Экспериментальное исследование конструкций несущих объемных блоков при шахматной пространственной их расстановке в зданиях

" Увеличить долю крупнопанельных и объёмно-блочных жилых домов в общем объёме жилищного строительства" Из основных направлений экономического и социального развития СССР на 1981;85 годы и на период до 1990 года.

ВВЕДЕНИЕ

Индустриализация является основой технической политики в области строительства. Перенос в стационарные заводские условия основных строительных процессов позволяет за счёт широкого применения механизации и автоматизации значительно снизить общие трудовые затраты на возведение зданий и со1фатить сроки строительства. Кроме того, развитие заводских методов домостроения имеет ещё и большое социальное значение, связанное с коренным улучшением условий труда рабочих-строителей. Основную роль в повышении индустриальности строительства играет увеличение степени заводской готовности сборных элементов. Однако заводская готовность плоских элементов ограничена наличием монтажных стыков внутри помещений и дальнейшее их укрупнение существенного эффекта в этой части не даёт. На лучших отечественных и зарубежных домостроительных предприятиях степень сборности крупнопанельных зданий не превышает 50 и, повтщтощ, существенно не может быть повышена. Из анализа данных, приведенных на рис. 1, следует, что качественно новым направлением индустриального домостроения является строительство зданий из объёмных блоков /75,108,126/. Этот метод обеспечивает уменьшение затрат труда и сроков возвеСтеп внь абориости. проц: EHCI.I. Зависимость относительной трудоемкости от степенж сборности при различных конструктивных решениях дилых домов: 1-лилне дома из кирпича /трудоемкость принята за 100%/- 2-крупноблочные жилые дома- 3-крупнопанельнне дома- 4-кру1шопанельные с несущими объемными блоками санузлов и ioHb- 5-дома из объемных блоков «на комнаау» — 6-дома из блок-квартжр и блок-секцн!..6 дения зданий, повышает уровень заводской готовности до 75−80, снижает суммарные затраты труда на 10−15 /30,51,98/, В существующих технических направлениях объёмно-блочного домостроения в нашей стране основным элементом является несущий железобетонный объёмный блок размером на комнату типа «колпак» (Кременчугское, Минское, Приднепровское и Вологодское направления) и «лежащий стакан» (Краснодарское направление). Развитие объёмно-блочного домостроения в настоящее время сдерживается по ряду причин, в основном, организационного характера. Рациональное сочетание пространственных элементов с крупнопанельными позволило создать блочно-панельные системы зданий, являющиеся промелогточными межцу панельными и объёмно-блочными. Границами объёмно-блочного домостроения на Международном симпозиуме по объёмно-блочному домостроению в Балатонфворед (ВНР) в 1973 г. было предложено считать дома, в которых объёмные блоки занимают не менее 20 общей площади здания или его рядового этажа /79/. Это означает возможность относить к блочнопанельным такие жилые дома, в которых из объёмных блоков выполнены по меньшей мере все санитарные и кухонные узлы, а также конструкции лестничных клеток /86,132,140/. Однако в практически сложившейся терминологии все системы из любых сочетаний несущих блоков и панелей называют блочно-панельными или панельно-блочными /11,19,23,52/. В настоящей работе все системы зданий, монтируемые из различных сочетаний несуощх объёмных блоков и отдельных панелей, называются блочно-панельными. По мнению ряда специалистов и на основании технико-экономических расчетов, выполненных в ЦНИИЭП жилища, НИЙСК Госстроя СССР (г.Киев), институте Гипрогразданпромстрой в ближайший перспективный период представляется целесообразным развитие блочно-панельных методов строительства. Такой метод позволяет наиболее полно использовать мощности существующих заводов крупнопанельного и объёмно-блочного домостроения с применением наиболее прогрессивных объёмных конструкций полной заводской готовности /19,23,78,109/. Расчёты и проектные проработки института «Гипрогражцанпроектотрой» Госстроя УССР (г, Киев) и Н Ш С К Госстроя СССР показывают, что перевод существующих крупнопанельных ДСК на выпуск блочнопанельных систем зданий позволяет увеличить их мощность на 15−25/ при удельных капиталовложениях вдвое меньше, чем на строительство новых заводов. Изучение опыта отечественного и зарубежного домостроения свидетельствует о разработке и практическом использовании разнообразных блочно-панельных схем даю жилых домов и зданий другого назначения /56,89,124/. Развитие систем блочно-панельного строительства ведется по двум основным направлениям с так называемыми «малыми» блоками, массой 8−10 т и с «большими» блоками, массой 20−25 т. Первое направление рационально использовать на действующих заводах крупнопанельного домостроения. Второе даёт большую степень иццустржальности и может развиваться в зоне действующих и проект1груемых заводов объёмно-блочного домостроения /24,75,77,104/, Научно-исследовательские и экспериментальные работы по перВ01УСГ направлению в настоящее время ведутся рядом организаций для крупнопанельных ДСК в гг. Одессе, Николаеве, Кривом Роге и др. Экспериментальное проектирование и строительство домов по второму направлению осуществляется на Хабаровском щводе, в Кременчуге, Краснодаре и Хулькевичах /11,36,77/, Если в Хабаровске, Кременчуге и Краснодаре предусмотрена установка объёмных блоков в виде вертикальных столбов и примыкающих к ним панельных частей, то в ХУлькевичах была принята шахматная расстановка объёмных блоков в плане и по высоте здания. Такая система расстановки несущих блоков в здании (в дальнейшем она будет называться «шахматной пространственной схемой») представляет собой одну из разновидностей блочно-панельных систем зданий. Конструктивные решения блоков и Хфоекты зданий для этой системы были разработаны по предложению и при непосредственном участии автора, В I974-I979 гг, по этим проектам в соответствии с разрешением Госгравданстроя от 17,01.75 Je 1Ф-3−143 хулькевичиским сельским строительным комf бинатом системы Роскояхозстройобъединения с участием автора было изготовлено и построено в Краснодарском крае свыше шестидесяти трёхэтажных 18-ти квартирных жилых домов /48,52/, Принятая в домах шахматная пространственная расстановка объёмных блоков, по сравнению со взятым в качестве прототипа жилым домом с регулярно расположенными блоками по проекту Э-541 ЦНИИЭП жилища, разработанного для этого же завода в гор, ХУлькевичи, даёт существенное снижение расхода основных строительных материалов и общих трулових затрат. Кроме того при полном использовании наличного формовочного оборудования из фактически выпускаемого количества объемных блоков оказалось возможным построить вдвое большее количество домов /49,50/, Однако, дальнейшее развитие и внедрение этой системы задерживалось из-за отсутствия экспериментальных исследований и рекомендаций по проектированию таких зданий, Объёмно-блочные и блочно-панельные системы с расстановкой объёмных блоков вертикальными столбами в настоящее время достаточно изучены для осуществления массового строительства /20,72, 77,78/. Что же касается блочно-панельных схем с шахматной пространственной расстановкой объёмных блоков, то такие схемы существенно отличаются по конструкциям объёмных блоков, их размещению в здании, способу взаимного опирания и соединения, а также по характеру статической работы, В. технической литераоре специальных исследований по этому вопросу не опубликовано .Опыт строительства таких зданий имеется только в г, 1Улькевичи /48,53,54/. Вместе с тем, такая схема по сравнению с другими блочно-панельными схемами снижает количество панельных элементов на монтаже и при блоках размером на комнату, вообще не требует изготовления дополнительных панельных элементов за исключением перекрытий нэд подвалом и крышей /51/. В связи с вышеизложенным работа проведена с целью научного обоснования предложенной конструкции объёмного блока, конструктивной схемы здания, учета при проектировании технологических, транспортных и монтажных особенностей производства, сравнительных технико-экономических показателей строительства жилых домов из объёмных блоков при шахматной пространственной расстановке их в плане и по высоте здания. Как показано ниже внедрение такой системы даёт существенный экономический эффект.I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАД/1ЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ I. I, Цроект1фование и строительство зданий из объёмных блоков в СССР и за рубежом Объёмно-блочное домостроение зародилось и получило наибольшее развитие в Советском Союзе. В настоящее время в СССР действует 24 предприятия, выпускающих несущие объёмные блоки для жилых домов и других зданий. Строительство ведётся почти в 30 городах и более чем в 50 посёлках. Среди наиболее интересных объектов следует выделить девятиэтажные, двенадцатиэтажные жилые дома, а также двадцатичетырехэтажное здание санатория с монолитным железобетонным центральным ядром в г. Сочи /II/. Суммарная проектная мощность производственной базы объёмно-блочного домостроения в нашей стране составляет 1330 тыс. м2 общей площади в год /36/. К конпу X пятилетки доля объёмно-блочных жилых домов в общем объёме жилищного строительства составляла 0,7, В 1985 г. предполагается увеличить долю этого вида строительства до 1,7, что составляет прирост за пятилвт10г 247. Представляя собой полностью законченную и в конструктивном отношении самостоятельную часть здания, объёмные блоки мотут по-разному располагаться в объёме здания, в результате чего из однотипных блоков получаются принципиально различные конструктивные и архитектурные решения зданий. Методу объёмно-блочного домостроения посвящены научные исследования, выполненные в ЦНИИЭП жилища, ЦНИИЭП 10фрртно-ауристских зданий и комплексов, Киев ЗНИИЭП, НИИСК Госстроя СССР, КИСИ, ЦНИИЭП граждансельстроя и других институтах. Советские архитекторы и инженеры внесли большой вклад в отечественную и II мировую црактшог проектирования и строительства жилых и общественных зданий с использованием объёмных блоков. Они показали возможность комплексной застройки населенных пунктов жилыми домами и общественными зданиями первичного обслуживания, применили объемные блоки при строительстве административно-бытовых и инженерных корпусов промышленных предприятий, полносборных трансформаторных подстанций, сборно-разборных общежитий и административно-бытовых помещений. Этими работами практически доказана возможность транспортировки объёмных блоков автотранспортом, по железной дороге и водными путями на расстояния, достигающие нескольких тысяч километров, Вопросы строительства объёмно-блочных зданий различного назначения рассмотрены в работах Абрамова Л, С./2/, Белова В.П./6/ Березовского 1, Ф. /7,8/, Блещика Н, Г, /9,80/, Бронникова П, И, /10,11/, Вайсмана Э.Л./12,13/, Вероцкого В. Д,/15,16,17,18/, Волги В.С./19,20,90/, Голуба П. И,/24,25,75,84/, Граника Ю. Г,/76/, Дроздова П, Ф,/31,32/, Квашнина-Самарина С, И,/23,42/, Киркорова С, С,/43,44/, Козел ЕД./45/, Кротовского С, С./59,60/, Лисогора М,/63,64/, Монфреда Ю.Б./76,77/, Николаева Н.А./76,77,81,82, 83,1234 Смеха И, В,/7,8,114/, Елехова Н, Д,/93,94,95/, Резниченко В. И,/84,93,94,99,100,101,102,103,104/, Рубаненко Б.Р./107, 108/, Тонояна А, Г./129/, Ярмоленко Н, Г./138,142/. В существующих в настоящее время направлениях развития объёмно-блочного домостроения в нашей стране принят основным элементом несущий железобетонный объёмный блок размером на комнату. По конструктивному решению такой блок является призматической оболочкой, состоящей из пяти монолитно связанных граней и одной приставной панели. По условиям опирания блоки подразделяются на блоки с точечным и линейным опиранием. Блоки типа «лежащий стакан» имеет приставную наружную панель. Они мохут быть с ребристыми и гладкими стенами и имеют линейное опирание. Блоки типа «колпак» имеют приставную панель пола, а по условиям опирания.

ВЫВОДЫ.

1. Экспериментально проверено и подтверждено строительством свыше 60 тыс.кв.м. общей площади жилых домов рациональность применения предлагаемой конструктивной схемы здания.

Предложенная конструктивная схема здания с шахматной пространственной расстановкой блоков и объёмные блоки позволяют вдвое увеличить выход площади здания на один формуемый блок, что особенно важно для строительства в сельских районах при относительно большой дальности перевозок.

2. Проведенные исследования подтвердили возможность применения конструктивной системы зданий с шахматной пространственной расстановкой объёмных блоков из бетонных материалов для строительства зданий в 5−9 этажей. Несущая способность и жесткость предложенных автором отдельных блоков и всей системы в целом удовлетворяет нормативные требования для таких зданий в обычных условиях строительства.

3. Установлено, что при нормативных перекосах объёмных блоков для девятиэтажных зданий (до 15 мм) в блоках не возникает деформаций, снижайщих их несущую способность и ухудшающих эксплуатационные качества домов. Наибольшая величина опускания угла блока при полной просадке опоры по экспериментальным данным составила 13,6 мм и хорошо совпадает с расчетными данными.

Эти характеристики следует учитывать при проектировании технологического оборудования для всех постов производства и внутрицехового транспортирования объёмных блоков, т.к. данные наблюдений за трещиностойкостыо блоков свидетельствуют, что блоки без трещин выдерживают транспортные и монтажные нагрузки без их образования, а в процессе эксплуатации трещины в таких блоках не появляются.

Результаты настоящих исследований, а также работы и наблюдения НИИСК Госстроя СССР по блокам с аналогичными характеристиками жесткости подтверждают, что при полной просадке опор по продольной стене блока разрушения или потери устойчивости системы не происходит. Это дает основание считать, что рассматриваемая конструктивная система зданий может быть применима и для строительства на просадочных грунтах. Изучение этого вопроса должно быть предметом дальнейшего исследования.

4. Установлено экспериментально и подтверждено расчетами:

4.1. Повышение транспортной трещиностойкости и, как следствие, обеспечение сохранности отделочных работ достигается перевозкой блоков с навешенной наружной стеновой панелью.

4.2. Объёмные блоки с Zобразными вырезами в ребрах для вертикальных и горизонтальных стыков имеют достаточную прочность и жесткость как отдельного пространственного элемента при транспортировании и монтаже, так и в системе здания. Предложенная конфигурация вырезов обеспечивает совпадение осей стен здания при шахматной пространственной расстановке блоков. Наличие уступов в вырезах обеспечивает принудительную точность монтажа, условия за-. щемления плиты пола и препятствует горизонтальным сдвигам при перекосах.

При дальнейшем совершенствовании такого стыка одним из вариантов решения может быть конструкция дис1фетного расположения участков с вырезами и без вырезов различной конфигурации, равных по длине принятому модулю для длины блока — 6 М. В этом случае следует ожидать более высокой степени защемления плиты потолка, что должно обеспечить более выгодные условия статической работы блоков, а также увеличить ширину площадки опирания.

4.3. При принятой конструкции опорных узлов объёмных блоков наибольшее напряженное состояние элементов объёмного блока возникает при условии линейного распределения нагрузки с эксцентриситетом приложения её во внешнюю сторону. При этом местное сжатие по площади опирания вышележащего блока удовлетворяет условиям СНиП /120, формула 96/ без учета косвенного армирования при коэффициенте 1,75 в случае неравномерного распределения нагрузки по опорной площадке (введение коэффициента JUcm- 0,75). Выведенный экспериментальным путем коэффициент fg может быть использован для определения Fp в аналогичных вариантах распределения местной 1фаевой нагрузки, не предусмотренных СНиП /120, п. 3.45/.

5. Предложенная и разработанная методика испытаний объёмных блоков с Z — образными (ступенчатыми) опорными и вертикальными узлами по периметру сопряжения плоских элементов блока для шахматной пространственной расстановки их в здании может быть использована для производственного контроля качества выпускаемых блоков, Методикой определены оборудование испытательного стенда, способ опирания блока и передачи нагрузки на блок, 1фитерии загружения, контроля деформаций и оценки результатов испытаний.

6. Получены результаты сравнительного сопоставления экспериментальных исследований с их качественной и количественной оценкой с расчетами блока на ЭВМ при членении его на отдельные элементы и как пространственной системы:

6.1. При поэлементном расчете объёмных блоков значение прогибов в пролете плиты потолка близки к величинам определенным расчетом плиты со свободным опиранием, а прогибы плиты пола дают хорошие совпадения с данными расчета при условии жесткого защемления по трем сторонам.

6.2. При расчете блоков как пространственной системы по универсальной программе «ПРОКРУСТ» достигается хорошая сходимость результатов с поэлементным расчетом и результатами экспериментальных исследований, В случае защемления нижних опорных узлов блоков изгибающие моменты в плите пола уменьшаются, а при загру-жении стен вообще приближаются к нулю. Величина перемещения плиты потолка по расчетным данным выше на 13 $ фактического перемещения, а перемещения плиты пола значительно меньше прогибов плиты потолка, что и позволяет сделать вывод о более жестком защемлении ее не только в блоке, но и о защемлении нижних опорных узлов объёмного блока. Характер и величины перемещения продольных стен показывают близкое совпадение экспериментальных и расчетных данных (расхождение результатов находится в пределах 7−13 $).

6.3. При пространственном расчете выявлено, что фактическому напряженно-деформированному состоянию блока в системе здания наилучшим образом соответствуют данные расчеты блока при загруже-нии плит пола и потолка и линейном приложении нагрузки на стены с эксцентриситетом во внешнюю сторону. Загружение стен с кососим-метричным приложением вертикальной нагрузки существенных перемещений в элементах блоков не вызывает, их величины меньше, чем в вариантах загрузки с эксцентрисистетом во внешнюю или внутреннюю стороны. Поэтому рекомендуется для цринятия в расчете схема за-гружения стен блока с эксцентриситетом во внешнюю сторону.

7. Предложенные методики расчета объёмных блоков с поэлементным членением и как пространственной системы могут быть применены для практических целей и дальнейшего совершенствования конструктивных решений, При поэлементном расчете рекомендуется плиту пола рассчитывать с учетом жесткого защемления ее по трем сторонам, а плиту потолка со свободным опиранием по орем сторонам с учетом опорных моментов в обоих плитах, как для жесткого защемления по трем сторонам.

При использовании универсальной программы «ПРОКРУСТ» для расчета блоков как пространственной системы разработаны граничные условия, позволяющие наиболее полно описать условия работы конструкции. Предложенные граничные условия могут в дальнейшем использоваться при проведении расчетов таких конструкций по другим универсальным программам.

8, Выявлены факторы, влияющие на технико-экономические показатели производства и строительства жилых домов с шахматной пространственной системой расстановки объёмных блоков, приведена фактическая экономическая эффективность, полученная при внедрении системы на заводе объёмноблочного домостроения в г. Гулькевичи: к числу основных факторов, снижающих стоимость строительства следует отнести увеличение выхода полезной площади с каждой формовочной машины вдвое, а также снижение затрат на транспортирование и монтаж блоков вдвое цри незначительном росте числа панельных элементов в комплекте здания. Этот же фактор влияет в целом на снижение расхода арматурной стали на здание до 37 $ (12,5 кг на I м2 общей площади), суммарных трудозатрат на 17 $ и транспортных расходов, $ снижения которых зависит от дальности перевозки и достигает 26 $ при расстоянии 60 кмпри расчете сметной стоимости в базисных ценах ЦНИИЭП жилища снижение её цри малоэтажном строительстве составило 24,9 руб. на I I? общей жилой площади. За период экспериментального строительства введено в эксплуатацию 62 дома и получен экономический эффект I45889I руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработанная и исследованная конструктивная система зданий с шахматной пространственной расстановкой несущих объёмных блоков не цретендует на полную замену применяемых объёмно-блочных и блочно-панельных систем. Рациональность её применения зависит от конфетных местных условий и особенностей существующих баз строительной индустрии. Однако экономичность этой системы позволяет рекомендовать её к внедрению в довольно широких масштабах при строительстве новых заводов и реконструкции существующих. Такая система будет целесообразна особенно в районах, где транспортировка большого количества объёмных блоков создает определенные трудности, а увеличение мощности заводов лимитируется производительностью оборудования.

Внедрение результатов исследования будет способствовать решению ряда практических задач: расширению номенклатуры типов блочно-панельных зданий за счет использования объёмных блоков при шахматной пространственной расстановке в конструктивной схеме зданияснижению материалоемкости, трудозатрат и сметной стоимости строительствасо1фащению транспортных единиц и стоимости перевозки комплектов изделий на здание.

Совершенствование конструктивных и архитектурно-планировочных решений зданий может быть достигнуто за счет вариантного конструктивного решения и сочетания типоразмеров объёмных блоков в сочетании с ограниченным набором типоразмеров стандартных изделий заводского изготовления.

Проделанная исследовательская работа использована при разработке конструктивных решений объёмных блоков и элементов блочно-панельных зданий, цримененных в экспериментальном строительстве жилых домов, с пространственной шахматной расстановкой блоков.

Результаты исследований позволяют сделать вывод о действительной несущей способности объёмных блоков, дать заключение о возможности использования их для строительства многоэтажных зданий, выработать рекомендации по совершенствованию сопряжений элементов объёмных блоков, стыков и связей блоков в конструктивном решении зданий.