До питання розробки надлегких сталезалізобетонних конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

ДО ПИТАННЯ РОЗРОБКИ НАДЛЕГКИХ СТАЛЕЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

Семко О.В., д-р техн. наук, проф.,

Авраменко Ю.О., Авраменко Д.О.

Постановка проблеми та аналіз останніх досліджень

У сучасних економічних умовах збільшується потреба у швидкомонтованих будівлях відносно невисокої вартості. При цьому велике значення має зменшення матеріалоємності, трудомісткості виготовлення і монтажу не тільки несучих, але й огороджувальних конструкцій. Разом із тим обмеженість сировинної бази та енергетичних ресурсів диктують вимогу зменшення витрат. Найсуттєвіша економія металу, цементу та інших матеріалів досягається шляхом раціонального сполучення бетону й сталі для їх сумісної роботи. Ці фактори разом із прагненням замовника мати індивідуальні, пристосовані під конкретні завдання проекти ведуть до поширеного застосування комплексних конструкцій, але таке поєднання не завжди поліпшує теплотехнічні та акустичні показники, підвищує швидкість будівництва, а також передає значне навантаження на фундамент.

Тому одним із шляхів підвищення ефективності будівель і споруд є впровадження прогресивних технологій, що дозволяють розширити номенклатуру сталезалізобетонних конструкцій [5].

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Характерною особливістю розвитку матеріально-технічної бази цивільного, житлового та частково промислового будівництва є значне розширення застосування нових типів легких конструкцій з ефективними утеплювачами. Масове впровадження цих конструкцій набуває важливого народногосподарського значення й може надати країні відчутний економічний ефект. Вітчизняний і зарубіжний досвід будівництва переконливо свідчить про доцільність застосування легких несучих та огороджувальних конструкцій замість традиційних конструктивних рішень [3, 7].

Виділення не розв'язаних раніше частин загальної проблеми

Застосовування в даний час легких конструкцій мають ряд істотних недоліків, що перешкоджають їх широкому використанню: малу вогнестійкість, недосконалу технологію виготовлення і, як наслідок цього, підвищену вартість. Тому розроблення та застосування, проблема вдосконалення технології виготовлення економічно виправданих і технічно ефективних надлегких сталезалізобетонних конструкцій, зниження вартості та підвищення їх якості є актуальною і важливою науково-технічною проблемою, розв'язання якої зробить значний внесок у розвиток економіки країни, зокрема її будівельної галузі [8].

Формулювання цілей статті

бетон конструкція конструкційний теплоізоляційний

Метою даної статті є обґрунтування критеріїв ефективності матеріалів для раціональних несучих та огороджувальних конструкцій і розроблення на основі розвитку наукових уявлень про формування структури та взаємозв'язку властивостей основ технології ефективних конструкційно-теплоізоляційних легких бетонів на пористих заповнювачах, поєднання необхідних для практичного застосування основних показників призначення бетонів - конструкційних і теплофізичних.

Виклад основного матеріалу

У процесі проектування і будівництва актуальним є питання зменшення маси окремих конструкцій і всієї будівлі в цілому. Зниження матеріаломісткості будівлі дозволяє зменшити навантаження на несучі конструкції і як наслідок - знизити витрати на будівництво. Тому огороджувальним конструкціям зараз приділяється особлива увага. Вони, як правило, поліфункціональні, у зв'язку із цим виникають протиріччя при виборі матеріалів для виготовлення таких конструкцій, оскільки універсального матеріалу немає. І хоча існує думка про ефективність застосування одношарових конструкцій, ураховуючи вищесказане, слід зробити висновок про доцільність використання залежно від умов комплексних конструкцій із поділом функціональних «обов'язків» кожного компонента і застосуванням для нього найбільш ефективного матеріалу. У будь-якому випадку легкий бетон буде складовим елементом такої конструкції.

Технологія виготовлення легких бетонів на штучних пористих заповнювачах вимагає до себе особливої уваги через свою специфіку: пористість, підвищену вологоємність, різні термічні розширення компонентів суміші, значну кількість залученого повітря і т.д. Домінуюче місце серед легких бетонів мають ті, які випускають на основі керамзитового гравію. Можливість отримання теплоізоляційних і конструктивних бетонів на основі керамзитобетону сприяє виготовленню, виходячи з принципу комплексності всіх конструкцій будівлі (тобто несучі та огороджувальні), а також організації технології виробництва для монолітного домобудівництва. Однак, незважаючи на велику кількість розробок у цьому напрямі, реальні досягнення у виробництві керамзитобетону щільністю 500…1000 кг/м³ протягом багатьох років виглядають досить скромно [2].

Також перспективним для виробництва легких бетонів вважається спучений перліт. Але деякі технологічні проблеми, зумовлені високою потребою у воді цього заповнювача, і головне - стан сировинної та виробничої бази спученого перліту не дозволяють прогнозувати широке його застосування як заповнювачів для бетонів протягом найближчих років [1].

Таким чином, не знімаючи питання про актуальність досліджень у галузі вдосконалення технології та збільшення обсягів виробництва традиційних пористих заповнювачів і бетонів із середньою щільністю 500…1000 кг/м³ на їх основі, необхідно вести пошук альтернативних матеріалів та технологій. У зв'язку із цим увагу дослідників давно акцентовано на можливості розширення сировинної бази й виробництва нових пористих заповнювачів, зокрема полістиролу.

За своїми властивостями полістиролбетон належить до легких бетонів, проте має ряд істотних відмінностей. До його переваг відносять можливість варіювання в широких межах його щільності, внаслідок чого полістиролбетон може бути як теплоізоляційним, так і конструкційним матеріалом, що підтверджено попередніми дослідженнями [4]. В останні роки він усе ширше й успішніше застосовується для створення огороджувальних конструкцій каркасних будинків різної поверховості, утеплення фасадів, теплоізоляції покрівель та перекриттів і т.д. На думку ряду фахівців [6], на сьогоднішній день це практично безальтернативний матеріал, який чітко вписується в ідеологію теплоенергоресурсозбереження.

На даний момент технічна доцільність, економічна ефективність і перспективність застосування легких бетонів у різних галузях будівництва не викликає сумніву. Про це свідчать дані досліджень вітчизняних і зарубіжних учених, світовий досвід будівництва та його зростаючий обсяг. Тому не випадково, що в останні роки намічається тенденція до витіснення з деяких традиційних сфер важкого бетону легким, особливо це стосується огороджувальних конструкцій. Характеризуючись загалом широким комплексом унікальних будівельно-технічних властивостей, легкі бетони на пористих заповнювачах, як і взагалі бетони, не позбавлені деяких істотних недоліків, що різко знижують ефективність їх практичного використання в будівельних конструкціях. У зв'язку із цим, виникла необхідність вдосконалення конструкцій із легких бетонів.

Також на сьогодні в Україні збільшується кількість європейських та вітчизняних виробників холодногнутих і холоднокатаних сталевих конструкцій, що мають ряд переваг порівняно з традиційними сталевими конструкціями з прокатних профілів, тому їх упровадження у практику малоповерхового будівництва є актуальним і економічно обґрунтованим. Серед найбільш використовуваних типів перерізів можна виділити С-подібний (застосовується здебільшого у несучих конструкціях перекриттів та стін), Z-подібний, омега-подібний (використовуються переважно як прогони покриттів) [3].

Але застосування цих профілів у несучих конструкціях має ряд особливостей, пов'язаних із тонкостінністю й формою перерізу:

* можливість втрати місцевої стійкості полиць і стінок профілів при поздовжньому стисненні (рис. 1, а);

* згинальні й стислі профілі несиметричного перерізу працюють із крученням (рис. 1, б);

* суцільні профілі мають значну теплопровідність і можуть бути «містками холоду» в огороджувальних конструкціях.

Саме ці фактори спонукають до пошуку нових сполучень сталі та бетону для досягнення більш високих техніко-економічних показників будівель і споруд за рахунок використання переваг кожного з компонентів комплексних конструкцій при одночасному усуненні їх недоліків, поєднання практично безальтернативних конструктивних матеріалів, що чітко вписуються в ідеологію теплоенергоресурсозбереження та дають змогу виключити з конструкції зовнішньої стіни такі недовговічні й нетехнологічні матеріали, як пінопласт та різні мінераловатні утеплювачі, що набули широкого застосування сьогодні, зберігаючи або підвищуючи при цьому міцнісні характеристики конструкції.

а) б)

Рис. 1 Аварії споруд із ЛСТК: а - втрата місцевої стійкості тонкостінної колони; б - втрата місцевої стійкості конструкції перекриття

Для експериментальних досліджень ми запроектували та виготовили надлегкі сталезалізобетонні конструкції, питома вага яких не перевищує 1000 кг/м³ (рис. 3), зовнішня арматура у вигляді сталевих профілів виключає необхідність багаторядного розміщення стрижнів по висоті перерізу, як це часто має місце у звичайних залізобетонних елементах, а також дозволяє економічно використовувати сталь і значно спрощувати укладання та ущільнення бетонної суміші при виготовленні конструкції.

У процесі експериментальних досліджень напружено-деформованого стану дослідних зразків вимірювалися поздовжні, поперечні деформації та прогини, зазначалися характерні особливості розподілу деформацій у перерізах елементів та повного руйнування зразків (рис. 2).

а) б)

Рис. 2 Випробування зразків: а - ЛСТК; б - надлегкі СЗБК

Рис. 3 Конструкція, геометричні розміри та схема прикладення навантаження до дослідних зразків надлегких сталезалізобетонних конструкцій

Слід відмітити, що незаповнена бетоном легка сталева тонкостінна конструкція (рис. 2, а) має менші залишкові деформації, ніж аналогічна надлегка сталезалізобетонна (рис. 2, б). Це свідчить про те, що, на відміну від сталезалізобетону, сталева конструкція не працює у пластиці, а її руйнування відбувається внаслідок втрати місцевої стійкості.

Поєднання легкої сталевої тонкостінної конструкції та легкого бетону дозволило поліпшити теплотехнічні й акустичні показники, підвищити швидкість будівництва, значно знизити навантаження на фундамент, а також отримати значний додатковий ефект від сумісної роботи (див. таб. 1 - 2).

Таблиця 1

Додатковий ефект від сумісної роботи для сталезалізобетонних колон