Татарский
монолит
потяжелеет

По предложению Госжилфонда Татарстана ученые кафедры Технологии стройматериалов, изделий и конструкций КГАСУ и специалисты ОАО «ГипроНИИавиапром» перепроектировали монолитный железобетонный каркас 18-этажного дома, заменив бетон В25  на высокопрочный бетон В80.

Экспериментальная работа отвечает мировым трендам производства и применения бетонов нового поколения с прочностью 150-200 МПа (марка 1500-2000) и выше. В Татарстане также заинтересованы в снижении материало- и энергоемкости при сооружении объектов гражданского строительства. 

 Высокопрочные и сверхвысокопрочные бетоны позволяют в 2-3 раза уменьшить  геометрические размеры сечений сжатых несущих конструкций,   на 20-30% - для изгибаемых, на десятки процентов снизить их объем и массу. Экономическая эффективность перехода строительства на бетоны высоких марок очевидна, хотя в России, в том числе и в Татарстане, практики их использования  пока нет.

Подавляющее число конструкторов и проектировщиков, по инерции и по незнанию, закладывают в проекты типовые конструкции из бетонов традиционных марок, затем технологи-бетонщики  оптимизирую их состав для снижения расхода цемента. Но экономить следует не цемент в бетоне, а бетон в конструкциях, ведь высокопрочный бетон даже при его бóльшей стоимости позволяет снизить стоимость конструкций.

  Для перехода строительства на высокопрочные бетоны потребуется обновление всей проектно-конструкторской  и нормативной документации.

Строительный комплекс Татарстана потребляет в год 2 - 2,3 млн м³ цементного бетона. Для производства высокопрочного бетона требуется и высокопрочный щебень из изверженных пород с Урала по 1500-1600 руб/т.

На кафедре ТСМИК разработаны составы мелкозернистых бетонов высоких марок (М1000 и более) на базе фракционированных песков месторождений рек Камы, Волги, Вятки. Их себестоимость ниже, чем у бетонов на уральском щебне. Поэтому строительство из высокопрочных песчаных бетонов имеет большой экономический потенциал. Строительный комплекс Татарстана имеет возможность его реализовать.

Базовый рабочий проект был выполнен ГУП «Татинвестгражданпроект» (ТИГП),  в котором в качестве основного строительного материала применен бетон класса В25 и арматура класса А500С.

   Жилой трехсекционный дом (рис. 1а), каждая секция отделена деформационными швами. Общая высота здания – 57,6 м. Здание имеет: подвал высотой 3,0 м; первый этаж – 3,6 м; типовые жилые этажи – 2,8 м; технический чердачный этаж – 2,5 м.

а                                                                                                  б                                                                 в

Рис.1

Основные этапы: шаг за шагом

Рассмотрев и проанализировав несколько вариантов устройства несущей системы - оболочечной, стеновой и  каркасной -  специалисты остановились на последней. Анализ подсчетов показал, что каркасная система для зданий высотой до 75 м наиболее экономична по расходу материалов. При перепроектировании она осталась без изменения относительно базового проекта (рис. 1б).

Расчет по прочности и по эксплуатационной пригодности выполнен при помощи моделирования объемной расчетной системы "каркас – фундаменты – грунто-свайное основание" (рис.1в) с применением сертифицированного программного комплекса Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2017, в котором реализован метод конечных элементов. Программный комплекс автоматически учитывал собственный вес каркаса, вес межквартирных стен и перегородок, а также пульсационную составляющую ветровой нагрузки, зависящей от форм и частот собственных колебаний. Анализ расчета  позволил определить  фактическое напряженно-деформированное состояние  несущей системы  здания и разработать рекомендации (минимальный размер и число элементов при их максимальном шаге или пролете) для проектирования ее конструктивных элементов.

На основании рекомендаций расчета была разработана информационная 3D-модель и рабочие чертежи каркаса с использованием программного комплекса Autodesk Revit Structure 2017 (рис. 1б).  Разработаны рабочие чертежи раздела КЖ по аналогии с чертежами базового проекта (ТИГП) для наиболее наглядного сравнения и оценки внесенных усовершенствований при изменении класса бетона с В25 на В80. Класс рабочей арматуры при этом не менялся.

Поскольку высокопрочный бетон наиболее эффективно работает на сжатие, в первую очередь было принято решение уменьшить количество колонн, а также величину их поперечного сечения (рис.2). Были удалены колонны на четных цифровых осях, при этом шаг оставшихся колонн увеличился ровно  вдвое (7,2 м) по сравнению с  проектным (3.6 м).  Поперечное сечение принято 250×1000 для средних и 250×500 мм для крайних колонн взамен проектного – 250×1300 мм. Колонны крайнего ряда по осям А и Б оставлены  прежними, чтобы выполнить требования эксплуатационной пригодности, связанные с деформацией каркаса. Толщина стен ядра жесткости уменьшена с 250 до 200 мм. Указанные мероприятия позволили снизить расход бетона и арматуры для колонн и стен (табл.1).

Рис. 2а

Рис. 2б

Однако увеличение шага колонн потребовало введения дополнительных обвязочных балок по периметру перекрытия, но это вместе с увеличением класса бетона позволило снизить толщину перекрытия со 180 до 160 мм. Основное армирование перекрытия осталось прежним из арматуры Ø12 А500С с шагом 200 мм. В дополнительной арматуре в пролете не было необходимости. Увеличение грузовой площади и уменьшение сечения опор потребовало установки дополнительной арматуры в зоне продавливания над средними колоннами. В итоге: для плит перекрытий увеличение массы арматуры  на  обвязочные балки и усиление зоны продавливания компенсировано уменьшением дополнительной арматуры в пролете и на опорах,  при этом расход бетона уменьшился  на 5%.

Уменьшение числа колонн привело к сокращению числа ростверков, а облегчение общего веса конструкций одновременно с повышением жесткости перекрытий позволило более равномерно распределить нагрузку по периметру и уменьшить число свай (рис.3). Толщина стен подвала уменьшена с 250 до 200 мм.

Рис. 3а

Рис. 3б

После разработки рабочих чертежей по имеющимся в них ведомостям расхода материалов было выполнено технико-экономическое сравнение варианта каркаса из бетона класса В80 с каркасом из бетона класса В25.

Таблица 1

Итоговая таблица эффективности экономии материалов в результате перепроектирования 18-этажного жилого дома

(по трем секциям)

Замена  проектного класса бетона В25 на В80 позволила:

– для свайного основания: уменьшить количество свай на 21%;

– для ростверков: уменьшить их количество при снижении расхода бетона на 23%, стали –  на 22%;

– для колонн: уменьшить их количество и размеры поперечного сечения при снижении расхода бетона на 60%, стали –  на 70%;

– для несущих стен: уменьшить их толщину с 250 до 200 мм при снижении расхода бетона на 20%;

– для перекрытий: уменьшить их толщину с 180 до 160 мм при устройстве обвязочных балок по внешнему периметру и снижении расхода бетона на 5%.

Сравнение общего расхода бетона и стальной арматуры по двум проектам представлено в табл.2.

Таблица 2

Общий сравнительный расход материалов на несущий железобетонный каркас 18-этажного жилого дома

Уменьшение поперечного сечения колонн и стен позволили немного увеличить полезную площадь помещений,  а увеличенный шаг колон добавил возможность для более свободной планировки квартир и размещения подземной автостоянки.

Результаты перепроектирования были одобрены ГЖФ Татарстана,  планируется разработка мероприятий по реализации нового проекта.

Вадим Хозин, доктор технических наук, профессор КГАСУ

Георгий Никитин,  кандидат технических наук, доцент, главный конструктор ОАО «ГипроНИИавиапром»

Подписи

Рис.1

Схема жилого дома:

а – компоновочная блок-схема; б – пространственная схема несущего каркаса секции №1; в – расчетная схема каркаса секции №1

Рис.2

Проектирование колонн и стен:

а – первоначальное решение; б – новое альтернативное решение

Рис.3

Проектирование фундаментов

а – первоначальное решение; б – альтернативное решение

Этот материал опубликован в декабрьском номере Отраслевого журнала «Строительство». Весь журнал вы можете прочитать или скачать здесь.