О ресурсоэнергосбережении при использовании инновационных технологий в конструктивных системах зданий в процессе их создания и возведения

О РЕСУРСОЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМАХ ЗДАНИЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ СОЗДАНИЯ И

ВОЗВЕДЕНИЯ

RESOURCE-ENERGY-ECONOMY BY INNOVATION TECHNOLOGIES OF BUILDING STRUCTURAL SYSTEMS IN THE PROCESS OF MANUFACTURING AND RAISING

B.H. Ярмаковский, A.C. Семченков, M.M. Козелков, Д.А. Шевцов

V.N. Yarmakovsky, A.S. Semchenkov, M.M. Kozelkov, D.A. Shevtsov

НИИСФ PAACH

Приводятся и обосновываются результатами соответствующих исследований и специальными расчетами основные пути энергоресурсосбережения при создании и возведении конструктивных систем зданий с использованием инновационных технологий

There are the main ways of resource-energy-economy achievement in the process of creation and raising of building structural systems by innovation technologies. These ways are based on the results of the corresponding investigations and special calculations

Анализ данных отечественных и зарубежных исследований в области поиска эффективных путей ресурсоэнергосбережения при создании и возведении конструктивных систем зданий показывает явную целесообразность и перспективность:

- развития производства по инновационным низкоэнергоемким и экологически чистым технологиям альтернативных традиционным строительных материалов на основе крупнотоннажных вторичных продуктов промышленности (ВПП); поскольку основным строительным материалом конструкционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения являются в настоящее время и остаются на обозримую перспективу бетоны, то развивать следует производство низкоэнергоемких материалов, альтернативных основным компонентам этих бетонов, т.е. альтернативных традиционным цементам и заполнителям на основе природных сырьевых ресурсов;

- развития индустрии легких бетонов, причем не только конструкционно-теплоизоляционного (KT), но и конструкционного (К) назначения, в т.ч. высокопрочных легких бетонов; это обусловлено тем, что в них, во-первых, наиболее эффективно применение продуктов переработки ВПП, в во-вторых, использование таких бетонов КТ-назначения позволяет снизить энергоемкость 1 м2 наружной стены здания, а К-назначения (взамен равнопрочных тяжелых бетонов) - снизить и энергозатраты на изготовление и возведение конструктивной системы здания и сэкономить природные сырьевые ресурсы, тем самым способствуя решению экологической проблемы охраны окружающей среды;

- совершенствования конструктивных систем зданий в направлении снижения их, в первую очередь, металлоемкости; металл - один из самых энергоемких (после пла-

ВЕСТНИК 3/2011

стмасс и алюминия) материалов в строительстве - расход энергозатрат на производство 1 т металла в среднем 2000 кг у.т.

Вышеизложенное подтверждают приведенные ниже результаты соответствующих целенаправленных исследований последних 10 лет и успешный опыт внедрения их в строительных комплексах индустриальных регионов страны.

Альтернативные традиционным низкоэнергоемкие строительные материалы, бетоны

Так, применение в легких и ячеистых бетонах стеновых и теплоизоляционных изделий низкоэнергоемких (85-150 кг у. т. на 1 т вяжущего) композиционных малоклинкерных вяжущих (расход клинкера - 10- 40% от массы вяжущего), изготавливаемых на основе химически взаимосочетаемых продуктов переработки металлургии и тепловой энергетики взамен традиционных цементов (260-300 кг у. т. на 1 т), позволяет сократить энергозатраты на производство этих бетонов на 30-45%.

Применение в ограждающих конструкциях зданий стеновых изделий из безавтоклавных высокодолговечных и надежных в эксплуатации особо легких поризованных бетонов новых модификаций марок по плотности Б250-Б350 (в частности, модифицированного полистиролбетона, бетона на пористых заполнителях из вулканических горных пород) взамен изготавливаемых по импортным технологиям существенно менее теплотехнически эффективных и недостаточно надежных в эксплуатации для климатических условий северных, северо-восточных регионов и Дальнего Востока стеновых изделий из газосиликата, газобетона (особенно, из газозолобетона) автоклавного твердения позволяет снизить энергоемкость 1 м2 наружной стены минимум на 25-35 %.

Применение в наружных стенах, возводимых с теплотехнически эффективной несъемной опалубкой, монолитных теплоизоляционных особо легких бетонов марок по плотности соответственно Б150-Б250 (в частности, монолитного полистиролбетона) взамен кладки из легкобетонных блоков, подвергаемых тепловлажностной обработке (пропариванию), или ячеистобетонных блоков, подвергаемых пропариванию или более того - тепловой обработке в автоклавах под давлением, позволяет снизить энергозатраты на 1 м2 возводимой стены соответственно на 25-40%.

Применение в бетонах несущих конструкций пористых заполнителей, изготовляемых по современным низкоэнергоемким технологиям на основе продуктов переработки шлаков текущего выхода металлургии и топливной энергетики (в частности, остеклованного пористого гравия из шлаков доменного и ферросплавного производства, а также безобжигового зольного гравия с энергозатратами (Э) не более 10 кг у.т. на 1м3 заполнителя взамен природного плотного заполнителя (Э - до 30 кг у.т. на 1м3) или взамен керамзитового гравия (Э - до 90 кг у.т. на 1м3 ) позволяет при равной прочности этих бетонов снизить энергозатраты на их производство соответственно от 12 до 35 %. При этом одновременно решаются вопросы охраны окружающей среды. Конструктивная система здания из сборного железобетона При выполнении всех вертикальных (колонны, несущие стены, устои) и горизонтальных (ригели, диски перекрытий) элементов сборного варианта конструктивной системы (КС) здания из легких, в т.ч. высокопрочных, бетонов классов по прочности на сжатие В15-В50, марок по средней плотности Б1200-Б1850 взамен равнопрочного тяжелого бетона на природных плотных заполнителях масса КС здания снижается до 30%. Это позволяет сократить расход высокоэнергоемкой стальной арматуры и, соответственно, энергозатрат на производство:

- в горизонтальных элементах на 10-15 %, что при расходе арматурной стали в них 50-80 кг на 1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат, соответственно, на 13-20 кг на 1 м3 железобетона;

- в колоннах - на 15-20 %, что при расходе стальной арматуры 250-300 кг на 1м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат, соответственно, 85-110 кг на 1м3 железобетона;

- в фундаментах - на 15-20 %, что при расходе стальной арматуры 40-100 кг на 1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат, соответственно, 15-35 кг на 1 м3 железобетона.

Изготовление на «длинных» ^ = 100 м) стендах методом безопалубочного формования предварительно напряженных элементов КС здания (прежде всего, многопустотных перекрытий) с использованием стабилизированных высокопрочных арматурных канатов и высокопрочной проволоки Вр-2 позволяет сократить в 1,5-2 раза расход высокоэнергоемкой стальной арматуры за счет отказа от стержневой напрягаемой арматуры и исключения в плитах арматурных сеток, каркасов и монтажных петель.

Применение метода безопалубочного формования элементов КС здания на «длинных» стендах позволяет отказаться от арматурных цехов с дорогостоящим оборудованием и с высокоэнергозатратными технологическими процессами изготовления в них сварных арматурных изделий (сеток и каркасов).

Значительный резерв в снижении металлоемкости конструктивной системы здания, а, следовательно, и энергозатрат на изготовление ее элементов и монтаж, может быть реализован за счет совершенствования конструкций стыков элементов сборно-омоноличенного каркаса, а именно:

- стыков колонны с колоннами;

- стыков внутренних стен с колоннами в составных устоях;

- ригелей с колоннами.

Это положение подтверждают результаты соответствующей НИР по совершенствованию сборно-омоноличенного каркаса «Экспериментальная архитектурная строительная система» «ЭАСС «КАСКАД» 16-этажного здания, выполненной НИИСФ (авторским коллективом данной статьи) по заказу Томского домостроительного комбината*.

Совершенствование конструкции стыков осуществлялось за счет:

- уточнения методики расчета стыков;

- изменения конструкции стыков на основании результатов проведенных их испытаний и результатов изменения технологии монтажа КС (в частности, использования подкосов и одиночных кондукторов).

Результаты совершенствования стыков вышеназванных элементов каркаса, отраженные в табл. 1, выразились в том, что определилась возможность снижения металлоемкости стыков на 30,0-54 % (в зависимости от типа стыка и его исходной и усовершенствованной конструкции).

В целом количество сэкономленного металла (ненапрягаемой стальной арматуры А500ПС и листовой стали С345 для закладных деталей) в стыках составляет в расчете на все вышеуказанные основные элементы сборно-омоноличенного каркаса «ЭАСС «КАРКАС» 16-этажного здания 91,84 тонны. Соответственно, снижение энергозатрат (ДЭК) на возведение (монтаж) такого каркаса за счет сокращения его металлоемкости (ДМ) составляют:

ДЭК = ДМ х ДЭМ = 178 т. у.т., где ДЭМ - средневзвешенный показатель удельных энергозатрат (тонн усл. топлива) на производство 1 тонны ненапрягаемой стальной арматуры А500СП и листовой стали С345.

* Авторы выражают благодарность руководству и специалистам Томского ДСК, а также кафедре железобетонных конструкций Томского ГАСУ за помощь в выполнении данной работы.

Таблица 1

Расход металла* на устройство стыков несущих конструкций сборно-омоноличенного каркаса «ЭАСС «КАСКАД» 16-этажного здания_

Расход металла на 1 стык, кг Кол-во Кол-во сты- Кол-во сэко-

Исходная кон- Усовершенство- Разница**, элементов ков в зда- номленного

Тип стыка струкция сты- ванная конструк- кг/% каркаса на нии *****, металла в

ка по проекту ция стыка этаже, шт. шт. стыках, тонн

Стык колонны с 125-(150)*** 40-75**** 65 Колонна 170 11,0

колонной (винтовой) 52,0 34

Стык ригеля с ко- 150 90-120**** 45 Ригель 1056 47,5

лонной (чапельный) 30,0 33

Стык стены с ко- 37 17 20 Стена 1536 30,7

лонной (сварной) 54,0 16

В среднем: 45,3 % Итого: 89,2

* Расход ненапрягаемой стальной арматуры А500СП и листовой стали С345 для закладных деталей на устройство стыка

** Разница между величиной расхода металла на стык при исходной его конструкции по проекту и средней величиной этого параметра при усовершенствованной его конструкции

*** Значение в скобках относится к стыку Белорусского каркаса марки Б1.020.1-87

**** Интервал принят в зависимости от разновидности и конструкции стыка

***** Стыки колонн с колоннами устраиваются через 3 этажа, стыки колонн с ригелями (по 2 стыка на каждый ригель) - на каждом этаже, стыки колонн с внутренними стенами (по 6 стыков на каждую стену) - на каждом этаже

К вышеизложенному следует добавить установленную при проведении данной НИР возможность экономии до 2 раз объема сварных швов в стыках несущих конструкций и соответствующее снижение энергозатрат на их устройство.

Конструктивная система здания из монолитного железобетона

Для определения эффекта замены тяжелого бетона на природных плотных заполнителях на равнопрочный легкий бетон на пористых заполнителях в конструктивной системе здания (в частности, определения возможности снижения расхода арматурной стали в элементах монолитного железобетонного каркаса здания в количественном выражении) были выполнены соответствующие расчёты КС 14-этажного здания. Шаг колонн вдоль буквенных, а также цифровых осей составил 6, 6, 9, 6, 6 м. Таким образом, соблюдается симметрия относительно осей абсцисс и ординат. Колонны - размером в плане 500x500 мм. В центре здания в ячейке 9x9 м расположено ядро жёсткости. Внутренние стены (диафрагмы жесткости) - толщиной 200 мм, перекрытия - толщиной 250 мм. В опорной зоне колонн выполнены капители толщиной 400 мм (включая толщину плиты перекрытия). Размер капителей в плане 2000x2000 мм.

Армирование стен выполнялось стержневой арматурой класса А500СП 016 шаг 200. Данное армирование принято с целью гарантированного выполнения требований по 1-й и 2-й группам предельных состояний. Армирование колонн выполнялось 8032 А500СП. Армирование перекрытий выполнялось верхней и нижней сетками из арматуры класса А500СП 016 шаг 200 в обоих направлениях. Капители армировались сетками из арматуры класса А500С 016 шаг 200 в обоих направлениях.

Нагрузки на перекрытие задавались по аналогии с таковыми в подобных проектах жилых зданий. Равномерно распределённая нагрузка на перекрытие без учёта собственного веса перекрытия составляет 400 кг/м2. Ветровая нагрузка в данной модели не учитывалась.

Закрепление нижних узлов колонн и стен выполнялось по осям X, У, 2, а также вокруг осей их, ЦУ, и2, то есть моделировалось жёсткое закрепление для исключения влияния оснований и фундаментов на результаты расчёта.

Особые воздействия в расчёте не учитывались.

Комплекс статических расчетов выполнялся с использованием программного комплекса "ЛИРА" версии 9.4. Общее число конечных элементов (КЭ) составило 16198. Шаг разбиения плит перекрытий на конечные элементы принят 1000x1000 мм. Стены и колонны разбивались на конечные элементы с шагом этажа, равным 3000 мм. Элементы перекрытий и стен моделировались прямоугольными КЭ оболочки № 441 с учетом физической и геометрической нелинейности. Элементы колонн моделировались универсальными пространственными стержневыми КЭ № 410 с учетом физической и геометрической нелинейности.

Моделирование КЭ в нелинейной задаче задавалось путём введения диаграмм деформирования для тяжелого бетона и арматуры на основании данных СП 52-101-2003. Для тяжелого бетона принималась трёхлинейная диаграмма состояния, для арматуры -двухлинейная. Для легкого бетона принималась трехлинейная диаграмма состояния, принятая по данным Бигосоёе-2 Глава 11. В модели здания для материалов применялся кусочно-линейный закон деформирования № 14.

Расчёт выполнен с использованием тяжёлого бетона классов В25и В50, керамзи-тобетона класса В25 плотностью в сухом состоянии 1800 кг/м3, примененного в вертикальных несущих конструкциях, а также керамзитобетона класса В50 плотностью 1850 кг/м3 для вертикальных несущих конструкций. При расчете модели здания из

ВЕСТНИК 3/2011

легкого бетона для перекрытий применялся керамзитобетон класса В25 плотностью 1600 кг/м3. Всего рассчитывалось 4 модели.

Ниже в таблицах приведены результаты расчёта 4-х моделей зданий с различными бетонами.

В результате проведенных расчётов установлено, что применение легких бетонов взамен равнопрочных тяжелых приводит к уменьшению вертикальных усилий в колоннах на величину от 16 до 24%, а в стенах ядра жесткости - на 20-23% (см. табл. 2 и 3). При пересчете армирования колонн на данные усилия получены результаты, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Усилия в наиболее нагруженных колоннах первого этажа здания_

Материал N, т Mz, т*м My, т*м Армирование

Бетон тяжелый В25 547,6 7,2 7,5 8032

Бетон тяжелый В50 589 8,4 8,5 8016

Бетон легкий В25 460 5,9 6 8028

Бетон легкий В50 476 5,6 5,7 8014

Условные обозначения: N - вертикальные усилия, М2 и Му- изгибающие моменты по осям, соответственно, Ъ и У.

Усилия в стенах ядра жёсткости здания

Таблица 3

Материал N, т*м.пог

Бетон тяжелый В25 118

Бетон тяжелый В50 116

Бетон легкий В25 92

Бетон легкий В50 92,5

Анализ данных табл. 2 показывает, что при замене в колоннах тяжелого бетона классов по прочности на сжатие В25 и В50 равнопрочным керамзитобетоном марок по плотности, соответственно, D1800 и D1850 при выполнении перекрытий из ке-рамзитобетона того же класса (В25), что и тяжелого бетона, при марке по плотности керамзитобетона D1600 имеется возможность снижения расхода арматуры практически на одну величину - около 25%, и соответствующего сокращения энергозатрат. Более существенное снижение расхода арматуры в сравнении с уменьшением величины вертикальных усилий в колоннах (17-19 %) можно объяснить одновременным уменьшением величины изгибающих моментов (Mz и My) при замене тяжелого бетона равнопрочным легким. Как видно из табл.3, подобная замена вида бетона приводит к уменьшению вертикальных усилий и в стенах ядра жесткости здания (в среднем на 23%) и соответствующему снижению энергозатрат на их производство.

Ключевые слова: ресурсы, энергосбережение, конструктивные системы зданий, инновационные технологии, металлы, стальная арматура

Key words: resources, energy-economy, structural systems, innovation technologies, metals, steel reinforcement

e-mail-aemopoe: varmakovsky@yandex.ru, vy-lac@yandex.ru, al-semchenkov@mail.ru

centr22@mail.ru, satko-3t@yandex.ru