CC BY
2Преимущества применения сталежелезобетонных элементов
V ^ V
в каркасах многоэтажных здании при особых воздействиях
Шлеенко Алексей Васильевич
кандидат экономических наук, зав. кафедрой промышленного и гражданского строительства, Юго-Западный государственный университет
Ломакин Иван Александрович
аспирант, Юго-Западный государственный университет, mm.12522@yandex.ru
Использования жесткой арматуры и в целом сталежелезобетонных конструкций в каркасах многоэтажных жилых зданий является малоизученной темой. Эффективность применения жесткой арматуры не раз доказана исследованиями, проводимыми в как в середине прошлого века, так и по сей день. В статье приводится информация о преимуществах использования сталежелезобетонных элементов в каркасах многоэтажных зданий, основные факторы, повышающие жесткость здания и его живучесть. Приводятся примеры применения данных конструкций в современном строительстве. Сделаны выводы, касающиеся экономической целесообразности и эффективности применения сталежелезобетонных конструкций.
Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, живучесть зданий и сооружений, жесткая арматура, аварийное состояние, многоэтажные зданий
В последние десятилетия остро стоит вопрос повышения живучести зданий и сооружений, их способности воспринимать запроектные нагрузки. Предложено множество способов проектирования каркасов многоэтажных зданий с учетом требований норм, касающихся прогрессирующего обрушения. Тем не менее, научное сообщество все еще в поиске наиболее эффективного и экономически целесообразного способа исполнения данных конструкций. К основным из них относится:
■ применение аутригерных этажей;
■ использование предварительно-напряженных арматурных каркасов ригелей и других конструкций;
■ армирование приопорной зоны ригеля двухсторонними перекрестными наклонными арматурными стержнями;
■ применение жесткой арматуры в ригелях зданий;
Использования жесткой арматуры и в целом сталежелезо-
бетонных конструкций в каркасах многоэтажных жилых зданий является малоизученной темой. Эффективность применения жесткой арматуры не раз доказана исследованиями, проводимыми в как в середине прошлого века, так и по сей день. Зачастую ее применение требуется в колоннах или ригелях зданий повышенного уровня ответственности согласно п. 7 статьи 4 Федерального закона 384-ФЗ [1], т.к. данные решения трактуются расчетами инженеров.
Применение жесткого армирования возможно в конструкциях ригелей перекрытия и колонн каркаса здания. Расположение стального профиля в ригелях трактуется конструктивными требованиями и подбирается согласно расчету. Возможны следующие варианты армирования ригелей [2].
ВИ
ч
I
П II П II 1
£ 1
Рисунок 1 - Основные типы поперечного сечения комбинированных сталежелезобетонных балок
Самой эффективной конструкцией с точки зрения защиты зданий от прогрессирующего обрушения является тип «ж». При таком расположении жесткой арматуры значительно повышаются характеристики конструкции, влияющие на живучесть.
Применение жесткого армирования колонн многоэтажных зданий стальными профилями является редким явлением и обосновывается конструктивными требованиями в связи с особенностями конкретного объекта строительства. Например, такой тип был конструкции был использован в Лахта-цен-тре в г. Санкт-Петербург. Наружные колонны выполнены не вертикально, а под небольшим углом, что образует уникальный внешний облик здания. В связи с этим, в колоннах появляются чрезмерные изгибающие моменты, которые способна воспринять только жесткая арматура за счет площади сечения армирующего элемента. В связи с таким конструктивным решением также была значительно повышена живучесть здания. Возможны следующие типы армирования железобетонных колонн жесткой арматурой [4]:
а б в
1 2 1 2 1 2
• i i
D= =П
i м t «_»_и
=0|D=
J
«_•__t_ш
л -L
5
• • • •
• t¥ •t •
Рисунок 2 - Типовые сечения колонн с применением жесткой арматуры
Основными и наиболее эффективными является «а» и «б». При таком расположении стального сердечника, он является защищенным от корродирования и других негативных воздействий.
К основным преимуществам применения сталежелезобе-тонных конструкций для повышения живучести здания можно отнести несколько факторов. Одним из них является значительное повышение степени огнестойкости каркаса. При предложенных типах расположения стального сердечника, он является изолированным от прямого воздействия огня при пожаре, т.к. окружен защитным слоем бетона. Согласно таблице 21 123-Ф3 [3] существует пять степеней огнестойкости зданий и сооружений. Стальные конструкции относятся к второй степени огнестойкости, железобетонные, в свою очередь, относятся к первой. В таблице 1 представлены требуемые пределы огнестойкости для конструкций первой и второй групп.
Таблица 1
Соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости строительных конструкций зданий, сооружений
Сте- Предел огнестойкости строительных конструкций
пень ог- Несущие Наруж- Пере- Строительные кон- Строительные
нестой- стены, ные нене- крытия струкции бесчердач- конструкции лест-
кости колонны сущие между- ных покрытий ничных клеток
зданий, и другие стены этажные настилы (в фермы, внутрен- марши и
соору- несущие (в том том числе балки, ние пло-
жений и эле- числе с утепли- прогоны стены щадки
пожар- менты чердач- телем) лестниц
ных от- ные и
секов над подвалами)
I R 120 E 30 REI 60 RE 30 R 30 REI 120 R 60
II R 90 E 15 REI 45 RE 15 R 15 REI 90 R 60
При возникновении такой аварийной ситуации как пожар, сталежелезобетонная конструкция значительно превосходит предел огнестойкости стальной конструкции, при этом имеет гораздо большую несущую способности в сравнении с элементами с гибкой арматурой. Таким образом, в совокупности факторов жесткое армирование ригелей и колонн позволяет зданию значительно дольше находиться под воздействием огня без потери несущей способности элементов. Подобные исследования представлены в работах [4-5]. В сравнении с гибкой арматурой, предел огнестойкости жесткой арматуры на порядок выше, в связи с сплошным сечением стального профиля и различным пределом текучести.
Также важным фактором, выступающим в пользу применения сталежелезобетонных конструкций, является повышенная прочность элементов и равномерное распределение площади сечения армирующего элемента по балке. Зачастую в зданиях повышенного уровня ответственности площадь гибкой арматуры согласно расчету настолько велика, что расположить ее в сечении в соответствии с конструктивными требованиями невозможно. Площадь сечения стальных профилей, например, двутавров, позволяет обеспечить необходимую площадь сечения арматуры в сечении без нарушения конструктивных требований. При выходе из строя одной из несущих колонн каркаса, за счет симметричной формы сечения, жесткая арматура способна воспринять перераспределившиеся силовые потоки и запроектную нагрузку.
Как показывает опыт строительства прошлого столетия, железобетонный каркас с жесткой арматурой сохраняет преимущества стального каркаса в отношении удобства и скорости возведения здания, в то же время позволяя снизить металлоемкость конструкций. При применении жесткой арматуры значительно увеличивается жесткость здания, что позволяет увеличить уровень его живучести и способность воздействия прогрессирующему обрушению.
В случае возникновения аварии техногенного характера, будто взрыв бытового газа или террористический акт, стале-железобетонные элементы каркаса способны воспринять гораздо большие ударные и взрывные воздействия в сравнении с элементами, армированными гибкой арматурой. При комбинированных особых воздействиях типа «удар-взрыв-пожар» за счет высоких прочностных показателей сталежелезобетонные колонны и ригели сохраняют требуемую несущую способность и в значительной степени способствуют недопущению прогрессирующего обрушения здания.
Железобетонные каркасы многоэтажных зданий с применением жесткой арматуры обладают большим рядом преимуществ в сравнении с применением гибкой арматуры. Они включают в себя лучшие свойства железобетонного каркаса, такие как высокая огнеупорность, удобство эксплуатации, и стального - высокая изгибная прочность и значительная площадь сечения, в сравнении с жесткой арматурой. Однако применение сталежелезобетонного каркаса должно быть экономически целесообразным и рекомендуется только в зданиях повышенного уровня ответственности, при проектировании новых уникальных строительных объектов.
Литература
1. Федеральный закон от 30.12.2009 N 384-Ф3 (ред. от 02.07.2013) "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".
2. EN 1994-1-1 (2004): Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC]
I I
О
ГО
>
с
I
го m
о
м о м со
3. Федеральный закон от 22.07.2008 N 123-Ф3 (ред. от 14.07.2022) "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.03.2023)
4. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Каледин Вл.О. Метод конечных элементов в расчетах огнестойкости неоднородных конструкций сложной структуры и формы // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 1996. № 3, 4.
5. Davidkin N.F., Strakhov V.L, Kaledin V. О ., Krutov A.M . Estimation of Fire- Resistance Limits in Building Structures for Underground Facilities // Fire and explosion hazard of substances and venting of deflagrations: Second International Seminar. Moscow, 1997.
Advantages of using steel-reinforced concrete elements in the frames of multistorey buildings under special impacts Shleenko A.V., Lomakin I.A.
Southwestern State University JEL classification: L61, L74, R53
The use of rigid reinforcement and, in general, steel-reinforced concrete structures in the frames of multi-story residential buildings is a little-studied topic. The effectiveness of using rigid reinforcement has been proven more than once by research conducted both in the middle of the last century and to this day. The article provides information about the advantages of using steel-reinforced concrete elements in the frames of multi-story buildings, the main factors that increase the rigidity of the building and its durability. Examples of the use of these structures in modern construction are given. Conclusions are drawn regarding the economic feasibility and efficiency of using steel-reinforced concrete structures.
Keywords: steel-reinforced concrete structures, survivability of buildings and
structures, rigid reinforcement, emergency condition, multi-story buildings References
1. Federal Law of December 30, 2009 N 384-FZ (as amended on July 2, 2013)
"Technical Regulations on the Safety of Buildings and Structures."
2. EN 1994-1-1 (2004): Eurocode 4: Design of composite steel and con-crete
structures - Part 1-1: General rules and regulations for buildings [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98 /34/EC, Directive 2004/18/EC]
3. Federal Law of July 22, 2008 N 123-FZ (as amended on July 14, 2022) "Technical
Regulations on Fire Safety Requirements" (as amended and supplemented, entered into force on March 1, 2023)
4. Davydkin N.F., Strakhov V.L., Kaledin Vl.O. Finite element method in calculating
the fire resistance of heterogeneous structures of complex structure and shape // Problems of development of transport and engineering communications. 1996. No. 3, 4.
5. Davidkin N.F., Strakhov V.L., Kaledin V.O., Krutov A.M. Estimation of Fire-
Resistance Limits in Building Structures for Underground Facilities // Fire and explosion hazard of substances and venting of deflagrations: Second International Seminar. Moscow, 1997.
fO СЧ
о
es
о ш m
X
<
m О X X
