Композитный несущий элемент строительных конструкций

Разработка в области создания новых конструктивных элементов названа композитный несущий элемент строительных конструкций (сокращенно КНЭСК) имеет перспективы применения не только в строительной индустрии. Благодаря этой разработке решена новая, актуальная для многих классов строительных конструкций задача по созданию конструкций различного назначения.

Начало разработкам, которые, как показали наши долголетние исследования, имеют перспективы применения не только в строительной индустрии, положила встреча в 1995–1996 годах в Могилеве В. М. Фридкина (тогда к. т.н., доцента кафедры «Мосты» Московского государственного университета путей сообщения – МГУПС) с автором статьи. Ныне это доктор технических наук, профессор нескольких Московских университетов, крупный и авторитетный специалист в области мостостроения. Кстати говоря, Владимир Мордухович родился и вырос в Могилеве. Он идейный вдохновитель и инициатор многих наших разработок.

Фасонная арматура, лист и бетон определяют несущую способность композитного элемента, а стержневая арматура выполняет монтажные функции и способствует сцеплению металлического каркаса с бетонным заполнителем. КНЭСК является композиционной структурой, объединяющей бетоны с металлом за счет подключений в систему, наряду с одной-двумя разновидностями бетона и стержневой арматуры, еще и листового стального проката.

Разнообразие и преимущество

КНЭСК, как элемент строительных конструкций, обеспечивает эксплуатационно-экономическую эффективность его использования; конструкция технологична в изготовлении, имеет достаточно низкую стоимость.

К основным преимуществам КНЭСК можно отнести:

•  упрощение монтажа и уменьшение сроков строительства;
•  снижение трудоемкости на многих этапах возведения и стоимости строительства за счет использования стального листа в качестве опалубки;
•  увеличение срока эксплуатации сооружения;
•  повышенное сцепление металлической и бетонной составляющих;
•  высокую несущую способность;
•  обеспечение разнообразия конструктивных форм сооружений на его основе;
•  ряд других специфических особенностей конструкций из КНЭСК, не свойственных традиционным железобетонным конструкциям.

Наличие формообразующего листа обеспечивает требуемую прочность и несущую способность, взрыво‑ и пожароустойчивость, эксплуатацию в агрессивных средах, разрушающих бетон, герметичность конструкций и их соединений.

Широкое разнообразие возможных конструктивных форм и исполнений КНЭСК позволяет использовать его в качестве базового элемента для различных целей и конструкций с требуемыми свойствами. Например, с высокими показателями сопротивления тепловым воздействиям, водонепроницаемости и герметичности, повышенными адгезионными свойствами, радиационным экранированием либо создание быстровозводимых конструкций с теми же специфическими свойствами и т. д.

КНЭСК, как базовый элемент для проектирования и возведения конструкций или укрупненных блоков конструкций с особыми свойствами и/или с высоким уровнем заводской готовности, можно классифицировать по признакам исполнения, формы и области применения. Широкий охват области применения обусловлен универсальностью используемого сочетания материалов и эффективностью их сочленения.

Основными элементами КНЭСК являются: стальной опорный лист, пластинчатая (фасонная) арматура, стержневая арматура, бетон.

Объекты

К настоящему времени ОАО «Мостострой» (Минск) при участии БРУ и профессора В. М. Фридкина выполнил проектные работы и построил несколько объектов. Следует отметить профессионализм и заинтересованность специалистов ОАО «Мостострой» и начальника отдела проектирования, главного инженера проекта С. Н. Маркова.

Впервые на базе КНЭСК в 2005 году спроектирован и возведен пешеходный мост через реку Дубровенка в Могилеве. Инициатива его строительства принадлежит Могилевскому облисполкому.

В Минске на пересечении с железнодорожными путями станции Минск-Северный (от 1‑го городского транспортного кольца – пр-т Машерова до улицы Харьковской), в 2008 году, построен уникальный автодорожный путепровод длиной 200 м и на 6 полос движения. Право использования изобретения в конструкции путепровода подтверждено лицензионным договором между БРУ и ОАО «Мостострой» (такой договор в истории университета был заключен впервые).

По мнению специалистов ОАО «Мостострой» применение КНЭСК в несущих конструкциях мостового полотна автодорожного путепровода над железнодорожной станцией Минск-Северный имеет серьезные преимущества по сравнению с железобетонным исполнением:

•  более безопасный процесс строительства в условиях ведения работ над действующими электрифицированными железнодорожными путями станции;
•  ведение работ в любых погодных условиях, в том числе и в зимний период, что ведет к сокращению сроков строительства;
•  снижение трудозатрат на строительной площадке;
•  меньшая, по сравнению с типовыми железобетонными конструкциями, строительная высота пролетных строений;
•  большая, по сравнению с железобетонными конструкциями, долговечность мостового сооружения.

В ноябре 2011 года открыто движение на первой очереди путепровода над железнодорожными путями по ул. Полесской в Гомеле. В конструкции проезжей части также используются плиты на базе КНЭСК. Однако ОАО «Мостострой» не может заключить с БРУ (патентообладателем) лицензионный договор и выплатить соответствующее вознаграждение за использование изобретения, так как по мнению заказчика – Гомельского облисполкома, применение КНЭСК не дало экономического эффекта. Но ведь это прямое нарушение Закона об интеллектуальной собственности. Патентообладателя по большому счету, не интересует, есть ли экономический эффект: есть факт использования патента!

В ОАО «Институт «Могилевгражданпроект» ведется проектирование трассы «ул. Королева на участке от ул. Якубовского до пр-та Мира в Могилеве», где также будут применены КНЭСК на двух автодорожных и железнодорожном путепроводах. Наша команда также участвует в этой работе.

На проезжей части путепроводов будут применены КНЭСК. Путепроводы имеют 6 полос движения: путепровод над железной дорогой Киев – Санкт-Петербург – ул. Первомайская – территория завода «Строммашина» имеет длину более 600 м, путепровод от площади Победы до района МЖК – 150 м, радиусы скругления – 250 и 400 м соответственно.

Плиты пролетных строений железнодорожного путепровода (проход ул. Левая Дубровенка) также будут выполнены из КНЭСК. Длина путепровода 70 м, расстояние между головкой рельса и полотном дороги 8,2 м.

Уместно, на наш взгляд, привести высказывание проф. В. М. Фридкина: «Тезис о собственной республиканской базе изготовления всех строительных металлоконструкций, в первую очередь мостовых, исключительно фундаментален для развития экономики Республики Беларусь, в том числе и в рамках СНГ. На этой базе будет возможно рассматривать технические решения белорусских сталежелезобетонных пролетных строений мостов как образец для эффективного внедрения и в других странах».

Важным аргументом при решении вопроса о целесообразности использования КНЭСК является экономическая эффективность.

Возможность отказа от опалубочных и подпорных систем за счет монтажа уже готовых сегментов, способных воспринимать нагрузки, как от собственного веса, так и от веса персонала, осуществляющего монтаж, позволяет сократить себестоимость монтажа и снизить дополнительные расходы, вызванные использованием опалубочных, подпорных систем и устройством объездных путей.

Целесообразность использования

К сожалению, среди специалистов‑мостовиков Республики Беларусь существует ошибочное мнение о неперспективности и низкой экономической эффективности применения при строительстве мостов и путепроводов стальных пролетных строений на базе КНЭСК.

Эта тема явилась предметом широкого обсуждения специалистами для принятия обоснованного решения о целесообразности использования КНЭСК в конструкциях второй очереди путепровода в Гомеле по ул. Полесской.

По мнению заказчика – Управления строительства Гомельского облисполкома – стоимость строительства 1‑й очереди путепровода оказалась высокой и экономически неэффективной. В первую очередь, это связано с «нерациональным» размещением заказа на изготовление конструкций с КНЭСК: изготовление их на биржевых торгах «выиграл» Днепропетровский завод им. Бабушкина (Украина). Решение заказчика более чем удивительно.

Холдинг «Группа компаний «Протос» – организация по производству мостовых конструкций в Беларуси – предоставляет реальные возможности снижения экономических издержек, импортозамещения.

В феврале 2012 года холдинг «Группа компаний «Протос» обратился с письмом (№ 1274 от 08.02.2012) к первому заместителю главы Администрации Президента А. М. Радькову, в котором изложил предложения по использованию своих производственных площадей для организации изготовления стальных пролетных строений. Авторский надзор и научное сопровождение разработок должен осуществлять Белорусско-Российский университет.

Председатель Могилевского облисполкома П. М. Рудник поддержал предложения холдинга в письме на имя Премьер-министра Республики Беларусь М. В. Мясниковича (письмо № 01–52 от 14.02.2012).

В соответствии с поручением А. М. Радькова и поручением Совета Министров (№ 37/750–98 от 17.02.2012) холдинг «Группа компаний «Протос», совместно с ГУВПО «Белорусско-Российский университет» и ОАО «Мостострой», при содействии профессора В. М. Фридкина начал подготовку производства стальных мостовых конструкций на базе холдинга. Производственными предприятиями холдинга при участии Белорусско-Российского университета изготовлен опытный образец конструкции КНЭСК. Сметная стоимость его изготовления в 2,5 раза ниже, чем стоимость конструкций для пролетных строений первой очереди гомельского путепровода.

Между Белорусско-Российским университетом и холдингом заключен договор о творческом содружестве. 31 мая 2012 года на базе института «Могилевгражданпроект» и 1 июня на базе холдинга проведены совещания с участием представителей всех упомянутых выше организаций.

Одобрены конструктивные решения ОАО «Мостострой» по проектированию мостовых конструкций на базе КНЭСК для планируемого строительства в Могилеве трассы «ул. Королева от ул. Якубовского до пр-та Мира».

В Постоянный комитет Союзного государства направлена заявка Белорусско-Российского университета на включение в программу работы VII Форума проектов программ Союзного государства (Москва, 20.11.2012) по тематическим направлениям: ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии производства; безопасность и противодействие терроризму доклада «Конструктивно-технологическое и научно-методическое обеспечение проектирования конструкций различного назначения на базе композитных несущих элементов». На Первом Форуме Союзного государства вузов инженерно-технологического профиля, прошедшем 24 мая 2012 года в Минске на базе Белорусского национального технического университета, сообщение по данной теме получило высокую оценку. Дана рекомендация для разработки на ее основе программы Союзного государства.

Отличная сочетаемость

Такая гибкая и совершенная по технологии изготовления и монтажа композиция, как КНЭСК, добившись за 16 лет большого и эффективного внедрения в мостостроение Республики Беларусь, может получить обширное поле внедрения для создания ответственейших высоконадежных и долго эксплуатируемых инженерных сооружений XXI века. Она окажется востребованной для создания строительных конструкций также и в России и далеко за пределами.

Исключительно эффективен синтез в будущих инженерных сооружениях для различных отраслей техники (плавучих, подводных, придонных, сверхвысоких и подземных объектов XXI века) нескольких конструктивных идей несущих элементов:

•  КНЭСК и его новейшие стыковые решения по контуру монтажных блоков;
•  железобетонные и сталежелезобетонные тюбинги и сотовые структуры с новыми монтажными соединениями для надземных (в том числе сверхвысоких), подземных, надводных и подводных объектов (на глубинах до 450–500 м);
•  новая структура и технология изготовления монтажных элементов несущих строительных металлических конструкций;
•  «соты» из отрезков стальных труб диаметром 1220 мм и более, преимущественно для колонн, башен и пилонов;
•  новые буровые сваи (диаметром от 1200 мм) с «начинкой» из железобетонных отходов эксплуатации сооружений (отработавшие свой век и очень затратные в утилизации шпалы, столбы контактной сети ж. д., столбы линий связи и ЛЭП);
•  новые «ледоломы» в комплексе с опорами мостов – для крупных рек России;
•  новые мосты и пространственные перекрытия зданий и даже территорий больших и сверхбольших пролетов (до 2000–4000 м);
•  новые резервуары, прежде всего, «тороидальные» объемом 50–100 тыс. м³;
•  новые сверхвысотные (до 2000 м) и сверхглубокие (до 1000 м) специальные инженерные сооружения, в том числе с указанными выше новыми несущими элементами.

В связи с перспективами развития атомной энергетики в Республике Беларусь одна из важнейших проблем, которую необходимо решить – создание комплекса высоконадежных инженерных барьеров для обеспечения безопасности подземных АЭС и хранилищ радиоактивных отходов (РАО), в том числе высокоактивных (ВАО) и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Требуется также обеспечение достаточного уровня безопасности таких предприятий вследствие аварий. Необходимо учитывать и возможность военного или террористического нападения, что может нанести не только большой материальный ущерб, но и приведет к экологической катастрофе.

Перспективным направлением является, в частности, использование базовых элементов либо сегментов из КНЭСК в конструкциях вертикальных цилиндрических резервуаров и газгольдеров. Стены резервуаров, возведенных из КНЭСК, обладают повышенной пожаро- и взрывоустойчивостью.

Ведущими учеными России, в содружестве с БРУ, предложены конструкции сталежелезобетонных оболочек на базе КНЭСК, размещаемых внутри пространства ствола, создаваемого в зонах реакторов и хранилищ.

Обеспечивается полная герметизация пространства, окружаемого со всех сторон оболочками из КНЭСК. Такие оболочки могут быть с зазором вложены друг в друга, создавая высокопрочный барьер любой необходимой степени долговременной защиты от радиации. Барьер в виде оболочки КНЭСК создает благоприятные условия для термодинамического рассеивания одностороннего локального теплового поля.

В бетонной части КНЭСК при бетонировании могут быть образованы специальные полости и каналы для размещения датчиков и оптоволоконных кабелей для передачи информации.

Использование распространенных технологий монолитного и сборно-монолитного возведения железобетонных сооружений, в том числе и на базе КНЭСК, ограничивается низким уровнем индустриализации технологии монтажа. Эти характеристики ограничиваются временем твердения бетона, выполнения монтажных операций и временем достижения монтажными соединениями технологической прочности.

В БРУ разработаны и исследованы варианты конструктивного исполнения монтажных стыков, обеспечивающих быстрый монтаж сваркой без использования «мокрых» процессов бетонирования. Изготовление объемной сварной арматуры КНЭСК с листовой составляющей и последующее заполнение бетоном переносится в условия цеха. На этапе возведения осуществляется монтаж конструкций из укрупненных сегментов (модулей), изготовленных в заводских условиях, уже с бетонным компонентом.

Предложенные конструкции монтажных стыков со сварными соединениями для быстромонтируемых сегментов из КНЭСК, обеспечивают достаточный уровень несущей способности, быстрый монтаж сваркой и готовность воспринимать эксплуатационные нагрузки сразу после их выполнения. В разы сокращаются сроки возведения.

Резервуары с плоским днищем, со сферической, конической либо с разрезной крышами объемом до 100 тыс. м3 для хранения агрессивных нефтепродуктов или легковоспламеняющихся жидкостей и газов в данном случае рассматриваются как быстровозводимые сооружения.

Величина сегмента из КНЭСК ограничивается только грузоподъемностью оборудования для монтажа, транспортировки и изготовления секций, габаритными ограничениями производственного помещения и ожидаемого маршрута транспортировки. Использование крупногабаритных базовых элементов упрощает монтаж и избавляет от необходимости сварки листов большой толщины. Основная часть сварочных работ при возведении проводится только с внутренней стороны резервуара. Бетонный заполнитель обеспечивает надежную защиту металлической компоненты от агрессивного воздействия атмосферы или изменений погодных условий, а формообразующий лист обеспечивает герметичность и позволяет эксплуатировать резервуар в агрессивных средах, разрушающих бетон. Вследствие использования КНЭСК может быть снижена металлоемкость по сравнению с резервуарами других типов.

Использование КНЭСК также облегчает сооружение быстровозводимых антирадиационных и защитных укрытий, обеспечивающих защиту персонала, занятого монтажом, от опасного радиационного воздействия и минимально возможную протяженностью сварных швов и объем монтажных операций.

Реклама – двигатель торговли

Авторы и в Беларуси и в России рекламируют свою разработку, участвуя в выставках, презентациях, бизнес-форумах, выступают со статьями и докладами.

Одна из первых публикаций в периодической печати о КНЭСК была в «Строительной газете»: строительные материалы & технологии. Рубрика «KNOW HOW» (№ 8, декабрь 2006 года).

Газета «Беларускi час» опубликовала отклик на статью О. Федорова «Неучтенная радиация?», № 32, 10–17 августа 2007 года, который получил весьма интересное название «Хранилища на базе КНЭСК – то ли миф, то ли реальность», № 50, 14–21 декабря 2007 года.

Первый мост на основе композитных материалов

В Европе построен первый мост из композитов. Для установки пластмассового моста требуется всего один день. Новое чудо-изделие изготавливается как одно целое, без гвоздей или винтов.

Плита проезжей части полимерного моста сделана из укрепленного стекловолокном полимера (FRP), склеенного на двух стальных основаниях. Мост длиной 27 м и шириной 5 м весит 80 т и может использоваться как обычный мост.

Новый мост установлен недалеко от города Фридберга в Германии и соответствует общеевропейским «Стандартам строительных норм‑2010», установленным Европейской комиссией для общественного строительства.

Источник: stroinauka.ru 

Игорь КУЗМЕНКО, научный руководитель разработки, канд. технич. наук, доцент каф. «Сопротивление материалов» Белорусско-Российского университета, Могилев