ОСОБЫЕ ПРИРОДНЫЕ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы, связанные с применением железобетонных конструкций при строительстве в районах с особыми природно-климатическими и гидрогеологическими условиями. Характеристика функциональных и конструктивных особенностей железобетонных конструкций приведена относительно двух обобщенных групп (областей) применения: надземной и подземной частей строительных объектов. Для железобетонных конструкций, которые применяются в подземной части рассмотрены особые виды гидрогеологических условий. Для железобетонных конструкций, которые применяются в наземной части рассмотрены особые виды природно-климатических условий. Рассматривается один из географических районов Российской Федерации, характеризующийся одновременным наличием особых природно-климатических и гидрогеологических условий.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, природно-климатические условия, гидрогеологические условия, подземная часть здания, наземная часть здания, последствия особых видов воздействий

Характеристика конструктивных решений зданий и сооружений с применением железобетонных конструкций

В настоящее время устройство несущих строительных конструкций из монолитного и сборного железобетона имеет распространенный характер для зданий и сооружений различного функционального назначения, сложности и ответственности [1,2].

Преимущества устройства конструктивной системы строительного объекта из железобетонных конструкций (сборных или монолитных) становятся очевидными в тех случаях, когда рассматриваются местные условия строительства, характеризующиеся следующими факторами [3,4]:

• низким уровнем транспортной доступности;
• слабым уровнем развития предприятий строительной индустрии;
• уникальным (сложным) форматом конструктивной и/или строительной системы;
• особыми природно-климатическими и/или инженерно-геологическими условиями.

Широкому распространению железобетона, как строительного материала для конструктивных решений типовых и уникальных объектов строительства, способствуют его основные преимущества [5,6]:

• высокая механическая прочность;
• гигиеничность и экологическая безопасность;
• долговечность;
• сопротивление атмосферным факторам;
• высокие показатели огнестойкости;
• низкие эксплуатационные расходы;
• возможность изготовления конструкций из местных строительных материалов.

Вместе с преимуществами железобетон (как основной строительный материал несущих конструктивных элементов зданий и сооружений) характеризуется определенными недостатками [1,5]:

• значительным собственным весом строительной конструкции, который является следствием высокой плотности материалов: бетона и стальной арматуры;
• слабой прочностью бетона на растяжение;
• формированим и раскрытием трещин в рястянутой зоне поперечного сечения железобетонной конструкции;
• эначительными трудовыми затратами при возведении, которые приходятся на кубический метр строительной железобетонной конструкции «в деле»;
• необходимостью выдерживания желебетонной конструкции на период набора прочности, осуществления комплекса мероприятий по уходу за уложенной бетонной смеси ― в особенности для периодов времени года, характеризующихся устойчивым отрицательным значением температуры воздуха.

Для снижения и/или устранения отмеченных недостатков на практике применяется ряд технологических и конструктивных мероприятий: снижение собственного веса за счет применения легких бетонов и формирование таких конструктивных элементов и систем, в которых исключается наличие бетона в растянутой зоне поперечного сечения железобетонных конструкций.

Обоснование архитектурных (объёмно−планировочных) и конструктивных решений зданий с применением железобетонных конструкций производится с учетом следующих основных групп факторов воздействий:

• Функционально−технологические факторы:

• качество конструктивных (проектных) решений;
• уровень технологического совершенства и качество изготовления и возведения железобетонных конструкций в конкретных условиях района расположения строительной площадки;
• значения усилий, возникающих в сечениях железобетонных конструкций от действия фактических значений постоянной и временной нагрузки (сочетаний групп нагрузок);

• Факторы окружающей (природной) среды:

• сейсмические воздействия: характер, формат и продолжительность действия;
• физико−химические процессы и явления, образующиеся в железобетонных конструкциях при их изготовлении, возведении и эксплуатации;
• природно−климатические воздействия;
• состав и характер агрессивного воздействия от окружающей (воздушной, водной, грунтовой) среды;
• биологические и агрессивные (коррозионные) воздействия.

Конструктивные решения предусматривают обязательную способность железобетонных конструкций воспринимать установленные сочетания эксплуатационных нагрузок и воздействий, а также динамических, температурных и других видов влияния окружающей среды [7].

Особые инженерно-геологические условия строительной площадки

Инженерно−геологические условия строительной площадки (участка территории, отведенной для размещения объекта капитального строительства) являются во многом определяющим фактором при выборе конструктивного решения (конструктивной системы) и технологического решения возведения (строительной системы) подземных и надземных частей строительного объекта [2,3].

На категорию сложности инженерно−геологических условий (различаются: простые, средней сложности и сложные условия) влияют:

• наличие неблагоприятных для возведения и последующую эксплуатацию высотных зданий геологических и инженерно−геологических процессов и явлений (например, признаки присутствия слабых, просадочных, набухающих, засоленных, биогенных грунтов, плывунов, суффозии, карстов, оползней, сейсмичность площадки);
• наличие техногенных процессов (например, динамическое влияние транспорта, работы машин и механизмов).

Для выявления инженерно−геологических особенностей строительной площадки при строительстве железобетонных конструкций подземной части рассматриваются и учитываются также: геоморфологические условия (наклонные поверхности, расчленённость и неоднородность земной поверхности, генезис элементов), формы залегания инженерно-геологических элементов (наслоения, выклинивание пластов, линзы, мешки, шлейфы), количество и напорный характер горизонтов подземных вод [8,9].

Наиболее важным для разработки строительной системы (в особенности подземной части) здания с применением железобетонных конструкций, считается выявление неблагоприятных инженерно−геологических элементов естественного происхождения:

• участков грунтового основания с плывунными свойствами грунтов и большими водопритоками;
• оползнеопасных и закарстованых грунтовых массивов;
• мест и границ расположения заброшенных карьеров, оврагов, балок;
• участков расположения и типов искусственных сооружений: подвалов, водозаборных скважин, тоннелей, подземных коллекторов.

На показатели эффективности возведения подземных железобетонных конструкций (фундаментов) оказывают влияние: особенности рельефа местности; инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки; параметры метеорологической обстановки; состояние окружающей застройки (Рисунок 1,2) [10,11] .

Этап строительства подземной части строительных объектов сопровождается: постоянным воздействием (различным по величине и направлению) со стороны окружающего грунтового основания и подземных вод (которые могут характеризоваться признаками химической и биологической агрессивности).

Особые природно-климатические условия строительной площадки

К числу особых климатических воздействий при строительстве железобетонных конструкций относятся: воздействия влажности и солнечной радиации; особые виды динамических воздействий (стихийные бедствия и природные катаклизмы, включая сейсмические нагрузки, возникающие при землетрясениях); экстремальные значения снеговой, ветровой, температурной (отрицательной и положительной) нагрузок (Рисунок 3,4) [12].

Воздействие особых (экстремальных) значений климатических факторов (например, температуры) на эксплуатационную пригодность и функциональную эффективность железобетонных конструктивных элементов строительных объектов характеризуются следующими особенностями [7,13]:

• абсолютные значения температурных воздействий приводят к изменению физико−механических свойств строительных материалов. Низкие отрицательные температуры способствуют существенному снижению пластических свойств бетона и арматурных (стальных) элементов. Дефекты и повреждения железобетонных конструкций в период действия отрицательных температур имеют, как правило, хрупкий характер без видимых признаков остаточных деформаций. Снижение условий проявлений хрупких разрушений вследствие отрицательного воздействий низких (до –50÷−65⁰С) температур достигается выбором морозоустойчивых марок (классов) бетонов и сталей, рациональной формы конструктивных решений зданий.
• величина и скорость изменения климатических температур (в формате амплитуды  годовых и суточных колебаний температур) способны вызвать значительные температурные усилия, которые могут привести к необратимым деформациям или вызвать повреждений железобетонных конструкций (при несоблюдении ограничений размеров температурных блоков, подвижности пролетных строений).

Результатом воздействия перепадов климатических температур и нестационарного характера тепловых воздействий становится нелинейный характер распределения температуры по сечению конструктивного элемента, что приводит к появлению дополнительных напряжений (Рисунок 5) [14].

Рисунок 5. Усиление возведенных железобетонных конструкций (колонн каркаса) стальными обоймами

Термическое напряжение железобетонных конструктивных элементов в значительной степени определяется именно амплитудой изменения температуры воздуха, а также физико−механическими свойствами материалов.

Вывод:

Недостаточный или некорректный учет особых видов природно-климатических и инженерно-геологических условий способно привести к заметному усложнению строительного производства и показателей функциональной эффективности железобетонных конструкций.

Список литературы:

1. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.: ФГУП ЦПП Госстроя России, 2013. 107 с.
2. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Никитин И.К. Проектирование многоэтажных зданий с железобетонным каркасом. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. 352 с.
3. СП 70.13330.2012. Несущие и ограждающие конструкции. М.: ФГУП ЦПП Госстроя России, 2012. 192 с.
4. Степанов А.Ю., Марков С.В. Наукоемкие конструктивные решения из железобетона в строительстве // Естественные и технические науки. 2014. №3. С. 109 ‒ 116.
5. Теличенко В.И., Терентьев О.М., Лапидус А.А. Технология возведения зданий и сооружений. М.: Высшая школа, 1984. 371 с.
6. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В., Магдеев У.Х. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. М.: АСВ, 2004. 256 с.
7. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. М.: Минрегион России, 2011. 84 с.
8. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М.: Минрегион России, 2012. 110 с.
9. Бондарик Г.К., Ярг Л.А. Инженерно-геологические изыскания. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. 352 с.
10. Энергосбережение в условиях вечной мерзлоты. URL:https://vecherka.su/articles/society/26607/ (дата обращения: 17.04.2018).
11. Инновационные сейсмоизолирующие конструкции, применяемые в сейсмических районах. URL: https://en.ppt-online.org/46262  (дата обращения: 17.04.2018).
12. Ход строительства Magnifika. URL: https://www.bonava.ru/kvartiry/spb/krasnogvardejskiy-raion/magnifika-lifestyle/1/khod-stroitelstva   (дата обращения: 17.04.2018).
13. Корнеев Т. А. Повышение надежности конструкций зданий и сооружений в условиях экстремальных атмосферных нагрузок и воздействий Севера: диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук: 05.23.01 / Корнилов Терентий Афанасьевич. Якутск: 2010. 392 с.
14. Усиление железобетонных конструкций. URL:http://smartremstroy.ru/886-usilenie-betonnykh-i-zhelezobetonnykh-konstruktsiy-kompozitnymi-materialami.html (дата обращения: 17.04.2018).