Повышение эффективности производства сборных железобетонных конструкций (далее СЖК) является одной из важнейших задач промышленного и гражданского строительства. Эта задача может быть решена только путем создания единого сортамента (далее ЕС) СЖК массового изготовления. В основу его построения должен быть заложен комплекс требований, в том числе по оптимальным условиям изготовления конструкций с применением минимального числа переналаживаемых форм, возможности использования конструкций и конструктивных решений для зданий с различными технологическими процессами, созданию архитектурно-художественной выразительности помещений, снижению стоимости и сроков строительства и повышению его качества.
В отечественной практике работа по созданию ЕС СЖК начата в 1988 г. в ЦНИИпромзданий. Подобная работа не имела аналогов в мировой практике. Зарубежный опыт в этом направлении ограничивается только некоторыми видами конструкций, выпускаемых отдельными фирмами.
К сожалению, рассматриваемая работа не доведена до логического завершения и не внедрена в практику ввиду политической перестройки бывшего СССР и последовавшего за этим экономического кризиса в РФ.
Существующие конструктивные решения одно- и многоэтажных зданий промышленных предприятий предопределили наличие в промышленном строительстве двух самостоятельных номенклатур конструкций с большим числом изделий.
Общее число типоразмеров конструкций составляет около 700. Однако такая расширенная номенклатура не обеспечивает в реальных условиях проектирования и особенно в условиях реконструкции оптимальные сетки колонн, высоты этажей и их сочетания.
Загроможденность конструкциями и соответствующим парком опалубочных форм отрицательно сказывается на работе заводов стройиндустрии, усложняет комплектность поставки изделий. В итоге увеличиваются сроки и стоимость строительно-монтажных работ.
При проектировании железобетонных каркасов зданий и отдельных конструктивных элементов предусматривается максимальное снижение материалоемкости конструкций и числа монтажных единиц.
Сечения конструкций при этом приобрели сложные, неэстетичные геометрические формы, хотя и стали ажурнее. Одновременно резко усложнились металлические опалубочные формы, а их масса увеличилась.
Увеличение ширины плит покрытий и перекрытий до 3 м дополнительно усложнило опалубочные формы, снизило вариабельность решения зданий с пролетами кратными 1,5 м и привело к массовому нарушению транспортных габаритов конструкций, а, следовательно, и повышению стоимости их перевозок.
При существующих конструктивных решениях архитектура фасадов достигается в лучшем случае искусственными мерами, т.е. созданием на поверхностях ограждающих конструкций отделочных слоев.
Все имеющиеся типовые конструкции разработаны без учета необходимости членения их по длине, ширине, высоте и толщине, что значительно увеличивает число типоразмеров конструкций.
Отсутствует и должная преемственность в назначении опалубочных размеров конструкций при их новых разработках или совершенствовании. Практикуется изготовление конструкций для промышленного строительства по заказам малыми партиями, отсутствует специализация производства.
В результате нерационально используется парк опалубочных форм и, как следствие, недоиспользуется более 20% производственных мощностей.
При разработке ЕС СЖК строительные параметры одноэтажных зданий ограничены пролетами до 24 м, шагом колонн до 12 м и высотами этажа до 14,4 м, а многоэтажных зданий – пролетами до 12 м (с возможностью увеличения до 18 м), шагом колонн до 12 м и высотами этажа до 8,4 м.
Величины пролетов и высот этажей могут приниматься с произвольными модульными значениями, кратными соответственно 3 м (при обоснованиях – 1,5 м) и 0,6 м (при обоснованиях – 0,3).
Временные нормативные нагрузки на ригели перекрытий составляют 1500 кгс/м?. Указанные здания могут быть как бескрановыми, так и с подъемно-транспортным оборудованием общего назначения.
Взаимоувязка конструкций сортамента с новыми конструктивными системами показала возможность проектирования зданий с любыми модульными значениями пролетов и при любом их сочетании по ширине здания, с нулевой и осевой привязками колонн к его координационным осям, в сборном и сборно-монолитном вариантах. При этом для многоэтажных зданий обеспечивается создание выносных консолей различной длины с размещением в их пределах всех горизонтальных и вертикальных коммуникаций или выносных галерей, одноэтажная разрезка колонн, бесконсольное сопряжение ригеля с колоннами.
Для разработки и реализации на практике ЕС СЖК необходимо выполнение комплекса технологических требований по их изготовлению. Опалубочные формы должны быть легко н быстро переналаживаемыми, иметь простые геометрические формы, допускать возможность широкого варьирования размерами конструкций в зависимости от их назначения и применения по длине, ширине, высоте и толщине.
Оптимальной следует считать литьевую технологию формования конструкций с использованием подвижных бетонных смесей. Изготовление изделий предусматривается на стендах с подвижными продольными бортами, в положении «плашмя». Изменение размеров сечений элементов достигается за счет подвижки бортов, использования отсекателей, вкладышей и заглушек.
При армировании конструкций заложены новые принципы, основывающиеся на максимальном использовании типовых сварных сеток, разрезаемых и сгибаемых в любых местах с подвязкой к ним требуемых по расчету отдельных стержней рабочей арматуры большого диаметра. В этом случае снижаются трудозатраты на изготовление индивидуальных арматурных сеток, плоских и пространственных каркасов.
Закладные изделия принимаются штампосварные, как наиболее экономичные по трудозатратам на изготовление, расходу металла и стоимости.
При организации вертикальных выпусков арматуры из тела бетона изделия их диаметр не ограничивается. При необходимости устройства выпусков по боковым граням изделий они предварительно отгибаются и остаются в теле бетона до распалубки. После распалубки изделий выпуски арматуры восстанавливаются в вертикальное положение. Такие выпуски должны изготовляться из мягких сталей диаметром не более
12 мм.
Выбор стендовой технологии изготовления изделий позволит обеспечить широкую номенклатуру конструкций на основе ЕС. Обоснованием стендовой технологии изготовления конструкций является также переход к рациональному использованию вместо стационарных заводов мобильных цехов, максимально приближенных к площадкам строительства.
Формирование ЕС конструкций производится путем комплексной оценки требований, предъявляемых как к сортаменту в целом, так и его отдельным составляющим элементам:
максимальное соответствие конструкций сортамента и решений зданий из них технологическим требованиям производств основных отраслей промышленности с учетом перспективы их развития и реконструкции действующих предприятий в границах нормируемых строительных параметров и их сочетаний;
оптимальные условия изготовления конструкций сортамента с применением минимального числа быстро переналаживаемых типоформ. При этом должна обеспечиваться возможность широкого варьирования размерами конструкций по длине, ширине, высоте, толщине, а также организация вырезов и отверстий;
сечения конструкций должны иметь простые геометрические формы, обеспечивающие в необходимом диапазоне несущую способность, а также принятые принципы конструирования, армирования и изготовления;
принятые формы сечений конструкций в отдельности и конструкций сортамента в целом должны быть увязаны с едиными правилами по назначению координационных и конструктивных размеров строительных конструкций и по назначению привязок конструкций к координационным осям зданий; с конструктивными системами зданий и отдельных его элементов, а также с совместной работой смежных элементов между собой; с принципами универсальности, взаимозаменяемости и многоцелевого использования; требованиями противопожарными, теплотехническими, светотехническими, акустическими, антикоррозионной защиты; правилами подвески к ним подъемно-транспортного оборудования (пути подвесных кранов общего назначения, монорельсы, конвейеры), отдельных грузов, инженерных и технологических коммуникаций (в том числе с совмещением конструкций с системами вентиляции и кондиционирования, лучистого отопления, освещения);
оптимальные условия транспортирования конструкций сортамента с учетом удовлетворения нормированным значениям транспортных габаритов, что одновременно обеспечивает возможность унификации крепежных элементов и транспортных средств;
оптимальные условия монтажа конструкций сортамента с установлением унифицированного ряда подъемных механизмов и грузозахватных устройств по грузоподъемности в соответствии с формами сечений и массой конструкций;
оптимальные условия складирования конструкций сортамента с установлением унифицированных решений при одинаковых формах сечений конструкций;
обеспечение конструкциями сортамента архитектурно-художественной выразительности помещений и зданий при многовариантности решений;
снижение стоимости и сроков строительства и повышение его качества при использовании конструкций сортамента.
Расчетные схемы железобетонных каркасов в одноэтажных зданиях предусматривают шарнирное сопряжение балок с колоннами на эластомерных прокладках. Аналогично может обеспечиваться совместная работа ригелей с колоннами и в некоторых многоэтажных каркасных зданиях. В большинстве же случаев необходимо рамное соединение ригелей с колоннами. Его предлагается осуществлять путем установки одного или двух ригелей соответственно в прорези и вырезы колонн на эластомерные прокладки со сваркой поверху закладных изделий через арматурные стержни или металлические пластины.
Установка металлических связей в покрытиях одноэтажных зданий не допускается, поэтому при больших высотах балок последние должны иметь подрезки на опорах высотой не более 900 мм. Уклон покрытия обеспечивается установкой колонн на разных отметках. Подкрановые балки устанавливаются на вырезы в колоннах.
Для увеличения несущей способности конструкций, снижения высоты покрытия или перекрытия допускается использование сталежелезобетонных балок и ригелей с применением в качестве арматуры высокопрочной полосовой стали. При сборном и сборно-монолитном решениях покрытий и перекрытий плиты опираются только по верху балок и ригелей.
В сортамент включены две группы конструкций, объединенные по признакам формообразования. Первую из них составляют конструкции типа «2Т», куда входят плиты покрытий, перекрытий и стеновые панели.
Вторую группу составляют конструкции прямоугольного сечения. В нее включены балки покрытий, ригели перекрытий, колонны, стеновые панели.
Перечисленные конструкции охватывают почти все сборные железобетонные конструкции одноэтажных и многоэтажных зданий, кроме фундаментных и подкрановых балок, а также перегородок, которые могут при необходимости изготовляться в опалубочных формах конструкций соответственно второй и первой групп.
Максимальные габариты плит покрытий и перекрытий по длине диктуются технологическими требованиями производства и соответствующими им объемно-планировочными решениями зданий. Наибольшее применение имеют плиты с пролетами, равными 6 и 12 м. Установка плит размерами на пролет в одноэтажных зданиях или при продольных каркасах в многоэтажных зданиях в реальных условиях проектирования требует увеличения их длины до 18 м с шагом градации в 3 или 1,5 м. Установленные в настоящее время максимальные нагрузки па плиты покрытия находятся в пределах 1100—1200 кгс/м?. Наибольшее распространение имеют нагрузки в пределах 350-500 кгс/м?.
В многоэтажных зданиях предельные локальные нагрузки на перекрытиях не превышают 3000 кгс/м? при наибольшей повторяемости до 1000 кгс/м? (75%).
Основная ширина плит назначена равной 1500 мм с возможностью уменьшения ее в необходимых случаях до 1200 и 900 мм. Она удовлетворяет унифицированным модульным размерам и транспортным габаритам.
Размещение ребер и размеры консольных свесов полки по 300 мм предполагают включение ее в работу по всей ширине конструкции. Увеличение ширины плит до 2400 мм возможно только при наличии самостоятельной типоформы.
В сортаменте плит их сечения по высоте оптимизированы по расходу материалов и себестоимости конструкций в зависимости от пролетов и нагрузок. В диапазоне до 3000 кгс/м? выделены
6 групп нагрузок. В пределах каждой группы сечения плит по высоте приняты по их максимальным значениям. Шаг градации высот плит в пределах наиболее повторяемых их значений от 250 до 500 мм принят равным 50 мм, а далее 100 мм.
Назначение толщины ребер плит увязано с технологией изготовления конструкций, прочностными характеристиками и соблюдением требований по их защите от коррозии.
Для плит высотой 250—600 мм принята одна типоформа, позволяющая создавать при членении ребер требуемые типоразмеры. Ширина ребра плит по низу при максимальной высоте назначена из условий размещения в ребре конструкции одного ряда напрягаемой арматуры, соблюдения защитных слоев бетона и равна 75 мм. Ширина ребра плит по верху принята равной 150 мм, что обеспечивает постоянный технологический уклон внутренней грани ребра (около 1:8). Дополнительно предусмотрено членение ребер плит по ширине, начиная с высоты 450 мм, где ширина ребра плиты по низу составляет 75 мм.
Толщина полки плит принята в зависимости от нагрузок: до 1500 кгс/м? — 40 мм, до 3000 кгс/м? — 50 мм.
Вошедшие в сортамент плиты рассчитывались и армировались как однопролетные балочные, шарнирно опертые конструкции. Однако при больших абсолютных значениях пролетов они могут конструироваться как двух- и трехпролетные, а также с консольными выносами плиты в целом или отдельных ее элементов (ребер или полки). В пределах определенных сортаментом нагрузок к ребрам плит могут подвешиваться (с учетом проверки ребер на поперечную силу) как отдельные грузы, так и подъемно-транспортное оборудование общего назначения грузоподъемностью до 5 тс. С этой же целью плиты на отдельных участках могут быть заменены балками, представляющими собой как отдельные ребра (в том числе увеличенные по высоте и подрезанные на опорах) плит шириной 150 мм, так и ребра с участками полки.
Плиты сортамента изготовляются из тяжелого бетона, но для облегчения могут быть выполнены и из легкого. При необходимости они могут конструироваться с учетом укладки ребрами вверх или как плоские элементы (длиной до 3000 мм) при заглушке ребер.
Формирование сортамента балок и ригелей увязано с конструктивными системами одноэтажных и многоэтажных зданий, узлами их сопряжений с колоннами, плитами покрытия и перекрытий.
Габариты балок и ригелей, и в первую очередь их длина и высота, определяют в конечном итоге наиболее общие параметры зданий — ширину пролета и высоту этажа, которые допускается варьировать в реальных условиях проектирования в широких диапазонах (в том числе в сочетаниях с различными нагрузками на перекрытия и покрытие). Этим обусловлен выбор самой технологичной в изготовлении формы их поперечного сечения — прямоугольной. Ширина конструкции, равная 300 мм, назначена минимально возможной из условий опирания плит на балки и ригели и обеспечения продольной устойчивости этих конструкций на этапах транспортирования и монтажа. В большинстве многоэтажных зданий (реже одноэтажных) для снижения строительной высоты и обеспечения жесткости дисков перекрытий (покрытий) используется сборно-монолитный вариант конструктивного решения с созданием наивыгоднейших по расходу материалов и стоимости двутавровых сечений ригелей (балок).
Высоты балок и ригелей в сортаменте назначены исходя из максимальных нагрузок в каждой из трех выбранных групп.
Абсолютная величина наибольшей нагрузки на рассматриваемые конструкции принята равной 1500 кгс/м? (исходя из 6-метровой грузовой площади), что обеспечивает их применение приблизительно на 90% площадей зданий промышленных предприятий.
Нагрузки на балки и ригели в сортаменте даны для однопролетных конструкций с шарнирным закреплением на опорах. Увеличение нагрузок на эти конструкции в пределах сечений высотой до 1800 мм возможно при жесткой их заделке на опорах, а также при решениях конструкций в сталежелезобетонных вариантах. Балки и ригели могут использоваться как неразрезные конструкции, с консольными свесами, с подрезками на опорах.
В балках и ригелях высотой 450—1800 мм делаются отверстия (не влияющие на расчет конструкций, с шагом, кратным 2400 мм от середины конструкций) для уменьшения собственной массы, снижения расхода бетона и пропуска в их габаритах коммуникаций.
Для обеспечения совместной работы балок и ригелей с бетоном замоноличивания (при сборно-монолитных решениях покрытий и перекрытий) используются выпуски поперечной арматуры.
В настоящее время расширенная номенклатура колонн во многом способствует нерентабельной работе заводов сборного железобетона. Для ликвидации такого положения сечение колонн в сортаменте принято только прямоугольным, постоянным по длине изделия и без консолей. Два сечения этих конструкций по высоте (300 и 600 мм) при ширине, равной 300, 450, 600, 750, 900, 1200, 1500 и 1800 мм, и длине до 18 м дают возможность формировать колонны для одноэтажных и многоэтажных зданий с любыми унифицированными строительными параметрами. Для установки на колонны одноэтажных зданий подкрановых балок в рассматриваемых конструкциях организуются прямоугольные вырезы с одной или с двух сторон. В многоэтажных зданиях при одиночных ригелях колонны имеют внутренние вырезы (в виде вилки), а при двойных — наружные.
Так же, как в балках и ригелях, в колоннах в целях экономии бетона и для пропуска коммуникаций предусматриваются отверстия, располагаемые с шагом, кратным 1200 мм.
Сортамент стеновых панелей может формироваться на основе использования опалубочных форм как плит покрытий и перекрытий, так и колонн, балок и ригелей. В первом случае стеновые панели базируются на полном использовании опалубочных форм плит (при однослойных панелях для неотапливаемых помещений) с созданием поверх полки слоя легкого бетона (при двухслойных панелях) или утеплителя, и защитного слоя из тяжелого бетона толщиной до 50 мм (при трехслойных панелях на гибких связях).
Суммарная толщина горизонтальной части панелей при этом не должна превышать 250 мм. Частным вариантом является изготовление из легкого бетона однослойной стеновой панели (как ребристой, так и плоской) с увеличенной толщиной полки, а также трехслойной плоской панели (с заглушкой ребер). Максимальная ширина стеновых панелей вертикальной разрезки равна 1500 мм. Стеновые же панели горизонтальной разрезки имеют ширину 900 мм при ребристых панелях и до 1500 мм — при плоских.
Во втором случае стеновые панели имеют общую высоту, равную 300 или 600 мм. При этом они могут быть как ребристыми, так и плоскими. Ребристые стеновые панели имеют один типоразмер по ширине — 1800 мм, а плоские — в диапазоне от 300 до 1800 мм. Все рассматриваемые стеновые панели могут быть как горизонтальной, так и вертикальной разрезки.
Разрезка стеновых панелей в реальном проектировании может приниматься в любых сочетаниях с учетом возможности изменения параметров панелей по длине и высоте в приведенных выше пределах.
Стеновые панели обеспечивают, особенно при их сочетании в комбинациях, архитектурную выразительность фасадов зданий, устройство окон, дверей, ворот и удовлетворяют требованиям по освещенности помещений и защите от инсоляции. Установка стеновых панелей может осуществляться ребрами как наружу, так и внутрь помещения.
Устройство в полке стеновых панелей отверстий и вырезов не лимитируется. На поверхности полки для придания фасадам архитектурной выразительности может предусматриваться создание любых рельефных поверхностей.
Стеновые панели преимущественно вертикальной разрезки, в том числе с использованием в качестве фахверковых стоек отдельных балок, изготавливаемых на основе стеновых панелей, могут использоваться как перегородки.
Фундаментные и подкрановые балки принимаются прямоугольного сечения в пределах размеров по длине, ширине, высоте, регламентированных для балок покрытий, ригелей перекрытий и колонн.
Оценка единого сортамента конструкций на основании сравнения его технико-экономических показателей с аналогичными показателями конструкций типовой номенклатуры выполнена по трем основным позициям:
эффективности компоновки зданий из конструкций единого сортамента, обеспечивающих практически любые модульные строительные параметры и любые их сочетания по ширине пролетов, шагу колонн и высотам этажей;
сопоставления металлоемкости формооснастки конструкций;
сопоставления плит покрытий и перекрытий, балок покрытий и ригелей перекрытий по расходу материалов и их себестоимости в соответствии с диаграммами распределения нагрузок на эти конструкции.
Внедрение ЕС СЖК позволит в конкретных условиях проектирования применять широкий диапазон модульных значений пролетов, шагов колонн и высот этажей при различных их сочетаниях. Новые значения строительных параметров особенно необходимы в условиях реконструкции.
Относительные значения площадей зданий с этими параметрами к 1990 г. определились в размере 20% от общих площадей зданий промышленных предприятий, а в наше время могут быть увеличены в 2–3 раза.
Экономический эффект, достигаемый за счет размельчения строительных параметров составляет в среднем 10%, что позволяет говорить об экономичности ЕС СЖК по рассматриваемой позиции.
Сопоставление металлоемкости формооснастки конструкций типовой номенклатуры и единого сортамента проводилось на основании данных, полученных ЦНИИпромзданий по результатам обследования более 100 заводов железобетонных изделий в различных регионах СССР, специализирующихся на выпуске конструкций типовой номенклатуры. Средний процент использования парка опалубочных форм составлял на них 50%, а усредненный показатель металлоемкости формооснастки — 30 кг на 1 куб.м изделий.
Для конструкций сортамента разработаны на стадии проектных предложений стендовые установки, определена масса формооснастки, исходя из которой подсчитана для каждого элемента металлоемкость формооснастки (для плит — 42,3 кг/куб.м, для стеновых панелей — 30,1 кг/куб.м, для балок и ригелей — 15,6 кг/куб.м, для колонн — 25,7 кг/куб.м). Усредненный показатель металлоемкости формооснастки для всех конструкций ЕС определен в зависимости от доли каждой конструкции в общем объеме сборного железобетона по зданию и соотношениям между одноэтажными зданиями без кранов (с подвесным подъемно-транспортным оборудованием) и с опорными мостовыми кранами, между одноэтажными и многоэтажными зданиями.
При расчетах использовано следующее процентное соотношение между конструкциями единого сортамента: плиты покрытий и перекрытий — 37%; стеновые панели— 32%; балки покрытий и перекрытий — 20%; колонны — 11%.
Доля одноэтажных зданий принята равной 70%, а многоэтажных — 30%. Процентные соотношения площадей одноэтажных зданий по пролетам назначены равными 6 м — 7%, 9 м — 3%, 12 м — 20%, 18 м — 35%, 24 м — 35%. Применение плит покрытий номинальной длиной 6 и 12 м ориентировано на использование их соответственно на 65 и 35% площадей одноэтажных зданий. Процентные соотношения площадей многоэтажных зданий по пролетам назначены равными 6 м – 35%, 9 м – 35%, 12 м – 30%.
Средняя величина металлоемкости формооснастки конструкций ЕС составила 30,8 кг/куб.м, что практически равно аналогичному показателю для конструкций типовой номенклатуры. При этом при стендовом производстве конструкций ЕС использование форм теоретически может быть доведено до 100% вместо 50% при производстве конструкций типовой номенклатуры. Стенды будут работать с полной загрузкой, исключающей резервирование площадей для складирования формооснастки.
Снижение стоимости для конструкций ЕС достигнуто в основном за счет громадной экономии стали, которая по расчетам 1988 г. составила в масштабе СССР почти 170 тыс. т.
Необходимость реализации предложений и расчетов по ЕС СЖК диктуется жизненной необходимостью.
На первых этапах внедрение ЕС СЖК должно осуществляться в отдельных регионах РФ, а сортамент — включать конструкции для всех видов строительства.
Обобщение опыта формирования, разработок и внедрения ЕС СЖК по регионам позволит учесть все его положительные качества и отдельные упущения и сформировать общегосударственный ЕС СЖК.