Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Саки, г. Москва и Московская область, Россия
Великий Устюг, Вологодская область, Россия
УДК 693.5 Строительство из монолитного бетона и железобетона. Бетонные и железобетонные работы
В статье представлена информация о пространственных гибридных структурных покрытиях с применением сталефибробетона и методике подсчёта их технико-экономических показателей в зависимости от размеров на плане, временных нагрузок, используемых материалов. Показана краткая информация об известных вариантах структурных покрытий, целесообразность использования средств BIM технологии, программы Revit для оценки технико-экономических показателей элементов конструкций с использованием разработанных для этой цели расчётных таблиц. В области современных строительных конструкций особое место занимают сталефибробетонные системы, построенные на основе пирамидальных элементов. Классическая конфигурация предусматривает расположение вершин пирамид вверх при обязательном включении плит жесткости в общую структуру. Подобное решение демонстрирует высокую адаптивность к различным планировочным решениям. Параллельно развивается концепция композитных покрытий, где пирамидальные элементы имеют обратное направление вершин. Конструктивная схема предусматривает использование железобетонных фундаментов и стальных трубчатых элементов в зонах растяжения. Характерной чертой является диагональное распределение металлических элементов в нижнем поясе. Функциональные достоинства системы заключаются в рациональном использовании строительных материалов. Применение шахматного принципа размещения элементов открывает возможности для эффективной интеграции светопропускающих конструкций, что положительно сказывается на микроклимате помещения. Аналитические исследования подтверждают превосходство гибридной системы по показателю материалоемкости. Вместе с тем отмечается существенный фактор — двукратное превышение габаритной высоты по сравнению с традиционными регулярными структурами.
сталефибробетонные конструкции, элементы структурного покрытия, сталефибробетон, пирамидальные элементы, BIM технологии, гибридные конструкции.
Введение
В современном строительстве активно применяются три ключевых типа структурных покрытий: металлические конструкции, армоцементные системы и покрытия из сталефибробетона [1].
История развития пространственных металлических конструкций берёт своё начало в период с 1847 по 1922 год, когда выдающийся американский учёный Александр Г. Белл создал первые подобные системы. В отечественной практике широко известны структурные покрытия «Кисловодск», «Берлин» и «ЦНИИСК», которые, согласно экспертным оценкам, демонстрировали до 40% экономии по сравнению с традиционными металлическими конструкциями в середине XX века [2-3].
Эти три направления — металлическое, армоцементное и сталефибробетонное — формируют основу современного конструктивного решения в области структурных покрытий, предлагая строителям разнообразные возможности для реализации архитектурных замыслов.
1. Структурные покрытия гражданских зданий на основе сталефибробетона
При разработке конструкций из сталефибробетона важно правильно подобрать тип армирования, который будет оптимальным для конкретного элемента. Выбор зависит от того, как элемент будет вести себя под нагрузкой, то есть от его напряженно-деформированного состояния. Существует два основных способа армирования таких конструкций: Фибровое армирование — когда используется только стальная фибра, равномерно распределённая по всему объёму бетона; комбинированное армирование — когда одновременно применяются стальная фибра и традиционная арматура (стержневая или проволочная). Такой подход к выбору типа армирования позволяет максимально эффективно использовать прочностные характеристики материала и обеспечить надёжность конструкции в различных условиях работы. Оба метода имеют свои преимущества и могут применяться как по всей площади сечения элемента, так и в отдельных его зонах, где это наиболее целесообразно [4-5].
Рис. 1. Структурное покрытие из армоцементных элементов.
BIM модель конструкции покрытия
В современном строительстве нашли применение два типа структурных покрытий из сталефибробетона. Регулярная конструкция базируется на пирамидальных элементах с направленными вверх вершинами, которые дополняются плитами жесткости. Благодаря такой компоновке возможно эффективное использование покрытия в помещениях различной планировки [6-7].
Параллельно развивается концепция гибридного покрытия, представляющего собой инновационное решение с пирамидальными элементами, ориентированными вершинами вниз. Конструкция включает в себя железобетонные основания и стальные трубы, размещённые в растянутой зоне. Характерной особенностью является формирование нижнего пояса из отдельных металлических труб, создающих диагональную решётку, в то время как верхний пояс сохраняет ортогональную структуру.
Проведённые исследования подтвердили высокую эффективность данной конструктивной системы. Особого внимания заслуживает возможность шахматного размещения элементов, позволяющая устанавливать светоаэрационные фонари с определённым шагом. Это не только улучшает естественное освещение помещения, но и придаёт интерьеру уникальный архитектурный облик [8-].
Сравнительный анализ показал, что гибридная конструкция демонстрирует меньшую материалоёмкость по сравнению с регулярной системой. Однако необходимо учитывать существенный фактор: расчётная высота гибридного покрытия приблизительно в два раза превышает аналогичный показатель традиционной регулярной структуры [10-11].
Рис. 2. Гибридное структурное покрытие с пирамидальными элементами
со сталефибробетонными гранями и железобетонными основаниями,
закреплёнными к растянутому поясу. BIM модель гибридной конструкции покрытия
2. Определение технико-экономических показателей структурных покрытий с использованием элементов BIM
В центре внимания находится инновационная конструкция покрытия, особенностью которой является комбинированная структура с использованием различных материалов. Основу системы составляют пирамидальные элементы, изготовленные из сталефибробетона, которые ориентированы вершинами вниз. Конструкция характеризуется наличием массивного железобетонного основания, обеспечивающего необходимую прочность и устойчивость всей системы.
Особенность данной разработки заключается в том, что растянутый пояс покрытия формируется из стальных труб, которые эффективно работают на растяжение и дополняют несущую способность сталефибробетонных элементов. Такое сочетание разнородных материалов позволяет создать надёжную пространственную систему, где каждый компонент выполняет свою функциональную роль в общей работе конструкции.
Особое значение имеет использование BIM технологий (BIM — Building Information Modelling) при проектировании конструкций со сложной геометрией, таких как структурные покрытия (Рис. 3, 4, 5) [11-12].
С помочи информационной модели конструкции была создана расчетная схема, учитывающая геометрию конструкции, что позволило оценить технико-экономические показатели (Рис. 6) каждого конструктивного элемента покрытия, используя результаты статического (выполненного средствами ПВК SCAD) и конструктивного (средствами программы для ЭВМ расчётов №2012619865 от 31.10.2012 см.) [13-14].
По результатам анализа статического расчета, структурные элементы разделены на группы унификации (Рис 3).
Рис. 3. План раскладки пирамидальных элементов
гибридного структурного покрытия на основе сталефибробетона в осях 1-2/А-Б
Целью проведения оценки технико-экономических показателей для заданного размера и конфигурации покрытия является определение наиболее рациональный (по геометрии, и расходу материалов) варианта сечений и размеров конструктивных элементов [15-17].
Для получения технико-экономических показателей средствами программы Revit сформирована информационная модель структурного элемента. Для упрощения работы и внесения корректировок в размеры элементов и свойства материалов модели присвоены параметры, при изменении которых происходит изменение геометрии с последующим перерасчетом технико-экономических показателей. Параметры информационной модели приведены на Рис. 4.
После создания информационной модели структурного элемента произведена загрузка в проект и компоновка геометрии всего покрытия (Рис. 5), созданы типоразмеры согласно расчетам. Всем типоразмерам присвоен необходимый процент фибрового армирования.
Для получения количества затраченных материалов создана спецификация конструктивных элементов и настроена, согласно необходимой для получения технико-экономических показателей (Таблица 1).
Рис. 4. Пользовательская параметрическая модель структурного элемента,
сформированная средствами программы Revit
Рис. 5. Информационная модель структурного покрытия
с пирамидальными элементами вершиной вниз
Таблица 1.
Технико-экономические показатели групп унификации сталефиброжелезобетонных элементов структурного покрытия
|
Марка элемента |
Кол-во элементов на покрытие, шт. |
Макс. |
Макс. напряжение сжатия, |
Объёмный процент армирования, % |
Масса, т |
Расход бетона, м3 |
|||
|
одного элемента |
на все покрытие |
на элемент |
на всё покрытие |
||||||
|
ПП-1Д |
пирамида |
18 |
3.7 |
8.1 |
4.1 |
0.7012 |
12.6 |
0.3 |
5.5 |
|
плита |
1.9 |
2.2 |
1.4 |
0.6093 |
11 |
0.25 |
4.6 |
||
|
ПП-1К |
пирамида |
14 |
2.3 |
6.2 |
2 |
0.7012 |
9.8 |
0.3 |
4.3 |
|
плита |
2.4 |
1.6 |
2.7 |
0.7281 |
10.2 |
0.3 |
4.2 |
||
|
ПП-2 |
пирамида |
52 |
1.6 |
5 |
1 |
0.6841 |
35.6 |
0.3 |
15.5 |
|
плита |
0.9 |
3.2 |
0.57 |
0.6405 |
33.3 |
0.27 |
13.9 |
||
|
ПП-3 |
пирамида |
36 |
1.1 |
2.5 |
0.53 |
0.6444 |
23.2 |
0.28 |
10.1 |
|
плита |
0.3 |
2 |
0.61 |
0.671 |
24.2 |
0.28 |
10.1 |
||
|
ПП-4 |
пирамида |
22 |
0.9 |
1.7 |
0.53 |
0.817 |
18 |
0.36 |
7.8 |
|
плита |
0.8 |
1.7 |
0.53 |
0.5813 |
12.8 |
0.24 |
5.3 |
||
|
Трубы 114×3.8 |
144 |
- |
- |
- |
0.026 |
3.8 |
- |
- |
|
|
Трубы 114×5.5 |
108 |
- |
- |
- |
0.037 |
4.0 |
- |
- |
|
|
Уголок накладной |
- |
|
|
|
0.001 |
0.24 |
- |
- |
|
|
Всего |
394 |
|
|
|
|
198.7 |
|
81.2 |
|
Окончание таблицы 1.
|
Марка элемента |
Количество элементов на покрытие, шт. |
Расход стали, кг | |||||
| на элемент | на всё покрытие | ||||||
|
фибра |
арматура |
закладные |
всего |
||||
|
ПП-1Д |
пирамида |
18 |
96.3 |
25.5 |
21.7 |
170.9 |
3076.2 |
|
плита |
27.4 | ||||||
|
ПП-1К |
пирамида |
14 |
47 |
5.9 |
21.7 |
126 |
1764 |
|
плита |
51.4 | ||||||
|
ПП-2 |
пирамида |
52 |
22.9 |
25.6 |
21.7 |
81.9 |
4258.8 |
|
плита |
11.7 | ||||||
|
ПП-3 |
пирамида |
36 |
11.4 |
11.7 |
21.7 |
57.9 |
2084.4 |
|
плита |
13.1 | ||||||
|
ПП-4 |
пирамида |
22 |
13.7 |
7.3 |
21.7 |
54.1 |
1190.2 |
|
плита |
11.4 | ||||||
|
Трубы 114×3.8 |
144 |
- |
- |
- |
- |
3795 |
|
|
Трубы 114×5.5 |
108 |
- |
- |
- |
- |
4033 |
|
|
Уголок накладной |
- |
- |
- |
- |
- |
192 |
|
|
Всего |
394 |
|
|
|
19665 |
||
3. Определение параметров фибрового армирования средствами Microsoft Excel
Параметры фибрового армирования определены на основе анализа полей напряжений, полученных в результате статического расчета осуществленного средствами ПВК SCAD (Рис. 6) [19].
Рис. 6. Картина полей напряжений Nx в
наиболее загруженном пирамидальном элементе типоразмера ПП-1
Выводы
В специализированное программное обеспечение (зарегистрированное под номером 2012619865 от 31.10.2012) вводятся исходные данные для расчёта: измеренные значения напряжений, геометрические параметры расчётного сечения, характеристики применяемой фибры и тип бетонного состава. После выполнения вычислительных операций программа выдаёт комплексный результат, включающий геометрические параметры армирующих волокон (диаметр и длину), прочностные характеристики бетонной основы, оптимальный процент армирования конструкции и расчётные показатели сопротивляемости сформированного сталефибробетонного композитного материала. Такая методика обеспечивает точное определение необходимых параметров армирования и прочностных характеристик конечного строительного материала.
1. Сычева А.М., Рябова С.С., Сычев М.М., Христюк Н.А., Шевчук А.М. Жаростойкая фиброкерамика для тепловых агрегатов специального строительства // Новые огнеупоры. 2024. No. 1. Стр. 44-51. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2024-1-44-51 EDN: https://elibrary.ru/JDVPEW
2. Sycheva A.M. Using the surface energy of nanoparticles to produce high-strength concrete. Refractories and Industrial Ceramics. 2023. Т. 64. № 4. С. 413-418. DOI: https://doi.org/10.1007/s11148-024-00862-0; EDN: https://elibrary.ru/YORFEJ
3. Алешичев С.Е., Старчуков Д.С., Сычева А.М. Математическая модель расчета прочности бетонного образца в монолитной неорганической обойме. Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. 2022. № 681. С. 125-128. EDN: https://elibrary.ru/BDMYER
4. Веселов В.В., Цабадзе С.Р., Руденко Н.В. Применение легких стальных тонкостенных и гибридных конструкций при проектировании объектов транспорта. БСТ: Бюллетень строительной техники. 2024. № 8 (1080). С. 26-30. EDN: https://elibrary.ru/TWKHIQ
5. Веселов В.В., Балаев Д.В., Фролова Е.Д. Применение гибридных балок в строительных конструкциях зданий и сооружений. БСТ: Бюллетень строительной техники. 2023. № 5 (1065). С. 32-34. EDN: https://elibrary.ru/DVLWHA
6. Арещенко Т.С., Фисенко А.С., Веселов В.В. Применение комбинированных структурных конструкций в покрытиях зданий. В сборнике: Транспорт: проблемы, идеи, перспективы. Сборник трудов LXXXII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, в двух томах. ответственные за выпуск О.В. Гимазетдинова, М.С. Панова. 2022. С. 210-214. EDN: https://elibrary.ru/OTKPMF
7. Веселов В.В., Пегин П.А. Инновационные конструкции перекрытий и покрытий БСТ: Бюллетень строительной техники. 2022. № 11 (1059). С. 36-39. EDN: https://elibrary.ru/QWBSTU
8. Веселов В.В. Гибридные конструкции балок на транспорте с применением металла и композитов. Известия Петербургского университета путей сообщения. 2022. Т. 19. № 3. С. 631-638. DOI: https://doi.org/10.20295/1815-588X-2022-3-631-638; EDN: https://elibrary.ru/OJOHZU
9. Veselov V., Talantova K. HYBRID BEAM STRUCTURES OF TRANSPORT BUILDINGS В сборнике: International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2021. Switzerland, 2022. С. 278-285. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-96380-4_31; EDN: https://elibrary.ru/LLBWQW
10. Веселов В.В., Егоров В.В., Перминова Т.А., Бакина О.А., Сидорова П.С. Гибридные конструкции подкрановых балок. БСТ: Бюллетень строительной техники. 2021. № 2 (1038). С. 51-53. https://elibrary.ru/item.asp?id=44611204 EDN: https://elibrary.ru/MDEFZH
11. Егоров В.В. Комбинированные системы шпренгельного типа. В сборнике: Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии. Материалы VII Международной научно-практической интернет-конференции. 2020. С. 13-16. EDN: https://elibrary.ru/NMFZCA
12. Egorov V., Belyy G. Nonlinear properties of hybrid construction of coatings of buildings and structures. В сборнике: E3S Web of Conferences. Сер. "International Scientific and Practical Conference "Environmental Risks and Safety in Mechanical Engineering", ERSME 2020" 2020. С. 01001. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021701001; EDN: https://elibrary.ru/NKOOPV
13. Федоров А.М., Егоров В.В., Лопухов В.Ю. Гибридные несущие системы с применением композитных материалов для зданий и сооружений. В сборнике: Роль молодых ученых в решении актуальных задач апк. Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся, посвящается 115-летию Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2019. С. 298-300. EDN: https://elibrary.ru/OEMZPE
14. Соловьева В.Я., Егоров В.В., Шварц Ф.М. Тонкостенные строительные конструкции повышенного уровня свойств для высотного строительства. БСТ: Бюллетень строительной техники. 2019. № 9 (1021). С. 57-59. EDN: https://elibrary.ru/YPKKMR
15. Талантова К.В. Определение области включения в расчёт прочности растянутой полки сталефиброжелезобетонной плиты перекрытия. Строительная механика и конструкции. 2022. № 2 (33). С. 62-72. DOI: https://doi.org/10.36622/VSTU.2022.33.2.006; EDN: https://elibrary.ru/SNLAPF
16. Талантова К.В. Перспективные тонкостенные конструкции на основе сталефибробетона. В сборнике: Безопасность строительного фонда россии. проблемы и решения. материалы Международных академических чтений. Курский государственный университет. Курск, 2021. С. 67-73. EDN: https://elibrary.ru/PIPGAE
17. Талантова К.В. О правилах проектирования конструкций на основе сталефибробетона. В сборнике: Актуальные вопросы архитектуры и строительства. Материалы ХIII Международной научно-технической конференции. 2020. С. 41-47. EDN: https://elibrary.ru/ZFCGGU
