Применение трубобетона в строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Преимущества трубобетона и область применения

3. Исследование проблемы оценки оперативной надежности конструкций с использованием трубобетона

4. Общие требования по обеспечению безопасности высотных зданий

Заключение

Список литературы

1. Введение

трубобетон конструкция высотный

Современные технологии в сфере строительства позволяют не только увеличить надежность зданий, но и значительно ускорить темпы строительства. Сейчас во многих странах получил распространение такой вид монолитных железобетонных конструкций, как трубобетон, его использование позволяет увеличить сейсмостойкость зданий в несколько раз.

Трубобетон -- это разработка российских ученых. Трубобетон родился в 30-е годы прошлого века. В 1932 году профессор А. А. Гвоздев, столетие которого недавно отмечалось, впервые в мире опубликовал работу по методике расчета трубобетона как конструкции. С того времени трубобетон стали использовать и развивать во многих странах.Опыт возведения зданий с использованием трубобетона получил распространение в США, Японии, КНР и других странах. Однако эта технология в России почти не применяется.

Рисунок 1. Схема трубобетонного элемента: основные преимущества

2. Преимущества трубобетона и область применения

Как известно, все новое - это хорошо забытое старое, так получилось и с трубобетоном, применение которого разрабатывали еще советские ученые в 70-х годах. Суть этого способа строительства в том, что бетон заливается в металлическую оболочку. И если в открытых конструкциях, когда используется обычная форма-опалубка, бетон всегда имеет некоторую усадку, то в жесткой оболочке, наоборот, происходит его распирание. Конструкции с трубобетоном работают более гибко, по сравнению с обычными армированными опорами, и выдерживают значительно большие нагрузки как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Применение трубобетона в строительстве гарантирует высокую прочность сооружений за счет стального каркаса. Металл, работая в связке с бетоном в закрытой конструкции, обеспечивает гораздо более высокий коэффициент устойчивости, чем в конструкциях с армированным открытым бетоном. Так, в последнем случае у бетона со временем появляются трещины, которые имеют тенденцию расширяться. В трубобетоне же трещин, за счет нагрузки, практически не бывает. А металл, усиленный бетоном, воспринимает различные продольные, поперечные, «переломные» нагрузки более эффективно.

Трубобетон обладает исключительно высокой несущей способностью при небольших поперечных сечениях колонн, являясь прекрасным примером сочетания выдающихся способностей металла и бетона. При этом стальные трубы выполняют роль несъемной опалубки при бетонировании, обеспечивая как продольное, так и поперечное армирование бетона. Бетон в трубобетоне находится в условиях всестороннего сжатия и в таком состоянии выдерживает напряжение, существенно превышающее его призменную прочность. По сравнению с железобетонными конструкциями трубобетонные позволяют в 1,5 - 2 раза уменьшить расход металла и бетона, в 2 - 3 раза массу конструкции и, примерно, вдвое затраты труда в связи с радикальным уменьшением арматурных, сварочных работ и работ по монтажу опалубки. Особенно эффективны трубобетонные конструкции при больших напряжениях с относительно малыми эксцентриситетами.

Для высотных зданий весьма существенным является факт, что трубобетонные конструкции отличаются от железобетонных способностью выдерживать в экстремальных условиях значительные нагрузки длительное время, в отличие от конструкций железобетонных, теряющих несущую способность мгновенно. Помимо всех конструкционных достоинств трубобетонные конструкции обладают всеми достоинствами металлических конструкций в плане монтажа, отличаясь при этом от последних более высокой огнестойкостью. Прекрасные конструкционные и строительно-технические свойства трубобетона позволяют применять его в самых различных областях строительства - мостостроении, строительстве метро, промышленных и жилых зданий

Трубобетонный стержень является комплексной конструкцией, состоящей из стальной трубы и бетонного ядра, работающих совместно. Такая конструкция обладает многими положительными качествами. Прочность бетонного ядра, стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с первоначальной.

Заполнение стальной трубы бетоном повышает ее противокоррозионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, уменьшает гибкость элементов, увеличивает местную устойчивость стенок трубы, повышает сопротивление оболочки вмятию в узлах сопряжений и при ударных воздействиях во время транспортирования и монтажа. Наружная поверхность трубобетонных конструкций примерно в 2 раза меньше, чем конструкций из профильного проката, вследствие этого у них меньше расходы по окраске и эксплуатации. На цилиндрических поверхностях задерживается меньше ныли и грязи, являющихся активизаторами процессов атмосферной коррозии, поэтому трубобетонные конструкции имеют повышенную коррозионную стойкость.

Прочность бетонного ядра, стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с бетоном без обоймы. Исследованиями установлено, что, вместо ожидаемой усадки, происходит набухание бетона в трубе и его расширение, сохраняющееся на протяжении многих лет, что создает благоприятные условия для его работы. Эффект «разбухания» характерен для бетона, не только заключенного в стальную трубу, но и изолированного любым другим способом от окружающей среды. Причиной эффекта разбухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой. Изоляция бетона от окружающей среды создает лучшие условия для прочностных характеристик бетона под нагрузкой. По экспериментам доказано, что в неизолированном бетоне нагрузка со временем вызывает более значительную деструкцию, чем в изолированном. В неизолированном бетоне развитие микротрещин все время прогрессирует, у изолированного бетона при том же напряжении оно полностью прекращается в первые 2 - 3 дня.

Заполнение стальной трубы бетоном повышает ее противокоррозионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, уменьшает гибкость элементов, увеличивает местную устойчивость стенок трубы, повышает сопротивление оболочки вмятию в узлах сопряжений и при ударных воздействиях во время транспортирования и монтажа. Наружная поверхность трубобетонных конструкций примерно в 2 раза меньше, чем конструкций из профильного проката, вследствие этого у них меньше расходы по окраске и эксплуатации. На цилиндрических поверхностях задерживается меньше пыли и грязи, являющихся активизаторами процессов атмосферной коррозии, поэтому трубобетонные конструкции имеют повышенную коррозионную стойкость.

Использование цилиндрических стержней в сооружениях, подверженных ветровым нагрузкам, позволяет снизить эти нагрузки за счет улучшения аэродинамических свойств. Стержень круглого сечения является равноустойчивым при одинаковых расчетных длинах. Жесткость на кручение такого стержня значительно выше, чем у стержней открытого профиля. При применении трубобетонных конструкций не требуется окраски, металлизации или герметизации внутренних поверхностей труб, что необходимо для трубчатых конструкций, не заполненных бетоном.

Полная стоимость сооружений из трубобетона значительно ниже стоимости аналогичных железобетонных и стальных. Меньшая масса трубобетонных элементов в сравнении с железобетонными облегчает их транспортирование и монтаж. Трубобетон экономичнее железобетона из-за отсутствия опалубки, кружал, хомутов, отгибов, петель, закладных деталей; он более вынослив, менее подвержен механическим повреждениям. Отсутствие распределительной и рабочей арматуры позволяет получить более высококачественную укладку жестких бетонных смесей.

Достоинством трубобетонных колонн является их способность к сейсмическим горизонтальным перемещениям без разрушения, причем не только в упругой области, но и в пластическом состоянии. При землетрясении здание с ТБК, наподобие эластичного хлыста, может совершать значительные поперечные колебания, оставаясь невредимым. Такие каркасные системы можно использовать и в качестве сейсмоизоляции, располагая их в нижних частях зданий и сооружений.

Как показывает опыт строительства конструкций из трубобетона и опыт их проектирований, при применении трубобетона достигается экономия материалов, трудозатрат и стоимости. В трубобетонных колоннах упрощаются конструкции стыков, и уменьшается металлоемкость. Конструкции консолей трубобетонных колонн - сварные и могут быть решены в различных вариантах с учетом архитектурно-строительных требований. Изготовление колонны выполнимо как в условиях заводов, так и в условиях строительной площадки.

Анализ показывает, что трубобетонные элементы эффективнее железобетонных и стальных конструкций. При замене железобетонных конструкций на трубобетонные значительно уменьшается расход бетона и металла за счет закладных деталей, почти вдвое снижаются трудозатраты, уменьшается вес конструкций.

С архитектурной точки зрения следует отметить эстетичный внешний вид трубобетонных колонн. Это придает зданиям и сооружениям, построенным из них, несколько большую выразительность.

Однако в процессе проектирования следует учитывать и некоторые недостатки, присущие трубобетонным конструкциям. Среди них можно отметить следующие:

- возможность расслоения бетонной смеси при заполнении труб небольшого диаметра;

- отсутствие надежных вариантов стыков трубобетонных колонн с несущими конструкциями перекрытий зданий;

- возможность отслаивания бетонного ядра от оболочки вследствие неблагоприятного влияния усадки бетона;

- возможность разрыва металлической оболочки под действием внутреннего давления паров связанной воды, освобождающейся при сильном нагревании во время пожара.

Большая часть отмеченных конструктивных недостатков относительно легко устранима. Наличие эффективных покрытий для защиты металла от коррозии позволяет обеспечить сохранность наружной поверхности труб в течение сколь угодно длительного срока. Существующие методы огнезащиты металла способны обеспечить требуемую огнестойкость несущих трубобетонных элементов. Современные суперпластификаторы позволяют получать литые бетонные смеси, с использованием которых процесс формования бетонного ядра существенно облегчается. Все более широкое применение в практике строительства труб из ПВХ делает стальные трубы менее дефицитными и более доступными по цене.

3. Исследование проблемы оценки оперативной надежности конструкций с использованием трубобетона

Современное строительство характеризуется увеличением высотности и перекрываемых пролетов зданий и сооружений, ростом технологических нагрузок, настоятельно требуя применения стержневых вертикальных несущих элементов, обладающих высокой несущей способностью, надежностью и долговечностью при малых поперечных сечениях. В связи с этим все более востребованными становится применение несущих элементов, выполненных из трубобетона. Наиболее благоприятным видом напряженного состояния для таких конструкций является сжатие. Сжатые трубобетонные элементы, имеющие небольшую гибкость и малые эксцентриситеты приложения продольной силы (что характерно для вертикальных несущих элементов каркасов высотных зданий) обладают исключительно высокой несущей способностью при относительно малых поперечных сечениях, являясь примером удачного сочетания наиболее ценных свойств металла и бетона. Несомненным достоинством является существенная экономия материалов, уменьшение размеров сечений элементов, их массы и транспортных затрат, а также сохранение всех достоинств металлических конструкций в плане монтажа.

Исторически одна из первых зависимостей для оценки несущей способности трубобетонных центрально сжатых колонн круглого сечения представлялась так:

(1)

где Rb, Ab - предел прочности и площадь сечения бетонного ядра; Rs, As - предел текучести стали и площадь сечения трубы; б - коэффициент упрочнения.

Большую часть появившихся позднее зависимостей можно представить в обобщенном виде:

(2)

где k - коэффициент бокового давления; уbr - боковое давление по поверхности контакта трубы с бетоном.

Несмотря на весьма обстоятельные исследования в этой области, надо признать, что до сих пор нет надежной и приемлемой для практического использования расчетной модели трубобетонного сечения в предельном состоянии, адекватно отражающей его специфические особенности.

Тем не менее, поскольку существуют конструкции с применением элементов из трубобетона, насчитывающие историю около одного столетия, то многие из них находятся в состоянии, при котором необходима оценка их работоспособности. Одним из показателей, характеризующим надежность конструкций является вероятность или возможность (в понятиях теории возможностей) их нормального функционирования или отказа.

Надёжность элемента - свойство изделия сохранять значения установленных параметров функционирования в определённых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Для численной оценки надежности трубобетонного элемента необходима статистическая информация о параметрах математической модели, описывающей его несущую способность. Если принять в качестве этой модели формулу (1), то параметры Rb,, Ab ,Rs, и As необходимо определить в ходе обследования конструкции.

Самым трудным вопросом является определение прочности бетона Rb, находящейся в стальной трубе, ведь получение достаточной выборки для оценки закона распределения и его параметров в понятиях теории вероятностей практически не возможно. Одним из решений этой задачи является применение теории возможностей для оценки надежности в условиях ограниченной информации.

4. Общие требования по обеспечению безопасности высотных зданий

При проектировании высотных зданий и сооружений должно быть обеспечено следующее:

* проведение на этапе разработки специальных технических условий (СТУ) на высотное здание (сооружение) анализа опасностей природного, техногенного и антропогенного характера, возможных опасных ситуаций и их последствий с учетом особенностей высотного здания, его составляющих, систем и подсистем в их взаимосвязи и всех местных условий; уточнение и применение результатов анализа на всех последующих стадиях ЖЦ объекта, ЖЦ его составляющих, систем и подсистем;

* подготовка проектной и сметной документации, удовлетворяющей всем требованиям безопасности зданий и сооружений, установленным «Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений», «Техническим регламентом «О требованиях пожарной безопасности», техническим заданием (заданием на проектирование), СТУ:

а) В проектной документации должны быть предусмотрены контролируемые и управляемые преграды (двери, ворота, шлагбаумы, проходные кабины, тамбур-шлюзы и т.п.), препятствующие несанкционированному проникновению людей и транспорта в зоны ограниченного доступа для установленного круга лиц в установленные интервалы времени, а также соответствующие системы контроля и управления доступом (СКУД), одновременно обеспечивая беспрепятственный доступ авторизованным лицам.

б) На прилегающей территории к высотному зданию (сооружению) должны быть устроены стационарные (неуправляемые), прикрепленные к земле, усиленные преграды, препятствующие несанкционированному приближению к объекту колесных транспортных средств, а также предусмотрены ландшафтно-архитектурные, ландшафтные и дорожные решения (фонтаны, бассейны, уступы, извилистые подъездные пути), препятствующие разгону автомобиля для таранного удара.

в) Зонирование объекта, выбор мест установки преграждающих устройств, их типов, конфигурации СКУД, сопрягаемых систем осуществляется проектировщиком с учетом требований задания на проектирование, СТУ и местных условий на основе результатов анализа назначения функциональных элементов объекта, опасностей, общей оценки риска и тяжести последствий в результате невыполнения соответствующих функций безопасности (см. Ж.17, Ж.16, Ж.15, Ж.19 приложения Ж).

* выбор при проектировании конструктивных и объемно-планировочных решений, обеспечивающих возможность безопасной эвакуации всех людей из высотного здания (сооружения) при чрезвычайных или кризисных ситуациях, в том числе при пожаре;

* выбор при проектировании таких несущих, ограждающих строительных конструкций, перекрытий и противопожарных преград, которые обеспечивали бы огнестойкость, достаточную для обеспечения возможности эвакуации всех людей из здания (сооружения) при пожаре с учетом расчетного времени эвакуации;

* выбор при проектировании отдельных систем инженерно-технического обеспечения для жизнеобеспечения, поддержания комфорта и реализации процессов, преимущественно оснащенных собственными системами, связанными с безопасностью (СБИС-системами) и содержащих компоненты и встроенные элементы, позволяющих осуществлять непрерывный дистанционный мониторинг их состояния;

* установление времени живучести СБЗС-систем и СБИС-систем не меньше времени эвакуации людей из здания или сооружения при кризисных или чрезвычайных ситуациях, в том числе при пожаре;

* применение оборудования, программного обеспечения (ПО), комплектующих изделий и материалов, влияющих на безопасность, сертифицированных в установленном порядке;

При строительстве и эксплуатации высотных зданий и сооружений должно быть обеспечено следующее:

* проведение строительных, монтажных, пусконаладочных работ в точном соответствии с проектной и сметной документацией, с учетом организационных мероприятий и обеспечением авторского надзора за ходом выполнения работ;

* проведение мероприятий в ходе выполнения строительных, монтажных и пусконаладочных работ, препятствующих хищению, незаконной подмене изделий и материалов, закладке в основание, конструкции и системы объекта предметов, веществ и материалов, опасных для последующей эксплуатации здания (сооружения);

* привлечение к работам по эксплуатации инженерных систем (ИС) высотного объекта квалифицированных лиц, имеющих полученное в установленном порядке разрешение на проведение соответствующих работ;

* осуществление эксплуатации высотного объекта и его составляющих в точном соответствии с эксплуатационной и соответствующей технической документацией с выполнением предусмотренных проектной документацией организационных мероприятий;

* проведение регулярных мероприятий по поддержанию постоянной готовности эксплуатирующего персонала объекта и персонала службы безопасности путем обучения и тренинга;

* осуществление ТО и ТР СБЗС-систем и СБИС-систем квалифицированными лицами, имеющими полученное в установленном порядке разрешение на проведение соответствующих работ.

Заключение

Заполнение стальной трубы бетоном улучшает ее противокоррозионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, повышает жесткость элементов, увеличивает локальную устойчивость стенок трубы, сопротивление оболочки смятию при ударных воздействиях, существенно повышает огнестойкость конструкций.

Использование в трубобетонной строительной конструкции узловых соединительных элементов позволяет снизить трудоемкость работ при возведении каркаса, исключить необходимость соблюдения большой точности обрезки торцов стальных труб для обеспечения предельно четкой их стыковки, существенно сократить сроки возведения и стоимость каркаса, повысит его прочность и несущую способность, позволяет упростить натяжение стальных канатов для преднапряжения железобетона в условиях строительной площадки.

Высокая прочность

Легкость

Пластичность

Износостойкость

Противостояние удару

Эталон устойчивости к боковому давлению

Возможность заполнения бетоном, используя современные технологии

Труба является стальной арматурой + свойства продольной стальной арматуры (подвергается    сжатию) и свойства поперечного армирования

Стальная труба выполняет роль опалубки

Стальная труба - прочная поддерживающая опора

Труба - стальной каркас (сокращение объема сварочных работ)

Список литературы

1. Кикин А. И., Санжаровский Р. С, Трулль В. А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. М., Стройиздат,- 1974.

2. Лукша Л.К. Прочность трубобетона. Минск: Высшая школа,- 1977.

3. Журнал «Строительство», №9, 2007

4. www.stalnyetruby.ru

Размещено на Allbest.ru