Экономическая эффективность от применения предварительно напряженных конструкций для объектов строительства в Сибири и на Дальнем Востоке России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экономическая эффективность от применения предварительно напряженных конструкций для объектов строительства в Сибири и на Дальнем Востоке России

Кравчук В.А., Кравчук E.В.

ТОГУ, г. Хабаровск, Россия

Абстракт

Представлен анализ строительных конструкций, применяемых для возведения жилых, общественных и промышленных объектов в экстремальных условиях Сибири и Дальнего Востока. Установлено, что для повышения эффективности строительства в указанных районах наиболее целесообразным является применение металлических конструкций. Причем предпочтение следует отдавать сплошностенчатым конструкциям, снижающим вероятность появления в них концентраторов напряжений и хрупкие разрушения. Доказано, что основная задача строительства - повышение несущей способности каркасов зданий при снижении их массы и стоимости - может быть решена за счет применения в них сплошностенчатых тонкостенных элементов, предварительно напряженных без затяжек, повышающих общую и местную устойчивость, выносливость и надежность конструкций.

Ключевые слова: легкие, сплошностенчатые, стальные, несущая способность, жесткость, хрупкость, устойчивость, предварительное напряжение, масса

Abstract

Kravchuk V. A., Kravchuk Е. V.

PNU, Khabarovsk. Russia

ECONOMIC EFFICIENCY FROM APPLICATION OF PRELIMINARY TENSIONED STRUCTURES FOR CONSTRUCTION OBJECTS IN SIBERIA AND THE FAR EAST OF RUSSIA

The analysis of building structures used for the construction of residential, public and industrial facilities in the extreme conditions of Siberia and the Far East is presented. It has been established that in order to increase the efficiency of construction in these areas, the most appropriate is the use of metal structures. Moreover, preference should be given to continuous-stage structures that reduce the likelihood of stress concentrators and brittle fractures appearing in them. It is proved that the main task of construction is to increase the bearing capacity of building frames while reducing their weight and cost can be solved by using solid-stage, thin-walled elements in them, prestressed without puffs, increasing the general and local stability, endurance and reliability of structures.

Keywords: lightweight, solid-stage, steel, bearing capacity, stiffness, brittleness, stability, prestressing, mass

Диверсификация и освоение природных ресурсов Сибири и Дальнего Востока России играет всевозрастающую роль в экономике страны.

При строительстве промышленных, жилых, общественных зданий, а также инженерных сооружений в Сибири и на Дальнем Востоке следует учитывать природно-климатические и экстремальные условия этих районов - низкие температуры наружного воздуха, увеличивающие расходы теплоизоляционных материалов и затрат на устройство ограждающих конструкций; продолжительные зимы, которые приводят к увеличению расходов на отопления зданий и снижения выработки рабочих и строительной техники; высокие снеговые нагрузки, требующие увеличения несущей способности основных конструкций покрытий зданий, колонн и фундаментов; сейсмичность, требующая увеличения дополнительных затрат на обеспечения жесткости и устойчивости зданий и сооружений; вечная мерзлота, сопровождающаяся регулированием затрат на устройство оснований зданий и сооружений и т.д.

Строительство в этих экстремальных климатических условиях, естественно, требует применение строительных конструкций, позволяющих при обеспечении их надежности решать вопрос экономической эффективности построенных зданий.

В своих работах [1,2] авторы статьи, ссылаясь на исследования в области повышения эффективности строительства в Сибири и Дальнем Востоке [3], отмечают, что значение для России Дальневосточного региона, на долю которого приходится около 42 % территории России, весьма существенно. Регион находится вбуферной зоне России и связь ее со странами АТР неизбежно будет осуществляться через территорию региона, а это требует интенсивного его развития. Заметим, что АТР - это 18 стран и территорий. Здесь проживает 40 % населения всего мира, производится 54 % мирового валового продукта.

В Дальневосточном регионе добываются алмазы (Республика Саха), больше половины борного сырья страны, олова, половина добываемого золота страны. В регионе выявлено более 76 видов полезных ископаемых, использование которых позволяет создать крупнейшие предприятия, осуществляющих деятельность в горнодобывающей промышленности. На юге региона разведана сырьевая база для развития черной металлургии. Запасы железа, марганцевых руд позволяет утверждать, что Восточная Сибирь, Дальний Восток России и Забайкалье являются территорией, где развитие добывающей промышленности и обрабатывающего сектора экономики страны является одним из перспективных направлений в развитии экономического потенциала страны [4] .Все это можно считать основанием для утверждения о больших перспективах в развитии экономики страны, где развитие одной из основополагающих видов деятельности, носящее комплексное обоснование в виде строительной деятельности, играет архиважное значение.

Учитывая отличительные особенности Дальневосточного региона от иных регионов страны, а также низкий уровень транспортных коммуникаций можно утверждать, что удорожание строительства, применение типичных технологий, материалов и организаций строительного производства в данном регионе нецелесообразно. Поэтому считаем, что снижение стоимости строительства может быть достигнуто за счет применения не только эффективных материалов (клееной древесины, алюминиевых сплавов, сталей повышенной прочности, высокопрочного цемента), но и инновационных технологических решений. По мнению академика Н. П. Мельникова [4] использование сталей повышенной и высокой прочности даст снижение массы конструкций от 17 % (сталь СЗЗ-С40), до 50 % (сталь С60). В Дальневосточном регионе эффект от использования экономических профилей проката, низколегированных и высокопрочных сталей в 1,2 - 1,4 раза выше, чем в центральных районах.

Одним из кардинальных путей экономии транспортных расходов при строительстве на Дальнем Востоке - переход на массовое применение легких, и прежде всего металлических конструкций при создании цельнометаллических зданий. Технико-экономический анализ показывает, что сметная стоимость на 5,1 - 29,4 %, а трудовые затраты на монтаже цельнометаллического здания на 37 % ниже, чем на строительство железобетонного. В промышленном строительстве из общих затрат на здания всех видов, на долю одноэтажных приходится около 80 %, в сельскохозяйственном строительстве - 95 %, причем 30 % стоимости строительства одноэтажных промышленных и 45 % сельскохозяйственных зданий составляют расходы на покрытия. Поэтому совершенствование конструктивных решений покрытий имеет первостепенное значение. Развитие и продвижение научно обоснованных предложений на основе применения специфики строительства исследуемого региона, считаем архиважной задачей, ведь применение стальных несущих покрытий вместо железобетонных приносит дополнительный экономический эффект при строительстве крупных промышленных зданий.

Оценивая целесообразность и эффективность металлических конструкций при создании цельнометаллических конструкций для строительства в районах Дальнего Востока с позиции их надежности, долговечности, эксплуатационных характеристик следует иметь в виду, что наибольшее количество аварий здесь связано с низким сопротивлением хрупкому разрушению, одной из причин которого является низкая температура, характерная для Дальневосточного региона.

Установлено, что 50 % всех разрушений происходит при нагрузках, не превышающих 0,6 - 0,7 расчетных. В большинстве случаев эти разрушения начинаются в зонах концентрации напряжений, вызванных сварочными работами, в частности присоединения ребер жесткости (47 %) и опорных ребер (27 %). Значительно меньше подвержены хрупким разрушениям участки без ребер жесткости, причем сплошные конструкции имеют меньшую склонность к образованию трещин, чем сквозные.

Решение выше указанной проблемы, а это повышение несущей способности, местной устойчивости отдельных элементов, снижение концентрации напряжений и повышение жесткости может быть достигнуто за счет массовое применение для каркасов зданий и сооружений, в частности, для несущих элементов предварительно напряженных биметаллических тонкостенных стальных конструкций. Этот прием позволит повысить несущую способность конструкций до 30 %, жесткость - до 13 %, местную устойчивость отдельных элементов более чем в 5 раз, общую устойчивость конструкций - до 60 % а также их выносливость [5].

Большое значение в применении именно металлических строительных конструкций имеют исследования целесообразности применения предварительно напряженных конструкций для сейсмических районов Дальнего Востока, выполненные А. Б. Пуховским [6]. Они показали, что такие конструкции позволяют снизить динамический прогиб на 30 %, напряжения до 10 %, понизить коэффициент удельной потери энергии до 25 %, коэффициент податливости - до 35 %, пластичности - до 35 %, поглощения энергии - до 25 %.

Отдельно отметим, что весьма эффективно применение предварительного напряжения при усилении всех видов конструкций, этот прием повышает инновационность инженерного решения, уменьшает стоимость строительстваза за счет уменьшения стоимости изготовления самих конструкций, снижения стоимости перевозки, за счет уменьшения массы конструкции, времени осуществления строительно-монтажных работ. А в ряде случаев это позволяет увеличить срок эксплуатации. Это обосновано и изучено уже не раз.

В качестве примера приведем мнение академика Н. П. Мельникова [7], он считал, что предварительные конструкции обладают меньшей или весьма малой вероятностью разрушения по сравнению с обычными металлическими конструкциями. Предварительное напряжение конструкций позволяет расширить область применения высокопрочных сталей в конструкциях различного назначения благодаря регулированию усилий, переводу сжатых элементов в растянутые и знакопеременные воздействия в однозначные. Следует иметь в виду, что предварительное напряжение позволяет снизить массу конструкций. Особо следует отметить исключительную эффективность предварительного напряжения стальных конструкций, выполняемого без затяжек.

Заметим, что затяжечное предварительное напряжение обладает рядом существенных недостатков - в зоне анкеровки затяжки возможно появление зон пластического деформирования стенки составных двутавровых сечений. Смещение затяжки с центра тяжести сечения может привести к его депланации. В длинномерных конструкциях сохранение затяжки в прямолинейном положении требует установки дополнительных поддерживающих устройств и это приводит к увеличению массы и трудозатрат на изготовление конструкций. Беззатяжечное предварительное напряжение изгибаемых конструкций лишено указанных недостатков.

Применение балок, предварительно напряженных без затяжек в качестве ригелей покрытий и перекрытий связевого или рамного металлического каркаса, строящегося в Дальневосточном регионе, снижает их массу на 23 % [5]. Замена решетчатых прогонов ЦНИИпроектстальконструкции на предварительно напряженные посредством вытяжки стенки того же пролета снижает их массу от 28 % при равномерно распределенной нагрузке на прогон q=0,81 кН/м, до 38,9 % - при q=14,0 kH/м. При этом трудоемкость изготовления (чел/ч) предварительно напряженного прогона пролетом 12 м снижается на 21,2 %, стоимость изготовления - на 15,4 %; стоимость монтажа блока из двух ферм пролетом 24 м с холодной кровлей из профилированного настила, уложенного на предварительно напряженные прогоны пролетом 12 м снижается на 6,4 %, а трудоемкость монтажа - на 6,5 %. Стоимость «в деле» предварительно напряженных прогонов по сравнению с соответствующей стоимостью решетчатых прогонов ЦНИИпроектстальконструкции снижается на 12,5 %. Весьма важно отметить, что беззатяжечное предварительное напряжение стальных составных балок посредством продольной вытяжки стенки повышает местную устойчивость ее больше чем в 4 раза.

Это исключает необходимость установки промежуточных ребер жесткости по стенке и, в конечном итоге, позволяет резко снизить вероятность появления концентраторов сварочных напряжений и хрупких разрушений при эксплуатации конструкции в районах Севера России.

Если учесть, что применение тонкостенных балок с ребрами жесткости и гибкостью стенки до 560 составляет (в диапазоне внешних нагрузок 30-60 кН/м) от 0,96 до 1,05 массы типовых ферм [7], выполненных из уголковых профилей, замена таких балок предварительно напряженными даст значительный экономический эффект.

В заключении укажем, что научно-исследовательский поиск и уже имеющиеся работы российских ученых, занимающихся проблемой эффективности строительства и разработкой инновационных строительных конструкций для применения их в районе Сибири и Дальнего Востока, свидетельствует в том, что будущее этого региона связано с активным применением для строительства промышленных объектов и инженерных сооружений строительных конструкций, в том числе металлических конструкций, преимущественно предварительно напряженных, на основе использования высокопрочных сталей, обладающих высокой прочностью, пластичностью, свариваемостью и стойкостью к агрессивным средам и хрупким разрушениям. Реализация планов по изменению политики в области освоения и преимущественного применения экономически эффективных, прогрессивных металлических строительных конструкций для возведения зданий и сооружений в экстремальных условиях Сибири и Дальнего Востока может быть осуществлена только при условии создания промышленного кластера на базе Дальневосточного региона при примере взаимодействия частно-государственного партнерства в сфере инвестиционно-строительного проекта.

Библиографические ссылки на источники

строительная конструкция предварительно напряженная

1. Кравчук В.А. Некоторые пути повышения эффективности строительства в Дальневосточном регионе. //Научное обеспечение технического и социального развития Дальневосточного региона. Сб.научных статей к 55 - летию Тихоокеанского государственного университета. Из-во ТОГУ. 2013.

2. Кравчук Е. В., Кравчук В. А. Формирование кластера на основе инноваций. Вестник гражданских инженеров. - № 2(61) - 2017. С. 319 - 324.

3. Нестеров В. В. Снижение материалоемкости строительства в условиях Сибири и Дальнего Востока. Л., Стройиздат, Ленинградское отделение. 1986. - С. 423.

4. Мамиев Ю. А. Проблемы и перспективы развития горного дела в Дальневосточном регионе //Актуальные проблемы Дальневосточного региона: Сб. научн.тр. Вып.1. Хабаровск: Из-во ХГТУ, 2001, С.27 - 35.

5. Кравчук В.А. Стальные стержни, предварительно напряженные без затяжек. М.: Из-во АСВ, 2015. С.550.

6. Пуховский А. Б. Предварительно напряженные металлические конструкции для сейсмических районов. Автореф.дис....д-ра техн. наук. М. 1987. С. 24.

7. Мельников Н. П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития. М.: Стройиздат, 1983. С.540.

Размещено на Allbest.ru