CC BY
59
1 МАШИНОСТРОЕНИЕ. МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 621.791
С. В. Богданов, С. К. Павлюк, д-р техн. наук, проф.,
И. М. Кузменко, канд. техн. наук, доц.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, МОНТИРУЕМЫХ СВАРКОЙ
Описаны новые конструктивные элементы железобетонных конструкций, сочетающих несущую металлическую оболочку, соединенную с арматурой и бетоном, определены рациональные области их практического использования для быстровозводимых зданий и сооружений.
Введение
При проектировании и возведении мостов, путепроводов, высотных зданий и сооружений гражданского и инженерного назначения широко используются железобетонные композитные материалы. Эти комплексные строительные материалы рационально объединяют для совместной работы в системе бетонный заполнитель и металлический компонент [1]. Широкое применение железобетонных композитных материалов является следствием их преимуществ перед другими материалами и способами, используемыми в строительстве: высокой несущей способности, большого разнообразия форм, простоты монтажа и масштабируемости, возможности изготовления конструкций с высоким уровнем заводской готовности [2].
В результате исследований, проведенных на кафедрах «Сопротивления материалов» и «Оборудование и технологии сварочного производства» Белорусско-Российского университета совместно с кафедрой «Мосты» Московского государственного технического университета путей сообщения и НИЦ «Мосты» ОАО ЦНИИС, был создан композитный несущий элемент строительных конструкций (КНЭСК), получены патенты Республики Беларусь и Российской Федерации [3, 4].
Этот элемент представляет собой композитную структуру, объединяющую бетон с металлом для совместной работы за счет подключения в систему металл-бетон наряду с одной - двумя разновидностями бетона, стержневой и листовой арматур еще и листового стального проката, который вместе с листовой арматурой может выполнять роль несъемной опалубки при изготовлении КНЭСК. Металлическая составляющая КНЭСК является сварной, неразъемной пространственной конструкцией (рис. 1).
Композитные несущие элементы строительных конструкций как основа
быстровозводимых конструкций
Конструкции на основе КНЭСК решают некоторые эксплуатационные, производственные и монтажные задачи без дополнительных приспособлений и технологических приемов за счет отличия конструкции их армирующих элементов от классических железобетонных и обязательного наличия формообразующего листа [5], что может быть отнесено к их преимуществу над обычными железобетонными конструкциями. Выполняются такие, например, задачи, как обеспечение требуемой прочности и несущей способности, взрыво- и
пожароустойчивости, эксплуатации в агрессивных средах, разрушающих бетон, обеспечение герметичности конструкций и их соединений. Соотношения конст-
руктивных особенностей КНЭСК, их комбинаций и решаемых задач представлены в табл. 1.
Рис. 1. Вариант исполнения секции из композитных несущих элементов для возведения большепролетных самонесущих перекрытий (часть бетонного заполнителя не показывается): 1 - формообразующий
лист; 2 - листовая арматура; 3 - стержневая арматура; 4 - бетонный заполнитель
Существует широкое разнообразие конструктивных форм и исполнений КНЭСК для различных целей и конструкций. Используя КНЭСК в качестве базового, разрабатывают конструкции с требуемыми свойствами, например, с высокими показателями водонепроницаемости, сопротивления тепловым воздействиям, с повышенными адгезионными свойствами, радиационным экранированием, либо создают быстровозводимые конструкции со специфическими свойствами и т. д.
КНЭСК как базовые элементы для проектирования и возведения конструкций или укрупненных блоков конструкций с особыми свойствами и/или с высоким уровнем заводской готовности можно классифицировать по признакам ис-
полнения, формы и области применения. Широкий охват области применения обусловлен универсальностью используемого сочетания материалов и эффективностью их сочленения. Схема классификации представлена на рис. 2.
Согласно общепринятой классификации железобетонных конструкций [7] быстровозводимые железобетонные конструкции (конструкции с высоким уровнем заводской готовности и индустриализации) разделяют на два класса: сборные и сборно-монолитные. К сборными относятся конструкции, укрупненные элементы которых предварительно изготовлены на специализированных предприятиях, а на строительной площадке ведется только их сборка и монтаж, без последующего обмоноличивания стыков.
Табл. 1. Конструктивные особенности композитных несущих элементов и решаемые задачи
Конструктивная особенность Решаемая задача
Использование формообразующего листа Большое разнообразие конструктивных форм. Обеспечение эксплуатации в агрессивных средах, разрушающих бетон. Обеспечение герметичности соединений вплоть до вакуума. Исключение разброса фрагментов и мелких частиц хрупкого бетона при ударных и взрывных нагрузках с противоположной стороны от их действия. Исключение растрескивания и откалывания бетона, носящего взрывной характер при пожарах и воздействии высоких температур
Использование комбинации стержневой и листовой арматур Обеспечение дополнительного сцепления бетонного заполнителя с металлическим компонентом
Использование комбинации формообразующего листа и листовой арматуры Снижение трудоемкости и стоимости изготовления за счет использования стального листа и листовой арматуры в качестве несъемной опалубки. Снижение металлоемкости при обеспечении требуемой несущей способности по сравнению с металлическими конструкциями
Использование комбинации формообразующего листа, листовой и стержневой арматур совместно с бетонным заполнителем Обеспечение высокой несущей способности при действии знакопеременных нагрузок [6]. Повышение устойчивости к потере несущей способности за счет исключения возможности деформирования металлической составляющей как тонкостенной пластины. Возможность обеспечения сплошности заполнителя в пределах базового элемента. Обеспечение большей взрыво- и пожароустойчивости по сравнению с традиционными железобетонными конструкциями. Обеспечение эксплуатации в агрессивных средах, разрушающих металл. Удобство, простота монтажа и масштабируемости базовых элементов при возведении конструкций с большими пролетами
Система из нескольких КНЭСК с монолитным бетонным заполнителем, изготовленная в заводских условиях и монтируемая посредством сварки без необходимости последующего бетонирования Создание конструкций с требуемыми эксплуатационными и прочностными характеристиками. Отказ от мокрых технологий на монтаже. Создание конструкций с высоким уровнем заводской готовности. Сокращение сроков возведения конструкций. Высокий уровень индустриализации производства. Обширный спектр объектов применения
Применение сборного железобетона позволяет вести круглогодичное строительство с высокими темпами монтажа конструкций. Сборно-монолитные конструкции представляют собой экономически обоснованное сочетание сборных железобетонных конструкций из монолитного бетона со специальным армированием. Применение монолитного бетона позволяет восстановить неразрезность конструкции, этот класс сочетает в себе положительные свойства сборного и монолитного железобетона. К быстровозводимым конструкциям предъявляются следующие требования [8]:
- простота базирования и монтажа;
- отказ от мокрых технологий бето-
нирования на монтаже;
- способность работать под нагрузкой сразу же после монтажа;
- малый срок введения в эксплуатацию после монтажа;
- обеспечение монтажа в опасных для жизни условиях;
- высокий уровень автоматизации и механизации производства базовых элементов;
- соизмеримость размеров базовых элементов с условиями их транспортировки;
- низкая себестоимость;
- соблюдения баланса между простотой монтажа и себестоимостью конструкции.
Рис. 2. Конструкции композитных несущих элементов строительных конструкций
К КНЭСК как базовому элементу бы-стровозводимых железобетонных конструкций предъявляются следующие требования:
- технологичность и высокий уровень индустриализации при изготовлении, транспортировке и монтаже в конкретных условиях;
- обеспечение наименьшего ущерба монолитности (неразрезности) бетонного заполнителя;
- простота сборки, используемых монтажных приспособлений и операций;
- наименьший объем монтажных сварочных операций и минимальная трудоемкость замоноличивания стыков;
- обеспечение герметичности монтажных сварных соединений и самих конструкций;
- обширный перечень других техноло-
гических и эксплуатационных требований, зависящих от специфики объекта.
Быстровозводимые железобетонные конструкции с КНЭСК, выступающим в качестве базового, обладают рядом преимуществ:
- гарантированное качество конструкций, изготовленных и собранных в заводских условиях;
- возможность создания сложных архитектурных форм без усложнения технологии производства;
- простота и удобство сборки и монтажа с использованием простых и надежных приспособлений;
- снижение трудоемкости монтажа;
- сборные конструкции из КНЭСК лишены, а сборно-монолитные имеют минимум основных недостатков монолитных конструкций [7] (сезонность
проводимых работ, использование трудоемких и дорогостоящих опалубок и подмостей, большая продолжительность сроков строительства, определяемая длительностью твердения бетонных заполнителей в естественных условиях, низкая индустриализация строительства, объясняющаяся особенностями приготовления бетонной смеси и ее транспортировки, а также особенностями укладки, распалубки и т. д.);
- возможность автоматизации процесса производства металлических составляющих КНЭСК;
- протяженность монтажных сварных швов сведена к минимуму, процесс монтажа упрощен.
Отрицательными аспектами использования КНЭСК как базового для быстро-возводимых сооружений будут:
- необходимость поиска баланса между простотой сборки и сопряженным с ней усложнением технологического процесса;
- дополнительные затраты на транспортировку, вызванные большими габаритами перевозимых элементов;
- необходимость разработки простых в исполнении и надежных в эксплуатации креплений на монтаже и средств базирования.
Каждому из объектов, выполненному с использованием КНЭСК, соответствуют свои типы сварных монтажных краевых соединений, которые в зависимости от объекта и способа возведения (обычные, быстровозводимые) имеют конструктивные особенности. Некоторые объекты: станины станков, волноломы, сейфы, фундаментные плиты, памятники - являются завершенными изделиями и в монтаже при помощи сварки не нуждаются. На рис. 3 приведен вариант исполнения краевого монтажного стыкового сварного соединения для соединения двух базовых элементов.
Рис. 3. Вариант исполнения краевого монтажного стыкового сварного соединения с отбортовкой формообразующих листов: 1 - защитная пластина; 2 - формообразующий лист; 3 - бетонный заполнитель; 4 - сварной шов
Сварные монтажные соединения должны удовлетворять требованиям прочности, обеспечивать максимально возможную монолитность бетонного компонента исходя из условий совместной работы металла и бетона в пределах температур до 150 0С, обеспечивать герметичность, иметь высокую коррозионную стойкость, быть унифицированными, обеспечивать сварку в удобных пространственных положениях, позволять соединять базовые элементы под острыми и тупыми углами.
Использование КНЭСК для быстровозводимых конструкций
Перспективным направлением использования КНЭСК для быстровозводи-мых сооружений являются вертикальные цилиндрические резервуары и газгольдеры [9] с плоским днищем, сферической, конической либо разрезной крышами объ-
3
емом до 100 тыс. м для хранения агрессивных нефтепродуктов или легковоспламеняющихся жидкостей и газов. Для быстрого возведения стен резервуаров целесообразно использовать базовые элементы из КНЭСК либо сегменты, созданные из них. Величина сегмента обуславливается только грузоподъемностью оборудования для монтажа, транспортировки и изготовления секций, габаритными ограничениями производственного помещения и ожидаемого маршрута транспортировки. Использование крупногабаритных базовых элементов упрощает монтаж и избавляет от необходимости сварки листов большой толщины. Основная часть сварочных работ при возведении проводится только с внутренней стороны резервуара. Базовый элемент из КНЭСК для стен представлен на рис. 4.
Рис. 4. Базовый элемент для стен вертикальных цилиндрических резервуаров из КНЭСК (часть бетонного заполнителя не показана)
Стены резервуаров, возведенные из КНЭСК, обладают повышенной пожаро-и взрывоустойчивостью. Бетонный заполнитель обеспечивает надежную защиту металлического компонента от агрессивного воздействия атмосферы или изменений погодных условий, а формообразующий лист обеспечивает герметичность и позволяет эксплуатировать резервуар в агрессивных средах, разрушающих бетон. Вследствие использования КНЭСК
снижена металлоемкость по сравнению с резервуарами других типов.
Использование КНЭСК также облегчает сооружение быстровозводимых антирадиационных и защитных укрытий, обеспечивающих защиту монтирующего персонала от опасного радиационного воздействия и минимально возможную протяженность сварных швов и объем монтажных операций (рис. 5).
Рис. 5. Антирадиационное укрытие из КНЭСК и базовый элемент нижнего пояса: а - общий вид анти-
радиационного укрытия с вырезом в 1/4; б - разрез одного из блоков вдоль ребристых упрочняющих элементов
Понижение радиационной проницаемости обеспечивается бетонной составляющей с добавками соединений бора, кадмия, лития, имеющих высокую степень поглощения радиационного излучения. При выборе добавок избегают солей, которые при радиационном облучении значительно ускорят коррозию металлического компонента [10]. Обеспечение герметичности сварных монтажных соединений, а следовательно и всей конструкции, также положительно скажется на эффективности укрытия.
КНЭСК обладает большим, однако не полностью используемым и изучен-
ным потенциалом, для создания быст-ровозводимых конструкций различного назначения. При этом соблюдаются все требования, предъявляемые к конструкциям, а также имеется значительный запас по их усовершенствованию.
Выводы
1. Существует обширная область рационального использования КНЭСК, определенная тем, что часть металлического компонента используется в качестве несущей тонкостенной оболочки, способной выполнять функции несъем-
ной опалубки, допускающей получение сложных архитектурных форм для объектов с различными эксплуатационными и прочностными свойствами.
2. Конструкции из КНЭСК имеют свойства, отличающиеся от свойств конструкций из традиционного монолитного, сборно-монолитного и сборного железобетона:
- высокая коррозионная стойкость, определяемая свойствами металлической оболочки и бетонного заполнителя, и способность работать в агрессивных средах, разрушающих бетоны;
- герметичность по отношению к жидкостям и газам вплоть до вакуумной плотности, определяемой герметичностью сварных соединений;
- соединение монтажных блоков из КНЭСК в конструкции посредством сварки на основе соединений, исключающих деструкцию бетонного компонента при деформировании от теплового расширения, вызванного тепловым воздействием во время цикла сварки, без использования мокрых технологий на монтаже.
3. Положительный опыт использования КНЭСК при строительстве мостов и путепроводов в РБ и продажа лицензии на дальнейшее использование в строительстве свидетельствует о практической потребности в решениях, использующих КНЭСК разработанных вариантов. Необходимы продолжение работ по исследованию быстровозводимых конструкций сооружений, содержащих КНЭСК, по созданию руководящих технологических материалов по проектированию, изготовле-
нию и монтажу конструкций из КНЭСК и разработка краевых монтажных узлов, соединяемых сваркой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пецольд, Т. М. Железобетонные конструкции. Основы теории, расчета и конструирования / Т. М. Пецольд, В. В. Тур. -Брест : БГТУ, 2003. - 379 с. : ил.
2. Байков, В. Н. Проектирование железобетонных тонкостенных пространственных конструкций / В. Н. Байков, Э. Хампе, Э. Рауэ. -М. : Стройиздат, 1990. - 323 с. : ил.
3. Пат. 4082 РБ, МПК7 Е 04 С 2/28. Композитный несущий элемент строительных конструкций / В. М. Фридкин [и др.] ; заявитель и патентообладатель Могилев. машиностр. ин-т. -№ 970421 ; заявл. 29.07.97 ; опубл. 19.04.01, Бюл. № 3. - 3 с. : ил.
4. Пат. 2181406 РФ, МПК7 Е 01 Д 12/00, Е 04 С 2/24. Композитный несущий элемент строительных конструкций / В. М. Фридкин [и др.] ; заявитель и патентообладатель Могилев. машиностр. ин-т. - № 97121947 ; заявл. 29.07.97 ; опубл. 20.04.02, Бюл. № 11. - 6 с. : ил.
5. Фридкин, В. М. Принципы формообразования в теории линейно-протяженных конструкций / В. М. Фридкин. - М. : Ладья, 2006. -512 с. : ил.
6. Карпенко, Н. И. Общие модели механики железобетона / Н. И. Карпенко. - М. : Стройиздат, 1996. - 416 с. : ил.
7. Бондаренко, В. М. Железобетонные и каменные конструкции / В. М. Бондаренко, Д. Г. Суворкин. - М. : Высш. шк., 1987. - 384 с. : ил.
8. СНБ 5.03.01-02 Бетонные и железобетонные конструкции. - Минск : Стройтехнорм, 2003. - 139 с. : ил.
9. Николаев, Г. А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций / Г. А. Николаев, С. А. Куркин, В. А. Винокуров. - М. : Высш. шк., 1971. - 760 с. : ил.
10. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции / Госстрой СССР. - М. : АПП ЦИСК, 1991. - 192 с. : ил.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 12.02.2009
S. V. Bogdanov, S. K. Pavluk, I. M. Kuzmenko Usage of composite bearing elements for fast erected building structures assembled by welding
New structural components of ferroconcrete constructions combining а bearing steel shell joined with the carcass and concrete are described in the paper. Also, rational areas of their practica application in fast erected buildings and structures are determined.
