Технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов
Технология строительства многоэтажных зданий с применением монолитного железобетона. Оценка деформативно-прочностных характеристик трубобетона. Обеспечение совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки. Оптимизация состава бетонных смесей.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.09.2018 |
| Размер файла | 622,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов
Специальность: 05.23.08 - Технология и организация строительства
Курочкин Александр Вячеславович
Москва - 2011
Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Афанасьев Александр Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Подгорнов Николай Иосифович
доктор технических наук, профессор Харитонов Вадим Андреевич
Ведущая организация: ОАО «ЦНИИЭП жилых и общественных зданий»
Защита состоится «___» ___________ 2011 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, _______________.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26.
Автореферат разослан «___» __________ 2011 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Каган П.Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Строительство многоэтажных и зданий повышенной этажности с применением монолитного железобетона, является одним из основных направлений социально-экономического развития страны.
Возведение таких объектов влечет за собой разработку новых объемно-планировочных и конструктивных решений, а также более эффективных технологий, обеспечивающих повышение интенсивности возведения зданий, их эксплуатационной надежности и долговечности.
Реализация государственной программы «Жилище» на 2012-2016 годы, требует поиска оптимальных конструктивно-технологических и организационных решений, по возведению малоэтажных жилых зданий с обеспечением высоких темпов строительства с сохранением высокого качества работ, снижение материальных и трудовых ресурсов.
Этим требованиям отвечают здания каркасной и каркасно-ствольной конструктивных схем с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов, что позволяет не только сократить продолжительность строительства, но и уменьшить расход стали, бетона и сечения вертикальных несущих элементов. Трубобетонные конструкции, которые являются основными несущими элементами зданий, создают условия, снижающие явление прогрессирующего обрушения при техногенных и других воздействиях.
Более чем полувековая практика применения трубобетонных конструкций в области строительства показала достаточно высокую конструктивно-технологическую эффективность при возведении зданий и сооружений различного технического назначения. Активные научные исследования и практический опыт возведения малоэтажных и высотных зданий имеют место в США, Германии, Японии, Великобритании, Австралии, КНР и др. странах.
В Российской Федерации также ведутся разработки, направленные на использование трубобетонных конструкций в массовом строительстве. Однако существует ряд факторов, сдерживающих широкое применение трубобетона, таких как: слабая нормативная база, отсутствие эффективной методики расчета, недостаток научных исследований, а также технологий возведения каркасов зданий.
Использование трубобетонных элементов в качестве вертикальных несущих конструкций каркасов зданий обеспечивает одновременно со снижением материалоемкости и трудоемкости повышение гибкости архитектурно-планировочных решений.
Главными моментами при возведении таких зданий являются: обеспечение совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки, а также устройство стыковых соединений колонн по высоте и перекрытиям, что требует разработки принципиально новых конструктивно-технологических решений.
Целью диссертационного исследования является разработка организационно-технологической модели возведения каркасов зданий с колоннами из трубобетонных элементов, позволяющей повысить интенсивность возведения зданий с учетом различных климатических условий.
Для достижения поставленной цели был сформулирован и решен следующий ряд аналитических и практических задач:
- разработана одноцикличная технология бетонирования вертикальных и горизонтальных конструкций, обеспечивающая снижение продолжительности возведения каркаса зданий;
- предложена и исследована конструкция стыка, обеспечивающая индустриальную технологию монтажа оболочек и опалубочных систем, а также совместную работу бетонного ядра и стальной оболочки;
- установлено влияние фактора водоцементного отношения на интенсивность набора прочности бетонным ядром, позволяющее оптимизировать составы бетонных смесей при условии их подачи и укладки с использованием бетононасосного транспорта;
- проведен комплекс экспериментальных исследований по оценке конструктивно-технологических решений стыков вертикальных и горизонтальных конструкций;
- оценена методика расчета несущей способности центрально и внецентренно сжатых трубобетонных элементов с учетом совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки;
- оценены современные методы тепловой обработки и разработаны организационно-технологические решения, обеспечивающие интенсивность производства работ по возведению каркасов зданий в различных климатических условиях.
Объектом исследования является комплексно-экспериментальная работа по оценке деформативно-прочностных характеристик трубобетона с последующей разработкой технологии возведения каркасных зданий с трубобетонными колоннами.
Метод исследования - экспериментально-аналитический. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях с целью определения строительно-технологических характеристик трубобетона, оценки степени влияния В/Ц на интенсивность набора прочности бетонного ядра и оценки конструктивно-технологических решений узлов сопряжения трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
- проведен комплекс аналитических и экспериментальных исследований по оценке несущей способности центрально и внецентренно сжатых трубобетонных конструкций с ядром из модифицированных высокопрочных бетонов, включающий определение характера деформаций и разрушений трубобетонных элементов на различной стадии твердения;
- установлено определяющее влияние фактора водоцементного отношения на интенсивность набора прочности бетонным ядром, позволяющее оптимизировать составы бетонных смесей и назначать технологические режимы возведения зданий;
- разработана конструкция стыков вертикальных трубобетонных элементов по высоте и перекрытиям в многоэтажных каркасных зданиях путем гильзового соединения, обеспечивающая совместную работу оболочки и бетонного ядра. При этом достигается повышение несущих характеристик каркаса и технологичности возведения;
- разработана одноцикличная технология бетонирования вертикальных и горизонтальных несущих конструкций, обеспечивающая снижение продолжительности возведения каркаса зданий.
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в разработке технологии возведения каркасов зданий и узлов сопряжений вертикальных и горизонтальных конструкций, обеспечивающих совместную работу бетонного ядра и стальной оболочки с возможностью восприятия технологической нагрузки от перекрытий и способствующей повышению интенсивности возведения зданий на 25-30%, снижению расхода материалов на вертикальные конструкции: металла в 2,3, бетона в 2,1 раза. Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения РФ.
Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертационной работе, подтверждены комплексом экспериментальных исследований, статистической обработкой экспериментальных данных, применением стандартизованных методов измерений и анализа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» в г. Москве (2010, 2011г.г.), по итогам XIV конференции доклад по теме исследования был удостоен диплома второй степени.
Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и были одобрены на XIII Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Института строительства и архитектуры в МГСУ г. Москве (2010г).
Новизна исследований подтверждена тремя патентами на изобретения №2402662, №2420636, №2417290 и поданной заявкой на изобретение №2011110440/03 от 21.03.2011 «Способ соединения трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям», опубликованной 20.06.2011 бюллетень №17.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 4 работы общим объемом 0,96 п.л., в т.ч. лично автором - 0,91 п.л., в реферируемых журналах по списку ВАК - 2 работы объемом 0,48 п.л., в т.ч. лично автором 0,43 п.л. и 3 патента на изобретения РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников из 109 наименований трудов отечественных и зарубежных авторов. Содержание работы изложено на 172 страницах машинописного текста, в том числе 101 иллюстрация, 20 таблиц и 58 формул.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана краткая характеристика работы: обоснованна актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, объект и метод исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации работы.
В первой главе проанализированы отечественные и зарубежные технологии домостроения с применением трубобетонных конструкций, а также способы повышения их эффективности.
Современное домостроение принимает тенденцию строительства зданий и сооружений, имеющих широкий спектр архитектурно-планировочных решений при одновременном снижении материалоемкости и трудоемкости, значительного сокращения сроков строительства, что требует разработки новых конструктивно-технологических решений несущих конструкций зданий и сооружений из трубобетона.
Зарубежный и советский опыт применения трубобетонных элементов при строительстве зданий различного технологического назначения показывает высокую конструктивно-технологическую эффективность, состоящую в способности трубобетона превышать несущую способность железобетонных колонн более чем в 2 раза, сокращении технологических процессов армирования, опалубливания и выдерживания, что повышает уровень технологичности возведения элементов каркасов зданий.
Исследован опыт применения трубобетонных элементов в качестве вертикальных несущих конструкций каркасов многоэтажных и высотных зданий на территориях Европы, США, Японии, Китая, Великобритании, Австралии и др. стран, в результате чего выявлено, что лидером является КНР, где создан научно-исследовательский институт трубобетона и разработана нормативная база по проектированию и возведению таких конструкций. Из опыта китайских строителей следует, что использование трубобетонных элементов позволяет за счет снижения сечения колонн сократить расход стали и бетона до 2 раз, повысить темпы строительства на 30% с одновременным снижением себестоимости на возведение несущего каркаса здания на 25-30%.
В РФ и за рубежом большое внимание уделяется повышению эффективности трубобетонных конструкций, которые выполняются путем:
- устройства на внутренней поверхности трубы в зоне сочетания с перекрытием металлических кольцевых диафрагм, металлических анкеров, спирального или веерного армирования, механических устройств, повышающих адгезионные характеристики стальной оболочки с бетонным ядром;
- длительного прессования бетонной смеси в трубобетонных элементах за счет твердения бетона в трубе под давлением;
- использования в качестве вяжущего напрягающегося цемента;
- повышения сейсмостойкости колонн, за счет использования эффекта обоймы, который основан на приложении нагрузки на бетонное ядро с помощью распределительной плиты и исключения сцепления на контакте раздела границ стальной оболочки с бетонным ядром посредством предварительной смазки полимерным составом внутренней поверхности трубы (Япония). трубобетон стальной многоэтажных здание
Проведенный анализ указывает на необходимость совершенствования нормативной базы, методик расчета, технологий возведения зданий, учета особенностей производства работ при отрицательных температурах, а также решений узлов поярусного сопряжения трубобетонных элементов с обеспечением совместной работы стальной оболочки и бетонного ядра.
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
|
Серии |
Размеры оболочки, мм |
Анкерная система |
H/Ш |
t/Ш, мм |
As, см2 |
Ab, см2 |
м, % |
||||
|
Ш |
H |
t |
вид |
место |
|||||||
|
I, VI, VIII, XII, XIII |
102 |
510 |
2,5 |
«-» |
«-» |
5 |
0,0245 |
7,81 |
73,9 |
10,6 |
|
|
II-V, VII, IX |
анкеры |
с шагом по высоте |
|||||||||
|
VII, IX |
анкеры |
в зоне оголовка |
|||||||||
|
X |
108 |
540 |
3,5 |
«-» |
«-» |
0,0324 |
11,49 |
80,1 |
14,4 |
||
|
XI |
лепестки |
в зоне оголовка |
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
|
Серия |
Класс бетона |
Составляющие, кг/м3 |
Добавка |
В/Ц |
OК, cм |
Воздух, % |
|||||
|
Ц |
Щ |
П |
H2O |
Вид |
V от массы цемента, % |
||||||
|
I-V |
В40 |
400 |
990 |
680 |
167 |
C-3, СНВ |
0,9, 0,0003 |
0,42 |
25 |
2,9 |
|
|
VI, VII |
В40 |
400 |
1010 |
865 |
150 |
Sika V.C. 5-800 |
1,2 |
0,38 |
20 |
2,3 |
|
|
VIII-XI |
В55 |
400 |
1040 |
850 |
105 |
Sika V.C.20 Gold |
5 |
0,26 |
24 |
1,1 |
|
|
XII |
В50 |
360 |
1070 |
980 |
125 |
Sika V.C.20 Gold |
3 |
0,35 |
19 |
2,1 |
|
|
XIII |
В35 |
320 |
1020 |
920 |
145 |
С-3 |
0,8 |
0,45 |
18 |
2,5 |
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.
|
N=Ab(Rb+ktуbr)+бsAsRs |
(1) |
где N - предельное продольное усилие; Ab - площадь поперечного сечения бетона; Rb - расчетное сопротивление бетона на сжатие; кт - коэффициент бокового давления; уbr - величина бокового давления; бs - коэффициент, учитывающий долю сопротивления стальной оболочки усилиям от внешних нагрузок в продольном направлении; As - площадь поперечного сечения стальной оболочки; Rs - расчетное сопротивление стали на сжатие.
|
(2) |
где Nпр=RbAb+RsAs; 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
|
№ п/п |
№ яруса |
Сечения колонн |
Снижение металлоемкости Дs, % |
Снижение расхода бетона, Дb, % |
||
|
ж.б. |
т.б. |
|||||
|
Ш, мм |
Шхд, мм |
|||||
|
1 |
I |
1600 |
1400х14 |
39 |
21 |
|
|
2 |
II |
1400 |
1120х12 |
59 |
36 |
|
|
3 |
III |
1200 |
920х12 |
50 |
41 |
|
|
4 |
IV |
900 |
630х11 |
54 |
52 |
Четвертая глава посвящена разработке организационно-технологической модели возведения многоэтажных каркасных зданий с колоннами из трубобетонных элементов на базе выполненного экспериментально-аналитического комплекса исследований.
Обеспечение совместной работы стальной оболочки, бетонного ядра и элементов перекрытия достигнуто путем сопряжения трубобетонных колонн при помощи соединительных гильз, которые изготавливаются из металлической трубы, меньшего диаметра по сравнению с оболочкой колонны и имеют внутренние П-образные отгибы стенки или иную анкерную систему. Гильзы изготавливаются в заводских условиях и устанавливаются во внутреннюю часть оболочек, закрепляются при помощи сварного соединения.
Таким образом, разработанные конструктивно-технологические решения позволяют создать систему «оболочка» - «ядро», при которой передача нагрузки от перекрытий на бетонное ядро осуществляется через специальные устройства (анкеры).
Конструкция соединительной гильзы предусматривает возможность устройства как балочного, так и безбалочного перекрытия, а также при изменении диаметра колонн (рис. 6).
Рис. 6. Конструкции соединительных гильз
а - для поярусного сопряжения колонн и устройства балочных перекрытий; б - то же безбалочных; в - для соединения колонн разного диаметра; 1 - соединительная гильза; 2 - конусность; 3 - прорези стенки; 4 - внутренние отгибы; 5 - цилиндрический пояс; 6 - подкос; 7 - опорный «воротник»; 8 - ребра жесткости, объединяющие верхнюю и нижнюю части гильзы.
При балочном перекрытии, внутренние отгибы стенки гильзы одновременно выступают в роли опорных элементов для балок, распределяющих нагрузку от перекрытия на бетонное ядро. Для безбалочных перекрытий, соединительная гильза вместо устройства внутренних отгибов может оснащаться цилиндрическими и лепестковыми анкерами.
В результате экспериментально-аналитических исследований установлено, что устройство П-образных отгибов стенки соединительной гильзы является наиболее рациональным решением, чем ее оснащение отдельными цилиндрическими анкерами. Их устройство требует дополнительных трудозатрат на изготовление и установку, а также менее эффективны при больших диаметрах колонн.
Разработана технология одноцикличной укладки бетонной смеси, заключающаяся в первоначальном бетонировании всех стальных оболочек до отметки верха плиты перекрытия и без перерыва на набор прочности - перекрытия. Это позволяет увеличить площадь технологических захваток, более рационально использовать бетононасосный транспорт при непрерывной подаче бетонной смеси и сократить продолжительность возведения несущих конструкций типового этажа.
Для интенсификации процесса производства бетонных работ в летних условиях необходимо обеспечивать скоростной набор прочности бетона перекрытий, поскольку данная конструкция является определяющей темпа возведения каркаса здания. С этой целью целесообразно осуществлять дополнительный прогрев бетона до t=40...45оС при помощи греющих проводов с требуемой удельной мощностью 140-160Вт/м2 и шагом 200-230мм, расположенных в одном уровне плиты. При соответствующем уходе за бетоном достигается 70% набор прочности за 2 суток, а использование средств переопирания позволяет сократить продолжительность выдерживания на 2...2,5 суток.
Организационно-технологическая модель возведения каркаса осуществляется по двум технологическим схемам:
1 - с разбивкой этажа на технологические захватки, обеспечивающие поточность производства работ;
2 - по однозахватной схеме на площадь этажа.
Принимается во внимание то обстоятельство, что в одном и другом случаях, нагрузка от зон, примыкающих к трубобетонным колоннам, воспринимается оболочкой. В случае использования балочных перекрытий, технологическая нагрузка возрастает с увеличением пролета балок. К моменту заполнения бетонной смесью получается единая пространственная опалубочная система вертикальных и горизонтальных элементов.
По первой схеме процесс возведения каркаса начинается с установки монтажных элементов (стальных оболочек, оснащенных соединительными гильзами) в проектное положение. Далее устраивается опалубка и армирование безбалочных перекрытий. В случае использования балочных перекрытий, технологическая последовательность состоит в монтаже балок, укладке несъемной опалубки из профилированного настила, основного и дополнительного армирования. Сокращение технологических операций за счет отсутствия армирования колонн и сложных сопряжений с перекрытиями приводит к снижению продолжительности подготовительного цикла. Бетонирование захваток типового этажа осуществляется непрерывно со скоростью подачи смеси 8...12м3/ч.
По второй технологической схеме выполняется непрерывный процесс последовательного возведения этажей. При достижении прочности бетона перекрытия 1,5...2,0МПа осуществляется монтаж оболочек колонн последующего этажа, опалубки перекрытия, армирование и последующая укладка бетонной смеси. Демонтаж опалубки нижележащего этажа осуществляется после набора прочности не менее 50% с использованием стоек переопирания и 60% при пролете превышающем 8м. За счет непрерывности процессов достигается дополнительное снижение продолжительности работ по возведению типового этажа на 15-20%.
Пример производства работ по возведению несущих конструкций каркаса здания с одноцикличной укладкой бетонной смеси проиллюстрирован на рис.7 технологическими схемами.
Рис. 7. Технологические схемы возведения несущих конструкций каркаса здания с колоннами из трубобетона
I - установка монтажного элемента в проектное положение; II - выверка, временное и постоянное крепление стальной оболочки колонны, оснащенной соединительной гильзой; III - монтаж дополнительного армирования с укладкой на опорный «воротник» и последующее армирование перекрытия; IV - укладка бетонной смеси в стальные оболочки колонн; V - бетонирование перекрытия; 1 - монтажный элемент; 2 - стальная оболочка колонны; 3 - соединительная гильза; 4 - фиксирующие болты; 5 - монтажные подкосы; 6 - опалубочная система перекрытия; 7 - дополнительное армирование зон сопряжений колонн с перекрытиями; 8 - арматура перекрытия.
Сопоставительный анализ технологии возведения традиционным способом и с использованием трубобетонных конструкций для 47 этажного административного комплекса «Миракс-Плаза» в период положительных температур показал, что продолжительность возведения несущих конструкций типового этажа снижается на 3 суток. Основные технико-экономические показатели сопоставления приведены в сводной таблице 4.
Использование высокопрочных бетонов обеспечивает ранние сроки набора прочности, что создает предпосылки совмещения технологических процессов монтажа оболочек, устройства опалубочных систем и армирования вышележащего этажа.
Таблица 4 Сводная таблица сопоставления технологий возведения несущих конструкций типового этажа здания «Миракс-Плаза»
|
№ /п |
Показатели |
Ед. изм. |
Вертикальные несущие элементы |
||
|
Железобетонные колонны |
Трубобетонные колонны |
||||
|
1 |
Площадь этажа |
м2 |
1664,90 |
||
|
2 |
Объем этажа |
м3 |
6493,11 |
||
|
3 |
Объем монолитных работ |
м3 |
770,14 |
731,66 |
|
|
4 |
Продолжительность возведения типового этажа |
сутки |
7 |
4 |
|
|
5 |
Объем бетона колонн |
м3 |
93,04 |
54,56 |
|
|
6 |
Масса металла колонн |
т |
57,25 |
25,78 |
|
|
7 |
Площадь опалубливания колонн |
м2 |
323,3 |
247,86 |
|
|
8 |
Расход бетона колонн на м2 этажа |
м3/ м2 |
0,056 |
0,033 |
|
|
9 |
Расход металла колонн на м2 этажа |
кг/м2 |
34,39 |
15,48 |
Пятая глава посвящена исследованию ускоренных методов твердения в условиях отрицательных температур наружного воздуха.
В результате анализа методов зимнего бетонирования наиболее эффективным выделен конвективный обогрев, обеспечивающий одновременный прогрев металлических оболочек и опалубочной системы перекрытия. Создание требуемого температурно-влажностного режима осуществляется за счет нагнетания горячего воздуха теплогенераторами. Высокая теплопроводность стальных оболочек и подъем горячих воздушных потоков за линию стратификации обеспечивает предварительный отогрев опалубочных систем, бетонирование и термообработку конструкций в одном цикле.
С целью интенсификации набора прочности, были определены режимы термообработки бетона и выполнены аналитические исследования по формированию тепловых полей по толщине плиты перекрытия.
Согласно проведенным расчетам, бетон, заключенный в стальную оболочку колонны, находится в температурных условиях твердения близких к окружающей среде с продолжительностью, обеспечивающей набор критической прочности бетона ядра регламентированной СНиП 3.03.01-87.
Решена задача по оценке тепловых полей при выдерживании бетона перекрытий в следующей постановке: Дана неограниченная пластина толщиной R, внешняя поверхность которой имеет тепловую изоляцию, а к нижней подводится постоянной тепловой поток q=const. Теплообмен между внешней поверхностью пластины и окружающей средой задается с помощью граничных условий третьего рода. Температура среды, окружающей внешнюю поверхность пластины, принимается постоянной и равной То, а распределение температуры по нижней поверхности пластины Тс равномерное.
Требуется определить значения температурных полей по толщине пластины в любой момент времени.
В неограниченной пластине ее ширина и длина достаточно велики по сравнению с толщиной, а учитывая значительный коэффициент теплопроводности, можно пренебречь перепадом температуры в этих направлениях. Следовательно, температура представляет собой функцию одной пространственной координаты и соответствует одномерному температурному полю.
Распространение тепла описывается выражением (3), или в одномерном случае дифференциальным уравнением теплопроводности (4)
|
(3) |
||
|
(4) |
где - время, - координата в направлении по толщине перекрытия, - удельная теплоемкость, - теплопроводность бетона, - оператор Лапласа.
Решение таких уравнений производится с помощью преобразования Лапласа
|
, |
(5) |
применив это преобразование находим
|
. |
(6) |
где, теплопроводность материала считаем независимой от координаты, а температуру в нулевой момент времени больше нуля.
Решение уравнения (6) с учетом граничного условия (7)
|
, |
(7) |
имеет вид
|
(8) |
||
|
(9) |
где R - толщина перекрытия, - температуропроводность, а - некоторая функция, определяемая граничным условием на нагреваемой поверхности перекрытия
Применив к выражению (8) обратное преобразование Лапласа найдем решение уравнения теплопроводности
|
(10) |
где - некоторое вещественное число, - мнимая единица Условия на нагреваемой поверхности
|
(11) |
||
|
(12) |
Аналитическое решение выражается в достаточно сложных терминах и с практической точки зрения более удобным представляется решение численным методом.
Нахождение решения численным методом позволяет уточнить задачу, с учетом, например, зависимости теплоемкости или теплопроводности от температуры или от фазового состояния бетона (например, от степени завершенности процесса гидратации цемента).
Уравнение (4) в случае использования дискретной временной и пространственной сеток примет вид
|
(13) |
||
|
(14) |
где при , при , - параметр схемы.
При решении данного уравнения необходимо учитывать несколько стадий теплопроводности перекрытия: для бетона находящегося в пластическом состоянии и когда он имеет установившуюся структуру.
Записав алгоритм решения задачи в виде исходного текста программы на языке программирования Си, получены результаты расчета температурных полей для железобетонного перекрытия толщиной R=250мм с теплоизоляцией открытой поверхности эффективным упруго-пластичным рулонным теплоизоляционным материалом - этафомом с теплопроводностью 0,032 Вт/м/К и толщиной 10 мм.
Бетонная смесь в момент укладки имеет начальную температуру +10оС.
Результаты расчетов представлены графиком распределения температурных полей по толщине перекрытия на рис.8.
Температура нижней поверхности устанавливается практически сразу, теплоизолированной поверхности не меняется в течение первого часа, затем в следующие 10-12 часов растет приблизительно линейно. Изотермический процесс начинается спустя 16 часов с установившимся температурным градиентом между поверхностями плиты принимающий значение 7-8оС.
Тепловыделение в бетоне, вследствие экзотермических процессов при гидратации цемента, может быть учтено путем приращения его значений к температурным полям.
Рис. 8. Расчетные значения температурных полей по слоям бетонной смеси 1-4 - температура в слоях бетонной смеси
Одним из важных обстоятельств назначения режимов термообработки является учет зависимости времени релаксации от скорости воздушных потоков. Согласно технологическим расчетам установлено, что скорость теплового потока исходящего от источников тепла должна находиться в диапазоне 0,5...1,0м/с., что обеспечивает движение воздушных потоков близкому к ламинарному и сокращению времени релаксации.
Согласно проведенным аналитическим исследованиям определен цикл прогрева вертикальных и горизонтальных конструкций, он состоит в:
- создании пространственного температурного режима, обеспечивающего отогрев металлических оболочек и опалубки перекрытия при достижении постоянной температуры;
- укладке бетонной смеси на отогретое основание и ее теплоизоляции;
- разогреве бетонной смеси и поддержании изотермического режима (рис. 9);
- отключении источников теплоснабжения и плавного остывания бетона;
- распалубки конструкций.
При использовании балочно-стоечной опалубочной системы перекрытия целесообразно использование электрогенераторов с регулированием скорости воздушного потока. При щитовой опалубке или несъемной из профилированных листов наиболее экономичным вариантом является применение газовых теплогенераторов.
На основании проведенных исследований установлен режим обработки высокопрочного бетона В60 для плиты перекрытия толщиной 25см (рис. 10)
Рис. 9. Поддержание изотермического режима
1 - теплоизоляционная штора; 2 - теплоизоляционный кожух; 3 - теплоизоляция перекрытия; 4 - опалубочная система перекрытия; 5 - уровень стратификации; 6 - трубобетонная колонна 7 - теплогенераторы.
При назначении режимов термообработки бетонируемых конструкций необходимо разрабатывать технологический регламент на прогрев, включающий: температурный контроль приема бетонной смеси, ее укладки и прогрева, прогнозируемую оценку набора прочности, оптимизацию режимов охлаждения конструкций и определение времени получения распалубочной прочности.
Рис. 10. Режим термообработки высокопрочного бетона В60 на ПЦ с активностью 500 (а) и соответствующий набор прочности (б)
Тн - продолжительность нагрева; Ти - то же изотермического выдерживания; Тост - то же остывания.
Проведен сопоставительный анализ технологий возведения каркаса административно-торгового комплекса «Миракс-Плаза» при температуре наружного воздуха -10оС.
Применение одностадийной технологии термообработки горизонтальных и вертикальных конструкций позволяет сократить продолжительность производства работ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана индустриальная технология возведения каркасов зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов, обеспечивающая повышение интенсивности возведения зданий на 25-30%. По сравнению с традиционными железобетонными колоннами снижается расход материалов на вертикальные конструкции: металла в 2,3, бетона в 2,1 раза.
2. Проведены комплексные исследования по оценке влияния фактора водоцементного отношения на динамику набора прочности бетона, находящегося в стальной оболочке. Впервые установлено, что при значении водоцементного отношения в пределах 0,35...0,32 обеспечивается набор проектной прочности к 28 суточному твердению при нормальных условиях. Полученные результаты оказывают существенное влияние на скорость возведения здания и технологию производства работ.
3. В ходе экспериментальных исследований разработаны конструктивно-технологические решения узлов сопряжений трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям. Выявлено, что наиболее технологичным является применение соединительных гильз, обеспечивающих совместную работу стальной оболочки и бетонного ядра, а также снижающих общую трудоемкость работ по устройству стыков до 30%.
4. При помощи программного комплекса «Ing+2010» на примере административно-торгового 47 этажного здания «Миракс-Плаза» проведена оценка распределения нагрузок на каркас и последующий подбор сечений трубобетонных элементов.
5. Установлено, что использование конвективного обогрева позволяет обеспечивать ускоренный набор прочности как трубобетонных, так и плоских перекрытий при скорости теплового потока, находящегося в пределах 0,5...1,0м/с., что интенсифицирует процесс возведения каркасов зданий.
6. Проведены аналитические исследования по оценке температурных полей в слоях плиты перекрытия путем численного решения уравнения теплопроводности. Полученные результаты позволяют назначать режимы термообработки бетона колонн и перекрытий с минимальными температурными градиентами.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Использование трубобетона в жилищном строительстве // Промышленное и гражданское строительство. -2011. -№3. -с. 14-15.
2. Курочкин А.В. Возведение каркасных зданий с несущими конструкциями из трубобетонных элементов // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. -2010. -№3. -с. 82-86.
Статьи, опубликованные в научных журналах и изданиях:
3. Курочкин А.В. Использование несущих конструкций из трубобетонных элементов при возведении каркасных зданий // Сборник докладов традиционной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава института строительства и архитектуры. -М.: МГСУ. -2010. -с.192-196.
4. Курочкин А.В. Использование трубобетонных элементов при возведении многоэтажных каркасных зданий // Строительство-формирование среды жизнедеятельности: сб. тр. XIV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов (27-29 апреля, г.Москва, 2011г.). -М.:МГСУ. -2011. -с.64-70.
Патенты на изобретения РФ:
5. Способ возведения трубобетонных конструкций из монолитного бетона при строительстве зданий. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Патент №2402662 на изобретение: БИПМ, 2010. -№30.
6. Способ повышения несущей способности трубобетонных конструкций. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Патент №2420636 на изобретение: БИПМ, 2011. -№16.
7. Способ повышения несущей способности трубобетонных конструкций. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Патент №2417290 на изобретение: БИПМ, 2011. -№12.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Стальное покрытие футбольного манежа. Большепролетное здание с несущими деревянными конструкциями. Проектирование монолитных каркасных зданий. Архитектура одноэтажного промышленного здания. Технология изготовления сборных железобетонных конструкций.
отчет по практике [6,5 M], добавлен 27.11.2013Архитектурно-планировочные и конструктивные особенности здания. Выбор основных технических средств для монтажа сборных элементов опалубки и бетонирования конструкций. Укладка бетонных смесей, арматурные и опалубочные работы. Определение затрат.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 09.11.2010Описание номенклатуры стенового камня на основе железобетона для монолитных каркасных зданий. Характеристика материалов, используемых при его производстве. Расчет состава бетона и общего количества камней внешней стены конструкции. Фасадная штукатурка.
контрольная работа [24,5 K], добавлен 20.12.2012Основные положения технологии возведения монолитных и сборно-монолитных зданий на основе требований строительных норм и правил. Выбор технических средств для монтажа сборных элементов, опалубки и бетонирования конструкций. Укладка бетонных смесей.
курсовая работа [3,4 M], добавлен 09.01.2022Разработка проекта возведения надземной части здания с несущими конструкциями из монолитного железобетона: выбор способа производства работ, калькуляция трудовых затрат, контроль качества производства, оценка потребностей в инвентаре и инструментах.
контрольная работа [129,7 K], добавлен 07.01.2011Основные преимущества каркасных домов из легких тонкостенных стальных конструкций. Технология создания быстровозводимых зданий. Блок-схема производства и строительства здания на основе ЛСТК, конструктивные решения и проектирование, сборка и монтаж.
контрольная работа [2,3 M], добавлен 15.03.2015Понятие о каркасах, область их применения и классификация по разных признакам, разновидности и функциональные особенности. Главные элементы сборного и монолитного железобетонного каркаса. Привязка колонн и стен многоэтажных зданий к координатным осям.
презентация [9,7 M], добавлен 20.12.2013Технология процессов монолитного бетона и железобетона. Содержание и структура комплексного процесса бетонирования. Опалубочные и арматурные работы. Уплотнение бетонных смесей. Подбор монтажных кранов. Калькуляция затрат труда и машинного времени.
курсовая работа [32,0 K], добавлен 22.02.2012Определение перечня конструктивных элементов и методов возведения здания. Выбор монтажного крана. Подсчет объемов работ при земляных работах. Определение объемов опалубочных, арматурных и бетонных работ. Расчет производства работ по кирпичной кладке.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 23.06.2009Обзор литературы по технологии монолитного строительства. Расчет экономических и экологических показателей от внедрения технологии монолитного возведения жилья. Оценка конкурентоспособности рассматриваемой технологии на рынке жилья на современном этапе.
контрольная работа [160,0 K], добавлен 27.10.2010Состав бетонных и железобетонных работ, виды конструкций. Назначение и устройство опалубки. Составные части опалубки и опалубочных систем, требования к ним. Основные типы опалубок и материалы для их изготовления. Технология процессов опалубливания.
отчет по практике [35,3 K], добавлен 10.03.2017Производство изделий сборного железобетона для строительства зданий и сооружений на основе сборно-монолитного каркаса. Номенклатура продукции компании "МЖБК Гидромаш-Орион". Панели из лёгких бетонов на пористых заполнителях для наружных стен зданий.
отчет по практике [39,1 K], добавлен 08.03.2015Характеристика способов возведения подземных сооружений в зависимости от гидрологических условий и глубины заложения: открытого, отпускного и "стена в грунте". Рассмотрение задачи эффективного теплосбережения при строительстве и реконструкции зданий.
реферат [903,0 K], добавлен 27.04.2010Характеристика методов производства бетонных и железобетонных работ зимой. Основные способы транспортирования и подачи бетонной смеси к месту ее укладки. Технология монтажа подземной части зданий. Способы временного закрепления монтажных элементов.
контрольная работа [32,3 K], добавлен 17.03.2011Создание рациональной планировки цехов в соответствии с требованиями технологии производства. Виды одноэтажных каркасных зданий. Разбивка здания на температурные блоки. Железобетонные конструкции многоэтажных общественных и промышленных зданий.
контрольная работа [80,1 K], добавлен 28.03.2018Преимущества строительства объемно-блочных зданий, целесообразность применения метода. Технология монтажа элементов, его последовательность; монтажные механизмы. Технологическая последовательность производства работ, герметизация стыков наружных панелей.
реферат [481,0 K], добавлен 25.12.2009Суть комплексной механизации и автоматизации строительства. Краткая архитектурно-конструктивная характеристика объекта. Подсчет объемов работ, технология выполнения монтажных работ. Технологическая карта на монтаж сборных железобетонных конструкций.
курсовая работа [135,8 K], добавлен 30.04.2013Конструктивные решения возводимого здания. Земляные работы, устройство фундаментов. Монтаж колонн, подкрановых балок, плит покрытия, стеновых панелей. Устройство бетонных полов. Разработка технологической схемы монтажа. Выбор основных машин и механизмов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 09.01.2012Объёмно-планировочная характеристика здания промышленного типа, технология и организация его возведения. Подготовка строительной площадки и объекта. Выбор монтажных механизмов и необходимых ресурсов. Проектирование календарного плана производства работ.
дипломная работа [222,9 K], добавлен 03.12.2011Назначение здания, место строительства, кладочный материал. Расчет и конструирование каменного элемента наружной стены, армокаменного элемента по внутренней оси. Нагрузки, действующие на здание. Усиление стальной обоймой внецентренно сжатого элемента.
курсовая работа [759,9 K], добавлен 27.08.2012
