КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-29-00564
НазваниеФундаментальные научные исследования новых композитных материалов и конструкций с холодногнутыми стальными профилями и пенобетоном
Руководитель Усанова Ксения Юрьевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Бетон, пенобетон, строительные конструкции, холодногнутый профиль, ЛСТК, композитные материалы, коррозия
Код ГРНТИ67.11.41
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Создание эффективных решений для несущих и ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений на основе монолитного пенобетона низкой плотности, каркаса из легких стальных холодногнутых профилей и облицовки из листового материала является важной задачей для развития современных техник и технологий в строительстве, энергосбережении и охране окружающей среды. Указанные материалы и конструкции обладают высоким сопротивлением теплопередаче, что обеспечивает энергосбережение зданий и сооружений в виде уменьшения затрат на отопление в зимний период и уменьшение затрат на кондиционирование в летний период. Кроме этого, использование легких тонкостенных конструкции из стальных холодногнутых оцинкованных профилей переносят часть строительных процессов из строительной площадки на предприятия по изготовлению строительных изделий.
В качестве утеплителей в таких конструкциях обычно используется минеральная вата, пенополиуретан или пенополиизоцианураты. Технической и технологической проблемой является укладка этих материалов в конструкции без образования зазоров. Для минераловатных утеплителей дополнительной проблемой является усадка утеплителя с образованием пустот в пределах которых происходит интенсивная конвективная теплопередача, заметно снижающая теплотехнические свойства и качества ограждающих конструкций. Эти проблемы решаются при использовании в качестве утеплителя монолитного пенобетона низкой плотности (200-400 кг/м3).
Прочность и устойчивость стальных конструкций из тонких холодногнутых профилей с толщиной стали 0,5 – 2,5 мм определяется по теории Василия Захаровича Власова с учетом стесненного кручения и напряжений бимоментов. Разрушение таких конструкций имеет следующую последовательность: потеря местной устойчивости в виде депланации сечения, потеря общей устойчивости, разрушение конструкции. Монолитный пенобетон низкой плотности, не являющийся формально материалом, воспринимающим нагрузки, тем не менее повышает местную устойчивость стального профиля, а следовательно, и его несущую способность. Однако, достоверные теоретические и экспериментальные оценки этого повышения отсутствуют.
ПРОЕКТ НАПРАВЛЕН НА РЕШЕНИЕ СЛЕДУЮЩЕЙ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ:
Научные проблемы заключаются в недостаточности теоретических и эмпирических знаний о следующих объектах исследования:
- легких конструкций нового типа, состоящих из каркаса легких стальных холодногнутых профилей, внешней облицовки из листового материала и внутреннего заполнения из инновационного материала - монолитного пенобетона низкой плотности на основе органического пенообразователя;
- работе несущих и самонесущих строительных конструкций из упомянутых материалов, в том числе ограждающих конструкций, находящихся под действием статических и динамических нагрузок и воздействий.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований заключается:
- в новых методах проектирования строительных конструкций из каркаса из легких стальных холодногнутых профилей, облицовки из листового материала и заполнением из монолитного пенобетона низкой плотности на основе органического пенообразователя;
- в научном обосновании критериев выбора параметров органического пенообразователя на основе гидролизатов протеина в качестве заполнения каркаса из легких стальных холодногнутых профилей;
- в получении новых результатов по теплофизическим и теплотехническим свойствам ограждающих конструкций зданий и сооружений из указанных материалов;
- в научном обосновании разработок по конструктивному энергосбережению в ограждающих конструкциях из указанных материалов;
- в уточнении механизма коррозионной защиты легкого стального холодногнутого профиля при контакте с монолитным пенобетоном;
- в разработке аналитических и численных методов расчета предлагаемых строительных конструкций и их реализации в современных программных комплексах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Рыбаков В. А.
Condition Load Effect Factor of Profile Steel in Lightweight Steel Concrete Wall Panels
Construction of Unique Buildings and Structures, 1, 106, Article No 10602 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.106.2
2.
Усанова К., Рыбаков В., Селиверстов А.
Steel profile corrosion resistance in contact with monolithic foam concrete
E3S Web of Conferences, 365, 02001, pp 1-7 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202336502001
3.
Рыбаков В.А.
Изгибная жесткость легких сталебетонных панелей перекрытий из пенобетона низкой плотности
СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ, 19 (3), 302-312 (год публикации - 2023)
10.22363/1815-5235-2023-19-3-302-312
4.
Рыбаков В.А.,Сабуров Д.А., Гусев К.В., Галямичев А.В.
Combined behavior of the hinged facade system and reinforced concrete frame of the building under seismic impact
Construction of Unique Buildings and Structures, 4, 109, 10901 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.109.1
5.
Рыбаков В.А., Дружинина С.Н., Усанова К.Ю.
Constructions with the use of monolithic foam concrete in fixed formwork
Construction of Unique Buildings and Structures, 4(109), № 10915 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.109.15
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Предложен для симметрично опертого и загруженного тонкостенного профиля способ определения фактических опорных значений изгибающего момента и бимомента по известным (полученным численно) значениям опорных нормальных напряжений; построение эпюры бимомента предложено выполнять методом начальных параметров.
2) Выявлен диапазон значений коэффициентов, учитывающих депланационную (0,377...0,484) и изгибную (0,616...0,672) податливость тонкостенных профилей, для случая опирания сточных профилей внутрь направляющих профилей различной толщины высотой 150мм.
3) Показано, что с увеличением секториальной жесткости профиля увеличивается депланационная податливость опоры, в то время, как с увеличением изгибной жесткости изгибная податливость изменяется несущественно. Учет податливости опорного соединения приводит к увеличению полученных нормальных (изгибных и изгибно-крутильных) напряжений в пролете тонкостенного профиля в 2-4 раза, в зависимости от секториальной жесткости профиля.
4) Сформированы научно обоснованные положения по применению легких сталебетонных ферм (ЛСБФ), состоящих из стальных тонкостенных оцинкованных профилей и монолитного пенобетона пониженной плотности от 200 кг/м3 до 400 кг/м3 в качестве усиления аварийных ферм на основе ЛСТК.
5) 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%; 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%.
6) Показано, что по характеру кривых все фрагменты образцов двухслойной перегородки легких сталебетонных конструкций (ЛСБК) имеют сходную форму изменения звукоизоляции по частотам. Наименьшей звукоизолирующей способностью образцы обладают на частоте 315Гц, наибольшей – на частоте 630 Гц.
7) Показано, что дополнение базового образца конструкции из панелей ЛСБК в 2 слоя облицовкой листами из ГКЛ, а также внесением гидрозвукоизолирующей прокладки между слоями из материала Техноэласт ХПП можно незначительно увеличить общую звукоизолирующую способность конструкции. Наибольшую прибавку в звукоизоляции образца конструкции из панелей ЛСБК обеспечил первый слой ГКЛ, второй слой ГКЛ, установленный с другой стороны конструкции, дополнительно повысил эффективность и скомпенсировал провалы в высокочастотной области.
8) Предложено использовать двухслойные панели ЛСБК с толщиной слоя 70мм, плотностью пенобетона 600 кг/м3, как с воздушным зазором между слоями 7мм, так и с гидроразрывом разрывом Техноэласт ХПП, с обшивкой с двух сторон гипсокартонными листами 12,5мм в один слой в жилищном строительстве в качестве перегородок между комнатами для помещений с комфортными условиями.
9) Показано, что при поперечном изгибе в плоскости симметрии балочные профили открытого комбинированного сечения с одной осью симметрии работают нелинейно. Линейная часть работы составляет 68% от разрушающей нагрузки.
10) Предложено при расчете на жесткость в линейной зоне работы балок из стальных тонкостенных профилей использовать методику аналитического расчета по модели Тимошенко с использованием сечения, полученного по Пособию АРСС, при котором отбрасываются сжатые полки с отгибами. Данный способ дает погрешность 1,9 %.
11) Предложено при расчете на прочность балок из стальных тонкостенных профилей использовать методику расчета без учета редукции сечения.
12) Показано, что потеря несущей способности легкой сталебетонной панели происходит за счет опирания стального листа стенки тонкостенного стального профиля панели.
13) Предложена и обоснована методика расчета несущей способности креплений легкой сталебетонной панели к плите из ЛСТК. Аналитически рассчитанная разрушающая нагрузка 28,25 кН на 9,3% меньше экспериментально полученной разрушающей нагрузки 30,9 кН.
14) Показано, что жесткость креплений панели из ЛСТК изменяется от соответствующей расчетной схеме с неподвижными опорами до соответствующей расчетной схеме с шарнирными опорами. Поведение панели соответствует расчетной схеме с неподвижными опорами до нагрузки 30% от значения, дающего максимально допустимый прогиб, далее крепеж работает как опора конечной жесткости и превращается в пластический шарнир при достижении нагрузки 90% от указанной нагрузки.
15) Предлагается использовать в проектной практике для легкой сталебетонной панели расчетную схему с шарнирными опорами.
Публикации
1.
Рыбаков В.А., Усанова К.Ю., Козлов П.Г.
Bending torsion of steel thin-walled beams, considering support warping stiffness
Engineering Structures, 324 (2025) 119341 (год публикации - 2024)
10.1016/j.engstruct.2024.119341
2.
Рыбаков В.А., Огурцов М.В., Денцель И.С., Цветкова А.А.
Lightweight steel concrete trusses
Construction of Unique Buildings and Structures, 113 Article No 11301 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.1
3. Рыбаков В.А., Огурцов М.В., Денцель И.С., Цветкова А.А. Несущая способность стального тонкостенного комбинированного балочного профиля ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СТРОИТЕЛЬСТВО, № 12 (год публикации - 2024)
4.
Рыбаков В.А., Усанова К.Ю., Селиверстов А.В., Кислицына А.А., Цветкова А.А.
Bearing capacity of lightweight steel concrete enclosure wall panels
Magazine of Civil Engieering, 17(8). Article no. 13202 (год публикации - 2024)
10.34910/MCE.132.2
5.
Рыбаков В.А., Цветкова А.А.
yed joints of large panel buildings before cracking
Construction of Unique Buildings and Structures, 112 Article No 11201 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.112.1
6. Рыбаков В.А., Селиверстов А.В., Цветкова А.А. Рациональные параметры ограждающих легких сталебетонных конструкций зданий исходя из акустических условий РЕГИОНАЛЬНАЯ АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО, №1(62) (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Использование несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений на основе монолитного пенобетона низкой плотности, каркаса из легких стальных холодногнутых профилей и облицовки из листового материала приведет к удешевлению строительства объектов жилой недвижимости, формированию доступного, качественного и быстровозводимого жилья, что особенно актуально при переходе инвестиционно-строительных проектов на систему эскроу-счетов. Кроме того, использование указанных выше конструкций существенно сократит сроки строительства на 50-70%, что особенно актуально при строительстве на территориях, позволяющих завозить материалы интервально.