CC BY
41Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69.056.52
Н.В. КЛЮЕВА, д-р техн. наук ([email protected]), В.И. КОЛЧУНОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, Д.А. РЫПАКОВ, инженер ([email protected]), А.С. БУХТИЯРОВА, канд. техн. наук
Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ) (305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94)
Жилые и общественные здания из железобетонных панельно-рамных элементов индустриального производства*
Предложена новая конструктивная система жилых и общественных зданий из панельно-рамных элементов индустриального изготовления. Сборно-монолитный остов здания выполняется из внутренних продольных и поперечных стеновых панелей или панелей-рам, соединяющихся между собой по высоте с помощью закладных элементов. В качестве перекрытия используются многопустотные плиты различных типов, опертые на стеновые панели посредством сборно-монолитного платформенного стыка. Наружные стены здания запроектированы из мелкоштучных блоков, опертых на обвязочные ригели, имеющие терморазъемы. Проведенные расчеты в предельных и запредельных состояниях подтвердили соответствие требуемому уровню конструктивной безопасности остова здания при эксплуатационных и возможных запроектных воздействиях. Предложенная конструктивная система обеспечивает высокотехнологичное индустриальное производство каркаса здания, его быстровозводимость, низкую энергоемкость и существенное снижение материалоемкости и стоимости.
Ключевые слова: каркас здания, панели-рамы, индустриальное производство, железобетон.
N.V. KLUEVA, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), V.I. KOLCHUNOV, Doctor of Sciences (Engineering), D.A. RYPAKOV, Engineer ([email protected]), A.S. BUKHTIYAROVA, Candidate of Sciences (Engineering) Southwest State University (94, 50 let Oktyabrya Street, Kursk, 305040, Russian Federation)
Public Buildings of Industrially Manufactured Reinforced Concrete Frame-Panel Elements
The work presents new structural solutions for residential and public buildings assembled of industrially manufactured RC frame-panel elements. Precast and cast-in-situ structures are proposed to be constructed from the internal longitudinal and transverse wall panels or frame-panels connected to each other by means of connecting inserts. The floor structures are hollow-core slabs of various types with precast and cast-in-sity support joints bearing against wall panels. External walls of the building are designed as blockwork walls supported on RC bindinggirders with holes for thermal insulation. The limit state calculations have confirmed the compliance of the structures to the required level of structural safety under service load and in case ofpossible actions beyond design basis. The offered structural solutions provide hi-tech construction of a building, higher speed of construction, low power consumption and essential decrease in a material capacity as well as in cost of bearing structures
Keywords: framework of a building, frame-panel, industrial production, reinforced concrete.
Несмотря на значительное разнообразие появившихся в последние два десятилетия архитектурно-конструктивных систем жилых и общественных зданий, индустриально возводимые и прежде всего жилые здания эконом-класса остаются наиболее массовыми и востребованными при решении социальной проблемы обеспечения граждан доступным и комфортным жильем. В городах ЦФО России ежегодный объем строительства быстровозводимого жилья на основе применения индустриальных конструктивных систем заводского изготовления в 2013-2014 гг. составил более 60% от всего вводимого жилья. Это связано не только с традиционным использованием в России индустриальных технологий крупнопанельного домостроения, но и с рядом достоинств такого строительства: быстрой возводимостью здания, относительно высоким качеством конструкций, всесезонностью строительства и низкой себестоимостью.
Одно из новых направлений развития крупнопанельного домостроения связано с созданием комбинированного ре-
шения архитектурно-конструктивной системы здания [1, 2], когда внутренние панели образуют несущий остов здания, а наружные ограждающие стены выполняются самонесущими, поэтажно опертыми на специальные ригели с терморазъемами.
Дальнейшее совершенствование такой конструктивной системы видится в организации более свободных объемно-планировочных решений зданий, в том числе благодаря увеличению пролетов, пластике фасадов [3], снижению материалоемкости, обеспечению долговечности и экологич-ности зданий, повышению энергоэффективности и теплозащиты конструкций [4] не только за счет совершенствования наружных стен, но и путем применения рециркулиру-емых и легкоутилизируемых материалов и конструкций на всех этапах жизненного цикла зданий [5]. При этом во всех случаях важнейшим требованием при создании таких конструктивных систем нового поколения является решение задач их конструктивной безопасности при расширении номенклатуры и всего разнообразия применяемых объемно-
* Работа выполнена в рамках Гранта Президента РФ МК-1553.2014.8.
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Общая схема каркаса многоэтажного здания (а) и узлы сопряжения индустриальных элементов в отдельных сечениях (б—е)
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
......I. I I I I Г I I -M-4
, b
"H
%
.....I 1 I 1 I 11 11 ' I
12
9
I I I I T*
11
Г
, b
1-1
I I j j I Ml I I I I I bfc
Jl
12
, ь
1
4
И
ТГ
1/2
ri
3-3
Jf
2-2
1/2
4,-i
5-5
h
□ □□ □□
C352-
Рис. 3. Конструкция торцевой (а) и рядовой (б) панели-рамы, плиты перекрытия (в) и обвязочных ригелей с прямолинейной (г) или криволинейной в плане консольной полкой (д)
а
в
г
д
планировочных и конструктивных решений, при все усложняющихся видах и воздействиях техногенного, природного и даже террористического характера.
Примером такого решения может стать комбинированная конструктивная система остова жилых зданий из железобетонных несущих панельно-рамных элементов индустриального изготовления, полости которых заполнены энергоэффективными высокоэкологичными легкоутилизи-руемыми материалами, производимыми из двухкомпонент-ного (природного и техногенного) сырья.
Такая конструктивная система многоэтажного здания (рис. 1) включает несущие продольные и поперечные стеновые панели или панели-рамы 1; плиты перекрытия многосвязного поперечного сечения 2; обвязочные ригели с прямолинейной 3 или криволинейной 4 в плане консольной полкой (рис. 1, г), имеющей терморазъемы в виде отверстий 5 в полке; наружные слоистые стены 6; связи между несущими стеновыми панелями-рамами 7; сборно-монолитный платформенный стык 8 между плитами перекрытия и стеновыми панелями.
Ригели несущих продольных и поперечных стеновых панелей-рам соединяют бетоном замоноличивания 10 по выпускам арматуры 9 с плитами перекрытия 2 (рис. 1, б, в). Продольные и поперечные панели-рамы соединяются между собой с помощью закладных элементов 7 не менее чем в двух местах по высоте панели-рамы. Такое решение обеспечивает восприятие и передачу вертикальных и горизонтальных нагрузок с одного элемента каркаса на другой и затем на фундамент здания, общую устойчивость каркаса
здания и повышает живучесть конструктивной системы в случае аварийного выключения из работы отдельных конструктивных элементов каркаса при запроектных воздействиях [6].
Принципиальная схема конструкции платформенного сборно-монолитного стыка опирания стойки панели-рамы на монолитный участок нижележащего ригеля в рассматриваемой конструктивной системе представлена на рис. 2.
В пустотах, выходящих на торец многопустотной плиты перекрытия 2, на расстоянии, превышающем толщину внутренних несущих стеновых панелей 1 и 10, устраиваются бетонные диафрагмы 3 толщиной не менее 30 мм. Между торцами плит перекрытия 2, используя выпуски арматуры 4 из панели-рамы, устраивается армированный монолитный пояс. Замоноличивание бетоном 6 выполняется с помощью прямоугольных в плане отверстий по краю плиты 2, у которого пустоты выходят на торец плиты. Такие отверстия устраиваются на всю глубину от верхней поверхности плиты до пустоты. Монолитность соединения стоек по высоте здания достигается тем, что под рабочую арматуру монолитного пояса 8 устанавливаются П-образные арматурные стержни 7, выпуски которых пропускаются в отверстия в полке плиты перекрытия над пустотами и соединяются на сварке с выпусками вертикальных рабочих стержней 9 стеновой панели 10, а затем обетонируются.
Выполнение панелей в виде П-образных элементов с заполнением из легкого стенового материала 12 (рис. 1) обеспечивает, с одной стороны, применение двухкомпонентных рециклируемых легкоутилизируемых материалов с высо-
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
ШУ
ОТ
ОИ. <£Г
©
И
4
т
п , г|
Iте шо (¿55 6Ш шо 6Ш 6Ш шщ
и>10 ш
13) (К) «
г®
45)
■Ф
■ф м
-ф
Рис. 4. Ллан (а) и разрез (б) здания дошкольного образовательного учреждения из индустриальных панельно-рамных элементов 72 — 5'2015
а
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Расчетная схема первого уровня с выделенным характерным фрагментом на высоту этажа (а), второго уровня (б) и третьего уровня — для элементов, работающих на изгиб с кручением (в) и на изгиб (г)
кими теплофизическими и шумозащитными свойствами, с другой - необходимую несущую способность. Установка по контуру здания ригелей с терморазъемами позволяет обеспечить не только теплозащиту по всей толщине перекрытия, но и общую пространственную жесткость всей конструктивной системы здания в целом. Выполнение ригеля панели-рамы одновременно со сборно-монолитным платформенным стыком обеспечивает высокую несущую способность платформенного стыка при относительно низкой высоте сборной части ригеля Нг (рис. 1, б, в). Расположение панелей в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 1, д, е) и соединение обвязочных ригелей с несущими поперечными стеновыми панелями-рамами, выходящими торцами с вырезами 11 на внешний контур (рис. 3, а) обеспечивает пространственную жесткость диска перекрытия на сдвиг и совместную работу всех вертикальных и горизонтальных несущих элементов каркаса. Снижение общей материалоемкости каркаса здания достигается также применением в качестве перекрытий плит многосвязного поперечного сечения и облегченных консольных плит балконов или лоджий (рис. 3, в, д).
Поскольку плиты перекрытия опираются или на стеновые панели, или на обвязочные ригели (рис. 1), такое решение обеспечивает армирование плит, не отличающееся от традиционного армирования плит типовых серий.
При возведении каркаса здания с предлагаемой конструктивной системой уменьшается расход материалов на наружные стены, которые в данном случае не являются несущими и их выполняют трех-двух- или даже однослойными самонесущими на один этаж в виде кладки из штучных блоков, опирающихся на консольные полки ригелей с терморазъемами. Применение поэтажных самонесущих стен внешнего контура здания сокращает сроки его возведения, так как возведение таких однослойных, двух- или трехслойных стен, равно как и заполнение внутренних стен из панелей-рам, не требует высокой квалификации каменщиков, а устройство терморазъемов в виде отверстий в полке ригеля, заполняемых теплоизоляционным материалом, выполняют индустриальными методами в заводских условиях. Сочетание таких терморазъемов и применяемых рецикли-руемых теплоизоляционных материалов повышает теплоизоляционные и экологические свойства наружной стены.
Аналогичная архитектурно-конструктивная система разработана и для общественных зданий, в частности для объектов образовательного назначения. В качестве примера на рис. 4 приведено архитектурно-планировочное решение дошкольного образовательного учреждения.
Оценку конструктивной безопасности рассматриваемой строительной системы здания предложено выполнять в два этапа. На первом этапе проводится традиционный проект-
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
ный расчет каркаса здания по предельным состояниям на постоянные и временные нагрузки. При этом моделирование несущих конструкции каркаса здания выполняется с использованием трехуровневой расчетной схемы [4].
Расчетная схема первого уровня представляла собой конечно-элементную модель, построенную для всего каркаса здания (рис. 5, а). Ее реализация производится с помощью расчетных программных комплексов, например SCAD Office. По результатам расчета получены усилия и перемещения в элементах конструктивной системы от заданных проектных нагрузок.
Расчетная схема второго уровня моделировала рамно-стержневой фрагмент каркаса здания в виде плоской или пространственной рамной системы, выделенный из расчетной схемы первого уровня методом декомпозиции (рис. 5, б). На этом этапе расчета производится детализация напряженно-деформированного состояния в ригелях и стойках панели-рамы.
Расчетная схема третьего уровня (рис. 5, в, г) представляет собой так называемую физическую и соответственно расчетную модель сопротивления железобетона [7, 8], позволяющую учитывать нелинейное деформирование и тре-щинообразование в выделенных наиболее напряженных зонах фрагмента железобетонного каркаса, например зону нормальных трещин в пролетах и приопорных участках ригелей панели-рамы, зону наклонных трещин на приопорных участках ригелей панели-рамы, зону платформенного стыка стоек панелей-рам и плит перекрытий. Учет нелинейного деформирования железобетона и трещин в указанных зонах производился методом итераций с поэтапным переходом от расчетной схемы третьего уровня к расчетной схеме первого уровня и обратно с оценкой сходимости итерационного процесса по усилиям.
На втором этапе выполнялся расчет каркаса здания на возможное запроектное воздействие, вызванное внезапным выключением из расчетной схемы центральной колонны (рис. 5, б). В этом расчете также использованы расчетные схемы первого, второго и третьего уровней, но преобразованные в так называемые вторичные расчетные схемы*, т. е. схемы с выключенным вертикальным несущим элементом [9]. Возникающее в момент внезапного выключения колонны динамическое догружение моделировалось приложением во вторичной расчетной схеме продольной силы, полученной расчетом при проектной нагрузке, но приложенной с обратным знаком.
Анализ результатов проведенного расчета каркаса на рассмотренное запроектное воздействие показал, что при принятых размерах сборно-монолитных сечений ригелей панелей-рам рассматриваемое запроектное воздействие приведет к локальному разрушению опертых на нее ригелей в сечении над выключенной стойкой и опорных сечений ригелей над смежными колоннами. Разрушение пролетного сечения ригелей приведет к перераспределению силовых потоков в рассматриваемой конструктивной системе и локальному разрушению смежных по высоте сечений ригелей на всю высоту каркаса здания.
Анализ проведенных исследований и выполненных проектно-конструкторских работ показал, что предложенная конструктивная система для жилых и общественных зданий обеспечивает ряд важных достоинств:
* СТО-008-02495342-2009 «Предотвращение прогрессирующего 07.09.2009 г. М., 2009. 23 с.
- максимальную энергоэффективность здания на всех этапах его жизненного цикла, от извлечения сырьевых и изготовления рециркулируемых материалов для строительства и до этапа утилизации объекта после окончания эксплуатации;
- высокую экономичность, поскольку конструктивная система индустриальна и максимально открыта к применяемым материалам и технологиям, легко реконструируется в процессе эксплуатации, отличается универсальностью объемно-планировочных решений, низкими транспортными расходами за счет существенного снижения массы несущих конструкций и широким применением местных материалов;
- быстровозводимость, высокое качество и высокую точность геометрических размеров при заводском изготовлении несущих элементов, соответственно и повышенный уровень конструктивной безопасности остова здания при внезапном изменении его структуры в случае запроектных воздействий;
- конструктивная система обладает низкой общей массой, что особенно важно в зонах с сейсмической активностью.
Результатом сравнительного анализа установлено также, что использование предлагаемой конструктивной системы в строительстве обеспечивает снижение материалоемкости каркаса здания до 21,3% и энергоемкости строительства до 11,2%.
Список литературы
1. Колчунов В.И., Осовских Е.В., Фомичев С.И. Прочность железобетонных платформенных стыков жилых зданий с перекрестно-стеновой системой из панельных элементов // Жилищное строительство. 2009. № 12. С. 12-16.
2. Дыховичный Ю.А., Колчунов В.И. Жилые и общественные здания: краткий справочник инженера-конструктора. Т. 2. М.: АСВ, 2011. 400 с.
3. Николаев С.В. Панельные и каркасные здания нового поколения // Жилищное строительство. 2013. № 8. С. 2-9.
4. Клюева Н.В., Колчунов В.И., Бухтиярова А.С. Ресурсо-энергосберегающая конструктивная система жилых и общественных зданий с заданным уровнем конструктивной безопасности // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 2. С. 37-41.
5. Ильичёв В.А., Колчунов В.И., Кобелева С.А. Критериальная модель полного ресурсного цикла - основа экологической безопасности строительства // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 12. С. 3-6.
6. Патент РФ 2506385. Здание из панельных элементов / Ильичев В.А., Колчунов В.И., Клюева Н.В., Бухтиярова А.С. Заявл. 01.08.2012. Опубл. 10.02.2014. Бюл. № 4.
7. Бондаренко В.М., Колчунов В.И. Расчетные модели силового сопротивления железобетона. М.: АСВ, 2004. 472 с.
8. Клюева Н.В., Чернов К.М., Колчунов Вл.И., Яковен-ко И.А. Прочность железобетонных составных конструкций и новые критерии разрушения в зоне наклонных трещин // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 11. С. 36-40.
9. Колчунов В.И., Клюева Н.В., Андросова Н.Б., Бухтияро-
обрушения железобетонных монолитных конструкций». Введен
Научно-технический и производственный журнал
ва А.С. Живучесть зданий и сооружений при запроект-ных воздействиях. М.: АСВ, 2014. 208 с.
References
1. Kolchunov V.I., Osovskikh E.V., Fomichev S.I. Durability of ferroconcrete platform joints of residential buildings with cross wall system from panel elements // Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2009. No. 12, pp. 12-16. (In Russian).
2. Dykhovichnyi Yu.A., Kolchunov V.I. Zhilyeiobshchestvennye zdaniya: kratkii spravochnik inzhenera-konstruktora. Tom 2 [Residential and public buildings: short reference book of the design engineer. Volume 2]. Moscow: ACB. 2011. 400 p.
3. Nikolaev S.V. Panel and frame buildings of new generation // Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 8, pp. 2-9. (In Russian).
4. Klyueva N.V., Kolchunov V.I., Bukhtiyarova A.S. The preserving resource and energy constructive system of residential and public buildings with the set level of constructive safety // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 2, pp. 37-41. (In Russian).
5. Il'ichev V.A., Kolchunov V.I., Kobeleva S.A. Criteria model of a full resource cycle - a basis of ecological safety of construction // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 12, pp. 3-6. (In Russian).
6. Patent RF 2506385. Zdanie iz panel'nykh elementov [The building from panel elements]. Il'ichev V.A., Kolchunov V.I., Klyueva N.V., Bukhtiyarova A.S. Declared 01.08.2012. Published 10.02.2014. Bulletin No. 4. (In Russian).
7. Bondarenko V.M., Kolchunov V.I. Raschetnye modeli silovogo soprotivleniya zhelezobetona [Settlement models of power resistance of reinforced concrete ]. Moscow: ACB. 2004. 472 p.
8. Klyueva N.V., Chernov K.M., Kolchunov Vl.I., Yakovenko I.A. Durability of ferroconcrete compound designs and new criteria of destruction in a zone of inclined cracks // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 11, pp. 36-40. (In Russian).
9. Kolchunov V.I., Klyueva N.V., Androsova N.B., Bukhtiyarova A.S. Zhivuchest' zdanii i sooruzhenii pri zaproektnykh vozdeistviyakh [Durability of buildings and structures under actions beyond design basis]. Moscow: ACB. 2014. 208 p.
СМОТР-КОНКУРС «ЭКОУСТОЙЧИВАЯ АРХИТЕКТУРА» РОССИЙСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ ПРЕМИЯ «АРХИ-УСТОЙЧИВОСТЬ»
Союз архитекторов России совместно с НП «Совет по зеленому строительству» и строительно-архитектурным медиа-порталом «Ради-дома про» учредили национальную премию в области экоустойчивой архитектуры «АРХИ-УСТОЙЧИВОСТЬ» с денежным призом 250 тыс. р. Лауреаты будут определяться по результатам смотра-конкурса, который пройдет в рамках московского международного архитектурного фестиваля «Зодчество-2015» 1-3 октября 2015 г.
Главными задачами учреждаемой премии являются: популяризация профессиональных достижений в области экоустойчивой архитектуры; стимулирование создания экоустойчивых объектов; продвижение передовых строительных технологий и материалов; повышение престижа профессии архитектора и строителя. В смотре-конкурсе смогут принять участие студенты, молодые архитекторы, авторы и авторские коллективы.
Конкурс проходит по следующим номинациям.
ПРОЕКТЫ И ПОСТРОЙКИ
Критерии оценки:
• формирование архитектурного образа экоустойчивых зданий
(конструкции здания - часть единой системы жизнеобеспечения; энергоавтономность);
• архитектурные решения, снижающие негативное воздействие на окружающую среду (пассивная аккумуляция тепла; пассивная солнцезащита; пассивные методы охлаждения; пассивные методы энергосбережения; естественная вентиляция; использование рельефа);
• архитектура с интегрированными инженерно-техническими решениями (альтернативные источники энергии; озеленение кровель, стен, зимних садов; системы сбора и повторного использования воды; пневматические системы сбора бытового мусора);
• архитектура эффективная на всем жизненном цикле (приспособление к новым функциям исторической архитектуры; возможность свободной перепланировки; приспособляемость инженерных коммуникаций; сокращение объема выбросов СО2 на всем жизненном цикле здания; сокращение эксплуатационных расходов);
• архитектура со здоровой и комфортной средой (качество воздуха внутри помещения; качество освещения; строительные материалы - переработанные, региональные, возобновляемые, с экомаркировкой; наличие локальных систем управления микроклиматом);
• архитектура с гуманной средой жизнедеятельности (универсальный дизайн; общедоступность здания на уровне земли; инфраструктура для «зеленого транспорта»; произведения искусства в архитектуре; вид из окон).
ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО
Критерии оценки:
создание гуманной, интегрированной с природой среды жизнедеятельности (удобство для пешеходов; развитая уличная сеть; многофункциональность и разнообразие застройки; разнотипная застройка; высокое качество архитектуры и благоустройства; оптимизация плотности застройки; "зеленый транспорт"; экоустойчивые решения; гуманная среда жизнедеятельности).
В состав Экспертного совета войдут специалисты строительной физики, экологии, градостроительства, экоустойчивой архитектуры, «зеленой» сертификации зданий и территорий. Жюри будет сформировано из экспертов в области «зеленой архитектуры», обладающих высоким уровнем профессионализма, необходимыми теоретическими знаниями и практическим опытом.
Председатель жюри - А.Н. Ремизов, председатель Совета Союза архитекторов России по экоустойчивой архитектуре.
Об условиях участия и подачи заявок см. на сайте www.zodchestvo.com
