Железобетонные конструкции для эксплуатации в агрессивных газовых средах
Специальные проектные требования по повышению коррозионной стойкости железобетонных конструкций можно разделить на конструктивные и технологические.
Конструктивные включают требования к форме конструкций, толщине защитного слоя бетона и арматуры, ширине раскрытия трещин и категориям расчета то трещиностойкости.
Технологические требования направлены на повышение стойкости бетона путем подбора состава, повышения (плотности, выбора специальных цементов и заполнителей, соответствующего вида арматуры и защиты конструкций полимерными материалами.
Конструктивные мероприятия по обеспечению необходимой коррозийной стойкости осуществляются в процессе проектирования, а технологические—в процессе изготовления и монтажа конструкций.
ЦНИИ Промзданий и НИИЖБ совместно проанализировали проектные материалы типовых железобетонных конструкций с целью определения возможности их применения в производствах с агрессивными средами.
В результате проведенного анализа выявилась возможность использовать значительную часть конструкций в условиях воздействия слабо- и средне агрессивных газовых сред. При этом понадобилось создание дополнительных проектных материалов—руководств по использованию чертежей типовых конструкции И непосредственная корректировка чертежей, связанная главным образом с изменениями арматурных каркасов ввиду увеличении толщины защитных слоев арматуры (серия 1.400.1). Остались без изменения трещиностойкость, внешние геометрические очертания и размеры, а следовательно, и опалубочные формы для изготовления конструкций
Иначе обстоит дело при проектировании конструкций применительно к производствам с сильноагрессивными средами.
Существенные отклонения от типовых решений связаны в этом случае с повышенными требованиями трещиностойкости и увеличением защитных слоев до 20—25 мм.
Так, для сильноагрессивных сред в обычных конструкциях со стержневой арматурой периодического профиля не допускается раскрытие трещин более 0,1 мм, а в предварительно напряженных конструкциях со стержневой и проволочной напрягаемой арматурой вообще не допускается появление трещин, и при расчете по третьему предельному состоянию для них принимается соответственно 'Первая и вторая категории трещиностойкости.
Учитывая значительную потребность в конструкциях, работающих в зданиях с сильноагрессивной средой, некоторые проектные (Промсгройпроект и др.) и научно-исследовательские (ЦНИИ Промзданий, НИИЖБ) организации осуществляют типовое и экспериментальное проектирование обычных и предварительно напряженных сборных железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в сильноагрессивных средах.
Балки покрытий. Для покрытий промышленных зданий, работающих в условиях сильноагрессивной среды, разработаны рабочие чертежи стропильных балок пролетом 12 и 18 м (серия ПП-01-01/68, вып. IV) и подстропильные балки (серия ПП-01-03/68, вып. II) Указанные балки выполнены с сохранением опалубочных размеров аналогичных типовых балок. В качестве рабочей попользована предварительно напряженная стрежневая и прядева арматура. Применение предварительно напряженной проволочной арматуры было исключено ввиду большой сложности получения особо плотного бетона (марки В-8 по водонепроницаемости) при дисперсном размещении большого числа проволок поо селению нижнего пояса балок.
Расчет балок по трещиностонкости от воздействия основных нагрузок с покрытия, монтажных нагрузок и от усилий обжатия при отпуске предварительного натяжения производился по нормальным и наклонным сечениям.
Для предупреждения появления трещин в верхнем поясе балок при отпуске натяжения нижней арматуры предусмотрено расположение напрягаемой арматуры также и в верхней зоне.
Проектным институтом N 1 разрабатываются двускатные балки пролетом 12 и 18 м для покрытий здании с сильноагрессивной средой.
Фермы. Одной из наиболее сложных задач создания конструкций ферм для сильноагрессивных сред является предупреждение появления трещин или ограничения их раскрытия не только в нижнем поясе фермы, но также и в растянутых раскосах, узлах и других элементах.
В 1967—1968 гг. для сильноагрессивных сред были разработаны рабочие чертежи экспериментальных предварительно напряженных подстропильных ферм и стропильных сегментных ферм.
Подстропильные фермы (объект 1969-Э) пролетом 12 м предназначены для опирания на них типовых стропильных ферм пролетами 18/24 и 30 -и с шагом ферм 6 м, в зданиях со скатными покрытиями, возводимых в I—IV районах снеговой нагрузки.
Фермы разработаны в трех вариантах:
1) в опалубке подстропильных ферм серии ПК-01-110 с симметричным расположением напряженной арматуры в нижнем поясе и незаряженной в растянутых раскосах;
2) в опалубке подстропильных «ферм серии ПК-01-110 с симметричным расположением напряженном арматуры в нижнем поясе и растянутых раскосах;
3) с некоторым изменением опалубочных форм подстропильных ферм серии ПК-01-110 с несимметричным расположением напряженной арматуры в нижнем поясе и в растянутых раскосах.
Подстропильные фермы первого варианта разработаны применительно к изготовлению их на действующих заводах железобетонных изделий с натяжением стержневой арматуры нижнего пояса на упоры.
Подстропильные фермы второго и третьего вариантов разработаны (применительно к новым стендам, позволяющим производить натяжение арматуры как в нижнем поясе, так и в раскосах.
Фермы рассчитаны с учетом жесткости узлов как статически неопределимые. Предварительно напряженные нижние пояса и растянутые раскосы рассчитаны по II категории трещиностойкости, не напряженные растянутые раскосы — по III категории с ограничением величины трещин в бетоне по длине не более 0,1 мм » в местах примыкания не более 0,2 мм.
Из представленных трех вариантов наиболее целесообразной является конструкция ферм, изготовляемых это одностадийной технологии с натяжением домкратами стержневой арматуры нижнего пояса и растянутых раскосов на упоры при несимметричном расположении арматуры.
Стропильные фермы пролетом 18 и с шагом 6 м и разрабатывались на базе ферм серии ПК-01-129. При проектировании ферм было рассмотрено пять вариантов конструктивного решения, из которых наиболее предпочтительными являются:
1) вариант ферм, выполненных с сечениями элементов ферм ПК-01-129, но с увеличением расхода продольной арматуры решетки для обеспечения ее трещиностонкости:
2) вариант ферм, выполняемых с сечением поясов по серии ПК-0Ы29 и с увеличенным сечением элементов решетки это ширине поясов ферм. При этом в первом варианте расход стали увеличивается до 7—12%, а во втором — на 10—15% от общего расхода стали на аналогичную ферму серии ПК-01-129.
Применение ферм по указанным двум вариантам целесообразно отри шаге 6 м в связи с тем, что при незначительном увеличении площади сечения арматуры удается достигнуть напряжений, позволяющих во всех случаях (в том числе и в мостах примыкания элементов к поясам) получить минимальную величину раскрытия трещин, меньше нормированной— 0,1 м.н.
Плиты покрытий. Для покрытии одноэтажных промышленных здании с сильноагрессивной газовой средой разработаны специальные конструкции ребристых плит размером 1,5X6 и 1.5Х12 м. Ребристые плиты шириной 3 м оказались менее соответствующими ввиду необходимости устройства в них поперечных ребер, способствующих созданию застойных мест для скоплении агрессивных газов.
Плиты 1,5X6 и 1,5X12 м представляют собой конструкцию, состоящую из предварительно напряженных продольных ребер, соединенных плоской полкой. По торцам плит предусматриваются утолщения, улучшающие работу плит при транспортировании и монтаже. Высота продольных ребер плит принята раиной высоте продольных ребер типовых плит аналогичных размеров. Толщина полки-— 45 мл.
Предварительно напрягаемая арматура принята из стали класса А-111в и А-IV. Плита рассчитана как конструкция II категории трещиностойкости. Расчет плиты с учетом кручении продольных ребер показал возможность учета защемления полки.
Натяжение предварительно напрягаемой арматуры предусматривается как механическим, так и электротермическим способом; предпочтительным является более точный механический способ натяжения, так как увеличение точности натяжения позволяет принимать по расчету повышенную трещнностойкость плиты и, как правило, более экономичную марку ПЛИТЫ.
Колонны. В настоящее время разработаны и утверждены «Указания по применению типовых сборных железобетонных колонн одноэтажных промышленных зданий в сильноагрессивных газовых средах» (серия 1.400-4). В Указаниях представлена корректировка чертежей и ключи для подбора колонн следующих серий: колонны прямоугольного сечения серив КЭ-01-49; двухветвевые колонны серии КЭ-01-52; фахверковые колонны серии 1КЭ-01-55; двухветвевые колонны для зданий с подвесным транспортом серии КЭ-01-56.
В соответствии с СП 262—67 при определении ширины раскрытия трещин ветровая нагрузка учитывается в размере 30% от ее нормированного значения, а крановая — от воздействия одного крана в каждом пролете. При определении ширины раскрытия трещин в двухветвевых колоннах в случае наличия растяжения в одной из ветвей последняя рассматривается как центрально .растянутая — изгибающие моменты в «ей будут незначительными вследствие того, что большая часть поперечной силы, действующей в сечении колонны, будет восприниматься значительно более жесткой сжатой ветвью.
Изменения в конструкциях типовых колони связаны с ограничением величины раскрытия трещин в бетоне до ОЛ мм и увеличением защитных слоев арматуры. Произведена корректировка каркасов, расположения сеток и отогнутых стержней консолей колонн. Для подбора колонн серий КЭ-01-49 и КЭ-01-52 частично изменяются ключи. Изменение ключей касается колонн широких зданий, в которых учитываются температурные деформации конструкций.
Помимо перечисленных конструкции одноэтажных зданий ведутся проектные разработки конструкций многоэтажных зданий для эксплуатации в агрессивных средах.
Изложенное выше показывает, что на изменение армирования конструкции влияют главным образом высокие требовании к трещиностойкости конструкций.
Повышенные требования к трещиностойкости предварительно напряженных конструкций, с одной стороны, обеспечивают более надежную работу конструкций, с другой — снижают эксплуатационный уровень напряжении в арматуре и бетоне растянутой зоны конструкций.
Увеличение категории трещиностойкости конструкций на одну ступень для сильноагрессивных сред вызывает некоторый перерасход напрягаемой арматуры. Ниже представлены сравнительные данные по расходу бетона и арматуры отдельные видов конструкций, выполненных для обычных н сильноагрессивных сред.
Приведенные данные по агрессивной среде взяты из материалов экспериментального и типового проектирования на стадии их проектной разработки.
Сравнивая аналогичные конструкции одного и того же пила армирования и величины нагружения, можно заметить, что в большинстве случаев требуемая нормативами (СН 262—67) трещиностойкость конструкций обеспечивается за счет некоторого дополнительного расхода напрягаемой арматуры без значительного увеличении общего расхода стали, а в ряде случаев за счет повышении марки бетона. При этом важным обстоятельством является снижение эксплуатационного уровни напряжений в бетоне и арматуре растянутой зоны конструкций.
Данные экспериментальных исследований подтверждают, что характер и скорость протекания коррозионных процессов в бетоне существенным образом зависит от уровня напряжений в нем. Коррозия в сжатом бетоне (до определенного уровня обжатия) в большинстве случаев замедляется по сравнению с ненагруженным бетоном, а длительные напряженна растяжения интенсифицируют протекание коррозионных процессов и заметно ускоряют потерю бетоном прочности и защитных свойств.
Увеличение предварительного обжатия бетона устраняет растягивающие напряжения в бетоне при эксплуатационных нагрузках, в связи с чем создаются более благоприятные условия работы конструкций под нагрузкой в агрессивной среде.
При проектировании конструкций для агрессивных сред несколько видоизменяются и их геометрические очертания. Во избежание скоплений производственной пыли и влаги, а также с целью создания возможности качественного нанесения защитных покрытии на бетон, очертания конструкций должны быть простыми — без выступов, ребер, острых углов, с тщательно обработанной поверхностью без раковин и шероховатостей.
В конструкциях плит покрытия 1,5X6 м для сильноагрессивных сред в отличие от аналогичных плит серии ПК-01 -111 были устранены поперечные ребра и сделаны более пологими уклоны скосов. Большое внимание уделено вопросу герметичности заделки стыков по контурам соседних плит.
В стропильных балках покрытий, выполненных на базе серии ПП-01-01/64, устранены вертикальные промежуточные ребра, отсутствуют отверстия в вертикальных стенках балок.
Приведенные выше приемы рационального проектирования железобетонных конструкций позволят увеличить срок их службы при эксплуатации в производствах с агрессивными газовыми средами.
Кандидаты техн. наук М. Г. БУЛГАКОВА, Е. А. ГУЗЕЕВ, инженеры Н. И. ГРИГОРЬЕВ, Э. Н. КОДЫШ,
К. М. МАТВЕЕВ, И. А. ПЕТРОВ, А. Я. РОЗЕНБЛЮМ
Журнал бетон и железобетон 1969г.