Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин

Прочный фундамент – это основа надёжного здания или сооружения. Именно фундамент и подземная часть здания находятся в самых неблагоприятных условиях, подвержены воздействию грунтовых вод, щелочных соединений и бактериальных наростов. В состав грунтов входят: карбонаты кальция и магния, способные растворяться в воде под агрессивным воздействием углекислоты, сульфаты (чаще всего сульфат кальция – гипс), сульфиды (в виде серного колчедана – пирита), а также хлориды. Данные соединения наиболее опасны для фундаментов в период эксплуатации, что должно учитываться при проектировании [1].

При проектировании зданий и сооружений необходимо предусматривать меры, снижающие воздействие агрессивных сред на внешние строительные конструкции.

Сохранение ведущей роли бетона и железобетона в различных областях строительства требует постоянного совершенствования методов проектирования железобетонных конструкций.

Повышению качества проектирования таких конструкций способствовали многочисленные исследования, выполненные в последние десятилетия, и сопутствовавший им пересмотр норм проектирования. Однако к середине восьмидесятых годов какие-либо пособия, отражающие в достаточной мере современное состояние строительной науки и учитывающие требования действующих норм, практически отсутствовали. Этот пробел, по замыслу ее авторов, должна была восполнить капитальная монография “Проектирование железобетонных конструкций. Справочное пособие”, вышедшее двумя изданиями — в 1985 и 1990 годах, и по сию пору является настольной книгой инженерно-технических работников проектных и строительных организаций и студентов строительных вузов [2, 3].

Поскольку в бетоне содержится большое количество пор, то напряжения у одного отверстия накладываются на напряжения у рядом расположенного отверстия. В результате в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, возникают как продольные сжимающие, так и поперечные растягивающие напряжения — вторичное поле напряжений.

Так как сопротивление бетона растяжению на порядок ниже, чем сжатию, а прочность сцепления цементного камня с заполнителями может быть и того меньше, вторичные растягивающие напряжения в сжатом бетоне, ещё далёком от исчерпания прочности, местами достигают предельных значений и приводят к образованию микротрещин.

Трещины в железобетонных конструкциях могут быть вызваны условиями твердения бетона (его усадкой) или силовыми и деформационными воздействиями (внешней нагрузкой, осадкой опор, изменением температуры). Трещины от силовых и деформационных воздействий чаще всего возникают в растянутых зонах сечений, реже – в сжатых.Далее в нашей работе будем рассматривать образование трещин от силовых воздействий.

Трещины в растянутом бетоне, незаметные на глаз, появляются даже в безукоризненно выполненных конструкциях, что обусловлено малой растяжимостью бетона, неспособного следовать за значительными удлинениями арматуры при достаточно высоких рабочих напряжениях. Опыт строительства и эксплуатации сооружений говорит о том, что микротрещины не опасны, а даже напротив – оказывают значительное сопротивление проникновению влаги к арматуре и не нарушают общей монолитности железобетона.

Более крупные трещины понижают жесткость конструкции, облегчают доступ влаги и агрессивных сред к арматуре [1].

Литературный обзор

Значительный вклад в развитие определения параметров прочности и расчет железобетонных конструкций по прочности, трещиностойкости и деформациям был сделан следующими учеными: Баширов Х.З., Кодыш Н., Никитин И.К., ТрекинН.Н., Соколов Б.С., Никитин Г.П., Габрусенко В.В., Крыгина А.М., Чернов К.М., Абаканов М.С. [15-20]

Белов Н.Н., Югов Н.Т., Копаница Д.Г., Югов А.А., Черникова Е.В., Мамцев В.С., Устинов А. внесли вклад, рассмотрев в своих работах расчет прочности конструкций из бетонных и железобетонных плит на высокоскоростной удар модельным снарядом [21].

Жук Т.А., Мельников В.А. Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин./

Российскими учеными Настич О.Б., Хворост В.В., Черновым К.М., Башировым Х.З., Федоровам В.С., Колчуновым В.И., Плевковым В.С., Малиновским А.П., Балдиным И.В., Беловым Н.Н., Юговым Н.Т., Копаница Д.Г., Юговым А.А. Кузнецовой И.С., Войцеховским А.В., Николаевым Д.В.были проведены работы по определению прочностных характеристик железобетонных конструкций [22-29].

Также Маилян Л.Р., Баташев В.М. рассмотрели влияние распределения арматуры на прочность и деформативность неразрезных железобетонных балок. Решали вопросы прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона. Исследовали прочность, трещиностойкость и деформативность железобетонных элементов кольцевого сечения [30,31].

Дегтерев В.В., Икрамов С. рассмотрели расчёт на прочность изгибаемых железобетонных элементов с учётом характера диаграммы растяжения стали и влияние трещин в бетоне и пластических деформаций арматуры на распределение усилий в статически неопределимых железобетонных балках [31,32].

Зарубежными учеными Брадж а M., Пунми а Б. Ц., АжокКумарДжан, АрунКр., Харр M.,E.В енкатрамаи х Ц., Витлов Р., Чеун г Ю. K., Зинкиви ц O.Ц., Деса и Ц. С., Кристиа н Дж. T., Боуланже р Р. В., Курра с Ц. Дж., Кутте р Б. Л., Вильсо н Д. В., Абжхар и A., Никола у С., Мюлонаки с Ж., Газета с Ж., Тазо х T., Бранд л Х., Маужер и M., Мотт а E., Рацит иЕ., . ПлевковВ .С, МалгановA .И. ,ШтуковП .В., КалашевK.В., СаркисовД.У., БалдинИ .В, БалдинС .В., Колмагоров A.Ж. был сделан большой вклад в науку в изучении грунтов и взаимодействие фундаментов мелкого и глубокого заложения. Изучение грунтовых механизмов, сейсмических воздействий грунтов, взаимодействие бетонных конструкций в агрессивных условиях [3342].

В данной статье предложены решения возможности экономии расхода арматуры при помощи применения новой, разработанной методики с применением дополнительной стены в данном проекте. Внедрение новой инновационной технологии, устройство двойной стены, при помощи которой удается защитить несущую стену от вредных воздействий агрессивной среды грунтовых вод, удается снизить диаметр арматуры. Это позволяет выиграть в финансовом плане, не нарушая конструктивные расчеты здания.

Также представлены результаты проверки ручного расчета в программном комплексе SCAD, что позволяет наглядно продемонстрировать, какие изменения происходят за счет применения дублирующей стены.

Цели и задачи

Цель исследования: применение меньшего диаметра арматуры и допущение возможности раскрытия трещин в железобетонных конструкциях нулевого цикла.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• -    обосновать применение данной методики;

• -    дать подробный экономический анализ снижения расхода материалов.

Расчет прочности железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин

Используя новую разработанную методику с применением дополнительной стены в данном проекте, появляется возможность экономии расхода арматуры. Внедрение новой инновационной конструкции -устройство двойной стены, при помощи, которой удается защитить несущую стену от вредных воздействий агрессивной среды грунтовых вод - позволяет снизить диаметр арматуры. Это обеспечивает преимущество в финансовом плане, не нарушая конструктивные расчеты здания.

Проектирование фундаментов, эксплуатирующихся в агрессивной среде, производится с учетом требований СНиП 2.03.11-85:Свайные фундаменты [4]. При проектировании бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивной среде, их коррозионную стойкость следует обеспечивать применением коррозионностойких материалов, добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона и его защитную способность для стальной арматуры, снижением проницаемости бетона технологическими приемами, установлением требований к категории трещиностойкости, ширине расчетного раскрытия трещин, толщине защитного слоя бетона [4].

Жук Т.А., Мельников В.А. Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин./

В случае недостаточной эффективности названных выше мер должна быть предусмотрена защита поверхности конструкции. Для обеспечения защиты конструкции нами предлагается устройство дополнительной наружной стены.

В процессе образования трещин различают три этапа: возникновение трещин, когда они могут быть невидимыми; появление трещин, когда они видны невооруженным глазом (шириной 0,05...0,1 мм); и раскрытие трещин до предельно возможного значения.Проектирование бетонных и железобетонных конструкций для работы в условиях агрессивной среды следует вести с учетом дополнительных требований, предъявляемых СНиП 2.03.11-85: Свайные фундаменты [4]. Во избежание раскрытия продольных трещин следует принимать конструктивные меры (устанавливать соответствующую поперечную арматуру), а для предварительно напряженных элементов, кроме того, ограничивать значения сжимающих напряжений в бетоне в стадии предварительного обжатия (см. п. 1.29 СНиП 2.03.01 -84). Подземные горные выработки [5].

С увеличением нагрузки появляются новые трещины. Блоки между первичными трещинами в процессе трещинообразования делятся, как правило, на 2...3 участка, так что расстояния между трещинами становятся примерно одинаковыми. Весь процесс трещинообразования по мере нарастания нагрузки носит затухающий характер, и в работе конструкции наступает момент, когда новые трещины уже не появляются, а рост нагрузки сопровождается только раскрытием старых трещин. Стабилизация трещинообразования наступает при напряжениях в арматуре, в сечениях с трещинами в пределах 250...300 МПа.

В нормах проектирования максимально допустимая ширина продолжительного раскрытия трещин для конструкций, эксплуатируемых в обычных условиях, принята равной 0,3 мм. В некоторых справочниках эта величина рассматривается и как граница, за которой наступает аварийное состояние конструктивных элементов [5].

Был произведен расчет подвальной стены многоэтажного здания на возможность допустимого трещинообразования в стене "нулевого цикла". И применение дублирующей стены [7, 8].

Рассмотрим расчетную модель здания на примере 11-ти этажного типового жилого монолитного дома, используемого в строительных проектах группы компаний ООО «БАЛТКОМ», с применением в подземной части здания «дублирующей стены». При расчёте конструкций нулевого цикла и создании его расчётной схемы наиболее оптимальным с точки зрения точности и производительности является способ моделирования двойной стены с помощью программного комплекса SCAD.

В системе строится вся модель будущего здания в целях:

• -    определения усилий в конструкциях «нулевого цикла»;

• -    уточнения количества свай;

• -    определения расчетного армирования основных несущих конструкций «нулевого цикла»;

• -    проверка общей устойчивости здания.

На данном этапе мы задались всеми необходимыми параметрами для построения расчетной модели в программном комплексе SCAD. Общая геометрия определяется из раздела Архитектура.

После ввода всех необходимых данных в системе проводится расчет. Найденные усилия и перемещения в элементах не должны превышать допустимых значений, что подтверждает прочность и жесткость конструкций.

При проектировании используем две стены. Одна стена выполняет несущую функцию, вторая – защитную. Защитная стена толщиной 120 мм, выполнена из гидротехнического бетона, защитный слой межстенового пространства заполняет эструдированныйпенополистирол. Защитная стена обеспечивает не только сухость, но и защиту несущей стены от агрессивного воздействия грунтовых вод (рис.2) [8]. Такие модели в настоящее время получили распространение как численные расчеты основания зданий в трехмерной постановке с помощью программно-вычислительных комплексов Plaxis, Ansys, FemModels, SCAD, Лира, Robotи др. [9-11].

Дублирующая стена выполнена из монолитного железобетона, армирована в 1 ряд, также имеется зазорный рубец на уровне земли, который выполняет функцию поддержки облицовочного кирпича 1 -го этажа и нейтрализации опасного воздействия расширения грунта в зоне промерзания на основную несущую стену, что позволяет продлить срок службы основания и позволяет сделать расчет в SCAD с условием раскрытия трещин. Обеспечивает экономию армирования на 1 м2 при раскрытии трещин, так как можно использовать арматуру меньшего диаметра.

Жук Т.А., Мельников В.А. Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин./

Рисунок 1. Общий вид расчетной модели. Типовой жилой дом

Рисунок 2. Элемент стены

Жук Т.А., Мельников В.А. Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин./

При помощи программы SCAD был произведен расчёт [9], благодаря которому наглядно видно, какие изменения происходят за счет применения дублирующей стены.В первом варианте расчет сделан без дублирующей стены и, соответственно, без раскрытий трещин. В результате расчетный диаметр рабочей арматуры составил 22 мм, шаг 300 мм. Расчетная схема представлена на рисунке 3. Второй вариант рассчитан с применением дублирующей стены и, соответственно, с раскрытием трещин, после получения результатов получено значение диаметра арматуры 16 ммс шагом 300 мм. Удалось снизить диаметр применимой арматуры.

Рисунок 3.Отображение изополей армирования пластин без раскрытия трещин

Рисунок 4. Отображение изополей армирования пластин с раскрытием трещин

Как видно по изополям, использование данной методики дает возможность применения арматуры меньшего диаметра в несущей стене.

Экономический эффект, получаемый вследствие применения данной методики, обосновывается снижением расхода материала т.к. посредством снижения диаметра арматуры мы добьемся снижения расхода массы арматуры на 1 погонный метр стены. Пример армирования стены (рисунок 5).

Жук Т.А., Мельников В.А. Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин./

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №4 (31)

Рисунок 5. План армирования стены

Рассмотрим 20 погонных метров стены высотой 3м. В соответствии с ценами в СПб на 2015 г.можно оценить экономическую целесообразность применения дублирующей стены (таблица 1).

Таблица 1. Результат экономического анализа

№ позиции	Наименование работ	Без учета раскрытий трещин (Ø 28, М 250)	С учетом раскрытия трещин (Ø 20, М 150)
1	Объем бетона несущей стены	18 м3	18 м3
2	Объем бетона дублирующей стены	-	7,2 м3
3	Стоимость бетона(1м3)	2 8000 р.	2 500 р.
4	Сумма объема бетона	50 400 р.	63 750 р.
5	Объем стали	3 845 кг	3 845 кг
6	Стоимость 1 т. метала 24 500 р.	94 202 р.	72 250 р.
7	Объем пенополистеролпеноплекс 35 (м2)	-	1089,8
8	Стоимость пенополистеролпеноплекс 35. 1 м2 -268 р.	-	65 063 р.
Итого:		144 602 р.	201 063 р.

Вывод:

Применение данной технологии позволило сэкономить массу арматуры, снизив ее стоимость на 21 952 р. в расчете на 20 п.м. несущей стены.

Заключение

Используя новую разработанную методику с применением дополнительной стены в данном проекте, появляется возможность экономии расхода арматуры. Внедрение новой инновационной конструкции устройства двойной стены позволяет защитить несущую стену от вредных воздействий агрессивной среды грунтовых вод, вследствие чего удается снизить и диаметр арматуры. Это позволяет выиграть в финансовом плане, не нарушая конструктивную часть проекта.

Жук Т.А., Мельников В.А. Прочность железобетонных конструкций «нулевого цикла» при допущении возможности раскрытия трещин./