Железобетонные составные конструкции транспортных зданий и сооружений

Актуальность темы

исследования. Железобетонные конструкции большинства транспортных зданий и сооружений, в частности, железнодорожных — промывочно-пропарочных станций (ППС), пунктов подготовки вагонов (ППВ), ремонтно-экипировочных депо (РЭД) и др. -работают в специфических эксплуатационных условиях. Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что первичная антикоррозионная защита относительно быстро выходит из строя. Данные натурных обследований автора выявили неэффективность и вторичной защиты таких зданий от коррозии. Для обеспечения их эксплуатационных свойств нашли применение конструктивные решения комплексных химически стойких элементов с первичной (заводской) защитой от коррозии в сборно-монолитном исполнении на основе сочетания материалов с различными физико-механическими свойствами: обычных цементных и полимерцементных бетонов, полимербетонов и др. Такие комплексные коррозионно-стойкие конструкции по характеру работы являются составными.

К составным относится и большинство сборно-монолитных железобетонных конструкций, которые сочетают в себе отдельные положительные качества как сборного, так и монолитного железобетона, благодаря чему являются весьма рентабельными и удобными для строительства. В частности, для этого вида конструкций сохраняется возможность вести строительство индустриальными методами, предусматривается весьма простое устройство стыков в узлах сопряжения в виде выпусков арматуры и шпонок, обеспечивается неразрезность сборных элементов путём соответствующего их армирования на промежуточных опорах и тем самым в значительной степени увеличивается жёсткость и пространственная устойчивость всего сооружения в целом.

Сборная часть этих конструкций помимо обычного и предварительно напряжённого железобетона может предусматриваться из сталефибробетона стеклофибробетона, полимербетона и других, в том числе местных, материалов.

Принятие в практических расчетах предпосылки о совместности работы бетона и арматуры, положенной в основу современных расчетных методик, противоречит опытным данным с выявленном эффектом нарушения сплошности и сущности процесса деформирования составных твердых тел. Вместе стем, железобетонные составные конструкции по праву занимают ведущее место в капитальном строительстве в качестве основного строительного материала и поэтому совершенствование методологии их расчетов является важной актуальной проблемой.

Степень разработанности темы исследований. В России и странах зарубежья из всего разнообразия железобетонных составных конструкций наибольшее распространение по ряду объективных причин (эффективное применение сборного железобетона, значительные объемы строительства, технологический уровень производства железобетона и др.) получили сборно-монолитные решения балок, стеновых панелей и. обычных ребристых плит покрытия, у которых поперечное сечения выполняется комплексным — из железобетона и сталефибробетона (под тяжёлые нагрузки) или утолщённая полка которых изготовлена из конструкционно-теплоизоляционного материала (поризованного керамзитобетона), а продольные и поперечные рёбра — из тяжёлого бетона.

Зональное размещение материалов в железобетонных составных конструкциях позволяет наряду с высокопрочными бетонами использовать бетоны пониженных классов и достичь экономии по расходу стали. Совершенно очевидно, что степень такой экономии и успех решения поставленных в работе задач в значительной мере зависит от предпосылок, положенных в основу решений и степени сложности математического аппарата, который при этом используется. Сегодня в теоретической литературе по избранной теме, чаще всего, подробно приводятся расчетные зависимости, принципы алгоритмизации задач расчета, и в значительно меньшей степени уделяется внимание физическому обоснованию используемых формул. Практически не затрагивались вопросы о физической природе происходящих при этом явлении и в подавляющем большинстве экспериментальных исследований железобетонных составных конструкций, где, как правило, ставились задачи получения количественных данных об их сопротивлении. Между тем, любому творчески мыслящему профессионалу важно не только формально рассчитать конструкцию, но и понимать почему используются та или другая зависимость, каков их физический смысл.

Одной из проблемных задач до настоящего времени продолжает оставаться расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям. И хотя в последние годы, в решении этой проблемы достигнут заметный прогресс, определилось новое направление, все же многие важные вопросы остаются неизученными, в частности применительно к исследованию прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций. Здесь практически отсутствуют расчетные модели, отражающие все многообразие различных типов наклонных трещин, не разработана математическая модель для определения проекций опасной наклонной трещины, как функции многих переменныхне нашли должного отражения исследования влияния основных факторов на сопротивление железобетонных составных конструкций и т.л.

Все это не позволяет избежать трудоемкого экспериментирования и является серьезным препятствием для повышения надежности и достоверности расчетов ответственных несущих конструкций, в том числе и ориентированных на использование современных вычислительных комплексов.

Данные натурных обследований автора выявили также неперспективность вторичной защиты железобетонных конструкций от коррозии, необходимость коренного пересмотра сложившейся практики проектирования и строительства транспортных зданий и сооружений и создания нового направления в решении этой глобальной проблемы практического строительствасвязанного с разработкой новых перспективных конструктивных решений слоистых конструкций с первичной (заводской) защитой их от коррозии в их сборно-монолитном исполнении.

Таким образом возникла необходимость в постановке и разрешении новых задач по ключевым вопросам разработок этого перспективного направления, имеющего важное государственное значение.

Отсюда следует, что разработкой новых перспективных конструктивных решений транспортных зданий и сооружений и железобетонных составных конструкций с проведением экспериментальнотеоретических исследований по детальному изучению их напряженнодеформированного состояния с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетонаявляется весьма актуальной проблемой. Решение этой проблемы может рассматриваться как новое крупное достижение в создании новых железобетонных составных конструкций и развитии теории и методов их расчета.

Цель работы: построение расчётных моделей сопротивления железобетонных составных конструкций с наиболее полным учётом действительного напряженно-деформированного состояния и синтез на этой основе эффективных конструкций и конструктивных систем транспортных зданий и сооружений.

Задачи исследований:

— провести обобщение и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований, опубликованных в научной печати;

— разработать методику и провести экспериментальные исследования железобетонных составных конструкций с целью выявления характерных особенностей сопротивления разрушению, деформированию, образованию и раскрытию трещин;

— разработать аналитический аппарат оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций по первой и второй группам предельных состояний с учетом выявленных особенностей их действительной работы;

— провести численные исследования и выполнить сравнительную оценку предлагаемого расчетного аппарата с экспериментальными данными и нормативной методикой расчета;

— разработать новые решения эффективных железобетонных составных конструкций и конструктивных схем проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений.

Научная новизна работы состоит в развитии теории расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям и синтезе на этой основе новых конструктивных решений транспортных зданий и сооружений, в частности:

1. Построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп, содержащие:

— экспериментально выявленный многоуровневый процесс трещинообразования (в том числе — веерообразный), раскрытия трещин в железобетонных составных конструкциях и предложенную иерархию разделения трех типов трещин на характерные веера;

— расчетную модель сопротивления из пяти блоков для моделирования процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;

— расчетные схемы, рабочие гипотезы, разрешающие уравнения и методику расчета по предельным состояниям железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным трещинам трех типов;

— расчетные схемы разных уровней анализа (для определения относительных деформаций бетона и арматуры между трещинами в условиях сложного напряженного состояниядля моделирования различных видов разрушения в зоне наклонных трещин и т. п.), с ориентацией выходных параметров для этих схем на расчетную схему составного стержня;

— математическую модель для аналитического определения величины горизонтальной проекции опасной наклонной трещины в задачах прочности и ширины раскрытия трещин как функции многих переменных.

2. Опытные данные о характере и эффектах деформирования, образования, развития и раскрытия нормальных и наклонных трещин в железобетонных составных конструкциях, полученные на основе натурных и лабораторных экспериментальных исследований сложного напряженно-деформированного состояния бетона, продольной и поперечной арматуры при различных схемах загружения, характере армирования, классах бетона.

3. Новые железобетонные составные конструкции для проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений: слоистые плиты низких сводов для покрытий и перекрытий зданий многоцелевого назначения из мелкозернистого и крупнозернистого высокопрочного лёгкого бетона с торцевым объединяющим элементом из высокопрочного бетона;

— коррозионно-стойкие двухконсольные арочные слоистые плиты «на пролет» двух типов с использованием легких и высокопрочного бетоновнесущие слоистые стеновые панели трех групп с использованием мелкозернистого полимербетона и конструкционного керамзитобетона, сопрягаемые с плитами покрытий с помощью жестких рамных узлов;

— несущие стеновые панели, вентилируемые через каналы и через слой крупнозернистого керамзитобетонабалочные слоистые конструкции (в том числе большепролетные) с использованием высокопрочного бетона и полимербетона, или полимерцементого бетона, или листовой облицовки.

4. Конструктивные системы транспортных зданий, отличающиеся тем, что внутренние несущие стены заменяются рамной системой, включающей коррозионно-стойкие колонны и подстропильные слоистые балки с первичной заводской) защитой от коррозии с двухконсольными арочными плитами покрытия из легкого и высокопрочного бетонов, а стены выполняются из специально разработанных групп несущих коррозионно-стойких панелей.

Теоретическая и практическая значимость работы.

На основе сформулированных предпосылок разработана теория и построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным сечениям.

Методы расчета железобетонных составных конструкций с более полным учетом параметров и особенностей деформирования арматуры и бетона позволяет получить в одних случаях более достоверные решения, в других — выявить резервы для эффективного использования материалов.

Разработаны рекомендации по проектированию, а также новые типы железобетонных составных конструкций и подтверждена их высокая э ф ф ективно сть.

Методология и методы исследований. Использован экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела, теории составных стержней и теории железобетона.

Положения, выносимые на защиту:

— результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций в зоне нормальных и наклонных трещин при различных схемах армирования и загружения;

— модернизированная теория силового сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям по нормальным и наклонным трещинам трех типов, учитывающая условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффект нарушения сплошности бетона;

— алгоритмы расчетов и результаты численных исследований с использованием разработанной расчетной методики, а также результаты их сопоставительного анализа с опытными данными и нормативной методикой расчета;

— рекомендации по проектированию и синтезу новых конструктивных схем и железобетонных составных конструкции для транспортных зданий и сооружений.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность основных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается: построением расчетной модели сопротивления железобетонных составных конструкций на основе закономерностей механики твердого деформируемого тела, теории составных стержней, теории железобетона и реальных условий деформированиясравнительным анализом результатов с использованием разработанной методики расчета с экспериментом и расчетами по нормативной методике, получившей наибольшее распространение в практике проектирования;

— эффективностью предложенных расчетных зависимостей, использованных при проектировании железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений.

Основные положения диссертации доложены и одобрены: на 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона, 9−14 сентября 2001 г. (г. Москва) — на 2-ой Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — пути развития» (Москва, 2005 г.) — на Международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В. Н. Байкова, 4−5 апреля 2012 г. (г. Москва, МГСУ) — на семинаре кафедры «Строительные конструкции и материалы» Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК» (г. Орел, 2012 г.) — на расширенном семинаре кафедры «Уникальные здания и сооружения» и кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (г. Курск, 2013 г.) — на кафедре «Строительные конструкции, здания и сооружения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (г. Москва, 2013 г.).

Внедрение результатов исследования в практику проектирования и строительства.

Результаты проведенных исследований использованы: научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона им. A.A. Гвоздева (НИИЖБ им. A.A. Гвоздева) ОАО «НИЦ «Строительство» при подготовке нормативных документов (в частности, актуализации СП 63.13 330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения);

— институтом «НИИКВОВ» при проектировании железобетонного плитно-балочного покрытия размером в плане 60*60 м. для резервуаров линейных очистных сооружений прибрежного кластера Олимпийских объектов г. Сочи;

— ООО «Инфорспроект» при вариантном проектировании сборно-монолитных трибун стадиона «Зенит» в г. Санкт-Петербурге;

— институтом «Проекттранстрой» при проектировании, реконструкции и усилении железобетонных конструктивных систем транспортных зданий и сооружений, в их числе: ППС Осенцы, ППВ на станциях Трудовая и Березники-Сортировочная и другие объекты.

— Орловским академическим центром РААСН при проектировании и реконструкции ряда жилых и гражданских зданий для строительства в городах Орел, Брянск, Курск.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Строительные конструкции, здания и сооружения" — ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (г. Курск) на кафедрах «Уникальные здания и сооружения» и «Промышленное и гражданское строительство" — ФГБОУ ВПО «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орел) на кафедре «Строительные конструкции и материалы», при изучении дисциплин: «Железобетонные и каменные конструкции», «Усиление и замена конструктивных элементов при реконструкции», «Обследование и испытания зданий и сооружений».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 36 публикаций в изданиях по Перечню ВАК и одна монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, включает 431 страницу основного машинописного текста, 105 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 310 наименований.

6.5. Выводы.

1. В связи с введением новых строительных норм и свода правил СП 52 101−03 по проектированию железобетонных конструкций возникла необходимость корректировки и дальнейшего развития прикладных методов расчета слоистых конструкций, а также правил проектирования зданий и сооружений с более широким использеванием лезобетонных составных конструкций.

Прежде всего это:

• четкая регламентация конструктивнотехчнологических, прочностных и деформационных свойств используемых в слоистых конструкциях бетонов с усилением акцента на преимущественное применение местных материалов, включая отходы ряда производств.

• продолжение разработок по способам обеспечения повышенной надежности совместной работы всех материалов в слоистых системах с учетом их разнородности;

• разработка способов существенного повышения эксплуатационной надежности слоистых конструктивных систем, по увеличению начальных сроков безремонтной эксплуатации всех частей проектируемого объекта в целом, включая здания с агрессивными средами;

• обоснование рекомендаций по расширению областей применения слоистых конструктивных систем, особенно в покрытиях однои многоэтажных зданий многоцелевого назначения;

• усиление обоснованности и дальнейшего совершенствования конструктивно-технологических рекомендаций по снижению материалоемкости, как самих слоистых конструкций, так и всего комплекса сооружений с учетом условий его возведения и воздействия технологических сред при его дальнейшей эксплуатации;

• всемерный учет конкретных указаний и правил проектирования применительно к составным слоистым конструкциям повышенной долговечности с учетом особенностей их конструирования, расчета технологии изготовления.

Реализации комплекса целевых задач были посвящены все как ранее выполненные, так и дальнейшие разработки и исследования автора. В частности, некоторые систематизированные данные, направленные на разрешение первых двух задач по выбору вида слоистых конструкций, используемых в них бетонов и других местных материалов, в краткой, наиболее сжатой форме сведены к десяти основным типам слоистых конструкций, которые позволяют выявить необходимые пути и способы дальнейших разработок в направлении более успешного разрешения сформулированных целевых задач. Более успешному разрешению задачи расширения областей применения слоистых конструкций будут способствовать и новые разработки автора по слоистым панелям и плитно-балочным конструкциям сниженной материалоемкости для стен и покрытий зданий многоцелевого назначения.

2. Результаты заводских испытаний, опыт разносторонней промышленной апробации и новые разработки слоистых конструкций позволяют сформулировать обоснованные рекомендации по их эффективному комплексному использованию не только в производственных зданиях промышленности и транспорта, но и в целом ряде других областей промышленного и гражданского строительства (ПГС).

Отмечено, в частности, важнейшее преимущество двухконсольных арочных плит «на пролет"по сравнению с применяемыми до сих пор плитно-балочными покрытиями из обычного железобетона:

— во-первых, это существенное снижение общей строительной высоты покрытия: при шаге балок покрытия 6мпримерно в 1,7−2 раза, а при шаге балок покрытия 12 м различие увеличивается до 2,5−3 раз. При этом максимальными являются показатели для зданий с новой объемно-планировочной схемой.

— во вторых, значительно (до 1,4—1,5 раз) снижается и общая масса покрытий этого типа в результате более широкого применения легких бетонов различных видов и классов, эффективных теплоизоляторов в отапливаемых частях здания;

— в-третьих, повышенная надежность работы покрытий с двухконсоль-ными арочными плитами «на пролет» обеспечивается тем, что в них практически исключается возможность внезапного обрушения как по консолям, так и по арочной части. Обеспечивается это и самой конструктивной системой, и широкими возможностями дублирующего смешанного армирования с использованием напрягаемой арматуры, сварных каркасов с поперечной арматурой. При этом по общему расходу материалов покрытия этой конструктивной системы на 25−30% экономичнее в сравнении с традиционными плитно-балочными схемами.

Еще более экономичными по расходу стальной арматуры являются покрытия отапливаемых зданий с агрессивными средами, в которых применены облегченные трехслойные плиты «на пролет». Главной отличительной особенностью этих плит является то, что они изготавливаются по безопалубочной энергосберегающей технологии с использованием жесткоармированных форм-оболочек из растянутой листовой облицовки, защищающей от от любых нежелательных воздействий.

3. Для плитно-балочных покрытий и колонн производственных зданий транспорта и промышленности, а также для технологических эстакад и других сооружений с нагрузками средней интенсивности при эксплуатации в среднеагрессивных средах, разработаны слоистые конструкции с двух- (балки) или трехслойным (колонны) сердечником из легкого железобетона. Их отличительной конструктивной особенностью является то, что вся арматура сварных каркасов размещена по поверхности жестко связанного с ней внутреннего слоя и надежно замоноличена в наружном химически стойком слое из мелкозернистого высокопрочного полимербетона. Средний железобетонный слой формируется предварительно в гибкой оболочке, зафиксированной внутри пространственного каркаса балки или колонны.

Слоистые двухъярусные колонны этого вида находятся в безремонтной эксплуатации более 15 лет в составе технологических эстакад цеха электролиза хлора Волгоградского АО «Каустик».

При наличии значительных нагрузок, например в ригелях каркасных производственных зданий или в тяжелонагруженных балках технологических эстакад, конструкции выполняют с жесткой составной системой в среднем слое, включающей высокопрочный цементобетон классов В40-В50 по сжатой зоне балки с жесткой связью по схеме фермы с нисходящими раскосами с растянутой арматурой, которая способна воспринимать на себя до 75—90% внешних нагрузок.

4. Среди ряда специфических вопросов при строительстве зданий с использованием коррозионно-стойких железобетонных составных конструкций особое место занимает обеспечение равнонадежности стыков и узлов сопряжения несущих и ограждающих конструкций. Сварные стыки обеспечиваются железобетонными поясами в составных ригелях и железобетонным сердечником колонны. Зазоры и сварные швы заделывают мелкозернистым цементно-полимерным бетоном повышенной прочности и плотности.

В шарнирных узлах опирания слоистых балок на колонны следует предусматривать специальные выпуски арматуры и колодцы, которые во время монтажа предварительно заполняют полимерной мастикой или полимерцементным составом в железобетонном сердечнике колонны.

Отдельной проблемой являются конструктивно-технологические решения высоких рабочих платформ в зданиях ППВ и в цехах промзданий с сильноагрессивными средами. Для разрешения этой проблемы предложены составные платформы из ребристых армополимерных плит, опирающихся на стенки армополимерных лотков, отводящих стоки агрессивных растворов.

Еще одной важной проблемой является создание равнонадежных конструктивных решений отдельно стоящих фундаментов под колонны в цехах с агрессивными средами и влажной эксплуатационной средой. Для эффективного разрешения этой проблемы разработаны коррозионно-стойкие составные фундаменты глубокого заложения. Армополимербетонный башмак под колонны смонтирован на анкерных стальных выпусках из монолитного железобетонного фундамента. Поверхности железобетонной части фундамента имеют дополнительную антикоррозионную защиту. Армополимербетонные башмаки монтируют на прослойку из полимерной мастики, которой замоноличивают анкерные выпуски.

5. Методология комплексного подхода предполагает всеобъемлющий анализ проектируемого здания с детальной характеристикой технологического процесса, увязке всех конструктивных решений, теоретических и практических аспектов проблемы, как по отдельным элементам конструкций или части здания, так и по проектируемому зданию в целом, в соответствии с поставленной целью и конечным результатом всего комплекса работ.

При этом обязательным критерием принимаемого решения должно быть то обстоятельство, что отказ хотя бы одного из элементов составной системы или части здания, резко ухудшает или делает невозможным дальнейшее нормальное функционирование всей системы.

Методология комплексного похода подчинена достижению единой конечной цели, которая заключается на создании более надежных зданий с увеличением в 5−7 раз наличным сроком их безремонтной эксплуатации в агрессивных средах, снижению общей материалоемкости, трудоемкости возведения, при значительном сокращении сроков строительства с одновременным повышением его качества по всем параметрам, включая и экологические аспекты, как в процессе строительства, так и при дальнейшей эксплуатации объекта.

На успешное разрешение этой комплексной целевой задачи были направлены работы автора по натурным обследованиям производственных зданий транспорта, многолетние исследования и разработки слоистых конструкций, разработки практических рекомендаций по их расчету,, разработки общих положений и указаний по правилам проектирования зданий с использованием этих конструкций. Их можно сформулировать следующим образом: техническое задание на проектирование должно включать, помимо общепринятых указаний и установленных параметрических данных проектируемого здания и происходящих в нем технологических процессов, данные по составу и характеру агрессивных воздействий при эксплуатациис учетом имеющихся исследований и рекомендаций, результатов натурных исследований и требований нормв том числе данные по всему возможному диапазону колебания влажности и температуры эксплуатационной средыхарактеристика особенностей обслуживания технологического оборудования, возможные перегрузки и проливы технологических растворов с соответствующим усилением их агрессивных воздействий на конструкциимеры обеспечения санитарно-гигиенических требований и другие мероприятия, направленные на улучшение условий труда и экологической обстановки как на производстве, так и на всей прилегающей к нему территориидополнительные обоснования к выбору основных конструкционных, теплоизоляционных и химически стойких защитных материалов с учетом региона строительства, местной производственной базы, условий транспортировки и монтажа готовых конструкцийпри этом особое внимание уделяется полимерным и другим коррозионно-стойким материалам с акцентом на заложенные в конструктивных решениях возможности использования местных материалов, включая промышленные отходы, расчетно-квалиметрический выбор оптимального конструктивного решения из ранее принятых в ТЭО вариантов по экспертным оценкам для каждой отдельно взятой конструкции с учетом их совместимости с другими конструктивными частями зданияпри этом основными критериями являются объективные показатели по трещиностойкости, жесткости, несущей способности, по начальному сроку безремонтной эксплуатации при наличии агрессивных воздействий, степени заводской готовности к моменту монтажа, оптимальной материалоемкости, особенно по расходу металла и конструкционных полимерных материалов, энергои трудоемкости изготовления, включая особенности обычного приобъектного или поточно-конвейерного безопалубочного изготовления в увязке с существующей индустриальной базой и передовыми технологиями в регионе строительства, с транспортными и монтажными средствамипо всем перечисленным критериями определяются в конечном счете сроки и стоимость строительно-монтажных работ по всему зданию.

6. На основании результатов промышленных испытаний и разработанных рекомендаций к практическому применению слоистых конструкций нескольких видов на стадии рабочих чертежей, институтом «Госхимпроект» разработан проект трехэтажного здания переработки (сжигания) отходов производства триалата. По комплексу воздействий для обычного железобетона здание испытывает воздействия среднеи сильноагрессивных сред. В нем был реализован пионерный опыт комплексного подхода к применению различных слоистых конструкций повышенной долговечности во всех конструктиных частях здания.

В частности, фундаменты под колонны были выполнены в комбинированном варианте — армополимерный стакан на анкерных болтах, заделанных в монолитном железобетонном фундаменте, основание которого заложено на расчетной отметке. Колонны были запроектированы в двух вариантах: железобетонные с усиленным антикоррозионным покрытием на эпоксидно-полиэфирном связующемслоистые в виде железобетонного стержня, усиленного слоем мелкозернистого полимербетона ФАЭД, армированного сеточной арматурой по всему наружному контуру. Ригели покрытия были выполнены из тяжелого полимербетона ФАМ класса В80 и дополнительно снабжены в опорных частях слоем из высокопрочного жлезобетона, что позволило выполнить сварные рамные узлы в перекрытии 2-го этажа. В покрытии здания использовали свободно опертые балки, подобные испытанной БП-1, и слоистые плиты полной заводской готовности на основе легких полимербетонов ФАМ. Плиты перекрытий запроектировали из тяжелого сталеполимербетона ФАМ и изготовили в типовой серии И-20. Стены из силикатного кирпича на 1-м этаже эксплуатации запроектировали без дополнительной защиты, так как в здании предусматривалась мощная система приточно-вытяжной вентиляции, решетки и трубопроводы которой отчетливо показаны на общем виде интерьера здания. Это промышленное здание находится в безремонтной эксплуатации уже более 15 лет.

7. Отличительной особенностью эксплуатационной среды ППС и ППВ являются периодические (до 20 циклов в сутки) процессы конденсатообразования и частые колебания с большой амплитудой температуры и влажности воздуха в рабочей зоне являются Все несущие и ограждающие конструкции в зонах обработки сцепов цистерн и грузовых вагонов испытывают непосредственное всестороннее воздействие пара со взвесями испаряющихся и отмываемых нефтепродуктов, которые подаются на обрабатываемые цистерны и грузовые вагоны под большим давлением.

Ремонтные работы, как правило, требует частичного или полного останова производства. Затраты и потери производства становятся соизмеримы с полной или частичной заменой разрушенных конструкций на новые. Их усиление без остановки производства возможно лишь на основе применения специальных рекомендаций, которые частично были апробированы при усилении железобетонных колонн в здании ППС ст. Стенькино. Работы провели без останова производства, что позволило в итоге получить экономический эффект.

По результатам обследований и расчетов эксплуатируемых конструкций в здании РЭД на ст. Москва-3 установлено, что несколько балок покрытия, имеющих максимальные коррозионные разрушения по защитному слою бетона и арматуре, а также разную степень снижения прочности бетона в сжатой зоне балок, оказались в предаварийном состоянии, требовалось их незамедлительное усиление или замена. В связис повышенной загазованностью верхней части производственных цехов РЭД в холодное время года продуктами сгорания каменного угля, в наиболее тяжелых условиях эксплуатации оказываются типовые железобетонные плиты покрытия, что приводит к недопустимости применение в покрытии железобетонных плит с напрягаемой арматурой из отдельных проволок пли канатов.

Предложено принципиально иное конструктивное решение повышенной эксплуатационной надежности с бесфонарным покрытием над стойловой частью, с устройством внутреннего водостока.

Высота продольных стен при реконструкции по данному варианту в стойловой части РЭД увеличивается примерно на 2 м, что позволяет осуществить естественное боковое освещение практически по всей длине здания при высоте окон 1,5−2 м. На работе поперечной рамы использование балки покрытия с повышенной опорой не отразится, так как шарнирное опирание балок покрытия на колонны остается на тех же отметках по верху колонн. Нагрузка на основание здания за счет повышения отметки верха стен не увеличится, так как предусматривается практически сплошное по длине ленточное остекление, которое в существующих стенах отсутствовало.

Были получены новые убедительные факты в пользу того, что в зданиях ППС и ППВ, с учетом отмеченной специфики неблагоприятного воздействия эксплуатационных сред на все конструктивные части, становится практически невозможным успешное разрешение основной целевой задачи по обеспечению долговечности на базе традиционных конструктивных решений и применяемых до сих пор объемно планировочных схем.

При комплексном подходе к проблеме со всей очевидностью возникает острая необходимость в разработке более рациональных объемно-планировочных решений на базе использования новых конструктивных систем и конструкций повышенной заводской готовности. Основные подходы к этой проблеме и правила проектирования зданий с агрессивными средами сформулированы в главе 6. Созданию новых конструктивно-технологических решений, составных систем слоистых элементов повышенной долговечности, исследованию их работы при испытаниях в лабораторных и заводских условиях посвящены материалы пятой и второй глав диссертации.

8. Большинство гражданских и производственных зданий транспорта, построенных в конце XIX — первой половине XX в., выполнены с деревянными перекрытиями и покрытиями с использованием металлическиех балок, а для мелкоразмерных ребристых плит из железобетонаметаллические фермы или тонкостенные железобетонные балки. Такие перекрытия и покрытия — наиболее уязвимая часть здания и, как правило, являются основной причиной их преждевременной реконструкции. При реконструкции зданий старой постройки расстояние между несущими стенами, или шаг ферм, не совпадает с пролетами современных унифицированных конструкций. Поэтому возникает необходимость разработки таких конструктивных систем, которые могли бы обеспечить требуемую эксплуатационную надежность всего здания при минимальных затратах материально-энергетических и трудовых ресурсов.

Практическая реализация предложенной конструктивной системы осуществлена при реконструкции одного из общежитий МИИТа, построенного в конце XIX в., под учебный корпус. В перекрытиях на всех пяти этажах реконструируемого здания было признано пригодным и оставлено для дальнейшей эксплуатации более 170 стальных двутавровых балок № 26 и № 28 пролетом около 7 метров. Они располагались с произвольно меняющимся шагом в пределах 1,55−2,04 м, что практически исключало возможность использования какого-либо традиционного усиления этих балок под значительно возросшие постоянные и полезные нагрузки в связи с новым назначением здания. Предложенное конструктивное решение плитно-балочной распорной системы позволило произвести усиление одновременно всех балок наиболее технологичным способом непосредственно в процессе монтажа новых междуэтажных перекрытий. При размере между кирпичными стенами в чистоте 6,8 м по всем этажам были применены круглопустотные плиты пролетом 6,3 м.

9. Обследованиями установлено, что в наибольшей степени коррозионным разрушениям подвержены тонкостенные плиты покрытий и балки в зданиях ППС и РЭД. В частности, через 12−15 лет непрерывной эксплуатации зданий ППС плиты покрытий, как правило, заменяют новыми. Однако результаты прочностных испытаний конструкций покрытия ППС Осенцы свидетельствуют, что, несмотря на значительные разрушения бетона и коррозию арматуры, можно обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию плит покрытия их усилением. При этом установлено, что силы адгезии, зависят от шероховатости и загрязненности поверхности, влажности и температуры бетона поверхностного слоя, температуры и относительной влажности воздуха. Результаты эксперимента показывают, что при увеличении влажности бетона от 1,3 до 8,1% адгезия уменьшается по гладкой бетонной поверхности на 43−56%, по шероховатой бетонной поверхности на 39¹⁷%, При содержании в бетоне до 5,3% дизельного топлива адгезия снижается на 63−77% по бетонной поверхности и поверхности с латексом и на 38−54% по поверхности с эпоксидной мастикой. Результаты эксперимента убедительно показывают, что для увеличения степени адгезионного сцепления необходимо высушить поверхностный слой материала (в глубину до 18мм) до 2,0−3,0% весовой влажностинапылять толщиной 10−20 мм ППУ-ПН-3 с помощью установок «Пена-9м» при температуре воздуха помещения не менее 18 °C и относительной влажности не более 70%. Амплитуда колебаний температуры в контактном слое при этом снижается в 8−12 раз и практически уже не влияет на долговечность полимерного покрытия.

10. Плиты покрытия в ППС разрушаются преимущественно в пролете из-за коррозии арматуры, а на опорных участках бетон, как правило, не теряет монолитность. Поэтому нагрузки при усилении должны передаваться из средней части на опорные участки. В ППС нужно усиливать несколько рядом лежащих плит покрытия в продольном направлении. Таким условиям в наибольшей степени отвечает разработанный автором способ усиления, в котором добетонирование должно осуществляться полимерцементным бетоном с добавкой предварительно стабилизированного на основе готового к употреблению в цементобтонах водной дисперсии полимератолщиной не менее 40 мм. с добавками ВДП. При значительных коррозионных разрушениях арматуры и бетона усиление рассматриваемых железобетонных конструкций следует выполнять с добавлением сварных арматурных каркасов, сеток или стержней, устанавливаемых по периметру колонн или в нижней части ригелей. При этом толщина добетонируемого слоя полимерцементного бетона должна быть увеличена до 50−60 мм. На пораженную коррозией основную рабочую арматуру после удаления продуктов коррозии наносят дополнительное полимерное или полимерцементное покрытие. При большой высоте усиления колонн добетонирование должно осуществляться ярусами высотой до 600−800 мм/Разрыв в бетонировании при поярусном усилении колонн должен быть не более 2,5-Зч. Возможно использование как скользящей опалубки, так и безопалубочного способа с использованием армопластиковой облицовки.

В покрытиях эксплуатирующихся зданий ППС, ППВ и вагонных депо используются в основном железобетонные фермы, балки двутаврового сечения с отверстиями в стенке, а также более надежные для данных условий эксплуатации решетчатые балки прямоугольного сечения. При наличии трещин в стенках приопорных зон, существенных коррозионных разрушениях в растянутых поясах и потери их несущей способности до 25% усиление следует вести с использованием листовых материалов и добавлением брусковой арматуры по растянутым граням балок.

В решетчатых балках прямоугольного сечения усиление растянутой части осуществляют преимущественно по нижней и боковым граням, причем приклеиваемые к боковым граням листы дополнительно анкеруют с помощью специальных пробок, вклеенных в отверстия, которые просверливаются на глубину до 40—60 мм между продольной рабочей арматурой.

В растянутых поясах и элементах решетки железобетонных стропильных ферм, имеющих трещины с шириной раскрытия более 0,05 мм и разрушения защитного слоя с незначительным коррозионным поражением арматуры, защитное усиление целесообразно осуществлять с созданием обоймы из листовых материалов. Их приклеивают с постановкой дополнительных стяжных хомутов из полосовой стали или стеклопластика соответствующего профиля.

Поверхности железобетонных балок и усиливаемых бетонных элементов ферм должны подвергаться специальной обработке и отвечать основным требованиям, предъявляемым к склеиваемым поверхностям соответствующими рекомендациями и инструктивными указаниями для каждого из применяемых видов клея. На гладкие поверхности склеиваемых листовых материалов перед усилением следует наносить специальные рифли или провести дополнительную механическую обработку крупнозернистым наждачным кругом.

Усиленный асбестоцемент следует приклеивать к растянутым поясам ферм и стенкам балок двутаврового сечения в приопорных зонах латексцементным клеем или полимерцементными составами с добавкой ВДП. При снижении несущей способности железобетонных балок и ферм по нижнему поясу до 40%, вследствие коррозионных бетона и рабочей арматуры, усиление следует устраивать системой из спаренных уголков.

11. Натурными исследованиями установлено, что около 40% плит покрытия производственного здания ППС Осенцы находились в аварийном состоянии, Возможны несколько вариантов восстановления.

Вариант 1 предусматривает (как в ППС Комбинатская) полную замену покрытия, кроме балок БНСД-15. Новые плиты покрытия защищают многослойным лакокрасочным покрытием на основе хлорсульфированного полиэтилена, которое первый раз будет восстанавливаться через 8, а в последующем — через каждые 4 года .

Вариант 2 предусматривает замену 40% плит покрытия, дополнительную теплоизоляцию слоем керамзитового гравия, устройство выравнивающей стяжки и нового гидроизоляционного ковра. Внутреннюю поверхность плит очищают, выравнивают шпаклевочным составом и лакокрасочного покрытия через каждые 4 года.

По варианту 3 производят усиление плит покрытия семипроволочными арматурными канатами на всю длину здания с разрывом на температурном шве. Внутреннюю поверхность плит очищают от загрязнений и без нанесения выравнивающей подложки напыляют жесткий интегральный пенополиуретан толщиной 15 мм. Восстанавливают нарушенные участки теплоизоляции, гидроизоляционного ковра и прокладывают дополнительно еще один слой изоляции по всей площади ковра. Безремонтный срок эксплуатации антикоррозионно-теплоизоляционного слоя — 20 лет. Нормативный срок службы зданий ППС — 83 года.

На основе, полученных автором, результатов экспериментальных исследований покрытия из ППУ-ППН-3 примем, что по всем трем сравниваемым вариантам периодичность капитальных ремонтов плит покрытия равна 26 годам и в последующем их стоимость одинакова. Сравниваемые варианты (при равных удельныех капитальных вложениях в ремонтную базу, затратах на текущий ремонт и техническое обслуживание) отличаются первоначальной стоимостью капитального ремонта и затратами на последующее полное восстановление защитных покрытий.

Экономический эффект по сравнению с вариантом 1, на 1 м² покрытия составляет для варианта 2, — 0,35 руб., а для варианта 3, — 11,56 руб.

12. Как известно, повышение долговечности отдельных конструкций еще не гарантирует такое же повышение надежности и долговечности всего здания. Поэтому разработки коррозионно-стойких ограждающих конструкций для зданий ППС и ППВ следует осуществлять с учетом следующих дополнительных мероприятий и требований, вытекающих из анализа и обобщения всех полученных автором результатов экспериментов, натурных обследований и имеющегося опыта проектирования зданий повышенной надежности и долговечности:

1) уменьшение числа типоразмеров, объемной массы, сближение масс, технологии изготовления и монтажа основных конструкций, сокращение числа стыков в результате укрупнения монтажных блоков и использования сборно-монолитных систем;

2) достижение высокой степени заводской готовности, технологичности изготовления, транспортировки и монтажа, исключение приобъектных работ по изоляции поверхности и теплоизоляции конструкций, кроме стыков в смонтированных на строительной площадке конструкциях;

3) удаление металлических крепежных деталей в узгах из зоны воздействия агрессивной среды, а также снижения расчетных и монтажных открытых сварочных швов в узлах сопрягаемых конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным результатом диссертационного исследования является решение важной научно-технической проблемы синтеза новых типов эффективных железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований и развития теории их расчета по предельным состояниям первой и второй группы. Основные выводы и научные результаты работы сводятся к следующему.

1. На основании выполненного обзора исследований, обобщения и анализа собранных результатов экспериментальных и теоретических исследований разработан аналитический аппарат оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций для первой и второй группы предельных состояний с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона, включающий следующие основные положения:

— экспериментально выявленный многоуровневый процесс трещинообразования (в том числе — веерообразный) и раскрытия трещин в железобетонных составных конструкциях и предложенную иерархию разделения трех типов трещин на характерные веера, для моделирования сопротивления железобетонных составных конструкций;

— расчетную модель сопротивления пяти блоков для моделирования процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;

— рабочие гипотезы, расчетные схемы, разрешающие уравнения и новые расчетные методики для оценки предельных состояний первой и второй группы железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным трещинам трех типов, учитывающие условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффект нарушения сплошности бетона;

— расчетные схемы разных уровней анализа (для определения относительных деформаций бетона и арматуры между трещинами в условиях сложного напряженного состояниядля моделирования различных типов разрушения в зоне наклонных трещин и т. п.), с ориентацией выходных параметров для этих схем на расчетную модель составного стержня;

— математическую модель для аналитического определения величины горизонтальной проекции опасной наклонной трещины в задачах прочности и ширины раскрытия трех типов трещин как функции многих переменных;

2. Получены опытные данные о характере и эффектах деформирования, образования, развития и раскрытия нормальных и наклонных трещин в железобетонных составных конструкциях на основе натурных и лабораторных экспериментальных исследований сложного напряженно-деформированного состояния бетона, продольной и поперечной арматуры при различных схемах загружения, характере армирования, классах бетона, которые позволили:

— проверить расчетную модель сопротивления железобетонных составных конструкций и соответствие ее расчетных гипотез и параметров действительному деформированному состоянию;

— доисследовать особенности сопротивления отдельных зон железобетонных элементов, в том числе многоуровневую схему трещинообразования, характер раскрытия трещин и виды разрушения, величину проекции наклонных опасных трещин, эффект нарушения сплошности бетона и т. п.

— получить новые данные о сопротивлении железобетонных составных конструкций в зонах нормальных и наклонных трещин, в существенной степени дополняющие имеющийся фактический материал.

3. Выполнены численные исследования с использованием разработанных методик, учитывающих условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффект нарушения сплошности бетона, и с привлечением нормативной методики расчета, получившей наиболее массовое внедрение в проектной практике, которые дают возможность: выявить не только качественные зависимости влияния основных расчетных параметров на прочность, расстояние между трещинами и ширину их раскрытия с введением необходимых ограничений, которые сохранили сходство физических процессов сопротивления железобетонных составных конструкций, но и выполнить количественную проверку таких зависимостей (при этом максимальное отклонение не превышает 24%, а по нормативной методике — свыше 50%) — подтвердить целесообразность использования гипотезы плоских сечений для средних деформаций бетонов и арматуры в каждом из составляющих стержней (максимальное отклонение не превышает 19%) — разработать эффективные алгоритмы физически нелинейного расчета железобетонных составных конструкций в широком диапазоне изменения класса и вида бетонов, при различных схемах нагружения и армирования и изменения толщины защитного слоя, которые показали, что значения отношений теоретических значений к опытным, полученным на основе предлагаемой методики, по всем группам опытных данных ближе к единице, а значение коэффициента вариации составляет меньшую величину (по первой группе предельных состояний: для методики автора 0^=13,21%, для нормативной методики С&bdquo-=32,73%- по второй группе предельных состояний: для методики автора О, = 12,61% для нормативной методики С1г=28,36%).

4. Разработаны предложения по новым конструктивным схемам транспортных зданий (ППВ и ППС и др.), где работы ведутся с двух высоких технологических платформ одновременно на трех железнодорожных путях (а при обработке цистерн — одновременно на четырех путях), отличающиеся тем, что внутренние несущие стены заменяются рамной системой, включающей коррозионно-стойкие колонны и подстропильные слоистые балки с первичной заводской) защитой от коррозии с двухконсольными арочными плитами покрытия из легкого и высокопрочного бетонов с эффективным теплоизолятором, а стены выполняются из специально разработанных групп несущих коррозионно-стойких панелей.

5. Созданы и подтверждены патентами новые эффективные железобетонные составные конструкции для вновь строящихся и реконструируемых транспортных зданий и сооружений:

— слоистые плиты низких сводов для покрытий и перекрытий зданий многоцелевого назначения из мелкозернистого и крупнозернистого высокопрочного лёгкого бетона с торцевым объединяющим элементом из высокопрочного железобетонакоррозионно-стойкие двухконсольные арочные слоистые плиты «на пролет» двух типов первой и второй группы с использованием легких и высокопрочного бетоновнесущие слоистые стеновые панели трех групп с использованием мелкозернистого полимербетона и конструкционного керамзитобетона, сопрягаемые с плитами покрытий с помощью жестких рамных узловнесущие стеновые панели, вентилируемые через каналы и через слой крупнозернисто керамзитобетонабалочные слоистые конструкции (в том числе большепролетные) с использованием высокопрочного цементобетона, поризованного, высокопрочного полимерного или полимерцементого бетона и листовой облицовки.

6. Предложен комплексный подход анализа конструктивных систем зданий и сооружений с увязкой всех конструктивных и расчетных решений не только в транспортных зданиях и сооружениях, но и в промышленных и гражданских зданиях различного назначения. Практика внедрения разработанных железобетонных составных конструкций при строительстве и реконструкции ряда производственных и гражданских зданий показала их эффективность (в частности, расход арматуры в разработанных автором плитах Т2К на 15% меньше, чем в панелях КЖС пролетом 15−18мобщая масса конструкции снижена на 10%- в плитах низких сводов преднапряженная арматура отсутствует, а в пустотных плитах ее содержание составляет 43кг/м3, при этом экономия обычной арматуры достигает 15,6%, чем в пустотных плитах пролетом 6—7м, а снижение массы конструкции плит низких сводов достигает 20%).