Проектирование из монолитного железобетона

«В технике всегда существовало деление на металлы и неметаллы, и, хотя такие мастера, как Брюнель, одинаково умело использовали и те, и другие, большинство инженеров по традиции становились «металлистами» и «неметаллистами». Причина такого деления лежит в резком различии свойств металлов и неметаллов - и, следовательно, путей их использования. Однако я склонен думать, что определенную роль в выборе «своего» материала играют характеры людей: металлисты представляются мне людьми практичными, земными, они не выносят того, что кажется им бессмысленным, а неметаллисты, вероятно, более лиричны, богаче наделены воображением.»
Дж. Гордон, "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"

Заказать услугу или получить консультацию

 

Я - неметаллист и специализируюсь на проектировании монолитных железобетонных конструкций.  Выбор любимого материала и специализации происходит на начальном этапе карьеры, и в моем случае большую роль сыграло участие в реконструкции Восточного крыла Главного Штаба в Санкт-Петербурге (то самое здание с аркой на Дворцовой Площади).

Вся концепция этого проекта была построена на использовании бетонных поверхностей в интерьерах, на монолитных пространственных конструкций в качестве архитектурных форм. 

Парадные лестницы, платформы «висячих садов», огромные световые фонари – все это выполнено из монолитного железобетона, и мне повезло принимать участие в разработке проекта этих конструкций. Чертежи этих монолитных конструкций напоминали чертежи элементов атомных станций – многостраничная подробнейшая информация, доступная для понимания инженерам и рабочим любого уровня.

Многоэтажный  монолитный жилой дом

Из монолитного железобетона при должном инженерном подходе можно получить любую конструкцию, любой высоты, любой формы, любого пролета.  И, если добавить немного «магии» в виде особых марок бетона, продуманной раскладки опалубки, где учтены каждая шпилька и каждый шов, а также уход за поверхностью готовых конструкций – то получается нечто совершенно особенное.  После такого опыта не выбрать железобетон было просто невозможно.

Железобетон vs Сталь. В чем отличия?

При выборе стального или железобетонного каркаса обычно руководствуются общепринятыми плюсами и минусами двух материалов.

Характеристика

Сталь

Железобетон

Долговечность

-

+

Огнестойкость

-

+

Коррозийность

-

+

Монтаж в зимних условиях

+

+
(при дополнительных условиях: прогрев, тепляки и пр.)

Монтаж в отдаленных условиях

+

-
(необходим бетонный узел рядом с площадкой строительства)

Сопротивляемость динамическим/сейсмическим нагрузкам

-

+

Повторное использование

+

-

Себестоимость материала

-

+

Но для инженера не эти характеристики определяют особенности материала. В чем основное отличие между проектированием металлических конструкций и проектированием монолитных железобетонных конструкций?

Железобетон обладает сильно выраженной анизотропностью физических свойств, за счет своего состава и сути: материал состоит из бетона и арматуры. Эти две составляющих, как известно, обладают разными свойствами: бетон отлично воспринимает сжимающие усилия, а сталь – растягивающие. В зависимости от количества, расположения, ориентации арматуры, свойства железобетонного элемента будут изменяться. А вариантов армирования одного и того же элемента существует бесконечное множество.

Таким образом, в отличие от стального сечения, которое обладает конечными и неизменяемыми характеристиками (в рамках изученности поведения материала и принятых предпосылок, конечно) любое железобетонное сечение может иметь бесконечное количество вариантов характеристик, в зависимости от принятого армирования. И именно в подборе оптимального армирования для данного элемента и условий его работы и заключаются задача и мастерство конструктора.

Проектирование монолитного железобетонного перекрытия

Мы подошли к очень важному вопросу в проектировании монолитных железобетонных конструкций. Что такое железобетон? Материал или конструкция?

Железобетон – материал или конструкция?

Этот диалектический вопрос возникает из-за разницы подходов в современном проектировании железобетонных конструкций. Применение машинных методов расчета зачастую приводит к алогичным и громоздким решениям по армированию железобетонных конструкций.

Основным недостатком программных комплексов является тот факт, что жесткости задаются параметрически, т.е. в соответствии с геометрическим размерами и модулем упругости. Для плит перекрытий из монолитного железобетона, которые в расчетной схеме являются «ригелями» рам, это приводит к завышению их жесткости в 8-10 и более раз, что в свою очередь порождает «рамность» в работе несущих систем, которая в большинстве случаев отсутствует начисто.

Известно, что по схеме работы несущие системы могут быть:

  • рамными,
  • рамно-связевыми и
  • связевыми.

Для большинства зданий из монолитного железобетона их несущие системы являются связевыми. Жесткости систем лестничных клеток и межквартирных перегородок, если речь идет о жилье, достаточно для связевости несущих систем.

Связевость работы несущих систем означает, что изгибающие моменты в вертикальных несущих элементах, например колоннах, возникают только от неуравновешенных временных нагрузок на примыкающих к узлу пролетах, или если сами эти пролеты различны.

Если при проектировании железобетонных конструкций оперировать реальными жесткостями элементов, сходящихся в узле, то получается, что погонная жесткость вертикальных элементов в несколько раз больше погонной жесткости горизонтальных элементов, что, в свою очередь, приводит к тому, что невязка изгибающих моментов «расходится» между вертикальными, и изменение изгибающих моментов в горизонтальных элементах незначительное.

Если оперировать «параметрической» (завышенной) жесткостью горизонтальных элементов (плит перекрытий), заложенной в программных комплексах, то картина «Ровно наоборот». Жесткий «ригель» выворачивает колонны, порождая несуществующую «рамность» в работе несущей системы.

Наибольшая погрешность машинных расчетов, оперирующих завышенной «параметрической» жесткостью, проявляется при расчете безбалочных перекрытий. Теряется классическое разделение на надколонные и пролетные полосы, происходит «размазывание» армирование дисперсного типа. Подтверждается синдром машинного расчета – какую предпосылку заложили, такой результат и получили.

Заложили параметрическую жесткость, по сути дела моделируя изотропный материал, получили дисперсное армирование.

Известно, что жесткость изгибаемых элементов существенно зависит от количества арматуры. Меняя (увеличивая) количество арматуры, можно изменять (увеличивать) жесткость в несколько раз.

Если какую-то полосу перекрытия из монолитного железобетона заармировать очень мощно, дискретно, то можно получить жесткость этой полосы в несколько раз превышающую жесткость примыкающих к этому «поясу» участков.

Такая встроенная жесткость позволяет распределить нагрузку на нее, как это делается в перекрытиях кессонного типа (выступающие ребра).

В конечном итоге, что такое железобетон? Материал или конструкция?

При проектировании монолитных железобетонных конструкций реализуется принцип: как заармировать, так и заработает.

Искусство конструктора состоит в том, чтобы установить столько арматуры, сколько нужно, и туда, куда нужно.

Подход к железобетону как к конструкции позволяет реализовать вышесказанное.

Проектирование монолитных железобетонных конструкций

Проект монолитного жилого дома

Что же может представлять собой монолитный железобетон для наших клиентов и инвесторов? Кота в мешке, и сейчас рассмотрим, почему.

Рассмотрим проект многоэтажного монолитного жилого дома. Если бы можно было провести некий опыт и поручить проектирование одного и того же монолитного железобетонного перекрытия десяти различным компаниям, результатом такого опыта были бы десять абсолютно разных проектов.

В чем будут отличия? В принятой конструктивной схеме (ребристое перекрытие, часторебристое, плоское, плоское с капителями, кессонного типа), в принятых сечениях, в марке бетона и особенно весомая разница окажется в среднем расходе арматуры на куб бетона.

Это очень хороший, понятный и правильный показатель – средний расход арматуры на куб бетона.  За этой цифрой стоит следить и проектировщикам, и их клиентам. В практике были случаи, когда клиенты обращались с просьбой об оптимизации уже имеющегося проекта многоэтажного монолитного жилого дома. Иногда разница в расходах арматуры на один и тот же элемент до оптимизации и после может составлять 200% и более (подобные оптимизации проектов обязаны пройти через процедуру экспертизы).

Клиент имеет полное право владеть информацией о том, какие расходы арматуры на куб бетона были приняты в предыдущих  проектах выбранного проектировщика.  Вопрос ожидаемого расхода материалов может и должен обсуждаться на предварительных встречах и при составлении технического задания на проектирование.

Разность подходов к проектированию и расчету железобетонных конструкций и вариативность конструктивных решений дает огромный разброс стоимости строительства монолитного железобетонного дома. При нерациональном использовании возможностей этого уникального материала расходы на строительство и сроки выполнения работ могут быть сильно завышены. Специалисты же по проектированию монолитного железобетона могут значительно уменьшить и расходы на строительство за счет оптимально принятых конструктивных решений, и сроки строительства за счет учета технологических особенностей производства работ при монолитном строительстве.

Что наша команда может предложить нашему Клиенту?

  • уменьшение среднего расхода арматуры на куб бетона с/без изменением конструктивной схемы.
  • уменьшение общего расхода бетона.
  • мы умеем выполнять раскладки армирования в плитах таким образом, чтобы каждый прут арматуры был использован полностью, и количество лома арматуры было минимальным. Такие проекты занимают более длительное время, а для выполнения подобных работ на площадке нужны более квалифицированные бригады.
  • выполнение технологических расчетов: мы может точно определить, в какой момент уменьшать количество опалубочных стоек под плитой перекрытия и в какой момент распалубливать каждый этаж. Оборот опалубочной системы – оптимальный, сроки строительства – сокращены.
  • консультации при составление техкарт и пр.

Заказать услугу или получить консультацию

 

Мы предоставим подробное коммерческое предложение по проектированию монолитных железобетонных конструкций Вашего объекта или по оптимизации готового проекта гарантировано в течение трех дней после обращения в нашу компанию. Концепты оптимизации мы предлагаем нашим Клиентам бесплатно.