Пространственные конструкции покрытия
и новые конструктивные решения зданий
для строительства в условиях сейсмики
на слабых и вечномерзлых
грунтах
С.Н. Абовская,
кандидат технических наук,
доцент кафедры СК,
Е.М. Сергуничева,
кандидат технических наук,
доцент кафедры СМиУК,
Красноярская архитектурно
-строительная академия
Коллектив КрасГАСА, стал основным инициатором разработки эффективных пространственных сталежелезобетонных конструкций в России. Наряду с фундаментальными исследованиями в области пространственных композитных конструкций были разработаны конструктивные решения различных строительных элементов, проекты зданий и сооружений с их применением, проведены экспериментальные исследования и опытное строительство павильона
для строительных машин пролетом 18 метров
(Рис. 1).
Получены основополагающие научные результаты, удовлетворяющие региональным условиям Сибири, которые нашли признание и практическое применение.
Обобщая опыт проектирования сталежелезобетонных конструкций, учитывая региональные условия Сибири, и синтезируя лучшие качества пространственных металлических и железобетонных конструкций, КрасГАСА совместно с институтом Красноярскгражданпроект создали серию 1.065.9-1 «Сталежелезобетонные панели покрытия размерами 3х18 м и 3х4 м».
Сталежелезобетонные панели покрытий представляют собой пространственные сборные трехгранные ферменные конструкции, верхний пояс которых состоит из тонких железобетонных плит, а нижний металлический пояс и раскосы, дискретно подкрепляют железобетонные плиты, причем все элементы взаимодействуют в узлах соединений так, что железобетон, в основном, работает на сжатие, а металл – на растяжение.
Проведенные проектные разработки различных зданий с применением серийных конструкций подтвердили их эффективность в сравнении с традиционными решениями по параметрам расхода материалов, общим трудозатратам на изготовление и производство работ, технико-экономическим показателям на покрытия и здания в целом, а также эксплуатационным затратам. Был, например, разработан альтернативный проекту института Харьковметропроект проект электродепо Красноярского метрополитена, представляющего собой комплекс зданий: главный корпус, корпус текущего ремонта, материальный склад (рис.2). Технико-экономический эффект от применения серийных панелей на Главном корпусе депо: экономия бетона – 35%; снижение нагрузки на фундамент за счет облегчения веса покрытия и ликвидация снегового мешка (соответственно уменьшение количества свай) на 22% ; уменьшение эксплуатационных затрат на здание за счет уменьшения отапливаемого объема на 13% ; значительное сокращение транспортных расходов, т.к. стропильные фермы по проекту «Харьковметропроект» предлагается изготавливать и транспортировать по железной дороге из г. Уяра, 150 км от г. Красноярска, а серийные конструкции изготавливаются в г. Красноярске на КЖБМК.
Отработанная технология изготовления на заводе КЖБМК и проведенные успешно натурные испытания заводского образца серийной панели пролетом 18 м подтвердили надежность и эффективность конструкции. Получены патенты Российской Федерации /1-5/, имеется более 40 публикаций.
Результаты публиковались и докладывались на всероссийских и международных конференциях по пространственным конструкциям (IASS в 1998 г. в Москве, в 2001 г. в Японии) /6-7/, научно-практических совещаниях.
Работа по промышленному внедрению сталежелезобетонных панелей покрытия на различных объектах Красноярского края получила одобрение на Градостроительном совете г. Красноярска. Работа проводится на основе сложившегося научно-технического соглашения между организациями: КрасГАСА, «Красноярскгражданпроект», КЖБМК, ПромстройНИИпроект, АО «Авангард», УКС Горисполкома и др.
Достигнутые результаты работы были поддержаны Законом Красноярского края № 5-303 «Активизация инновационной деятельности в Красноярском крае» в проекте «Создание и промышленное внедрение серийных большепролетных сталежелезобетонных пространственных конструкций на объектах города Красноярска».
Одной из особенностей современной ситуации в Сибири и, в частности, в Красноярском крае является повышение сейсмической активности, которое по долгосрочным прогнозам не следует считать временным. Ориентация на ее увеличение в будущем и тот факт, что большая часть построенных и планируемых к строительству населенных пунктов и промышленных объектов располагаются в районах со слабыми, просадочными или пучинистыми грунтами, вызывает необходимость поиска новых конструктивных решений и новых технологий строительства. Составляющими проблемы являются: усиление и реконструкция существующих зданий и сооружений и строительство новых сейсмостойких строительных объектов.
В основу поиска новых конструктивных решений были положены результаты многолетних разработок КрасГАСА в области комбинированных пространственных конструкций, в частности трехгранных сталежелезобетонных ферм покрытия /8,9/. Опыт расчета, конструирования, производства элементов и строительства позволил разработать новые виды покрытий,
зданий и сооружений (рис.3) /10/.
По действующим с 2000г. строительным нормам, сейсмичность в Красноярском крае до 8 баллов в г. Красноярске для особо ответственных объектов, до 7 баллов – в Приангарье и 8-9 баллов – в южных районах. Для объектов массового строительства сейсмичность в г. Красноярске – 6 баллов, в Приангарье – 5 баллов, в южных районах – 7-8 баллов. При строительстве в сейсмических районах на слабых, пучинистых, просадочных грунтах, которые в крае широко распространены, балльность увеличивается на единицу.
Для нового строительства в сейсмически активных районах предложены полносборные здания замкнутого типа
из унифицированных сталежелезобетонных элементов (рис.4).
Отличительной чертой новых зданий является надежность, обеспечиваемая многосвязностью элементов и пространственной работой конструкции здания. Замкнутость предлагаемой конструкции и отсутствие жестких связей с основанием значительно снижают степень сейсмических воздействий, которую можно уменьшать, поместив между зданием и основанием катковую конструкцию или некую подвижную прослойку. Данные конструктивные решения позволяют также обеспечивать вентиляцию основания, что позволяет использовать их в условиях вечномерзлых грунтов, также широко распространенных в Красноярском крае.
Новые конструктивные решения позволяют применять эффективную технологию строительства. Унификация конструктивных элементов обеспечивает индустриальность их производства. Незначительный вес (1,5-2т) и малогабаритность (6х3х1,5м) открывает возможность их транспортировки в самые удаленные районы обычным транспортом и монтажа обычным подъемным оборудованием. Монтаж может осуществляться навесным способом при помощи простого крана, при этом сразу формируется пространственный блок без дополнительных связей
Для оценки жизнеспособности предложенной конструкции здания были проведены численные исследования влияния грунтовых условий (включая экстремальные в виде осадок значительной части основания) на напряженно-деформированное состояние полносборного здания. Расчет проводился по программе SCAD. Железобетонные плиты запроектированы из бетона марки В30, металлические стержни из прокатных уголков. Соединение стержневых металлических элементов с железобетонными плитами и между собой было принято шарнирным в соответствии с конструктивным решением узлов. Опирание на грунт моделировалось Винклеровым основанием.
Были рассмотрены варианты осадки основания, которая может возникнуть в результате сейсмической активности или оттаивания вечномерзлого грунта (рис.5), для нескольких типов грунтов (от самых слабых до сильных). Наиболее неблагоприятным является случай осадки краев здания (рис.5,б). В этом случае усилия в элементах значительно возрастают и даже меняют знак. В случае осадки средней части основания (рис.5,а) НДС меняется незначительно.
Для рассмотренных ситуаций можно сделать вывод о жизнеспособности предлагаемой конструкции. При осадке 50% основания усилия в элементах в основном остаются в пределах усилий при обычных условиях эксплуатации, для некоторых элементов требуется усиление, но в пределах конструктивных возможностей. Таким образом, может явиться целесообразным включение аварийных ситуаций в проектный расчет и конструирование здания с учетом возможности их возникновения. Характеристики грунта основания при аварийных ситуациях, как показали численные исследования, могут играть более значительную роль, чем при обычных условиях эксплуатации, что должно учитываться при проектировании.
Таким образом, численные исследования подтвердили жизнеспособность предложенных конструктивных решений полносборных зданий замкнутого типа из унифицированных пространственных элементов.
Численные исследования показали также высокую жизнеспособность здания в целом. Даже разрушение некоторых элементов в ряде случаев не приводит к разрушению всего сооружения, а лишь дает перераспределение усилий в элементах.
Предложенные конструктивные решения удобны для реконструкции, усиления, демонтажа, что дает возможность на основе проведенных исследований создать аварийный запас мобильных унифицированных строительных элементов для усиления и восстановления зданий и сооружений с целью повышения их надежности и живучести. Эти конструкции могут применяться при проведении предупредительных мероприятий и ликвидации последствий разрушения строительных конструкций.
| 
