ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗВЕДЕНИЯ ЗДАНИЙ СО СТАЛЕТРУБОБЕТОННЫМ КАРКАСОМ

 Курочкин А.В., к.т.н., Генеральный директор ООО «ИнТехПроект»

 Рассматривается технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из сталетрубобетонных колонн. Приведены конструктивно-технологические решения узла соединения сталетрубобетонных колонн по высоте и перекрытиям, а также особенности производства работ в условиях положительных и отрицательных температур окружающей среды. Показаны способы оптимизации технологических процессов при зимнем бетонировании с учетом математического моделирования.

Ключевые слова: сталетрубобетонная колонна, стальная оболочка, бетонное ядро, арматура, анкерная система, соединительная гильза, одноцикличное бетонирование, тепловая обработка.

TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF CONSTRUCTION BUILDING’S FRAME WITH CONCRETE-FILLED STEEL TUBE COLUMNS

 Alexander V. KUROCHKIN

 This paper is considered the technology of construction of building’s frame with vertical load-bearing structures of concrete-filled steel tube columns. Structural-technological decisions of method to connecting concrete-filled steel tube columns at height and slabs are presented, as well as features production of working in plus and minus outside temperatures are presented. Here is showed how to process of optimization for winter concreting with the mathematical modeling.

Keywords: concrete-filled steel tube column, steel shell (tube), concrete core, reinforcement, anchor system, connecting sleeve, single-cycle concreting, heat treatment.

Строительство зданий различного функционального назначения с применением монолитного железобетона, является одним из доминирующих направлений социально-экономического развития страны. Разработка новых объемно-планировочных и конструктивных решений требует использования эффективных технологий, обеспечивающих повышение интенсивности возведения  зданий, их механической безопасности на период строительства и эксплуатации, долговечности, устойчивости к прогрессирующему обрушению с соблюдением экологических и пожаробезопасных норм.

Вышеприведенным требованиям отвечают здания каркасной и каркасно-ствольной конструктивных систем с применением сталетрубобетонных колонн (СТК) в качестве вертикальных несущих конструкций. Замена традиционных железобетонных колонн на СТК, наряду со снижением материалоемкости, коренным образом изменяет технологию производства работ, приводящую к резкому сокращению трудоемкости и продолжительности строительства.

Однако, согласно проведенным экспериментальным исследованиям [2], для достижения высокой эффективности СТК необходима организация дополнительных конструктивно-технологических решений, позволяющих включать в совместную работу стальную оболочку и бетонное ядро [1].

Использование соединительных гильз [5] или монтажных оголовков [6], имеющих анкерные системы, обеспечивающие совместную работу бетонного ядра и стальной оболочки, позволяет инновационно с высокой степенью технологичности решить основные цели: соединение СТК поярусно с безбалочными и балочными перекрытиями (рис. 1). Данные решения создают систему «оболочка» - «ядро», при которой передача нагрузки от перекрытий осуществляется через специальные устройства [6] (анкерная система или отгибы).

Рис.1. Сопряжение СТК по высоте и перекрытию из балочной (а) и безбалочной (б) систем.

1 – стальная труба; 2 – опорный «воротник»; 3 – монтажный «оголовок»; 4 – внутренние отгибы; 5 – балки; 6 – отверстия; 7 – бетонное ядро; 8 – вышележащая СТК; 9 – арматура.

Ключевым моментом возведения каркаса здания из СТК, является возможность использования несущей способности стальной оболочки с целью передачи на нее технологической нагрузки от зон, примыкающих к СТК (опалубка, арматура, система балок, участок уложенного бетона). В итоге, к моменту бетонирования получается пространственная опалубочная система вертикальных и горизонтальных элементов. Это позволяет в одном цикле выполнять бетонирование стальных оболочек колонн и перекрытия – одноцикличная технология бетонирования [2].

Организационно-технологическая модель возведения каркаса здания с вертикальными несущими конструкциями из СТК осуществляется по двум технологическим схемам: 1 – с разбивкой возводимого этажа на технологические захватки, обеспечивающие поточность производства работ; 2 – по однозахватной системе (на площадь этажа).

За счет несущей способности стальной оболочки, бетонное ядро не нуждается в выдерживании с целью набора регламентированной прочности. Совмещение данного свойства с одноцикличной технологией бетонирования позволяет осуществлять раннее нагружение СТК, а, следовательно, при достижении бетоном перекрытия прочности не менее 1,5 МПа, соответствующей СНиП 3.03.01-87 [4], возможно производить монтаж вышележащих конструкций (стальных оболочек или заводской готовности СТК) в проектное положение.

Для интенсификации производства бетонных работ в условиях положительных температур окружающего воздуха необходимо обеспечивать скоростной набор прочности бетона перекрытий, так как данная конструкция определяет темпы возведения. С этой целью целесообразно выполнять тепловую обработку бетона до t=40…45^oC. При соответствующем уходе за бетоном достигается 70% набор прочности за 2 суток.

Ключевым моментом возведения каркаса здания с применением СТК является сохранение темпов строительства при отрицательных температурах окружающей среды.

Назначение эффективного метода зимнего бетонирования требует учета теплотехнических характеристик стальных оболочек СТК. Высокая теплопроводность стальных оболочек, отбирающая в течение некоторого времени тепло у свежеуложенного бетона, может привести к замораживанию его периферийных слоев с дальнейшим развитием деструктивных процессов.

Согласно оценке методов зимнего бетонирования применительно к каркасу со СТК наиболее эффективным является конвективный прогрев. Создание требуемого температурно-влажносного режима осуществляется за счет нагнетания горячего воздуха теплогенераторами различного типа. В зоне производства работ осуществляется предварительный отогрев опалубочных систем, бетонирование и дальнейшая термообработка конструкций в одном цикле (СТК и плиты перекрытия). Так же обеспечивается защита рабочих от отрицательных температур во время производства работ и присутствует возможность комбинирования данного способа с другими.

Основная задача заключается в оптимизации технологии зимнего бетонирования, зависящей от рационального прогнозирования интенсивности и продолжительности теплового воздействия, что достигнуто путем исследования математической модели.

Скорость охлаждения или нагрева СТК путем теплопередачи в окружающую среду прямо пропорциональна разности температур между стальной оболочкой и окружающей средой, а также зависит от функции тепловыделения цемента.

Проведенными расчетами установлено, что температура стальной оболочки, а, следовательно, и бетонного ядра, приближаются по экспоненте к температуре окружающей среды Т_о, зависящие от разности температур тела и окружающей среды и записывается в следующем виде:

          (1)

где Т_о – температура окружающей среды; Т_с – температура оболочки; с – удельная теплоемкость; f(w)/cγ – функция тепловыделения цемента.

Таким образом, бетон, заключенный в стальную оболочку колонны, находится в температурных условиях твердения близких к окружающей среде. За счет несущей способности оболочки, достаточно обеспечить критическую прочность бетона, регламентированную СНиП. Исходя из этих факторов, перекрытие является конструкцией, определяющей продолжительность термообработки, а использование конвективного обогрева требует учета в теплотехнических расчетах формирования температурных полей в бетоне по толщине плиты.

Определение распределение температуры в слоях плиты перекрытия выполнено на основе математической модели неограниченной пластины, имеющей тепловую изоляцию верхней поверхности, при условии что на нижнюю действует постоянный тепловой поток.

Решение уравнения теплопроводности с учетом граничного условия (2)

          (2)

имеет вид

          (3)

Условия на нагреваемой поверхности

          (4)

          (5)

В случае использования дискретной временной и пространственной сеток уравнение теплопроводности принимает следующий вид

(6)

  (7)

В результате аналитических исследований получены результаты, позволяющие назначать режимы термообработки бетона колонн и перекрытий с минимальными температурными градиентами.

Рис.2. Процесс отогрева опалубок вертикальных и горизонтальных конструкций.

1 – теплоизоляционная штора; 2 – самоподъемный ветрозащитный щит; 3 – дополнительное армирование зон сопряжений с колоннами; 4 – теплоизоляционный кожух; 5 – верхнее и нижнее армирование перекрытия; 6 – опалубочная система перекрытия; 7 – теплогенераторы; 8 – СТК; 9 – направляющая подъема щита.

 Так же необходимо принимать во внимание, что конвекция воздуха в замкнутом объеме является высокоинтенсивным нестационарным процессом теплообмена, и, следовательно, скорость распространения тепла конечна. При высокой скорости теплового потока, действующего на поверхность обогреваемого тела, происходит перестройка температурного поля, и изменение градиента тепловой инерции запаздывает во времени. В соответствии с [3] время релаксации τ_r увеличивается с повышением скорости воздушного потока V_r.

 В соответствии с технологическими расчетами установлено, что при скорости теплового потока 0,5...1,0м/с, исходящей от источника тепла, обеспечивается равномерное распределение температуры в объеме захватки.

 Технология производства бетонных работ заключается в отогреве опалубочной системы колонн и перекрытия при t=15…20^оС (рис. 2) и дальнейшем процессе конвективной термообработки бетона до t=40…45^оС.

 В заключение следует отметить, что, при всех преимуществах использования СТК в качестве вертикальных несущих конструкций, их массовое использование на территории Российской Федерации затруднено в связи с отсутствием документов в области стандартизации.  Несмотря на значительный вклад в развитие СТК учеными бывшего СССР, являющимися родоначальниками данной технологии, на сегодняшний день не разработаны национальные стандарты и своды правил по их применению. При решении застройщика применить СТК подготовка проектной документации и строительство здания осуществляются в соответствии со специальными техническими условиями, разрабатываемые научно-исследовательскими организациями, с дальнейшим их согласованием в Министерстве регионального развития РФ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Использование трубобетона в жилищном строительстве // Промышленное и гражданское строительство. – 2011. -№ 3. –с. 14-15.
2. Курочкин А.В. Технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов: Дис. … канд. техн. Наук. – М., 2011. – 172 с.
3. Лыков А.В. Теория теплопроводности: Учеб. Пособие. М.: Изд-во Высш. шк., 1970. – 600 с.
4. СНиП 3.3.01-87 Несущие и ограждающие конструкции. М.: Стройиздат, 1988. – 216 с.
5. Способ соединения трубобетонных колонн по высоте и перекрытиям. Афанасьев А.А., Курочкин А.В. Патент № 2464389 на изобретение: БИПМ, 2012. - № 29.
6. Способ наращивания трубобетонных колонн и их сопряжения с с перекрытиями. Курочкин А.В. Заявка № 2012128158 на изобретение: БИПМ,  2012, – № 30.
7. Eurocode 4. Design of composite steel and concrete structures / Part 1-1 General rules and rules for buildings. Stage 49.

<<< Назад к списку статей