ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ УСИЛЕНИЯ ПЛИТЫ ПОКРЫТИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ОТ «ЗЕЛЕНОЙ» КРЫШИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Исследование вопросов усиления плиты покрытия под действием дополнительной нагрузки от «зеленой» крыши

Льянов Давид Русланович

магистр, кафедра проектирования зданий и сооружений (ПЗиС), ФГБОУ "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ), [email protected]

Сысоева Елена Владимировна

к.т.н., доцент, кафедра проектирования зданий и сооружений (ПЗиС), ФГБОУ "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ), [email protected]

Одним из решений проблемы негативного воздействия на окружающую среду при строительстве является использование технологии «зеленой» крыши. Целью данной работы является решение проблемы усиления несущей конструкции покрытия под действием дополнительной нагрузки от озелененной кровли, как актуальной проблемы в связи необходимостью применения «зеленых» технологий. Крыши с экстенсивным типом озеленения способны с самоподдержанию, устойчивому развитию и самовозобновлению. Усиление - это проведение комплекса мероприятий, связанных с повышением несущей способности строительных конструкций, их жесткости, трещиностойкости и других показателей качества, необходимых по условиям ее дальнейшей эксплуатации. Ставится задача нахождения наиболее оптимального решения вида усиления по критериям прочности и экономичности по материалоемкости и монтаже. Композитные материалы, по сравнению с материалами традиционного усиления, являются более прочными, экономичными при подсчете сметной стоимости, легкими и менее трудоёмкими материалами при реконструкции зданий и сооружении. Ключевые слова: «зеленые» крыши, «зеленые» технологии, усиление несущих конструкций, традиционное усиление, композитные материалы

Введение

В следствие развития технологий, отсутствием многих функций в малых городах и поселениях (развлечения, образование, культурно-воспитательная функция, медицина и др.), население все больше концентрируется на урбанизированных территориях. Все это порождает новые экологические проблемы крупных городов, представляющие серьезную угрозу человеческому здоровью. Загрязнение воздуха, земли и воды, высокий уровень шума, постепенное вытеснение природных источников кислорода (зеленых насаждений), неестественная среда обитания приводят к необходимости поиска новых идей и подходов для поддержания качественного уровня жизни в местах нашего проживания [3].

Строительство с давних пор теснейшим образом связано с нашей жизнедеятельностью. На данном этапе развития человечества все большее значение приобретает использование экологически чистых материалов, применение возобновляемых источников энергии, а также снижение потребления энергетических и материальных ресурсов на протяжении всего жизненного цикла здания [20]. Новые, более жесткие, условия и требования к проектированию и возведению зданий и сооружений ставят перед инженерами новые задачи, которые требуют оптимальных решений. Одним из решений данных проблем является использование технологии «зеленой» крыши.

История данной технологии началась в 1867 году на Всемирной выставке в Париже, где была показана модель сада на крыше, разработанная немецким изобретателем, строителем и архитектором Карлом Рабитцем [11]. Инновационная конструкция крыши состояла из деревянной опалубки с гидроизоляцией и вулканическим цементом (смесью портландцемента, вулканических пород и гравия). Отличие данной смеси было в высокой водо- и огнестойкости [12].

В настоящее время технология «зеленых» крыш становится обязательной при новом строительстве.

Использование рассматриваемой технологии в проекте необходимо на законодательном уровне во многих городах и странах. Так, согласно Строительному кодексу Германии и Федеральному закону об охране природы, негативное воздействие на окружающую среду должно быть предотвращено, минимизировано или компенсировано [7]. Также, для владельцев, чьи задания не устроены по «зеленым технологиям» введены специальные налоговые сборы. Благодаря этому при строительстве новых зданий взамен земельных участков, «изъятых» из природной среды создаются «зеленые» крыши [13].

Технология озелененных крыш также активно внедряется и в странах Северной Америки [8].

К примеру, в Торонто озеленение крыши является обязательным. Особенно активно данную тему на законодательном уровне продвигают городские власти Чи-

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

м

см

0

см ^

01

о ш т

X

<

т О X X

каго, Атланты и Портленда. Гражданам, которые размещают на своей крыше газон либо небольшой сад, власти Чикаго выделяют финансовую помощь [16, 19]. 22 апреля 2019 года власти города Нью-Йорк приняли законопроект, согласно которому все новые здание жилого, коммерческого или промышленного назначения должны иметь озелененные крыши и солнечные батареи с целью повышения энергоэффективности города [14] (рис. 1).

строительных конструкций, их жесткости, трещиностой-кости и других показателей качества, необходимых по условиям ее дальнейшей эксплуатации [6].

Это возможно сделать путем увеличения площади поперечного сечения строительных конструкций (добавления необходимого количества железобетона к существующей конструкции путем набетонки сверху или снизу) [5]. При отсутствии целесообразности применения традиционных методов усиления, связанных с их трудоемкостью и неудобством, применяется метод усиления композитными материалами [2, 15, 18]. Композитные материалы изготавливаются из высокопрочных волокон, омоноличеных в жидком связующем составе на полимерной основе. Как правило, в качестве полимера используются полиакринит-риловые и эпоксидные смолы [4, 17]. Эффективность использования композитных материалов связана с их более лучшей прочностью на растяжение, чем у стали (Таблица 1). Схема усиления перекрытия углеродными ламелями показана на рис. 2.

Таблица 1

Физико-механические свойства ламелей из углеродного во-

Вид ламелей Модуль упругости, Н/мм2 Прочность на разрыв, Н/мм2 Удлинение на разрыв, %

CarboDur S 165000 2800 >1,7

CarboDur М 210000 2400 >1,2

CarboDur Н 300000 1300 >0,45

Продольные усиливающие элементы внешнего армирования

Поперечные усиливающие элементы внешнего армирования

Рисунок 1. «Зеленые» крыши в зарубежных странах (слева (США), справа (Германия))

Основная цель данной работы решение проблемы усиления несущей конструкции покрытия под действием дополнительной нагрузки от озелененной кровли, как актуальной проблемы в связи необходимостью применения «зеленых» технологий. Ставится задача нахождения наиболее оптимального решения вида усиления по критериям прочности и экономичности по материалоемкости и монтаже.

Методы исследования

Одним из наиболее эффективных способов повышение несущей способности железобетонных и металлических конструкций является их усиление (традиционным или современным методом с помощью композитных материалов), т.е. проведение комплекса мероприятий, связанных с повышением несущей способности

Рисунок 2. Схема усиления ламелями

В рамках данной работы произведено исследование способов усиления плиты покрытия под действием дополнительной нагрузки от озелененной кровли.

Согласно ГОСТ Р 58875-2020 «Озеленяемые и эксплуатируемые крыши зданий и сооружений» ГОСТ, в зависимости от преобладающего типа растений, озеленённые крыши подразделяются на три типа (рис. 3):

- интенсивный тип озеленения;

- полуинтенсивный тип озеленения;

- экстенсивный тип озеленения

10 Луи М Т онСнпщ.1 й И НТ ОнСипмый

Рисунок 3. Классификация зеленых кровель

Экстенсивные

В качестве кровли для расчетов принята озелененная крыша экстенсивного типа, как наиболее эффективная по своим теплотехническим и экономическим качествам. [9]

Крыши с экстенсивным типом озеленения способны с самоподдержанию, устойчивому развитию и самовозобновлению. Для возведения данного типа подбираются растения, приспособленные к экстремальным условиям и обладающим высокой регенерационной способностью. Данный тип крыши может быть, как эксплуатируемым, так и не эксплуатируемым без необходимости периодического обслуживания озеленения и инженерных систем.

Структура используемой в дальнейших расчетах кровли приведена на рис. 4.

Рисунок 4. Структура озелененной кровли экстенсивного типа

В него входят:

злаковые травянистые двудольные растения; системный субстрат «Альпинарий»; трубы капельного полива 500-1_2; влагопередающий мат AF 300; дренажный-накопительный элемент: Floraset®

1. 2.

3.

4.

5. FS 50;

6. разделительный и защитный мат TSM 32;

7. защита от прорастания корней;

8. конструкция крыши

Таблица 2

Слой кровли: Нормативная нагрузка кг/м2 Водона-сыщение, л/м3 Полная нормативная нагрузка, кг/м2 Полная расчетная нагрузка, кг/м2

1. Растительность (очиток, травянистые растения, трава) 10 - 10 11

2. Субстрат альпинарий t=10cм 108 36 144 159

3. Трубы капельного полива 5001.2 1 2,3 3,3 3,7

4. Влагопередающий мат ДР 300 0.35 3 3,35 3,7

5. Дренажный-накопительный элемент: Рloraset® FS 50 t=100см 15 1 16 18

6. Разделительный и защитный мат TSM 32 0.32 3 3,32 3,7

7. Защита от прорастания корней 2 2 4 4,4

Для нахождения наиболее оптимального решения усиления конструкции покрытия произведен расчет плиты покрытия пролетом 6 метром по «классической» схеме распределения усилий.

Полная нагрузка от веса озелененной кровли данной конструкции составляет 205 кгс/м2.

В целях обеспечения надежности и технико-экономической эффективности был произведен расчёт нескольких вариантов усиления: традиционного (в виде набе-тонки сверху и снизу) и усиления композитными материалами. Расчет композитного материала осуществлялся в соответствии с [10].

Сбор нагрузки от кровли представлен в таблице 2.

Расчетное значение снеговой нагрузки, по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», составляет 180 кгс/м2.

Полная нагрузка на несущую систему крыши с учетом собственного веса составляет:

ц = 205 + 180 + 605 = 0,99 т/м2

Внешний момент силы, действующий на рассматриваемый пролет:

ц* 12 0,99 * 36

М= —-— =---= 4,5 тс*м

88

Расчетные исходные данные приведены в таблице 3. Таблица 3

Класс бетона В25 ^ь=14,5 МПа)

Класс арматуры А400 ^=350 МПа)

Диаметр арматуры 12мм

Шаг арматуры 200мм

Защитный слой бетона 30мм

Тип местности С

Несущая способность плиты покрытия до усиления:

М1 =й5 *А3(к0 -0,5 *х)350 * * 5.7(19 - 0,5 * 1.86) = 3,605тс * м 350 * 5,7

х =

йь *Ь М1

м2

14,5 * 100 3,605

~ПГ = 0,8 4,5

= 1,86см

Максимальный изгибающий момент, воспринимаемый плитой до усиления 3,6 тс*м, что недостаточно для восприятия момента с учетом дополнительной нагрузки от озелененной кровли 4,5 тс*м.

1) Увеличение несущей способности плиты покрытия после усиления набетонкой сверху (рис. 5):

М2 = 350 * 5.7(24 - 0,5 * 1.86) = 46025МН * м = 4,603тс * м

М2 4,603

М,

3,605

= 1,28

НаВелюнка

арматура

X X О го А С.

X

го т

о

Рисунок 5. Плита после усиления наращиванием сверху

ю

2 О

м

Несущая способность сечения увеличена на 28%. 2) Увеличение несущей способности плиты покрытия после усиления методом установки дополнительной арматуры 010 шагом 100мм снизу (рис. 6): Й5*Л5 350 *9,6 х = —-;- = т-г^—т^ = 2,32см

Rb *Ь М2 =0,8 * й.

14,5 * 100

*Л5(й0 -0,5*х) =

= 0,8 * 350 * 9,6 * (19,82 - 0,5 * 2.32) = 5,016 тс * м

М,

5,016

Мл 3,605

= 1,39

Обсуждение результатов

Согласно результатам расчета и технико-экономического анализа, наименее трудоемким, наименее продолжительным и наименее экономичным при монтаже способом усиления является вариант усиления композитным материалом в виде ламелей из углевоволокна [1] (см. рис. 7)

При проведении анализа экономического обоснования выбора способа усиления было установлено, что определяющим фактором из всех технико-экономических показателей является сметная стоимость.

СЧ

0

сч

01

О Ш

m

X

<

m о х

X

Рисунок 6. Плита после усиления дополнительной арматурой снизу

Несущая способность сечения увеличена на 39%.

3) Увеличение несущей способности плиты покрытия методом приклейки углеродного композитного материала Sika CarboDur S1514 в количестве 1 ламели на 1 погонный метр толщиной 1,4 мм и шириной 0,15 м:

Расчетная прочность ламината на растяжение й^:

0,8 * 0,28 * 2800

- = 523 МПа

й/ =

1.2

где, уд - коэффициент условия работы, зависящий от типа композитного материала и условий эксплуатации конструкции уд = 0,8

у^- коэффициент надежности по композитному материалу у^ = 1,2 Уд — коэффициент условий работы композитного материала, учитывающий сцепление композитного материала с бетоном

^ —*£>*/)

(2.5*^)

У/2 =;

^14,5/(165000 * 1,4) = 0,28

2.5 * 0,01131 Высота сжатой зоны бетона х:

_(Rs*As+Rf*Af)

Х Йй *Ь "

350 * 0,00057 + 523 * 0,00021

= 0,021 м

14,5 * 1

Приведенное значение толщины защитного слоя растянутой арматуры а:

as

a = й, »Л, * -,-7 =

5 5 (й5 *Л5 +Rf *Af)

350 * 0,00057 * 0,03

■ = 0,019м

350 * 0,00057 + 523 * 0,00021 Рабочая высота сечения:

Н0 = Н - а = 0,22 - 0,019 = 0,201м

Тогда,

М2 = 14,5 * 1 * 0,021(0,201 - 0,5 * 0,021) + +523 * 0,00028 * 0,019 = 0,058 + 0,002782 = 6,18 тс * м М2 6,18 — = —— =1,71 М1 3,605

Несущая способность сечения увеличена на 71%.

Рисунок 7. Сметная стоимость устройства различных вариантов усиления плиты перекрытия (тыс. руб.)

Заключение

1) При использовании набетонки сверху в количестве 0,3 м3 несущая способность конструкции покрытия увеличится на 28%, что достаточно для восприятия дополнительной нагрузки от зеленой кровли весом 205 кг/м2

2) При использовании набетонки снизу (0,1 м2) с установкой дополнительной арматуры 10 диаметра в количестве 30 м несущая способность конструкции покрытия увеличится на 39%, что достаточно для восприятия дополнительной нагрузки от зеленой кровли весом 205 кг/м2

3) При использовании усиления композитным материалом в виде углеродного ламината Sika CarboDur S1514 в количестве 2,8 см3 несущая способность покрытия будет увеличена на 37%, что также достаточно для восприятия дополнительной нагрузки.

Результаты исследования показаны в таблице 4.

Таблица 4

Вид усиления: Объем материала Момент воспринимаемый после усиления, тс*м Эффективность использования метода, %

Усиление методом набетонки сверху 0,3 м3 бетона 4,603 28

Усиление методом набетонки снизу с установкой дополнительной арматуры 0,2 м3 бетона и 30 м арматуры п10 5,016 39

Усиление композитным материалом в виде углеродного ламината Sika CarboDur 51514 2,8 см3 6,18 71

Исходя из проведенных расчетов и анализа можно сделать вывод о том, что композитные материалы, по сравнению с материалами традиционного усиления, яв-

ляются одними из наиболее прочных, экономичных, легких и наименее трудоёмких материалов при реконструкции зданий и сооружении.

Литература

1. Акимов С.Ф., Акимова Э.Ш. Экономическое обоснование выбора способа усиления железобетонных элементов конструкций/Экономика строительства и природопользования. - 2018. - №1. - С. 31-41.

2. Аксенов М.А., Леонова А.Н. Перспективные методы усиления строительных конструкций композитными материалами на углеродной основе // Высокие интеллектуальные технологии в науке и образовании. -

2017. - С. 74-80.

3. Байтелова А.И., Гарицкая М.Ю., Чекмарева О.В. Экологические особенности городской среды. - Оренбург: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет», 2012. - 21 с.

4. Вахрушева Е.А. Внешнее армирование углеродным волокном как метод усиления строительных конструкций // Архитектура и дизайн. - 2018. - №3. - С. 3035.

5. Данилов С.В., Шапель М.В. Технические решения по усилению железобетонных многопустотных плит // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии. - 2019. - С. 244-245.

6. Каляпина Д.Д. Краткий обзор методов усиления строительных конструкций // Вестник науки и образования. - 2019. - №12-1. - С. 35-36.

7. Каретникова С.В. "Зеленые" крыши как часть "живой" архитектуры // Промышленное и гражданское строительство. - 2019. - №5. - С. 14-19.

8. Киреева Т.В. История создания висячих садов рокфеллер-центра // Лесной вестник. Forestry bulletin. -

2018. - №4. - С. 18-26.

9. Король Е.А., Шушунова Н.С. Особенности устройства различных вариантов кровельных покрытий с системами озеленения // Academia. Архитектура и строительство. - 2019. - №2. - С. 124-129.

10. Римшин В.И., Меркулов С.И. К вопросу усиления железобетонных конструкций внешним армированием композитным материалом // Строительные конструкции, здания и сооружения. - 2018. - С. 92-98.

11. Чужинова Ю.Ю., Семенова Э.Е. Способ улучшения экологической обстановки окружающей среды с помощью использования технологии зеленых кровель // Научный вестник воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: высокие технологии. Экология. - 2015. - №1. - С. 230-232

12. Якубсон Е.А. Анализ зарубежного опыта применения «зеленых» кровель // Молодой исследователь: вызовы и перспективы. - 2020. - С. 506-510.

13. Aia Nancy Solomon Vegetation systems atop buildings yield multiple environmental benefits roofing technology developed in germany is starting to take root in north america // Architectural record. - 2003. - №191. - С. 149.

14. Alfredo K., Montalto F., Goldstein A. Observed and modeled performances of prototype green roof test plots subjected to simulated low- and high-intensity precipitations in a laboratory experiment // Journal of hydrologic engineering - ASCE. - 2010. - №6. - С. 444-457

15. Belarbia, A. FRP Systems in Shear Strengthening of Reinforced Concrete Structures / Belarbia A., Acunb B. // Procedia Engineering. - 2013. - № 57. - P. 2-8.

16. Czarnecki John E, Aia Assoc From the roof of city hall to rows of bungalows, chicago goes green // Architectural record. - 2003. - №2. - С. 79.

17. Ehasani, M.R. Design recommendation for bond of GFRP rebar to concrete // Journal of Structural Engineering. - 1996. - № 3 (102). - P. 125 -130.

18. Grace, N.F. Strengthening of concrete beams using innovative ductile fiber - fiber reinforced polymer fabric // ACI Structural Journal. - 2002. - № 5 (99). - P. 692-700.

19. Saiz Alcazar S. Greening the dwelling: a life cycle energy analysis of green roofs in residential buildings. // -2000. - С. 1-5.

20. Tuleuova Gulmarzhan K., Abdramanova Zhanat M. Use of environmentally friendly construction and finishing materials in the solution of the problem of optimization of the indoor climate // Актуальные научные исследования в современном мире. - 2020. - №4-5. - С. 45-48.

Investigation of the issues of reinforcement of the roof slab under the action of additional load from the "green" roof

JEL classification: L61, L74, R53

Lyanov D.R., Sysoeva E.V.

National Research Moscow State University of Civil Engineering" (NRU MGSU)

One of the solutions to the problem of negative impact on the environment during construction is the use of green roof technology. The purpose of this work is to solve the problem of strengthening the supporting structure of the pavement under the additional load from the green roof, as an urgent problem due to the need for the use of "green" technologies. Roofs with an extensive type of landscaping are capable of self-sustaining, sustainable development and self-renewal. Strengthening is a set of measures related to increasing the bearing capacity of building structures, their rigidity, crack resistance and other quality indicators necessary for the conditions of its further operation. The task is to find the most optimal solution for the type of reinforcement according to the criteria of strength and efficiency in terms of material consumption and installation. Composite materials, in comparison with traditional reinforcement materials, are more durable, more economical when calculating the estimated cost, lightweight and less labor-intensive materials for the reconstruction of buildings and structures. Keywords: "green" roofs, "green" technologies, reinforcement of load-bearing

structures, traditional reinforcement, composite materials References

1. Akimov S. F., Akimova E. Sh. Economic justification of the choice of the method of reinforcement of reinforced concrete structural elements/Economics of construction and environmental management. -2018. - No. 1. - pp. 31-41.

2. Aksenov M. A., Leonova A. N. Perspective methods of strengthening building structures with composite materials on a carbon basis / / High intellectual technologies in science and education. - 2017. - p. 74-80.

3. Baitelova A. I., Garitskaya M. Yu., Chekmareva O. V. Ecological features of the urban environment. - Orenburg: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Orenburg State University", 2012. - 21 p.

4. Vakhrusheva E. A. External reinforcement with carbon fiber as a method of strengthening building structures / / Architecture and design. - 2018. -No. 3. - pp. 30-35.

5. Danilov S. V., Shapel M. V. Technical solutions for strengthening reinforced concrete hollow plates / / Materials, equipment and resource-saving technologies. - 2019. - p. 244-245.

6. Kalyapina D. D. A brief overview of methods of strengthening building structures / / Vestnik nauki i obrazovaniya. - 2019. - No. 12-1. - pp. 3536.

7. Karetnikova S. V. "Green" roofs as a part of "living" architecture / / Industrial and civil construction. - 2019. - No. 5. - p. 14-19.

8. Kireeva T. V. Istoriya sozdaniya visyachikh sadov rockefeller-tsentra [History of the creation of hanging gardens of the Rockefeller Center]. Forestry bulletin. - 2018. - No. 4. - p. 18-26.

9. Korol E. A., Shushunova N. S. Features of the device of various variants of roof coverings with landscaping systems / / Academia. Architecture and construction. - 2019. - No. 2. - pp. 124-129.

10. Rimshin V. I., Merkulov S. I. On the issue of strengthening reinforced concrete structures by external reinforcement with composite material. -2018. - p. 92-98.

11. Chuzhinova Yu. Yu., Semenova E. E. A way to improve the environmental situation of the environment by using the technology of green roofs / / Scientific Bulletin of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Series: high technology. Ecology. -2015. - No. 1. - pp. 230-232.

X X

о

го А с.

X

го m

о

ю

2 О M

12. Yakubson E. A. Analysis of foreign experience in the use of "green" roofs / / Young researcher: challenges and prospects. - 2020. - p. 506-510.

13. Aia Nancy Solomon Vegetation systems atop buildings yield multiple environmental benefits roofing technology developed in germany is starting to take root in north america // Architectural record. - 2003. -№191. - C. 149.

14. Alfredo K., Montalto F., Goldstein A. Observed and modeled performances of prototype green roof test plots subjected to simulated low- and high-intensity precipitations in a laboratory experiment // Journal of hydrologic engineering - ASCE. - 2010. - №6. - C. 444-457

15. Belarbia, A. FRP Systems in Shear Strengthening of Reinforced Concrete Structures / Belarbia A., Acunb B. // Procedia Engineering. -2013. - № 57. - P. 2-8.

16. Czarnecki John E, Aia Assoc From the roof of city hall to rows of bungalows, chicago goes green // Architectural record. - 2003. - №2. - C. 79.

17. Ehasani, M.R. Design recommendation for bond of GFRP rebar to concrete // Journal of Structural Engineering. - 1996. - № 3 (102). - P. 125 -130.

18. Grace, N.F. Strengthening of concrete beams using innovative ductile fiber - fiber reinforced polymer fabric // ACI Structural Journal. - 2002. -№ 5 (99). - P. 692-700.

19. Saiz Alcazar S. Greening the dwelling: a life cycle energy analysis of green roofs in residential buildings. // - 2000. - C. 1-5.

20. Tuleuova Gulmarzhan K., Abdramanova Zhanat M. Use of environmentally friendly construction and finishing materials in the solution of the problem of optimization of the indoor climate // Current scientific research in the modern world. - 2020. - №4-5. - p. 45-48.

CS

0

CS

01

O m m

X

<

m o x

X