Prefabricated monolithic frame, effective for use in cold construction conditions

Full Text

Введение

На территории РФ достаточно суровые условия строительства, что обусловлено климатом, который хоть и разнообразен, но преимущественно холодный (период со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже 5 °C и минимальной суточной температуре ниже 0 °C длится полгода и более). Данное обстоятельство приводит к необходимости принятия специальных мер для обеспечения набора бетоном требуемой прочности [1‒4]. При этом применение сборных конструкций не всегда рационально, так как возникает необходимость устройства сложных и высокоточных работ по устройству стыковых соединений, а пространственная жёсткость здания заведомо снижена из-за наличия большого количества стыковых соединений элементов и отсутствия связности между смежными плитами. Строительной системой, способной решить такие конструктивные и технологические слабости, является сборно-монолитный железобетонный каркас. Данный вид строительства становится всё более популярным в последнее время [5‒7], а потенциальные возможности сборно-монолитных конструкций достаточно широкие:

• ▪ сокращение опалубочных, арматурных и бетонных работ, выполняемых на строительной площадке;
• ▪ уменьшение количества стыковых соединений;
• ▪ высокая пространственная жёсткость здания за счёт неразрывности диска перекрытия;
• ▪ относительно лёгкий и жёсткий диск перекрытия при применении сборных частей сложной геометрической формы;
• ▪ предварительно напряжённые сборные конструкции.

Материалы и методы

С целью повышения конструктивной и технологической эффективности применения железобетонных конструкций в холодных климатических условиях на основании обозначенного выше, а также исходя из опыта современного домостроения разработана конструктивная система сборно-монолитного каркаса, в основе которого предполагается возведение в два этапа (рис. 1).

Рис. 1. Конструктивное решение поэтапно возводимого сборно-монолитного каркаса (план, разрез, расчётная схема, слева – 1-й этап, справа – 2-й этап): a – план; б – разрез; в – расчётная схема

Fig. 1. Constructive solution of a prefabricated monolithic frame being built in stages (plan, section, design scheme, 1st stage on the left, 2nd stage on the right): a – plan; b – section; c – design scheme

На 1-м этапе происходит монтаж сборной части каркаса, которая в последующем самостоятельно воспринимает нагрузки, характерные стадии возведения (собственный вес сборных частей, вес опираемых сборных элементов, вес монолитного бетона). На 2-м этапе, в удобный временной период (с наступлением положительных температур), происходит омоноличивание всего каркаса, что приводит к его «превращению» в сборно-монолитный каркас. В итоге прочность и жёсткость каркаса увеличиваются и он способен воспринимать оставшиеся нагрузки, соответствующие стадии возведения (вес пола, перегородок, ненесущих стен, перегородок и т. д.), а также нагрузки стадии эксплуатации.

В дополнение возможны следующие конструктивные решения:

• ▪ применение лёгкого монолитного бетона, что снижает собственный вес конструкций перекрытия и общий вес здания, а также повышает тепло- и звукоизоляцию перекрытия;
• ▪ плиты-опалубки и сборные части ригелей рационального конструктивного поперечного сечения с предварительно напрягаемой арматурой обеспечивают высокую изгибную жёсткость и относительно небольшую массу диска перекрытия;
• ▪ отказ от цементно-песчаной стяжки (её функцию выполняет монолитный бетон), что позволяет снизить нагрузку и сократить расходы.

Проведены экспериментальные исследования плоских двухпролётных и двухэтажных рам Р1 и Р2, изготавливаемых и загружаемых в два этапа (рис. 2). Цель – изучение особенностей формирования напряженно-деформированного состояния в процессе монтажа и загружения сборно-монолитного каркаса. Сборные элементы выполнены из тяжёлого бетона кл. В25, а применяемый монолитный бетон – керамзитобетон кл. В15,5. На 1-м этапе происходило устройство сборной части рам – сборные колонны (70×70×1200 мм) и сборные части ригелей (70×70 х 1410 мм, в нижней зоне 3Ø3В500). На 2-м этапе, без снятия нагрузки 1-го этапа, устанавливалась верхняя продольная арматура в опорной зоне ригелей с укладкой монолитного бетона на высоту 40 мм.

Рис. 2. Экспериментальная рама: а – конструктивная схема на 1-м этапе; б – конструктивная схема на 2-м этапе; в – фото

Fig. 2. Experimental frame: a – constructive scheme at the 1st stage; b – constructive scheme at the 2nd stage; c – photo

Сопряжения элементов:

• ▪ колонн с основанием – жёсткое на 1-м и 2-м этапах;
• ▪ ригеля с колоннами – шарнирное на 1-м этапе, жёсткое на 2-м этапе.

Загружение конструкции происходило следующим образом. На 1-м этапе нагрузка моделирует монтажную нагрузку – P = 0,55 кН. На 2-м этапе нагрузка моделирует дополнительную монтажную нагрузку и эксплуатационную нагрузку – Р = 1,65 кН (нижний ярус), P = 2,2 кН и Р = 1,925 кН (верхний ярус правый и левый пролёты соответственно).

Результаты

В результате проведённых экспериментальных исследований:

• ▪ отсутствовал взаимный сдвиг монолитной и сборной частей, что указывает на возможность обеспечения совместного деформирования разновозрастных бетонов за счёт поперечной арматуры и сил трения и адгезии по поверхности сопряжения. Аналогичные результаты были получены ранее при проведении экспериментальных исследований сопряжения бетонов разного возраста и видов [7];
• ▪ после набора монолитным бетоном требуемой прочности (2-й этап) интенсивность роста прогибов и деформаций замедляется (в сравнении с 1-м этапом), что указывает на повышение жёсткости и несущей способности элементов и каркаса в целом после вовлечения в процесс деформирования монолитного бетона;
• ▪ образование первых трещин в ригелях рам происходило в рамках 1-го этапа загружения. На 1-м этапе с шагом 70‒100 мм образовывались волосяные трещины в середине пролёта сборных частей балок (рис. 3, a). Они распространялись на высоту 20‒30 мм при ширине раскрытия не более 0,05 мм;
• ▪ исчерпания несущей способности ни в одном элементе рам не произошло, что указывает на достаточную несущую способность сборно-монолитного каркаса как на этапе монтажа, так и на этапе эксплуатации;
• ▪ на 2-м этапе увеличивается прогиб непосредственно загружаемых балок, в то время как в смежном пролёте в балках происходит выгиб. Этот факт указывает на неразрывность сборно-монолитной балки за счёт армированного монолитного бетона. На это указывает и полученный характер прироста прогибов. В первоначально загружаемых балках Б2 и Б4 прогибы 4,40 и 3,89 мм, однако после загружения смежных балок прогибы уменьшились до 4,14 и 3,73 мм соответственно;
• ▪ трещины сборной части, образовавшиеся на 1-м этапе, в процессе загружения на 2-м этапе получили большее раскрытие без существенного увеличения высоты и не достигая монолитного бетона. Над средней опорой в монолитном бетоне трещины образовывались при P = 1,93 кН и более (рис. 3, б) и по окончанию 2-го этапа загружения некоторые трещины полностью пересекли монолитный бетон, не проникая в сборную часть;
• ▪ в колоннах, балках на крайних опорах, а также в горизонтальном направлении, включая контактный шов, трещин не возникло.

Рис. 3. Трещинообразование: a – 1-й этап; б – 2-й этап

Fig. 3. Cracking: a – 1st stage; b – 2nd stage

Дополнительно проведены экспериментальные исследования сборно-монолитной балки. Особенностью исследований являлось то, что монтаж и вовлечение в восприятие нагрузки сборной части и бетона омоноличивания [9] происходили этапами. Исследования показали увеличение несущей способности, трещиностойкости, а также снижение итоговых прогибов в случае этапности монтажа и загружения. Кроме того, были проведены численные исследования [10]. В ходе расчётов в программном комплексе монтаж и загружение плоской рамы этапами также привели к существенной разнице напряженно-деформированного состояния конструкций рамы при поэтапном вовлечении в процесс восприятия нагрузки сборного и монолитного бетонов.

В результате проведённых экспериментальных и численных исследований получено необходимое количество данных, позволяющих утверждать, что предлагаемое конструктивное решение сборно-монолитного каркаса с поэтапным возведением и загружением обладает достаточной прочностью и жёсткостью для восприятия нагрузок стадий поэтапного монтажа и загружения, а также эксплуатации.

Заключение

Предложенное конструктивное решение сборно-монолитного каркаса является достаточно эффективным для применения в холодных условиях строительства, так как работы по устройству монолитного бетона выполняются в короткий срок в тёплый период времени. Одновременно данная конструктивная система является достаточно жёсткой из-за жёсткости узлов сопряжения горизонтальных и вертикальных несущих элементов, а также неразрывности диска перекрытия, обладает более высокими показателями по тепло- и звукоизоляции перекрытия и покрытия, имеет меньшую массу в сравнении со зданиями из сборного и монолитного железобетона.

About the authors

Aleksandr Al. Koyankin

Author for correspondence.
Email: KoyankinAA@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5271-9904

PhD, Associate Professor, Associate Professor of the Building Structures and Controlled Systems Chair

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Constructive solution of a prefabricated monolithic frame being built in stages (plan, section, design scheme, 1st stage on the left, 2nd stage on the right): a – plan; b – section; c – design scheme

Download (229KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Experimental frame: a – constructive scheme at the 1st stage; b – constructive scheme at the 2nd stage; c – photo

Download (261KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Cracking: a – 1st stage; b – 2nd stage

Download (217KB)

Indexing metadata