Данная работа посвящена актуальной проблеме предотвращения продавливания в железобетонных конструкциях. Целью работы является теоретическая оценка нынешнего состояния поперечного армирования и оценочный анализ возможности модернизаций уже известных методов. Рассматривается механизм разрушения, а также представлен обзор существующих методов поперечного армирования, с их преимуществами и недостатками. Результатом исследования является намеченный дальнейший путь более глубокого изучения данной области по поиску эффективного и экономичного метода, либо модернизации уже известных и хорошо проявивших себя методов.
Ключевые слова: поперечное армирование, конструктивное решение, Peikko, продавливание, железобетонные конструкции, несущая способность.
Введение. Несмотря на всю развитость и значительный прогресс в сфере строительства, ее технологиях и материалах, здания по-прежнему остаются уязвимыми перед разрушениями. Одним из опасных механизмов разрушения является продавливание, способное привести к обрушению конструкций и трагическим последствиям.
В современных условиях, характеризующихся ростом высотных зданий и плотности застройки, а также повышением требований к безопасности и надежности конструкций, проблема предотвращения продавливания приобретает особую актуальность.
Узел сопряжения перекрытия с опорой (любое опирание плоского элемента на колонны или углы стен) требует особого внимания при проектировании и расчете. Под действием нагрузки бетон в зоне контакта перекрытия с опорой деформируется и трескается. Трещины распространяются вверх по опоре и вниз по плите, образуя наклонные грани пирамидальной формы. По мере увеличения нагрузки эти грани расширяются и углубляются, пока не достигнут критического размера. Последующее затем хрупкое разрушение, когда пирамидальная часть бетона выкалывается из конструкции, приводит к продавливанию опоры сквозь плиту. Данный вид разрушения в худших случаях приводит к обрушению части конструкции, а порой и всего здания.
Применение поперечного армирования является одним из основных методов в решении проблемы разрушения продавливанием. Поперечное армирование представляет собой каркасы из стальных стержней, которые устанавливаются перпендикулярно к продольной арматуре колонн и плит. Оно выполняет важную функцию удержания бетона в зоне продавливания от растрескивания и выкалывания, повышая тем самым несущую способность и пластичность конструкций.
Однако нужно отметить простую истину, на сколько бы новаторский и эффективный не был метод, при неверном и ошибочном его использовании последствия всегда будут ощутимыми. При этом даже в самых укоренившихся методах находятся дефекты, влекущие за собой ряд последствий. О таких вещах нам всегда расскажет история.
Наиболее известным случаем разрушения продавливанием является обрушение чаши плавательного бассейна в Краснодаре в 2013 году. Причиной обрушения стало продавливание днища чаши бассейна из-за недостаточного поперечного армирования, неверного расположения стержней и плохого качества сварных соединений. В результате обрушения частично была разрушена одна из стен здания бассейна. Бассейн пришел в негодность, а здание спортивного комплекса было повреждено, что сделало невозможной его сдачу в эксплуатацию в установленный срок.
Но нужно не забывать, что подобного рода разрушения могут уносить с собой и жизни людей, как случилось в Риге (Латвия) в 2013 г. Произошло обрушение крыши торгового центра Maxima. В результате трагедии погибло 54 человека, еще десятки получили ранения. Здание торгового центра было построено в 1980-х годах с использованием железобетонных конструкций. Расследование причин обрушения показало, что одним из основных факторов стала недостаточность поперечного армирования в узлах сопряжения колонн и плит перекрытий.
Зачастую используемые методы поперечного армирования на сегодняшний день так и продолжают имеют ряд недостатков. Сварные соединения часто дефектны, изделия материалоемки, монтаж трудоемок и неточен. Каркасы должны быть надежно заанкерованы, однако на стройке остро стоит проблема в обеспечение прочности сварных соединений данных каркасов. Обычно данное соединение выполняется контактно-точечной сваркой, но качество их выполнения на стройплощадке оставляет желать лучшего, а данные соединения не являются равнопрочными.
Обращаясь к отечественным нормам проектирования (СП 63.13330) можно также обговорить возможность использования поперечного армирование в виде гнутых стержней (хомутов, шпилек и сварных каркасов). Однако и у них выявляются недостатки в виде повышенной податливости стержней в местах загиба на растяжение.
Самые эффективные изделия, предложенные на сегодняшний день, как показывает статистика, довольно дорогие и требуют специального оборудования.
Цель данного исследования — дать теоретическую оценку нынешнему состоянию поперечного армирования, отталкиваясь от базы известных конструктивных решений, и проанализировать возможность модернизации уже известных типов поперечного армирования для более доступного их применения, посредством сравнительной характеристики норм и методик расчета, а также известных экспериментальных данных.
Поставленные задачи:
– Проанализировать применяемые конструктивные решения, выявить их достоинства и недостатки и отобразить полученные данные в сопоставительной таблице;
– Определить наиболее эффективное конструктивное решение и выполнить сравнительную характеристику норм и методик расчета относительно отечественных;
– Рассмотреть известные данные экспериментальных исследований из достоверных источников;
– Дать оценочную характеристику выбранному методу и теоретически проанализировать возможности его модернизации.
Применяемые конструктивные решения узла сопряжения монолитной плиты перекрытия с колонной (торцом или углом диафрагмы жесткости). Для избежания установки поперечного армирования используют устройство капителей и подколонников. Такие методы влекут за собой переход к балочной конструктивной схеме плиты перекрытия, увеличивая общую толщину конструкций. Зачастую такие решения приводят к ряду недостатков в виде неэффективности использования внутреннего объема здания и инженерных коммуникаций. В целом это сказывается и на экономической составляющей из-за увеличения поперечного сечения колонн и утолщения плит, что вызывает использование большего расхода бетона, более высокие нагрузки собственного веса каркаса и возрастающие нагрузки на конструкции фундамента. Нельзя не отметить и вызываемые всем вышеперечисленным увеличивающиеся сроки строительства.
В настоящее время наиболее использованным отечественным конструктивным решением является обыкновенное поперечное армирование в виде каркаса (решетки).
Рис. 1. Рассматриваемый участок с поперечным армирование
Рис. 2. Поперечное армирование участка Ж
Рис. 3. Чертеж каркаса КР 1
Таблица 1
Спецификация на каркас КР1
|
Поз. |
Обозначение |
Наименование |
Кол. |
Масса ед., кг |
Примечание |
|
Каркас КР1 |
|||||
|
1 |
ГОСТ 34028–2016 |
Ø8 А240 L=120 |
5 |
0.047 |
0.23 |
|
2 |
ГОСТ 34028–2016 |
Ø12 А240 L=230 |
2 |
0.204 |
0.41 |
Наиболее острой проблемой данного конструктивного решения является сварка. Приведу пример из практики, когда при использовании в каркасах арматуру А500С при воздействии нагрузок на каркас результат показывал несоответствие с заложенными проектом значениями. В результате проб и разных вариаций сварки пришли к варианту с переходом к арматуре А240. Сталь похуже, но не рифлёная, а гладкая. Испытания в данной вариации дали уже положительный результат.
Рабочим так же была предложены мысль об использовании шпилек при создании каркаса, но это очень трудоемкий процесс, который в реалиях стройки просто нежизнеспособен.
Обсудив данный момент с коллегами, успевшими поработать в нескольких компаниях и имеющих больший жизненный опыт за плечами, вскрылась интересная истина о поперечном армировании. Многие стройки даже не утруждают себя проверками, доверяя просто заключению о качественности сварки. В большинстве случаев полученный значения попросту могут не пройти, а положительные значения показаны лишь на бумаге. Получается остается либо просто доверять качеству сварки и правдивости значений, либо ответственно подходить к контролю и в случаях несоответствия искать альтернативы.
Таким образом мы имеем устоявшееся уже в течение долгого времени конструктивное решение, но имеющее за собой ряд вызывающих вопросы, а порой последствия моментов.
Альтернативные варианты, изложенные в патентах по конструктивным решениям, предложенные русскими авторами:
– Пространственный арматурный каркас, конструкция которого напоминает ферму. Данное решение повышает несущую способность на продавливание, в чем-то даже является экономичным и менее трудоемким при установке на стройплощадке. Из недостатков можно отметить необходимость точной установки арматурных каркасов, что так же включает в себя дополнительную оценку эффективности. Процесс дорогостоящий, трудоемкий и длительный. Решение было предложено в 2008 г. ООО «СПЕЦМЕТРОПРОЕКТ».
Рис. 4. Конструктивное решение ООО «СПЕЦМЕТРОПРОЕКТ»
– Пространственный каркас, выполненный из П-образных изгибов. Модель по своему решению была направлена на более упрощенное изготовление, снижение трудоемкости и металлоемкости при изготовлении, а также уменьшения энергоемкости за счет отсутствия сварочных работ. Из недостатков можно также отметить те же, что и в вышеупомянутом патенте, а также добавить податливость стержней в местах загиба. Вариант был запатентован в 2018 г. Дмитрием Олеговичем Горбуновым.
Рис. 5. Конструктивное решение Горбунова Д. О.
Альтернативные варианты зарубежных компаний:
– Довольно известное решение от Peikko PSB Reinforcement System. Поперечная арматура с высаженными наверху головками. На стерженьках в горячем состоянии расплющивается верх и низ, образуя своеобразные грибочки. Чаще всего устанавливаются в виде лучиков от колонны. Данная концепция обладает высокой несущей способностью, что позволяет в свою очередь уменьшать толщину плиты или увеличить нагрузку на нее. Монтаж такого вида конструкций довольно простой, их можно устанавливать с помощью сварки или механического крепления, но в свою очередь это может повлечь за собой увеличение трудоемкости и стоимости монтажа. Сварные соединения могут оказаться уязвимыми для коррозии, особенно в агрессивных средах. Система также обеспечивает лучшую пластичность перекрытия и совместима с различными типами перекрытий. Для очень тонких перекрытий система может быть неэффективной из-за ограниченной длины стержней. Решение такого типа позволяет добиться экономии в количестве, однако имеет свой недостаток в дороговизне такого вида конструктивного решения.
Рис. 6. Конструктивное решение от Peikko
– Lenton Steel Fortress Punching Shear Reinforcement System. Конструктивное решение предлагает использовать вместо поперечной арматуры стальные полосы, которые устанавливаются в перекрытии непосредственно под опорной зоной колонн или стен. Задумка состоит в том, чтобы пластины, запроектированные определенным образом, перераспределяли нагрузки и предотвращали локальное продавливание бетона. Система обладает улученным сопротивлением продавливанию, что позволяет увеличивать диапазон по работе с толщиной плиты. Так же обеспечивается лучшая пластичность перекрытия. Конструктивное решение может упростить монтаж и снизить стоимость за счет снижения армирования, за исключением отдельных случаев. Монтаж легкий, поставляются пластины в готовом виде и монтируются посредством сварки или механического крепления. Из недостатков в данном методе можно отметить применение в качестве исходного материала полос с перфорациями. Напряжение концентрируется в растянутом элементе при некачественной обработке кромок отверстия. Монтаж в плитах с большим количеством арматуры данных систем может быть достаточно трудоемок и сложен, а при использовании данного метода в колоннах очень большого диаметра просто неэффективен.
Рис. 7. Конструктивное решение от Lenton
– Метод Halfen использует запатентованные стальные каркасы. Система, изготовленная из высокопрочной стали и имеющая особую форму, монтируются в перекрытии в местах возможного продавливания для повышения его сопротивления. Особая форма обеспечивает оптимальное распределение нагрузок. Между собой их соединяют продольной арматурой перекрытия.
Рис. 8. Конструктивные решения Halfen
Чтобы подвести общий итог рассмотренного материала составляем сопоставительную таблицу.
Все перечисленные методы используются разными компаниями в зависимости от необходимого им типа, возможностей и требований к зданию. Конструктивные решения имеют ряд положительных и отрицательных сторон в свою очередь позволяя являться некой альтернативой друг другу
Таблица 2
Сопоставительное сравнение видов конструктивных решений
|
Вид кон-ого решения |
Вид арматуры |
«+» |
«-» |
Экономическое составляющее |
|
Каркас «решетка» |
|
– Повышение несущей способности; – Точность установки; – Улучшение качества бетона; – Метод используется давно; – Уменьшение кол-ва отходов. |
– Сварные соединения часто дефектны, изделия материалоемки, монтаж трудоемок и неточен. |
Метод не очень дорогостоящий |
|
П-образ. изгиб |
|
– Упрощенное изготовление; -Снижение трудоемкости, металлоемкости; -Уменьшения энергоемкости. |
– Необходимость точной установки арматурных каркасов; -Дополнительная оценку эффективности; – Податливость стержней в местах загиба. |
Метод не очень дорогостоящий |
|
Peikko |
|
– Обладает высокой несущей способностью; – Простота монтажа; – Обеспечивает лучшую пластичность; – Экономия в количестве; – Уменьшается расход листовой стали. |
– Трудоемко; – Сварные соединения могут быть уязвимыми для коррозии |
Метод дорогостоящий |
|
Lenton |
|
– Обладает высокой несущей способностью; – Обеспечивает лучшую пластичность. |
– Применение в качестве исходного материала полос с перфорациями; – Сложность монтажа в плитах с большим ко-вом ар-ры; – Неэффективны при большом диаметре колонн; – Затрудненный монтаж. |
Метод дорогостоящий по сравнению с аналогами данного метода |
|
Halfen |
|
– Оптимальное распределение нагрузок; – Уменьшения сроков строительства; – Большая несущая способность; – Применяется с колоннами любого сечения; |
– Системы, по результатам испытаний, — неспособность удерживать наклонные трещины при реальном обрушении. |
Метод дорогостоящий |
Делая вывод по таблице, можно отметить, что на данный момент нет общей альтернативы конструктивным решениям. Имеется в виду необходимость такого метода, которое было бы экономично, менее трудоемко, но при этом удовлетворяло бы заданным требованиям. По итогу получается ряд отечественных методов, но не настолько эффективных как хотелось бы, и ряд дорогостоящих зарубежный, но очень перспективных для более широкого использования на нашем рынке. Несомненно, продолжается поиск вариантов различных конструктивных решений, о чем нам говорят патенты от разных годов выпуска, но также и начинается поиск модернизации уже известных решений, для приведения их к улучшенной форме.
На сегодняшний день более насущной проблемой является экономическая составляющая данного вопроса. В стоимость конструкции входит не только стоимость материала, но и так же стоимость производства и монтажа изделия. Если вновь обратиться к таблице это первое, что бросается в глаза в зарубежных методах. Но нельзя не отметить хорошие результаты, проявляющиеся при их использовании. Таким образом хочется понять возможность использования уже известных вариантов с теоретической оценкой их модернизации.
Анализ наиболее перспективного и эффективного конструктивного решения. Произведем сравнительный анализ метода от Peikko с нормативными требованиями по расчёту железобетонных плит на продавливание согласно СП 63.13330.2012 при традиционном поперечном армировании.
Сравнение будем производить, отталкиваясь от известных экспериментальных данных. Такие методы исследования показывают более наглядные и действительные результаты.
Отличным примером такого экспериментального метода сравнения является [2], где были собраны и обработаны 85 образцов. Рассматривалась прочность по грани колонны, прочность за зоной поперечного армирования и прочность в зоне поперечного армирования.
Заключением по работе являлся вывод о превосходстве метода Peikko по сравнению с традиционными методами.
Такого же рода выводы были получены при сравнительном расчете в программном комплексе «ATENA» в рамках компании.
Отталкиваясь от данных результатов, можно еще раз подтвердить, но уже на практике, все преимущества такого метода. Тем не менее неизбежным остаётся факт о дороговизне оборудования, необходимого для изготовления данного вида поперечного армирования. При этом как таковой альтернативы просто нет.
Возможность модернизации данного метода остается открытым вопросом и требует за собой экспериментального подтверждения эффективности метода.
Заключение
Произведя сравнительную характеристику видов конструктивных решений поперечного армирования, можно наглядно убедиться в ряде их недостатков. Такие погрешности в свою очередь ограничивают их эффективность и надежность. Необходимы дальнейшие исследования в данной области для разработки более усовершенствованного метода, что будет обеспечивать защиту конструкций от разрушения продавливанием. При этом не стоит забывать о уже достигнутых надежных и эффективных методах. Возможно, имеет место быть их дальнейшая модернизация для охвата больших масс, и при дальнейшем рассмотрение именно они и будут являться тем самым необходимым инновационным методом, что будет удовлетворять всем требованиям. Основная цель всех дальнейших исследований в области строительства всегда должна быть направлена на повышение безопасности и надежности зданий.
Литература:
- Свод правил СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.: Минрегион России, 2012.
- Болгов, А. Н., Сокуров, А. З. Поперечное армирование плит в зоне продавливания. // Жилищное строительство. — 2022. — № 7. — С. 25–30.
- Леонович, С. Н., Передков, И. И. Усовершенствованная система поперечного армирования монолитных железобетонных плит перекрытия. // Вестник БНТУ. Строительство и архитектура. — 2023. — № 1. — С. 12–18.
- Объемный арматурный каркас для монолитного ЖБ перекрытия. Патент РФ № 2674445.
- Горбунов, Д. О. Пространственный каркас поперечного армирования для ЖБ изделий. Изобретение. Патент РФ № 2738392.
