Особенности возведения монолитных оболочечных конструкций

Глядя на развитие архитектуры за последний век, можно наблюдать развитие форм и внешнего вида сооружений, от традиционного неоклассицизма до функционального конструктивизма. Вместе с этим, с появлением железобетона, в строительной сфере стал появляться новый тип пространственных конструкций – тонкостенные оболочки. В настоящее время наблюдается стремление уменьшить воздействие человека на окружающую среду, и одним из способов является способность органично вписать здание или сооружение в природный ландшафт. Течение в архитектуре, которое занимается изучением данного вопроса, называется бионика (рис. 1).

Рис. 1. Бионика в архитектуре а – концепция торгового центра, вписанного в ландшафт; б – макет культурнодосугового комплекса; в – концепция аэропорта

Детальные изучения формообразования и расчета оболочечных конструкций показали низкую материалоемкость и архитектурную выразительность конструкций данного типа. Однако, сделать однозначных выводов о технологичности и экономичности их строительства не представлялось возможным. Одним из характерных примеров возведения конструкций данного типа, является «Город наук и искусств» в г. Валенсия, Испания, рис.2. В данном районе построены одни из самых смелых оболочечных сооружений, которые требовали как детальной проработки проектов, так и ответственного подхода к строительству (рис. 2, 3).

Рис. 2. Перспектива на «Город науки и искусств» в Валенсии, Испания

Рис. 3. Покрытие ресторана «L'Oceanogràfic» в Валенсии, Испания

Несмотря на то, что в настоящее время имеется обширная нормативная база по проектированию оболочечных конструкций из железобетона, конкретные рекомендации, инструкции и другие нормативные документы, касающиеся технологических особенностей возведения именно монолитных оболочек покрытия, практически не разрабатывались. Такая ситуация сложилась по причине редкого использования монолитных оболочек покрытий в строительстве, что в свою очередь, связано с целями, которые ставило государство на период восстановления и развития страны во второй половине ХХ века. Отчасти, это связано со сложной унификацией конструкций данного типа и необходимостью проведения «мокрых» работ с применением монолитного железобетона.

Принимая во внимание то, что оболочечные конструкции из монолитного железобетона практически отсутствуют на территории Российской Федерации и стран бывшего СССР, в нормативной докумен- тации всё же отражены немногочисленные требования к технологии их возведения.

В соответствии с [1] технологический комплекс по сооружению монолитных железобетонных конструкций включает в себя опалубочные, арматурные и бетонные работы.

При разработке проекта производства работ осуществляется выбор типа и расчет комплекта опалубки. Данное мероприятие необходимо частично выполнять даже на более ранних стадиях проекта для обоснования стоимости работ. Одним из основных требований [2] к опалубочным работам, применительно к оболочкам, является ограничение угла наклона касательной к поверхности покрытия с горизонтом. Норматив допускает бетонирование на односторонней опалубке при значении угла не более 35°. Данное требование является следствием сползания бетонной смеси при виброуплотнении. Так же, [3] выделяет «опалубку куполов (сфер, оболочек, сводов)» для опалубки наклонногоризонтальных конструкций, однако рекомендаций для разработки подобных вспомогательных обустройств в нормативной базе не обнаружено. Стоит отметить, что [3] дает возможность разработки индивидуальной опалубки из различных материалов (сталь, алюминий, полимеры, древесина, композиты), что позволяет использовать разработки из смежных промышленных областей.

Арматурные работы, в силу достаточной проработки этого вопроса на практике и простоты армирования монолитных оболочек, рассмотрения не требуют.

Как таковые, требования к бетонной смеси, влияющие на технологические показатели, не выявлены. Но, принимая во внимание необходимость бетонирования наклонных поверхностей, сделан вывод, что показатель качества, наиболее влияющий на производство работ это удобо- укладываемость. В соответствии с [4] данный показатель вбирает в себя такие параметры как подвижность и жесткость. Учитывая опыт строительства, можно предположить, что оптимальными значениями данных параметров для стандартных бетонных работ будут являться:

‒ подвижность П-1, с осадкой конуса 1…4 см;

‒ жесткость Ж-3…Ж-4, с осадкой конуса за 21-50 с.

Однако, данную классификацию требуется уточнить опытным путем в зависимости от угла наклона поверхности бетонирования и толщины конструкции. Таким образом, наблюдается отсутствие наработок и рекомендаций в части проведения опалубочных и бетонных работ при сооружении монолитных железобетонных оболочек покрытий, что препятствует их применению на практике.

В мировой практике проектирование и строительство монолитных тонкостенных оболочечных конструкций популяризировал Феликс Кандела. Проектирование и строительство значительного количества оболочек осуществлялось в Мексике. Это стало возможным за счет низких требований нормативных документов страны к безопасности строительных конструкций, а также, за счет относительно низкой стоимости работ. Несмотря на это, построенные сооружения продолжают эксплуатироваться, например: павильон «de Rayos Cósmicos» 1951 г.; ресторан «Los Manantiales» 1958 г.; станция метро «San Lorenzo» 1967 г.; Последними сооружениями Ф. Канделы являются оболочки-покрытия построенные в «Городе наук и искусств» в г. Валенсия, Испания. Основные этапы возведения этих сооружений приведены на рисунках 4 и 5 [5]. На рисунке 6 приведена готовая конструкция оболочки покрытия.

Рис. 4. Опалубочные работы а – укладка опалубочных балок на инвентарные подмости; б – укладка досок настила, арматурные работы

Рис. 5.Торкрет бетонирование оболочки «мокрым» методом;

Рис. 6. Готовая конструкция оболочки покрытия

В отечественной практике можно найти единичный случай сооружения оболочечной конструкции. Таким примером является купол-оболочка Новосибирского театра оперы и балета, бетонирование которого велось в 1933 году (рис. 7 и 8). Сооружение и в настоящее время остается одним из самых больших театральных помещений в стране [6].

б)

Рис. 7. Опалубочные работы при сооружении купола а – устройство подмостей с применением деревянной башни и ферм; б – укладка досок

настила

Рис. 8. Торкрет бетонирование оболочки купола (информация о методе торкретирования отсутствует)

Анализ этапов возведения этих сооружений дает возможность уточнить и скорректировать вышеописанные положения о проведении опалубочных и бетонных работ при возведении монолитных оболочек.

При проведении опалубочных работ на технологической площадке сооружаются строительные леса из инвентарных подмостей и опалубочных балок. Балки нужно ориентировать таким образом, чтобы обеспечить их наименьший изгиб, это достигается ориентацией балок под углом близким к 45° к образующим оболочки. Так же, следует предусмотреть усиленное ребро опалубки под главной образующей. Последним элементом конструкции опалубки является настил из досок, длина ко- торых обеспечивает опирание минимум на 3 опалубочные балки, ширина доски принимается исходя из кривизны конструкции и технологичности производства работ. Толщина доски принимается исходя из расчетов, исключив недопустимые прогибы. Дальнейшие мероприятия, связанные с подготовкой поверхности опалубки, являются стандартными (рис. 9). Как можно заметить, конструкция данной опалубки имеет сходство со стандартным комплектом опалубки для сооружения плит перекрытий, за исключением досок настила, которым необходимо придать криволинейный профиль, обеспечивающий прочность и жесткость конструкции.

Рис. 9. Принципиальная схема устройства опалубки для сооружения монолитных оболо- чек покрытия

В ходе анализа работ, проводившихся при строительстве вышеописанных сооружений, было выявлено, что наиболее рациональным методом укладки бетонной смеси, является торкрет бетонирование по «мокрой» технологии (в сопло распылителя подается готовая торкрет-смесь) (рис. 10). Данный метод позволяет наносить смесь на вертикальные и отвесные конструкции, что открывает широкие воз- можности для бетонирования. Технология ведения работ и требования к составу смеси подробно описаны в [7, 8]. Стоит отметить, что в [8] для бетонирования вертикальных и отвесных конструкций рекомендуют применять «сухую» технологию ведения работ (сухая смесь подается в сопло распылителя и там смешивается с водой). Однако, в мировой практике всё чаще отказываются от «сухой» технологии в пользу «мокрой» по причинам экономии материалов (до 15% смеси отскакивает от поверхности и приходит в негодность при

«сухой» технологии) и повышении технологичности (отскочившая смесь загрязняет место ведения работ).

Рис. 10. Принципиальная схема технологического комплекса при торкрет-бетонировании «мокрым» методом

Подводя итоги, можно отметить, что объемы опалубочных работ. Таким обра- данные уточнения и корректировки, выявленные в ходе анализа технологии сооружения, считаются правомерными. Так как материалы и конструкция опалубки не противоречат требованиям нормативной документации, а использование торкрет бетонирования для оболочек покрытия допускается областью применения [8]. Однако, положение [2] не рекомендует бетонировать конструкции наклоном более 35° в односторонней опалубке. Данное ограничение не позволяет применение торкрет бетонирования, тем самым увеличивая зом, из вышеизложенного следует, что существует необходимость в проведении ряда исследований по сооружению опалубки оболочек и их бетонированию с последующей проверкой качества выполненной конструкции оболочки. Полученные данные позволят внести ясность в существующую нормативную базу, в частности в [2], и создать рекомендации по возведению монолитных оболочек покрытия и других пространственных железобетонных конструкций.