Аналіз ефективності використання високоміцних бетонів у стиснутих елементах монолітних каркасних будівель

Abstract

Traditionally, reinforced concrete is the most common material for constructing multi-story civil buildings. Modern construction is characterized by a significant increase in the number of storeys of buildings and at the same time a significant increase in the complexity of architectural solutions. Therefore, high-strength concretes are quite popular materials, especially in implementing ambitious architectural projects, where it is necessary to ensure high strength and reliability of structural elements. The issue of increasing the strength and durability of concrete has long been on the agenda of scientists around the world. Many of them believe that the main method of improving the physical, mechanical construction, and operational indicators of concrete is to ensure the quality of its micro- and mesostructure, i.e., high density, impermeability, and minimal cracking. It has been proven that the use of high-quality aggregates, highly active cement, and a low W/C ratio is the simplest and most economical way to obtain high-strength concrete using traditional manufacturing technology. Among the advantages of using high-strength concretes are higher early strength, the possibility of early stripping (and therefore, earlier commissioning of the facility), increased load-bearing capacity, reduced costs for formwork due to a reduction in the cross-section of structural elements (respectively, a reduction in the weight of the latter, and therefore, the load on the structures below). This, in turn, will contribute to a reduction in the volumes of concrete and reinforcement, i.e., the installation mass of the elements, and, accordingly, a reduction in transport costs for the delivery of materials. Important advantages are also higher density, water and gas impermeability due to a reduction in capillary pores, increased resistance to chemically active substances; high corrosion resistance, and therefore, protection of reinforcement; and reduced costs for formwork. The paper studies the feasibility of using high-strength concrete for the manufacture of vertical elements operating in compression - columns and pylons of multistory residential buildings. To study the effectiveness of the use of high-strength concrete, a monolithic 13-story frame residential building with commercial premises located on the first floor was taken. The calculation was carried out in the MONOMAKH-SAPR PC using the finite element method (FEM). The study found that replacing concrete in columns of class C20/25 with concrete of class C50/60 allowed a total economic effect of 223,693 thousand UAH due to the reduction in the cross-sectional dimensions of the columns and the reduction in the cost of reinforcing steel. The savings on materials amounted to 17.9%. It is also important that the useful area of the building increased when the cross-sections of the columns were reduced, which will also have a significant economic effect. Therefore, we can conclude that it is economically feasible to use high-strength concrete for columns of multi-story buildings, especially in high-rise construction.Традиційно залізобетон є найпоширенішим матеріалом для будівництва багатоповерхових цивільних будівель. Сучасне будівництво характеризується значним збільшенням поверховості будівель і водночас значним зростанням складності архітектурних рішень. Тому високоміцні бетони є досить популярними матеріалами, особливо при реалізації амбітних архітектурних проектів, де необхідно забезпечити високу міцність та надійність конструктивних елементів. Питання підвищення міцності та довговічності бетону давно стоїть на порядку денному вчених усього світу. Багато з них вважають, що основним методом покращення фізичних, механічних будівельних та експлуатаційних показників бетону є забезпечення якості його мікро- та мезоструктури, тобто високої щільності, герметичності та мінімального розтріскування. Доведено, що використання високоякісних заповнювачів, високоактивного цементу та низького водоцементного співвідношення є найпростішим та найекономічнішим способом отримання високоміцного бетону за традиційною технологією виробництва. Серед переваг використання високоміцних бетонів – вища рання міцність, можливість раннього розпалублення (а отже, і раніше введення об'єкта в експлуатацію), підвищена несуча здатність, зниження витрат на опалубку завдяки зменшенню поперечного перерізу конструктивних елементів (відповідно, зменшення ваги останніх, а отже, і навантаження на конструкції, що знаходяться нижче). Це, у свою чергу, сприятиме зменшенню обсягів бетону та арматури, тобто монтажної маси елементів, і, відповідно, зменшенню транспортних витрат на доставку матеріалів. Важливими перевагами є також вища щільність, водо- та газонепроникність завдяки зменшенню капілярних пор, підвищена стійкість до хімічно активних речовин; висока корозійна стійкість, а отже, захист арматури; та зниження витрат на опалубку. У роботі досліджується доцільність використання високоміцного бетону для виготовлення вертикальних елементів, що працюють на стиск – колон та пілонів багатоповерхових житлових будинків. Для дослідження ефективності використання високоміцного бетону було взято монолітний 13-поверховий каркасний житловий будинок з комерційними приміщеннями, розташованими на першому поверсі. Розрахунок було проведено в ПК МОНОМАХ-САПР методом скінченних елементів (МСЕ). Дослідження показало, що заміна бетону в колонах класу С20/25 на бетон класу С50/60 дозволила отримати загальний економічний ефект у розмірі 223 693 тис. грн за рахунок зменшення поперечних розмірів колон та зниження вартості арматурної сталі. Економія на матеріалах склала 17,9%. Важливо також, що корисна площа будівлі збільшилася при зменшенні поперечних перерізів колон, що також матиме значний економічний ефект. Отже, можна зробити висновок про економічну доцільність використання високоміцного бетону для колон багатоповерхових будівель, особливо у висотному будівництві.