А.И.МОРДИЧ, канд.техн.наук, Р.И.ВИГДОРЧИК, В.Н.БЕЛЕВИЧ, инженеры (БелНИИС); А.С.ЗАЛЕСОВ, д-р техн.наук, проф. (НИИЖБ), Новая универсальная каркасная система многоэтажных зданий
В нынешних экономических условиях строительства, когда существенно возросла стоимость строительных материалов и на первое место выдвинулась проблема энергосбережения как при возведении зданий, так и при их эксплуатации, требуется решительная замена применяющихся до сих пор материалоемких конструктивных систем на новые, прогрессивные. В современных многоэтажных зданиях, как правило, предполагается разделение функций несущих и ограждающих конструкций. Это означает использование в них несущих каркасов с навесными или поэтажно опертыми стенами. Внутренние объемы здания в таком случае разделяют перегородками.
Несущие каркасы являются наиболее сложным элементом многоэтажных зданий, в значительной мере определяющим потребительское качество и показатели последних, и известно достаточно большое количество вариантов их конструкций. В западной строительной практике широкое распространение получили каркасы из обычного или предварительно напряженного монолитного железобетона; известны сборно-монолитные каркасы, в том числе с преднапряжением арматуры в построечных условиях (ИМС и др.); каркасы со скрытыми металлическими колоннами и ригелями, перекрытия в которых образованы многопустотными плитами и т.п. В странах б.СССР нашли распространение каркасы системы ИМС, различных модификаций КУБа и др. Последние позволяют получить при достаточно большом шаге колонн (до 6 м) плоские диски перекрытий и, соответственно, обеспечить гибкие планировочные решения.
Вместе с тем известные каркасные системы, как правило, не в полной мере используют сложившуюся индустриальную базу строительства, имеют сложную технологию, включающую натяжение арматуры в построечных условиях и т.д.
Основой рассматриваемой в настоящей статье конструктивной системы многоэтажных зданий является новая конструкция [1] несущего каркаса (см.рисунок). Он состоит из традиционных сборных колонн и многопустотных плит, объединенных в единую пространственную несущую систему монолитными железобетонными несущими и связевыми ригелями. Ригели в ортогональных направлениях пропущены через специально оставленные в колоннах сквозные проемы. Рабочая арматура колонн в этих проемах полностью обнажена. Балконы, эркеры и другие архитектурные элементы могут быть выполнены на консолях, на продолжениях ригелей, выведенных за крайнюю колонну каркаса. Сопряжение многопустотных плит с несущими ригелями предложено осуществлять посредством монолитных бетонных шпонок, образуемых в открытых по торцам плит полостям на глубину 100 ±20 мм при укладке монолитного бетоцй ригелей. По торцам многопустотных плит на 12...15 см может быть выпущена их рабочая арматура и/или в межплитные швы поперек ригелей могут быть установлены плоские сварные арматурные каркасы. Несущие ригели могут быть выполнены прямоугольного или таврового сечения с верхней полкой, размещаемой в стяжке пола. Совместная работа полок тавровых ригелей с перекрытием обеспечена анкерными связями по межплитным швам. Для жилых и общественных зданий ригели могут быть скрыты в диске перекрытия (поз.б на рисунке); для производственных зданий с большими нагрузками (например, гаражи и т.п.) их нижняя грань может выступать ниже перекрытия (поз.в на рисунке).
Продольная рабочая арматура несущих ригелей не требует предварительного напряжения. Однако вариантами конструкции каркаса предусмотрены также и преднапряженные несущие ригели с натяжением арматуры на бетон этих ригелей. Связевые ригели во всех случаях не требуют предварительного напряжения. При этих условиях каркасы с плоскими дисками перекрытий могут быть реализованы при размерах сетки колонн до 7,2x7,2 м.
Дом рассматриваемой конструктивно-технологической системы возводят в следующей последовательности. На смонтированных колоннах закрепляют монтажные мостики, снабженные поверху палубой. На нее концами устанавливают многопустотные плиты с зазором между их торцами, в котором размещают арматуру несущих ригелей. Одновременно устраивают опалубку связевых ригелей. Сквозную арматуру несущих и связевых ригелей пропускают через проемы в колонне. После завершения опалубочных и арматурных работ укладывают монолитный бетон несущих и связевых ригелей и межплитных швов. Не рекомендуется прерывать бетонирование по узлам сопряжения ригелей с колоннами, а также по несущим ригелям. В климатических условиях Беларуси, средней полосы и юга России каркас можно возводить практически в любую погоду. Под руководством проф- .Н.П.Блещика в БелНИИСе разработаны составы монолитного бетона, позволяющие ему набирать прочность без обогрева при среднесуточной температуре воздуха до -10°С. При положительных температурах окружающего воздуха эти составы достигают 100% проектной прочности в течение 2 сут. После набора монолитным бетоном требуемой прочности монтажную оснастку (инвентарные стойки, мостики, кронштейны балконов и т.п.) снимают и переставляют на следующую захватку или перекрытие, а на готовом диске перекрытия устраивают стеновое ограждение, перегородки и выполняют последующие работы.
Для оценки надежности и разработки методов расчета несущего каркаса авторами в БелНИИСе был выполнен комплекс экспериментальнотеоретических исследований. Все эти работы были проведены с испытаниями фрагментов каркасов, фрагментов рам, дисков перекрытий и их узлов в натурных размерах. В частности, были возведены и по методике применительно к ГОСТ 8829-85 испытаны поэтапным статическим нагружением до разрушения два фрагмента, включавших по две ячейки каркаса размером в осях колонн 6x6 м. В процессе испытаний регистрировали приложенные усилия, общие перемещения, деформации элементов каркаса, образование и раскрытие трещин. Эти испытания показали достаточную надежность конструкции каркаса и послужили основой рекомендаций по опытному проектированию и строительству дома с рассматриваемым каркасом.
Опытное строительство четырехэтажного двухсекционного жилого дома было осуществлено в микрорайоне Малиновка-6 (Минск) Стройтрестом № 4 концерна “Минскстрой”. Несущий каркас в этом доме имел описанную выше конструкцию с размером сетки колонн 6x6 м. В диске перекрытия были применены плиты безопалубочного формования высотой 22 см, по четыре штуки в каждой ячейке. Колонны различной этажности сечением 30x30 см были выполнены с обнажением рабочей арматуры в уровнях дисков перекрытий. Бетон сборных и монолитных элементов по прочности был класса В25. Рабочее армирование колонн и ригелей было выполнено из стали класса A—III (А400). В процессе экспериментального строительства были проведены испытания каркаса здания на действие вертикальной нагрузки — дважды на диск перекрытия первого этажа до уровня эксплуатационной (gBp =3,8 кПа) и один раз на диск перекрытия третьего этажа до уровня расчетной по первому предельному состоянию (g = = 5,32 кПа).
Поэтапно возрастающую нагрузку с таким же шагом, как и при испытаниях фрагментов, создавали фундаментными блоками. При испытаниях проверке подвергали несущие ригели, стыки и узлы сопряжений плит с ригелями, ригелей с колоннами, способность каркаса к перераспределению усилий под нагрузкой между его элементами. Методика испытаний была принята так же, как и при испытаниях фрагментов каркасов, применительно к ГОСТ 8829-85, а критерии оценки натурного каркаса строящегося здания — по СНиП 2.03.01-84*. По всем параметрам были получены положительные результаты.
Так, общие перемещения (прогибы) середины пролета длиной 6 м наиболее нагружаемых несущих ригелей при допустимом по нормам прогибе (//200), равном 30 мм, при контрольной нагрузке по жесткости (нагрузка от собственной массы и g =3,8 кПа) не превышали 4,5...6,0 мм. Наибольшее достигнутое при этом уровне нагрузки значение относительного укорочения бетона наиболее сжатой грани ригеля не превышало 0,03% (при предельной сжимаемости 0,30...0,35%). Наибольшее относительное удлинение рабочей арматуры находилось в пределах 0,030...0,035%. Ширина раскрытия трещин не превышала 0,15 мм.
Даже при нагружении на уровне расчетной нагрузки (нагрузка от собственной массы и g =5,32 кПа) максимальные значения прогибов наиболее нагруженных несущих ригелей не превышали 11,18 мм. Наибольшие прогибы в середине пролета многопустотных плит в ячейках каркаса при этой нагрузке составляли 12,60 и 13,86 мм. В середине пролетов связевых ригелей опытные прогибы были незначительны по величине и находились в пределах 2,17...3,02 мм. Достигнутая в опытах ширина раскрытия трещин на уровне рабочей арматуры не превышала 0,24 мм даже при действии расчетной нагрузки по прочности. При этом трещин в плитах, а также в колоннах, связевых ригелях и в бетонных монолитных швах, кроме отмеченных перед испытаниями мелких усадочных, не обнаружено.
Следует отметить, что в пределах расчетных нагрузок каркас под нагрузкой деформировался практически упруго, и только на последних стадиях нагружения наметилось несколько более интенсивное приращение прогибов. Наибольшие перемещения имели место в плитах в середине нагруженной ячейки каркаса и в середине пролетов нагруженных несущих ригелей. Связевые ригели, расположенные вдоль плит, под нагрузкой получали незначительные прогибы вследствие вовлечения их в работу на изгиб примыкающими к ним многопустотными плитами. Несущий ригель в смежных пролетах, где ячейки каркаса не были нагружены, получил выгиб. Это свидетельствует о включении в работу под нагрузкой всех смежных с нагруженными ячейками элементов каркаса и перераспределении усилий на них. Следует также отметить, что к последним стадиям нагружения величина этого выгиба уменьшилась вследствие образования трещин в наиболее нагруженных сечениях несущего ригеля и падения величины их жесткости. Принятая расчетная модель МКЭ обеспечила удовлетворительное соответствие результатов расчета с опытными значениями в пределах нагружений каркаса до уровня расчетных нагрузок по первому предельному состоянию. Испытания в целом подтвердили также, что каркас под нагрузкой работает по рамно-связевой схеме.
Как было установлено при исследованиях, колонны в составе каркаса работают на внецентренное сжатие в плоскости несущей рамы. В плоскости связевых ригелей от воздействия вертикальной нагрузки величина изгибающего момента незначительна. Про- давливание диска перекрытий колоннами предложено проверить оценкой прочности по наклонным сечениям непосредственно примыкающих к ним ригелей. Причем предусмотрены случаи размещения колонны в углу, на контуре и в середине диска перекрытия.
При оценке прочности стыка плит с несущими ригелями рассмотрены варианты сопряжения их посредством цилиндрических или прямоугольных шпонок. При этом стык подвергают проверке на отрыв верхней полки, разрыв межпустотных стенок плит, прочность бетонных шпонок на смятие, срез согласно п. 3.115 методики [2], а также на отрыв шпонки при изгибе от боковой грани несущего ригеля. Следует также отметить, что все экспериментальные исследования были проведены при стыках плит с несущим ригелем, когда плиты не содержали выпусков рабочей арматуры по торцам. При этом испытания стыков на бетонных шпонках показали, что требуемое нормируемое для хрупкого разрушения значение С =1,6 (согласно ГОСТ 8829-85) было превзойдено в 2,2 раза, и его фактическое значение составило Сф =3,56. Тем не менее для улучшения условий анкеровки рабочей арматуры многопустотных плит было решено разместить выпуски в монолитном несущем ригеле.
Учет распорных усилий, возникающих при изгибе и повороте многопустотных плит в замкнутом контуре из монолитных ригелей, позволил примерно в 2 раза сократить расход арматуры в плитах, рационально разместить рабочую арматуру в связевых и несущих ригелях.
Проведенные экспериментальные исследования и опытное строительство позволили разработать обоснованные рекомендации по проектированию зданий различного назначения на основе рассмотренного каркаса [3].
С использованием этих рекомендаций в 1996 г. было запроектировано 7-этажное здание гаража “Пегас” возле станции метро Ботанический сад (Москва), находящееся в настоящее время в стадии строительства. Институтами Гомельгражданпроект и Бел- НИИС запроектирован и возводится в Гомеле 9-этажный жилой дом. БелНИ- ИС подготавливает рабочую документацию трехсекционного 9-этажного жилого дома и начал проектирование 17-этажного жилого дома в Минске. Намечены и другие объекты проектирования в Беларуси, России и в Украине. Во всех случаях преднапряжение перекрытий в построечных условиях не предусматривается.
Проведенный анализ результатов проектирования показывает, что удельный расход основных материалов на несущий каркас здания с сеткой колонн 6,0x6,0 м на 1 м2 его полезной площади составляет: бетон — 0,16...0,20 м3, цемент — 56...75 кг, сталь— 14...20 кг. Причем применение эффективной стали класса A-IV (АтбООс) на рабочее армирование ригелей и колонн вместо А-Ш (А400) позволяет снизить верхний предел расхода стали на 18...24%. Сокращение удельной материалоемкости позволяет снизить также и себестоимость строительства.
Опыт проектирования и строительства показал, что рассматриваемая конструктивная система полностью адаптирована к сложившейся индустриальной базе. Она предполагает массовое использование таких доступных конструкций и изделий, как многопустотные плиты, призматические колонны, товарные бетонные смеси, ячеистобетонные блоки, панели и др. Расходы на технологическую оснастку невелики. На 1 м2 поверхности перекрытия масса оснастки не превышает 30...36 кг. Затраты на изготовление оснастки массой 34 кг на 1000 м2 перекрытия полностью окупаются после возведения 8,5 тыс.м2 перекрытий, т.е. практически после завершения строительства первого же дома.
Предложенная каркасная система позволяет не только существенно сократить, по сравнению с крупнопанельными домами, удельную материалоемкость, в два и более раза снизить массу многоэтажных зданий, но и обеспечить эффективную тепловую защиту последних при эксплуатации. Для этого предусмотрены легкие по-этажно опертые или навесные стеновые конструкции, возводимые с привлечением легких кладочных материалов, листовых изделий, тонкостенных плит, применяемых при необходимости в сочетании с эффективными утеплителями.
В БелНИИСе подготовлены альбомы типовых решений наружных стен и конструкций их стыков с каркасами, удовлетворяющих современным теплотехническим требованиям. Например, разработаны трехслойные энергоэффективные полосовые панели с удельной массой 170 кг/м2 вместо 400 кг/м2, с R =3,1 м2-°С/Вт, изготовляемые в тех же формах, что и прежние типовые панели. Предложены конструкции стен с удельной массой 200 кг/м2 из ячеистобетонных изделий. Эффективные стыки сопряжений стен с каркасом позволяют свести к минимуму потери тепла за счет резкого сокращения размеров “тепловых” мостиков и рациональной компоновки узлов. Межквартирные перегородки могут выполняться как каркасно-обшивной конструкции, так и кладкой из ячеистобетонных и других легких блоков, в зависимости от характера развития местной производственной базы, а. также желания и возможностей потребителя.
Бетон и железобетон, 1999 №1