Проведен анализ возможности и целесообразности использования композитных несущих элементов строительных конструкций при проектировании и изготовлении конструкций для замены типовых железобетонных несущих элементов. Анализ основан на сравнении экономических и прочностных показателей.

ВВЕДЕНИЕ

Композитный несущий элемент строительных конструкций (КНЭСК) был разработан в Белорусско-Российском университете в сотрудничестве с Московским государственным университетом путей сообщения [1]. Этот элемент представляет собой композитную структуру, объединяющую бетон с металлом для совместной работы подключением в систему одной-двух разновидностей бетона, стержневой и листовой ребристой арматуры, листового стального проката, выполняющего роль несъемной опалубки. Металлическое армирование КНЭСК является сварной, неразъемной оболочечной конструкцией, обеспечивающей равномерность распределения силовых, деформационных полей и повышенное сцепление с бетонным компонентом. В основу КНЭСК положен принцип: «материалы для создания композитов должны подбираться таким образом, чтобы преимущества каждого из компонентов взаимоисключали недостатки других» [2].

С момента разработки КНЭСК получил применение в Республике Беларусь в качестве основы для несущих пролетов при возведении пешеходных мостов, несущей основы проезжей части путепроводов и автодорожных развязок, что позволило полностью отказаться от использования опалубочных систем и подмостей при их возведении и, следовательно, ускорить процесс строительства.

КНЭСК КАК ЗАМЕНА ТИПОВЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Конструкции КНЭСК разнообразны по возможным габаритным размерам, пространственным формам, геометрическим параметрам сварной оболочечной арматуры, ее ребристых армирующих элементов, по назначению, выполняемым функциям, обширному перечню различных критериев и конструктивных особенностей, определяющих области их эффективного применения. Согласно разработанной авторами классификации по признаку пространства [3], такой элемент может применяться как замена типовых железобетонных конструкций со стержневым армированием. Для оценки целесообразности применения КНЭСК для замены типовых железобетонных элементов был выполнен анализ эффективности по прочностным и экономическим показателям. В качестве базовых объектов для замены были приняты: многопустотная плита перекрытия ПК.57.12.4А с габаритными размерами 5680х1190х220 мм и перемычка типа ПБ марки 6ПБ 35–37 с габаритными размерами 3500х250х290 мм [4, 5], армированные стержневыми армирующими элементами. Процесс исследований был условно разделен авторами на два этапа: первый – разработка конструкций аналогов базовых объектов с сохранением их экономических показателей и габаритных размеров; второй – сравнение несущей способности по максимальным прогибам базовых объектов и разработанных аналогов.

Сущность первого этапа заключается в разработке конструкций аналогов из КНЭСК с сохранением экономических показателей и габаритных размеров базовых объектов. Конструкция сварной оболочечной арматуры аналогов определяется параметрами варьирования и геометрическими параметрами волны ребристых армирующих элементов. В качестве варьируемых параметров были приняты толщины формообразующих листов (sf), ребристых армирующих элементов (sr), диаметр стержневой арматуры (d), количество рядов армирования стержневой и ребристой арматурой (n), наличие (да, нет) формообразующего листа (f) и геометрические параметры волны ребристых армирующих элементов (рис. 1).

1 – формообразующий лист; 2 – листовая арматура; 3 – стержневая арматура; 4 – бетонный заполнитель

Рис. 1. Конструкция КНЭСК и геометрические параметры
  волны ребристых армирующих элементов

Параметры варьирования определялись исходя из конструктивных особенностей ребристых и стержневых армирующих элементов сварной оболочечной арматуры КНЭСК. Важным ограничивающим фактором являются габаритные размеры базовых объектов. Для расширения зоны поиска возможных решений с аналогичными экономическими показателями в качестве допущения принимались к рассмотрению конструкции без формообразующих листов, армированные только стержневыми и ребристыми листовыми элементами.

При разработке конструкций аналогов по экономическим характеристикам после выбора параметров варьирования и геометрических параметров ребристых армирующих элементов необходимо было определить требуемый объем бетона, обеспечивающий соответствие экономических характеристик разработанного конструктивного исполнения аналога и базового объекта. Для этого на основании данных о стоимостях компонентов композита и дополнительных технологических затрат на сварку и резку элементов сварной оболочечной арматуры КНЭСК получено уравнение (1) с удельными коэффициентами, соотношения стоимости единицы каждого из них к стоимости единицы бетона. Оно позволяет определить изменение объема бетонного компонента относительно базового объекта через изменения объема стрежневой и листовой стали с учетом выбранных геометрических параметров ребристых армирующих элементов и параметров варьирования, с сохранением экономических характеристик базового объекта, учитывает разницу стоимостей материалов и дополнительные затраты при производстве сварной оболочечной арматуры КНЭСК, связанные с заготовительными и сварочными операциями:

(1)

где Dy – изменение объема бетона относительно базового объекта, м³;

Dх – изменение объема стержневой арматуры, м³;

Dхm – объем использованной листовой стали, м³;

a – длина резов, выполненных плазменной дугой, м;

b – длина сварных швов, м;

C1 – средняя стоимость 1 м³ арматурной стали, тыс. бел. руб.;

C1m – средняя стоимость 1 м³ листовой стали, тыс. бел. руб.;

C2 – средняя стоимость 1 м³ бетона, тыс. бел. руб.;

C3_i – средняя стоимость 1 м плазменного реза конструкционной стали для толщин (i, мм); C3₂ = 1,46, C3₄ = 1,94, C3₆ = 3,88, C3₈ = 4,85, тыс. бел. руб. [6];

C4_j – средняя стоимость 1 м сварного соединения конструкционной стали, тыс. бел. руб. (определялась расчетным методом для всех исполнений сварных швов, используемых в рассматриваемых конструкциях аналогов, в зависимости от типа шва, его поперечного сечения и режимов сварки).

Максимальная и минимальная границы значений удельных коэффициентов уравнения (1) были рассчитаны по средним стоимостям 1 м³ конструкционной стали (лист, арматура) и бетона класса С³⁰/₃₇ в период с января по октябрь 2010 года согласно обзорам об изменении стоимостей основных строительных материалов за соответствующий период Национальной ассоциации сметного ценообразования и стоимостного инжиниринга Российской Федерации [7]. Величины C3_i и C4_j приняты неизменными за этот период:

Для расширения границ зоны поиска решений и увеличения количества возможных аналогов при разработке конструкций с идентичными экономическими показателями в дальнейших расчетах были приняты минимальные значения удельных коэффициентов, отражающие наиболее благоприятное стечение стоимостей на рынке компонентов композита в рассматриваемом периоде. При этом уравнение (1) приняло вид:

(2)

На втором этапе для сравнения несущей способности по максимальным прогибам при одинаковых условиях нагружения разработанных аналогов из КНЭСК и базовых объектов были реализованы методом конечных элементов математические модели. Расчетные схемы с приложенными нагрузками и граничными условиями этих моделей представлены на рис. 2. Величина распределенной нагрузки q определялась исходя из принятой для сравнения массы в 3 т, суммарно приходящейся на верхнюю поверхность рассматриваемых объектов, в зависимости от ее площади. Распределенная нагрузка составила: для плиты – 8870 Н/м², для перемычки – 33 634 Н/м².

Для обеспечения точности и адекватности получаемых результатов поведение материалов рассматривалось в нелинейной постановке для металла (сталь 09Г2С) по двухлинейной упрощенной (рис. 3а), для бетона (С³⁰/₃₇) – по полной параболической идеализированной (рис. 3б) диаграммам деформирования. Это позволило учесть особенности реального ортотропного деформирования бетона при сжатии и растяжении, образование микротрещин и нелинейность деформирования металла за пределами границы упругого деформирования. Поверхностное взаимодействие компонентов композита за счет трения не учитывалось. Было принято, что между собой компоненты сцеплены жестко по поверхностям взаимного контактирования.

Рис. 2. Расчетные схемы и граничные условия анализируемых
  объектов

Рис. 3. Диаграммы деформирования стали (а) и бетона (б)

Было разработано и проанализировано 80 конструктивных исполнений аналогов с различными сочетаниями параметров варьирования и геометрических параметров ребристых армирующих элементов, определенных в соответствии с их конструктивными особенностями, габаритными размерами базовых объектов: 40 – для плит и 40 – для перемычек. Из них только восемь исполнений аналогов плит, согласно формуле (2), удовлетворяют экономическим характеристикам базового объекта. Все они выполнены без формообразующих листов, с ребристыми армирующими элементами толщиной 2 мм и усилены стержневой арматурой диаметром 6 мм. Девять конструктивных исполнений аналогов было разработано для перемычек с сохранением экономических характеристик. Ввиду большой металлоемкости базового объекта были разработаны исполнения с формообразующим листом, различными толщинами листовых элементов и диаметрами стержневых армирующих элементов. Значения параметров варьирования и геометрические параметры ребристых армирующих элементов, использованные при разработке аналогов с сохранением экономических характеристик, а также значения их максимальных прогибов сведены в таблицу 1.

По результатам реализации математических моделей были построены распределения перемещений по оси OY вдоль осей OХ₁ и OХ₂. Для некоторых исполнений (01-01, -06, -08; 02-01, -08, -09) они представлены на рис. 4, 5. На рис. 4, 5 графически отображены прогибы сравниваемых конструкций, что позволяет их наглядно сопоставить. По графикам видно, что разработанные аналоги обладают меньшей несущей способностью, нежели базовые объекты. Прогибы для плит-аналогов, разработанных с соблюдением экономических показателей и габаритных размеров базовых объектов, в 2,2–3,2 раза превышают прогиб базового объекта. Прогибы перемычек аналогов в 1,1–1,89 раза превышают прогиб базового объекта.

Таблица 1. Разработанные конструкции и параметры варьирования

Рис. 4. Распределение перемещений по оси OY вдоль оси OX1 для плиты

Рис. 5. Распределение перемещений по оси OY вдоль оси OX2 для перемычки

В ходе разработки и анализа конструкций из КНЭСК, аналогичных типовым железобетонным элементам, было установлено, что экономический эффект от изменения металлоемкости и сопутствующее повышение трудоемкости в большинстве случаев не позволяют разработать конструкцию из КНЭСК с экономическими и прочностными показателями, аналогичными базовому объекту в пределах его габаритных размеров. Дополнительные затраты на листовой металл, операции сварки и резки в исполнении из КНЭСК часто превышают стоимость всего бетона типового исполнения. Это свидетельствует о том, что при данном сочетании параметров варьирования и геометрических параметров волны ребристых армирующих элементов сварная оболочечная арматура даже без бетонного компонента дороже базового объекта.

Аналоги, разработанные с соблюдением соответствия экономических показателей, обладают меньшей несущей способностью, нежели типовые железобетонные конструкции ввиду снижения объема бетона в конструкции и недостаточности несущей способности дополнительно введенного металлического армирования. Из этого можно сделать вывод о низкой технико-экономической эффективности использования КНЭСК для замены типовых конструкций с малой долей металлического армирования. Эффективность по экономическим показателям использования КНЭСК растет с увеличением металлоемкости конструкции, которую он призван заменить. Наиболее целесообразным является использование КНЭСК вместо сварных оболочечных конструкций.

ВЫВОДЫ

1 Установлены закономерности изменения эффективности применения КНЭСК по прочностным и экономическим показателям. Она увеличивается с увеличением металлоемкости объекта, заменяемого с использованием КНЭСК, и уменьшается также вместе с ней. На основе этой закономерности сделан вывод о максимальной эффективности КНЭСК для замены наиболее металлоемких сварных оболочечных конструкций. Одними из таких сварных оболочек являются стенка наземных, подземных, подводных изотермических резервуаров, корпуса судов, станины станков, придонные и подводные сооружения [8]. Применение КНЭСК в этих конструкциях повлечет снижение суммарной металлоемкости по сравнению с металлическим исполнением, что покроет дополнительные технологические затраты и окупит использование бетона. Для наиболее эффективной замены необходимо обеспечить соответствие сроков возведения исполнений из КНЭСК исполнениям, монтируемым сваркой. Это достигается использованием быстромонтируемых монтажных стыков, выполнение которых осуществляется сваркой без применения «мокрых» технологий бетонирования на этапе монтажа.

2 КНЭСК следует применять при проектировании и возведении объектов, требующих специфических эксплуатационных свойств, обеспечиваемых только его конструктивными особенностями, или в тех конструкциях, в которых его повышенная материало- и трудоемкость будет оправдана достигаемыми конструктивными преимуществами, обеспечиваемыми сварной оболочечной арматурой: снижение трудоемкости омоноличивания, так как она выступает в качестве несъемной, самонесущей опалубки в одной из плоскостей, не требующей подпорных систем; меньшее время простоя техники; герметичность вплоть до вакуумной изоляции; эксплуатация в агрессивных средах, разрушающих бетон; повышенная взрыво- и пожароустойчивость; высокий уровень индустриализации, меньшая склонность к трещинообразованию. Примером эффективного применения КНЭСК по прочностным и экономическим показателям является автодорожный путепровод Минск-Северный, при возведении которого в качестве несущего элемента проезжей части мостового полотна использован КНЭСК [9].

3 При проектировании конструкций с использованием КНЭСК необходимо четко обосновывать причины использования именно этого композитного материала, опираясь на его основные конструктивные и технологические преимущества. Достижение экономических преимуществ при использовании КНЭСК для замены типовых железобетонных конструкций с малой долей металлического армирования за счет изменения материало- и трудоемкости затруднительно. У КНЭСК эти показатели выше, нежели у типовых железобетонных конструкций со стержневым сеточным армированием.

КНЭСК со сварной оболочечной арматурой не может выступать в качестве основы для проектирования и изготовления конструкций, призванных заменить типовые железобетонные элементы с малой долей металлического армирования, как в своем первоначальном виде, так и без наиболее металло- и технологическиемких конструктивных элементов ввиду их меньшей несущей способности и большей металло- и трудоемкости. При сохранении одинаковых экономических параметров конструкции из КНЭСК обладают меньшей несущей способностью при замене пустотелых элементов с малым соотношением объемов арматуры и бетона. С увеличением этого соотношения у перемычек эффективность по несущей способности решений на основе КНЭСК увеличивается, что позволяет разработать близкие по несущей способности аналоги. Но даже при разработке аналогов перемычек не удается достигнуть несущей способности типовой железобетонной конструкции, не выходя за ее первоначальные габаритные размеры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Композитный несущий элемент строительных конструкций: пат. 4082 Респ. Беларусь, МПК7 Е 04 С 2/28 / В. М. Фридкин [и др.]; заявитель и патентообладатель Могилев. машиностр. ин-т. – № 970421; заявл. 29.07.97; опубл. 19.04.01 // бюл. № 3. – 3 с.: ил.

2. Фридкин, В. М. Принципы формообразования в теории линейно-протяженных конструкций / В. М. Фридкин. – М.: Издательство «Ладья», 2006. – 512 с.

3. Богданов, С. В. Использование композитных несущих элементов для быстровозводимых строительных конструкций, монтируемых сваркой / С. В. Богданов, С. К. Павлюк, И. М. Кузменко // Вестник Белорусско-Российского университета. – 2009. – № 4. – С. 68–75.

4. Панели перекрытий железобетонные многопустотные, вып. 63: Серия 1.141-1. – Введ. 03.07.1984. – М.: Госгражданстрой, 1984.

5. Перемычки железобетонные для зданий с кирпичными стенами: Серия 1.038.1-112. – Введ. 01.11.1985. – М.: Госгражданстрой, 1985.

6. http://www.plazmorezka.ru

7. http://www.ascsi.ru

8. Кузменко, И. М. Применение сварных несущих элементов в новых композитных строительных конструкциях / И. М. Кузменко, С. К. Павлюк, В. М. Фридкин // Сварочное производство. – 2003. – № 9. – С. 16–19.

9. Кузменко, И. М. Инновационные конструктивные решения пролетных строений проезжей части мостов / И. М. Кузменко [и др.] // Автомобильные дороги и мосты. – 2008. – № 1. – С. 37–40.