CC BY
23—----ЖМЛИЩНО Е ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 66.013.5
И.Н. ТИХОНОВ, канд. техн. наук, руководитель Центра проектирования и экспертизы НИИЖБ им. А.А. Гвоздева
Об эффективном конструировании железобетонных элементов крупнопанельных зданий
Сформулированы современные проблемы КПД. Приведены основные направления научно-практической деятельности, которые могут способствовать быстрому развитию КПД в России. Показано, что сотрудничество строителей, проектировщиков и научных работников при совершенствовании проектов крупнопанельных домов серии И-155 позволило снизить расход арматурной стали в среднем на 15% при одновременном обеспечении устойчивости от прогрессирующего обрушения.
Ключевые слова: типовое проектирование, индустриальное домостроение, типовые серии зданий, усовершенствованные серии зданий.
Для решения жилищной проблемы в обозримой перспективе с учетом состояния стареющего существующего фонда жилья индивидуальной и массовой застройки в России необходимо, по примеру других развитых стран, производить не менее 1 м2 жилой площади в год на одного жителя страны.
Эта цифра превышает более чем в два раза современный уровень отечественного строительного производства и может быть достигнута только в случае активизации развития индустриального домостроения при поддержке государства и с использованием современных возможностей частной инициативы и бизнеса (табл. 1).
Еще в середине прошлого века на государственном уровне было установлено, что решение жилищной проблемы в СССР может быть только за счет широкомасштабного развития крупнопанельного домостроения из железобетона.
Для этого была создана материально-техническая база на основе заводов по производству железобетонных конструкций и домостроительных комбинатов.
Большое внимание уделялось созданию нормативно-технической базы, внедрению новых материалов и технологий, разработке типовых серий крупнопанельных зданий общесоюзного, республиканского и регионального значения.
Как показало время, выбранная стратегия развития жилищного строительства себя оправдала.
С началом перестройки из-за ряда объективных и необъективных причин все большие масштабы стало занимать монолитное домостроение. Объемы сборного панельного домостроения стали уменьшаться, как и количество заводов ЖБК и домостроительных комбинатов. В настоящее время оставшиеся предприятия крупнопанельного домостроения, расположенные в основном в отдаленных от центра России регионах, в большинстве своем имеют устаревшее технологическое оборудование и металлооснаст-ку для производства серий зданий, созданных 30-40 лет назад и устаревших как по архитектурно-планировочным требованиям, так и по конструктивным решениям, использованным материалам и технологиям.
К сожалению, за последние 20 лет не только значительно пострадала материально-техническая база крупнопа-
нельного домостроения но и, что трудно восполнимо, разрушена система профессиональной подготовки строителей среднего и высшего звеньев для этого вида строительства; ликвидирована система трестов «Оргтехстрой» и специализированных подразделений отраслевых министерств, успешно внедрявших ранее передовые технологии и материалы, в значительной степени потерян научный потенциал строительной отрасли.
Многие ведущие специализированные научно-исследовательские институты ликвидированы, а оставшиеся с целью выживания и сохранения кадров вынуждены заниматься практической деятельностью, в основном мало связанной с их научной направленностью. Пришедшее в негодность, десятилетиями не обновляемое научное оборудование, дефицит высококвалифицированных исследователей и высокая стоимость экспериментальных опытов не позволяют без государственной поддержки выполнять широкомасштабные перспективные научные разработки.
Научная работа в отраслевых институтах ведется в основном за счет собственных средств хозрасчетных подразделений, в ущерб их фонду заработной платы, по инициативе и на энтузиазме оставшихся немногочисленных квалифицированных сотрудников.
По указанным причинам в настоящее время перспективны два основных направления научно-проектной деятельности, которые могут способствовать быстрому развитию крупнопанельного домостроения в России без больших капитальных затрат:
1. Переработка архитектурно-планировочных и конструктивных решений старых (разработанных до 2000 г.), но используемых в настоящее время типовых проектов с целью их модернизации в соответствии с современными нормативно-техническими требованиями к жилищному
Таблица 1
Годы 2005 2007 2008 2009 2010 Ожидаемый
2011 2015
Ввод жилья, млн м2 43,6 60,35 63,76 59,8 58,11 63 90
—-----ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
1 - П-3-1; 2 - П-3-2
Таблица 2
Марка плиты Армирование Результаты испытаний
типовое опытное Прогибы при контрольной нагрузке, 1, мм Разрушающая нагрузка q, кН/м2
П-3-1 29 06 А600/ 18 04 Вр-1* 1,6 8,65
П-3-2 38 06 А400/ 18 05 Вр-1* 1,1 8,28
* Перед чертой - армирование по короткому пролету; после черты -по длинному.
строительству, при максимально возможном сохранении технико-экономических показателей и минимизации затрат на реконструкцию существующей материальной базы производства (технологическое оборудование, оснастка).
2. Технико-экономическая оценка новых (разработанных после 2000 г.) типовых проектов крупнопанельного домостроения с целью их переработки для снижения себестоимости 1 м2 жилой площади, повышения качества, надежности и долговечности зданий, снижения затрат на их эксплуатацию.
Имеющиеся положительные примеры полномасштабного совершенствования старых типовых серий зданий единичны, так как сопряжены со значительными материальными затратами, неподъемными даже для крупных частных строительных объединенияй.
Такая работа может и должна финансироваться государством, возможно, с привлечением заинтересованного крупного бизнеса.
Одним из доступных для быстрого внедрения и наименее затратным является апробированный в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева способ повышения технико-экономических показателей типового проектирования зданий за счет совершенствования армирования их конструкций. К одному из удачных примеров можно отнести выполненную работу по совершенствованию армирования панелей перекрытий жилых домов серии 90 [1]. В результате замены арматуры класса А400(А-Ш) на А600(Ат-^с) в этих элементах получена экономия металла до 20% (табл. 2). При проведении заводских испытаний и испытаний на транспортные и монтажные нагрузки установлена высокая эксплуатационная надежность панелей перекрытий размером 5700x3600x120 мм с эффективным армированием за счет высоких прочностных и пластических показателей арматуры класса А600.
Сказанное убедительно иллюстрируется графиками прогибов экспериментальных панелей, приведенных на рис. 1.
Следует отметить, что при совершенствовании конструктивных решений армирования железобетонных изделий старых серий крупнопанельных зданий в новых условиях должны приниматься во внимание требования современных нормативных документов, касающихся армирования и учитывающих качественные показатели арматурного проката современного производства, повышенные требования к строительству [2].
Выборочные результаты сопоставительного анализа рекомендаций нормативных документов СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры» в сравнении с СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» показали, что для конструкций из бетона В25 с арматурой класса А500 требуется увеличение:
- расчетной длины анкеровки арматурных стержней на 29%;
- длины перепуска в соединениях внахлестку на 31%;
- длины запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры на 50%;
- длины нормальных анкеров закладных деталей на 26%.
Как видно из приведенных примеров, при использовании конструкций старых типовых серий, запроектированных по СНиП 2.03.01-84*, в современных условиях без их корректировки в соответствии с требованиями СП 52-1012003 не будет обеспечена проектная надежность крупнопанельного и других видов строительства.
Сопоставительным анализом результатов расчетов изгибаемых элементов по СНиП 2.03.01-84* и СП 52-101-2003 по второй группе предельных состояний также выявлено их различие [3]. Так, расчетная ширина раскрытия трещин по СНиП 2.03.01-84* меньше, чем по СП 52-101-2003, в среднем на 13%, величина прогибов - на 6%. Очевидно, что выполнение требований новых нормативных документов предполагает увеличение армирования при использовании конструкций старых типовых серий в объектах строительства, строящихся в настоящее время. Сохранение низких показателей расхода арматуры старых серий в новых условиях их использования возможно только при применении арматурного проката повышенных классов прочности А500 и А600 с эффективными видами профиля, таких как А500СП [3].
В последние годы в центральных регионах России, обладающих высоким экономическим потенциалом, развивается крупнопанельное домостроение, отвечающее современным архитектурно-планировочным требованиям. Одним из положительных примеров является проектная разработка, освоение производства и широкомасштабное внедрение серии домов И-155 и ее разновидностей.
Проекты крупнопанельных жилых домов серии И-155 разработали специалисты ГИПРОНИИ РАН в 2000 г. Первоначально они предназначались для строительства домов по индивидуальным проектам в Москве и Московской области, которое вела группа компаний ЗАО «СУ-155». Серия И-155 отвечает современным требованиям жилищного строительства и характеризуется большим разнообразием типов домов, а также применяемых шагов несущих стен, пролетов плит перекрытий (2,4; 3; 3,6; 4,2; 6; 7,2 м) и различной этажностью (от 9 до 24 этажей).
С целью дальнейшего расширения производства и повышения его эффективности была подготовлена программа по типизации, унификации и разработке новых технических решений домов серии И-155, выполнение которой позволило придать проектам статус серийных домов для многократного применения. К выполнению этих задач были привлечены проектные и научные подразделения институтов «Моспроект», НИИЖБ, ЦНИИСК и др. Для всех типов домов разработали и внедрили новую конструкцию железо-
—----ЖМЛИЩНО Е ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Рис. 2. Конструктивное решение теплого чердака с безрулонной кровлей 16-этажной рядовой блок-секции дома серии И-155: а — план плит покрытия безрулонной кровли; б — разрез
-Ж ИЛИЩНОЕ-
1-1
4
-v-
Арматура
-V-
9.000
9.000
3.000
7200
7200
О
о
о
Рис. 3. Локальное обрушение несущей стены первого этажа и опирающихся на нее плит перекрытий
бетонной безрулонной кровли для крыш с теплым чердаком, сборные железобетонные перегородки, объемные балконные блоки, унифицированные входы и др.
Одной из поставленных задач являлось снижение расхода металла, составлявшего в домах разной этажности 50-80 кг/м2 общей площади. Эта задача успешно решена специалистами Центра проектирования и экспертизы № 21 НИИЖБ им. А.А. Гвоздева за счет оптимального армирования стеновых элементов и широкомасштабного применения в проектной рабочей документации арматуры класса А500СП для расчетного армирования, а также для промежуточных диаметров 5,5 и 7 мм класса В500 для конструктивного армирования железобетонных элементов зданий. Выполненные совместно со специалистами ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко испытания натурных фрагментов стыков и стеновых элементов зданий серии И-155 с новым уменьшенным на 30% армированием показали их высокую надежность.
Значительное снижение сроков строительства и эксплуатационных затрат позволила обеспечить разработка ЦПЭ № 21 НИИЖБ им. А.А. Гвоздева нового типа сборной железобетонной безрулонной кровли крыш с теплым чердаком и ее широкомасштабное применение практически во всей гамме типовых и индивидуальных проектов 9-24-этажных домов серии И-155 [4].
Чердачное пространство крыши образовано утепленными трехслойными наружными фризовыми панелями, утепленными трехслойными плитами покрытия с выступающими вверх бортовыми ребрами, плитами лоткового типа для сбора и отвода воды и обогревается теплым воздухом, поступающим из вытяжной вентиляции квартир, а также тепловыделениями трубопроводов отопления и горячего водоснабжения (рис. 2). Плиты длиной более 5 м выполняются преднапряженными. Стыки плит перекрываются сборными П-образными железобетонными нащельниками.
Чердачное пространство выполняет функции вентиляционной камеры, выброс воздуха из которой осуществляется через вытяжные шахты.
Основные гидроизоляционные функции выполняет бетон плит покрытия повышенных марок по морозостойкости и водонепроницаемости.
Гидроизоляционная защитная мастика наносится на верхнюю поверхность кровельных плит в заводских условиях. Плиты формуются в положении лицом вниз на виброустановках ударного действия и переворачиваются в рабочее положение с помощью кантователя вместе с формой.
Заводские испытания основных типов плит и лотков, выполненные на Домодедовском заводе ЖБИ (Московская обл.), показали полное соответствие всех контрольных параметров по прочности, жесткости и трещиностойкости требованиям ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изтоговления. Методы испытаний нагружением».
Сравнение технико-экономических показателей крыш жилых домов серии И-155 с рулонным покрытием и безрулонных крыш приведено в табл. 3.
Более чем 5-летний опыт строительства и эксплуатации безрулонных крыш с теплым чердаком жилых домов серии И-155 подтвердил своевременность и эффективность их разработки и внедрения.
Программа совершенствования серий домов И-155 предусматривала разработку полносборного варианта точечной и блок-секционной застройки повышенной этажности (22-24 этажа). Первоначально их запроектировали и строили с несколькими монолитными нижними этажами. В связи с современными требованиями по обеспечению высокой эксплуатационной надежности жилищного строительства возникла задача провести конструктивную корректировку всех проектов серии И-155 с учетом мер, исклю-
—----ЖМЛИЩНО Е ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Таблица 3
Наименование показателя Крыша с рулонным покрытием Безрулонная крыша Соотношение, % (- экономия, + перерасход)
Расход бетона, м3/1 м2 0,3606 0,3807 +5,5
Расход металла, кг/1 м2 32,25 31,65 -1,86
Расход утеплителя, м3/1 м2 0,3333 0,2614 -21,57
Срок строительства покрытия одной блок-секции, раб. день 21 6 ускорение в 3,5 раза
Стоимость строительства, 1 р./м3 5931 5562 -6,22
чающих прогрессирующее обрушение при локальных разрушениях несущих конструкций.
Поставленная выше задача по сокращению армирования и требования по конструктивному обеспечению устойчивости зданий против прогрессирующего обрушения в известной степени противоречат друг другу. Поэтому надо было найти компромиссные варианты конструктивных решений, позволяющих получить максимально эффективный конечный результат.
В итоге проведенных расчетных, исследовательских и конструктивных работ для рабочего проектирования обозначены общие конструктивные мероприятия по совершенствованию проектов серии И-155 с учетом эффективного армирования и защиты от прогрессирующего обрушения [5]:
1. Переход на конструктивную систему с несущими наружными стенами позволяет снизить нагрузку на внутренние несущие поперечные стены, существенно уменьшить их армирование и одновременно повысить устойчивость зданий на прогрессирующее обрушение.
2. Внедрение расчетного сквозного непрерывного армирования внутренних и наружных стен вертикальными плоскими каркасами (по 2 шт. на панель) с выпусками по
верхней и нижней граням, свариваемыми между собой при монтаже, обусловливает при аварийном разрушении одной стены на любом этаже «зависание» вышележащих плит перекрытий на стенах верхних этажей. Нагрузка от стен и перекрытий вышележащих этажей, ранее воспринимаемая разрушенной стеной, передается на другие стены этого этажа через закладные детали в вертикальных стыках. Прогрессирующего обрушения здания в этом случае не происходит (рис. 3).
3. Для повышения сопротивляемости несущей системы зданий прогрессирующему обрушению и экономии металла арматуру несущих стеновых панелей (каркасов, отдельных стержней, сеток, анкеров закладных деталей) принимают класса А500СП с четырехсторонним серповидным периодическим профилем, обеспечивающим эффективное сцепление с бетоном и надежную анкеровку арматуры в стадии ее пластического деформирования, которая обладает высокой прочностью и пластичностью в предельном состоянии.
4. С целью обеспечения высокой надежности соединений сборных элементов анкеровку закладных деталей стеновых панелей рассчитывают на усилия, в 1,5 раза превышающие несущую способность соединительных элементов.
Реализация вышеуказанных мероприятий позволила снизить расход арматурной стали в среднем на 15% при одновременном обеспечении устойчивости жилых домов серии И-155 от прогрессирующего обрушения.
Успешное строительство в разных регионах России крупнопанельных домов усовершенствованных серий И-155 позволяет сделать вывод о высокой эффективности сотрудничества строителей, проектировщиков и научных работников.
Список литературы
1. Тихонов И.Н., Леви М.И., Соколов В.П., Никольский В.А., Чебыкин Б.А., Пономарева С.А. Применение стали класса Ат-МС при производстве панелей перекрытий жилых домов // Бетон и железобетон. 1990. № 11. С. 4-5.
2. Тихонов И.Н., Мешков В.З., Судаков Г.Н. О нормировании анкеровки стержневой арматуры // Бетон и железобетон. 2006. № 3. С. 2-7.
3. Тихонов И.Н., Саврасов И.П. Экспериментальные исследования предельных состояний железобетонных балок с арматурой класса прочности 500 МПа // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 31-38.
4. Тихонов И.Н., Штритер К.Ф., Балакин М.Д., Мещеряков А.С., Волкодаев Ю.К. Новая конструкция безрулонной кровли для крыш с теплым чердаком из сборного железобетона для жилых домов серии И-155 // Бетон и железобетон. 2007. № 2. С. 4-7.
5. БалакинМ.Д., Мещеряков А.С., ФоркачевА.А., Тихонов И.Н. Жилые дома серии И-155, проектируемые с учетом предотвращения прогрессирующего обрушения // Промышленное и гражданское строительство. 2005. № 8. С. 19-21.
