature is the diagonal distribution of metal elements in the lower chord. The functional advantages of the system lie in the rational use of building materials. The staggered placement of elements opens up opportunities for the effective integration of translucent structures, which positively impacts the indoor microclimate. Analytical studies confirm the superiority of the hybrid system in terms of material consumption. However, a significant factor is noted: the overall height is twice as high as that of traditional regular structures.
steel fiber concrete structures, structural roof elements, steel fiber concrete, pyramidal elements, BIM technologies, hybrid structures.
Введение
В современном строительстве активно применяются три ключевых типа структурных покрытий: металлические конструкции, армоцементные системы и покрытия из сталефибробетона [1].
История развития пространственных металлических конструкций берёт своё начало в период с 1847 по 1922 год, когда выдающийся американский учёный Александр Г. Белл создал первые подобные системы. В отечественной практике широко известны структурные покрытия «Кисловодск», «Берлин» и «ЦНИИСК», которые, согласно экспертным оценкам, демонстрировали до 40% экономии по сравнению с традиционными металлическими конструкциями в середине XX века [2-3].
Эти три направления — металлическое, армоцементное и сталефибробетонное — формируют основу современного конструктивного решения в области структурных покрытий, предлагая строителям разнообразные возможности для реализации архитектурных замыслов.
1. Структурные покрытия гражданских зданий на основе сталефибробетона
При разработке конструкций из сталефибробетона важно правильно подобрать тип армирования, который будет оптимальным для конкретного элемента. Выбор зависит от того, как элемент будет вести себя под нагрузкой, то есть от его напряженно-деформированного состояния. Существует два основных способа армирования таких конструкций: Фибровое армирование — когда используется только стальная фибра, равномерно распределённая по всему объёму бетона; комбинированное армирование — когда одновременно применяются стальная фибра и традиционная арматура (стержневая или проволочная). Такой подход к выбору типа армирования позволяет максимально эффективно использовать прочностные характеристики материала и обеспечить надёжность конструкции в различных условиях работы. Оба метода имеют свои преимущества и могут применяться как по всей площади сечения элемента, так и в отдельных его зонах, где это наиболее целесообразно [4-5].
Рис. 1. Структурное покрытие из армоцементных элементов.
BIM модель конструкции покрытия
В современном строительстве нашли применение два типа структурных покрытий из сталефибробетона. Регулярная конструкция базируется на пирамидальных элементах с направленными вверх вершинами, которые дополняются плитами жесткости. Благодаря такой компоновке возможно эффективное использование покрытия в помещениях различной планировки [6-7].
Параллельно развивается концепция гибридного покрытия, представляющего собой инновационное решение с пирамидальными элементами, ориентированными вершинами вниз. Конструкция включает в себя железобетонные основания и стальные трубы, размещённые в растянутой зоне. Характерной особенностью является формирование нижнего пояса из отдельных металлических труб, создающих диагональную решётку, в то время как верхний пояс сохраняет ортогональную структуру.
Проведённые исследования подтвердили высокую эффективность данной конструктивной системы. Особого внимания заслуживает возможность шахматного размещения элементов, позволяющая устанавливать светоаэрационные фонари с определённым шагом. Это не только улучшает естественное освещение помещения, но и придаёт интерьеру уникальный архитектурный облик [8-].
Сравнительный анализ показал, что гибридная конструкция демонстрирует меньшую материалоёмкость по сравнению с регулярной системой. Однако необходимо учитывать существенный фактор: расчётная высота гибридного покрытия приблизительно в два раза превышает аналогичный показатель традиционной регулярной структуры [10-11].
Рис. 2. Гибридное структурное покрытие с пирамидальными элементами
со сталефибробетонными гранями и железобетонными основаниями,
закреплёнными к растянутому поясу. BIM модель гибридной конструкции покрытия
2. Определение технико-экономических показателей структурных покрытий с использованием элементов BIM
В центре внимания находится инновационная конструкция покрытия, особенностью которой является комбинированная структура с использованием различных материалов. Основу системы составляют пирамидальные элементы, изготовленные из сталефибробетона, которые ориентированы вершинами вниз. Конструкция характеризуется наличием массивного железобетонного основания, обеспечивающего необходимую прочность и устойчивость всей системы.
Особенность данной разработки заключается в том, что растянутый пояс покрытия формируется из стальных труб, которые эффективно работают на растяжение и дополняют несущую способность сталефибробетонных элементов. Такое сочетание разнородных материалов позволяет создать надёжную пространственную систему, где каждый компонент выполняет свою функциональную роль в общей работе конструкции.
Особое значение имеет использование BIM технологий (BIM — Building Information Modelling) при проектировании конструкций со сложной геометрией, таких как структурные покрытия (Рис. 3, 4, 5) [11-12].
С помочи информационной модели конструкции была создана расчетная схема, учитывающая геометрию конструкции, что позволило оценить технико-экономические показатели (Рис. 6) каждого конструктивного элемента покрытия, используя результаты статического (выполненного средствами ПВК SCAD) и конструктивного (средствами программы для ЭВМ расчётов №2012619865 от 31.10.2012 см.) [13-14].
По результатам анализа статического расчета, структурные элементы разделены на группы унификации (Рис 3).
Рис. 3. План раскладки пирамидальных элементов
гибридного структурного покрытия на основе сталефибробетона в осях 1-2/А-Б
Целью проведения оценки технико-экономических показателей для заданного размера и конфигурации покрытия является определение наиболее рациональный (по геометрии, и расходу материалов) варианта сечений и размеров конструктивных элементов [15-17].
Для получения технико-экономических показателей средствами программы Revit сформирована информационная модель структурного элемента. Для упрощения работы и внесения корректировок в размеры элементов и свойства материалов модели присвоены параметры, при изменении которых происходит изменение геометрии с последующим перерасчетом технико-экономических показателей. Параметры информационной модели приведены на Рис. 4.
После создания информационной модели структурного элемента произведена загрузка в проект и компоновка геометрии всего покрытия (Рис. 5), созданы типоразмеры согласно расчетам. Всем типоразмерам присвоен необходимый процент фибрового армирования.
Для получения количества затраченных материалов создана спецификация конструктивных элементов и настроена, согласно необходимой для получения технико-экономических показателей (Таблица 1).
Рис. 4. Пользовательская параметрическая модель структурного элемента,
сформированная средствами программы Revit
Рис. 5. Информационная модель структурного покрытия
с пирамидальными элементами вершиной вниз
Таблица 1.
Технико-экономические показатели групп унификации сталефиброжелезобетонных элементов структурного покрытия
|
Марка элемента |
Кол-во элементов на покрытие, шт. |
Макс. |
Макс. напряжение сжатия, |
Объёмный процент армирования, % |
Масса, т |
Расход бетона, м3 |
|||
|
одного элемента |
на все покрытие |
на элемент |
на всё покрытие |
||||||
|
ПП-1Д |
пирамида |
18 |
3.7 |
8.1 |
4.1 |
0.7012 |
12.6 |
0.3 |
5.5 |
|
плита |
1.9 |
2.2 |
1.4 |
0.6093 |
11 |
0.25 |
4.6 |
||
|
ПП-1К |
пирамида |
14 |
2.3 |
6.2 |
2 |
0.7012 |
9.8 |
0.3 |
4.3 |
|
плита |
2.4 |
1.6 |
2.7 |
0.7281 |
10.2 |
0.3 |
4.2 |
||
|
ПП-2 |
пирамида |
52 |
1.6 |
5 |
1 |
0.6841 |
35.6 |
0.3 |
15.5 |
|
плита |
0.9 |
3.2 |
0.57 |
0.6405 |
33.3 |
0.27 |
13.9 |
||
|
ПП-3 |
пирамида |
36 |
1.1 |
2.5 |
0.53 |
0.6444 |
23.2 |
0.28 |
10.1 |
|
плита |
0.3 |
2 |
0.61 |
0.671 |
24.2 |
0.28 |
10.1 |
||
|
ПП-4 |
пирамида |
22 |
0.9 |
1.7 |
0.53 |
0.817 |
18 |
0.36 |
7.8 |
|
плита |
0.8 |
1.7 |
0.53 |
0.5813 |
12.8 |
0.24 |
5.3 |
||
|
Трубы 114×3.8 |
144 |
- |
- |
- |
0.026 |
3.8 |
- |
- |
|
|
Трубы 114×5.5 |
108 |
- |
- |
- |
0.037 |
4.0 |
- |
- |
|
|
Уголок накладной |
- |
|
|
|
0.001 |
0.24 |
- |
- |
|
|
Всего |
394 |
|
|
|
|
198.7 |
|
81.2 |
|
Окончание таблицы 1.
|
Марка элемента |
Количество элементов на покрытие, шт. |
Расход стали, кг | |||||
| на элемент | на всё покрытие | ||||||
|
фибра |
арматура |
закладные |
всего |
||||
|
ПП-1Д |
пирамида |
18 |
96.3 |
25.5 |
21.7 |
170.9 |
3076.2 |
|
плита |
27.4 | ||||||
|
ПП-1К |
пирамида |
14 |
47 |
5.9 |
21.7 |
126 |
1764 |
|
плита |
51.4 | ||||||
|
ПП-2 |
пирамида |
52 |
22.9 |
25.6 |
21.7 |
81.9 |
4258.8 |
|
плита |
11.7 | ||||||
|
ПП-3 |
пирамида |
36 |
11.4 |
11.7 |
21.7 |
57.9 |
2084.4 |
|
плита |
13.1 | ||||||
|
ПП-4 |
пирамида |
22 |
13.7 |
7.3 |
21.7 |
54.1 |
1190.2 |
|
плита |
11.4 | ||||||
|
Трубы 114×3.8 |
144 |
- |
- |
- |
- |
3795 |
|
|
Трубы 114×5.5 |
108 |
- |
- |
- |
- |
4033 |
|
|
Уголок накладной |
- |
- |
- |
- |
- |
192 |
|
|
Всего |
394 |
|
|
|
19665 |
||
3. Определение параметров фибрового армирования средствами Microsoft Excel
Параметры фибрового армирования определены на основе анализа полей напряжений, полученных в результате статического расчета осуществленного средствами ПВК SCAD (Рис. 6) [19].
Рис. 6. Картина полей напряжений Nx в
наиболее загруженном пирамидальном элементе типоразмера ПП-1
Выводы
В специализированное программное обеспечение (зарегистрированное под номером 2012619865 от 31.10.2012) вводятся исходные данные для расчёта: измеренные значения напряжений, геометрические параметры расчётного сечения, характеристики применяемой фибры и тип бетонного состава. После выполнения вычислительных операций программа выдаёт комплексный результат, включающий геометрические параметры армирующих волокон (диаметр и длину), прочностные характеристики бетонной основы, оптимальный процент армирования конструкции и расчётные показатели сопротивляемости сформированного сталефибробетонного композитного материала. Такая методика обеспечивает точное определение необходимых параметров армирования и прочностных характеристик конечного строительного материала.
1. Sycheva A.M., Ruabova S.S., Sychev M.M., Khristyuk N.A., Shevchu A.M. Heat-resistant fibroceramics for thermal units of special construction. // NEW REFRACTORIES. 20242024. No. 1. Pp. 44-51. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1683-4518-2024-1-44-51 EDN: https://elibrary.ru/JDVPEW
2. Sycheva A.M. Using the surface energy of nanoparticles to produce high-strength concrete. Refractories and Industrial Ceramics. 2023. Vol. 64. No. 4. Pp. 413-418. DOI: https://doi.org/10.1007/s11148-024-00862-0; EDN: https://elibrary.ru/YORFEJ
3. Aleshichev S.E., Starchukov D.S., Sycheva A.M. Mathematical model for calculating the strength of a concrete specimen in a monolithic inorganic shell. Proceedings of the A.F. Mozhaisky Military Space Academy. 2022. No. 681. Pp. 125-128. EDN: https://elibrary.ru/BDMYER
4. Veselov V.V., Tsabadze S.R., Rudenko N.V. Application of lightweight steel thin-walled and hybrid structures in the design of transport facilities. BST: Bulletin of Construction Equipment. 2024. No. 8 (1080). Pp. 26-30. EDN: https://elibrary.ru/TWKHIQ
5. Veselov V.V., Balaev D.V., Frolova E.D. Application of hybrid beams in building structures. BST: Bulletin of construction equipment. 2023. No. 5 (1065). pp. 32-34. EDN: https://elibrary.ru/DVLWHA
6. Areshchenko T.S., Fisenko A.S., Veselov V.V. Application of combined structural designs in building roofs. In the collection: Transport: Problems, Ideas, Prospects. Collection of papers of the LXXXII All-Russian scientific and technical conference of students, graduate students and young scientists, in two volumes. Responsible for the release O.V. Gimazetdinova, M.S. Panova. 2022. pp. 210-214. EDN: https://elibrary.ru/OTKPMF
7. Veselov V.V., Pegin P.A. Innovative Designs of Floors and Roofs BST: Bulletin of Construction Equipment. 2022. No. 11 (1059). Pp. 36-39. EDN: https://elibrary.ru/QWBSTU
8. Veselov V.V. Hybrid Beam Structures in Transport Using Metal and Composites. Bulletin of the St. Petersburg Transport University. 2022. Vol. 19. No. 3. Pp. 631-638. DOI: https://doi.org/10.20295/1815-588X-2022-3-631-638; EDN: https://elibrary.ru/OJOHZU
9. Veselov V., Talantova K. HYBRID BEAM STRUCTURES OF TRANSPORT BUILDINGS In the collection: International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2021. Switzerland, 2022. Pp. 278-285. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-96380-4_31; EDN: https://elibrary.ru/LLBWQW
10. Veselov V.V., Egorov V.V., Perminova T.A., Bakina O.A., Sidorova P.S. Hybrid designs of overhead crane beams. BST: Bulletin of construction equipment. 2021. No. 2 (1038). pp. 51-53. https://elibrary.ru/item.asp?id=44611204 EDN: https://elibrary.ru/MDEFZH
11. Egorov V.V. Combined truss-type systems. In the collection: Innovative technologies in construction and geoecology. Proceedings of the VII International Scientific and Practical Internet Conference. 2020. Pp. 13-16. EDN: https://elibrary.ru/NMFZCA
12. Egorov V., Belyy G. Nonlinear properties of hybrid construction of coatings of buildings and structures. In the collection: E3S Web of Conferences. Series: "International Scientific and Practical Conference "Environmental Risks and Safety in Mechanical Engineering", ERSME 2020" 2020. P. 01001. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021701001; EDN: https://elibrary.ru/NKOOPV
13. Fedorov A.M., Egorov V.V., Lopukhov V.Yu. Hybrid load-bearing systems using composite materials for buildings and structures. In the collection: The Role of Young Scientists in Solving Current Problems of the APK. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference of Young Scientists and Students, dedicated to the 115th anniversary of the Saint Petersburg State Agrarian University. 2019. pp. 298-300. EDN: https://elibrary.ru/OEMZPE
14. Solovieva V. Ya., Egorov V. V., Schwartz F. M. Thin-Walled Building Structures with Advanced Properties for High-Rise Construction. BST: Bulletin of Construction Equipment. 2019. No. 9 (1021). pp. 57-59. EDN: https://elibrary.ru/YPKKMR
15. Talantova K. V. Determination of the Area of Inclusion in the Strength Calculation of the Tensile Flange of a Steel Fiber Reinforced Concrete Floor Slab. Structural Mechanics and Structures. 2022. No. 2 (33). pp. 62-72. DOI: https://doi.org/10.36622/VSTU.2022.33.2.006; EDN: https://elibrary.ru/SNLAPF
16. Talantova K.V. Advanced thin-walled structures based on steel fiber reinforced concrete. In the collection: Safety of the Russian construction stock. Problems and solutions. Proceedings of the International Academic Readings. Kursk State University. Kursk, 2021. pp. 67-73. EDN: https://elibrary.ru/PIPGAE
17. Talantova K.V. On the design rules for structures based on steel fiber reinforced concrete. In the collection: Current Issues in Architecture and Construction. Proceedings of the XIII International Scientific and Technical Conference. 2020. pp. 41-47. EDN: https://elibrary.ru/ZFCGGU
