CC BY
28
УДК 72.012.1:316.422, 624.044:004 Мирсаяпов Илшат Талгатович доктор технических наук, доцент E-mail: itmir@kgasu.ru Никитин Георгий Петрович кандидат технических наук, доцент E-mail: g.nikitin@gap-rt.ru Симаков Василий Дмитриевич кандидат технических наук E-mail: VasiliiSimakov86@mail.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1
Применение высокопрочного бетона класса В80 для несущей системы 18-ти этажного жилого дома в комплексе «Салават Купере»
Аннотация
Постановка задачи. Цель исследования - выявить и оценить возможность эффективного использования высокопрочного бетона, изготовленного преимущественно из местных строительных материалов, в жилищном строительстве. Для оценки технико-экономической эффективности применения высокопрочных бетонов «ГВЖФ РТ» обратился к «КГАСУ» с просьбой перепроектировать каркас монолитного 18-ти этажного жилого дома с применением высокопрочного бетона класса В80. Базовая несущая система была запроектирована из бетона класса В25 институтом ГУП «Татинвестгражданпроект».
Результаты. Основные результаты исследования состоят в разработке усовершенствованной несущей системы жилого дома с применением высокопрочного бетона, который, относительно базового каркаса, позволил увеличить шаг колонн, сократить количество и размеры поперечного сечения всех несущих элементов. Экономический эффект от снижения расхода материалов составил: 4,47 млн. руб. или 13,5 % от стоимости каркаса, при использовании бетона класса В80 на гранитном щебне, и 5,89 млн. руб., или 17,7 % - на камском песке.
Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли состоит, как в подтверждении, так и в оценке эффективности применения высокопрочного бетона класса В80. Применение высокопрочного бетона, на рассматриваемом примере, позволило: облегчить здание, увеличить шаг колонн, уменьшить объем строительно-монтажных работ, увеличить полезную площадь помещений, добавить автостоянку в подземную часть.
Ключевые слова: высокопрочный бетон, несущая система, каркас, жилой дом, расчет по прочности, расчет по эксплуатационной пригодности.
Введение
В настоящее время имеется возможность производить, на современных заводах высокопрочные, бетоны нового поколения, с кубиковой прочностью 70-200 МПа и применять их в промышленных масштабах [1]. Их применение позволяет в разы уменьшить геометрические размеры, объем и массу конструктивных элементов, и, соответственно, снизить расход бетона и стальной арматуры [2]. В КГАСУ имеются разработки составов как мелкозернистых бетонов высоких классов (В 80 и более) на базе фракционированных песков месторождений рек Камы, Волги, Вятки [3], так и обычных бетонов на гранитном щебне. Поэтому, «Государственный внебюджетный жилищный фонд Республики Татарстан» (ГВЖФ РТ) обратился к КГАСУ с просьбой перепроектировать, с применением высокопрочного бетона, 18-ти этажный каркасный трехсекционный жилой дом (рис. 1а), находящийся в микрорайоне «Салават-Купере».
Первоначально жилой дом был запроектирован из обычного бетона (класса В25) институтом ГУП «Татинвестгражданпроект» (ТИГП). Габаритные размеры типовой секции в плане, по разбивочным осям, составляют 28,2^14,65 м, общая высота - 57,6 м (здание повышенной этажности согласно применяемой классификации). Здание имеет: подвал высотой 3,0 м; первый этаж - 3,6 м; типовые жилые этажи - 2,8 м; технический этаж - 2,5 м.
Целью данной работы ставилось - оценить эффективность новой несущей системы из высокопрочного бетона, в сравнении с запроектированным каркасом из бетона средней прочности при сохранении проектных архитектурных решений.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Выбрана наиболее эффективная конструктивная схема каркаса;
2. Для выбранного каркаса выполнен расчет по прочности и по эксплуатационной пригодности, который позволил подобрать размеры поперечных сечений и назначить армирование;
3. Разработаны рабочие чертежи несущего железобетонного каркаса из высокопрочного бетона;
4. Выполнено технико-экономическое сравнение проектного решения и принятого при перепроектировании.
Выбор несущей системы
Было рассмотрено и проанализировано несколько вариантов монолитных железобетонных несущих систем здания:
- ствольно-оболочковая, где вертикальными несущими элементами служат наружные стены и стены лестничной клетки;
- стеновая, где вертикальными несущими элементами служат межквартирные стены и стены лестничной клетки;
- каркасная (рис. 1), где вертикальными несущими элементами служат стены лестничной клетки и колонны (аналогично базовой, но с более широким шагом вертикальных несущих элементов - 7,2 м).
а) б)
Рис. 1. 18-ти этажный трехсекционный жилой дом: а - схема расположения блок-секций; б - модель каркаса одной из трех секции (Секция 1), смоделированных в «Autodesk Revit Structure 2017»
Пространственная информационная модель каркаса была создана в программе «Autodesk Revit Structure 2017» (рис. 1б), в ней же разработаны рабочие чертежи. Преимуществом такого способа проектирования является то, что параллельно с опалубочными чертежами каркаса строится и его расчетная схема, которая затем экспортируется в расчетный комплекс «Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2017».
В результате анализа выполненных расчетов по 1-й и 2-й группам предельных состояний установлено, что каркасная несущая система, для проектной высоты [4], наиболее экономична по расходу материалов.
Расчет несущей системы и конструирование её элементов
Расчет по прочности и по эксплуатационной пригодности [5] выполнен при помощи моделирования объемной системы «каркас - фундаменты - грунто-свайное основание» в «Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2017», где реализован метод конечных элементов. Т.к. здание повышенной этажности (57,6 м), то на него значительное влияние оказывает ветровая нагрузка. Её пульсационная составляющая, зависящая от форм и частот собственных колебаний, учтена программным комплексом автоматически. Предельная частота собственных колебаний железобетонных конструкций для II ветрового района fi=1,1 Гц (СП 20.13330.2012) больше частоты первой формы собственных колебаний здания /1=0,32 Гц (рис. 2а), но меньше четвертой - /4=2,15 Гц. Следовательно, согласно СП20, в расчете учитывались только первые три частоты колебаний. Встроенная функция SRSS (квадратный корень суммы квадратов первых трех форм колебаний) позволяет получить усилия и перемещения в элементах при учете динамических реакций от них (рис. 2б).
На гружен ие/С об Частота Период Отн.мас.и Отн.мас. Отн.мас Тек.мас. Тек.мас. Тек.мас.
ств. форма (Гц) (сек) Х(%) UY (%) .UZ (%) UX (%) UY (%) UZ(%)
15/ 1 0 32 3.10 009 7048 0.01 009 7048 0.01
15/ 2 037 267 68 29 70.57 0.01 68 20 009 0.00
15/ 3 1.00 1.00 68 30 70.57 0.01 001 000 0.00
16/ 4 215 047 81 84 7063 0.01 13 54 006 0 00
15/ 5 244 0.41 81 89 8472 0.02 0.05 14 09 0.01
15/ 6 2.75 036 81 89 84.73 85 28 0.00 000 8526
15/ 7 3.01 0.33 81.95 84 73 85.31 0 05 0.00 0.03
15/ 8 312 032 8298 8473 85.31 1 04 000 0.00
15/ 9 3.33 0.30 82.98 84.74 89.10 0.00 0.01 3.79
1« 10 3.72 027 8298 84 75 9316 0.00 0.01 4.05
Л _2,|Комбин SR Ч
а) б)
Рис. 2. Результаты динамического расчета каркаса на действие ветровой нагрузки: а - таблица частот колебаний здания; б - эпюра перемещений функции ЗЯБЗ для первых трех частот колебаний, меньших предельной частоты = 1,1 Гц
Все перегородки и ограждающие конструкций, в соответствии с архитектурными чертежами, смоделированы специальными конечными элементами, имеющими плотность, но не имеющими жесткости. Поэтому нагрузка от веса перегородок и наружных стен учитывается так же автоматически.
Анализ фактического напряженно-деформированного состояния (НДС) несущей системы здания позволил разработать рекомендации (минимальный размер и число конструктивных элементов при их максимальном шаге или пролете) для её проектирования.
Известно, что высокопрочный бетон наиболее эффективно работает на сжатие [6], поэтому было принято решение уменьшить количество колонн и размеры их поперечного сечения. Их шаг составил 7,2 м (рис. 3б), взамен проектного 3,6 м (рис. 3а). Проектные размеры поперечного сечения колонн 250*1300 мм уменьшены до величины 250*1000 мм - для среднего, и 250*500 мм для - крайнего рядов. Сечения колонн по осям 2/А и 8/А, в крайнем ряду, оставлены без изменений для обеспечения жесткости каркаса при закручивании и отклонении от вертикали [7]. Нахлёсточные стыки рабочей арматуры в колоннах заменены на обжимные муфты [8]. Толщина несущих стен ядра жесткости (стен лестничной клетки и лифтовых шахт) уменьшена с 250 до 200 мм - минимальной нормативной величины, согласно конструктивным требованиям СП 52-103-2007 «Железобетонные монолитные конструкции зданий».
а)
б)
Рис. 3. Схема расположения колонн и несущих стен: а - первоначальное (проектное) решение с узким шагом (3,6 м); б - новое альтернативное решение с широким шагом (7,2 м)
Однако, с увеличением шага колонн потребовалось введения дополнительных обвязочных балок по периметру плит перекрытий, которые обеспечили их эксплуатационную пригодность и прочность при действии краевых крутящих моментов (1)-(3). Расчет по прочности на кручение между пространственными сечениями обвязочных балок выполнен из условия:
Т=41кНм<0>1ЯьЬ2к=0>1412502 450=115>3кНм. (1)
Расчет по прочности на совместное действие крутящего и изгибающего момента от действия внешней нагрузки выполнен из условия:
Т = 41 кН • м < 70
1=75'511 -
81
209,8
= 69,7 кН • м.
(2)
Расчет по прочности на совместное действие крутящего момента и поперечной силы между пространственными сечениями, с учетом [9], выполнен из условия:
Т = 41 кН • м < (0
С \ /52
1-Э = 75'5 i1 - 7276
= 72,4 кН,
(3)
где T, М, Q - крутящий, изгибающий моменты и поперечная сила от внешней нагрузки; Т0, М0, Q0 - предельные крутящий, изгибающий моменты и поперечная сила воспринимаемые сечениями.
Принятое решение одновременно позволило уменьшить толщину плиты перекрытия со 180 до 160 мм (минимальное нормативное значение по СП 52). При этом, основное армирование перекрытий осталось прежним из арматуры 012 А500С с шагом 200 мм, а дополнительная арматура в пролете (которая имелась в исходном проекте) не потребовалась и была удалена. Увеличение грузовой площади и уменьшение сечения колонн потребовало установки дополнительной арматуры в зоне продавливания перекрытия над средними колоннами. Тем не менее, увеличение расхода арматуры на обвязочные балки и усиление зоны продавливания, было в равной степени скомпенсировано уменьшением дополнительной арматуры в пролете и над опорами (колоннами). Расход бетона в перекрытиях сокращен на 5 %.
Уменьшение числа колонн позволило сократить число ростверков, а снижение общего веса конструкций, одновременно с повышением жесткости перекрытий и стен подвала, позволило более равномерно распределить нагрузку по периметру здания, уменьшить число свай и размеры ростверков в плане. Толщина стен подвала так же была уменьшена с 250 до 200 мм [10].
В итоге, расчеты показали, что применение высокопрочного бетона класса В80 позволило значительно уменьшить расход строительных материалов и массу здания в целом. Класс рабочей арматуры при этом не изменился (рис. 4).
а) б)
Рис. 4. Схема расположения фундаментов: а - первоначальное (проектное) решение с узким шагом (3,6 м); б - новое альтернативное решение с широким шагом (7,2 м)
Разработка рабочих чертежей
На основании результатов расчетов, была доработана информационная 3Б-модель и разработаны рабочие чертежи каркаса с использованием программного комплекса «Autodesk Revit Structure 2017». Рабочие чертежи несущей системы выполнены по аналогии (количество, последовательность, содержание) с чертежами, разработанными ТИГП для возможности наиболее наглядного сравнения и оценки внесенных усовершенствований. Рабочие чертежи были переданы заказчику «ГВЖФ РТ» и прошли государственную экспертизу.
Технико-экономическое сравнение
После разработки рабочих чертежей, по ведомостям расхода материалов, было выполнено технико-экомическое сравнение в табличном виде между решениями при выполнении каркаса здания из бетона класса В25 и из бетона В80 (рис. 5).
Проект ТИГП Проект с бетоном В80 Экономия Объем экономии Наличие экономии
Конструктивный элемент (первоначальный) (перепроектирован) материала в % материала
Материал кол. ед.изм. Материал кол. ед.изм. % кол. ед.изм.
Сваи С 10.30 i «5« шт. CI0.30 829 шт. -21.64 229 шт. да
Бетонная подготовка В7.5 <»¿.2 куб.м B7.5 73.00 куб.м -24.12 23.20 куб.м да
н = Бетон ростверков B25F75W4 S8U куб.м B25F75W4 446.20 куб.м -23.21 134.90 куб.м да
г~> 2 08 А500С 3729 кг 08 А500С 3368 кг -9.69 361 кг да
га « 012 А500С 11301 кг 012 А500С 8772 кг -22.38 2529 кг да
X Арматура ростверков 016 А500С 22890 кг 016 А500С 24607 кг 7.50 -1717 кг Нет
е 02ОА5ООС ;>4(iK кг 020 А500С 1763 кг -49.16 1705 кг да
025 А500С 27047 кг 025 А500С 14894 кг -44.93 12153 кг да
ИТОГО: 68.44 т ИТОГО: 53.40 -21.96 15.03 т да
Р 3 Бетон стен В25 2284.90 куб.м В80 1827.80 куб.м -20.01 457.10 куб.м да
и х Арматура стен по проекту 148.4 т без изменений — — — —
Бетон колонн В25 1578.52 куб.м B80 648.04 куб.м -58.95 930.48 куб.м да
08 А500С 3808 кг 08 А500С 3339.7 кг -12.29 468 кг да
2 08 А240 43033 кг 08 А240 25666.7 кг -40.36 17367 кг да
3 016 А500С 74347 кг 016 А500С 0 -100.00 74347 кг да
9G о Арматура колонн 018 А500С .0.1 | 0I8A5OOC 38297.7 кг 100.00 -38298 кг Нет
Ч о 02ОА5ООС 91681 кг 02ОА5ООС 48576.6 кг -47.02 43104 кг да
025 А500С 84742 кг 025 А500С 0 кг -100.00 84742 кг да
муфты .0x1 муфты 9386 кг 100.00 -9386 кг
ИТОГО: 297.61 т ИТОГО: 125.27 т -57.91 172.34 т да
Бетон перекрытий В25 4449.60 куб.м B80 4230.00 куб.м -4.94 219.60 куб.м да
ot 08А24О 3708 кг 08 А240 3952 кг 6.58 -244 кг Нет
s н 08А5ООС 0 08 А500С 33675 кг 100.00 -33675 кг Нет
с. 012 А500С 852110 кг 012 А500С 772512 кг -9.34 79598 кг да
Е и Арматура перекрытий 016 А500С 13535 кг 016 А500С 10702.4 кг -20.93 2833 кг да
Q. и 018 А500С 32402 кг 0I8A5OOC 33864 кг 4.51 -1462 кг Нет
С 020 А500С 14358 кг 020 А500С 63407 кг 341.62 -49049 кг Нет
ИТОГО: 916.11 т ИТОГО: 918.11 т 0.22 -2.00 т Нет
Рис. 5. Таблица технико-экономического сравнения каркасов здания из проектного бетона класса В25 и из бетона В80
В результате установлено, что замена проектного класса бетона В25 на В80 позволила:
- для свайного основания: уменьшить количество свай на 21 %;
- для ростверков: уменьшить их количество, при снижении расхода бетона на 23 %, стали - на 22 %;
- для колонн: уменьшить их количество и размеры поперечного сечения, при снижении расхода бетона на 60 %, стали - на 70 %;
- для несущих стен: уменьшить их толщину с 250 до 200 мм при снижении расхода бетона на 20 %;
- для перекрытий: уменьшить их толщину с 180 до 160 мм, ввести обвязочные балки по внешнему периметру и снизить расход бетона на 5 %;
Кроме того, уменьшение поперечного сечения стен, колонн и увеличение их шага позволили увеличить полезную площадь помещений, обеспечить более свободную планировку квартир и разместить автостоянку в подвале.
Заключение
Снижение расхода материалов составило: 20 % для - бетона, 13 % - для стали, что дало экономию 4,47 млн. руб. или 13,5 % от стоимости проектного каркаса при применении бетона на привозном гранитном щебне, и 5,89 млн. руб. или 17,7 % - при применении высокопрочного песчаного бетона на местном песке.
Проделанная работа, так же как и исследования других авторов [11], показали, что строительство из высокопрочных бетонов имеет большой экономический потенциал, а строительный комплекс Татарстана имеет возможность его реализовать.
Список библиографических ссылок
1. Калашников В. И. Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 96-103.
2. Тезисы докладов : сб. научных трудов Международной научно-технической конференции «Высокопрочные цементные бетоны: технологии, конструкции, экономика», Казань, КГАСУ, 2016. 82 с.
3. Морозов Н. М., Хозин В. Г. Песчаный бетон высокой прочности // Строительные материалы. 2005. № 11. С. 25-26.
4. Петухов А. В., Коровкин М. О., Ерошкина Н. А. Применение высокопрочного бетона в высотном строительстве // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 3 (71). С. 127-133.
5. Аксенов В. Н., Маилян Д. Р., Блягоз А. М., Хутыз А. М. Особенности расчета железобетонных колонн из высокопрочного бетона по нормативным методам // Новые технологии. 2012. № 4. С. 36-43.
6. Мкртчян А. М., Аксенов В. Н. К вопросу расчета сжатых железобетонных конструкций из высокопрочного бетона с помощью ЭВМ // Научное обозрение. 2013. № 11. С. 127-132.
7. Raut N., Kodur V. Response of Reinforced Concrete Columns under Fire-Induced Biaxial Bending // АС1 Structural Journal. № 5. 2011. Р. 610-619.
8. Joseph Jones and Julio A. Ramirez. Bond of reinforcement in high-strength concrete // АС1 Structural Journal. № 3. 2016. Р. 549-556.
9. Мирсаяпов И. Т. Обеспечение безопасности железобетонных балок по наклонному сечению при многократно повторяющихся нагрузках // Жилищное строительство. 2016. № 1-2. С. 23-27.
10. Fedorova G., Mestnikov V., Matveeva O., Nikolayev E. Features of high-strength concrete creation for concreting of monolithic constructions in the far north conditions // Procedia Engineering. 2013. Т. 57. P. 264-269.
11. Коровкин М. О., Янбукова А. Р., Ерошкина Н. А. Опыт и перспективы использования высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2. С. 187-194.
Mirsayapov Ilshat Talgatovich
doctor of technical science, associate professor E-mail: mirsayapovit@mail. ru Nikitin Georgy Petrovich
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: g.nikitin@gap-rt.ru
Simakov Vasily Dmitrievich
candidate of technical science
E-mail: VasiliiSimakov86@mail.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya, st., 1
The use of high-strength concrete B80 for the frame of an 18-storey residential building in the «Salavat Coopere» complex
Abstract
Problem statement. The purpose of the study is to identify and evaluate the possibility of efficient use of high-strength concrete, manufactured primarily from local building materials, in housing construction. To assess the technical and economic efficiency of the use of high-strength concrete, «GVZhF RT» asked KGASU to redesign the frame of a monolithic 18-storey residential building with the use of high-strength concrete class B80. The basic carrier system was designed from concrete of class B25 by the institute of «Tatinvestgrazhdanproekt».
Results. The main results of the research consist in the development of an improved bearing system of an apartment house with the use of high-strength concrete, which, relative to the basic frame, allowed increasing the pitch of the columns, reducing the number and dimensions of the cross-section of all load-bearing elements. The economic effect of reducing the consumption of materials amounted to: 4,47 million rubles, or 13,5 % of the cost of the frame when using concrete grade B80 on granite gravel, and 5,89 million rubles, or 17,7 % - on the Kama sand.
Conclusions. The significance of the results obtained for the construction industry consists both in confirming and in assessing the effectiveness of the application of high-strength concrete of the B80 class. The use of high-strength concrete, in the example under consideration, made it possible to: facilitate the building, increase the pitch of the columns, reduce the amount of construction and installation work, increase the useful area of the premises, and add a parking lot to the underground part.
Keywords: high-strength concrete, load-bearing system, frame, residential house, strength calculation, calculation of serviceability.
References
1. Kalashnikov V. A. Evolution of development of concretes compositions and change in concrete strength. Concretes of present and future // Stroitel'nyye materialy. 2016. № 1-2. P.96-103.
2. Thesises of reports : proceedings of the International Scientific and Technical Conference «High-strength cement concretes: technologies, structures, economics (VBB-2016)», Kazan, KGASU, 2016. 82 p.
3. Morozov N. M., Khozin V. G. High-strength sandy concrete // Stroitel'nyye materialy. 2005. № 11. P. 25-26.
4. Petukhov A. V., Korovkin M. O., Eroshkina N. A. Application of high-strength concrete in tall buildings // Sovremennyye nauchnyye issledovaniya i innovatsii. 2017. № 3 (71). P.127-133.
5. Aksenov V. N., Mailyan D. R., Blyagoz A. M., Khoutyz A. M. Features of the calculation of ferro-concrete columns of durable concrete using normative method // Novye technologii. 2012. № 4. P. 36-43.
6. Mkrtchyan A. M., Aksenov V. N. On the problem of calculating compression reinforced constructions made of high-strength concrete with the help of a computer // Nauchnoye obozreniye. 2013. № 11. P. 127-132.
7. Raut N., Kodur V. Response of Reinforced Concrete Columns under Fire-Induced Biaxial Bending // ACI Structural Journal. № 5. 2011. P. 610-619.
8. Joseph Jones and Julio A. Ramirez. Bond of reinforcement in high-strength concrete // ACI Structural Journal. № 3. 2016. P. 549-556.
9. Mirsayapov I. T. Ensuring the Safety of Reinforced Concrete Beams along the Oblique Sectionunder Repeated Loads // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2016. № 1-2. P. 23-27.
10. Fedorova G., Mestnikov V., Matveeva O., Nikolayev E. Features of high-strength concrete creation for concreting of monolithic constructions in the far north conditions // Procedia Engineering. 2013. T. 57. P. 264-269.
11. Korovkin M. O., Yanbukova A. R., Eroshkina N. A. Experience and prospects of using of high-strength and ultra-high strength concretes // Sovremennyye nauchnyye issledovaniya i innovatsii. 2017. № 2. P. 187-194.
