Исследование конструкций многоэтажных промзданий, возводимых методом подъема
Работы, связанные с исследованием и внедрением в практику проектирования и строительства конструкций несущих каркасов многоэтажных промышленных зданий, возводимых методом подъема перекрытий « этажей, проводились ЦНИИпромзданий по нескольким направлениям. Были разработаны конструкции сплошных плоских перекрытий под временную нормативную нагрузку 1000 и 2000 кг/м2 при сетке колонн 6X6 м. Особое внимание уделялось вопросам прочности на продавливание опорных участков перекрытий.
Совместно с технологическими проектными институтами Гипромясо, Моспроектом, Мосгражданпроектом и другими проводились исследования для выявления области рационального применения для многоэтажных промышленных зданий каркасов с монолитными железобетонными перекрытиями, возводимыми методом подъема. Такие каркасы рациональны для зданий, требующих по условиям технологии гладких потолочных поверхностей (в пищевой и легкой промышленности, точном приборостроении) в тех случаях, когда отсутствуют типовые конструкции с без балочными перекрытиями. Как показало вариантное проектирование, замена каркасов с «балочными» перекрытиями и подвесными потолками, каркасами с плоскими монолитными перекрытиями, возводимыми методом подъема, может обеспечить снижение приведенных затрат на 8—40%.
Метод подъема перекрытий и этажей может оказаться эффективным при строительстве промышленных зданий с неунифицированной сеткой колонн, при расширении или реконструкции действующих предприятий, при возведении многоэтажных этажерок в замкнутых объемах, куда затруднена доставка крупноразмерных сборных элементов и грузоподъемных механизмов (например, при использовании горных выработок под склады и т. п.).
Для проверки на практике разработанных решений осуществлялось строительство экспериментальных объектов. В 1973 г. впервые в Москве методом подъема перекрытий построено 15-этажное здание складского типа (рис. 1).
Благодаря применению в каркасе плоских гладких плит толщиной 22 см емкость хранилищ удалось увеличить на 18% (при сохранении неизменного общего объема здания). Годовой экономический эффект от внедрения новой конструкции каркаса составил 55,5 тыс. р.
Б 1976 г. в г. Электросталь Московской области методом подъема этажей построен 7-этажный админиастративно- производственный корпус книжной фабрики (рис. 2). Плоские гладкие перекрытия толщиной 22 см из бетона марки М 300 и М 200 рассчитаны на временную нормативную нагрузку 1000 и 400 кгс/м2 (при сетке колонн 6X6 м). Здесь впервые применено усиление опорной зоны без балочного перекрытия за контуром стального воротника дисперсно расположенной вертикальной арматурой, что позволило на 10% сократить расход металла на воротники.
В Ереване по проекту, разработанному Гипромясо и ЦНИИПромзданий при участии СПЭКБ Минпромстроя Армянской ССР, в настоящее время методом подъема перекрытий строится 4-этажный корпус цеха полуфабрикатов с холодильником Ереванского мясокомбината (рис. 3). Его размеры в плане 82,8X38,4 м, высота этажей 4,8 м, сетка колонн 6X6 м. Каркас здания — связевой, с передачей горизонтальных (сейсмических и ветровых) нагрузок на вертикальные фермы с К-образной решеткой, расположенные по крайним рядам колонн каждого температурного блока. Колонны сборные железобетонные, сечением 450X450 мм из бетона марок М 400 и М 300 приняты на всю высоту здания без стыков. Плиты корпуса безбалочные, бескапительные, сплошного сечения, под временную нормативную нагрузку 2000 и 1000 кгс/м2, приняты из тяжелого бетона марки М 250, толщиной 280 и 220 мм.
Как показало вариантное проектирование и экспериментальное строительство, при применении плоских сплошных перекрытий с обычным армированием в каркасах многоэтажных промышленных зданий, возводимых методом подъема, в ряде случаев обеспечивается снижение стоимости и трудоемкости по сравнению со зданиями, каркасы которых возводятся из типовых сборных конструкций традиционными способами. Улучшаются также архитектурно-эстетические и эксплуатационные качества промышленных зданий. Однако по расходу материалов такие перекрытия уступают сборным.
В последнее время экономия материалов приобрела особо важное значение, поэтому изыскиваются пути снижения материалоемкости перекрытий, возводимых методом подъема. Существенным фактором, -влияющим на материалоемкость таких перекрытий, является их деформативность.
Для проверки эксплуатационных качеств, и прежде всего деформативности и трещиностойкости безбалочных перекрытий, автором были проведены натурные испытания фрагмента перекрытия здания Центрального государственного архива Москвы. Нормативной нагрузкой было загружено 4 поля перекрытия, при этом исследовалось влияние неодновременного загружения полей. Загрузка осуществлялась четырьмя гидравлическими домкратами. Через систему распределительных балок нагрузку от каждого домкрата передавали на 116 точек поля. При испытании замерялись прогибы, осадки опор, ширина раскрытия трещин, а также напряжения на верхней и нижней поверхностях бетона. Были установлены 41 прогибомер Аистова, 47 индикаторов с ценой деления 0,01 и 0,002 мм и 36 тензометров Гугунбергера с базой 200 мм.
Испытания показали, что перекрытие обладает достаточной трещиностойкостью. Деформации, определенные расчетным путем по предложениям [1], превышают фактические примерно в 1,5 раза, а, следовательно, уточнение методики определения их величин позволят снизить металлоемкость перекрытий. С точки зрения деформативности наиболее невыгодным является сплошное загружение равномерной нагрузкой всех полей перекрытия. Длинные стальные воротники существенно повышают трещиностойкость опорных зон перекрытий.
Автором совместно с А. А. Кулагиным был разработан расчет безбалочных бескапительных железобетонных перекрытий с учетом изменения жесткостных характеристик в процессе нагружения, обусловленного свойствами железобетона и трещинообразованием. Подобно тому как это сделано в работе [4], задача решалась методом конечных разностей, ее линеаризация осуществлялась шагово-итерационным методам. Принятие некоторых упрощающих предпосылок и особенности алгоритмизации задачи позволили существенно упростить ее решение.
Рассмотрено перекрытие, опертое на произвольно расположенные точечные или конечных размеров опоры при следующих граничных условиях на контуре: условия симметрии по рядам колонн; край перекрытия шарнирно оперт; край перекрытия жестко защемлен; перекрытие со свободным краем (консоль). Возможно произвольное сочетание этих граничных условий.
При разработке задачи учитывались особенности решения, связанные с применением ЭВМ. Для всех точек конечно-разностной сетки, вне зависимости от их положения относительно контура, использовано одно разрешающее уравнение. Подчинение решения требованиям первых трех краевых условий осуществлено путем матричного преобразования каждого разрешающего уравнения, без добавления в систему дополнительных уравнений, выражающих эти граничные условия. Подчинение решения условиям опирания на колонны выполнено путем матричного преобразования системы сформированных уравнений. Деформации перекрытия здания архива, определенные по описанной методике, хорошо совпали с данными, полученными из эксперимента.
За рубежом для облегчения безбалочных перекрытий широко применяется преднапряжение арматуры, а также вытеснение части бетона с использованием различных пустот и кессонообразователей. Во многих странах арматуру плит укладывают в каналообразователи и напрягают на затвердевший бетон перед подъемом перекрытия. В ЧССР используется конструкция перекрытия, опорные участки которых выполнены в виде круглых сборных плоских, на толщину плиты, преднапряженных дисков— скрытых капителей. Эти капители изготовляют из бетона высоких марок и напрягают путем навивки высокопрочной проволоки по периметру.
Железобетонные конструкции с арматурой, укладываемой в каналообразователях и напрягаемой на затвердевший бетон, не нашли в нашей стране широкого распространения. В настоящее время наиболее реальным путем внедрения у нас преднапряжения в конструкции безбалочных перекрытий зданий, возводимых методом подъема, является применение сборных скрытых капителей, исследования которых ведутся в НИИЖБ и ЛенЗНИИЭП.
В ЦНИИПромздашш, на ЭВМ М-222 •с использованием расчетной модели плиты переменной жесткости автором было исследовано влияние конструктивных параметров опорных участков на работу плоских железобетонных безбалочных перекрытий. Изучалось изменение распределения поля моментов и деформативности среднего поля бесконечного перекрытия, опертого на квадратную сетку колонн и нагруженного равномерно распределенной нагрузкой, в зависимости от изменения соотношения жесткостей опорных и пролетных участков перекрытия при различных размерах и форме участков повышенной жесткости.
Анализ результатов показал, что на перераспределение поля моментов и снижение прогибов заметное влияние оказывают скрытые капители, диаметр которых составляет более 0,35 пролета, а погонная жесткость капители в 2,5— 3 раза превышает погонную жесткость пролетных участков плиты (такого соотношения жесткостей можно добиться .за счет обеспечения трещиностойкости капители в эксплуатационной стадии). При этом опорный момент надколонной полосы увеличивается на 18—21% за счет уменьшения пролетного момента надколонной полосы на 20—26% и пролетного момента пролетной полосы на 15—20%. Прогиб центра панели перекрытия уменьшается на 25—40%.
Применение скрытых капителей, работающих в эксплуатационной стадии с трещинами, нецелесообразно.
Были сопоставлены технико-экономические показатели двух вариантов плоского перекрытия под временную нормативную нагрузку 2000 кгс/м2 при сетке колонн 6X6 м, в одном из которых плита была принята толщиной 26 см из тяжелого бетона марки М 300 с обычным армированием, а во втором — из бетона марки М 300 толщиной 22 см с преднапряженными скрытыми капителями диаметром 2,2 м из бетона марки М 600. Второй вариант оказался выгоднее по расходу стали на 20,0%; бетона — на 15,4%; по сметной стоимости — на 16,3%; приведенным затратам — на 15,6%; трудоемкости на 20,0%. По расходу материалов этот вариант приближается к типовым сборным конструкциям.
Результаты работы института по рассматриваемой проблеме были обобщены в «Рекомендациях по конструктивным решениям многоэтажных промышленных зданий, возводимых методом подъема перекрытий (этажей)». (М., Стройиздат, 1972). В 1976 г. разработано й подготовлено к печати «Пособие по проектированию каркасов многоэтажных зданий, возводимых методом подъема перекрытий, с примерами решений конструкций».