О проектировании конструктивных элементов монолитного железобетонного каркаса зданий

Введение. Монолитный безригельный каркас здания образуется системой жёстко соединённых колонн и плит перекрытия и покрытия (рис. 1). В настоящее время актуальной является проблема, связанная с разработкой новых более эффективных конструктивных решений монолитного железобетонного каркаса пониженной материалоемкости, основанных прежде всего на применении бетонов и арматуры более высоких классов прочности и методики расчета их несущей способности.

Рисунок 1 – Монолитный безригельный каркас жилого дома :

1 – колонна; 2 – плита перекрытия

Проблемы и перспективы применения бетонов повышенной и высокой прочности при проектировании и строительстве каркасно-монолитных зданий и сооружений можно сформулировать следующим образом [1-3]:

применение в практике проектирования и строительства в Российской: Федерации в массовом порядке бетонов классов прочности В20-В25 не соответствует существующим техническим возможностям предприятий стройиндустрии и приводит к завышению материалоемкости, трудозатрат и стоимости объектов, возводимых в монолитном железобетоне;

предприятия стройиндустрии в последние годы освоили и способны сегодня на основе выпускаемых серийно современных химических добавок (суперпластификаторы, комплексные добавки с противоморозным эффектом до -25 °С) производить и поставлять для монолитного строительства пластичные бетонные смеси групп подвижности ПЗ-П5, обеспечивающие технологичность укладки смесей и получение бетонов классов прочности на сжатие B30-B60 при существенном расширении возможностей монолитного строительства в зимних условиях.

Конструктивные элементы монолитного железобетонного каркаса в период эксплуатации подвержены центральному и внецентренному сжатию (колонны) или изгибу (монолитные плиты перекрытий) [4-7].

Существующие подходы к определению эффективности повышения прочности бетона для снижения расхода арматурной стали для сжатых и изгибаемых железобетонных элементов не позволяют получить обобщающие представления о связи прочности бетона и расхода арматуры.

Цель работы – теоретическое обоснование применения повышенных классов прочности бетона и арматуры в конструкциях безригельного монолитного железобетонного каркаса гражданских зданий и сооружений.

Методика выполнения работы предусматривала аналитическое достижение цели с применением положений математической статистики.

Результаты и обсуждение. В центрально сжатой колонне при постоянстве размеров её поперечного сечения (следовательно, и постоянстве гибкости элемента) повышение прочности бетона наиболее эффективно влияет на снижение расхода арматуры. Расчёты должны вестись с учётом изменения гибкости сжатого элемента. Это следует из нижеприведенных формул и графических данных (рис. 2).

или , (1)

где У ■. - несущая способность центрально сжатого элемента; .<.. -площадь сечения элемента; ^ _? , ^.. - расчетные сопротивления бетона и арматуры на сжатие соответственно; .<. - площадь рабочей арматуры; .' - коэффициент продольного изгиба; – коэффициент армирования.

Коэффициент армирования м

Рисунок 2 – Зависимости несущей способности центрально сжатой колонны от класса бетона по прочности на сжатие и коэффициента рабочего армирования (арматура класса А400)

Во внецентренно сжатых элементах при малых эксцентриситетах приложения продольной силы в сечении колонны (рис. 3б) снижение расхода арматуры при повышении класса прочности бетона происходит практически также, как и в центрально сжатых элементах.

Этот случай охватывает два варианта напряжённого состояния:

• 1.    Когда всё сечение сжато.

• 2.    Когда сжата большая часть сечения, находящаяся ближе к продольной силе, а противоположная часть сечения испытывает относительно слабое растяжение.

Рисунок 3 – Схемы усилий в нормальных сечениях внецентренно сжатых элементов с большим (а) и малым (б) эксцентриситетами

Разрушается элемент вследствие преодоления предельных сопротивлений в бетоне и арматуре в части сечения, ближе расположенной к силе. При этом напряжения (сжимающие или растягивающие) в части сечения, удалённой от сжимающей силы, остаются низкими, и прочность материалов здесь недоиспользуется.

Внецентренно сжатые элементы с большим эксцентриситетом приложения продольной силы (рис.3а) по работе приближаются к изгибаемым элементам. Коэффициенты снижения расхода арматурной стали с повышением класса прочности бетона показаны на рис. 4.

Рисунок 4 – Зависимости снижения расхода арматуры А400 во внецентренно сжатых элементах при повышении класса бетона по прочности на сжатие от В20 до В50 для гибкости элемента λ = 10 и a s0 = 0,8 (коэффициент, характеризующий процент армирования):

1 – e o /h 0 =l,33; 2 – e 0 /h 0 =0,875; 3 – e 0 /h 0 =0,458; 4 – e o /h 0 =0,250; 5 – e 0 /h 0 =0,125

Графические данные показывают, что в случае больших эксцентриситетов расход арматурной стали с повышением класса прочности бетона снижается в меньшей степени, чем в случае малых эксцентриситетов (для сравнения: кривая 1 – соответствует случаю больших эксцентриситетов и кривая 2 – соответствует случаю малых эксцентриситетов). Рациональным с точки зрения снижения расхода арматуры является повышение класса прочности бетона до двух раз. Последующее повышение класса прочности бетона технико-экономического смысла не имеет. Предлагаемые зависимости позволяют оперативно выполнить предварительную оценку техникоэкономической эффективности применения высокопрочных бетонов по критерию снижения расхода арматуры.

В изгибаемых элементах – плитах, балках, ригелях эффект по снижению расхода арматуры с повышением класса прочности бетона связан с исходным процентом рабочего армирования. Например, для арматуры класса А400 при исходном коэффициенте армирования 0,02 повышение прочности бетона от уровня В25 до В40 позволяет снизить расход рабочей арматуры на 11,8%, до В60 – на 17,2%, до В70 – на 19,9% (рис.5). Для класса арматуры (А500С) эффект составит соответственно 29, 33 и 35%.

Расчёты показывают, что основная часть эффекта снимается при удвоении класса прочности, что до 20-30 % снижает расходы арматуры. Последующее повышение прочности заметного эффекта не даёт. Можно считать в свете этого, что оптимальным классом прочности бетона для изгибаемых элементов по критерию снижения расхода арматуры будет класс В40. Применение бетонов классов прочности В50-В60 в изгибаемых (плитных) элементах с целью снижения расхода арматурной стали будет неэффективно.

Рисунок 5 – Взаимосвязь коэффициентов изменения расхода арматурной стали (А400) и расчетного сопротивления бетона на сжатие для изгибаемых элементов (исходный класс бетона В25)

Заключение. На основании проведенных исследований разработаны основные положения по проектированию сжатых и изгибаемых элементов монолитного каркаса гражданских зданий.