К вопросу о применении высокопрочного бетона в сжатых элементах высотных зданий

К вопросу о применении высокопрочного бетона в сжатых элементах

высотных зданий

А.В. Федоров, В.Н. Аксенов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В данной статье на примере 20-этажного жилого здания в городе Ростове-на-Дону продемонстрирована эффективность применения высокопрочных бетонов для проектирования железобетонных колонн. Представлены результаты расчета колонн из бетона разных классов прочности. Представлены колонны в двух вариациях. Первый: 600х600 мм В25 - со второго подземного по десятый этаж, 500х500 мм В25 - с одиннадцатого по двадцатый этаж; второй вариант: 500х500 мм В60 - со второго подземного по седьмой этаж, 400х400 мм В 60 - с восьмого по одиннадцатый, 400х400 мм В25 - с двенадцатого по двадцатый. Анализ результатов исследования показал технико-экономическую эффективность применения бетонов высоких классов прочности (в частности, бетона класса В60) за счет повышения прочностных характеристик сжатых элементов, уменьшения размеров поперечного сечения и веса колонн, экономии арматуры, обусловливающих сокращения стоимости элементов в целом. Ключевые слова: высокопрочный бетон, сжатые элементы, строительство высотных зданий, колонна, Лира-САПР, расчёт конструкций.

Бетон является одним из основных материалов, применяемых в строительстве. Предпосылками столь широкого использования бетонов во всех отраслях строительства стали следующие факторы: огромные запасы сырья для производства вяжущих и заполнителей бетона (учитывая также возможность использования для этих целей отходов промышленных производств), конструктивная совместимость с различными строительными, отделочными материалами, возможность регулирования строительно-технических свойств бетонов при помощи модификаторов, придания железобетонным конструкциям необходимых эксплуатационных и архитектурных свойств. И все это при сравнительной простоте технологии, что также является ее преимуществом [1, с. 6].

Ввиду широкой распространенности и неоспоримых достоинств этого строительного материала, актуальна теоретическая и практическая работа в направлении его совершенствования, а также снижения трудовых и материальных затрат при строительстве. Одно из наиболее актуальных

направлений развития строительного производства - использование высокопрочного бетона в качестве основного строительного материала для конструкций. Экономически наиболее целесообразно использовать бетоны высоких классов прочности, прежде всего, в конструкциях, работающих на сжатие (таковы, к примеру, железобетонные колонны). Отметим, что в общем объеме строительных конструкций доля сжатых железобетонных элементов составляет почти четверть [2]. Максимальный класс бетона, предусмотренный в России (согласно Своду правил СП 63.13330.2012) -В100.

Авторы, работавшие над данной проблематикой, указывают, что применение бетонов высоких классов, в свою очередь, значительно увеличивает прочностные характеристики сжатых элементов. Кроме того, благодаря им возможно значительно уменьшить размеры сечения и вес таких конструкций, а также количество используемой арматуры, снизив, тем самым, общие затраты на строительство [3-7].

Экономическая эффективность применения высокопрочных бетонов оценивается на примере расчета многоэтажного жилого дома в г. Ростове-на-Дону на улице Горького (рис. 1). Для выполнения расчета использовался программный комплекс ЛИРА-САПР 2013. Расчётная схема включает в себя все железобетонные конструкции здания, размеры конечных элементов приняты оптимальными для схемы данных размеров [8, 9]. При описании работы конструкций из высокопрочного бетона использовались данные [10, 11].

В высотных зданиях, возводимых из монолитного железобетона, наиболее армированные конструкции - это колонны первых этажей. В этой связи в данной работе авторы фокусируются на анализе эффективности данных конструкций, что важно для определения критериев эффективного применения бетонов высокого класса прочности в строительстве в целом.

Расчет армирования выполнен в соответствии с требованиями Свода правил СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003».

Рис.1. Расчетная модель 20-этажного жилого здания

Учтены все эксплуатационные нагрузки и воздействия на здание: постоянные нагрузки от собственного веса каркаса; вес ограждающих конструкций, полов и т. п.; полезные нагрузки на перекрытиях; снеговая нагрузка на покрытии; ветровое воздействие как сумма статической и динамической составляющих.

В целях данного исследования проанализировано армирование всех колонн. Однако для наглядности и компактности представления результатов на рисунках 2, 3 показано армирование колонн только по оси «А».

:

Площадь полной арматуры AU1AU2 AU3 AU4 ASI ASI А53 AS4. Симметричное армирование. Максимум 1<¡2_3Í в элементе 2Ó575.

Рис. 2. Армирование колонн по оси А. Сечение 600х600 мм (со второго подземного по десятый этаж) и 500х500 мм (с одиннадцатого по двадцатый этаж), бетон В25.

....................

0.2 1.06 13.5 26. S 40 53.3 666 79.9 93.1 107

Вариант конструнрования:Вариант 1 Расчгт по РСУ: СНнП_ 1 (СП 53.13330.2012) Единицы измерения - см2 Шаг. Диаметр - мм 66.3 ^к 63 ^к

59.7 ^к

564 ^к

53.1 ^к

49.3 лк.

46.5 лк.

43.2 ^к

39.9 .ik 1

366 ^к 1 1 1 1 1

33.3 ^к

30 ^к

26.7 ^к 1

23.4 ^к 1 1 1 1

20.1 ^к

16.3 ^к

13.5 ^к 1 1

102 ^к 1 1

69 ^к 1 1 1 1

3.6 ^к 1 1 1

0 ^к 1 1 1 1 1 1

-3..5 -6.5 ^к 1 1 II II 1 ! 1 II 1 II 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

z и (V) ( 5 )б Г 7 }9 С")< 1©©Э ©

Площадь полной арматуры AU1 AU2 AU3 AU4 ASI AS2 AS3 AS4 . Симметричное армирование Максимум 106.42 в здвмгнте 26575.

Рис. 3. Армирование колонн по оси А. Сечение 500х500 мм, бетон В60

Итак, первоначально для расчета колонны были запроектированы в следующем виде (вариант 1): сечение колонн первых этажей 600х600 мм - со второго подземного по десятый этаж; 500х500 мм - с одиннадцатого по двадцатый этаж. Для всех конструкций: класс бетона В25, класс рабочей арматуры А500. Суммарная площадь армирования сечения колонн (сумма площадей всей арматуры в углах и у граней колонн) представлена на рисунке 2.

Затем схема была рассчитана с учетом оптимального применения высокопрочного бетона В60 (вариант 2). Это позволило уменьшить сечение колонн, что наглядно показывает эффективность применения высокопрочных бетонов. Результаты данного расчета и границы применения бетонов разных классов приведены на рис. 3.

В таблице №1 представлены результаты анализа суммарного расхода бетона и арматуры на строительство колонн. Стоимость бетона и арматуры рассчитана по данным заводов-изготовителей [12, 13].

Таблица №1

Экономия стоимости материалов за счет применения высокопрочного бетона

Вариант расчета Масса арматуры, кг Цена 1 тонны арматуры А500, руб. Объем бетона, 3 м Цена 1 м3 бетона, руб. Суммарная стоимость материалов, тыс. руб. Экономия на стоимости материалов, %

1 31139,4 38 000 541,9 3900 (В25) 3296,7 -

2 20546,81 38 000 114,1 3900 (В25) 2747,8 16,6

230,1 6619

Замена бетона класса В25 на бетон класса В60 позволила достичь экономического эффекта, связанного с экономией путем уменьшения размеров поперечного сечения колонн и снижения расхода арматуры. Уменьшение размеров поперечного сечения колонн с 600х600 мм до 400х400 мм и замена бетона В25 на высокопрочный В60 позволила на 16,6 % снизить

затраты на материалы для изготовления колонн и увеличить полезную площадь здания. Таким образом, можно сделать вывод об экономической целесообразности использования бетона высокого класса прочности (в частности, В60) в колоннах высотных зданий, подтвержденной материалами исследования.

Литература

1. Шевченко В.А. Технология и применение специальных бетонов. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. 202 с.

2. Аксенов В.Н., Маилян Д.Р., Мкртчян А.М. Железобетонные колонны из высокопрочного бетона: монография. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012. 167 с.

3. Аксенов В.Н., Маилян Д.Р. Работа железобетонных колонн из высокопрочного бетона // Бетон и железобетон. 2008. № 6. С. 5-8.

4. Мкртчян А.М., Аксенов В.Н. Отличия расчета колонн из высокопрочного бетона по нормам // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2131.3.

5. Маилян Д.Р., Несветаев Г.В., Халезин С.В., Горцевской А.А. Деформационные свойства и параметрические точки бетонов каркасной структуры // Инженерный вестник Дона, 2018, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4941.

6. Mailyan D., Aksenov V., Aksenov N. Energy-Efficient Reinforced Concrete Columns Made of Concrete, Grade B90...B140 // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018, Vol. 692, pp. 536-543 (doi.org/10.1007/978-3-319-70987-1).

7. Wisena Perceka, Wen-Cheng Liao, Yo-de Wang. High Strength Concrete Columns under Axial Compression Load: Hybrid Confinement Efficiency of High Strength Transverse Reinforcement and Steel Fibers // Materials (Basel). 2016, Vol. 264 (doi: 10.3390/ma9040264).

8. Аксенов Н.Б., Задорожная А.В. Исследование влияния параметров триангуляции в среде ПК САПФИР на результаты расчёта // Инженерный вестник Дона, 2017, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4077.

9. Аксенов Н.Б., Акопян С.А. Анализ влияния параметров сетки конечных элементов на результаты подбора продольной арматуры в монолитном безбалочном перекрытии // Инженерный вестник Дона, 2017, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4038.

10. Мкртчян А.М., Аксенов В.Н., Маилян Д.Р., Блягоз А.М., Сморгунова М.В. Особенности конструктивных свойств высокопрочных бетонов // Новые технологии. 2013. № 3. С. 135-143.

11. Мкртчян А.М., Аксенов В.Н. Аналитическое описание диаграммы деформирования высокопрочных бетонов // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1818.

12. Атлант Бетон. Изготовление бетонных смесей URL: atlantbeton.ru/ (дата обращения: 15.03.2018).

13. Метал-Дон - комплекс строительных заводов URL: metall-don.ru// (дата обращения: 15.03.2018).

References

1. Shevchenko V.A. Tekhnologiya i primenenie special'nyh betonov [Technology and application of special concretes]. Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2012. 202 p.

2. Aksenov V.N., Mailyan D.R., Mkrtchyan A.M. Zhelezobetonnye kolonny iz vysokoprochnogo betona: monografiya [Reinforced concrete columns made of high-strength concrete: monograph]. Rostov-on-Don: RGSU, 2012. 167 p.

3. Aksenov V.N., Mailyan D.R. Beton i zhelezobeton. 2008, № 6, pp. 5-8.

4. Mkrtchyan A.M., Aksenov V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2131.3.

5. Mailyan D.R., Nesvetaev G.V., Halezin S.V., Gorcevskoj A.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4941.

6. Mailyan D., Aksenov V., Aksenov N. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018, Vol. 692, pр. 536-543 (doi.org/10.1007/978-3-319-70987-1).

7. Wisena Perceka, Wen-Cheng Liao, Yo-de Wang. Materials (Basel). 2016, Vol. 264 (doi: 10.3390/ma9040264).

8. Aksenov N.B., Zadorozhnaya A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4077.

9. Aksenov N.B., Akopyan S.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4038.

10. Mkrtchyan A.M., Aksenov V.N., Mailyan D.R., Blyagoz A.M., Smorgunova M.V. Novye tekhnologii, 2013, № 3, pp. 135-143.

11. Mkrtchyan A.M., Aksenov V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1818.

12. Atlant Beton. Izgotovlenie betonnyh smesej [Atlant Beton. Production of concrete mixtures]. URL: atlantbeton.ru/.

13. Metal-Don - kompleks stroitel'nyh zavodov [Metal-Don - complex of construction plants]. URL: metall-don.ru//.