Новочеркасск, Россия
Новочеркасск, Россия
Новочеркасск, Ростовская область, Россия
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
В статье определены особенности применения композитного армирования в свайно-ленточном фундаменте двухэтажного дома. При проектировании фундаментов были учтены сложные геологические условия площадки строительства: высокий уровень грунтовых вод, их агрессивность по отношению к металлической арматуре (сезонное колебание УГВ, УГВ на момент проведения инженерно-геологических изысканий на уровне 2,8м); возможность проявления оползневых процессов на склонах; недостаточная изученность и анизотропность свойств насыпного слоя, значительная мощность насыпного слоя, исключающая его вывоз и замену. Был проведен аналитический расчет и численный эксперимент, установлены следующие особенности применения композитного армирования: более эффективной в ленточных фундаментах является стеклопластиковое армирование, стойкое к агрессивным воздействиям; АСК целесообразно использовать только в слабонагруженных свайно-ленточных фундаментах, или при малом шаге свай из-за низких жесткостных характеристик АСК. При значительной нагрузке на конструкции рекомендуется использовать комбинированное армирование: в зонах чистого сжатия и растяжения используя АСК, а в зонах изгиба – металлическую арматуру
композитное армирование, стеклопластиковая арматура, малоэтажное строительство, свайно-ленточный фундамент, стойкость строительных конструкций к агрессивной среде
В настоящее время композитное армирование набирает популярность в качестве конструкционного материала, были разработаны нормативы по расчету, применению и испытанию данного вида арматуры. По сравнению со стальной арматурой АСК имеет ряд объективных преимуществ: меньший вес (1,9т/м3 при 7,8 т/м3 у металлической арматуры); больший нормативный предел прочности на растяжение (2-2,5раза для АСК); стабильность при воздействии агрессивных сред (длительное хранение во щелочных средах и растворах солей снижает прочность композитного армирования всего на 15%); диэлектрик; неизменные прочностные показатели под воздействием магнитного и электрического полей и радиоволн, при воздействии пониженных температур, легкость транспортировки и монтажа; имеет коэффициент температурного расширения близкий к аналогичному показателю для бетона; стоимость стеклопластикового армирования на 25-35% меньше стоимости стальной арматуры (класса А-400) того же диаметра.
При этом при обзоре исследований, проводимых в независимых лабораториях, были выявлены следующие недостатки: модуль упругости значительно меньше, чем у металлической арматуры (5,5∙104 МПа у АСК и 2∙105 МПа у металлической арматуры); невысокая огнестойкость композитного армирования, при 150-200° происходит «размягчение» материала матрицы; испытания стеклопластиковой арматуры показывают несоответствие с прочностными данными, предоставленным производителем; разрушение АПК носит хрупкий характер без предварительных видимых дефектов; из-за отсутствия данных о поведении композитного армирования при сейсмических воздействиях не рекомендуется применять данный вид армирования в зонах с сейсмичностью более 6 баллов; по результатам фактических испытаний установлено, образование трещин в балках с АСК происходит при моменте в 3,7 ниже, чем в балках со стальной арматурой, хотя по расчетам это значение составляет 1,2 раза; также по результатам испытаний выявлено, что деформации балок с АСК превышает деформации балок со стальной арматурой в 2,5 раза; теоретическая прочность балок с АСК завышена в 1,66 раза (по нормативному сопротивлению на растяжение), при этом по результатам фактических испытаний данные балки имеют прочность на 20% меньше чем армированные металлической арматурой.
Авторами был проведен аналитический расчет и численный эксперимент по применению стеклопластикового армирования в фундаментах малоэтажных зданий. В качестве объектов для проектирования и расчета фундаментов со стеклопластиковой или металлической арматурой рассмотрены двухэтажные таунхаусы, возводимые по ул. Литовской в г. Ростов-на-Дону.
Всего на площадке возводится пять идентичных домов, три их них на несущем грунтовом слое Н, два – на слое ИГЭ-1.
На исследуемой площадке грунты представлены:
- Слой – Н. Насыпной грунт– суглинок темно-бурый, твердый с включением гравия, битого кирпича и прочим строительным мусором до 80%. Распространен локально. Насыпной грунт отсыпан непланомерно. Основанием для фундаментов служить не может без специальных мероприятий, в виду своей неоднородности и различной плотности.
- ИГЭ-1. Суглинок (dpQIII) светло-бурый, тяжелый, пылеватый, твердый, среднедеформируемый, с включением карбонатных солей. Мощность от 1,6 м до 4,6 м.
- ИГЭ- 2. Глина (dpQII-III) темно-бурая, тяжелая, пылеватая, твердая, непросадочная, незасоленная, с включением карбонатных солей, пятна гумуса.
При проектировании фундаментов дома были учтены следующие особенности, влияющие на выбор типа фундамента:
- высокий уровень грунтовых вод, их агрессивность по отношению к металлической арматуре (сезонное колебание УГВ, УГВ на момент проведения инженерно-геологических изысканий на уровне 2,8м);
- возможность проявления оползневых процессов на склонах;
- недостаточная изученность и анизотропность свойств насыпного слоя, значительная мощность насыпного слоя, исключающая его вывоз и замену.
В связи с этим были приняты два варианта фундаментов:
- ленточный фундамент под два дома, основание фундаментов - суглинок непросадочный ИГЭ-1;
- фундамент свайный из буронабивных свай на ленточном ростверке под три таунхауса.
Был принят фундамент свайный из буронабивных свай. Длина свай составляет 5м и 7м, рассчитана таким образом, чтобы, исходя из условий инженерно-геологического разреза, происходило заглубление в слой известняка ИГЭ-2 не менее 500мм для передачи нагрузки на скальный грунт. Это позволяет свае работать как свая стойка для обеспечения заложенных в проекте характеристик. Результаты аналитического расчета представлены в таблице 1.
Численный эксперимент работы свайно-ленточного фундаменты был проведен над трехмерной моделью, включающую в себя участок ростверка под внутреннюю стену с пятью сваями (состоит из 1 монолитной бетонной части и 40 арматурных стержней и хомутов) и грунтовый массив, в котором данный участок находится (рис.1.)
а) б)
Рисунок 1. Конечно-элементная модель фундамента: а) полная модель в сборке с грунтовым массивом; б) модель свайного фундамента;
Результаты расчета для вертикальных перемещений и эквивалентных напряжений в арматуре показаны на рис.2 и рис. 3.
а) б)
Рисунок 2. Вертикальная деформация (перемещение) для конструкции с а) – металлическим, б) - со стеклопластиковым армированием
а) б)
Рисунок 3. Эквивалентные напряжения (напряжения по Фон-Мизесу) арматуры от а) - загружения 1, б) –загружения 2
Напряжения в арматуре и прогибы ростверка, полученных аналитическим расчетом и численным экспериментом, приведены в табл. 8.
Таблица 1. Результаты расчетов основных параметров ростверка
|
Параметр |
Вид армирования /загружения |
По аналитическому расчету |
По численному эксперименту |
Расхождение результатов |
|
Прогиб, мм |
Стальная |
0,25 |
0,21 |
16% |
|
АСК |
0,49 |
0,42 |
14% |
|
|
Напряжение в арматуре, МПа |
Загружение 1 (стальная) |
151,7 |
124,9 |
22% |
|
Загружение 2 (АСК) |
127,9 |
97,2 |
32% |
На основе аналитического расчета и численного эксперимента были сделаны следующие выводы:
1) Заявления производителей о «равнопрочной» замене стальной арматуры на АСК основываясь на разнице в расчетном сопротивлении, не имеют практического подтверждения.
2) На основе обзора исследований установлены значительные несоответствия полученных результатов с заявленными характеристиками материала: теоретическая прочность балок с АСК завышена в 1,66 раза и образование трещин в балках с АСК происходит при моменте в 3,7 раза ниже, чем в балках со стальной арматурой, хотя по расчетам это значение составляет 1,2 раза. Также выявлено, что деформации балок с АСК превышают деформации балок со стальной арматурой в 2,5 раза.
3) По результатам расчета ленточных фундаментов выявлено, что установленное конструктивно армирование в конструкциях используется на 11-18%, а на остальные параметры практически не влияет.
В ростверке ленточно-свайного фундамента разница в площади поперечного армирования металлической арматуры и АСК составляет 7…19% в пользу металлической арматуры, при одинаковом значении нагрузки в конструкциях с АСК ширина раскрытия трещин (кратковременная и длительная) превышает предельно допустимое значение (0,5мм), хотя ширина раскрытия трещин с металлическим армированием (кратковременная 0,2мм, длительная 0,15мм) не превышена.
4) На основе численного эксперимента свайно-ленточного фундамента установлено, что результаты численного эксперимента довольно близки с результатами аналитического расчета для значений прогибов ростверка (расхождение результатов 14-16%), при этом разница в значениях напряжений в арматуре больше (22-32%), что объясняется упрощенной плоской моделью без учета грунтов для аналитического расчета, в которой не происходит перераспределения усилий в стержнях и в теле бетона.
5) Определены особенности и диапазоны применимости АСК в фундаментах малоэтажной застройки:
- более эффективной в ленточных фундаментах является стеклопластиковое армирование, стойкое к агрессивным воздействиям.
- АСК целесообразно использовать только в слабонагруженных свайно-ленточных фундаментах, или при малом шаге свай из-за низких жесткостных характеристик АСК. При значительной нагрузке на конструкции рекомендуется использовать комбинированное армирование: в зонах чистого сжатия и растяжения используя АСК, а в зонах изгиба – металлическую арматуру.
Повышение надежности несущих конструкций фундаментов малоэтажной застройки возможно за счет применения эффективных типов армирования, которое должно удовлетворять не только требованиям нормативной документации, но и быть экономически выгодным.
1. ГОСТ 31938-2012 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия [Электронный ресурс].-2012-41с.-Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200101115/
2. ГОСТ 32492 -2015 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения физико-механических характеристик [Электронный ресурс].-2015-41с.-Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200129491/
3. Дробыш А. С. Экспериментальное определение механических свойств композитной арматуры / А. С. Дробыш, А. В. Кудряшов, А. В. Ширко //Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. - 2015. - №. 1.
4. Дронов А. В. Экспериментальное исследование сцепления стеклопластиковой арматуры с бетоном / А. В. Дронов, С. В. Дрокин, Н. В. Фролов //Промышленное и гражданское строительство. - 2016. - №. 11. - С. 80-83.
5. Кустикова, Ю.О. Практические рекомендации и техникоэкономическое обоснование применения композитной арматуры в железобетонных конструкциях зданий и сооружений [Текст] / Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин, Л.И. Шубин // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 14-18.
6. Маилян Д. Р. Влияние стального и композитного армирования на ширину раскрытия нормальных трещин / П. П. Польской, Д. Р. Маилян //Инженерный вестник Дона. - 2013. - Т. 25. - №. 2 (25).
7. Максимов С. П. Экспериментальные исследования работы стеклопластиковой арматуры при армировании бетонных конструкций/ С. П. Максимов, Ю. Б. Башкова, Е. П. Вшивков //Universum: технические науки. - 2015. - №. 6 (18).
8. Проект индивидуального жилого дома по ул. Литовской в г. Ростов-на-Дону// ООО ПостройДом, Строительная компания. - 2014. 65 с.
9. Субботин А.И. Анализ специфики использования композитного армирования в фундаментах возводимых и реконструируемых зданий/ А. И. Субботин, М. Н. Шутова, А. И. Шагина// Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2019. - №2(75). - с.37-49
10. Шагина А.И. Применение конструкционных материалов для армирования фундаментов, работающих в агрессивной грунтовой среде А. И. Шагина, М. Н. Шутова // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении.-2018.- С. 296-300
11. Subbotin A.I. Estimating efficiency of composite reinforcement applications in foundations of low-rise buildings/A.I. Subbotin, M.N. Shutova & A.I. Shagina//Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations. - 2019.- PP.368-374
