Опыт применения несущей арматуры повышенной жесткости в монолитных легкожелезобетонных перекрытиях

Введение

В крупных городах, где имеется острый дефицит земли, существует необходимость возведения зданий высокой этажности (до 100 этажей и выше). При этом, так как в большинстве случаев основания под ними ослаблены различными инженерными коммуникациями, для снижения массы здания в каркасных системах стали применять высокопрочные легкие бетоны.

Основным преимуществом легких бетонов является их низкая средняя плотность по сравнению со средней плотностью тяжелых бетонов. Использование легких бетонов во всех конструкциях каркаса позволяет снизить массу зданий, уменьшить расчетные нагрузки на конструкции, сократить при этом расход арматуры.

Однако, в настоящее время в России в элементах несущих конструкций каркаса легкие бетоны используются значительно реже, чем обычные тяжелые класса по прочности на сжатие В15 и выше. Основная причина этого – низкая прочность крупного заполнителя, большой расход цемента для изготовления высокопрочных бетонов при использовании слабых заполнителей; худшие физико-механические свойства по сравнению с тяжелим бетоном (низкий модуль упругости, повышенные величины усадки и ползучести, меньшая коррозионная стойкость, ограниченная возможность применения в агрессивных средах и др. Кроме того, для предотвращения расслоения бетонной смеси, формование конструкций производят с помощью грузов, что создает определенные сложности при изготовлении конструкции из этих бетонов).

Методы и материалы

Для улучшения технологических и прочностных параметров вышеуказанных бетонов в НИИЖБ [1] разработаны легкие бетоны из керамзитовых заполнителей с добавлением модификаторов. Как показали исследования [1], такие бетонные смеси не расслаиваются при формовании конструкции, а сам бетон характеризуются повышенной прочностью по сравнению с этими бетонами без добавок.

Для повышения жесткости и трещиностойкости ригелей и балок, изготовленных на легком бетоне в перекрытиях с пролетами от 5м стали применять предварительно напряженную арматуру [2].

В современном строительстве одним из перспективных направлений является применение каркасных систем с натяжением арматуры в процессе возведения монолитных железобетонных перекрытий, позволяющей реализовать среднепролетные и большепролетные железобетонные перекрытия с минимальными материальными затратами.

В АО «СТЕФС» совместно с АО «КТБ ЖБ» было запроектировано монолитное легкожелезобетонное перекрытие с несущей арматурой повышенной жесткости для помещения подвального этажа гостиницы Метрополь г. Москвы.

Монолитное перекрытие состоит из плит (П-1 и П-2) с размерами в плане 5,35х6,6 м и консольных плит (П-3 и P-4) с размерами в плане 1,0х6,6 м. Плиты П-1 и П-2 свободно опираются по контуру на несущие стены и на предварительно напряженные металлические балки (Б-1), (Б-2) и (Б-3), а консольные плиты только на балки (Б-1) и (Б-2). Толщина перекрытий не превышала 16 см.

В качестве напрягаемой арматуры применялась канатная арматура класса К-7 диаметром d=12 мм (ГОСТ 13840-68); в качестве ненапрягаемой арматуры использовалась А400С в виде сеток С-1 и плоских каркасов К-1, а также Вр-1 в виде сеток С-2 и поперечной арматуры плоских каркасов К-1.

Для увеличения жесткости конструкций металлические балки (B-1, B-2 и B-3) были предварительно напряжены канатной арматурой . Усилия предварительного обжатия (Ps) были приложены к балке с эксцентриситетом е=40 мм для обеспечения допустимого выгиба конструкции по СП63.1330.2012. При этом напряжение в стержнях не превышало Ϭs=1110 МПа.

Фиксация напрягаемой арматуры осуществлялась с помощью анкеров (гильзы из ст.3 длиной l=80мм) и специально приваренных пластин на металлических балках.

Fig. 2. Металлические балки (Б-1, Б-2, Б-3): а) вид по А; б) вид по B; в) расчетная схема поперечного сечения перекрытия при расчете по прочности. 1 – металлический двутавр №16; 2,3,4 – металлические пластины; 5 – анкер (типа опрессованная гильза); 6 – фиксатор (стальная пластина).

Предварительно на канатную арматуру в месте установки анкерной гильзы с помощью гидродомкрата ГД-20а наносились насечки по методике [3], затем канатная арматура заводилась в опрессовочное устройство (ОПУ-30) и в местах насечки производилась опрессовка гильз, что, согласно исследованиям [4] повышает прочность анкеровки гильз на выдергивание арматуры примерно в 1,5 раза по сравнению с канатной арматуры без насечек.

После укладки всех арматурных элементов в опалубку, производилось бетонирование из керамзитобетона с прочностью на сжатие В27,5 и с объемной плотностью Д1800, с применением модификатора бетона МБ10-30 и добавки суперпластификатора С-3 [1].

По этой же технологии было разработано и возведено монолитное легкожелезобетонное перекрытие пола с несущей арматурой повышенной жесткости для 2-х этажной надстройки 4-х этажного, 2-пролетного бескаркасного здания с продольными несущими стенами по адресу: Москва ул. Кожевническая д. 1, где пролет здания составлял до 8,6м, а расстояния между металлическими балками 3-4м. При этом толщина перекрытия не превышала 22см. Данное перекрытие являлась основанием для 2-х этажной надстройки 4-этажного здания, возводилось без временных опор (для опалубки) и без выселения работников учреждения.

Также специалистами АО «КТБ ЖБ» разработан проект усиления монолитных перекрытий 3-х этажного детского сада в г. Куровское. Ввиду дефицита армирования, перекрытия с пролетами до 6,3м получили прогибы более 60мм при толщине плит 160мм. Усиление произведено на общей площади 3200м2, при этом была применена система пост-напряженного внешнего армирования на основе стержней периодического профиля d16 из термически упрочненной стали класса А800т. Крепление арматуры осуществлялось с помощью фрикционных упоров [5,6], установленных на перекрытиях в зоне нулевого изгибающего момента и закрепленных высокопрочными шпильками М24 класса по прочности 8.8.

С каждой стороны арматурного стержня была выполнена резьба М14, натяжение достигнуто путем затягивания гаек увеличенной длины (40мм) на концах стержней; контроль натяжения осуществлялся динамометрическим ключом на основе результатов, полученных в ходе испытаний.

Путем натяжения арматуры удалось не только обеспечить полноценное включение в работу (при напряжении в стержнях Ϭs=440 МПа) но также осуществить подъем перекрытий на 2-5мм несмотря на неупругий характер работы бетона спустя несколько лет с момента бетонирования.

Подобные конструкции оказываются высокоэкономичными для зданий с пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций.

Наряду с экономическим эффектом, строительство зданий и сооружений с использованием технологии предварительного напряжения арматурных элементов при возведении зданий из монолитного железобетона позволяет существенно расширить архитектурно-планировочные возможности проектируемых зданий.

Результаты

Использование в монолитном строительстве предварительно напряженного железобетона в качестве конструктивного материала предоставляет практически неограниченные возможности планирования внутреннего пространства зданий. Такие показатели, как шаг колонн до 20м, плоские безбалочные перекрытия приведенной толщиной до 27 см, консольные элементы вылетом до 6м наряду с широкими возможностями расстановки стен и перегородок определяют качественный прорыв в планировочных и функциональных характеристиках здания и обеспечивают сокращение строительных затрат до 30%.

Кроме того, возможность сооружения консолей с большим вылетом предоставляет возможность проектирования и возведения зданий с разнообразным архитектурным обликом за счёт достаточно широких пределов варьирования формой контуров здания в горизонтальном разрезе.

Применение предварительно напряженного железобетона позволяет:

• существенно увеличивать шаг колонн, без повышения материалоёмкости [7,8];
• возводить консоли вылетом до 6 м без дополнительного армирования;
• уменьшить приведённую толщину плит перекрытий до 14 см;
• сократить расход арматурной стали от 35 до 75%;
• снизить расход товарного бетона от 5 до 30%;
• сократить трудоёмкость работ от 5 до 25%;
• уменьшить энергоёмкость производства до 30% [9];
• снизить себестоимость строительства от 10 до 30% [10].

Сравнительная эффективность рассчитывалась по обобщенным данным строительства 20 объектов различного функционального назначения.

Выводы

Реализация проектов с использованием прогрессивных конструктивно-технологических схем возведения зданий, предполагающих применение технологии предварительного напряжения железобетона, позволяет преодолеть основные недостатки монолитного строительства: высокий уровень себестоимости, трудоёмкости и длительности строительно-монтажных работ.

На сегодняшний день технология применяется в строительстве зданий и сооружений различного назначения: жилых, офисных, производственных, складских и торговых. География применения предварительно напряженного железобетона также широка. Наряду с Москвой подобным образом активно застраиваются города Подмосковья, Санкт-Петербург, Великий Новгород, Ярославль, Воронеж, Саратов.

Важное значение имеет расширение области применения предварительно напряженного бетона в строительстве. Как показывает практика, его можно широко и эффективно использовать в гражданском и жилищном строительстве.

Литература

1. Гуладзе Т.И., Ярмаковский В.Н., Хаймов И.С., Асатрян В.Г. Применение модифицированного керамзитобетона при реконструкции зданий. II Всероссийская (Международная) конференция по бетону и железобетону 2, М., 2005. С. 100-104.
2. Давгалюк В.И., Кац Г.Л. Конструкции из легких бетонов для многоэтажных каркасных зданий М.: Стройиздат,1984. С. 11-17.
3. Асатрян В.Г. Способ закрепления и методика расчета анкера проволочной и канатной арматуры. Бетон на рубеже третьего тысячелетия. Материалы конференции 2, М., 2001. С. 964-967.
4. Гуладзе Т.И. Определение предельных усилий выдергивания из анкеров (типа опрессованных гильз) напрягаемой канатной арматуры в построечных условиях М., 2011. С. 58-62.
5. Каптелин С.Ю., Ростовых Г.Н. Совершенствование технологии устройства фрикционных соединений. Общетехнические задачи и пути их решения, Санкт-Петербург, 2015. С. 147-154.
6. Широких А.С. Моделирование фрикционных соединений на высокопрочных болтах методом конечных элементов Нефтегазовое дело, №2. Уфа, 2005.
7. Зиннуров Т.А., Пискунов А.А. Метод изготовления предварительно напряженных конструкций с композитным армированием и композитным фибробетоном, Интернет-журнал «Транспортные сооружения» Vol 4, №2, Казань, 2017. С. 2-8.
8. Соловьев Н.П., Соловьев И.Н. Использование напрягающего бетона при изготовлении бетонных элементов с композитной арматурой Материалы международной (VII Всероссийской) конференции НАСКР, Чебоксары, 2012. С. 107-111.
9. Асатрян Л.В. Инновационные технологии как главный фактор снижения себестоимости и повышения качества строительства. Строительные материалы, оборудование, технология XXI века 4, М., 2009. С. 68-71.
10. Спирина В.С. Использование инновационных технологий для снижения себестоимости и повышения качества строительства. Technical sciences 11, Пермь, 2015. С. 45-46.

References

1. Guladze T.I., Jarmakovskij V.N., Hajmov I.S., Asatrjan V.G. Primenenie modificirovannogo keramzitobetona pri rekonstrukcii zdanij. II Vserossijskaja (Mezhdunarodnaja) konferencija po betonu i zhelezobetonu [Application of modified claydite concrete in the reconstruction of buildings. II All-Russia (International) Conference on Concrete and Reinforced Concrete] №2, M., 2005. p. 100-104. (In Russian).
2. Davgaljuk V.I., Kac G.L. Konstrukcii iz legkih betonov dlja mnogojetazhnyh karkasnyh zdanij [Constructions from lightweight concrete for multi-storey frame buildings] M.: Strojizdat,1984. p. 11-17. (In Russian).
3. Asatrjan V.G. Sposob zakreplenija i metodika rascheta ankera provolochnoj i kanatnoj armatury. Beton na rubezhe tret'ego tysjacheletija. Materialy konferencii [The method of fixing and the methodology for calculating the anchor wire and cable rope. Concrete at the turn of the third millennium. Conference materials] №2, M., 2001. p. 964-967. (In Russian).
4. Guladze T.I. Opredelenie predel'nyh usilij vydergivanija iz ankerov (tipa opressovannyh gil'z) naprjagaemoj kanatnoj armatury v postroechnyh uslovijah [Determination of the maximum pulling forces from anchors (such as pressed sleeves) of a tension cable rope under construction conditions] M., 2011. p. 58-62. (In Russian).
5. Kaptelin S.Ju., Rostovyh G.N. Sovershenstvovanie tehnologii ustrojstva frikcionnyh soedinenij. Obshhetehnicheskie zadachi i puti ih reshenija [Perfection of the technology of the device of frictional connections. General technical tasks and ways to solve them], Sankt-Peterburg, 2015. p. 147-154. (In Russian).
6. Shirokih A.S. Modelirovanie frikcionnyh soedinenij na vysokoprochnyh boltah metodom konechnyh jelementov Neftegazovoe delo [Modeling of friction joints on high-strength bolts by the finite element method. Oil and gas business], №2. Ufa, 2005. (In Russian).
7. Zinnurov T.A., Piskunov A.A. Metod izgotovleniya predvaritel'no napryazhennykh konstruktsiy s kompozitnym armirovaniem i kompozitnym fibrobetonom, Internet-zhurnal «Transportnye sooruzheniya» [Method for manufacturing prestressed structures with composite reinforcement and composite fiber-reinforced concrete, Internet magazine "Transport facilities"] Vol 4, №2, Kazan', 2017. p. 2-8. (In Russian).
8. Solov'ev N.P., Solov'ev I.N. Ispol'zovanie napryagayushchego betona pri izgotovlenii betonnykh elementov s kompozitnoy armaturoy Materialy mezhdunarodnoy (VII Vserossiyskoy) konferentsii NASKR [Use of tensile concrete in the manufacture of concrete elements with composite reinforcement Materials of the International (VII All-Russian) Conference NASCR], Cheboksary, 2012. p. 107-111. (In Russian).
9. Asatryan L.V. Innovatsionnye tekhnologii kak glavnyy faktor snizheniya sebestoimosti i povysheniya kachestva stroitel'stva. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologiya XXI veka [Innovative technologies as the main factor in reducing the cost and improving the quality of construction. Building materials, equipment, technology of the XXI century] №4, M., 2009. p. 68-71. (In Russian).
10. Spirina V.S. Ispol'zovanie innovatsionnykh tekhnologiy dlya snizheniya sebestoimosti i povysheniya kachestva stroitel'stva. Technical sciences [Using innovative technologies to reduce costs and improve the quality of construction] №11, Perm', 2015. p. 45-46. (In Russian).