Оболочки покрытия храмовых зданий на основе сталефибробетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

[email protected] Талантова К.В. канд. техн. наук, доц,

Халтурина Л.В. канд. техн. наук, доц. Алтайский государственный технический ун-т им. И.И. Ползунова, г. Барнаул

ОБОЛОЧКИ ПОКРЫТИЯ ХРАМОВЫХ ЗДАНИИ НА ОСНОВЕ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА

Представлены архитектурно-планировочные и конструктивные решения Храма на 240 прихожан в сельской местности. Оригинальность предлагаемых решений состоит в том, что при традиционных планировочных решениях были предложены и разработаны современные тонкостенные пространственные конструкции покрытия Храма в виде оболочек с применением композита - сталефибробетона (СФБ), расчет и конструирование которых выполнен с использованием современных программных средств и вычислительной техники и возможностей фибрового армирования. Разработанные конструктивные решения тонкостенных СФБ оболочек покрытия, по расчетам, позволили повысить технико-экономические показатели пространственных конструкций покрытия Храма и всего объекта в целом.

В советское время множество храмов было разрушено или перепрофилировано. В связи с этим на долгие годы был практически остановлен процесс создания культовых сооружений, богатые многовековые отечественные традиции строительства церквей практически не развивались и не обогащались современными архитектурными, конструкторскими и технологическими достижениями. В последнее двадцатилетие в нашей стране ситуация изменилась: стало активно возрождаться православие. Православная церковь, отличающаяся устойчивостью традиций, консервативностью, четко определяет объемно-планировочную структуру и функциональную взаимосвязь помещений и элементов храма, его предметную среду.

Архитектурно-планировочное решение выполнено по православным канонам, и основано на лучших традициях русского православного зодчества [1,2]. Храм запроектирован однонефным, трехчаст-ной структуры с тремя главами в завершении, расположенными по одной оси. Продольный разрез Храма представлен на рисунке 1. Архитектурно-планировочное решение здания потребовало применения над каждой ее частью конструкций покрытия разной формы и размеров.

Оболочка покрытия алтаря представляет собой тонкостенную составную пространственную конструкцию длиной 5,9 м, состоящую из купольной части радиусом 3,9 м, переходящей в цилиндрическую оболочку длиной 2,0 м. Ширина оболочки покрытия алтаря равна 7,8 м. Оболочка по контуру опирается на монолитный пояс, а также на арочную конструкцию проема между алтарем и средней частью. Конструкция покрытия средней части Храма представ-

ляет собой составную цилиндрическую оболочку (крестовый свод) размерами в плане 10,8x10,8 м и высотой подъема 5,9 м.

Крестовый свод условно разделен на два основных элемента: отсеченные цилиндрические сегменты и опорный контур. Опорный контур составлен из четырех полуарок, в верхней части упирающихся в кольцо. В элементах полуарок и верхнего кольца принят горячекатаный двутавр обыкновенный. Сегменты представляют собой тонкостенные пространственные сталефибробетонные (железобетонные) элементы, которые по торцам опираются на стены, по линиям отсечения - на полуарки опорного контура. Нижней частью полуарки опираются на колонны, расположенные по углам средней части здания. Возникающий в крестовом своде распор, передается на монолитный железобетонный пояс и колонны. Верхнее опорное кольцо служит также для опирания барабана, состоящего из двух цилиндрических оболочек, между которыми расположен утеплитель. Сверху на барабане устроена луковица (Глава).

Конструкции покрытия над алтарем и средней частью разработаны в двух вариантах: с применением СФБ и из ЖБ. Применение СФБ в тонкостенных конструкциях покрытия Храма рассмотрен как альтернативный вариант типовым решениям, позволяющий обеспечивать эксплуатационные характеристики элементов конструкций, сократив расход материалов за счет снижения высоты сечения оболочек в среднем в 1,75 раза, снизив их стоимость и трудоемкость возведения [3,4,5,6,7,8]. Сталефибробетон рекомендуется для применения в элементах конструкций, в которых наиболее эффективно могут быть ис-

пользованы его технические преимущества по сравнению с железобетоном: повышенные физико-механические характеристики; возможность использования более эффективных конструктивных решений тонкостенных конструкций без стержневой или сетчатой распределительной и поперечной арматуры; снижение трудозатрат на арматурные работы; возможность применения новых, более производи-

тельных приемов формования конструкций, например, метод гнутья свежеотформованных листовых элементов конструкций.

Статический расчет оболочек выполнен методом конечных элементов средствами ВК SCAD, который был предоставлен авторам ЗАО НПП «Стройинжини-ринг, ЭРА - XXI век», сертификат соответствия № РОСС RU. СП 09. Н 000 26. Для описания расчетной

Рисунок 2. Оболочка покрытия алтаря. Расчетная схема, полученная средствами ВК SCAD

Рисунок 3. Оболочка покрытия средней части Храма. Расчетная схема, полученная средствами ВК SCAD

■ ■ ■ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ ■

00 со ■т СО со сЬ Г-* (Л Гх Гч. Г* 10 ГП С6 с> -ч "Т

см О 1 0 1 <о 1 о о о 1 О 1 О 1 с> 1 о о * е> е> + сэ о ♦ о ♦ о

Рисунок 4. Оболочка покрытия алтаря. Картина полей напряжений от совместного действия нагрузок

схемы конструкции покрытия алтаря приняты конечные элементы (КЭ): № 42 - треугольный элемент оболочки и №° 44 - четырехугольный элемент оболочки. Для описания расчетной схемы конструкции крестового свода использованы конечные элементы: №° 42 и №° 44 - в сегментах и №° 5 - пространственный стержень. Расчетные схемы оболочек представлены на рисунках 2 и 3.

Жесткостные характеристики КЭ приняты в соответствии с предварительно выбранными характеристиками материалов, в частности, для СФБ с учетом фибрового армирования. Из основных нагрузок, действующих на оболочки покрытия, учтены собственный вес конструкции, вес утеплителя, вес стропильной конструкции и кровли, а также снеговая нагрузка. Нагрузка от веса барабана прикладывалась исходя из расчета на опрокидывание от ветрового воздействия.

Материал оболочек в нетиповом варианте - ста-лефибробетон на основе мелкозернистого бетона -матрицы группы А, класса по прочности на сжатие В30. Вариант фибрового армирования СФБ оболочек - монодисперсное стальной фиброй из малоуглеродистой проволоки общего назначения по ГОСТ 3282. В соответствии с полученными в результате статического расчета величинами напряжений и картинами полей напряжений (рисунок 4 и 5) разработаны схемы фибрового армирования. Величины максимальных напряжений в СФБ элементах оболочки покрытия алтаря составили на растяжение о =

0,258 МПа, на сжатие - о = 0,259 МПа, что мо' ' стах ' '

жет быть обеспечено СФБ с минимально необходимым для обеспечения композиционной структур материала объемным содержанием фибр - 0,5%, (дли-

■ ■ ■ □ □ □ □ □ □ □ □ о □ и

•г ч£> (Л О ¿8 о и*> к ш с* -т 3 3 N 1л п § го ги

О 1 О (V 1 (VI 1 <м 1 СИ 1 1 0 1 о ( 0 1 о о

Рисунок 5. Оболочка покрытия средней части храма. Картина полей напряжений от совместного действия нагрузок

ной ^=60 мм и диаметром df=0,5 мм) с расчетными сопротивлениями на растяжение - Rflbt = 1,32 МПа и на сжатие - Rfb = 20,56 МПа. Проверка показала, что устойчивость составной оболочки покрытия алтаря обеспечена.

В соответствии с результатами статического расчета в СФБ элементах крестового свода максимальное напряжение растяжения составило о = 3,12 МПа, максимальное напряжение сжатия - о .=

стах

5,813 МПа. Для обеспечения указанных величин напряжений в крестовом СФБ своде необходимо объемное содержание фибр = 1,5% с характеристиками df=0,5 мм и 1=60 мм, принятыми ранее, и расчетными сопротивлениями СФБ на растяжение Rfbt= 3,21 МПа и сжатие Rfb= 24,14 МПа. Кроме того, в области сопряжения крестового свода и опорного контура для обеспечения прочности конструкции покрытия было предусмотрено комбинированное армирование фиброй (с указанными выше характеристиками) и регулярной арматурой класса Вр-1 (В-500) 0 4 мм.

Материалы для ЖБ вариантов оболочек покрытия алтаря и средней части приняты: бетон класса В15 и арматура класса Вр-1 (В500). Схема армирования ЖБ оболочек была разработана в соответствии с картинами полей напряжений, полученными в результате статического расчета, сетками из арматуры класса Вр-1 0 4 и 5 мм.

Конструктивные расчеты оболочек выполнены на усилия, полученные от самых невыгодных загруже-ний на сжатие и растяжение. [9]. Поскольку изгиба-

Таблица 1

Технико-экономические показатели сравниваемых вариантов оболочек покрытия

Показатели

Наименование конструкции Сметная стоимость возведения, тыс. руб Нормативная трудоемкость, чел/час Расход стальной фибры1, кг Расход арматурной стали, кг Расход бетона, м3 Масса конструкции, тонн Стоимость 1-го м3, тыс. руб.

Железобетонная

оболочка покрытия 68,7 126,2 - 153,9 5,1 12,8 1,65

алтаря

Сталефибробетон-

ная оболочка покрытия 57,3 75,7 82,7 30,3 2,1 4,8 1,38

алтаря

Железобетонная

оболочка покрыптия 148,6 273,8 - 761,7 12,8 32,0 3,60

средней части

Сталефибробетон-

ная оболочка покрытия средней 124,3 169,7 702,0 19,6 6,0 14,8 3,00

части

ющие моменты, действующие в сечениях оболочек малы, прочностной расчет на сжатие производен как внецентренно сжатых элементов со случайным эксцентриситетом. Расчет на растяжение выполнялся с центральным приложением растягивающего усилия в двух направлениях. Кроме того, для оболочек выполнены расчеты на устойчивость [9,10]. Расчетные схемы СФБ вариантов оболочек повторяют расчетные схемы ЖБ вариантов с необходимыми изменениями размеров сечений элементов и модулей упругости материалов. Помимо расчетов оболочек покрытия выполнен проверочный расчет полуарок опорного контура.

Для СФБ оболочек покрытия разработаны предложения по технологии их устройства, заключающееся в изготовлении сегментов СФБ оболочек на стройплощадке. Для обеспечения жесткости гнутых сегментов при их изготовлении предусмотрены ребра жесткости по контуру. После набора прочности сегментов предусмотрена их укрупненная сборка с последующим монтажом и окончательной сборкой на проектных отметках. Разработанные конструктивные решения тонкостенных оболочек покрытия и технологические приемы их устройства позволили повысить технико-экономические показатели пространственных конструкций покрытия Храма и всего объекта в целом (таблица 1).

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения СФБ оболочек покрытия для храмовых зданий, обеспечивающих архитектурную выразительность и технико-экономическую целесообразность предлагаемых решений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СП 31-103-99. Здания, сооружения и комплексы православных храмов.

2. МДС 31-9.2003 Православные храмы и комплексы православных храмов. Пособие по проектированию и строительству (к СП 31-103-99 Здания, сооружения и комплексы православных храмов).

3. Рекомендации по проектированию и изготовлению стале-фибробетонных конструкции. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР. 1987.-181с.

4. Ааруп, Д. СRC - Сферы применения высокоэффективного фибробетона / Д. Ааруп // Worldwide. Trade journals for the concrete industry. [www.cpi-worldwide.com] CPI -Международное бетонное производство. 2007 - № 4 -C. 108 - 115.

5. Рабинович, Ф.Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории, и проектирования, технология, конструкции: монография / Ф.Н. Рабинович -М.: Издательство АСВ, 2004. - 560 с.

6. Талантова, К.В. Композит - сталефибробетон - перспективное направление усовершенствования строительных конструкций / К.В. Талантова, Н.М. Михеев // Проектирование и строительство в Сибири. - 2001. - №12.-С. 27- 29.

7. Dratkobetonove konstrukce. Smernice pro navrhovany, provadeny, kontrolu vyroby a zkouseni dratkobetonovych konstrukci.- Praha.- 1999. - Technical Manual. - 107 p.

8. Walraven. J. The evolution of concrete // Structural Concrete. Journal of the fib., March, 1999. - V.1 - #1- S. 3-11.

9. Пособие по проектированию железобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий / НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР.- М.: Стройиздат, 1979. - 421 с.

10. Современные пространственные конструкции: справочник / Ю.А. Дыховичный и др. М.: Высш. шк., 1991. - 543 с.