CC BY
75УДК 69.057.5
DOI 10.24411/2686-7818-2020-10002
ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ ПРИМЕНЕНИЯ МОНОЛИТНОГО БЕЗБАЛОЧНОГО КАРКАСА ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ОБЪЕКТОВ И ВАРИАНТЫ ИХ РЕШЕНИЯ
© 2020 С.М. Анпилов*
Представлены основные недостатки применения в строительстве монолитного безбалочного каркаса: усадочные деформации; стык плиты перекрытия и колонны. Предложены варианты решения указанных недостатков, выработанные по результатам проведенных исследований и натурных испытаний, подтверждённые практическим опытом при применении монолитного безбалочного каркаса на объектах строительства.
Ключевые слова: строительство, строительные конструкции, безбалочный каркас, монолитное домостроение, строительные материалы.
Если вначале применения железобетона особенности сооружения определялись желаниями архитектора и возможностями ручного труда, то при современном уровне требований экономики, обеспеченности механизмами, наличия различного вида опалубки и вспомогательного оборудования, взаимосвязь архитектуры и конструктивного решения здания с технологией производства становится все более тесной. Механизированное и автоматизированное производство требует более простых решений, и архитектурная вычурность заменяется простыми формами.
Конструктивные системы каркасных многоэтажных зданий могут быть рамными, рам-но-связевыми, и связевыми [см. подр. 1-2].
Для здания с рамной системой характерно то, что все нагрузки, действующие на сооружение, воспринимаются каркасом здания.
Для здания со связевой системой характерно то, что вертикальные нагрузки на здание воспринимаются каркасом, а горизонтальные нагрузки воспринимаются связями.
Для зданий с рамно-связевой системой характерно то, что вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие на сооружение, воспринимаются совместно.
Для обеспечения конструктивного и социального качества сооружения и требований экономики, необходима комплексная увязка
между собой архитектурного, конструктивного и технологического решения сооружения -опалубки; оборудования по приготовлению, укладки и уплотнению бетона; методов за уходом и контролем качества строящегося объекта; соответствующей квалификации работников. Процесс оптимизации всего комплекса вопросов в замкнутом виде на теоретической основе при большом числе неоднородных факторов пока остается разрешимым лишь в простейших случаях. Поэтому на практике используется вариантный метод проектирования технологического процесса, опирающийся на опыт предыдущих строительств и интуицию создателей нового проекта.
Разработанные теоретические основы построения прогрессивной технологии возведения полносборных зданий, изложенные в работах А.А. Афанасьева [3-6], позволяют выбрать оптимальный вариант и для монолитных сооружений. Однако при этом необходимо определить не только положительные свойства монолитного бетона, но и свести к минимуму имеющиеся недостатки.
1. Усадочные деформации в монолитном железобетоне
К одному из недостатков, снижающему надежность работы сооружения и нарушающего его сплошность, является проявление
* Анпилов Сергей Михайлович (anpilovsm@gmail.com) - доктор технических наук, Заслуженный изобретатель РФ, Почётный строитель, советник РААСН; АНО "Институт судебной строительно-технической экспертизы, 445047 РФ, Самарская область, г. Тольятти, а/я 25.
в монолитном перекрытии усадочных деформаций [7-9].
Для монолитных перекрытий применяется подвижная бетонная смесь, и значение усадочных деформаций достигает предельных деформаций бетона на растяжение. Следовательно, если задержать развитие усадочных деформаций, то в конструкции неизбежно появятся сквозные трещины. Сквозные трещины принципиально меняют расчетную схему работы конструкции, превращая ее на начальном этапе работы из изгибаемой конструкции в висячую.
Наиболее эффективным, с технической точки зрения, приемом, обеспечивающим устранение усадочных деформаций, является применение безусадочного цемента. Однако, из-за высокой стоимости безусадочного цемента и побочных эффектов, этот способ применяется в исключительных случаях в условиях строительной площадки.
Эффективным способом уменьшения или компенсации усадочных деформаций является также способ создания в плите перекрытия предварительных напряжений, используемый в зарубежной практике. Однако, из-за трудоемкости и технологических и конструктивных сложностей в условиях строительной площадки, предварительное напряжение оказывается дорогостоящим мероприятием и применяется в настоящее время очень редко, только в сооружениях уникальных, имеющих большие пролеты и сложные ячейки.
В строительной практике, применяя для перекрытия обычный тяжелый бетон, стараются снизить влияние усадки путем бетонирования по захваткам, устройством специальных швов, более дисперсным расположением арматуры и т.д. Однако, и освобождение перекрытия от стен по контуру и бетонирование по отдельным захваткам не позволяет полностью исключить влияние усадки бетона на работу перекрытия. Растягивающие напряжения в бетоне, в этом случае, появляются в результате сдерживания усадки арматурой самого перекрытия и жесткого соединения перекрытия с колоннами, перегородками и т.д. [7].
При проявлении усадки бетона в железобетонном элементе возникают деформации сжатия арматуры растяжения бетона. С увеличением коэффициента армирования напряжения в арматуре от усадочных деформаций падают, а в бетоне возрастают.
К напряжениям в бетоне от усадочных деформаций, сдерживаемых арматурой, добавляются напряжения, образующиеся в результате статической неопределимости и температурных условий. В результате не редко в плите перекрытия образуются трещины, как при распалубке, так и через некоторое время после нее. Эффективные приемы снижения влияния усадочных деформаций или компенсация их позволит более точно определить необходимое армирование и снизить опасность нарушения эксплуатационных характеристик, таких как чрезмерное раскрытие трещин и сверхнормативные прогибы, т.е. сделать конструкцию более надежной.
Снижение влияния усадочных деформаций бетона на эксплуатационные характеристики безбалочных перекрытий является первостепенной.
2. Недостатки технологии и конструкции "стандартного" стыка плиты перекрытия и колонны
С конструктивной точки зрения несущий каркас монолитного многоэтажного здания с безбалочным перекрытием представляет многократно статически неопределимую пространственную систему, состоящую из плоских сплошных монолитных железобетонных плит, соединенных между собой монолитными железобетонными колоннами [см. 1-2].
Наиболее опасным и сложным для расчета, конструирования и технологии исполнения являлся стык плиты перекрытия и колонны. Понимая это, зодчие первых безбалочных перекрытий выполняли их с капителями. Основная задача капителей - увеличить площадь опирания плиты на колонну, чем обеспечивается повышенное сопротивление продавливанию плиты перекрытия, т.е. повышается надежность стыка. Однако,
капители усложняли опалубочные работы и саму опалубку, технологию укладки бетона, затрудняли электро- и сантехнические работы и т.д. Поэтому исследователи стремились постоянно к изменению конструкции стыка плиты и колонны.
Первые решения монолитных безбалочных безкапительных перекрытий представляли собой скрытые капители. Капитель выполнялась из более прочного материала, стали. В результате, размер самой капители значительно уменьшался и позволял «скрыть» ее внутри плиты перекрытия. Наиболее распространенным вариантом стало перекрытие с применением «воротников». Воротники выполнялись как балочная крестовина или обойма сваренная из листовой или профилированной стали. Варианты таких конструкций, представлены на рис. 1. [10] Первые здания с такой конструкцией перекрытия были построены еще в 1905г. в США. Но наибольшее распространение получили в сороковых годах ХХ века.
бетон плиты на отдельные разрозненные фрагменты. При этом теряется целостность железобетонной конструкции. В зоне перехода от металлической конструкции вкладыша к основному телу плиты образуется опасная зона с сильной концентрацией напряжений. Это связанно с переходом от стального сечения с очень высокой жесткостью к железобетонному сечению, жесткость которого, безусловно, ниже.
В настоящее время наибольшее распространение получила конструкция стыка плиты перекрытия и колонны, разработанная научно-исследовательским институтом НИ-ИЖБ. Основная идея стыка заключается в том, что перерезывающие усилия в плите в зоне опоры воспринимает поперечная арматура, установленная вертикально.
Обладая достаточно высокой несущей способностью, такой стык, теме не менее на практике оказался достаточно нетехнологичным. Дело в том, что в данном стыке кроме продольного двойного армирования уста-
Рис. 1. Схемы стальных воротников:
а) из листовой стали, б) из профилированной стали
Монолитные безбалочные перекрытия сооруженные со скрытыми капителями имеют ряд серьезных недостатков. Наиболее важным, из них является высокая металлоемкость. Кроме того, на первый план выходит низкая технологичность изготовления сложных металлических конструкций. К серьезным недостаткам можно отнести и то, что металлические воротники разделяют
навливается значительное число каркасов поперечного армирования. В перекрытиях зданий с сеткой колонн 6.0 х 6.0 м, опыт строительства и эксплуатации которых уже имеется, в зоне только одного стыка устанавливается до 32 каркасов с поперечными стержнями. Это связано с требованием норм, исключающих возможность продавливания плиты перекрытия под действием сосредо-
точенных усилий у колонны. Сложности связаны не только с установкой многочисленных каркасов в проектное положение в зоне стыка, но и обеспечением должного уплотнения бетона в связи с частым расположением арматурных стержней. Вероятность недоуплотнения бетона здесь значительно выше, чем в средней части плиты, что увеличивает опасность разрушения от продав-ливания. Совершенствование стыка колонны и плиты в безбалочном перекрытии в технологическом плане является второй важнейшей задачей данной работы.
В начале прошлого века еще не было достаточного количества данных по экспериментальным исследованиям и теоретическим изысканиям. По этой причине расчет плит безбалочных перекрытий с капителями выполнялся грубо приближенными методами. Анализу существующих приближенных методов расчета посвящены работы А.Ф. Лолейта, Б.Г. Галеркина, М.Я. Штаермана и др.
На основании исследований проведенных учеными А.С. Щепотьевым В.С. Булгаковым и др., под руководством проф. А.А. Гвоздева [10-11], в 1940 г. ЦНИПС в новом варианте инструкции по расчету безбалочных перекрытий были учтены особенности работы железобетона с использованием метода расчета по разрушающим усилиям. За основу расчета несущей способности безбалочных плит приняты следующие предположения:
1) При разрушении железобетонная плита превращается в геометрически изменяемую систему. Эта система состоит из ряда жестких звеньев, соединенных пластическими шарнирами.
2) В момент образования пластического шарнира напряжение в арматуре в нем равно пределу текучести.
3) В момент, непосредственно предшествующий образованию шарнира, перемещения системы малы по отношению с основными размерами конструкции.
Таким образом, для определения несущей способности плиты необходимо установить возможную схему разрушения и места образования пластических шарниров, кото-
рые должны соответствовать минимальном несущей способности.
Предложенная в инструкции схема работы безбалочного перекрытия существенно уточняла предложенные ранее методы и стала основой для проектирования сооружений на много лет вперед. Однако и эта инструкция ориентировалась на "ручной" способ расчета и не позволяла полностью учесть пространственную работу сооружения, из-за необходимости решения совместно системы множества уравнений. Эта задача могла быть разрешена лишь с применением ЭВМ.
Современная вычислительная техники позволяет производить расчеты сложных конструктивных решений монолитных безбалочных каркасов. Расчеты ведутся на базе современных вычислительных методов. Наиболее распространенным, из которых, является метод конечных элементов МКЭ. Разработаны различные вычислительные комплексы, выполняющие расчеты математических моделей конструкций. К наиболее известным в мире расчетным системам относятся ABAQUS, ADINA, ANSYS, MSC/NASTRAN, Cosmos, ЛИРА, Мираж, SCAD [12].
Выполнение расчета при помощи метода МКЭ сводится к решению больших систем линейных алгебраических уравнений [13]. Переменные коэффициенты в этих уравнениях зависят от напряжений в конечных элементах.
Возможности метода конечных элементов позволяют производить анализ напряженного состояния нестандартных конструкций состоящих из большого количества элементов. Кроме того, МКЭ позволяет производить разнообразные условия загружения - от простых статических до сложных динамических нагрузок, различные сценарии приложения нагрузок и воздействий.
МКЭ обладает определенными особенностями, которые приходится учитывать при выборе вычислительного комплекса и создании расчетной схемы. Исходные данные при расчете МКЭ обладают значительным объемом, что влечет за собой появление случайных ошибок, затрудняет как создание расчетной модели, так и обработку результатов.
Сложность расчетной схемы в свою очередь влияет на время счета и уровень сложности анализа ошибок. Кроме того, на устойчивость результатов влияет и то, что вычисления производятся итерационным методом. Увеличение количества шагов расчета приводит к значительному росту времени счета [см. подр. 1].
На современном этапе развития вычислительных методов возникает комплекс вопросов, связанный с созданием более совершенных моделей деформирования материалов. Роль применения нелинейной диаграммы деформирования подчеркивают в своих работах академики РААСН Н.И. Карпенко и В.И. Травуш. Они видят одним из важнейших направлений «создание современных компьютерных методов расчета в проектировании конструкций, зданий и сооружений на базе достижений механики материалов» [14]. В современных нормах проектирования основное внимание уделяется оценке несущей способности по уже полученным внешним усилиям. Причем расчет сечений, как правило, производится с учетом физической нелинейности материала, что позволяет добиться определенной экономии материалов. Но при этом само определение внешних усилий выполняется в линейной постановке, что приводит к погрешностям «сводящим на нет» учет нелинейности при подборе сечений.
Учет нелинейности материалов при определении внутренних усилий и напряжений -дает возможность уточнить границы предельного равновесия и получить более реальную картину напряженно-деформированного состояния. Нелинейности деформирования бетона посвящены работы многих авторов [1-2; 11; 1519].
На современном этапе строительства в России применяется стык колонны и плиты перекрытия разработанный в НИИЖБ, в котором перерезывающее усилие воспринимает вертикальная арматура.
Расчет стыка колонны и плиты перекрытия производится по СНиП 2.03.01-84 [см. подр. 1], в соответствии, с которым, расчет продавливающей силы в плитных конструкциях с бетонным сечением осуществляется по условию:
F < а-К- и •Ь,
— Ы: т 0'
где а - коэффициент зависящий от вида бетона; ит - среднеарифметическое значение периметров верхнего и нижнего оснований пирамиды, образующейся при продавливании в пределах высоты рабочей зоны Ь0.
При установке в пределах пирамиды продавливания хомутов, нормальных к плоскости плиты, в расчет вводится дополнительное слагаемое, определяющее величину усилия, воспринимаемого хомутами. Воспринимают усилия только те хомуты, стержни которых пересекают грани расчетной пирамиды продавливания. Считается, что хомуты воспринимают усилия с коэффициентом 0.8. Т.е. лишь 80% поперечного сечения хомутов вовлекается в работу. Тогда расчет производится из условия, что продавливающая сила: F < Р + 0.8 F ,
Ы sw/
где РЫ - усилие воспринимаемое бетоном;
Р - сумма всех поперечных усилий, воспринимаемых хомутами, пересекающими боковые грани расчетной пирамиды продавливания.
Для возможного решения основных недостатков применения монолитного безбалочного каркаса при возведении объектов, в соавторстве с членом-корреспондентом РА-АСН Мурашкиным Г.В. были предложены вариант стыка с введением в него, вместо многочисленных арматурных сеток, металлических пластин - вставок [20]. Был изучен мировой опыт,
Рис. 2. Стык плиты перекрытия и колонны с металлическими вставками
проведены теоретические и практические исследования по восприятию нагрузок в стыке монолитной плиты перекрытия, армированной металлическими вставками и колонны.
Прототипом такой конструкции стали короткие консоли в колоннах серии 1.020. Вставки, сваренные с продольной арматурой, попадая в зону продавливания должны обеспечить восприятие усилия, которое в "стандартном" стыке воспринимается поперечными стержнями.
Результаты проведенных исследований и натурных испытаний, подтвердили верное направление выбора вариантов устранения основных недостатков при применении монолитного безбалочного каркаса на объектах строительства. Что подтверждено широким применением предложенного стыка колонны и монолитной плиты перекрытия, армированной металлическими вставками в практике проектирования и возведения объектов в строительной отрасли.
Библиографический список
1. Анпилов С.М. Здания с эффективным монолитным безбалочным каркасом. Экспериментальные и теоретические исследования, методы расчета и возведения: дисс... доктора технических наук / 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Самара, 2005. - 215 с.
2. Анпилов С.М. Технология возведения зданий и сооружений из монолитного железобетона. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 545 с.
3. Афанасьев А.А. Интенсификация работ по возведению зданий и сооружений из монолитного железобетона. - М.: Стройиздат, 1990. - 384 с.
4.Технология возведения полносборных зданий / Афанасьев А.А. и др. - М.: АСВ. 2000. - 361 с.
5.Технология строительных процессов / Афанасьев А.А. и др. - М.: Высшая школа, 1999. - 463 с.
6. Афанасьев А.А. Поточная организация строительства. - Л.: Стройиздат, 1990. - 320 с.
7. Некоторые особенности проектирования каркаса подземной части зданий возводимых с использованием «Стены в грунте» / Клев-цов В.А. и др. // Бетон и Железобетон. - 2000. - №6.
8. Мурашкин В.Г. Влияние усадочных деформаций на работу безригельного монолитного перекрытия // Актуальные проблемы современного строительства: материалы Всероссийской XXXI научно-технической конференции. -Пенза: ПГАСА. - 2001.
9.Мурашкин В.Г. Влияние усадочных деформаций на работу безригельного монолитного перекрытия // Известия ТулГУ. Сер. Технология, механика и долговечность строительных материалов конструкций и сооружений. -т 2001. - №2. - С. 86-90.
10. Экспериментально-теоретическое исследование работы железобетонной рамы при переменном во времени нагружении / Гвоздев А.А. и др. // Совершенствование методов расчета статически неопределимых железобетонных конструкций: сб. научн. тр. - М.: НИИЖБ, 1987. - С.25-36.
11. Гвоздев А.А., Байков В.Н. К вопросу о поведении железобетонных конструкций в стадии близкой к разрушению // Бетон и железобетон. - 1977. - №9. - С.22-24.
12. Баженов Ю.М., Воробьев В.А., Илюхин
A.В. Задачи компьютерного материаловедения строительных композитов // Известия ВУЗов. Строительство. - 2000. - №12.
13. Межевой Г.Н., Залманов В.Л., Фишман М.Д. Монолитное до-мостроение. - Кишинев: Картя Молдавеняска, 1980. - 238 с.
14. Карпенко Н.И., Травуш В.И. Развитие методов проектирования строительных конструкций, зданий и сооружений // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. ст. меж-дунар. науч. тех. конфер. - Пенза: 2002. - С.5-8.
15. Байков В.Н., Фролов А.К., Кондратьев
B.А. Податливость стыковых соединений в неразрезных плитных системах покрытий промз-даний // Совершенствование строительных конструкций и методов расчета: межвуз. сб. науч. трудов. - Омск: ОМПИ, СибАДИ, 1991. - С.36-41.
16. Методические рекомендации по уточненному расчету железобетонных элементов с учетом полной диаграммы сжатия бетона / Бамбура А.Н. и др. - Киев: НИИСК Госстроя СССР, 1987. - С. 3-12.
17. Болотин В.В., Радин В.П., Чирков В.П. Уп-ругопластический анализ несущих элементов зданий и сооружений при интенсивных сейсмических воздействиях // Известия ВУЗов, Строительство. - 2002. - №6. - С. 4-9.
18. Бондаренко В.М., Бондаренко С.В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона. - М.: Стройиздат, 1982. - С.88-105.
19. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. - М.: Стройиздат, 1996.
20. Патент РФ №2194825. Стыковое соединение безбалочного железобетонного перекрытия с колонной. / Анпилов С.М., Мурашкин Г.В. -Опуб. 20.12.2002. Бюл. №35.
Поступила в редакцию 23.01.2020 г.
© INO "Institution of Forensic Construction and Technological Expertise", 2020
THE MAIN DISADVANTAGES OF THE MONOLITHIC GIRDERLESS FRAME APPLICATION IN THE CASE OF BUILDING OBJECTS, VARIANTS OF SOLUTION
© 2020 S.M. Anpilov
*
Have been presented the main disadvantages of the monolithic girderless frame application in the construction: shrinkage deformations, the joint of the slab and the column. Proposed possible solutions that were developed on the basis of the conducted research results and field tests, confirmed by practical experience in the application of a monolithic girderless frame at construction sites.
Keywords: building, building constructions, girderless frame, monolithic homebuilding, building materials.
* Anpilov Sergey Mihailovich (anpilovsm@gmail.com) - Doctor of Technical, Honored Inventor of the Russian Federation, Honorary Builder, Advisor RAABS; INO "IFCTE", Togliatti, Russia.
Received for publication on 23.01.2020
