CC BY
20Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.075
В.В. ДАНЕЛЬ, канд. техн. наук
Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское шоссе, 26)
Железобетон с трубобетонными элементами
При одинаковых расходах бетона и металла прочность сечений трубожелезобетонных элементов на 11-19% больше прочности сечений железобетонных элементов с жесткой арматурой. При использовании в трубобетонных элементах, высокопрочного бетона эти цифры увеличиваются в несколько раз. По несущей способности трубожелезобетонные элементы для случаев сжатия с эксцентриситетами внешней продольной силы, не выходящими за пределы ядра сечения, занимают промежуточное положение между обычными железобетонными элементами с гибкой и жесткой арматурой и трубобетонными с круглым или квадратным поперечным сечением. Предложены варианты размещения трубобетонных элементов различного сечения в теле железобетонных элементов различного назначения. Железобетонные элементы с трубожелезобетонными элементами сочетают лучшие свойства обычных и трубобетонных элементов: лучше противостоят огню без дополнительной защиты, не требуют защиты от коррозии; с ними можно использовать стандартные стыки для обычных железобетонных конструкций, например с перекрытиями; в одном железобетонном элементе с трубожелезобетонными элементами можно использовать разные бетоны, их можно изготавливать в заводских условиях, на строительной площадке и комбинированно. Благодаря хорошей защищенности от огня можно использовать трубы из неметаллических материалов, предварительно обжатые оболочки с навивкой напрягаемой арматуры по спирали по наружной поверхности оболочки. Свойства фибробетона позволяют ему лучше обычного бетона взаимодействовать с оболочкой трубобетонных элементов. Поэтому вместо трубобетонных элементов можно использовать трубофибробетонные. Спектр использования ТЖБ элементов значительно превышает область использования трубобетонных элементов в зданиях и сооружениях различного назначения.
Ключевые слова: трубобетонная колонна, трубожелезобетон, предварительно обжатый бетон ядра, труба, упоры, арматура, железобетон, фибробетон.
V.V. DANEL, Candidate of Sciences(Engineering), Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Highway, 129337, Moscow, Russian Federation)
Reinforced concrete with tube-confined concrete elements
At the same consumption of concrete and metal the strength of cross-sections of tube-confined elements is higher by 11-19% than the strength of cross-sections of reinforced concrete elements with rigid reinforcement. The use of high-strength concrete in tube-confined concrete elements increases these figures several times. By their bearing capacity tube-confined reinforced concrete elements for cases of compression by eccentricities of external axial loads not beyond the core occupy an intermediate position between conventional reinforced concrete elements with flexible and rigid reinforcement and tube-confined concrete elements with round or square cross-sections. Variants of locating tube-confined concrete elements of different cross-sections in the body of reinforced concrete elements of various purposes are offered. Reinforced concrete elements with tube-confined reinforced concrete elements combine the best properties of conventional and tube-confined elements: they better withstand fire without additional protection, there is no need to protect them against corrosion, it is possible to use standard joints with them for conventional reinforced structures (with ceilings for example), different concretes can be used in one reinforced concrete element with tube-confined concrete elements, they can be produced under factory conditions, at the construction site or combined. Due to the good protection against fire it is possible to use the tube made of non-metallic materials, preliminary compressed shells with pre-stressed reinforcement which is winded helically on the external surface of the shell. Fiber concrete properties make it possible to interact with the shell of tube-confined concrete elements better than conventional concrete. That's why it is possible to use tube-confined-fiber concrete elements instead of tube-confined concrete ones. The sphere of using tube-confined reinforced concrete elements is considerably wider than the sphere of using tube-confined concrete elements in buildings and structures of various purposes.
Keywords: tube-confined concrete column, tube-confined reinforced concrete, preliminary compressed concrete of core, tube, supports, reinforcement, reinforced concrete, fiber concrete.
Железобетон с трубобетонными элементами можно назвать трубожелезобетоном (ТЖБ), или железобетонными элементами с трубобетонными элементами (ЖЭТЭ) (В.В. Данель. Железобетонный элемент с повышенной несущей способностью. Заявка на изобретение № 2013148101 от 30.10.2013 г.).
Наиболее известными из трубобетонных колонн (ТБК) являются колонны круглого и квадратного поперечных сечений. При соответствующих нагрузках труба начинает работать как обойма, сдерживая развитие образовавшихся трещин. Труба благодаря затвердевшему бетону предохранена от местной потери устойчивости. Прочность негибких трубобетонных колонн при осевом сжатии выше прочности обычных, сопоставимых с ними по расходу бетона и стали. В мире построены десятки небоскребов с использованием
ТБК. Большинство из них в Китае, в том числе одно из самых высоких - 72-этажное здание высотой 291,6 м.
Достоинствами сжатых ТБК являются высокая несущая способность при малых поперечных сечениях при малых эксцентриситетах приложения продольной силы, меньший расход материалов и соответственно меньшие массы, меньшие затраты на транспортировку, повышенная благодаря материалу трубы жесткость, возможность использования высокопрочных хрупких бетонов, повышенная жесткость при кручении, надежность и долговечность. Они сохраняют удобство монтажа металлических конструкций. При больших напряжениях в железобетонных конструкциях (ЖБК) развитие микротрещин в бетоне постоянно прогрессирует, а в ТБК прекращается в течение первых 2-3 дней. В ЖБК нелинейность деформаций ползучести наблюдается в
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Рис. 1. Железобетонная (ЖБ) колонна сечением 1,2х2,2 м комплекса «Федерация»
течение первых 20-30 сут после их нагружения, а в бетоне ТБК в основном в первые 2-7 сут. Ползучесть сжатых тру-бобетонных элементов в 2-3 раза меньше, чем у аналогичных бетонных и железобетонных конструкций. Масса ТБК по сравнению с железобетонными меньше до 83%, экономия стали по сравнению с металлическими составляет до 56% (А.Л. Кришан. Прочность трубобетонных колонн с предварительно обжатым ядром. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Ростов-на-Дону, 2011).
Недостатками сжатых ТБК являются ограниченная область применения для случаев сжатия с эксцентриситетами внешней продольной силы, не выходящими за пределы ядра сечения; необходимость защиты трубы от коррозии, огнезащиты (для повышения огнестойкости и исключения ее разрыва при пожаре из-за давления паров освобождающейся воды); возможность расслоения бетонной смеси при укладке ее в трубы небольшого диаметра; недостаточный уровень разработки стыков ТБК с перекрытиями; большая стоимость металлических труб большого диаметра; возможность отслаивания бетона от трубы из-за несколько большего начального коэффициента поперечной деформации стали ^«0,3) по сравнению с бетоном ^ь«0,18-0,24) и усадки бетона. Последнее чаще происходило при эксплуатационных нагрузках и приводило к снижению долговечности, снижению несущей способности. Один из известных способов уменьшения усадки бетона примерно в два раза - армирование может быть применен и к бетону внутри колонн. Возможно применение специальных цементов, добавок в бетон ядра и других способов изготовления ТБК с предварительно обжатым бетонным ядром.
Известно, что деформации укорочения центрально-сжатых ТБК перед разрушением могут достигать 15% и более, т. е. недопустимых для вертикальных несущих конструкций величин. Поэтому предельно достигаемые в опытах нагрузки для таких элементов практического интереса не представляют.
В ТБК без предварительного обжатия бетонного ядра отношение наружного диаметра ТБК к толщине стенки трубы обычно составляет 55-60 и определяется расчетом. Например, при диаметре 160 см толщина стенки 2,8 см (отношение 57,14); при диаметре 120 см толщина стенки 2 см (60). Исключение составляют ТБК с двойными концентрически расположенными трубами административного здания в г. Вупертале (Германия). Там эти отношения для наружной трубы 55,8 см/1,25 см = 44,64, для внутренней трубы 40,64 см/1,75 см = 23,22. Для исключения хрупкого разрушения материал труб ТБК должен иметь площадку текучести. Несущая способность ТБК исчерпывается, когда в трубе возникают пластические деформации. Обычно в ТБК построенных зданий без предварительного обжатия бетонного ядра нормальные напряжения близки к величине расчетного сопротивления используемого в них бетона. Например, при использовании бетона В60 - около 33000 кПа. При воздействии огня при пожаре в течение заданного времени зданию удается устоять благодаря огнезащите и запасу прочности колонн.
В центрально-сжатых ТБК с предварительно обжатым бетонным ядром по данным, приведенным в упомянутой выше диссертации А.Л. Кришана, была получена прочность бетонного ядра в три раза больше прочности исходного бетона, в частности 210 МПа при исходной прочности используемого бетона 72 МПа и отношении наружного диаметра к толщине стенки трубы 26,32 при сохранении пластического характера разрушения. По сравнению с обычными железобетонными элементами, имеющими аналогичные параметры бетона и арматуры, несущая способность выросла в 1,5-2,1 раза. Прочность ТБК квадратного поперечного сечения до 15% меньше прочности образцов круглого поперечного сечения с аналогичными параметрами [1].
В нашей стране ТБК не нашли большого применения. Например на строительстве комплекса «Федерация» в ММДЦ Москва-Сити [2] вертикальные несущие конструкции
Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
а
Рис. 2. Поперечное сечение колонны: а — железобетонной (ЖБ) сечением 1,2x2,2м (А = 26400 см2); б — трубожелезобетонной (ТЖБ) сечением 1,2 x2,2 м с тремя трубобетонными элементами 053 см. Сетка по периметру колонн на расстоянии 4 см от наружных поверхностей в соответствии с требованиями по огнестойкости на этом и последующих рисунках условно не показана
выполнены из железобетона, в том числе колонны сечением 1,2x2,2 м (рис. 1).
Пример 1.
Рассмотрим колонну, подобную описанной выше, сечением 1,2x2,2 м (рис. 2, а). Бетон класса В80. Рабочая арматура 30040 класса А500.
Поместим вдоль оси колонны три трубобетонных элемента с предварительно обжатым бетоном В80 ядра и наружным диаметром 53 см (рис. 2, б) (трубы этого диаметра выпускают с толщиной стенки от 9 до 75 мм). В результате получаем ТЖБ колонну. Ат/А = 0,25, где Ат - площадь поперечного сечения трех трубобетонных элементов; А - общая площадь поперечного сечения колонны. При прочности бетонных ядер центрально-сжатой колонны в два раза выше по сравнению с прочностью исходного бетона прочность поперечного сечения увеличивается на 39% по сравнению с колонной на рис. 2, а. При прочности бетонных ядер в три раза выше прочности исходного бетона - на 59%. Таким образом использование трубожелезобетона позволило бы, например, в пределах, обеспечивающих сохранение устойчивости колонн, уменьшить размеры их поперечного сечения.
Пример 2.
Колонна сечением 80x80 см из бетона В40 с рабочей гибкой арматурой 16040 класса А500 и с жесткой из двутавра с площадью поперечного сечения 143 см2 (рис. 3, а).
Заменим двутавр трубобетонным элементом (ТБЭ) с трубой наружным диаметром 53 см с той же площадью поперечного сечения (143 см2), толщиной стенки 0,9 см р/5=37,86; Ат/А=0,345) (рис. 3, б). При двойной прочности бетона ядра прочность сечения трубожелезобетонной колонны больше исходной на 19%, при тройной - на 37%. Если в ТБЭ использовать бетон класса В70, то при тройной прочности бетона ядра ТБЭ прочность сечения больше на 79%. Высокопрочные бетоны склонны к взрывному разрушению при пожаре. Поэтому даже без объемного сжатия такое сочетание бетонов было бы на пользу.
Аналогичный оценочный расчет для колонны сечением 60x60 см из бетона В40 с рабочей гибкой арматурой 16040 класса А500 и жесткой из двутавра с площадью поперечного сечения 83 см2 показывает увеличение прочности сечения трубожелезобетонной колонны на 11 и 23% соответственно при двойной и тройной прочности бетона ядра.
При одинаковых расходах бетона и металла повышение прочности сечения ТЖБ элементов по сравнению с ЖБ элементами с жесткой арматурой происходит за счет появления благодаря эффекту обоймы области бетона с повышенной прочностью. Коэффициент Пуассона бетонов несколько меньше, чем у металла (0,3). Например, около 0,23 [2] для бетонов, использованных при строительстве комплекса «Федерация» ММДЦ Москва-Сити. Поэтому в ТЖБ элементах возрастает роль поперечной арматуры. На рис. 4 представлены варианты поперечного сечения колонны 900x900 мм с четырьмя трубобетонными элементами круглого поперечного сечения. ТЖБ элементы состоят из бетона 1 с гибкой арматурой 2 и трубобетонных элементов 3. На наружных и внутренних поверхностях труб могут быть размещены упоры 4 (рис. 5). Внутри труб при необходимости также может быть размещена арматура. Ее наличие будет благоприятно влиять на уменьшение усадки бетона ядра. Возможно рифление на трубах для образования шпонок, например навивкой привариваемых стержней, использование решетчатых труб.
На рис. 5, а представлена схема поперечного сечения колонны 500x500 мм с ТБЭ квадратного поперечного сечения с упорами на наружной и внутренней поверхностях трубы, на рис. 5, б - с ТБЭ круглого поперечного сечения.
На рис. 6 представлена схема поперечного сечения пилона сечением 600x2000 мм с четырьмя трубобетонными элементами круглого поперечного сечения с упорами на наружных поверхностях труб.
На рис. 7 представлена схема поперечного сечения балки 750x1500 мм с двумя трубобетонными элементами
0530
80
4x160=640
80
800
80 4x160=640 80
800
Рис. 3. Поперечное сечение ЖБ колонны сечением 0,8x 0,8 с жесткой арматурой (а) и ТЖБ колонны (б)
Научно-технический и производственный журнал
О 1
■4 "1
/ D i
\± 2
3
2
Рис. 4. Варианты поперечного сечения колонны 900х900мм с четырьмя трубобетонными элементами круглого поперечного сечения: 1 — бетон; 2 — гибкая арматура; 3 — трубобетонные элементы
круглого поперечного сечения в сжатой зоне. Островки бетона с повышенной прочностью можно создавать не только сплошными трубами. На рис. 8 показан пример поперечного сечения колонны с двумя швеллерами, соединенными по высоте планками с малым шагом. Вместо трубобетон-ных элементов могут быть элементы из каркаса с круглой спиралью из металла с большим значением предела текучести с постоянным малым расстоянием между витками в чистоте (не более максимального размера поперечного сечения прутка, который может быть и круглым и прямоугольным). В этих случаях фактически получаются решетчатые трубы из жесткой либо гибкой арматуры, внутри которых прочность бетона будет больше, чем за ее пределами. Обеспечение совместной работы железобетонной и трубобетонной частей в этих случаях реально.
Поверхности труб в ТЖБ элементах надежно защищены снаружи совместно работающим с трубобетонными элементами бетоном железобетонного элемента от коррозии и воздействия огня (рис. 6). В представленных схемах при количестве ТБЭ более одного они по высоте (длине) со-
Рис. 5. Поперечное сечение колонны 500х 500 мм с трубобетон-ным элементом квадратного (а) и круглого (б) поперечных сечений с упорами на наружной и внутренней поверхностях трубы. Обозначения см. рис. 4
единены между собой с шагом для повышения сопротивления потере устойчивости в сторону наружной поверхности ТЖБ элемента. Трубы ТЖБ элементов из-за хорошей защищенности трубобетонных элементов от огня можно изготовлять не только из металла, но и из неметаллических материалов. Они могут иметь различную форму, неровности на поверхностях или сквозные отверстия для лучшего взаимодействия бетонов снаружи и внутри трубобетонных элементов. Надо помнить, что отверстия являются концентраторами напряжений и поэтому будут снижать несущую способность. В элементе из трубожелезобетона имеется возможность использования разных по свойствам бетонов. С ТЖБ элементами можно использовать стандартные стыки для обычных железобетонных конструкций, например с перекрытиями. Железобетон, окружающий трубобетонные элементы, является второй после труб обоймой для бетона их ядер, способствует повышению устойчивости ТБЭ. Поможет этому и грамотное расположение анкерующих связей, предотвращающих потерю устойчивости в стороны наружных граней ТЖБ элементов.
44
100
146
200
272
363
479
628
756
1107
Рис. 6. Схема поперечного сечения пилона сечением 600х2000 мм с четырьмя трубобетонными элементами круглого поперечного сечения с упорами на наружных поверхностях труб. Распределение температуры в сечении пилона при пожаре через 180мин после возникновения [3]: 1 — бетон; 2 — арматура; 3 — трубобетонный элемент; 4 — упоры
Рис. 7. Схемапоперечногосечения балки 750х 1500мм с двумя тру-бобетонными элементами круглого поперечного сечения в сжатой зоне. Обозначения см. рис. 6
a
2
3
Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 8. Схема поперечного сечения ТЖБ колонны с решетчатой трубой из двух швеллеров, соединенных планками (или стержнями) с малым ша-
2,
2-2
..2
гом по высоте
Рис. 9. Продольное 1—1 и поперечное 2—2 сечения фрагмента трубобетонного элемента круглого поперечного сечения с навитой по спирали напрягаемой арматурой в теле железобетонной конструкции: 1 — предварительно напряженная оболочка; 2 — ядро из бетона внутри оболочки; 3 — арматура, навитая по спирали с натяжением по наружной поверхности оболочки 1; 4 — тело железобетонной конструкции
Варианты изготовления тоже могут быть разными. Например, трубобетонные элементы можно изготовить на заводе, а завершить изготовление несущего элемента с их использованием - на строительной площадке. В случае отверстий в трубах бетонирование всех частей несущего элемента необходимо осуществлять синхронно или с небольшим разрывом во времени. Их можно изготавливать в заводских условиях, на строительной площадке и комбинированно. Например, трубобетонные элементы можно устанавливать внутри монолитных конструкций с несъемной опалубкой; можно готовые трубобетонные элементы на стройплощадке вставлять в отверстия изготовленных также на заводе железобетонных элементов с последующим замоноличиванием и образованием шпонок. Заводское изготовление трубобетонных элементов для трубожелезобетонных может быть гарантией качества и надежности ТЖБ.
В целях компенсации разности коэффициентов Пуассона (рис. 9) бетона ядра и оболочки и повышения несущей способности трубобетонных элементов круглого поперечного сечения возможна навивка по спирали с натяжением по наружной поверхности оболочки арматуры (В.В. Данель. Трубобетонные элементы круглого поперечного сечения с предварительно напряженной оболочкой в теле железобетонной конструкции. Заявка на изобретение № 2014100756 от 14.01.2014 г.). При нахождении в теле железобетонной конструкции она надежно защищена от огня при пожаре (при температуре более 200оС предварительное напряжение в арматуре безвозвратно исчезает). Предварительное обжатие оболочки навивкой напрягаемой арматуры по наружной поверхности оболочки по спирали удобнее делать в заводских условиях. В качестве напрягаемой арматуры могут быть использованы проволока, канаты, ленты. В зависимости от предъявляемых к конструкции требований напрягаемая арматура может иметь или не иметь площадку текучести.
Фибробетон обладает повышенными по сравнению с обычным бетоном прочностями при сжатии, растяжении, сопротивляемостью раскрытию трещин, а эффект обоймы дополнительно повышает сопротивление фибробетона при сжатии внутри труб.
Из-за меньшей усадки и большего коэффициента Пуассона фибробетона по сравнению с бетоном улучшается совместная работа бетонного ядра и внешней стальной оболочки при эксплуатационных нагрузках.
Самоуплотняющийся расширяющийся фибробетон не потребует уплотнения при бетонировании и обеспечит предварительное обжатие бетонного ядра.
Предельные деформации ползучести фибробетона примерно на четверть меньше соответствующих деформаций бетона и затухают немного быстрее. Модуль упругости фибробетона при объемном напряженном состоянии увеличивается примерно до 50% и при этом состоянии при нагрузках, близким к разрушающим, снижается незначительно (Д.А. Смирнов. Упругость и ползучесть сталефибробето-на. Диссертация на соискание ученой степени канд. технических наук. Санкт-Петербург, 2011). Снижение деформации укорочения трубофибробетонного элемента позволит более полно использовать прочностные свойства объемно сжатого фибробетонного ядра.
В качестве самостоятельного материала в несущих конструкциях фибробетон стараются не использовать по причине малого времени по сравнению с железобетонными конструкциями между появлением необратимых деформаций в нем и полным разрушением. При помещении фибро-бетона в оболочку трубофибробетонного элемента этот недостаток отсутствует.
Поэтому фибробетон лучше, чем бетон, подходит для совместной работы с оболочкой (В.В. Данель. Трубофибро-бетонный элемент. Заявка на изобретение № 2014100758 от 14.01.2014 г.).
ТЖБ элементы можно использовать там, где нецелесообразно или бессмысленно использование трубобетонных: в качестве ядер жесткости, пилонов, контрфорсов, других сжатых элементов с большими эксцентриситетами, в подземных конструкциях, сооружениях, в подпорных стенках, в качестве изгибаемых элементов. В высотных зданиях их использование в качестве ядер жесткости, пилонов, колонн позволит уменьшить поперечное сечение вертикальных несущих элементов, повысит сейсмостойкость, огнестойкость конструкций, устойчивость к аварийным обрушениям, уменьшит нагрузки на несущие элементы, на основание, упростит конструкции стыков, освободит дополнительные площади на этажах, сэкономит материалы, удешевит строительство.
По несущей способности ТЖБ элементы для случаев сжатия с эксцентриситетами внешней продольной силы, не выходящими за пределы ядра сечения, занимают промежуточное положение между обычными железобетонными элементами с гибкой и жесткой арматурой и трубобетонными
Научно-технический и производственный журнал
с круглым или квадратным поперечным сечением. Но область применения трубобетонных элементов этим и ограничивается. Кроме того, ТЖБ элементы в ней имеют определенные преимущества.
Спектр использования ТЖБ элементов значительно превышает область использования трубобетонных элементов в зданиях и сооружениях различного назначения. Можно предположить, что ТЖБ элементы (ЖЭТЭ) будут сочетать лучшие свойства обычных железобетонных и трубо-
бетонных элементов. Использование ТЖБ элементов даст большую экономию. У них есть будущее. Поэтому их исследованиями в целях использования в качестве несущих элементов в зданиях и сооружениях различного назначения стоит заниматься. Предстоит выполнить много экспериментов, разработать теорию расчета, определить рекомендации, при выполнении которых здания и сооружения из тру-божелезобетона будут надежными, безопасными в эксплуатации.
Список литературы
References
1. Кришан А.Л., Мельничук А.С. Трубобетонные колонны квадратного сечения // Жилищное строительство. 2012. № 5. С. 19-20.
2. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Киселева Ю.А., При-гоженко О.В., Кардумян Г.С., Ургалов В.И. Опыт возведения уникальных конструкций из модифицированных бетонов на строительстве комплекса «Федерация» // Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 8. С. 20-22.
3. Тамразян А.Г., Аветисян Л.А. К несущей способности железобетонных колонн высотных зданий в условиях прогрессирующего обрушения и огневых воздействий // Современные проблемы расчета и проектирования железобетонных конструкций многоэтажных зданий: Сб. докладов международной научной конференции, посвященной 100-летию П.Ф. Дроздова. Москва: МГСУ, 2013. С. 227-234.
Krishan A.L. Melnichuk A.S. Trubobetonnye of a column of square section. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 5, pp. 19-20 (In Russian). Kapriyelov S.S., Sheynfeld A.V. Kiselyova Yu.A. Prigozhen-ko O.V., Kardumyan G.S., Urgalov V.I. Experience of construction of unique designs from the modified concrete on complex construction «Federation». Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2006. No. 8, pp. 20-22 (In Russian).
Tamrazyan A.G. Avetisyan L.A. To bearing ability of ferroconcrete columns of high-rise buildings in the conditions of a progressing collapse and fire influences. Modern problems of a problem of calculation and design of ferroconcrete designs of multystoried buildings: the collection of reports of the International scientific conference devoted to the 100 anniversary of P.F. Drozdov. Moscow: MGSU, 2013, pp. 227-234 (In Russian).
