Перспективы применения высокопрочных бетонов в конструкциях зданий и сооружений

2/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ В КОНСТРУКЦИЯХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

PROSPECTS OF HIGH-STRENGTH CONCRETE APPLICATION IN CONSTRUCTIONS OF BUILDINGS AND STRUCTURES

H. H. Трекин, Э.Н. Кодыш, N.N. Trekin, E. N. Kodysh

МГСУ, ОАО «ЦНИИПромзданий»

Представлены результаты анализа применения высокопрочных бетонов в сборных железобетонных элементах зданий и сооружений. Показано, что это приводит к существенной экономии бетона и стали.

Results of the analysis of application of high-strength concrete in modular reinforced-concrete elements of buildings and structures are presented. It is shown that it leads to essential economy of concrete and a steel.

Использование высокопрочного бетона в строительстве позволяет существенно снизить расход материалов и собственную массу конструкций и расширить диапазон воспринимаемых внешних нагрузок и перекрываемых пролетов. В России подавляющее большинство гражданских и промышленных зданий различных конструктивных систем построено из унифицированных сборных железобетонных элементов. Это направление в строительстве будет существовать и в обозримом будущем. Поэтому исследования по выявлению рациональной области использования высокопрочных бетонов в сборных конструкциях являются актуальными. Поскольку зона исследований достаточно широка, целесообразно выделить несколько основных направлений. В первую очередь это многоэтажные каркасные гражданские и промышленные здания, одноэтажные промышленные здания, здания сельскохозяйственного назначения и инженерные сооружения.

На основе анализа номенклатуры железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий и действующих нагрузок выявлена возможность значительного сокращения количества типоразмеров сборных элементов и существенного экономического эффекта при использовании высокопрочных бетонов.

В фундаментах под колонны можно существенно уменьшить габариты по высоте за счет повышения сопротивления бетона продавливанию. Как показали расчеты толщина подошвы столбчатого фундамента снижается практически пропорционально увеличению прочности бетона. Для примера, при изменении прочности бетона с 12.5 до 80МПа сокращается расход бетона на 26%, а арматуры - на 34%. В свайных фун-

даментах изменение прямоугольного сечения свай на двутавровое позволяет снизить расход бетона на 27% и увеличить площадь контакта с грунтом, что имеет важное значение для висячих свай в повышении их несущей способности.

Внедрение высокопрочных бетонов позволяет повысить несущую способность ригелей и колонн и уменьшить размеры их поперечных сечений [1]. В рамных и в свя-зевых каркасах представляется возможным исключение колонн сечением 60x40см и ригелей высотой 80см при сетке колонн 6x6м. Ригели высотой 80см рациональнее использовать для пролетов более 12м. Увеличение прочности бетона до 60МПа и выше особенно эффективно для сжатых элементов с эксцентриситетом не более случайного и гибкостью менее 12. К таким элементам, например, относятся колонны сечением 40x40см при высоте этажей до 4.2м. В связевых каркасах повышение прочности бетона более 80МПа целесообразно только для колонн при гибкости менее 12. Очевидно, что наиболее рациональной областью применения высокопрочного бетона являются нижние ярусы колонн многоэтажных зданий.

Плиты перекрытий (ребристые, многопустотные и сплошные) являются наиболее массовыми конструкциями в многоэтажных каркасных зданиях. Применение высокопрочного бетона в плитах без изменения опалубочных форм дает малую экономию рабочей арматуры ( до 6%), что обусловлено незначительным изменением характера эпюры распределения внутренних усилий. Однако возможно существенное снижение количества конструктивной арматуры, а порой и полный отказ от нее.

Повышение прочности бетона позволило снизить диаметр арматуры сеток и уменьшить толщину полок с 30 до 25мм. В поперечных ребрах вместо каркасов допустимо устанавливать отдельные стержни, а в продольных отказаться от конструктивного армирования опорной зоны. Эти предложения позволяют сократить в ребристых плитах, по сравнению с типовыми, расход бетона на 8 - 12%, расход стали на 2035%. С увеличением несущей способности ребристых плит эффект снижения армирования уменьшается и исчезает при расчетных нагрузках более 15кПа.

В многопустотных плитах при существующей агрегатно-поточной технологии изготовления без изменения геометрии сечения при повышении прочности бетона можно отказаться от поперечных каркасов и верхней сетки, что сокращает расход металла на 22 - 29% и снижает трудоемкость изготовления.

Увеличение прочности бетона в многопустотных плитах приобретает большее значение при внедрении безопалубочной технологии формования, обеспечивающей технологичный переход к различным формам поперечного сечения плит с измененными внешними габаритами, размерами и формами пустот. Длина плит может достигать 15м.

Применение высокопрочного бетона в колоннах одноэтажных промышленных зданий позволит повысить их устойчивость, что в свою очередь приведет к отказу от установки связей по колоннам прямоугольного сечения высотой более 10.8м, а также внедрить в практику проектирования колонны с эффективными сечениями. Как показал сопоставительный анализ колонн сплошного прямоугольного сечения с обычным, предварительно-напряженным и смешанным армированием, колонн швеллерного и двутаврового сечения, а также центрифугированных полого квадратного и круглого сечений по расходу бетона наиболее экономичными являются колонны кольцевого сечения, а по расходу арматуры - швеллерного и двутаврового сечений. Колонны с сечением в виде двутавра и прочностью бетона 60МПа экономичней по расходу бетона прямоугольных сечений на 30-38%, а расход стали снижается в 1.5 - 2раза.

ВЕСТНИК

_2/20ГТ_МГСУ

Преимущество двутавровых колонн обусловлено также технологичностью в изготовлении, пространственной жесткостью при транспортировании и монтаже.

Одним из очевидных направлений применения высокопрочных бетонов в сборных каркасных зданиях являются большепролетные балочные и арочные покрытия, покрытия с плитами на пролет. Пределы использования железобетонных стропильных балок из бетонов средней прочности ограничиваются пролетами 18 и 24м. С использованием бетона прочностью 90МПа открываются возможности перекрытия стропильными балками пролетов 30 и 36м под расчетные нагрузки 25.3 кН/м. Изготовление балок пролетом 18 и 24м предполагается как в условиях стационарного завода, так и на стройплощадке в мобильном цехе. Изготовление балок пролетом 30 и 36м возможно только на стройплощадке, с целью исключения сложных и дорогостоящих операций по транспортированию длинномерных конструкций.

Сопоставительный анализ балок двутаврового сечения с двускатным верхним поясом и армированных канатами(К8=1200МПа) показал следующее: в балках пролетом 18 и24м расход бетона сокращается на 25-34%, а расход стали на 20%. Для пролетов 30 и 36м в качестве аналога принимались металлические фермы, а сопоставление производилось по общему расходу материалов на покрытие, включая плиты и стеновые панели в пределах высоты конструкции покрытия. Эффективность разработанных конструкций заключается также в снижении общих затрат на монтаж до 30%.

Плиты покрытия типа «Т» размером в плане 1.5x18м двускатного очертания имеют высоту в середине пролета 0.6м и при прочности бетона 40МПа рассчитаны на полезную нагрузку 4.3кПа, ограниченную предельно допустимой шириной раскрытия трещин. Применение бетона прочностью до 70МПа позволяет увеличить величину предварительного напряжения в арматуре до 1200МПа, что приводит к повышению жесткости и трещиностойкости и, следовательно, внешней расчетной нагрузки на 23%, а при сохранении несущей способности уменьшить армирование на 17,5%.

Коробчатые настилы размером 3x18м и высотой 0.9м рассчитаны на нагрузку 12.5кПа при прочности бетона 35МПа. Использование бетона кубиковой прочностью 70МПа позволяет сократить расход напрягаемой арматуры на 11%, либо повысить несущую способность на 15% за счет увеличения изгибной жесткости, а также применять весьма подвижные смеси с осадкой конуса от 16 до 25см для безвибрационного литья для повышения качества уплотнения тонкостенных конструкций.

Предельные нагрузки для плит 3x18 и 3x24м определяются по условию жесткости а максимальные нагрузки ограничены условием устойчивости сжатой полки. Поэтому увеличение прочности бетона рационально при одновременном повышении модуля деформаций или при условии принятия дополнительных конструктивных мер по обеспечению пространственной жесткости элементов плит.

В ребристых плитах 3x12м с расположением поперечных ребер через 1.5 ми толщиной продольного ребра - 85мм класс бетона в основном определяется ограничением напряжений в бетоне и прочностью в стадии предварительного обжатия, а предельная нагрузка устанавливается по условию прочности. Жесткость и трещиностой-кость плит при нагрузках до 7.4кПа обеспечена. Для последнего значения нагрузки определяющим является обеспечение устойчивости полки, поэтому увеличение класса бетона должно сопровождаться ростом модуля деформации. Эффективность увеличения прочности используемого бетона для указанных ребристых плит может быть увеличена за счет образования кессонов в верхней полке, что приводит к экономии бетона до 15%.

Для ребристых плит 3x12м с более частым расположением поперечных ребер, например через 1м и толщиной продольных ребер 100мм диапазон расчетных нагрузок находится в пределах 5.5 - 13.3кПа. Класс бетона в данном случае определяется предельными краевыми напряжениями в стадии отпуска натяжения. Предельные нагрузки устанавливаются на основе выполнения требований по жесткости. Поэтому для данных конструкций плит повышение класса бетона является более целесообразным.

В подкрановых балках преимущества использования высокопрочных бетонов обусловлено их конструктивными особенностями. Кроме нижней напрягаемой арматуры в подкрановых балках напрягают и верхнюю, так как к верхней зоне предъявляются требования первой категории трещиностойкости, т.е. не допускается образование трещин от усилия обжатия нижней арматуры. Высокопрочные бетоны обладают более высоким сопротивлением на растяжение чем обычные бетоны и благодаря этому в балках можно исключить верхнюю напрягаемую арматуру. Это приводит не только к экономии арматуры, но и упрощает процесс изготовления, позволяет снизить потребность в поперечной арматуре, а в некоторых случаях исключить ее вообще, а также упрощает конструкцию опорной зоны в связи с повышением сопротивления образованию наклонных трещин (трещиностойкость обеспечивается бетоном и напряженной арматурой).

При строительстве сельскохозяйственных зданий различного назначения широко применяются трехшарнирные рамы, образуемые из двух полурам. Формование полу-рам осуществляется в основном в сложных кассетных вертикальных формах. Ригель и стойку полурам целесообразно изготавливать таврового или двутаврового сечения из высокопрочного бетона, а стыки из обычного бетона. Этот способ позволяет увеличить высоту рам, расширить область их применения и получить снижение расхода стали на 6-12% и бетона до 39%.

В балках покрытий и прогонах прямоугольного и таврового сечений, размеры которых в основном определяются требованиями взаимоувязки с другими конструктивными элементами каркаса, применение высокопрочного бетона без изменения опалубочных форм дает снижение расхода стали до 3-5% по сравнению с типовыми конструкциями и позволяет в некоторых случаях перейти на другую марку. Экономия стали за счет повышения прочности бетона достигает 10%. Таким образом, применение высокопрочных бетонов прочностью до 80МПа в некоторых конструкциях сельскохозяйственных зданий дает экономию бетона до 30%, стали - 6-12% за счет внедрения эффективных сечений и раздельного бетонирования.

Высокопрочный бетон рационально использовать для конструкций инженерных сооружений, в которых определяющим усилием является сжатие. К ним, прежде всего относятся колонны силосных корпусов, которые из-за больших вертикальных нагрузок изготавливаются из бетона средней прочности с развитым поперечным сечением. Увеличение прочности бетона в этих конструкциях необходимо рассмотреть совместно с оптимизацией формы сечения без изменения ее несущей способности и расчетной схемы. Это связано с тем, что рост прочности бетона для сжатого элемента приводит к проявлению в большей степени отрицательного эффекта продольного изгиба. Поэтому сплошное квадратное сечение при высокопрочных бетонах 90МПа целесообразно для относительно коротких колонн 1/а<8(1 -длина, а -ширина). На практике колонны имеют большую гибкость. В этом случае эффективность от внедрения высокопрочного бетона будет обеспечена при использовании несплошного сечения или

ВЕСТНИК

_2/20ГТ_МГСУ

составных колонн. Большие преимущества в данном случае имеют колонны кольцевого сечения. При внешнем диаметре до 1м высота стойки может достигать 15.6м.

В силосных корпусах диаметром 18м используются колонны прямоугольного сечения размером 1.6x1.4м. Применяя бетон прочностью до 90МПа можно существенно сократить расход материала при внедрении конструкции составного сечения из пакета колонн сечением, например 400x400мм, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. По аналогии с металлическими сквозными колоннами железобетонные колонны связанны между собой по определенным уровням металлическими планками, что обеспечивает соблюдение требований по достаточной гибкости. При этом короткие колонны можно выполнять чисто бетонными.

Сравнительный анализ показал, что при применении высокопрочного бетона в стойках силосов можно добиться эффекта снижения расхода бетона на 30% и металла - на 44%. В центрифугированных колоннах кольцевого сечения расход бетона можно уменьшить на 50 - 60% и расход стали на 40%.

Проведенный анализ позволил определить границы рациональной области применения высокопрочного бетона в сборных железобетонных конструкциях зданий и сооружений, в которой достигается максимальный эффект. При этом выявлены направления совершенствования существующих сборных конструкций и конструктивных решений зданий. Повышение прочности бетона дает возможность существенно сократить номенклатуру сборных элементов для многоэтажных и одноэтажных зданий гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения.

Литература

1. Кодыш Э.Н., Трекин H.H., Никитин И.К. Проектирование многоэтажных зданий с железобетонным каркасом. - Издательство АСВ, Москва, 2009г.346с.

References

1. Kodysh E.N, Nikitin I.K., Trekin N.N. Designing of multistoried buildings with reinforced concrete frame. - Publishing house ASV, Moscow, 2009.346p.

Ключевые слова: многоэтажные здания, высокопрочный бетон, железобетонные конструкции, плиты перекрытия, плиты покрытия, инженерные конструкции, колонны, экономия материалов

Keywords: multistoried buildings, high-strength concrete, reinforced concrete designs, floor slab, roof slab, engineering designs, columns, economy of materials

E-mail: otks@narod.ru

Рецензент: Андрианов A.A. канд. техн. наук, с.н.с. лаборатории проблем прочности и качества в строительстве Учреждения Научно-исследовательский институт строительной физики

РААСН.