Автореферат: Технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов

Вторая глава посвящена комплексным экспериментальным исследованиям деформативно-прочностных характеристик трубобетонных элементов и разработанного нового конструктивно-технологического решения узлов сопряжения трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям, а также физико-механических свойств ядра из высокопрочного бетона.

Целями экспериментальных исследований являлись получение следующих данных:

- динамики процессов твердения модифицированных бетонов, в том числе высокопрочных, в замкнутом пространстве стальной оболочки, что связано с назначением технологических режимов возведения зданий;

- оценка эффективности устройства внутренних анкерных систем и их влияние на деформативно-прочностные характеристики трубобетонных элементов при центральном и внецентренном сжатии с различными вариантами приложения нагрузок (полностью на все сечение и только на оболочку);

- определение степени влияния фактора водоцементного отношения (В/Ц) и модифицирующих добавок на интенсивность набора прочности бетона и их влияние на уровень технологичности возведения вертикальных и горизонтальных конструкций;

- оценка эффективности разработанного конструктивно-технологического решения узлов сопряжения трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям (балочное или безбалочное) при помощи соединительной гильзы, обеспечивающей совместную работу стальной оболочки и бетонного ядра.

В экспериментах использовались XIII серий опытных трубобетонных образцов, заполненных разными классами бетонов и оснащенных различными анкерными системами (таб. 1).

Таблица 1

Геометрические характеристики опытных образцов

В качестве обоймы использовались трубы стальные электросварные прямошовные по ГОСТ 10704-91 и ГОСТ 10705-80, химический состав труб соответствует ГОСТ 380-2005, марка стали Ст3пс.

Подбор и приготовление бетонных смесей производилось в соответствии с ГОСТ 270006-86 в бетономешалке принудительного действия. Заполнение образцов каждой серии осуществлялось бетонной смесью из одного замеса, состав бетонных смесей приведен в таблице 2.

Таблица 2

Составы бетонных смесей

Помимо этого, для каждой серии образцов, осуществлялось изготовление цилиндрических железобетонных элементов с процентом армирования соответствующим оболочке трубобетона. Варианты конструктивного решения опытных трубобетонных образцов приведены на рис. 1.

Это позволило провести статистическую обработку экспериментальных данных с получением коэффициентов вариаций, не превышающих допустимых значений. К каждой серии изготавливались контрольные образцы-кубы и в день испытаний из трубобетонных элементов отбирались образцы-цилиндры путем снятия стальной оболочки и распиливания ядра на три цилиндрических элемента с соотношением высоты и диаметра 1:1 в соответствии с ГОСТ 28570-90.

Выдержка трубобетонных и контрольных образцов производилась в нормальных условиях твердения со сроками испытаний 3, 7, 14, 28 суток, а для серии XII, XIII 28 и 56.

Установлено, что нарастание прочности бетона, твердеющего в стальной трубе, происходит менее интенсивно, чем бетона контрольных образцов.

Рис. 1. Варианты конструктивного решения опытных трубобетонных образцов

а - трубобетонный образец; б - то же с размещением анкерных систем с шагом S=70 и 170мм; в - то же с размещением анкерных систем в оголовке; г - то же с имитацией устройства соединительной гильзы, оснащенной анкерами в виде лепестков.

1 - металлическая труба; 2 - бетон; 3 - внутренние анкеры; 4 - анкеры оголовочной части; 5 - оголовок; 6 - соединительная гильза с лепестками (7).

Динамика набора прочности бетона приведена на рис. 2. Наименьшая разница достигнута при снижении В/Ц до 0,26, что позволило достичь проектной прочности к 28 суточному возрасту с отклонением от контрольных образцов на 12-13%, а при выдерживании 56 суток достигает прочности контрольных образцов.

Рис. 2. Динамика набора прочности контрольных образцов-кубов и образцов цилиндров, отобранных из трубобетонных элементов

а - прочность контрольных образцов-кубов; б - то же образцов-цилиндров отобранных из трубобетона; 1- БСГ В55 с В/Ц 0,26; 2 - БСГ В50 с В/Ц 0,35; 3 - В35 с В/Ц 0,45.

Экспериментально установленное влияние фактора водоцементного отношения на интенсивность набора прочности изолированного бетонного ядра, и соответственно, несущей способности трубобетона, позволяет оптимизировать составы бетонных смесей при условии их подачи и укладки с использованием бетононасосного транспорта, а также назначения технологических регламентов бетонирования и темпов возведения здания.

Сопоставление прочностных характеристик опытных трубобетонных образцов с железобетонными цилиндрической формы, имеющими равные площади поперечного сечения металла и бетона показало превышение несущей способности трубобетона в 2...2,2 раза.

Этот результат был получен с использованием бетонов класса В35, В40, В55 (рис. 3).

Рис. 3. Несущая способность опытных трубобетонных и железобетонных образцов.

1 - опытные образцы из трубобетона; 2 - то же железобетона.

Опытами установлено, что внутренняя анкеровка трубобетонных элементов по всей высоте сечения не оказывает существенного влияния на повышение несущих характеристик трубобетонных элементов, а лишь увеличивает адгезию стальной оболочки с бетонным ядром. Изучение деструктивных процессов деформированных образцов выполнялось после снятия стальной оболочки.

Выявлено, что бетонное ядро не разрушаясь, повторяет форму деформированной трубы, а его поверхностное разрушение встречается только в местах образования гофр, что свидетельствует о приобретении им свойства пластического течения и не обладает характерной хрупкостью для таких классов бетонов.

Результаты испытаний центрально сжатых трубобетонных образцов показали, что при передаче нагрузок на оболочку, в образцах, не имеющих анкерные системы, обнаруживается раннее начало образования деформаций и снижение несущей способности до 45-50% в сравнении с полученными показаниями при совместном приложении нагрузки.

Из графиков (рис. 4, 5) продольных деформаций центрально и внецентренно сжатых трубобетонных образцов при приложении нагрузки на оболочку следует, что устройство анкерных систем в зоне передачи нагрузки и оснащение образцов соединительными гильзами позволяет получить несущие характеристики конструкций близкие к полученным при приложении нагрузок на бетонное ядро и оболочку.

Проведенный комплекс экспериментальных исследований подтвердил эффективность центрально и внецентренно сжатых трубобетонных элементов, имеющих внутреннюю анкерную систему, размещенную в оголовочной зоне или их оснащение соединительными гильзами, что позволяет использовать трубобетонные конструкции при возведении каркасов многоэтажных зданий.

Рис. 4. Продольные деформации центрально сжатых трубобетонных образцов (бетон В55)

1 - передача нагрузки на оболочку и бетонное ядро; 2 - передача нагрузки на оболочку при оснащении оголовочной зоны образца соединительной гильзой с внутренней анкерной системой; 3 - то же без оснащения соединительной гильзой.

Рис. 5. Продольные деформации внецентренно сжатых трубобетонных образцов (бетон В55)

а - приложение разрушающей нагрузки на бетонное ядро и оболочку; б - то же на оболочку; в - то же на оболочку с оснащением оголовочной зоны соединительной гильзой, имеющей внутренние анкеры; 1, 2, 3, 4 - расположение индикаторов часового типа.

В третьей главе производится оценка методик расчета центрально и внецентренно сжатых трубобетонных элементов и ее применение при проектировании многоэтажных зданий.

В результате анализа методов оценки несущей способности сжатых трубобетонных элементов установлено, что зависимости (1) и (2) наиболее близко отражают данные экспериментальных исследований.

где N - предельное продольное усилие; A_b - площадь поперечного сечения бетона; R_b - расчетное сопротивление бетона на сжатие; к_т - коэффициент бокового давления; у_br - величина бокового давления; б_s - коэффициент, учитывающий долю сопротивления стальной оболочки усилиям от внешних нагрузок в продольном направлении; A_s - площадь поперечного сечения стальной оболочки; R_s - расчетное сопротивление стали на сжатие.

где N_пр=R_bA_b+R_sA_s; е₀ - величина эксцентриситета; з - коэффициент учитывающий прогибы колонны; h - наружный диаметр трубы; r - радиус инерции; k - коэффициент однородности.

Произведено сравнение строительно-технологических характеристик многоуровневого каркаса здания при замене традиционных железобетонных колонн на трубобетонные. В качестве объекта сравнения принят 47 этажный административно-торговый комплекс «Миракс-Плаза», высотой 192,5м, каркасно-ствольной конструктивной схемы с периферийно расположенными железобетонными колоннами от стен ядра жесткости.

При помощи программного комплекса Ing+2010 в подсистеме конечноэлементных расчетов строительных конструкций на прочность, устойчивость и колебания MicroFe 2010 создана модель комплекса и произведен ее статический расчет с учетом ветровой пульсационной составляющей и распределения нагрузки на каркас.

Дальнейшие расчеты показали, что замена цилиндрических железобетонных периферийных колонн на трубобетонные, позволяет уменьшить их поперечные сечения в 1,3-2,0 раза, снизить класс бетона по прочности с В80 на В60, металлоемкость в 1,6...2,4, объем бетона в 1,3...2,1 раза. При этом процент армирования вертикальных конструкций снижается в 1,5-2,0 раза. Полученная экономия строительных материалов (стали и бетона) от использования трубобетонных колонн, приведена в таблице 3. Эти данные подтверждают целесообразность использования трубобетонных элементов при возведении многоэтажных каркасных зданий.

Без организации дополнительных технологических решений достигается снижение трудоемкости работ возведения вертикальных конструкций на 20-25% и повышаются темпы строительства на 15% за счет отсутствия технологических операций, связанных с армированием и сокращения опалубочных работ.

Снижение материалоемкости от использования трубобетонных элементов

Таблица 3