Соединяя сталь и железобетон: особо прочные конструкции

27 августа 2008

Сталежелезобетонные конструкции, прочно утвердившиеся на мировом рынке строительства, получили широкое распространение за счет своей многофункциональности и экономической эффективности. Выгодное сочетание стали, обладающей пластичностью и высокой прочностью на растяжение, и бетона с его высокой прочностью на сжатие и хорошей огне- и коррозионной стойкостью стало одним из популярных решений в сфере коммерческого строительства. В том числе и в Украине.

Применение таких конструкций в первую очередь позволяет сократить сроки строительства, поскольку возведение зданий практически не зависит от природных условий. Кроме того, при объединении стали и железобетона за счет их совместной работы снижается общий вес здания и, следовательно, уменьшается нагрузка на фундамент, что дает возможность сэкономить на материалах для строительства в целом.
Стальной остов такой конструкции объединяется с железобетонными элементами таким образом, при котором становится возможной их совместная работа. Например, при изгибе сталежелезобетонной балки стальной профиль воспринимает растягивающие усилия, а железобетонный элемент — сжимающие. Также ЖБ-элемент обеспечивает антикоррозионную защиту и предохраняет от огня.

Использование анкеров

Идею объединения стали и железобетона пытались осуществить еще достаточно давно. В разное время для соединения элементов конструкций использовались «анкер-блоки», петлевые анкеры и так называемые «жесткие упоры». Эти приспособления были недостаточно прочны, требовали высокой квалификации персонала, а при высокой нагрузке провоцировали появление трещин.
В 1936 году Тэдом Нельсоном была разработана методика приварки анкеров, и по сей день остающаяся одним из самых надежных и эффективных методов приварки крепежных приспособлений. В приварке по этой технологии используется дуговой разряд.
Приваренные гибкие анкеры с высаженной головкой служат в качестве соединительных упоров, обеспечивающих совместную работу стальных и бетонных элементов. Как правило, нижний торец упора приваривается к верхнему листу балки, а соединение упоров с балкой осуществляется при помощи полуавтоматической дугоконтактной сварки.

Процесс приварки упора состоит из нескольких этапов и осуществляется в автоматическом режиме, что исключает возможность влияния человеческого фактора на качество приварки. Сам процесс приварки одного упора длится от 0,2 до 0,8 сек. в зависимости от его диаметра. При большой силе тока (до 2500 А) нижний рабочий конец анкера и свариваемая поверхность расплавляются сварочной дугой за короткий промежуток времени от 0,1 до 2 сек.
По словам завсектором дугоконтактной, ударно-конденсаторной и термитной сварки ИЭС им. Е.О. Патона Геннадия Жука, оборудование и материалы для дуговой приварки в последнее время стали успешно применяться в Украине при изготовлении строительных металлоконструкций, мостов, коммерческих и жилых зданий. В частности, широко применяется приварка анкерных шпилек с головкой через рифленый настил.
До сих пор в нашей стране широко распространена практика, когда на стадии монтажа применяется только ручная сварка, качество которой оставляет желать лучшего. Особенно остро проблема качества стоит в случаях приварки стержней к плоским поверхностям, например арматурных стержней к закладным или анкеров к каркасу в сталежелезобетонных конструкциях. По известным ранее технологиям требуется или раззенковка отверстий, или автоматическая сварка по контуру под слоем флюса каждого стержня, что занимает много сил и времени.
По мнению кандидата технических наук, доцента кафедры мостов Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта Виталия Марочки, в подобных случаях наиболее удачным решением является использование полуавтоматической дугоконтактной приварки анкеров с высаженной головкой. Опыт использования данной технологии на строительной площадке доказывает не только экономию времени на монтаж и его стоимость, а также высочайшую надежность сварного соединения анкеров с металлоконструкциями. Особенно эффективна она при возведении сталежелезобетонных мостов с пролетами 40-55 м.
По словам Александра Владимировича Семко, доктора технических наук, профессора, зав. кафедрой архитектуры и городского строительства Полтавского национального технического университета им. Юрия Кондратюка, анкера, используемые для приварки, были испытаны в лаборатории кафедры металлических конструкций этого университета и подтвердили высокую надежность и технологичность в образцах сталежелезобетонных балок и сдвиговых образцах (на стандарт-срез).
Пока их применение несколько тормозится в связи с отсутствием в Украине норм на проектирование сталежелезобетонных конструкций. Сейчас проект соответствующих норм для сталежелезобетонного строительства разработан в первой редакции совместно с Научно-исследовательским институтом строительных конструкций (НИИСК). НИИСК — одно из главных учреждений, занимающихся строительными нормами и новшествами в Украине, первым на постсоветском пространстве начало разработку Государственных строительных норм для сталежелезобетонных конструкций. Ожидается, что этот документ начнет действовать с 1 января 2009 года.

Высотное строительство

Обычно для высотных зданий выше 100 м используются металлический несущий каркас, который существенно сокращает сроки строительства. В качестве перекрытий применяются бетонные плиты, на них опираются колонны, сечение которых рассчитывается с учетом приходящейся на них нагрузки. В высотных зданиях оно должно быть довольно большим, что уменьшает свободную площадь и сужает возможности планировки. Технология приварки анкеров с высаженной головкой позволяет уменьшить сечение балки, одновременно сэкономив на стройматериалах. На балку укладывается профлист, сквозь который привариваются болты, затем кладут арматурную сетку и бетонируют. Благодаря этому бетонная плита перекрытия включается в совместную работу конструкции и повышает ее эффективность, что, соответственно, позволяет уменьшить ее толщину. При этом уменьшение толщины перекрытия на 10 см для возведения 30-этажного дома при той же высоте здания и помещений в нем может позволить построить еще один «лишний» этаж. Кроме того, за счет совместной работы металла и бетона вес самой балки уменьшается на 25%, следовательно, уменьшается вес здания в целом, что позволяет уменьшить площадь и глубину заложения фундамента и, соответственно, сроки строительства. Сейчас по такой технологии в Киеве строится гостиница Hilton на бул. Шевченко.
В высотном монолитном строительстве часто вместо обычных колонн строят так называемые колонны с капителями, позволяющими добиться желаемой надежности при высоких нагрузках на перекрытия. Сам процесс установки таких колонн довольно трудоемкий и требует значительных затрат времени. Кроме того, для архитекторов наличие капителей представляет определенные трудности, мешая осуществить качественную планировку здания. При использовании закладных деталей-анкеров, которые способны выдерживать нагрузки в 1,5 раза больше обычной арматуры, равномерно распределяя их, необходимость в капителях отпадает.

Широкопролетное строительство

Сталежелезобетонные конструкции сейчас широко применяются при строительстве торгово-развлекательных и выставочных центров, для которых требуются широкие пролеты. Благодаря использованию гибких анкеров, распределяющих нагрузку по всей конструкции и жесткости сталежелезобетонных балок ширину пролетов можно увеличить почти в 2 раза. Благодаря этому увеличивается полезная площадь здания и появляются новые возможности для различных планировочных решений.
Ненесущие стены и перегородки можно свободно перемещать по зданию, при необходимости профнастил может быть включен в работу плиты перекрытия, что дает возможность сэкономить на стройматериалах.
Подобный вид конструкций использовался для строительства ТРК «Столица» на Оболонском проспекте в Киеве (см. рис. — упор, приваренный сквозь профлист).



Подземные паркинги

Сталежелезобетонные конструкции могут использоваться и при строительстве подземных паркингов. За счет уменьшения сечения несущих колонн увеличивается расстояние между ними и общая полезная площадь. Для сравнения: сечение сталежелезобетонной колонны в 2-3 раза меньше сечения железобетонной колонны, а способность выдерживать нагрузки значительно выше.
Сравнительные испытания, проведенные Научно-исследовательским институтом строительных конструкций показали, что гибкие анкеры, приваренные по этой технологии, выдерживают нагрузку на 20% больше обычной арматуры, причем сварной шов арматуры зачастую «рвется», чего никогда не бывает с анкерами, изготовляемыми по технологии холодной ковки. Кроме того, приварка арматуры требует высокой квалификации сварщика. Практика показывает, что качественными можно назвать только 30% всех швов. Технология приварки анкеров позволяет выполнять операцию сварки автоматически, исключив влияние человеческого фактора. Приварку анкеров по этой технологии может выполнять монтажник, определив для сварочного оборудования время сварки и силу тока, за день одному человеку реально приварить около 1 тыс. болтов. Приварка арматуры традиционным способом требует не только квалифицированного персонала, но и больших расходов времени и электроэнергии.
Технология приварки анкеров, испытанная в Институте Патона, показала высокие прочностные характеристики анкеров, приваренных таким образом. Об этом свидетельствует заключение ИЭС им. Е.О.Патона о соответствии прочности сварных швов требованиям СТП 015-2001 и ISO 14555.
Рис.: Анкера, испытанные на отрыв и ударный загиб

Строительство мостов

Использование приваренных гибких анкеров с высаженной головкой прочно вошло в мостостроение. При строительстве таких объектов использование традиционных методов сварки и скрепления деталей может быть довольно трудозатратно и экономически невыгодно, имея ряд технологических недостатков. К примеру, сверление отверстий для скрепления деталей конструкции нарушает ее несущую способность, а использование обычных методов сварки портит внешний вид сооружения потемнениями и прожженными местами.
На строительстве больших мостов часто используется достаточно большое количество гибких упоров для обеспечения долговечного соединения между несущими стальными конструкциями и железобетонными плитами проезжей части. Основным преимуществом закладных деталей с гибкими анкерами, заделанными в бетон, является их способность выдерживать высокие нагрузки, даже при выдергивании.
Как пример такого сооружения можно привести возведение Подольского мостового перехода через Днепр в Киеве (рис.)


рис. Подольский мостовой переход через Днепр в Киеве

Реконструкция мостов и старых зданий

Значительная часть мостов в Украине не рассчитана на современные нагрузки, вызывающие нарушения их несущей способности и прочности. Реконструкция мостов, выполняемая с помощью технологии приварки анкеров, обычно подразумевает полное или частичное удаление бетона и замену его абсолютно новым бетоном или бетонными шпалами с приваренными со стальной балкой шпильками, работающими на срез.

Также может выполняться реконструкция старых зданий, в которых балки и колонны облицованы бетонным блоком или кирпичом. Шпилька приваривается через высверленное до поверхности стали отверстие, после чего к ним привариваются консоли, угол полки и другие крепежные элементы для обшивки. Такая же система используется в новых зданиях с целью защиты несущих стен и карниза, а также для крепления облицовки из мрамора и кирпича.

Преимущества

Одним из самых важных преимуществ технологии является ее экономическая эффективность. Используя эту технологию для возведения, к примеру, торгово-развлекательного центра, можно сэкономить от 200-300 тыс. до 1 млн евро в зависимости от количества используемых материалов и комплексности применения технологии. Следует учитывать, что, к примеру, средняя стоимость 1 т металлопроката сегодня составляет до 10 тыс. грн, 1 т смонтированных металлоконструкций стоит около 18 тыс. грн.
Другой плюс сталежелезобетонного строительства — малый риск возникновения пожара. За счет применения стальных элементов в бетонной обойме или стального контура с бетонным заполнением можно повысить огнестойкость колонн в различных зданиях. При этом стальной профиль посредством упоров анкерится в бетонной оболочке. Стальные трубы с бетонным заполнением обжимают бетон и дают тот же эффект, что и стержневая арматура бетона. Бетон также обладает теплоизоляционными свойствами, надолго сохраняя несущую способность конструкции при воздействии огня.

Для сравнения: при равной пожароустойчивости несущая способность железобетонной колонны существенно ниже и составляет приблизительно 6000 кН (при высоте этажа 4 м), а аналогичная сталежелезобетонная, при прочих равных условиях, может нести до 32000 кН или 3200 т.
Благодаря своим неотъемлемым преимуществам — равнопрочному (с основным металлом) сварному шву, одностороннему креплению без сверления отверстия или пробивки — технология приварки анкеров для сталежелезобетонных конструкций приобрела популярность в строительстве и реконструкции промышленных и административных зданий, мостов и энергоблоков.
Можно предположить, что совместное использование технологии приварки анкеров с высаженной головкой и сталежелезобетонных конструкций получит в нашей стране широкое распространение уже в ближайшем будущем.

Автор: Нина Шершова