Высокопрочные трубобетонные колонны с повышенной огнестойкостью Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.012.3

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТРУБОБЕТОННЫЕ КОЛОННЫ С ПОВЫШЕННОЙ

ОГНЕСТОЙКОСТЬЮ

М.А. Астафьева

HIGH STRENGTH CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS WITH IMPROVED

FIRE RESISTANCE

M.A. Astafeva

Аннотация. На примере расчета жилого 50-ти этажного здания высотой 165 м в г. Москве выполнено сопоставление основных технико-экономических показателей стальных, железобетонных и трубобетонных колонн. Расчет несущей способности колонн выполнялся с учетом обеспечения предела огнестойкости R240. Показано, что лучшие показатели имеют трубобетонные колонны квадратного сечения со спиральным армированием бетонного ядра. По сравнению с металлическими колоннами расход стали в них сократился в 8 раз. При этом огнезащита стальной оболочки не требуется. По сравнению с железобетонными колоннами снизилась масса примерно на 60 % и на 70 % уменьшились размеры поперечного сечения. При этом наличие стальной оболочки трубобетонных колонн позволяет существенно снизить трудоемкость их изготовления и сократить сроки монтажа каркаса здания.

Ключевые слова: высотное здание; трубобетонные колонны; спиральное армирование; несущая способность; огнестойкость.

Abstract. Comparison of the main technical and economic indicators of steel, reinforced concrete and concrete filled steel tube columns for calculation of residential 50-storey building with height of 165 m in Moscow is carried out. The calculation of bearing capacity of the columns is carried out taking into account the fire resistance of R240. It is shown that the best results are received for concrete filled steel tube columns of square section with spiral reinforced of concrete core. Steel consumption have decreased in 8 times compared with the metal columns. In addition the fire protection of steel holder is not required. In comparison with reinforced concrete columns the weight and cross-sectional dimensions of concrete filled steel tube columns are reduced by about 60% and 70% respectively. External reinforcement of concrete filled steel tube columns allow to reduce work labour input and shorten the installation time of building framework.

Keywords: high-rise building; concrete filled steel tube columns; spiral reinforcement; bearing capacity; fire resistance.

Введение

В связи с возросшей тенденцией возведения высотных зданий и сооружений в РФ проблема применения эффективных вертикальных несущих элементов становится все более актуальной. Особенно это касается крупных городов, таких как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и т.д.

Необходимость снижения веса зданий, уменьшения объема строительных конструкций и общих затрат требует применения высокопрочных колонн, которые способны выдерживать значительные усилия при малых поперечных сечениях.

Высотные здания, в силу своей специфики, имеют большую степень потенциальной пожарной опасности в сравнении со зданиями нормальной этажности. Пожары причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров в промышленно развитых странах превышает 1 % национального

дохода и имеет тенденцию постоянного роста. Обеспечение огнестойкости строительных конструкций и зданий необходимо закладывать на стадии проектирования.

Данное требование ведёт к увеличению массы строительных конструкций, удорожанию строительства, дополнительным сложностям при проектировании высотных зданий.

Для каркасных зданий повышенной этажности на сегодняшний день наиболее эффективными с точки зрения несущей способности и экономичности являются трубобетонные колонны. Такие колонны по достоинству оценены и широко используются в строительной отрасли экономически развитых стран мира. Сжатые трубобетонные элементы, имеющие небольшую гибкость и малые эксцентриситеты приложения продольной силы обладают исключительно высокой несущей способностью при относительно малых поперечных сечениях, являясь примером удачного сочетания наиболее ценных свойств металла и бетона [1-3].

Одним из недостатков трубобетонных колонн классической конструкции является пониженная, по сравнению с обычным железобетоном, огнестойкость. Этому способствует наличие внешнего армирования в виде стальной трубчатой оболочки. Для устранения данного недостатка предлагается использовать в конструкции с внешней трубчатой оболочкой спиральное армирование бетонного ядра [4]. Наряду с обеспечением необходимой огнестойкости колонн без существенных дополнительных затрат на устройство огнезащиты, это позволит значительно увеличить несущую способность или уменьшить размеры их поперечного сечения.

На кафедре проектирования зданий и строительных конструкций ФГБОУ ВПО «Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова» был выполнен сравнительный расчет материалоемкости стальных, железобетонных и трубобетонных колонн при длительности стандартного пожара 240 минут. При этом бетонное ядро трубобетонной колонны принято с продольным армированием высокопрочными стержнями и косвенным армированием стальной спиралью, что привело к усовершенствованию ее конструкции.

Расчет осуществлен для колонн жилого 50-ти этажного здания в г. Москве, восьмиугольной формы в плане с габаритными размерами 27,24 х 25,37 м (рисунок 1). Общая высота здания 165 м. Высота этажа 3,3 м. Отметка низа подошвы монолитной железобетонной плиты -4,600. Толщина монолитных несущих стен 200 мм из бетона B40. В трубобетонных и железобетонных колоннах использовался бетон B60. Внешние стены и перегородки самонесущие, выполнены из газобетонных блоков. Внешние стены -кирпичная кладка из кирпича силикатного.

Статический расчет каркаса высотного здания выполнен в программном комплексе «Лира». Расчетная схема здания включала в себя монолитные плиты перекрытия и покрытия, фундаментную плиту, колонны и несущие стены (рисунки 2, 3).

Плиты перекрытия моделировались при помощи трех- и четырехузловых конечных элементов оболочки с присвоением им соответствующих жесткостных характеристик. Колонны моделировались при помощи двухузловых конечных элементов. Самонесущие стены здания заменялись распределенной нагрузкой на узлы и конечные элементы, жесткость стен учитывалась путем объединения перемещений узлов стыка стен и плит в направлении глобальной вертикальной оси 2. Места соединения колонн и перекрытий -шарнирное.

Наиболее нагруженная колонна по результатам статического расчета каркаса здания - колонна 1-го этажа. Продольное сжимающее усилие в ней К= 42766 кН, изгибающий момент М=1,67 МНм.

По данному усилию были подобраны геометрические размеры колонн:

— трубобетонная колонна квадратного поперечного сечения со стороной 700 мм. В качестве внешней оболочки использована труба из стали марки 09Г2С с толщиной

стенки 14 мм. Бетонное ядро армировано продольной арматурой класса А800 12025, вокруг которой навита спиральная арматура диаметром 14 мм класса А600С с шагом витка 40 мм. Минимальное расстояние от внутренней грани стенки до спиральной арматуры - 80 мм;

J 1 • 1 ч г Г V •

1— Л —1 г

j 1 L

Рисунок 1 - Схема типового этажа

J§ 1 1 1 1 1 1 _—9ШШ I 1 П 1 1 II 11 1 1 lili lili lili lili lili 1 1 1 1 11 1 lililí 1 1 11 111 1 1 11 1 11

■ 1 11 11 1 1 lili 1 1 11 111 1J

1 1 1 1 1 1 11 111 1 1 1 П 1 1 1 1 П 1 1 1 1 П 1 1 1 1 П 1 1

~rrrr lili lili lili lili lili lili

111111 11 П 1 1 Tli 11 i i III 1 1 lili 1"! 1 1 1 1 111 lili 1 lili lili 1 1 1 1 1 1

Рисунок 2 - Расчетная схема перекрытия

— железобетонная колонна квадратного поперечного сечения со стороной 1200 мм. Бетонное ядро армировано продольной арматурой класса А800 24032 и поперечными хомутами 010 с шагом стержней 450 мм. Толщина защитного слоя арматуры 90 мм;

— металлическая колонна коробчатого сечения с размером внешней стороны 700 мм и толщиной стенки 200 мм. Сталь класса С235.

Расчет предела огнестойкости колонн выполнен согласно требованиям СТО 36554501-006-2006 «Пособие по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций из тяжелого бетона». При расчете использовалась нормативная нагрузка на здание - 29932 кН.

http://vestnik-nauki.ru/

1

/

и 1.4;

145. д;

ни

135.Й1 тттт; /

*

—'Л

11а. ^

11.14

*

та.ь^

*

*

*

л?. *

*

■ у

*

*

*

*

-"■Л

*

*

*

*

*

*

*

*

--'■,-л *

*

*

с. V.

¿Г

Ф'-

■Ь? ФУ/ ф-у

■4" ФУ-¿Г ФУ -¿Г

Опт Ф',-¿г ф-у ■4г ФУ-¿Г Ф-у

¿Г Ф^-

ф-г ■ Ф-' ■4Г ФУ/ ¿Г ф-у ¿г Ф-у ¿ь" Ф-у ш-г.

Опт Ф'/ ф-у

■4г ФУ-¿7 Ф'/ ¿7 Ф-у ■А" ФУ,-Ф-у ■4с Ф-у ¿Г ф-у

Ф-*.

0(1,7 Ф-у

л,- ф/.

Ф-у ¿Г Ф-у ¿Г ф-у Ф-у Ф'-■А" ФУ,-

т" ®у

-.7 Ф-у

¿Г ФУ -

Опт Ф-у V Ф-у ■4Г ф-у ¿Г Ф-у ¿г

Опт Ф/,

Рисунок 3 - Расчетная схема здания жилого 50-ти этажного здания

« « в

Л .

V <

о о см

в » *

д,

е ■ & <1 V

» » -ё

¿1

<1

¥ « 90

1200

Рисунок 4 - Поперечные сечения колонн

Расчет показал, что при воздействии стандартного пожара длительностью 240 минут, прочность трубобетонной колонны и традиционной железобетонной колонны квадратного поперечного сечения обеспечены, что соответствует пределу огнестойкости по потере несущей способности Я240.

Обеспечить несущую способность металлической колонны при пожаре длительностью 240 минут затруднительно, так как защитные обмазочные средства, которыми необходимо защищать колонну, позволяют добиться огнестойкости только до R180. Следовательно, необходимо предусматривать внешнюю дополнительную огнезащиту, что повлечет за собой увеличение стоимости колонн.

Расчет расхода материалов приходящийся на одну колонну:

— на трубобетонную колонну приходится 1,55 м3 бетона и 1267,9 кг стали;

— на железобетонную колонну - 4,75 м3 бетона и 879,7 кг стали;

— на металлическую колонну - 10362 кг стали.

Очевидно, что лучшие технико-экономические показатели имеют трубобетонные колонны квадратного сечения со спиральным армированием бетонного ядра:

— по сравнению с металлическими колоннами расход стали в них сократился в 8 раз. При этом огнезащита стальной оболочки не требуется;

— по сравнению с железобетонными снижается масса примерно на 60 % и на 70% уменьшаются размеры поперечного сечения, что очень важно с точки зрения архитектурного проектирования. Также из практики мирового строительства известно, что скорость возведения каркаса зданий из железобетона заметно ниже, чем при использовании стальных и трубобетонных колонн. В трубобетонной колонне внешняя оболочка выполняет роль первичного каркаса и несъемной опалубки, что позволяет значительно снизить трудоемкость их изготовления.

Заключение

Результаты выполненного сопоставления технико-экономических показателей трех видов колонн 50-ти этажного здания свидетельствуют о том, что трубобетонные колонны со спиральным армированием могут эффективно использоваться в высотном строительстве.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кришан А.Л. Трубобетонные колонны с предварительно обжатым ядром: Монография. Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. 372 с.

2. Кришан А.Л. Трубобетонные колонны для многоэтажных зданий // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2009. № 4. С.75-80.

3. Кришан А. Л., Заикин А.И., Купфер М.С. Определение разрушающей нагрузки сжатых трубобетонных элементов // Бетон и железобетон, 2008. № 2. С.22-24.

4. Krishan A.L. Power resistance of compressed concrete elements with confinement reinforcement by means of meshes // Electronic magazine "Advances of Environmental Biology", 2014. Vol. 8, № 6. P. 1987-1990. http://www.aensiweb.com/aeb online.html

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Астафьева Мария Анатольевна ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», г.Магнитогорск, аспирант кафедры проектирования зданий и строительных конструкций

E-mail: skymanika@mail.ru

Astafeva Mariya Anatolievna F SEI HPE «Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk, post graduate student of Department of design of buildings and building structures

E-mail: skymanika@mail.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, каб. 6306. Астафьева М.А.

8(3519)29-84-41