Введение к работе
Диссертация, представленная в виде научного доклада, является научным обобщением опубликованных в 1978-2004 г.г. работ автора по исследованию, разработке и реализации сборного железобетона, возведению монолитных и сборно-монолитных зданий и сооружений, теоретических, технических и технологических решений, обеспечивающих безопасность при проектировании, изготовлении и возведении преднапряженных железобетонных элементов и конструктивных систем зданий и сооружений, а также повышение эффективности строительного производства. Работа выполнена в НИИЖБ и проектной организации ООО «Фирма ИСТОКстрой»
Актуальность проблемы. За последние годы производство сборного железобетонасущественно снизилось за счет как устаревших основных фондов, так и снижения объемов работ сборного домостроения. При повышении расходов на электроэнергию для обеспечения натяжения арматуры сборной железобетонной конструкции электротермическим способом, оно оказалось не эффективным, кроме того применение оборудования для электроразогрева напрягаемой арматуры зачастую приводило к нарушению электробезопасности. В таких условиях перевод электротермического способа натяжения арматуры на механический явился положительным фактором, обеспечивающим, практически, полную точность натяжения (по сравнению с электротермическим способом, при котором его разброс достигает ±600-1000 кг/см2). Появилась необходимость в технологии натяжения арматуры механическим способом с использованием легкого оборудования и продолжительности процесса натяжения арматуры, не превышающей времени, необходимого для натяжения ее электротермическим способом.
Кроме того, традиционная тепловая обработка изделий в пропарочных камерах приводила к возникновению техногенных трещин, которые не только снижали несущую способность железобетонных конструкции, в том числе изготовляемых в силовых формах, но и приводила к их отбраковке (до 15-20%).
При возведении сборно-монолитных и монолитных железобетонных конструкций, объем возведения которых существенно возрос за последние десятилетия, вопросы совершенствования технологий возведения с обеспечением безопасности в процессе строительства, а также надежности в эксплуатационный период, являлись наиболее актуальными в связи с многочисленными авариями обрушениями и другими чрезвычайными ситуациями.
Устаревший фонд эксплуатируемых зданий и сооружений зачастую требует их усиления и восстановления эксплуатационной надежности, а в некоторых случаях - их сноса и замены.
При этом конструктивные системы зданий и сооружений требуют технических решений, обеспечивающих безопасное и качественное строительство.
Федеральный Закон №184-ФЗ «О техническом регулировании», принятый 27 декабря 2002 года и вступивший в силу с 1 июля 2003 года, определил технический регламент в качестве единственного нормативного документа, устанавливающего исчерпывающие обязательные требования государства к продукции, ус-
лугам, работам, процессам и другим объектам технического регулирования в части обеспечения безопасности, охраны труда и окружающей среды. К 1 июля 2010 года Россия должна перейти на техническое регулирование посредством законодательных норм прямого действия - технических регламентов, В то же время этот закон не регламентирует параметры, определяющие потребительские свойства изделий. Решение этих вопросов выносится на уровень «производитель-потребитель» посредством добровольного создания производителем системы управления качеством с целью удовлетворения требований потребителя.
В связи с вышеизложенным создание научных и практических основ повышения надежности преднапряженных железобетонных элементов и конструктивных систем зданий и сооружений, с обеспечением безопасности при их проектировании, изготовлении в заводских и возведении в построечных условиях, является своевременным и обеспечивает решение крупной прикладной проблемы -повышения надежности строительной продукции и эффективности строительного производства, а тема настоящей диссертации является несомненно актуальной.
Цель диссертации - повышение надежности строительной продукции и эффективности строительного производства посредством разработки научных и практических основ повышения надежности преднапряженных железобетонных элементов и конструктивных систем зданий и сооружений, с обеспечением безопасности при их проектировании, изготовлении в заводских и возведении в построечных условиях.
Предмет исследований - достижения зарубежной, советской и российской науки и практики в области обеспечения надежности и безопасности строительной деятельности, а также повышения долговечности зданий и сооружений на стадии эксплуатации, контроля качества работ и повышения безопасности в процессе проектирования, возведения и эксплуатации зданий и сооружений, а также при изготовлении элементов конструкций, как в заводских, так и в построечных условиях.
Основная идея достижения цели заключается в усовершенствовании или
замене традиционных методов расчетов, конструктивных и технологических инженерных решений, в повышении эффективности, надежности и безопасности строительных процессов, сокращении времени изготовления или возведения конструкций, при одновременном снижении расхода строительных материалов и трудозатрат, с обеспечением высокого качества и безопасности работ.
Основные задачи диссертации:
исследование влияния различных факторов на расчетные параметры преднапряженных конструкций, изготовляемых в силовых формах и разработка мероприятий по снижению негативных влияний на их надежность, при производстве в заводских условиях;
исследование влияния температурных и других воздействий, как при возведении, так и эксплуатации зданий и сооружений;
- исследование строительных конструкций и конструктивных систем зда
ний и сооружений, с оценкой их технического состояния при возведении и дли
тельной эксплуатации зданий и сооружений, путем проведения обследователь
ских и экспертных работ.
Этапы методики исследований:
Усовершенствование технологии изготовления преднапряженных конструкций в заводских и возведения в построечных условиях.
Разработка методик расчета с учетом тепловых (температурных) факторов при изготовлении железобетонных конструкций в силовых формах, а также при возведении сборно-монолитных и монолитных каркасов зданий и сооружений.
Разработка рекомендаций по проектированию зданий и сооружений с применением технологий натяжения арматуры в построечных условиях.
Разработка концепции регулирования напряженно деформированного состояния в железобетонных элементах монолитных и сборно-монолитных каркасных и бескаркасных зданий и сооружений.
Разработка рекомендаций и мероприятий, направленных на уменьшение негативного влияния на преднапряженные конструкции, возникающего в арматуре и бетоне при термообработке в процессе их изготовления в силовых формах, а при возведении монолитных и сборно-монолитных железобетонных каркасов здания - влияние температурных, усадочных и других факторов на конструктивные элементы железобетонного каркаса в процессе его изготовления и эксплуатации.
Разработка концепции усовершенствования натяжных устройств, обеспечивающих высокую надежность и безопасность работ по натяжению арматуры в заводских и построечных условиях, при одновременном облегчении веса оборудования и трудовых процессов.
Проведение экспериментальных исследований на опытном стенде и в заводских условиях, а также испытаний по несущей способности, трещиностойко-сти и деформативности перекрытий железобетонных конструкций, возведенных по технологии с натяжением арматуры в построечных условиях, при надежном обеспечением безопасности строительной деятельности.
Методы исследований. Для решения конкретных задач, обеспечивающих достижение основной цели работы, использованы обзор, целевой анализ и обобщение литературных и фондовых источников, методы физического и математического моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, аналитических расчетов, математическая статистика, сравнительный анализ, экспериментальные исследования, проверка собственных результатов по материалам исследований других авторов, регулярный или долговременный авторский экспертный контроль конкретных за состоянием строящихся или построенных зданий и сооружений на базе авторских разработок и рекомендаций.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Нарушение безопасности производства строительных элементов возникает в тех случаях, когда в заводских условиях при изготовлении сборных железобетонных конструкций, например, в сборных силовых формах появляются техногенные трещины, которые снижают их несущую способность, а в некоторых случаях приводят к отбраковке изделий.
-
Производственная опасность в процессе строигельно-монтажных работ возникает в результате нарушения технологии, или в результате несоответствия в увязке конструктивных и технологических решений.
-
Безопасная технология производства строительно-монтажных работ невозможна без выявления и исключения негативных факторов при организации процессов строительства, с обеспечением техники безопасности.
-
Обнаруженное нами отрицательное температурное влияние на конструкции при их изготовлении в силовых формах создает напряженно-деформированное состояние системы « железобетонное изделие - преднапря-женная арматура - силовая форма» и требует разработки мероприятий по оптимизации режимов их изготовления - от формования до установки в пропарочную камеру, а также выдержки и остывания.
-
Конструирование железобетонных конструкций и систем каркасных и бескаркасных зданий с напрягаемой арматурой в построечных условиях позволяет регулировать напряженно-деформированное состояние как в железобетонных покрытиях и перекрытиях, так и в колоннах или несущих стенах.
-
Регулирование напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе эксплуатации при прохождении различных стадий загружения и при реконструкции элементов наиболее эффективно при проектировании и устройстве железобетонно-вантовых конструкций, внутри которых, например, арматура, уложенная в полиэтиленовые трубки, без сцепления с бетоном, создает «паутину» из канатов, обеспечивающую саморегуляцию НДС.
-
Отыскание оптимальных форм срединой линии арок, рам и срединой поверхности сводов и оболочек пространственных конструкций, позволяет добиться минимума изгибающих моментов.
8. Изменение расчетной схемы и регулирование напряженно-
деформированного состояния плитных конструкций, с укладкой напрягаемых ка
натов по эпюре моментов, позволяет за счет воздействия с обратным знаком су
щественно понизить их изгибные деформации.
9. Оптимизация при проектировании и регулировании напряженно-
деформированного состояния железобетонных конструкций, позволяет повысить
прочность, надежность и экономию материалов от 10 до 30%, с обеспечением
безопасности, т.к. возникновение критических нагрузок в одном или нескольких
элементах каркаса здания не приводит к потере его общей устойчивости и обру
шению.
Конкретное личное участие автора в получении результатов.
В диссертации автором использованы собственные научные идеи и разработки. Часть работ по исследованию сборных преднапряженных конструкций
выполнена совместно с Маркаровым НА.; Крыловым БА; Ибрагимовым A.M.; Несвижским Э.Г.; Козловым А.Д.; Мироновым B.C. и др.
По сборно-монолитному строительству с натяжением арматуры в построечных условиях проведены исследования и опубликованы их результаты в творческом содружестве с Хайдуковым Г.К.; Асатряном В.Г.; Илленко К.Н. и др.
Проектирование каркасных зданий с натяжением арматуры в построечных условиях осуществлялось совместно с Безруковым А.А., а работы по переводу сварных и нахлесточных соединений стержневой арматуры на механические - с Мадатяном СА, Матковым Н.Г. и др.
Автор благодарен своим соавторам за продуктивное сотрудничество, оказанную помощь и поддержку в подготовке настоящей диссертации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обеспечивается следующим:
выбором оптимальных методов исследования, например, с моделированием напряженно-деформированного состояния системы «железобетонное изделие -преднапряженная арматура - силовая форма» на опытных стендах и в специально оборудованных пропарочных камерах;
совпадением результатов моделирования различными способами, с результатами реальных испытаний сборных железобетонных изделий и конструкций, а также испытаний перекрытий в построечных условиях возведенных объектов;
разработкой экспериментальных методов, позволяющих получить вполне корректные результаты - несущественное различие между расчетными и опытными значениями по прочности, жесткости и трещиностойкости изделий и конструкций находилось в пределах статистической погрешности.
достаточным для получения достоверных выводов количеством экспериментального материала и результатов испытаний перекрытий в реальных условиях объектов, построенных по предложенным автором конструктивно-технологическим решениям;
проверкой результатов собственных исследований на основе обработки ранее выполненных экспериментальных наблюдений и результатов исследований и испытаний других авторов;
- эффективным применением конструктивно-технологических решений
преднапряженных железобетонных конструкций, и систем зданий и сооружений,
построенных в г. Москве, Воронеже и других городах и регионах РФ, ближнего и
дальнего зарубежья.
Научная новизна диссертации заключается в разработке:
Более усовершенствованных технологий изготовления преднапряженных конструкций в заводских и возведения в построечных условиях.
Методики расчета железобетонных конструкций с учетом тепловых (температурных) факторов при их изготовлении в силовых формах, а
также возведении сборно-монолитных и монолитных каркасов зданий и сооружений на основе разработанной автором концепции устройства так называемой «железо бетонно - вантовьгх конструкций».
Рекомендаций по проектированию зданий и сооружений с применением технологий натяжения арматуры в построечных условиях,
Концепции регулирования напряженно деформированного состояния в железобетонных элементах каркасных и бескаркасных зданий.
Рекомендаций и мероприятий, направленных на уменьшение негативного влияния на преднапряженные конструкции, возникающего в арматуре и бетоне при термообработке в процессе их изготовления в силовых формах, а при возведении монолитных и сборно-монолитных железобетонных каркасов здания -влияние температурных, усадочных и других, в т.ч. техногенных факторов на конструктивные элементы железобетонного каркаса в процессе его изготовления и эксплуатации.
Концепций обеспечения натяжных устройств, обеспечивающих высокую надежность и безопасность работ по преднапряжению арматуры в заводских и построечных условиях, без применения специальных защитных экранов, ограждений и т.п.
Методики проведения экспериментальных исследований, не имеющих аналогов, на опытном стенде и в заводских условиях, а также испытаний несущей способности, трещиностойкости и деформативности перекрытий железобетонных конструкций, возведенных по технологии с натяжением арматуры в построечных условиях при обеспечении безопасности строительной деятельности.
Положений и рекомендаций, обеспечивающих повышение безопасности строительной деятельности и исключение возможности возникновения аварийных ситуаций.
Научное значение диссертации состоит в развитии теории напряженно-деформированного состояния системы «железобетонная конструкция - предна-пряженная арматура - силовая форма», с повышением технологической трещиностойкости сборных плит, а также теоретических основ обеспечения надежности железобетонно-вантовых конструкций при естественном регулировании саморегуляции их напряженно-деформированного состояния при воздействии различных нагрузок, в т.ч. критических, за счет перераспределения усилий через систему канатов в виде «паутины», закрепленных по контуру перекрытий, в надколон-ных или пролетных полосах, уложенных в полиэтиленовые трубки горизонтально или криволинейно соответственно эпюре изгибающих моментов.
Практическое значение диссертации состоит в том, что сделан существенный вклад в научные представления о физике строительно-монтажных процессов, а также температурных и других воздействий среды, возникающих в процессе эксплуатации железобетонных каркасов зданий и сооружений, оценке их технического состояния, что позволяет прогнозировать отрицательные явления и устранять их на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации, а также совершенствовать традиционную технику и технологию изготовления сборных
железобетонных конструкций в заводских условиях и возведения монолитных и сборно-монолитных преднапряженных конструкций.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации использованы при усовершенствовании технологии изготовления сборных железобетонных конструкций на заводах ЖБИ гг. Ногинске, Киеве, Томске, Москве, Воронеже, Саратове, а применение железобетонно-вантовых конструкций использовано при строительстве объектов в г.г. Москвы, Сухуми, Нижнем Тагиле, Сантьяго де Куба и др.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на научных семинарах и конференциях ассоциации «Пространственные конструкции», ассоциации «Железобетон», Международных конференциях в гг. Белгороде, Ростове-на-Дону, Москве, а также на научно-технических конференциях в Томске, Вильнюсе, Днепропетровске и др.
Результаты работы достаточно широко освещены в научных изданиях, нормативных и рекомендательных документах, а также трудах автора.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 30-ти опубликованных работ, в том числе в 6-ти авторских свидетельствах и патентах, а также нормативно-рекомендательных документах, разработанных специалистами НИИЖБ с участием автора диссертации.