Плювків Василь Сергійович - Професор кафедри «Залізобетонні
і кам'яні конструкції »Томського державного
архітектурно-будівельного університету, доктор технічних наук
Балдін Ігор Володимирович - доцент кафедри «Залізобетонні
і кам'яні конструкції »Томського державного
архітектурно-будівельного університету, докторант
Гончаров Максим Євгенович - Аспірант кафедри «Залізобетонні
і кам'яні конструкції »Томського державного
архітектурно-будівельного університету
Будівля кардіологічного центру в г.Кемерово побудовано за типовим проектом, розробленим в 1973 році московським проектним інститутом «ГІПРОНІІЗДРАВ» і прив'язаному до місцевих умов проектним інститутом «Кемеровогражданпроект».
Мал. 1. Загальний вигляд будівлі кардіологічного центру в г.Кемерово
Відповідно до типового проекту кардіологічний центр в м Кемерово є дванадцятиповерхова каркасний будинок, що складається з двох блоків, з підвалом і технічним поверхом (рис.1).
Конструктивна схема двох блоків кардіологічного центру виконана в каркасно-панельних залізобетонних конструкціях по серії ІІ-04 по связевой схемою з поперечним розташуванням ригелів. Елементами каркаса зв'язевого типу є: колони, ригелі, рядові плити, плити-розпірки і вертикальні діафрагми - стінки жорсткості. Просторова жорсткість будівлі забезпечується в обох напрямках залізобетонним каркасом і в'язевих діафрагмами. Власне залізобетонний каркас, що складається з колон і ригелів, сприймає тільки вертикальне навантаження, а горизонтальне навантаження від вітру сприймається вертикальними діафрагмами жорсткості. Конструкція каркаса запроектована з частковим закріпленням ригелів з колонами.
Міжповерхові залізобетонні перекриття з залізобетонних панелей з круглими порожнечами виконують при цьому функцію горизонтальних в'язевих діафрагм, які, володіючи високою жорсткістю в своїй площині і розподіляючи горизонтальні навантаження між багатоповерховими рамами і вертикальними діафрагмами, забезпечують просторову роботу будівлі.
Залізобетонні колони зв'язевого каркаса прийняті перетином 400 * 400 мм, висотою на один і на два поверхи з індивідуальним розташуванням закладних деталей для всіх поверхів. Колони підвального поверху виготовлені з бетону марки 400 (класу В30), всі інші колони - з бетону марки 300 (класу В25). Армування колон виконано звареними каркасами з поздовжньою робочою арматурою діаметром 40 мм, 32 мм або 20 мм класу А-III в залежності від марки колон і поверху будівлі. За проектом в підвалі повинні бути встановлені колони з несучою здатністю 5800 кН (580 тс), на першому поверсі - з несучою здатністю 5200 кН (520 тс). Фактичне армування колон відрізняється від проектного. Так в колонах підвалу і першого поверху замість 8 стрижнів діаметром 40 мм класу A-III (згідно з проектом) встановлено 6 стрижнів поздовжньої арматури діаметром 40 мм класу A-III.
Стик колон розташовується на 600 мм вище рівня перекриття. Згідно з проектом стики колон повинні виконуватися ванною зваркою чотирьох кутових стержнів діаметром 40 мм, в стиках колон передбачено 3 сітки С-5 і п'ять сіток С-6 з арматури діаметром 12 мм класу A-III, з кроком 60 мм по висоті (рис.2 ). Фактично зварювання кутових стержнів здійснювалася частково за проектом, частково за допомогою двох накладок з арматурних коротишів меншого діаметру (25-32 мм) на кожному стрижні. У стику колон відсутні сітки С-6, а діаметр арматури в сітках С-5 дорівнює 6-8 мм.
Мал. 2. Схема розташування сіток непрямого армування проектного стику залізобетонних колон першого поверху
Зварені стрижні для зменшення розрахункової довжини повинні були з'єднуватися монтажними хомутами зі сталі діаметром 10 мм класу А-I, підрізування повинні бути заповнені за проектом дрібнозернистим бетоном марки 200 (класом В15). На окремих ділянках відзначено відшарування захисного шару бетону з оголенням арматури і мала величина захисного шару, яка составляет15-20 мм, що в 2 рази менше необхідних норм величин.
Перераховані вище відступу від проекту сприяли руйнуванню стиків несучих залізобетонних колон каркаса на першому поверсі будівлі (рис.3), аварійного стану інших дев'яти колон першого поверху, непрацездатному станом несучих залізобетонних колон підвалу, першого, другого, третього і четвертого поверхів. Руйнування стиків сталося зі зміщенням колон у вертикальній площині до 30-50 мм і зі зміщенням в горизонтальній площині до 15-20 мм. Стрижні поздовжньої арматури трьох колон першого поверху втратили стійкість, відбулося їх випинання, зруйнувалися місця з'єднання поздовжніх стрижнів за допомогою арматурних коротишів. Поздовжня арматура інших шести колон першого поверху почала втрачати стійкість. У деяких колонах і їх стиках утворилися поздовжні і поперечні тріщини.
Мал. 3. Руйнування стиків залізобетонних колон кардіологічного центру в г.Кемерово
Для врахування впливу дефектів будівельних конструкцій та відступів від проекту на перерозподіл зусиль і деформації каркаса кардіологічного центру в г.Кемерово були розглянуті просторові схеми будівлі. При цьому розглянуті 2 просторових блоку, утворених збірними залізобетонними колонами, на консолі яких встановлені залізобетонні ригелі таврового перетину. По полицях ригелів укладені залізобетонні багатопустотні плити і плити-розпірки міжповерхових перекриттів і покриття. До складу розрахункових схем входять також залізобетонні діафрагми жорсткості. Розрахункові схеми містять: перша - 14885 вузлів і 12699 кінцевих елементів; друга - 13778 вузлів і 11637 кінцевих елементів. Другий блок дзеркальний першому і відрізняється тільки висотою підвалу і першого поверху (3,3 і 4,2 м відповідно).
Загальні види просторових блоків в осях «А-Ж, 1-9» і «А-Ж, 10-17» кардіологічного центру в м Кемерово представлені на рис.4.
Статичний і динамічний (з урахуванням пульсації вітру) розрахунки просторових блоків корпусу виконані на 19 видів завантажень. При цьому при динамічних розрахунках складної просторової системи було враховано 30 форм власних коливань.
Мал. 4. Загальні види просторових блоків в осях «А-Ж, 1-9» (а) і в осях «А-Ж, 10-17» (б)
В результаті статичних і динамічних розрахунків (з урахуванням пульсації вітру) отримані значення переміщень вузлів просторових систем і зусилля в елементах від кожного завантаження; розрахункові сполучення зусиль в елементах несучих колон, ригелів, плит перекриття і покриття; переміщення і зусилля при розрахункових комбінаціях завантажень, частоти і періоди власних коливань систем при динамічних завантаженні і інші параметри.
На просторовому блоці каркаса кардіологічного центру було промоделювати руйнування стиків колон на першому поверсі з метою вивчення перерозподілу зусиль між колонами. При цьому розглянуто 2 варіанти розрахунків: 1-й - при вертикальному зсуві верху колон першого поверху на 20 мм; 2-й варіант - при зміщенні на 50 мм.
Аналіз результатів розрахунків показав, що зусилля в деяких колонах збільшуються в 1,079-1,088 рази при зміщенні верху колон першого поверху на 20 мм і в 1,257-1,288 рази при зміщенні верху колон першого поверху на 50 мм. Перевірочні розрахунки показали, що несуча здатність деяких колон в підвальному поверсі, на першому, другому, третьому, четвертому і восьмому поверхах при обліку перерозподілу зусиль не забезпечується. Перевантаження становить 9,5-41,2%.
Стики залізобетонних колон в будівлі, в яких відбулося випинання поздовжньої арматури, було рекомендовано посилити. При цьому в зоні відмови стиків колон на першому поверсі додатково була поставлена незнімна металева опалубка (розрізані труби діаметром 1000 мм) з подальшим заповненням простору між стінкою труби і колоною дрібнозернистим бетоном класу В40 (рис.5).
Мал. 5. Посилення залізобетонної колони при руйнуванні стику і втрати стійкості робочої арматури в зоні стику
Крім посилення зруйнованих стиків залізобетонних колон, так само було зроблене посилення стиків, в яких утворилися тріщини. Для відновлення несучої здатності даних стиків залізобетонних колон каркаса були запропоновані варіанти їх посилення металевими обоймами: обойма у вигляді куточків і планок (рис.6, а) і обойми у вигляді П-образних стрижнів (рис.6, б, в). Натурні фрагменти посилених стиків були експериментально перевірені в лабораторії Томського державного архітектурно-будівельного університету і показали свою надійність.
Мал. 6. Дослідні зразки стиків залізобетонних колон: а - посилений металевими планками; б - посилений арматурними стрижнями класу А-III 20 мм; в - посилений арматурними стрижнями класу А-III 32 мм
Для посилення просторової жорсткості будівлі кардіологічного центру на першому поверсі були встановлені додаткові металеві зв'язки між посиленими колонами каркасами в підвалі, на першому і другому поверхах (рис.7). Металеві портальні зв'язку були виконані з швелерів №14 і куточків перетином 125 * 10 мм.
Мал. 7. Встановлення додаткових портальних зв'язків між посиленими колонами першого поверху
Були виконані статичні і динамічні (з урахуванням пульсації вітру) розрахунки просторових блоків з урахуванням посилення колон підвалу, першого, другого, третього, четвертого і восьмого поверхів, а також з урахуванням установки металевих портальних зв'язків в підвалі, на першому і другому поверхах. Фрагмент просторового блоку з урахуванням посилення колон і установкою металевих портальних зв'язків наведено на рис.8.
Мал. 8. Фрагмент просторового блоку з урахуванням посилення колон і установки металевих портальних зв'язків
Так само було проаналізовано вплив установки металевих зв'язків на наступних поверхах на жорсткість просторових блоків каркаса при пульсації вітру. Отримано, що максимальні переміщення верху колон зменшуються незначно (від 62,8 мм при установці додаткових зв'язків в підвалі, на першому і другому поверхах до 55,5 мм при установці зв'язків на всіх поверхах). При цьому максимальні переміщення верху колон не перевищують гранично допустимих горизонтальних переміщень для багатоповерхових каркасних будинків. У зв'язку з цим було зроблено висновок, що установка додаткових металевих зв'язків вище другого поверху не потрібно.
Через загальних деформацій каркаса будівлі утворилися нормальні тріщини в ригелях перекриттів підвалу і першого поверху, тріщини в плитах перекриттів, діагональні тріщини в збірних залізобетонних діафрагмах жорсткості першого поверху і тріщини в цегляних перегородках.
Для відновлення несучої здатності каркаса кардіологічного центру в г.Кемерово були розроблені рекомендації щодо посилення й відновлення будівельних конструкцій каркасу кардіологічного центру в г.Кемерово, і в найкоротші терміни виконані їх посилення і відновлення.
Виконана оцінка несучої здатності підсилених залізобетонних колон і їх стиків, а також конструкцій перекриттів при дії статичних і динамічних (з урахуванням пульсації вітру) навантажень з урахуванням просторової роботи конструкцій, показала правомірність і надійність запропонованих способів посилення будівельних конструкцій каркасу будівлі кардіологічного центру в г.Кемерово , постраждалого при руйнуванні стиків залізобетонних колон.