CC BY
654
Трубобетонные конструкции для возведения каркасных зданий
А.А.Афанасьев, А.В.Курочкин
Рассмотрены результаты аналитических и экспериментальных исследований по оценке несущей способности трубобетонных конструкций с ядром из высокопрочных модифицированных бетонов. Разработана интенсивная технология укладки бетонных смесей, обеспечивающая совместное бетонирование колонн и плит перекрытия, в том числе в условиях пониженных температур. Рассмотрено применение круглых, квадратных и прямоугольных колонн при возведении каркасных жилых зданий.
Доказано, что использование переходных гильз повышает технологичность возведения колонн различного сечения и способствует ускорению производства работ по возведению несущих конструкций.
Ключевые слова: трубобетон, трубобетонный элемент, металлическая труба, бетон, арматура, анкерная система, адгезия, давление бетонной смеси, водоцементное отношение, переходная гильза, опорный воротник, прочность, бетонное ядро.
Tube-Reinforced Concrete Elements for Construction of
Frame Buildings. By A.A.Afanas'ev, A.V.Kurochkin
The results of pilot analytical and experimental studies of the bearing capacity of composite structures with a kernel from the hight-strenght modified concrete. The intensive technology of laying of the concrete mixes providing join concreting of columns and plates of overlapping including in the conditions of thelowered temperatures is developed.
It is proved that using of transitional sleeves increases technological effectiveness of construction of columns of various section and promotes acceleration of works on construction of the bearing designs.
Key words: tube-reinforced concrete, tube-reinforced concrete element, metal pipe, reinforcement, anchor system, adhesion, pressure of concrete mix, water-cement ratio, diminishing socket, flange, strength, concrete kernel.
Возведение зданий каркасной системы с несущими конструкциями из трубобетона позволяет интенсифицировать строительные процессы за счет исключения опалубочных и арматурных работ путем использования ядра из модифицированных высокопрочных бетонов. Обеспечивается снижение поперечного сечения колонн, расхода металла и бетона, сокращение сроков строительства и трудозатрат.
Целесообразность применения трубобетона обусловлена использованием современных модифицированных высокоподвижных (П-4-П-5) и самоуплотняющихся бетонных смесей, легко перекачиваемых бетононасосами и практически не требующих интенсивного виброуплотнения. Такие бетонные смеси отличаются быстрым набором критической прочности, что способствует переходу на мало- и безобо-гревное бетонирование конструкций.
В строительной практике используют технологии, основанные на применении трубобетона из круглых стальных труб диаметром от 159 до 1620 мм с толщиной стенки 6-14 мм, квадратных и прямоугольных стальных труб сечением со 180x180 мм до 500x500 мм и 180x140 мм до 600x200 мм с толщиной стенки 6-20 мм.
Для возведения высотных зданий используются трубы с большим диаметром и толщинами стенок с уменьшением поперечного сечения по высоте. Конструктивной особенностью является применение массивных трубобетонных колонн из высокопрочного бетона, образующих центральное ядро, с периферийным расположением вдоль наружных стен трубобетонных колонн меньшего диаметра. Совместная работа трубобетонного ствола и наружных стен обеспечена стальными диагональными связями в уровнях аутригерных этажей. По данной конструктивной схеме в США построено более десятка высотных зданий, включая такие известные, как: 58-этажное административное здание «Two Union Square» высотой 230,7 м (рис. 1); 72-этажное административное здание в Шинзиэне (КНР) (рис. 2); 62-этажное административное здание «Key Bank Tower».
Рис. 1. 58-этажное здание «Two Union Square» с несущими конструкциями из трубобетона: а - общий вид здания; б - план типового этажа
В отечественной практике в качестве несъёмной опалубки довольно часто используется металлическая оболочка. Так, при строительстве здания АО «Банк Санкт-Петербург» использована несъёмная опалубка колонн, что позволило снизить трудоёмкость работ по возведению вертикальных конструкций до 20% (рис. 3).
Рис. 2. 72-этажное административное здание в Шинзиэне (КНР) с несущими конструкциями из трубобетона: а - совмещение строительно-монтажных работ при возведении здания; б - план типового этажа. 1 - самоподъемный башенный кран; 2 - распределительная стрела; 3 - бетононасос; 4 - ограждения; 5 - грузопассажирский подъемник;
6 - башенный кран для возведения стилобатной части;
7 - трубобетонные колонны наружного ряда; 8 - то же, ядра жесткости; 9 - балочное соединение трубобетонных колонн; 10 - несущие балки перекрытий; 11 - монолитные участки лифтовых шахт
Рис. 3. Административное здание АО «Банк Санкт-Петербург»:
а - общий вид; б - процесс возведения каркаса здания
Для восприятия более высоких нагрузок возможен переход на соответствующий класс бетона или дополнительного армирования стержневой арматурой, хотя это не желательно вследствие значительного повышения трудоемкости и стоимости работ.
Одним из определяющих факторов технологичности трубобетонных конструкций являются узловые соединения элементов колонн, балочных и безбалочных плит перекрытий.
Трубобетонные колонны, обладая более высокой несущей способностью по сравнению с традиционными железобетонными, обеспечивают уменьшение сечения колонн и массы зданий, способствуют более рациональному планировочному решению и снижению общих затрат на бетонные работы и сроков строительства [1].
Продолжаются вестись исследования, связанные с оценкой несущей способности трубобетона на различных стадиях твердения высокопрочных бетонов при центральном и внецентренном нагружениях, оценкой совместной работы оболочки и бетонного ядра, динамикой набора прочности бетонов в замкнутом пространстве, а также с характером разрушения бетонного ядра при потере устойчивости и значительных деформациях.
Ответы на эти вопросы были получены в результате проведения комплексных исследований трубобетонных образцов с использованием модифицированных бетонов класса В35, В40 и В55 для смесей с В/Ц=0,26; 0,35; 0,45 [2]. Использовались электросварные трубы диаметром 102 мм высотой 510 мм и толщиной стенки 3 мм.
Результаты испытаний и их статическая обработка показали, что набор прочности бетона в оболочке протекает менее интенсивно, чем в контрольных образцах, период достижения бетоном проектной прочности (период твердения) может составлять более 28 суток (рис. 4).
Проведено сопоставление прочностных характеристик трубобетонных образцов и железобетонной цилиндрической формы, имеющих равные площади поперечного сече-
40
20
1
'"■2
\3 \4
13 7 14
Продолжительность твердения, сутки
28
Рис.4. Динамика набора прочности контрольных образцов-кубов и образцов-цилиндров, отобранных из трубобетонных элементов: 1- В55 с добавкой кремнезема; 2 - В55 с В/Ц 0,26; 3 - В40 с В/Ц 0,42; 4 - В40 с В/Ц 0,38
ния бетонной оболочки и арматурного каркаса. Установлено, что несущая способность трубобетонных образцов превышает железобетонные в 2,0-2,5 раза. Эти результаты были получены для бетонов классов В35, В40 и В55 с внесением в бетонную смесь супер- и гиперпластификаторов С-3, Хидетал, Вискаспрей. Снижение сроков набора прочности обусловлено использованием комплексных добавок, включающих микрокремнезём и расширяющиеся добавки, при этом суточный набор прочности достигает 50% Яб и более.
При определении прочности бетона в обойме используется известная зависимость (1) [10]:
Я« =Яь+к,-ЯЬг, (1)
щеЯь- прочность бетона; к{ - коэффициент бокового давления; сЪг - боковое давление на контакте трубы с бетоном.
В процессе укладки смеси величина бокового давления численно равна гидростатическому. При наборе прочности этот параметр снижается. Установлено, что перед разрушением трубобетонного элемента величина бокового давления может достигать 10-20 МПа.
Несущая способность вертикальных конструкций при совместной работе бетонного ядра и оболочки может быть представлена следующей зависимостью (2):
где N - предельное продольное усилие; Лъ - площадь поперечного сечения бетона; Яъ - расчётное сопротивление бетона на сжатие; кт - коэффициент бокового давления; стЪг - величина бокового давления; ав - коэффициент, учитывающий долю сопротивления стальной оболочки усилиям от внешних нагрузок в продольном направлении^ - площадь поперечного сечения стальной оболочки; Яа - расчётное сопротивление стали на сжатие.
При внецентренном сжатии несущая способность трубо-бетонной колонны определяется по (3):
(3)
где: N - максимальное усилие в трубобетонной колонне; Вк - наружный диаметр оболочки; е0 - величина эксцентриситета; п - коэффициент, учитывающий прогибы; г - радиус инерции; к - коэффициент однородности.
При одновременном действии на трубобетонный элемент круглого поперечного сечения изгибающих моментов Мх и Му проверка прочности производится с учётом суммарного эксцентриситета.
Подобным образом осуществляется расчёт трубобетонных элементов прямоугольного сечения.
При расчёте на прочность производится учёт влияния прогиба путём введения коэффициента продольного изгиба.
Расчёт трубобетонных элементов по 2-й группе предельного состояния необходимо выполнять с учётом деформированной модели в соответствии с СП 52-103-2007 [6].
Установлен пластический характер деформации бетонного ядра в отличии от хрупкого разрушения железобетонных образцов. Выявлено, что бетонное ядро, не разрушаясь, повторяет форму деформированной оболочки, что свидетельствует о наличии пластического течения бетона. Бетон в обойме находится в условиях всестороннего сжатия и в таком состоянии воспринимает напряжения, существенно превышающие его призменную прочность.
Для каркасных зданий существенным является тот факт, что в экстремальных условиях трубобетонные элементы способны длительное время воспринимать нагрузки в отличие от железобетонных конструкций, теряющих несущую способность мгновенно. Это обстоятельство снижает процесс прогрессирующего обрушения [4; 7].
Основным условием эффективного использования тру-бобетона является применение узлов, обеспечивающих технологичность сопряжения колонн по высоте и перекрытиям. Наиболее частой формой сопряжения трубобетонных колонн является соединение стальных оболочек с использованием «воротников», что требует большого количества болтовых соединений, а также повышает трудоемкость работ в условиях строительной площадки (рис. 5).
Одним из технологичных решений является применение специальных соединительных гильз [8], изготавливаемых в заводских условиях. Их конструктивное решение предусматривает возможность устройства как балочного, так и безбалочного перекрытий, а также наращивание оболочки при изменении диаметра колонн. За счет отгиба элементов, формирующих отверстия, достигается переда-
Рис. 5. Конструктивные решения по сопряжению трубобетонных колонн с ригелями:
а - трубобетонный элемент со стальными «воротниками»; б - узлы сопряжения трубобетонных колонн на уровне перекрытий и размещения ригелей надземной части здания; в, г - узлы крепления балок к трубобетонным колоннам. 1 - стальная оболочка; 2 - анкеры; 3 - болтовые соединения; 4 - металлические пластины; 5 - бетонное ядро; 6 - стальной «воротник»; 7 - омоноличивание зон примыкания ригелей; 8 - ригели; 9 - трубобетонная колонна вышележащего этажа.
ча нагрузки через элементы гильзы на бетонное ядро, что обеспечивает совместную работу независимо от условий производства работ и повышает технологичность решений за счет исключения сварочных работ на строительной площадке (рис. 6).
Данные решения подтверждены экспериментальными исследованиями [3] на трубобетонных элементах, оснащенных анкерными устройствами, с центральным и внецентрен-ным приложением разрушающих нагрузок (рис. 7).
Испытания трубобетонных образцов с ядром из бетонов В40 и В50 показали, что использование соединительных гильз способствует равномерной передаче нагрузки на ядро и оболочку, что обеспечивает однородные деформации по высоте. Подобное же явление наблюдается при внецен-тренном сжатии. Совместное приложение нагрузки на ядро и оболочку снижает деформативные параметры, в то время как нагрузка, воспринимаемая оболочкой, в 1,6-2,0 раза меньше, чем в образцах с соединительной гильзой.
Рис. 6. Соединительные гильзы (а, б) для наращивания оболочки колонн:
в - устройство перекрытий по балкам с профнастилом; г - безбалочного перекрытия.
1 - П-образные прорези с отгибом внутрь гильзы; 2 - обвязочные пояса; 3 - внутренние анкеры за счет отгибов; 4 - положений балок; 5 - профнастил; 6 - монолитный бетон; 7 - обвязочный пояс с вертикальными ребрами жесткости; 8 - опалубка
I I
Для современного строительства характерно использование широкого спектра средств механизации. К ним относятся: самоподъемные приставные краны, распределительные стрелы бетононасосов, самоподъемные краны и опалубки. Использование современной техники и высокопрочных подвижных бетонных смесей позволяет создать новые более эффективные технологии.
В процессе исследования было выполнено сравнение вариантов строительно-технологических характеристик каркаса здания с заменой железобетонных колонн на тру-бобетонные, а также таковых при возведении 47-этажного административно-торгового комплекса «Миракс-Плаза» высотой 192,5 м с ядром жесткости, возводимом в самоподъемной опалубке. Это сравнение показало снижение диаметра колонн с 1,6 м до 1,3 м на первом и с 0,9 м до 0,6 м на верхнем ярусах. При этом снижение металлоемкости может достигать 30%, а расхода бетона - 20%.
Экспериментальные показатели по снижению сечений подтверждены расчетами, произведенными с использованием программного комплекса «1пд+» в подсистеме ко-нечноэлементных расчетов строительных конструкций на прочность и устойчивость.
На рисунке 8 приведена технологическая схема производства работ по монтажу оболочек колонн и соединительных гильз, устройству опалубки перекрытий и бетонированию конструкций.
Использование современных средств механизации технологических процессов обеспечивает совмещение процессов бетонирования перекрытий и колонн, позво-
Рис. 7. Схемы испытаний трубобетонных образцов: а - общий вид центрально нагруженного образца; б - то же, после потери общей устойчивости; в - общий вид внецентренно нагруженного образца; г - то же, после потери общей устойчивости
Рис. 8. Технологическая схема производства работ: 1 - самоподъёмный башенный кран; 2 - распределительная стрела бетононасоса; 3 - самоподъёмная опалубка лестнич-но-лифтовогоузла; 4 - ветрозащитные щиты; 5 - оболочка колонны; 6 - монолитное перекрытие
ляет увеличить площадь захваток и ускорить цикл возведения несущих элементов каркасного здания до трёх-четырёх дней.
В то же время следует отметить, что трубобетонные конструкции, несмотря на отсутствие нормативной базы, часто используются при возведении сборно-монолитных каркасных зданий средней этажности, а также отдельно-стоящих стоек или колонн с достаточно высокой предельной нагрузкой.
На рисунке 9 показан общий вид и рабочий момент возведения 12-этажного каркасного здания с несущими вертикальными конструкциями из трубобетонных элементов и перекрытиями из монолитного железобетона. Рассматриваемое здание имеет шаг колонн 7,2 м, пролет 8,0 м с центральным ядром жесткости, представляющим собой лестнично-лифтовой узел. В качестве опорных элементов перекрытий использовались стальные «воротники», на которых размещались арматурные каркасы.
Такая схема позволяет получать ранний набор критической прочности (48-56 ч.) перекрытия и ядер жёсткости вертикальных конструкций.
Для сокращения времени набора прочности бетоном целесообразно перед укладкой смеси осуществить прогрев опалубки и оболочек колонн до температуры 10-15 оС.
Оценка прочности, набранной бетоном, производилась по параметрам температурных полей в перекрытии. Технологический контроль осуществлялся путём измерения температуры в контрольных точках. В первые сутки прогрева три-четыре раза в смену, во вторые и последующие два раза с регистрацией в журнале работ.
Расчёт набора прочности бетоном производился с учётом результатов испытаний контрольных образцов.
Демонтаж опалубки производился после набора бетоном критической прочности. Для исключения возможных деформаций под перекрытием устанавливались телескопические стойки переопирания.
Большая часть здания была возведена в зимний период. Для прогрева конструкций использовались теплогенераторы, размещаемые на нижележащем перекрытии.
Рис. 9. Рабочий момент бетонирования колонн, армирования и бетонирования плиты перекрытия
Конструкции при этом ограждались воздухонепроницаемыми шторами. Для ритмичного производства работ производилась разбивка здания на захватки, площадь которых составляла 200-250 м2. Подача бетонной смеси и всех монтажных элементов осуществлялось с помощью башенных кранов.
В зимних условиях предусматривается использование конвективного прогрева конструкций теплогенераторами с последующей теплоизоляцией перекрытия.
Литература
1. Бикбау, М.Я. Практика и перспектива применения тру-бобетона в строительстве высотных зданий / М.Я. Бикбау // Сб. док. II Международного симпозиума по строительным материалам КНАУФ для СНГ. - 2005. - С. 45-56.
2. Афанасьев, А.А. Использование трубобетона в жилищном строительстве / А.А. Афанасьев, А.В. Курочкин // Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - № 3.
- С. 14-15.
3. Курочкин, А.В. Технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов: Дис____канд. техн. наук. - М., 2011. - 172 с.
4. Карпенко, Н.И. Общие модели механики железобетона / Н.И. Карпенко. - М.: Стройиздат, 1996 - 416 с.
5. Узун, И.А. Новые технологии возведения зданий из трубобетонных элементов и их расчет / И.А. Узун // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - №2.
- С. 41-42.
6. СП 52-103-2007. Железобетонные монолитные конструкции зданий. - М.: ФГУП «НИЦ "Строительство"», 2007.
- 18 с.
7. Eurocode 4. Design of composite steel and concrete structures / Part 1-1 General rules and rules for buildings. Stage 49.
8. Способ соединения трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Патент № 2464389 на изобретение: БИПМ, 2012. - № 29.
9. Монолитные сталежелезобетонные конструкции высотных зданий с применением высокопрочного бетона // Строительство и архитектура. Экспресс информация. - 1989.
- Вып. 11. - С. 2-6.
10. Кришан, А.Л. Определение разрушающей нагрузки сжатых трубобетонных элементов / А.Л. Кришан, А.И. Заикин, М.С. Купфер // Бетон и железобетон. - 2009. - №2. - С. 13-16.
Literatura
1. Bikbau M.Ya. Praktika i perspektiva primeneniya trubo-betona v stroitel'stve vysotnyh zdanij / M.Ya. Bikbau // Sb. dok. II Mezhdunarodnogo simpoziuma po stroitel'nym materialam KNAUF dlya SNG. - 2005. - S. 45-56.
2. Afanas'evA.A. Ispol'zovanie trubobetona v zhilishhnom stroitel'stve / A.A. Afanas'ev, A.V. Kurochkin // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. - 2011.- № 3. - S. 14-15.
3. KurochkinA.V. Tehnologiya vozvedeniya karkasnyh zdanij s vertikal'nymi nesushhimi konstrukciyami iz trubobetonnyh elementov: Dis. ... kand. tehn. nauk. - M., 2011. - 172 s.
4. Karpenko N.I. Obshhie modeli mehaniki zhelezobetona / N.I. Karpenko. - M.: Strojizdat, 1996 - 416 s.
5. Uzun I.A. Novye tehnologii vozvedeniya zdanij iz trubobetonnyh elementov i ih raschet / I.A. Uzun // Promysh-lennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. - 2006. - №2. - s. 41-42.
6. SP 52-103-2007. Zhelezobetonnye monolitnye konstrukcii zdanij. - M.: FGUP «NIC "Stroitel'stvo"», 2007. - 18 s.
8. Sposob soedineniya trubobetonnyh kolonn po vysote i perekrytiyam. Afanas'ev A.A., Kurochkin A.V. Patent № 2464389 na izobretenie: BIPM, 2012. - №29.
9. Monolitnye stalezhelezobetonnye konstrukcii vysotnyh zdanij s primeneniem vysokoprochnogo betona // Stroitel'stvo i arhitektura. Ekspress informaciya. - 1989. - Vyp. 11. - S. 2-6.
10. Krishan A.L. Opredelenie razrushayushhej nagruzki szhatyh trubobetonnyh elementov / A.L. Krishan, A.I. Zaikin, M.S. Kupfer // Beton i zhelezobeton. - 2009. - №2. - S. 13-16.
