Технико-экономическое обоснование применения сталефибробетона в конструкциях промышленных полов

Это, по мнению авторов статьи, связано с отсутствием доступной и достоверной информации, которая зачастую подменяется псевдоданными, предоставляемыми различными «технически грамотными» специалистами, не до конца понимающими предмет исследования. Как показывает практика, при проектировании полов не всегда производится технико-экономическое сравнение вариантов, в лучшем случае анализируются только два варианта конструкций – бетон и железобетон, применение которых, как показали исследования, в большинстве случаев является необоснованным по сравнению с применением СФБ как по техническим, так и экономическим причинам.

В данной статье приведен сравнительный анализ различных вариантов конструкций промышленных полов и представлено обоснование для использования фибробетонных композитов при проектировании и устройстве конструкций несущих плит полов в зданиях производственно-складского назначения.

В течение более чем ста лет в России и за рубежом осуществляются экспериментально-теоретические исследования строительного композита – сталефибробетона. Серьезный практический опыт его применения за это время был накоплен в Австрии, Бельгии, Германии, Норвегии, США, Франции, Японии и в других странах. В нашей стране также активно ведутся исследовательские работы по внедрению СФБ в строительную практику.

Наиболее широкое распространение СФБ нашел в конструкциях полов производственных зданий, где его применение оправданно по ряду преимуществ в сравнении с бетонными и железобетонными конструкциями. Можно выделить технические, технологические и экономические преимущества СФБ. Среди технических преимуществ отметим его повышенную трещиностойкость, ударную стойкость и вязкость разрушения, а также пониженный уровень усадочных деформаций и ползучести. К технологическим плюсам использования СФБ можно отнести также повышение уровня механизации, отсутствие или значительное снижение трудоемких арматурных работ и возможность эффективного использования современных бетоноукладочных комплексов (лазерных бетоноукладчиков). Экономические преимущества заключаются в снижении трудозатрат и себестоимости работ, уменьшении сроков строительства и транспортных издержек. Помимо этого применение СФБ позволяет использовать более эффективные конструктивные решения.

Авторами статьи были проведены исследования, направленные на изучение влияния дисперсного армирования на прочностные характеристики матричного бетона, и сравнительный анализ конструкций и стоимости полов, выполненных с применением стальной фибры и традиционных – из бетона и железобетона. При исследованиях в качестве дисперсной арматуры использовалась стальная проволочная фибра с конусообразными окончаниями MIXARM (ТУ 1211-205-46854090-2005), выпускаемая ОАО «Северсталь-метиз» в г. Череповце Вологодской области. Эта фибра производится в промышленном масштабе, и исходным сырьем для нее является холоднотянутая низкоуглеродистая проволока с временным сопротивлением разрыву не менее 1100 МПа. Выбор MIXARM для исследований обоснован широким распространением данной фибры в практике строительства.

Ниже приведены нормативные и расчетные характеристики фибровой арматуры (табл. 1), а также ее номинальные размеры.

Начальный модуль упругости стальной фибровой арматуры Е_f соответствует 2.105 МПа (ТУ 1211-205-46854090-2005) [1].

Исходные данные

В целях сравнения технико-экономических показателей различных вариантов конструкций полов были выполнены соответствующие расчеты, при этом учитывались следующие характеристики используемых материалов конструкции плиты и подстилающего основания:

• бетон плиты – тяжелый бетон класса В25 (E_b = 30 000 МПа, R_b = 14,5 МПа, R_bt = 1,05 МПа);
• фибровое армирование – стальная проволочная фибра MIXARM (характеристики см. в табл. 1);
• стержневая арматура – периодического профиля класса А400 (E_s = 30 000 МПа, R_s = 355 МПа);
• грунтовое основание – пески средней крупности, плотные.

Расчеты произведены согласно СНиП 2.03.13-88 «Полы» [2] с использованием СП «Полы. Технические требования и правила проектирования, устройства, приемки, эксплуатации и ремонта» [3], предполагающих использование модели местных упругих деформаций с назначением в качестве характеристики жесткости основания коэффициента постели (К₀). Пренебрегая для численного анализа различными факторами, влияющими на значение данного коэффициента, примем для дальнейших расчетов К₀ = 65 МН/м³, что соответствует требованиям СП [3] для песчаных грунтов средней крупности при отсутствии грунтовых вод.

Для всех вариантов в качестве расчетной была принята сосредоточенная нагрузка, равная Р_р = 100 кН, равномерно распределенная по прямоугольному следу размером а⋅b = 0,1 м⋅0,1 м (0,01 м²). Параметры данной нагрузки являются характерными для большинства промышленных объектов. Коэффициент надежности (γ_f) по нагрузке принят равным 1,2. Коэффициент условий работы (γ_c) для упрощения расчетов был принят равным единице. Влияние смежных влияющих нагрузок в расчетах не учитывалось. Усилия, возникающие в краевых зонах, учитывались введением соответствующих коэффициентов [4].

Основные положения расчета

Согласно положениям отечественных норм конструкции бетонных полов рассчитываются по методу предельных состояний, позволяющему наиболее полно учесть специфику их работы под воздействием эксплуатационных нагрузок.

Расчетные предельные состояния для различных типов конструкций полов различаются. При появлении трещин в бетонных неармированных полах их несущая способность практически исчезает. Поэтому для таких конструкций состояние, соответствующее появлению трещин в результате воздействия нагрузок, является расчетным и характеризуется как предельное по прочности. В железобетонных конструкциях полов в стадии эксплуатации трещины допускаются, но ограничивается ширина их раскрытия. Для таких плит расчетное предельное состояние по прочности наступает, когда напряжения в растянутой арматуре достигают расчетного значения, а предельное состояние по раскрытию трещин характеризуется их допустимой шириной и определяется различными условиями.

Расчетное предельное состояние сталефибробетонных полов зависит от прочности бетона-матрицы и параметров армирования; при прочих равных условиях определяющим фактором является объемное содержание фибры в бетоне-матрице [7]. При проценте армирования ниже минимального уровня усилия в сжатой и растянутой зонах до момента образования первой трещины воспринимаются фибробетоном, а момент образования трещины в растянутой зоне соответствует потере элементом несущей способности и характеризуется как предельное состояние по прочности.

При проценте армирования выше минимального уровня усилие, возникающее в сталефибробетонном изгибаемом элементе в момент возникновения трещин, воспринимается в сжатой зоне сталефибробетоном, а в растянутой – только фибрами, считающимися «размазанными» в пределах площади растянутой зоны. Предельное состояние по прочности характеризуется усилием, возникающим в момент обрыва или выдергивания всех фибр, пересекающих расчетное сечение.

При проектировании СФБ конструкций и, в частности, промышленных полов необходимо предусматривать содержание фибровой арматуры в бетоне-матрице выше минимального уровня, так как выполнение этого условия обеспечит более эффективное использование применяемых материалов (бетона и фибр).

Поскольку рассмотренные выше предельные состояния вызываются действием знакопеременных изгибающих моментов, расчет необходимо производить с их учетом. В связи с этим основное уравнение прочности может быть записано в виде:

где: M_d – расчетный изгибающий момент, возникающий в плите при действии расчетной нагрузки, кН⋅м/м;
M_ult – предельно допустимый для рассматриваемого сечения изгибающий момент, кН⋅м/м.

При расчете железобетонных конструкций полов с учетом раскрытия трещин помимо условия (1) необходимо выполнить условие:

где a_crc – расчетная ширина раскрытия трещин в рассматриваемом сечении плиты при действии эксплуатационных нагрузок, мм;
a_{crc, ult} – предельно допустимая ширина раскрытия трещин, принятая равной 0,3 мм.

Расчетный изгибающий момент в рассматриваемом сечении определяется согласно [3] по формуле:

где: P_p – расчетная нагрузка на след, приложенная в расчетном центре, кН;
K₁ – коэффициент, принимаемый по табл. 7 [3] в зависимости от отношений:

где: α_p и β_p – соответственно длина и ширина расчетного следа, м;
L – упругая характеристика гибкости плиты, м, определяемая по формуле:

где: K₀ – эквивалентный коэффициент постели основания, МН/м³;
B – жесткость сечения плиты на единицу ширины сечения.

Ширину раскрытия трещин в расчетном сечении плиты, армированной ненапрягаемой арматурой, определяем по формуле [4]:

где: ψ_b – коэффициент, учитывающий работу бетона между трещинами в растянутой зоне;
σ_s – величина напряжения в растянутой арматуре, МПа;
α_c – расстояние между трещинами, м;
E_s – модуль упругости стержневой арматуры, МПа.

Предельный изгибающий момент M_ult на единицу ширины сечения для различных типов конструкций определяется по формулам:

– для бетонных плит полов (с учетом упруго-пластического момента сопротивления):

– для железобетонных плит с ненапрягаемой арматурой:

– для плит, армированных фибровой арматурой:

где: R_fb – расчетное сопротивление СФБ при сжатии, определяемое расчетным путем [5];
γ_c – коэффициент условий работы (для упрощения расчетов принят равным единице);
h – высота сечения, м;
x – высота сжатой зоны бетона, м;
h₀ – рабочая высота сечения, м;
b – ширина сечения, принимаемая равной 1 м;
A_s – площадь сечения растянутой арматуры в рассматриваемом сечении, м².

Одним из дополнительных условий при проектировании СФБ элементов является ограничение по минимальному армированию. Для полов производственных зданий рекомендуемое содержание фибр в СФБ составляет 20–40 кг/м³ (0,0025 ≤ μ_fv ≤ 0,005) [6].

Минимальные значения коэффициента фибрового армирования согласно нормативам [5] и [6] рекомендуется принимать, соблюдая следующее условие:

, (11)

где: С – коэффициент, принимаемый для изгибаемых элементов равным 0,6;
k_or – коэффициент ориентации, учитывающий ориентацию фибр в объеме элемента в зависимости от соотношения размеров сечения элемента и длины фибры, принимаемый интерполяцией значений указанных в табл. 6.1. [5];
l_f – длина фибр; для используемой фибры l_f = 54 мм;
l_f,an – длина заделки фибры в бетоне, м, обеспечивающая ее разрыв при выдергивании, определяемая по формуле:

где: d_f,red = 1,0 мм – приведенный диаметр используемой фибры;
R_f,ser = 1100 МПа – нормативное сопротивление растяжению фибр;
η_f = 0,7 – коэффициент, учитывающий анкеровку фибры;
R_b,ser = 1,55 МПа – нормативное сопротивление бетона осевому растяжению.

Подставляя в формулу (12) численные значения, получаем:

l_f,an ≈ 0,004968 м,

μ_min ≈ 0,003665 (0,3665%).

Минимальное массовое содержание стальной фибры в бетоне-матрице составляет:

μ_{fm, min} ≈ 28,77 кг/м³.

Для выполнения дальнейших расчетов примем расчетное массовое содержание стальной фибры в бетоне 30 кг/м³ (μ_fv = 0,00375%), что обеспечивает соблюдение условия содержания стальной фибры в бетоне выше минимально необходимого уровня.

Для принятых исходных значений нагрузок, параметров подстилающего грунтового основания и используемых материалов были произведены соответствующие аналитические расчеты. При расчете железобетонного пола величина защитного слоя бетона принята равной 25 мм для арматуры верхнего и нижнего уровня.

Стоимость основных материалов (бетона, арматуры и стальной фибры) определена на основании текущих рыночных цен. Калькуляция учитывает только прямые затраты. Расходы на организацию швов, упрочнение поверхности, а также другие издержки, являющиеся одинаковыми для всех вариантов, при выполнении расчетов также не учитывались.

В результате выполненных расчетов обоснована экономическая эффективность применения СФБ при изготовлении полов.

Результаты анализа затрат приведены в таблицах 2, 3 и 4.

В результате сравнительного анализа вариантов конструкций полов обоснована экономическая эффективность применения сталефибробетона при устройстве промышленных полов в производственно-складских зданиях. При использовании СФБ экономия бетона по сравнению с бетонной и железобетонной плитами пола составила 38 и 11% соответственно; экономия стали по сравнению с традиционной железобетонной конструкцией – 70%, а трудозатраты оказались меньше на 60% в сравнении с железобетонной и на 25% – с бетонной конструкциями.

Общее снижение себестоимости при использовании СФБ составило 19 и 34% в сравнении с бетонными и железобетонными полами соответственно. Также необходимо отметить, что применение СФБ позволяет существенно сократить сроки строительства. Учитывая объемы строительства промышленных зданий, возводимых в нашей стране, экономическая эффективность внедрения в строительную практику сталефибробетона может составить миллиарды рублей.