Возведение каркасных зданий с несущими конструкциями из трубобетонных элементов

ВОЗВЕДЕНИЕ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ С НЕСУЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ИЗ ТРУБОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

А.В. Курочкин

МГСУ

В данной статье на основе теоретического исследования строительно-технологических свойств трубобетонных элементов, предложены мероприятия по обеспечению совместной работы 2-х композиционных материалов: бетонного ядра и стальной оболочки. Показан эффект применения трубобетонных конструкций на примере модулъно опорно-стержневой системы. Рассмотрен метод напорного бетонирования позволяющий повысить качество укладки бетона в тело конструкции.

This paper based on theoretical studies of building and technological properties of concrete-filled steel tubes summarizes the measures securing the combined action of two composite materials, i.e. a concrete core and steel shell. The effect of application of concrete-filled steel tubes is illustrated by the example of module framing and supporting system. Further, the paper describes the pressure concreting method to improve the quality of concrete placement in the structure.

В наши дни, благодаря высоким строительно-технологическим и конструктивным характеристикам, а также технико-экономическим показателям, трубобетонные элементы можно встретить в мостостроении, метрострое, строительстве промышленных и гражданских зданий. В сравнении с такими странами как США, Германия, Япония, КНР эти конструкции наименее распространены в нашей стране и наиболее широко используются в КНР с 1960-х годов. На основе многолетних экспериментально-теоретических исследований и опыта строительства, в КНР создана широкая нормативная база по проектированию и возведению трубобетонных конструкций. В период с 1991-2001 гг. были построены более 30-и высотных зданий и 120-и мостов с несущими конструкциями из трубобетонных элементов.

Результативностью применения трубобетонных элементов, является высокая несущая способность при сравнительно малых поперечных сечениях, за счет совместной работы двух композиционных материалов. Бетон, заключенный внутри стальной оболочки, работает в условиях объемного сжатия, что увеличивает его прочность на 50...80% [5].

Сжатые трубобетонные элементы, даже имеющие ядро из высокопрочного бетона, отличаются пластичным характером работы в предельном состоянии, что исключает опасность внезапного разрушения, как отдельной конструкции, так и всего здания в целом. Характер разрушения сжатых трубобетонных элементов и их деформирования при различных нагружениях (рис. 1) показывает, что бетонное ядро, находящееся в обойме не разрушается, а, находясь в стадии пластического течения, повторяет форму деформированной оболочки. В диапазоне исследованных нагрузок, трубобетонные элементы не требуют внутреннего или дополнительного армирования, вследствие того, что металлическая труба является коаксиальным армированием.

а) 6)

Рис. /. Характер разрушения трубобетонных элементов при осевом (а) и вкщентреннаи (б) сжатии

При возведении каркаса здания из трубобетонных колонн, сокращается количество технологических операций связанных с демонтажем опалубки колонн и установкой или вязкой арматурного каркаса, по той причине, что смонтированная в проектное положение металлическая труба одновременно является и опалубкой и армированием колонны. Отсутствие этих операций способствует сокращению сроков возведения каркаса здания и трудозатрат. Учитывая то, что трубобетонные колонны обладают более высокой несущей способностью по сравнению с традиционными железобетонными, то их поперечные сечения значительно меньше, при условии сохранения одинаковой несущей способности. Следовательно, снижается вес самого каркаса и здания в целом, улучшается его планировочное решение, снижаются затраты на бетон и бетонные работы.

Существующие узлы сочетания колонн из трубобетонных элементов с перекрытиями, решены таким образом, что касательные напряжения, возникающие от последних, передаются непосредственно на стенку металлической трубы, следовательно, возникает вопрос об их передаче на бетонное ядро, так как в противном случае возможен отрыв металлической оболочки от бетонного ядра вследствие малой адгезии трубы с бетоном из-за неравности коэффициентов Пуассона ~ 0,3 , уь « 0,2) и избыточной поперечной силы от перекрытия. Во избежание этого необходимо включать бетонное ядро в работу, однако по данным [1] в сталебетонных конструкциях совместная работа стальной оболочки и бетонного ядра гарантирована вплоть до разрушения. Для повышения несущей способности и надежности конструкции, следует организовывать дополнительные мероприятия по обеспечению совместной работы двух композиционных материалов. Если обратиться к опыту КНР, то это осуществляется путем приварки внутри металлической трубы на уровне верхней полки консолей, металлической кольцевой диафрагмы [5]. Также, для осуществления этой задачи, в зоне опирания перекрытия в металлической трубе, по предложению автора, целесообразно устроить внутренние металлические анкеры, а для повышения адгезионных характеристик всей трубобетонной конструкции, их целесообразно разместить на всей поверхности трубы. Установлено, что характер сцепления с использованием анкерных систем в зоне передачи нагрузки от междуэтажного перекрытия, может быть представлен на рис.2, где показано, что совместная работа оболочки и ядра, достигаемая за счет применения анкеров, снижает до минимума касательные напряжения.

Рис.2. Характер сцепления бетонного ядра с металлической оболочкой при устройстве внутренних анкеров.

1 - металлическая труба;

2 - внутренние анкеры;

3 - междуэтажное ж/б перекрытие; Р - нагрузка от междуэтажного перекрытия; т - касательные напряжения.

Эффект использования трубобетонных конструкций может быть проиллюстрирован на примере модульно опорно-стержневой системы, когда пустотелые металлические колонны заполняются бетонной смесью. Благодаря чему повышаются несущие характеристики каркаса, и появляется возможность увеличить этажность здания или уменьшить поперечное сечение колонн. Модульно опорно-стержневая система представляет собой рамный каркас, работающий как пространственная система с балочным перекрытием из стальных балок расположенные под углом 60 градусов, образующие ячейки из равносторонних треугольников, фрагмент такой системы представлен на рис. 3.

Рис. 3 Фрагмент модульно опорно-стержневой системы. 1 - трубобетонная колонна; 2 - металлические балки

В расчетном комплексе «Лира 9.6» автором был произведен расчет 2-х моделей на примере жилого дома с модульной опорно-стержневой системой. В первой модели в качестве вертикальных несущих элементов принимались существующие пустотелые металлические трубы диаметром 0=273мм с толщиной стенки tст = 15мм , а во второй из металлических труб аналогичных параметров, но оснащенные внутренними анкерами и заполненные бетоном класса В40. В этом случае в качестве расчетного

элемента задавался универсальный пространственный стержневой конечный элемент, жесткостные параметры которого, принимались равные сумме параметров металлической трубы и бетонного ядра. Далее определялось напряженно-деформированное состояние и при помощи методики [4] проверялась несущая способность конструкции. Результаты расчета показали, что замена вертикальных элементов из пустотелых металлических труб на трубобетонные с включением бетонного ядра в работу при помощи внутренних анкеров, позволяет увеличить этажность здания в 1,7-1,8 раз.

Рис.4 Разрез 1-1 (крепление балок к консолям).

1 - трубобетонная колонна;

2 - цилиндрическая вставка;

3 - металлический лист;

4 - спаренные швеллеры;

5 - болтовое соединение;

6 - фланец колонны вышележащего этажа.

Рис.5. Схема напорного бетонирования конструкций здания с колонной из тру-бобетона на 2 этажа.

1 - металлическая труба;

2 - опорное кольцо «хо-

мут»;

3 - внутренние анкеры;

4 - междуэтажное ж/б перекрытие; 5 - арматура перекрытия; 6 - бетонораспре-

делительная стрела; 7 - фанерная палуба; 8 -балочная система; 9 - телескопические стойки; 10 - бетононасос; 11 - трубопровод; 12 - отверстие для регистрации заполнения трубы бетоном

Для повышения качества бетонирования и уплотнения бетона, его укладку в тело конструкции целесообразно производить методом напорного бетонирования на полную высоту конструкции. Подача бетонной смеси в тело металлической трубы осуществляется снизу вверх (рис. 5) с использованием бетононасоса и системы бетоноводов. По мере движения бетонной смеси, происходит ее самоуплотнение и заполнение до проектной отметки. Подбор требуемого бетононасоса производится с учетом распределения давления по высоте бетонируемого элемента. Одним из преимуществ использования трубобетонных элементов при такой технологии бетонных работ, является возможность совмещения процессов бетонирования вертикальных и горизонтальных конструкций, особенно при многоярусной системе колонн, что приводит к увеличению темпов строительства за счет сокращения цикличности технологических операций.

Следует отметить, что трубобетонные элементы технологичны и эффективны в качестве вертикальных несущих конструкций каркаса. Их применение приводит к увеличению темпов строительства, снижению трудозатрат, повышению прочности, надежности и устойчивости зданий и сооружений.

Литература:

1. Алмазов В.О., Амирасланов ЗА. Методы решения проблем сцепления между бетонным ядром и стальной оболочки // Бурение & нефть. - 2009. №2, с. 16-20.

2. Кикин А.И., Саржановский P.C., Трулль В.А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. М., Стройиздат, 1974. с. 144;

3. Кришан А.Л., Гареев М.Ш., Сагадатов А.И. Предварительно обжатые трубобетонные элементы кольцевого сечения // Бетон и железобетон. 2008. №4, с. 7-11;

4. Стороженко Л.И., Семко A.B. Сравнение методик расчета трубобетонных конструкций // Коммунальное хозяйство городов: Науч. - техн. Сб. Вып. 63;

5. Цай Шаохуай. Новейший опыт применения трубобетона в КНР // Бетон и железобетон. - 2001. №3, с. 20-24;

6. Бикбау М.Я., Тимербулатов Т.Р., Гаврюшин С.С. Новый узел сопряжения элементов трубобетонной строительной конструкции // Строительные материалы, оборудование, технологии. 2004. №5, с. 46-49;

7. Morino S., Tsuba K. Design and Construction of Concrete-Filled Steel Tube Column System in Japan. Earthquake and Engineering Seismology (2005), Vol. 4, No. 1, pp 51-73.

Ключевые слова: трубобетонный элемент, металлическая труба, бетонное ядро, внутренние металлические анкеры, напорное бетонирование, композиционный материал, адгезия, каркас здания.

Key words: concrete-filled steel tubes, metal pipe, concrete core, internal metal anchors, pressure concreting, composite material, adhesion, building frame.

Рецензент: Афанасьев Александр Алексеевич, проф., д.т.н., МГСУ

E-mail автора: avk@skcentr.ru