автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Полносборные малоэтажные здания из полимерных композитов и бетона. Конструкция, расчет и технология возведения

Вержбовский Геннадий Бернардович

ПОЛНОСБОРНЫЕ МАЛОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И БЕТОНА. КОНСТРУКЦИЯ, РАСЧЕТ И ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.08 — Технология и организация строительства

3 0 СЕН

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005562775

Ростов-на-Дону - 2015

005562775

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, член-корреспондент

РААСН, профессор Маилян Левон Рафаэлович

Официальные оппоненты: Пересыпкин Евгений Николаевич — доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сочинский государственный университет», профессор кафедры «Строительство» (05.23.01)

Рощина Светлана Ивановна — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых», заведующий кафедрой «Строительные конструкции» (05.23.01)

Лапидус Азарин Абрамович — заслуженный строитель РФ, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», заведующий кафедрой «Технологии и организации строительного производства» (05.23.08)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государствен-

ный архнтектурно-стронтельный университет»

Защита состоится «29» октября 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г.Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд. 1123, тел/факс. (863) 201-90-40. e-mail: dis_sovet_rgsu@maiI.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Ростовского государственного строительного университета (www.rgsu.ru)

Автореферат разослан « сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Налимова Александра

Владимировна

Актуальность темы исследования. Основной задачей строительной отрасли России на современном этапе является значительное увеличение объемов вводимого в эксплуатацию жилья. Она решается возведением многоэтажных зданий и малоэтажной индивидуальной жилой застройкой. Традиционные методы не позволяют значительно уменьшить сроки строительства, а новых массовых прогрессивных технологий за последние годы не появилось. Строительная отрасль остается одной из самых консервативных во всем мире, а прирост жилой площади сейчас происходит лишь за счет ввода новых мощностей по выпуску традиционных конструкций или интенсификацией процесса возведения зданий.

В последние годы за рубежом появились строительные 31)-приитсры, с помощью которых «печатаются» отдельные здания или малые архитектурные формы. Недостатком подобной технологии следует считать ее зависимость от непрерывной подачи бетонной смеси, которая должна обладать рядом специфических свойств, таких как высокая подвижность и быстрая схватываемость. Кроме того, создаваемые таким способом строения имеют характерный «полосатый» вид из-за послойной укладки бетона.

Более перспективным является «сухое» строительство, при котором объекты возводятся без использования растворов или клеев. Наиболее широко такой прием применяется в деревянном домостроении, где бревенчатые и брусчатые дома известны уже не одно столетие, а также в легко каркасных системах с использованием древесины или стальных тонкостенных профилей.

Использование в конструкциях зданий древесины неизбежно приводит к большим отходам, связанным с обрезкой и подгонкой элементов, и хотя дерево - восполняемый материал, но процесс его восполнения достаточно продолжителен во времени. Стальные тонкостенные профили требуют серьезных затрат труда на их производство и также предполагают наличие больших отходов.

«Сухие» способы строительства используются в малоэтажном домостроении. Монолитно-каркасная технология, применяемая для высотных зданий, наряду с железобетоном предполагает использование кирпича или мелких блоков для стен и перегородок. Известны лишь отдельные примеры разработки мелких штучных элементов специального вида, стены из которых могли бы возводиться «сухим» способом. Как правило, для их изготовления применяется бетон, заливаемый в формы. Такой способ создания стеновых элементов продолжителен и имеет низкую производительность, что служит тормозом в развитии этих перспективных технологий.

Узкоспециализированные научные исследования в большинстве случаев не являются коммерческим продуктом, готовым для внедрения в производство и эффективной реализации, поэтому актуальными становятся работы, в которых новации рассматриваются всесторонне. К сожалению, сегодня отсутствует социальный заказ на инновационный прорыв в жилищном строительстве и производстве строительных материалов. Нет мотивации к такому прорыву и у застройщиков — дома, построенные с использованием традиционных технологий, и так успешно продаются. Связующим звеном между застройщиками и промышленностью строительных материалов должны быть проектировщики, закладывая в проекты инновационные материалы и техно-

3

логии. Однако они часто просто ждут, когда инновационный продукт станет массовым и будет узаконен нормативами.

Таким образом, возникает необходимость в разработке инновационных безотходных технологий возведения здания в целом или хотя бы его надземной части с использованием для этого эффективных строительных материалов.

Современная политическая ситуация в мире, введенные санкции в отношении России, необходимость в разработке импортозамещающих технологий и постоянная потребность в новом комфортном жилье делают комплексные исследования, направленные на разработку эффективных и конкурентоспособных инновационных материалов, конструкций и технологий весьма важными, актуальными и востребованными.

Степень разработанности проблемы. Композитные материалы давно и хорошо известны. Они отличаются разнообразием составов и свойств и применяются в различных отраслях промышленности. На протяжении ряда лет над расширением области использования композитов и разработкой соответствующих методик расчета трудились Аврамчик A.B., Ашиш Б.Д., Арленинов Д.К., Асеев A.B., Блазнов А.Н., Бобрышев А.Н., Борков П.В., Ванин Г.А., Васильев В.В., Вишняков Л.Р., Воробей В.В., Герасимов В.М., Ершов Н.П., Журавлев A.A., Зиновьев П.А., Карлсен Г.Г., Карпов Я.С., Кербер M.JI., Клесов A.A., Кобелев В.В., Корнеев А.Д., Курин C.B., Мики-таев А.К., Михайлин Ю.А., Немировский Ю.В., Нестеренкова А.И., Остапенко A.B., Осяев О.Г., Панова Л.Г., Петроченков Р.Г., Плювинаж Г., Резников Б.С., Реутов А.И., Ржаницын А.Р., Савин В.Ф., Сапунов В.Т., Сироткин О.С., Смердов A.A., Соломатов В.И., Суханов A.B., Татурин Ю.А., Химлер Д., Хацринов А.И., Языев Б.М. и др. За рубежом этими вопросами занимались многочисленные исследователи, в том числе Abrate S., Altenbach H., Berger M., Bloyaert C„ Daniel I., Eder A., Ge X., Harris В., Heiden P.A., Ishai О., Iztok S., Karian G., Kavv A., Liukko T., Matuana L„ Milton G., Ochsner A., da Silva L., Steiner P., Dai С., Zuiderduin W. и другие.

Однако, несмотря на значительные достижения в данной области, композиты с полимерной матрицей так и не получили широкого признания в качестве материалов для несущих строительных конструкций. Этому препятствует дефицит инженерных методик прогнозирования их свойств, а также отсутствие нормативных документов по их расчету и проектированию, вследствие чего инновационные и эффективные строительные материалы применяются лишь в качестве второстепенных элементов зданий и сооружений, утеплителей, всевозможных пленок, прокладок и т.п.

Внедрение новых материалов должно идти постепенно и начинаться с их апробации на небольших объектах, которыми могут стать малоэтажные строения. В России и за рубежом накоплен значительный опыт их строительства и разработки различных систем домостроения. Свой вклад в эту область внесли такие ученые, как Адам Ф.М., Асаул А.Н., Афанасьев A.A., Заренков, В.А., Казаков Ю.Н., Ковалев В.И., Ланге Б.С., Лещиков В.А., Любимова М.С., Люпаев Б.М., Потапов Ю.Б., Селяев В.П., Черешнев И.В., Шипов В.В., Яковлев Р.Н. Среди зарубежных исследователей следует отметить Eastman С., Teicholz P., Thallon R., Schultz T., Wodall В.

Тем не менее, современное малоэтажное строительство ведется с применением традиционных материалов и технологий. Актуальным направлением исследований в этой области следует считать разработку универсальных наборов элементов для возведения зданий и сооружений различных размеров в плане, этажности и форм. Индустриальное производство подобных наборов из композитных материалов обеспечит их высокое качество, постоянство размеров и простоту сборки.

Появление новых материалов и конструкций напрямую связано с необходимостью разработки инновационных технологий возведения зданий. Проблематике повышения эффективности и скорости строительства посвящены работы многих авторов, к числу которых прежде всего следует отнести Алексееву Л.Л., Афанасьева В.А., Булгакова А.Г., Гаврилова Д.А., Дикмана Л.Г., Евтушенко С.И., Лапидус A.A., Нем-ченко В.В., Телнченко В.И., Терентьева О.М., Чистова Д.В., Шагину Е.С., Шуремова Е.Л. и других. Тем не менее, всестороннее комплексное исследование возможности использования композитных материалов в малоэтажном домостроении среди прочего предполагает создание новых технологий «сухого» строительства, как с использованием средств механизации отдельных операций, так и системного применения робототехники.

Цель работы: разработка комплексной концепции высокоскоростного индустриального строительства экономически эффективных зданий и сооружений различных форм и назначения из инновационных универсальных наборов изделий, деталей и конструкций, выполненных из современных композитных материалов, с применением прогрессивных технологий возведения объектов.

Задачи исследования:

- анализ современного состояния и тенденций применения композитов в строительстве у нас в стране и за рубеж'ом;

- выявление оптимальных для использования в несущих конструкциях типов экологичных композитных материалов и их составов; создание аналитической методики прогнозирования физико-механических характеристик композиций;

- разработка инновационных систем индустриального домостроения из комплексных универсальных наборов элементов;

- создание новых систем внешней отделки фасадов зданий и сооружений, позволяющих оформлять строения в различных архитектурных стилях, используя минимальное количество стандартных элементов;

- формулирование предложений по составу и наполнению Свода Правил, посвященного вопросам расчета и проектирования композитных строительных конструкций; разработка методики назначения расчетных характеристик материалов с учетом особенностей их работы в конструкциях;

- установление необходимых требований к домостроительному комбинату, выпускающему комплекты композитных изделий для строительства зданий и сооружений, оценка его экономической эффективности, разработка рекомендаций по составу основных производственных линий и по содержанию универсального программного комплекса управления предприятием, создание необходимой технологической и транспортной оснастки;

- разработка предложений по минимизации возможных ошибок при проектировании и строительстве композитных зданий за счет создания компьютерной и визуальной классификаций изделий, выпускаемых предприятием, а также осуществления контрольных сборок строений;

- разработка инновационных индустриальных скоростных технологий возведения зданий и сооружений «сухим» способом с использованием робототехники и передовых методов монтажа.

Научная новизна работы:

Предложены оптимальные для применения в несущих строительных конструкциях зданий и сооружений экономически эффективные типы композитных материалов;

Разработана интегральная аналитическая методика прогнозирования характеристик строительных бинарных композитов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих, являющаяся обобщением методики МГГУ прогнозирования свойств минеральных горных пород;

Предложены пять различных инновационных строительных систем для возведения бесконечного вариативного ряда композитных зданий и сооружений в целом или их отдельных частей из комплексных наборов универсальных элементов;

Сформулированы предложения по составу Свода Правил, посвященного расчету и проектированию композитных конструкций, включая методику определения расчетных сопротивлений композитного материала, основанную на вероятностном подходе и сроке эксплуатации объекта, а также расчетные зависимости для основных видов напряженного состояния элементов и оценки несущей способности нагельных соединений;

Приведена универсальная методика расчета армированных изделий, пригодная для композиций, как с полимерной, так и минеральной матрицами, имеющими различные модули упругости на растяжение и сжатие;

Предложены высокопроизводительные производственные линии и отдельные их части для осуществления выпуска изделий по экструзионной, литьевой и ударно-вибрационной технологиям;

Разработан классификатор универсальных элементов строений (КУЭС), основанный на принципах единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации ЕСКК ТЭСИ и цветовая идентификация изделий и деталей для оперативного определения их принадлежности к той или иной инженерной системе или конструкции здания;

Определены требования к единому программному комплексу для управления процессом проектирования зданий, промышленного производства композитных изделий и возведением объектов на строительной площадке. Составлена одна из частей такого комплекса;

Разработаны эффективные индустриальные технологии возведения «сухим» способом зданий и сооружений из композитных материалов, обеспечивающие значительное сокращение сроков строительства за счет применения универсальной техники и промышленных роботов;

Представлен способ повышения архитектурной выразительности строительных объектов за счет применения разработанной универсальной системы отделки фасадов.

Теоретическая н практическая значимость:

Разработанная инновационная концепция применения современных композитных материалов для возведения зданий и сооружений «сухим» способом обеспечивает возможность значительного роста объемов вводимого в эксплуатацию жилья при сокращении сроков строительства и снижении его стоимостных показателей.

Предложенные системы малоэтажного домостроения, а также технология устройства стен и перегородок в монолитно-каркасных зданиях из комплексных наборов универсальных элементов, чья новизна подтверждена патентами на изобретения, обеспечивает возможность наладить промышленный выпуск комплектов деталей малоэтажных домов, сборку которых сможет осуществить даже человек без соответствующего образования.

Разработанная интегральная методика определения физико-механических характеристик композитных строительных материалов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований при подборе состава композиции.

Представленный подход к разработке Свода Правил по расчету и проектированию композитных конструкций, разработанные методики определения расчетных сопротивлений композитного материала, а также расчета армированных изделий и соединений элементов дают возможность совместными усилиями широкого круга отечественных специалистов создать соответствующий нормативный документ.

Модернизированная информационная система управления крупным градообразующим предприятием, не только выпускающим композитные конструкции, но и проектирующим и строящим их, разработанный программный продукт и предложенные принципы классификации изделий обеспечивают промышленное производство экономически эффективных, комфортных для проживания зданий и сооружений.

Разработанные технологии возведения зданий «сухим» способом с применением, как высокопроизводительного ручного труда, так и инновационных роботизированных систем дают возможность существенно уменьшить сроки строительства и повысить его качество.

Методология и методы диссертационного исследования. Методологическая основа настоящего исследования включает в себя комплекс обще- и частнонаучных методов познания, основанных на системе строго выверенных и прошедших апробацию принципов, методов, правил и норм. В диссертации использованы такие методы, как диалектический, комбинационно-синтезирующий, системно-структурный и про-ективно-прагматический.

Нормативно-правовую базу исследования составили Конституция Российской Федерации, федеральные конституционные законы, федеральные законы, указы Президента Российской Федерации, постановления Правительства Российской Федерации, нормативно-техническая литература по строительству.

Теоретической основой исследования являются многочисленные научные труды по проблемам теории композитов, строительным конструкциям, зданиям и сооружениям, а также по вопросам технологии и организации строительного производства.

Эмпирическая база исследования содержит известные технические решения и строительные системы, традиционные и вновь разрабатываемые методы возведения зданий и сооружений, сведения о структуре и свойствах инновационных строительных материалов, а также патентно-лицензионную информацию.

Положения, выносимые на защиту:

- инновационные строительные системы для возведения зданий и сооружений из комплексных наборов универсальных элементов, выполненных из композитных материалов;

- интегральная методика определения физико-механических характеристик композитных материалов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих;

- порядок назначения значений расчетных сопротивлений композитов и изделий из них;

- предложения по составу и особенностям производственных линий комбината по выпуску изделий и деталей для возведения композитных зданий и сооружений;

- модернизированная информационная система управления комбинатом по проектированию, производству и строительству, а также компьютерная программа по проектированию зданий и сооружений;

- предложенные классификатор универсальных элементов строений и цветовая идентификация изделий и деталей для оперативного определения их принадлежности к той или иной системе или конструкции здания;

- разработанные инновационные технологии возведения зданий «сухим» способом с применением высокопроизводительного ручного труда и роботизированных систем.

Степень достоверности научных положений защищаемых в работе результатов обусловлена использованием обоснованных математических моделей и методов, а также сопоставлением результатов расчета с известными решениями частных задач.

Апробация результатов работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 2004-2014гг.), III международной научно-практической конференции «Современные научные исследования: инновации и опыт» (Екатеринбург, 2014г.), IV и XI международных научно-практических конференциях «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия» (Новосибирск, 2014, 2015гг.), III международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки, технологии и производства» (Санкт-Петербург, 2014г.), XI международной научно-практической конференции «Научное обозрение физико-математических и технических наук в XXI веке» (Москва, 2014г.), II международной научно-практической конференции «Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем» (Казань, 2015г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах, в том числе 8 публикациях в рецензируемых изданиях ВАК, 9 патентах на изобретения и 2 монографиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 338 страницах машинописного текста, имеет 113 иллюстраций, 32 таблицы, библиографию из 318 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе отражено состояние вопроса и выполнен анализ исследований строительных композитных конструкций, на основании которого сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам выбора наиболее целесообразных для применения в строительстве типов композитных материалов (КМ), их возможном составе, а также прогнозированию физико-механических характеристик. Композит - искусственный сплошной материал, составленный из двух и более компонентов с четкой границей раздела между ними. В нем, как правило, выделяют непрерывную во всем объеме пластичную основу — матрицу, в которую добавляют различные наполнители, в литературе называемые также армирующими элементами. Известна следующая совокупность признаков, характеризующих композиты:

- не встречаются в природе, поскольку созданы человеком;

- состоят из двух и более различных по своему химическому составу компонентов, разделенных выраженной границей;

- имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их частей;

- неоднородны в микро- и однородны в макромасштабе;

- состав, форма и распределение компонентов «запроектированы» заранее.

На основании проведенного сравнительного анализа различных видов искусственных материалов установлено, что наиболее приемлемыми для несущих строительных конструкций являются композиции с хорошо прогнозируемыми свойствами. Не исключая возможности применения в строительстве других видов КМ, наиболее целесообразным при создании элементов несущих строительных конструкций представляется использование композитных материалов с полимерной (ПКМ) или минеральной матрицами и порошковыми наполнителями. Большое количество всевозможных добавок, их размеров и процентного содержания в ПКМ позволяет создавать разнообразные по своим свойствам изделия. Для увеличения жесткости длинномерных деталей последние можно выполнять армированными. Порошковые композиты наиболее удобны при экструзионной и литьевой технологиях производства строительных элементов.

Сырье для производства полимерных композитов может быть весьма разнообразным, однако при их промышленном выпуске наиболее предпочтительными являются местные материалы. В связи с этим в работе проанализированы возможности создания КМ с использованием местных полезных ископаемых и сельскохозяйствен-

9

ной продукции Южного федерального округа на примере Ростовской области. Установлено, что наличие собственных месторождений, а также проходящие по этой территории магистральные газопроводы вполне способны обеспечить потребности крупного домостроительного комбината в полипропилене, который может с успехом использоваться в качестве полимерной матрицы композита. Что касается наполнителей, то они могут быть растительного или минерального происхождения. На территории Южного федерального округа выращиваются различные зерновые культуры, дающие возможность применения в КМ соломенной муки. Еще один вид растительного наполнителя - отходы деревообрабатывающих производств — древесная мука. Минеральные наполнители - это прежде всего песок, глина, мел, а также другие полезные ископаемые, добываемые на территории округа.

Еще одним видом эффективного композитного материала может стать силикальцит, для производства которого необходимы песок и известь. Их тонкое измельчение для создания известково-песчаной смеси с новыми свойствами, хорошо известно. Получаемый материал оказывается более качественным, чем бетон, так как в нем частицы песка и извести соединены почти так же, как частицы соды и песка в стекле, поэтому разделить их обычными физическими методами нельзя. Силикальцит со временем каменеет, а его водопроницаемость может быть значительно меньше, чем у плотного бетона. Это утверждение доказывается стойкостью облицовочных плит, укрепляющих откосы канала Москва-Волга. В работе предложена современная технология измельчения строительных материалов с применением роторно-вихревых мельниц.

При строительстве индивидуальных жилых домов со стенами из мелких блоков возможно также использование фибропенобетона — минерального композита плотностью 160-1000 кг/мЗ, на 97-99% состоящего из цементно-песчаного раствора с незначительным содержанием синтетических волокон. Этот материал по своим свойствам идентичен бетонам естественного твердения и устойчив к большинству химических разрушающих факторов, а производство изделий из него может осуществляться даже непосредственно на строительной площадке.

Таким образом, в работе рассматриваются строительные конструкции зданий и сооружений, материалами для которых служат полимерные композиты, а также КМ с минеральной матрицей — силикальцит или фибропенобетон.

Для несущих строительных конструкций наиболее значимыми являются физико-механические характеристики используемого в них искусственного материала. Достоверные результаты могут быть получены при экспериментальных исследованиях, однако в связи с практически неограниченным количеством возможных вариантов КМ возникает необходимость в разработке аналитической методики определения их прогнозируемых характеристик. Несмотря на то, что известны многочисленные работы по механике композитов, на сегодняшний день нет единого подхода к решению указанной задачи, а получаемые различными исследователями значения основных характеристик являются либо интервальными оценками, либо дают приемлемые результаты лишь для определенных составов. В связи с этим в диссертации представлена интегральная методика прогнозирования характеристик полимерных композитных

10

материалов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих, базирующаяся на подходе Р.Г. Петроченкова и следующих основных допущениях:

- характеристики композита на контактных поверхностях матрицы и наполнителя не хуже параметров любой из составляющих материала;

- свойства матрицы принимаются изотропными и одинаковыми по всему объему среды, что обеспечивается технологией приготовления смесей;

- наполнитель композита состоит из частиц-зерен, размер которых настолько мал, что их свойства можно считать изотропными, однако при этом частицы все-таки не являются наноразмерными;

- материал в целом и его составляющие подчиняются закону Гука вплоть до разрушения какой-либо части композита;

- рассматривается упругая стадия работы материала;

- предполагается, что между упругими потенциалами компонентов существует связь, определяемая выражением:

яо^е, = а2е2, (1)

причем

<2>

а остальные обозначения общеприняты. Кроме того, индекс «1» относится к матрице, а «2» - к наполнителю.

Из закона Гука получены выражения для определения модуля объемной упругости двухкомпонентного композитного материала К у и модуля сдвига:

(3)

«г, К{2 + т1К{1з'1

(4)

/я,- — объемные доли составляющих КМ.

В качестве доказательства применимости подобного подхода в таблице 1 приведены значения характеристик различных композитных материалов, определенные экспериментально, и модули объемной деформации, вычисленные по (3) как с учетом (2), так и при 5=1, что соответствует методике Р.Г. Петроченкова. Из таблицы видно, что погрешность в определении модулей по (3) для большинства составов не превосходит 9% и только при весьма малом процентном содержании наполнителя повышается до 18%. Результаты для случая $=1, показывают большее расхождение с экспериментальными данными.

Из (3) и (4) на основании известных зависимостей определяются модуль упругости и коэффициент Пуассона двухкомпонентного композита

= ^ , (5)

- ЗКъ+Съ " 2(3 КТ+вТ) 11

Значения модулей объемной деформации композитных материалов с полипропиленовой матрицей

Матрица Наполнитель эксп. Кт

Наполнитель )Щ Е\ Кх 1112 Ег Кг 5 К? % при 5=1 %

20% древесной муки 80 20 2854 3201 12,1 3615 26,6

30% древесной муки 70 30 3262 3386 3,8 4012 23,0

40% древесной муки 60 40 3873 3613 6,7 4448 14,9

50% древесной муки 50 50 10000 0,3 8333 4281 0,14 3898 8,9 4930 15,2

60% древесной муки 40 1400 0,42 2917 60 4689 4267 9,0 5463 16,5

70% древесной муки 30 70 5199 4762 8,4 6058 16,5

80% древесной муки 20 80 5668 5460 3,7 6724 18,6

30% мела 70 30 9000 0,3 7500 2900 0,16 3354 15,6 3883 33,9

40% мела 60 40 3900 3562 8,7 4263 9,3

25% талька 75 25 2800 3295 17,7 3473 24,0

30% талька 70 30 3500 0,4 5833 3200 0,4 3386 5,8 3595 12,3

40% талька 60 40 3300 3587 8,7 3851 16,7

£, и в МПа, т\ и т2 в %

Также получены аналитические зависимости, прогнозирующие значения пределов прочности бинарного КМ при сжатии, растяжении и сдвиге через параметры матрицы или наполнителя:

(ЗА',-20,) "' (ЗА'/, -2С,А-,Т 3 К,

тс*с1. = А, ^ ^с.ш > (6)

_ {^рас^сжъУ2

^cdeZ--^-'

В (6) - (8) индекс i принимает значения «1» или «2», а

(8)

I'/2

к -_1U_• и 2_• (9)

А1" 1/ 1/ 1/' Л2--¡7 у-у>

ml К(2 +s/2m2 Kf- пц К(2 +s/2m2 К{2

С,У2 ч^сУ1

, -_Г!_. , 1__(101

'/ V' 2--7 7-V

mfi{2 + s/2m2G{2 mxG(2 + s/2m2G{2

Значения коэффициентов Л, назначаются по результатам испытаний реальных образцов и учитывают адгезию наполнителя к связующей части композита, форму и размер зерен, шероховатость поверхности и т.п. В связи со значительным разнообразием возможных композиций величина А, может изменяться в широких пределах - от 1 до 0,5. В зарубежной литературе их иногда называют «коэффициентами незнания».

В таблице 2 приводятся величины теоретических пределов прочности некоторых композитных материалов, найденные по формулам (6) - (8). Результаты оказываются близкими к аналогичным показателям кратковременной прочности де-кинга различных производителей при лабораторных испытаниях эталонных образцов, в то время как характеристики прочности при s=l являются недостоверными.

Свойства композитных материалов можно изменять в достаточно широких пределах введением в них незначительного (менее 5%) количества различных добавок. В последние десятилетие все большее количество разработок посвящено полимерным композиционным материалам с наноразмерными аддитивами.

К перспективным нанонаполнителям относят органоглины, наносиликаты, углеродные нанотрубки и наноразмерный углекислый кальций, которые обладают большой удельной поверхностью, поддерживают лучшие взаимодействия на границе раздела фаз с полимером матрицы по сравнению с условными микроразмерными частицами, приводят к лучшей модификации свойств. Например, смешением полипропилена с углеродными нановолокнами достигнуто увеличение модуля упругости при растяжении на 29 - 62 % при массовой концентрации наполнителя всего 0,5 - 2%. Столь малое количество аддитива не приводит к значительному увеличению стоимости материала и позволяет рекомендовать подобные добавки к промышленному применению.

Значения пределов прочности (МПа) композитных материалов с полипропиленовой матрицей

Наполнитель %% матрицы и наполнителя 5 Пределы прочности при Пределы прочности при 5=1

т, т2 асжТ ^расТ асдвХ асжТ. арасЪ асдвЪ

20% древесной муки 80 20 0,14 27,6 35,1 15,6 14,3 30,3 10,4

30% древесной муки 70 30 27,9 35,2 15,7 16,5 34,1 11,9

40% древесной муки 60 40 28,2 35,3 15,8 18,7 37,8 13,3

50% древесной муки 50 50 28,5 35,3 15,9 21,0 41,6 14,8

60% древесной муки 40 60 28,9 35,3 16,0 23,4 45,3 16,3

70% древесной муки 30 70 29,3 35,4 16,1 25,7 49,0 17,7

80% древесной муки 20 80 29,7 35,4 16,2 28,1 52,7 19,2

В работе рассмотрены несколько бинарных материалов с полипропиленовой матрицей, модифицированной углеродными нанотрубками, и различными наполнителями как растительного, так и минерального происхождения с целью получения прогнозируемых значений модулей упругости композитов и отбора из них наиболее предпочтительных для строительства. В качестве наполнителя приняты местные материалы (таблица 3).

Очевидно, что значения модулей упругости полимерных композитов имеют значительный разброс. В диссертации доказано, что наиболее целесообразными для применения в несущих строительных конструкциях оказываются композитные материалы с близкими к показателям древесины минимальными физико-механическими характеристиками. Таким образом, из представленных в таблице 3 вариантов наполнителей следует исключить тальк и известняк, а также композиты с модулями упругости менее 4300МПа. Рекомендуемые к использованию бинарные композиции с полипропиленовой матрицей выделены в таблице 3 жирным шрифтом.

В третьей главе представлены разработанные инновационные системы «сухого» строительства с использованием комплексных наборов универсальных элементов, выполненных из композитных материалов. Новизна предлагаемых систем подтверждена действующими патентами Российской Федерации.

Прогнозируемые модули упругости композитных материалов с полипропиленовой матрицей и различными наполнителями

Наполнитель Объемная доля в композите, % Модуль упругости, МПа

Мел 60 3927

70 4576

80 5477

Тальк 60 2764

70 2917

80 3089

Известняк 60 3262

70 3579

80 3959

Песчаник 60 4484

70 5523

80 7184

Глина 60 4381

70 5328

80 6792

Солома 60 3466

70 3875

80 4389

Древесная мука 60 4031

70 4743

80 5756

Наша страна издавна славилась деревянными бревенчатыми зданиями, которые можно считать одним из первых примеров «сухого» строительства. В последние годы эта технология получила новое развитие, благодаря появлению оцилинд-рованных бревен. Основными проблемами подобного строительства, как известно, являются значительная усадка венцов стен в первые годы эксплуатации, образование на видимой поверхности усушечных трещин, а также ограничения размеров помещений, связанные с выпускаемыми отечественной промышленностью изделиями. В прошлом веке в России стали производить деревянный клееный брус, применяемый вместо бревен. Эта технология также несвободна от недостатков, присущих бревенчатым зданиям. Кроме того, необходимость острожки досок перед склеиванием и последующее профилирование брусьев приводят к образованию большого количества отходов и удорожанию готовой продукции. Избавиться от перечисленных недостатков бревенчатых и брусчатых домов можно путем простой замены несущих деревянных элементов композитными изделиями того же вида, но с более сложным поперечным сечением.

Производство композитных материалов методом экструзии дает возможность получать погонажные изделия практически любой длины, а размеры фильер современных экструдеров могут достигать полуметра в диаметре. Основной особенностью получаемых изделий, обусловленной технологическими особенностями их изготовления, является наличие в них продольных пустот. Отклонения размеров изделий от проектных параметров минимальны в элементах с толщиной сплошных частей профиля не более 2-Зсм. Полости могут заполняться эффективным утеплителем, в них возможно расположение вентиляционных каналов и др. (рисунок 1).

- возможность возведения объектов различных форм и назначения из одних и тех же элементов;

- осуществление строительства надземной части здания без «мокрых» процессов и необходимости соблюдения технологических перерывов, связанных с набором прочности;

- выполнение окраски бревен и брусьев при их производстве на заводе, что уменьшает сроки строительства и повышает вариативность объектов;

- наличие большого количества воздушных прослоек и возможность заполнения их при необходимости утеплителями;

- увеличение срока службы зданий за счет предохранения наполнителей от гниения, поражения биологическими вредителями и т.п. полимерной матрицей;

- возможность получения одинаковых деталей точных геометрических размеров при автоматизированном производстве методом экструзии;

- безотходную технологию производства, при которой отходы, возникающие при организации прорезей, измельчаются и добавляются в расплав композита для повторного использования;

- экологическую безопасность изделий;

- более низкую себестоимость зданий из предлагаемых элементов по срав-

нению со строениями из цельной древесины.

Еще один пример «сухого» строительства - каркасные здания из деревянных или стальных тонкостенных элементов. Технология пришла в Россию из-за рубежа, хотя по сути это просто модернизированные щитовые дома.

Декинг или террасная доска является основным изделием из композитов, используемым в строительстве. В 2011 году в России было произведено ее около 9 400 тонн. Объем этой области рынка растет по 40-50% ежегодно и достигнет 100 тыс. тонн в 2017 году, а к 2020 году может превысить 400 тыс. тонн. В качестве эффективной замены деловой древесины или стальных профилей, применяемых в качестве несущих элементов каркасных зданий, предложена новая композитная доска, показанная на рисунке 2. Одна из пластей элемента имеет продольные выемки, необходимые для точного позиционирования примыкающих деталей. Торцы досок предлагается закрывать заглушками, как это обычно делается при монтаже декинга. однако форма и назначение заглушек в рассматриваемом случае несколько отличаются от общепринятых. На рисунке 2 показана также нижняя обвязка стеновой панели здания с установленными на ней заглушками, обеспечивающими точность размещения стоек стен. Из подготовленных обвязок и отдельных досок формируется пакет, доставляемый на стройплощадку, где стойки стены просто одеваются на заглушки и крепятся шурупами. При наличии инструкции сборку может выполнять и сам заказчик, и строители, не имеющие опыта подобной работы.

Изготовление указанных изделий потребует корректировки свойств композитного материала и размеров поперечного сечения досок, выпуска необходимых дополнительных элементов и т.п., однако все это можно осуществлять при незначительном перепрофилировании или расширении уже существующих мощностей по производству декинга.

Применяемые технологии деревянного домостроения предполагают использование в качестве несущих конструкций перекрытий досок или составных балок из древесины, фанеры, ориентированно стружечных плит и т.п. При этом по наружным граням фундаментных конструкций или стеновых панелей устанавливаются обвязочные балки, к которым крепятся рядовые элементы перекрытий. В диссертации предложена система балочных элементов перекрытий, заменяющая традиционные цельные или составные деревянные конструкции соответствующего на-

Рис. 2.

значения. Поперечным сечениям балок можно придавать любую форму и размеры, необходимые для обеспечения требуемых прочностных и жесткостных характеристик. Длины элементов не ограничиваются и могут достигать 9-12м. При необходимости балки выполняются армированными (рис. 3).

Рис. 3

Современные дома представляют собой объекты, сочетающие в себе большое количество тесно взаимосвязанных друг с другом частей и систем, при производстве которых используются различные материалы. В работе предложен универсальный комплексный набор композитных элементов для возведения зданий и сооружений. Его универсальность заключается в возможности возведения строений различного назначения с количеством этажей до трех включительно из одного и того же конечного набора изделий и деталей. Комплексность означает тот факт, что из этого набора здание может быть построено полностью. Ограниченный объем автореферата не позволяет подробно описать все элементы набора, поэтому далее представлены только основные части строения.

Возведение здания начинается с устройства подземной части - фундаментов и стен подвала. Известно, что в малоэтажном строительстве наиболее часто используют мелкозаглубленные ленточные фундаменты. Еще одним типом конструкций являются фундаменты на коротких винтовых или буронабивных сваях, по которым устраивается ростверк. Отдельные элементы предлагаемых композитных фундаментных конструкций показаны на рисунке 4.

Верхняя накладка ростверка с цилиндрическими выступами необходима для точного позиционирования универсальных стеновых блоков, один из вариантов которых представлен на рисунке 5. Соединение блоков осуществляется посредством специальных фиксаторов, также показанных на этом рисунке, помимо которых разработаны доборные элементы, перемычки над проемами, накладки и уплотнители, обеспечивающие возведение стен практически любой конфигурации, с проемами и без. Т-образные прорези на внешней грани блоков необходимы для навешивания предлагаемой универсальной облицовки, речь о которой пойдет далее. Перевязка стеновых элементов выполняется по стандартным правилам, а размеры здания в плане, кратные модулю, обеспечивают безотходное строительство. Все части стен закрепляются в проектном положении без клея или строительных рас-

творов. Унифицированный способ фиксации блоков, перемычек и накладок не требует применения каких-либо специальных инструментов или приспособлений, облегчает работу каменщиков и способствует сокращению сроков строительства.

Рис. 5

Композитные перекрытия предлагается собирать из балок коробчатого сечения, устанавливаемых вплотную (рис. 6). Сложная форма боковых граней после установки балок в проектное положение обеспечивает совместную работу элементов перекрытия, а боковые грани начальной и конечной балок, примыкающие к стенам, выполняются плоскими. На рисунке 6 черным цветом показано возможное армирование, например, стержнями из углепластика, которые могут пропускаться через фильеру при экструзионном производстве. Внутреннее строение балок может отличаться от показанного на рисунке и конструироваться с учетом назначения здания и величины перекрываемого пролета.

Рис. 4 380

!

Рис. 6

Разработаны две новые системы композитных элементов скатных покрытий, входящие в состав универсального комплексного набора. В зданиях простых конфигураций при наличии внутренних несущих стен рациональными являются кровельные плиты. Если же покрытие имеет сложную форму и состоит из нескольких скатов, соединяющихся под различными углами, предлагается сначала сформировать систему коньков и ендов, по которой затем укладывать плиты. Такой подход упрощает монтаж конструкций покрытия, снижает риск возникновения ошибок при сборке и сокращает сроки строительства. Два варианта кровельных плит показаны на рисунке 7.

Рис. 7

Композитные изделия с растительным наполнителем рекомендуется предохранять от внешних воздействий окраской, специальными пленками и т.п. Аналогичной защитой стен малоэтажных домов может служить разработанная внешняя облицовка плиткой. Она представляет собой плоские рядовые прямоугольные и угловые плитки с размерами в плане с пазами и гребнями на боковых поверхностях плиток, обеспечивающими возможность сцепления смежных кромок друг с другом. Элементы имеют крюки для закрепления плиток к стене на относе, содержат внутренние полости для уменьшения веса и изготавливаются методом литья из стекла и (или) пластмасс. Рисунок 8 поясняет конструкцию изделия.

Комбинирование плиток разных размеров дает возможность создавать неограниченное число вариантов разрезки облицовочного слоя, а использование при этом элементов различных цветов повышает архитектурную выразительность строений, придает им индивидуальность и позволяет создавать фасады, внешний вид которых соответствует определенным архитектурным стилям. Литьевая технология обеспечивает изготовление плиток не только с гладкой наружной поверхностью, но и с различными деталями, образующими рельефную поверхность стен, карнизы и элементы декора.

®|® Рис. 8

В состав универсального набора входят также элементы инженерных систем, внутренние и внешние лестницы, детали внутренней отделки помещений, чистовые покрытия пола, изгороди, конструкции террас и т.д. При этом подавляющее большинство конструкций, изделий и деталей малоэтажных зданий может быть произведено из различных композитных материалов.

Одним недостатков экструзионного производства композитных изделий является невозможность организации ломаных резов бесконечного профиля при его выходе из фильеры.

Необходимость производства стеновых блоков сложной формы обуславливается тем, что при «сухом» строительстве плоские стыки между отдельными элементами на всю ширину стены могут стать мостиками холода или путями проникновения влаги внутрь здания. В работе предложено еще одно решение - система объемных строительных элементов для возведения «сухим» способом стен, перекрытий, внешней и внутренней отделки «Росси», которые предлагается производить литьем или методом ударного формования из силикальцита или фибропено-бетона. Основной элемент системы - мелкий рядовой стеновой блок, показанный на рисунке 9. Блоки имеют внутренние полости для размещения в них эффективного утеплителя. В системе элементов предусмотрены также доборные и угловые стеновые блоки, имеющие пазы и гребни для стыковки между собой и остальными, согласующимися с ними по размерам изделиями.

Показанные на рисунке 9 элементы дают возможность возводить надземную часть малоэтажных зданий различного назначения, а также формировать ограждающие конструкции монолитно-каркасных строений с практически полным исключением «мокрых» процессов. Первый ряд блоков устанавливается на фундамент (перекрытие) и крепится к последним на клею или растворе. При устройстве стен монолитно-каркасных зданий стеновые элементы верхнего ряда каждого этажа могут частично располагаться под верхним перекрытием, что не дает возможности установки рядового блока. В таком случае предлагается использовать верхние доборные элементы, задвигаемые с обеих сторон стены, для фиксации которых также необходим клей или раствор.

С и I ».

I ■ шЬь

Рис. 9

Высокая потребность в жилье в России приводит к тому, что современные монолитно-каркасные жилые здания отличаются друг от друга зачастую цветовой отделкой фасада или расположением и размерами проемов. Такие объемные элементы как карнизы, колонны и т.п. в новых домах практически не встречаются. Система «Росси» дает возможность строительства зданий любых архитектурных стилей, благодаря универсальному способу крепления к стене входящих в ее состав элементов отделки. Различные пилястры, карнизы, наличники, орнаменты, барельефы и т.п. также предлагается производить литьем или методом ударного формования. Рисунок 10 дает представление о способе крепления к стенам навесных элементов отделки, имеющих пустотелую форму для снижения веса. Очевидно, что с подобной работой может справиться даже неквалифицированный рабочий. При этом ограниченное количество объемных универсальных элементов для строительства обеспечивает бесконечный вариативный ряд построек, способный диверсифицировать рынок недвижимости.

Описанные универсальные элементы и конструкции, выполненные из композитных материалов, должны обеспечить существенный рост объемов жилья, строящегося в России. Они могут с успехом применяться при возведении зданий и сооружений по существующим типовым и индивидуальным проектам. Композитные материалы с термопластичной матрицей могут неоднократно перерабатываться. В связи с этим исчезает проблема утилизации отходов, объем которых при автоматизированном процессе производства будет минимальным. Кроме того, отслужившие свой срок или морально устаревшие здания и сооружения могут разбираться и возвращаться на предприятие-изготовитель для переработки. «Сухой» способ строительства и использование стандартных деталей и традиционных кре-

Рис. 10

пежных элементов дают возможность неоднократно перестраивать здание или сооружение, соотнося его с потребностями владельцев. Актуальными становятся так называемые «растущие» дома, а также здания со свободной внутренней планировкой.

Перечисленные основные преимущества предлагаемых строительных систем, полностью выполненных из композитных материалов или бетона, доказывают целесообразность их широкого внедрения в практику современного строительства.

Разработка отечественных нормативных документов по строительным композитным материалам - одна из задач, поставленных Правительством России в дорожной карте по развитию отрасли в 2013 году. В Европе вопрос о стандартизации в этой области возник более десяти лет назад. Разработка технической спецификации началась в 2003 году - специалисты Австрии, Бельгии, Финляндии, Нидерландов и Великобритании в рамках CEN - технического комитета по стандартизации выпустили Европейский стандарт CEN/TS 15534 из трех частей - методы испытаний, общая характеристика материалов и основные свойства выпускаемой продукции, утвержденный в 2007 году и принятый рядом государств, включая Белоруссию. На базе этого документа сформированы и выпущены национальные стандарты. Аналогичная ситуация складывается в США, Японии и других странах.

Первоочередные задачи нормирования в России - разработка документов, касающихся вопросов экспериментальных исследований композитов и ограничение списка их возможных ддя применения в строительстве типов. Гармонизация отечественных стандартов с зарубежными должна строиться на сравнении показателей тестов разных стран (ГОСТ, ISO, ASTM и др.). Что же касается строительных норм и правил, то последние целесообразно формировать аналогично Еврокодам или международным нормам, приводя в них только общие положения по расчету и проектированию, что оправдано большим разнообразием композитных материалов. В четвертой главе описываются наши предложения по возможному составу и наполнению нормативного документа, посвященного расчету и проектированию строительных конструкций из композитных материалов.

Одной из наиболее важных проблем при проектировании конструкций, является назначение расчетных сопротивлений материалов, в связи с чем разработана методика определения характеристик прочности композитов, основанная на вероятностном подходе и учитывающая такие особенности искусственных материалов с полимерной матрицей, как ползучесть, а также различные показатели материала и изделия из него.

Предлагается следующий порядок определения расчетного сопротивления композитного материала:

- производится серия разрушающих испытаний образцов материала, из которого изготавливается конструкция, а также испытания самой конструкции и выполняется статистическая обработка результатов;

- за предел прочности материала принимается среднее значение а, ср и временное сопротивление R"1' конкретного изделия находится равенства (11)

5 е о '

(И)

где = (ц,р - (Те ср , г, = [яер - <теср )/5е , 5 - среднеквадратичное отклоне-

ние, а индексы gnв относятся к материалу и изделию соответственно; - при помощи выражений (12) и (13)

1 + Ф

2

1 +

2 Я.

а = Вер(х > 0) = | Р{х)Лх =

1

-

.г„ НО : .1

с1х = ф(у)-

(12)

(13)

о 5хл/2л7 0

определяется минимальная надежность и, если она оказывается менее 95%, испытания производятся повторно, с большей выборкой или более тщательной подготовкой образцов;

- величина нормативного сопротивления материалов Я" находится из условия =причем 1,65 — квантиль в предполагаемой статистической

функции распределения с обеспеченностью 0,95, для которой отыскивается нормативное сопротивление, а у0 — коэффициент вариации прочности изделия;

- расчетное сопротивление Я определяется по формуле И = К"/ут, где у„, -коэффициент надежности по материалу ут = (1 -1,65 у^)/\\-2,2Ъуа).

Состав композитных материалов и 1гх свойства могут изменяться в очень широких пределах. В связи с этим учет таких особенностей, как ползучесть, зависимость прочности от температуры эксплуатации старение и т.п. предлагается выполнять введением коэффициентов условий работы. Их значения также нужно устанавливать по результатам испытаний.

Ползучесть полимерной матрицы имеет место практически всегда. Ее нельзя устранить полностью, однако можно ограничить некоторыми безопасными пределами, определяя максимально допустимые напряжения в изделиях в зависимости от срока их службы и условий эксплуатации. В диссертации предложено использовать известные аналитические зависимости (14) для установления величины коэффициента запаса, учитывающего ползучесть материала.

1«(0=С1+^- + С,((а> + С4) при 0<(СТ)<(СТ)п.п; 1п(г)=С5+^ + С71п((<г) + С8) при В этих выражениях г - срок эксплуатации объекта в секундах; (сг) =

(14)

«И

«при-

веденное напряжение», т.е. отношение напряжения в изделии через г секунд после нагружения к расчетному сопротивлению материала, полученному с доверительной вероятностью Р; - минимальное «приведенное напряжение», получен-

ное по результатам испытаний; Г - максимальная температура эксплуатации в градусах Кельвина; С, - устанавливаемые по результатам испытаний числовые коэффициенты.

Для сжатых стеклопластиковых стержней система (14) может быть записана

в виде

1п(г) = -30,05 + *^—151,Зб((<г)-0,6336) при 0 < (а)< 0,6336;

1п(г) =-54,311 +^^-8,3853 Ь((<т)-0,578) при (сг)>0,6336.

В последних выражениях Сг оказывается равным С6, что позволяет разделить коэффициенты условий работы на два: удп - коэффициент длительной прочности, учитывающий срок эксплуатации, и у,- температурный.

При температуре 20°С и сроке службы объекта 100 лет 1п(г) = 22,094 и (15) дает (сг) = 0,644 , при сокращении же срока службы вдвое 1и(т) = 21,402 и (сг) = 0,648 • Строительные конструкции, исключая временные сооружения, эксплуатируются продолжительное время, поэтому график 11 показывает зависимость удл от г в интервале 10 - 100 лет при постоянной температуре 20°С.

Срок службы объекта, лет Рис. 11

Если условно распространить полученные результаты на террасные доски марки «Тгех», то их длительная расчетная прочность на сжатие окажется равной 7,325МПа, что составляет всего около 38% от аеср. Запас прочности, равный 2,63, аналогичен такому же параметру для древесины, что косвенно подтверждает применимость предлагаемой методики. Еще одним доказательством может служить таблица 4, составленная производителями террасной доски «Тгех», в которой приводятся кратковременные и длительные характеристики прочности этого декинга. Из нее следует, что коэффициенты запаса при назначении расчетных сопротивлений находятся в интервале 2,66 - 6,55, а аналогичный показатель для модулей упругости и сдвига в среднем составляет 2,22.

Таблица 4

Длительные и кратковременные характеристики (МПа) декинга Тгех

Характеристики Коэффи-

Наименование показателя кратковре- длительная циент за-

менная паса

Прочность при сжатии вдоль доски 10,94 3,72 2,94

Прочность при сжатии поперек доски 9,90 3,72 2,66

Прочность при изгибе 22,61 3,45 6,55

Модуль упругости 2840,64 1378,95 2,06

Модуль сдвига 26,20 11,03 2,38

Предложенный метод прогнозирования длительной прочности композитных материалов базируется на требованиях, обеспечивающих необходимую надежность работы конструкции под нагрузкой. К ним относятся неизменность расчетной схемы сооружения в течение его срока службы, требуемый уровень длительной несущей способности элементов, а также сохранение материалами исходных качеств, которыми они обладали при изготовлении конструкций.

В связи с большим разнообразием композитных материалов и изделий из них нормативный документ, посвященный вопросам расчета и проектирования строительных конструкций, должен содержать лишь некоторые общие положения и рекомендации. Часть их, сформулированная в диссертации, относится к предложениям по расчету композитных элементов зданий и сооружений, а также их соединений. Отличительной особенностью искусственных композиций являются их различные модули упругости материала при работе на растяжение, сжатие или изгиб. в связи с чем предлагается оперировать приведенным модулем упругости Кармана.

Так. например, центрально сжатые композитные элементы легкокаркасных зданий, предложенных в главе 3, необходимо рассчитывать на устойчивость:

Здесь расчетное сопротивление материала имеет нижний индекс согласно первой букве английского термина, соответствующего рассматриваемому напряженному состоянию, а звездочка означает, что это сопротивление уже умножено на необходимые коэффициенты условий работы.

Предположим, что стойка стены легкокаркасного здания имеет вид, показанный на рисунке 12. Будем считать, что она имеет п прямоугольных и т треугольных вырезов с размерами, показанными на рисунке. Рассматриваем устойчивость стойки в плоскости наименьшей жесткости. Примем, что элемент стены в процессе потери устойчивости получил некоторое искривление и на его сжатой стороне напряжения начали превосходить длительное расчетное сопротивление материала, а на растянутой стороне произошла разгрузка. Наиболее опасной для рассматриваемой доски будет ситуация, когда догруженной окажется сторона с треугольными вырезами. Нейтральная ось при этом сместится в сторону разгруженного волокна.

Предположим, что в догруженной зоне материал характеризуется касательным модулем упругости Е„ а в разгруженной - обычным модулем Е. Запишем выражение для приведенного модуля деформации Кармана:

Е ■ J| + Е, ■ У2

Т =

У

(17)

где У2, 3 — моменты инерции нижней, верхней частей, а также всей доски соответственно.

Равнодействующие напряжений в обеих зонах должны быть равны между собой, следовательно, имеет место равенство их приведенных статических моментов

Е-81= Е, ■ $2- (18)

С учетом обозначений рисунка 12(18) можно представить в виде

(Н - а)2 В - пс(И -¿У =Е'/е а2 В- псс!2 - те/\а - % ^

(19)

Из последнего равенства находится положение нейтральной оси, а затем приведенный модуль деформации и критическое значение напряжения по Ф.С. Ясинскому:

= (20)

Рис. 12

Равнодействующие напряжений в обеих зонах должны быть равны между собой, следовательно, имеет место равенство их приведенных статических моментов

£•£,=£,-52. (18)

С учетом обозначений рисунка 12(18) можно представить в виде

(Я -а)2 В-пс{И-с1)2 =Е<,

а2В-пссI2 -те/(а-^

(19)

Из последнего равенства находится положение нейтральной оси, а затем приведенный модуль деформации и критическое значение напряжения по Ф.С. Ясинскому:

= ~ (20)

Тогда выражение для коэффициента устойчивости запишется в виде

Рассмотренный пример дает представление о трудностях, с которыми могут столкнуться составители норм по расчету композитных строительных конструкций. Разнообразие видов последних и составляющих их материалов, позволит лишь сформулировать некоторые общие рекомендации, реализовывать которые удобнее всего будет в специализированных программных комплексах. «Ручной» же расчет, скорее всего, сведется к подбору сечений элементов со значительными запасами по прочности и деформативности.

Еще одна особенность - использование длительного модуля упругости, учитывающего срок службы конструкции. Поясним сказанное на примере изгибаемого элемента междуэтажного перекрытия.

Под действием длительных нагрузок его прогиб растет и может превысить допустимые значения. Таблица 5 представляет приведенные в литературе прогибы полого декинга ПкгаОсск при испытаниях образца длиной 22 дюйма под нагрузкой в виде двух сосредоточенных сил 100 фунтов, расположенных в третях пролета. Принятые размеры и нагрузка соответствуют требованиям американского стандарта АБТМ Э 6109.

Таблица 5

Результаты длительных испытаний на изгиб декинга ПкгаОеск

Время, мин - <ч го тГ «о о о го го «п ЧО >о <ч о ОО о о о СЧ >г, 1440

Про- оо КО о\ <ч »а- 1Л о г- о оо

гиб, Ю о о Г-) го оо о ГЧ

о СО ТГ •3- «о «1

мм

Согласно ему, модуль упругости доски определяется по графику зависимости прогиба от нагрузки «в начальный момент времени посредством построения касательной к наиболее крутому начальному прямолинейному участку кривой, который по существу соответствует нагрузке, при которой образец деформируется на 1 дюйм». Возможен и другой способ отыскания модуля - из формулы для прогиба. Переходя от имперской системы единиц к метрической, получим это значение.

Максимальный прогиб в рассматриваемой балке определяется по известной формуле

23 РГ 648 £/ '

(22)

Пролет балки /=55,88см, величина нагрузки ,Р=0,445кН, момент инерции по данным производителя У= 19,147см4. Учитывая мгновенный прогиб /=0,368см, получим £=21,9МПа.

По данным таблицы 5 построен график зависимости прогиба от времени, а также аппроксимирующая кривая, показанные на рисунке 13.

Уравнение аналитической кривой представлено выражением Воце:

¡теор = 4,589 + 0,197 • 1п(0,016/). (23)

Несущие строительные конструкции имеют срок службы, исчисляемый годами. При условии, что балка из этого же материала и при тех же условиях эксплуатации будет нести нагрузку в течение ста лет, ее прогиб, найденный по (23), окажется равным 7,32мм. Это значение, подставленное в (22), даст величину длительного модуля упругости Е,=\ 1,01МПа.

Производители декинга оперируют еще более низким значением модуля £=3,46МПа. Коэффициент запаса при этом составляет 11,01/3,46=3,18. Столь существенная величина объясняется большим разбросом экспериментальных данных и обнаруженной зависимостью модуля упругости от пролета балки, схемы нагру-жения, длительности действия нагрузки и т.п.

5,400

0

200 400

1000

Время, мин 1200 1чии

600 800 Рис. 13

По итогам рассмотрения этого примера представляется целесообразным принимать модуль упругости для изгибаемых композитных элементов по результатам длительных испытаний с учетом срока эксплуатации конструкции и двух-трехкратным коэффициентом запаса. Конкретное значение коэффициента должно также уточняться экспериментально.

Ряд других рассмотренных в работе примеров доказывают применимость предлагаемых расчетных зависимостей. Формулы для проверки прочности и устойчивости элементов, выполненных из композитных материалов, являются универсальными и применимыми при расчетах любых строительных конструкций зданий и сооружений.

Невысокая изгибная жесткость большинства современных композитных материалов требует выполнения определенных конструктивных мероприятий. Наиболее простым и хорошо зарекомендовавшим себя на практике является армирование, однако в рассматриваемой ситуации оно имеет ряд особенностей, обусловленных различными модулями упругости основного материала на растяжение и сжатие, а также его ползучестью. В начальный период времени и при небольших нагрузках изделие ведет себя как армированная древесина, когда в работу включается и весь композит и арматура. При увеличении интенсивности силового воздействия

29

или с течением времени основной материал начинает ползти и это приводит к постепенному изменению приведенных геометрических характеристик элемента, а, следовательно, и его несущей способности. Наконец, при определенных обстоятельствах растянутая часть композита может вообще выключиться из работы, и мы приходим к ситуации, имеющей место в железобетонных конструкциях.

Предложена методика определения приведенных геометрических характеристик поперечных сечений армированных элементов, выполненных из разномо-дульного материала. Согласно ей поперечное сечение изделия разбивается на отдельные элементы простых геометрических форм и для каждой из этих частей указываются размеры, ориентация на плоскости и расстояние характерной опорной точки от некоторой базовой оси. после чего последовательными приближениями определяются необходимые параметры. Методика реализована в виде компьютерной программы (рисунок 14).

О О

д

©

ЖЕ

©

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Пэазяаихсимлэа та

УАХТЕРЙСТйКИ А'ЧАТУы Нсдг.-»>т*гэс». МГл 5К05........

Рис. 14

Расчеты армированной композитной балки перекрытия легкокаркасного здания с характеристиками материала, соответствующими декингу ЕуегХ, показали, что прирост жесткости в зависимости от процента армирования /< может составить 2050%.

Дополнительно выполнены численные эксперименты над твердотельными моделями строительных конструкций из композитных материалов с использованием для этого программного комплекса ЗоМШогкв. В качестве одного из примеров на рисунке 15 показан небольшой фрагмент стены здания из набора универсальных элементов строений, состоящий из рядовых стеновых блоков и перемычки над проемом, армированной стеклопластиковыми стержнями. Влияние армирования на жесткость композитной перемычки с характеристиками материала, соответствующими декингу ЕуегХ. иллюстрирует таблица 6. Увеличение жесткости здесь несколько ниже, чем в балках перекрытий, однако этот факт объясняется конструктивными особенностями изгибаемого элемента.

Рис. 15

Композитные изделия, производимые методом экструзии, получаются многопустотными, в связи с чем в армированных профилях может возникнуть ситуация, когда стержни будут располагаться под одной из полостей. Деформирование изгибаемых элементов под нагрузкой может привести к выдергиванию арматуры из композита за счет ее распрямления, если верхний защитный слой материала окажется недостаточно мощным. Таким образом, возникает задача определения минимальной толщины материала, расположенного над арматурой. Для ее решения предложена инженерная методика определения сдвиговой прочности композита, расположенного над изгибаемой арматурой. В результате расчетов установлены минимальные толщины «защитного» слоя, которые в реальных конструкциях предлагается принимать не менее двух - двух с половиной диаметров арматурных стержней.

Таблица 6

Диаметр арматуры, мм М Прогиб, мм Прирост жесткости

0 0,000 6,205 1,000

6 0,004 5,859 1,059

8 0,008 5,740 1,081

10 0,012 5,625 1,103

Анализ литературы показал, что не существует общепринятой методики, позволяющей установить величину предельной нагрузки на нагель, соединяющий две части строительной композитной конструкций друг с другом. Известны только результаты испытаний декинга различных производителей на выдергивание и условный срез нагеля. В связи с этим в диссертации предложены зависимости общего вида для оценки несущей способности сдвиговых нагельных соединений. Формулы являются универсальными и могут применяться для расчета нагельных соединений элементов, выполненных из различных композитных материалов.

В пятой главе рассмотрены особенности промышленного производства зданий и сооружений из композитных материалов на крупном градообразующем объединении, включающем в себя помимо подразделения по выпуску комплектов домов проектный, транспортный и строительный отделы, а также сырьевые предприятия. Для столь серьезного комбината, выпускающего не менее одного миллиона квадратных метров жилья в год, необходимы определенные инновации, как в

31

управлении процессом производства, так и в прохождении конкретного объекта от стадии проекта до завершения строительства.

Нами предложено создание единой информационной системы предприятия, основанной на концепции замкнутого цикла планирования всех ресурсов производственного предприятия - MRP (Manufacturing Resource Planning). Известно, что MRP оформлена в виде стандарта, включающего в себя шестнадцать основных пунктов, начиная от планирования продаж и производства и заканчивая оценкой результатов деятельности. В связи с тем, что концепция предназначена для внедрения на промышленных предприятиях и не охватывает вопросы индивидуального проектирования, логистики и строительства зданий и сооружений, в настоящей работе сформулированы еще несколько дополнительных позиций, среди которых:

- формирование базы заказов и построенных объектов;

- разработка новых и корректировка существующих проектов;

- планирование логистики доставки комплектов изделий для возведения строений к месту использования;

- организация движения людских ресурсов, занятых строительством зданий и сооружений за пределами предприятия;

- контроль соблюдения сроков доставки изделий и возведения объекта и оперативная корректировка планов в случае непредвиденных задержек или форс-мажорных обстоятельств;

- оценка результатов деятельности строителей, сбор и обработка отзывов и пожеланий Заказчиков.

Основным инструментом реализации концепции должен стать программный комплекс модульного типа с возможностью интеграции дополнительных блоков с приложениями, уже используемыми на предприятии, стандартными офисными пакетами программ, системами управления документооборотом, а также с разработками сторонних поставщиков программного обеспечения. Он должен обеспечивать современную эффективную процессно-ориентированную модель управления, рассматривающую функционирование предприятия не с точки зрения реализации отдельных функций, а с позиций исполнения целостных процессов, направленных на достижение конкретных целей.

Одним из модулей комплекса может стать разработанная программа WHCAD, предназначенная для автоматизированного проектирования зданий и сооружений и в настоящей версии позволяющая создавать проекты легкокаркасных строений, основанная на BIM-технологиях. Ее универсальность заключается в возможности выполнения расчетов и оформления рабочих чертежей строений с каркасом из древесины, легких стальных тонкостенных профилей или композитных элементов и подключением различных сортаментов. В настоящее время программа обеспечивает возможность (рисунок 16):

- расчета и конструирования стен здания, междуэтажных перекрытий и стропильных систем кровли;

- автоматическое построение рабочих чертежей с маркировкой основных элементов;

- формирование спецификаций для изготовления элементов каркаса и укрупненных модулей;

- составление расчетно-пояснительной записки к проекту. Проектировщик также имеет возможность в любой момент времени увидеть трехмерную модель здания с деталировкой каркаса или рассчитать отдельный конструктивный элемент, используя встроенный инженерный калькулятор.

Особенностью программы является то, что проектирование ведется с учетом фактического количества изделий, деталей и конструкций на предприятии. Предусмотрена возможность в любой момент времени получить сводку по остающимся на складе запасов. \VHCad имеет достаточно развитую справочную систему, в которой представлены примеры работы с ним, а также оснащен небольшой электронной библиотекой основных нормативных документов по расчету и проектированию строительных конструкций. Программа основана на Мй-технологиях и имеет модульную структуру, что дает возможность достаточно просто добавлять в нее новые блоки.

Рис. 16

Комплекты изделий для строительства зданий и сооружений из композитных материалов, выпускаемые предприятием, обеспечивают возведение объекта «под ключ», что обуславливает необходимость в производстве большого количества

разнообразных деталей. Универсальный набор элементов строений, упомянутый в третьей главе, состоит из нескольких сотен наименований, поэтому целесообразным представляется создание некоторой системы уникальной идентификации изделий, конструкций и инженерных систем, удобной для выполнения логистических задач.

Все необходимые для возведения зданий детали, элементы и системы предложено свести в классификатор универсальных элементов для строительства (КУ-ЭС), основанный на принципах единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации. КУЭС включает перечень классификационных группировок универсальных элементов для строительства и их описания. Изделия в нем учитываются в группировках до десятизначного кода, причем используются иерархический метод классификации и последовательный метод кодирования. Код начинается с двух букв и содержит от двух до восьми цифр. Структура классификатора представлена в виде:

XX. - раздел;

ХХ.Х. - подраздел;

ХХ.ХХ. - класс;

ХХ.ХХ.Х. - подкласс;

ХХ.ХХ.ХХ. - группа;

ХХ.ХХ.ХХ.Х. - подгруппа;

ХХ.ХХ.ХХ.ХХ. - вид;

ХХ.ХХ.ХХ.ХХ.Х. - подвид;

ХХ.ХХ.ХХ.ХХ.ХХ. - элемент. В соответствии с международной практикой в КУЭС не учитываются такие классификационные признаки, как принадлежность к службе, отделу, сектору, группе, производящим или использующим универсальные элементы для строительства в практике монтажа.

Отличительной особенностью технологии возведения зданий и сооружений из композитных материалов является сборка строения «за один раз», когда параллельно с возведением стен в них разводятся электрические сети, пожарная сигнализация, организуется система вентиляции и т.п. Все необходимые для устройства указанных систем изделия и комплектующие поставляются на площадку одновременно с несущими элементами здания в стандартной упакованной таре (коробках). Поскольку строение может быть оборудовано несколькими инженерными системами, определение того, элементы какой из них находятся в закрытой коробке, может оказаться затруднительным.

В России существуют нормативные документы, регламентирующие условные знаки маркировки и места их нанесения на упаковку, однако последние оказываются важными при транспортировке грузов. На строительной площадке эти условные знаки не способствуют быстрому определению принадлежности упаковки к той или иной части строения. В диссертации разработана цветовая маркировка отдельных частей и систем здания, предназначенная для строителей. Нанесенные на

закрытую тару цветные метки могут облегчить процесс ее идентификации. В таблице 7 перечисляются части строения и предлагаемые для их маркировки цвета.

Дублирование цветных меток на монтажных схемах и инструкциях по сборке способствует сокращению затрат времени на возведение объекта и облегчает работу строителей.

Использование классификатора КУЭС совместно с цветовым обозначением частей и систем зданий из композитных материалов обеспечит уникальную идентификацию каждой отдельной детали или конструкции и станет одним из условий выполнения безошибочной сборки строения даже неквалифицированными рабочими или простыми гражданами.

Таблица 7

№ п/п Часть или система строения Предлагаемый цвет

1. Фундаменты и отмостка Черный

2. Цокольное перекрытие Темно серый

3. Междуэтажное и чердачное перекрытия Серый

4. Стены Оранжевый

5. Кровля Темно зеленый

6. Наружная отделка Синий

7. Лестницы, террасы Темно желтый

8. Холодное водоснабжение Темно голубой

9. Горячее водоснабжение Темно красный

10. Канализация Темно коричневый

11. Водосточная система Коричневый

12. Газ Желтый

13. Вентиляция Голубой

14. Отопление Зеленый

15. Электрика Красный

16. Молниезащита Сиреневый

17. Пожарная сигнализация Розовый

18. Системы «умного» дома Фиолетовый

19. Прочее Белый

Представленные в третьей главе композитные детали строений, возводимых «сухим» способом, для экономической целесообразности их применения должны производиться непрерывно и в больших количествах. В связи с этим в работе рассмотрены основные способы производства и сформулированы предложения по их рациональному применению. Большинство элементов строений имеют форму, проще всего получаемую при продавливании расплавленного композита через фильеру, поэтому основным способом производства изделий следует считать экструзию. Различные вкладыши, узловые элементы и другие детали удобнее выпускать при помощи литья или прессования. Для каждого из перечисленных способов производства изделий предложены рациональные составы производственных ли-

ний и оснастка, обеспечивающая непрерывный процесс производства, как например. фильера с переменной геометрией, при помощи которой можно выпускать как рядовые, так и доборные стеновые блоки (рисунок 17) или экструдер с возможностью выпуска армированных изделий.

Крупное производственное предприятие, выпускающее комплекс универсальных изделий для строительства зданий, предполагает наличие в своем составе подразделения, занимающегося подготовкой проектов строений, и учебного комбината для строителей. Универсальность деталей облегчает процесс обучения рабочих общим подходам к строительству и порядку выполнения стандартных операций. «Сухой» способ строительства дает возможность проведения контрольных сборок вновь разрабатываемых зданий и сооружений непосредственно на предприятии. После создания проекта нового дома предлагается производить его контрольную сборку на площадях учебного центра предприятия. Последующая разборка определяет необходимое количество средств транспортировки и оптимальную очередность операций по последующей сборке дома на участке потенциального Заказчика.

Рис. 17

По результатам контрольной сборки в работе рекомендовано формировать принятые в промышленном производстве технологические маршруты с составлением подробных графических инструкций по монтажу здания (рисунок 18).

Инструкция подготавливается автоматически в рамках информационной системы комбината. Для этого используется проектная документация, хранящаяся в общей базе предприятия. Попадание проекта в эту базу автоматически определяет его как допущенный к производству, и формирование технологического маршрута осуществляется уже без участия человека. Параллельно с указанным процессом составляется логистический план, включающий расчеты времени в пути к месту строительства и обратно, потребности в ГСМ, количестве транспортных единиц и необходимой тары. Особенностью плана, отличающей его от других, является распределение комплекта деталей и изделий по месту и времени установки, а также по номеру упаковки. Основная цель такой подготовки - обеспечить сборку здания «с колес», без излишних простоев техники и рабочей силы, по принципу «первым взял - первым поставил». Контрольная сборка строения на территории завода дает возможность на реальном объекте определиться с очередностью мон-

тажа деталей и установить оптимальный способ их размещения в транспортных единицах.

Сокращение сроков строительства зданий и сооружений является одной из основных задач, решение которой обеспечит рост объемов вводимого в эксплуатацию жилья. Шестая глава содержит описание инновационных скоростных технологий возведения объектов из композитных материалов, а также предложения по составу и объему комплекса подготовительных работ, выполняемых на производстве и строительной площадке.

341а

Рис. 18

Централизованное промышленное производство малоэтажных зданий и сооружений предполагает отправку комплектов деталей и изделий для строительства, а также бригад рабочих к месту возведения объектов. В диссертации сформулированы некоторые рекомендации по организации данного процесса. Отличительной особенностью описываемой технологии строительства является потенциальная удаленность производственной базы от места строительства, при которой доставка материалов является достаточно сложной задачей. Возведение малоэтажного здания осуществляется в короткие сроки профессионально подготовленной бригадой рабочих, которые также прибывают на место с предприятия-изготовителя. Это требует решения вопросов с их размещением, обеспечением необходимыми удобствами, снабжением продуктами и т.п.

Объем материалов для возведения строений оказывается сравнительно небольшим, что делает экономически нецелесообразным использование авиа, железнодорожного или водного транспорта. Доставку небольших партий грузов удобно выполнять автомобильным транспортом. С целью уменьшения издержек и удобства работы предполагается использовать для перевозки материалов и персонала автомобильную технику одного производителя. В работе для этого предлагается использовать автомобили марки «Мерседес-Бенц». Этот производитель предлагает как грузовые автомобили серий «АсЦоэ» и «Ахог», так и автодома для 5-6 человек.

Материалы собираются в комплекты, каждый из которых предназначается для выполнения определенного вида работ или возведения определенной части

37

здания и сооружения. Перед отправкой комплекта на производстве производится сортировка и упаковка его частей в соответствии с разработанными для строителей технологическими маршрутами.

Разработана универсальная многооборотная жесткая разборная оснастка в виде набора поддонов, съемных бортов и вставок, также производимых из полимерных композитов. Ее применение обеспечивает возможность транспортировки различных изделий и деталей в унифицированной таре с размерами поддона, соответствующими евростандарту (рисунок 19).

После доставки деталей к месту строительства оснастка последовательно разбирается и складируется для последующего возвращения на производство. Габаритные размеры поддонов дают возможность их свободного размещения в кузове грузового автомобиля, фургоне или прицепе. Небольшой вес штабелей позволяет переносить и разгружать их как кранами-манипуляторами, установленными на транспорте, так и погрузчиками. Последними также осуществляется перенос изделий непосредственно к месту использования. Возведение объекта затруднительно без использования специальной техники и различных приспособлений, которые также нужно доставлять на площадку автотранспортом. При традиционном «ручном» способе строительства предлагается использовать многофункциональные погрузчики типа МиШОпе СТ95(ШТ с комплектом сменного навесного оборудования.

В качестве примера в работе рассмотрена логистическая задача определения общего требуемого количества автомобилей при перевозке изделий, строительных машин, инструмента и т.п. в случае строительства двухэтажного жилого дома площадью 210кв.м.

Предлагаемые универсальный набор элементов, способ возведения зданий, при котором одна бригада выполняет все виды работ, и продуманная логистика процесса доставки дают возможность лишь за счет рационального подхода к процессу строительства практически вдвое сократить его срок по сравнению с традиционным. С целью доказательства последнего утверждения на базе ЕНиР выполнен расчет времени, необходимого для возведения упомянутого выше жилого дома, при «сухом» способе строительства и запараллеливании основных видов работ, когда, например, инженерные коммуникации прокладываются одновременно со сборкой стен строения строительной бригадой из пяти человек, использующей ин-

Рис. 19

вентарные приспособления и средства малой механизации. В случае использования набора универсальных элементов строений объект может быть построен за 310 часов или 40 рабочих дней при их восьмичасовой продолжительности.

Аналогичный дом из газобетонных блоков по данным строительных фирм может быть возведен за 88 - 132 рабочих дня. Безусловно, нормы времени на те или иные работы при сборке композитного здания должны уточняться на практике, однако сокращение сроков строительства очевидно. Оно происходит в первую очередь за счет исключения «мокрых» процессов и технологических перерывов, связанных с набором прочности монолитных стыков или элементов строения, а также точными геометрическими размерами отдельных элементов, и предварительной контрольной сборкой объекта на заводе, обеспечивающей возведение строения без подгонки деталей на строительной площадке.

Дальнейшее сокращение сроков возможно за счет роботизации строительства. Наборы изделий для возведения зданий и сооружений из композитных материалов, производимые на одном предприятии, отличаются постоянством размеров и высоким качеством, что превращает процесс строительства в строгий набор простых операций по последовательному подъему, переносу и установке в определенное место и в определенном порядке деталей строения. В промышленности подобные действия уже давно выполняют роботы-манипуляторы. При их применении на производстве существует ряд положительных моментов:

- в процессе выполнения монотонных, однообразных операций не проявляется «человеческий фактор»;

- они могут выполнять работу в среде опасной для жизни и здоровья человека;

- роботы могут работать круглосуточно;

- точность позиционирования детали в сборке значительно выше, чем у человека;

- процент брака сведен к минимуму.

Роботы в строительстве давно не являются фантастикой. Еще в 1984 году в СССР был выпущен государственный стандарт «Манипуляторы для строительно-монтажных работ. Общие технические требования» [1055]. Однако в России они пока применяются в строительстве крайне редко, в то время как за рубежом процесс роботизации происходит' очень интенсивно.

В работе показано, что для строительства малоэтажных зданий и сооружений из композитных материалов потребуются два тяжелых нестационарных робота с шестью степенями свободы манипулятора, точностью позиционирования 0,20,3мм, средними скоростями движения и регулируемой рабочей зоной с максимальными размерами 25x20x15м (ДхШхВ) и комплектом сменного навесного оборудования. Их предлагается выполнять по типу рнчтрака - разновидности высокоподъемного штабелера с противовесом и выдвигающейся мачтой. Робот на базе указанного механизма должен передвигаться вдоль строящегося здания по специальным направляющим и управляться с одного компьютера по специализированной программе.

Роботизированный процесс строительства имеет свои особенности и несколько отличается от стандартного. Так, например, при выносе объекта в натуру

нет необходимости в закреплении всех разбивочных осей. Достаточно просто определить три любых характерных точки здания, не лежащих на одной прямой. Удобнее всего указать положение углов строения. Навесное оборудование должно быть универсальным. В работе предложен подобный универсальный захват, обеспечивающий установку в проектное положение трех мелких стеновых блоков с необходимыми межрядовыми и межэлементными фиксаторами за один проход робота (рисунок 20).

Автоматизировать весь процесс строительства здания теоретически возможно, однако на современном уровне развития техники это вряд ли целесообразно. Так, например, робот вполне может справиться с пробуриванием скважин или рытьем траншей под фундаменты, но обратную засыпку удобнее выполнять рабочим. Отдельные действия по устройству инженерных сетей в здании проще осуществлять человеку. Можно указать и некоторые другие операции, где использование роботов экономически невыгодно. Таким образом, речь идет о совместной работе автоматов и человека, как это организовано на ряде промышленных производств.

II II I ццттп I

Рис. 20

Круглосуточное роботизированное строительство предполагает трехсменную работу персонала, поэтому состав бригады строителей уменьшить вряд ли удастся, однако значительное сокращение сроков возведения зданий позволит снизить затраты на обеспечение жизнедеятельности рабочих, а также расходы, связанные с эксплуатацией строительной техники.

Сокращение сроков строительства при использовании роботов доказано расчетами времени, необходимого на возведение стен двухэтажного жилого дома площадью 210кв.м. из мелких блоков, описанных выше. Расчеты показывают, что при размещении штабелей с блоками на стационарной площадке рядом со зданием стены таким способом можно возвести за один день вместо шести, необходимых бригаде строителей. Время может быть еще меньше, если в конструкции основания робота предусмотреть площадку для установки штабеля с монтируемыми элементами.

Предлагаемая инновационная технология дает возможность организовать на строительной площадке аналог промышленного производства, что, в свою очередь, позволит создавать объекты с высоким качеством и в сжатые сроки.

Разработана также технологическая карта на монтаж стен монолитно-каркасных зданий из объемных блоков системы «Росси». Работы выполняются строителями вручную, с минимальной механизацией процессов. Грузоподъемные

механизмы применяются только для доставки блоков к месту установки. Сто квадратных метров стены звеном из пяти человек могут быть возведены за 11,5 часов, в то время как общая продолжительность работ по устройству аналогичной стены из газобетонных блоков, согласно типовой технологической карте, составляет 23,5 часа.

Таким образом, предлагаемые универсальные наборы композитных элементов, «сухой» способ строительства и инновационные технологии возведения зданий обеспечивают двукратное сокращение сроков возведения зданий и сооружений.

В заключительной седьмой главе описываются различные преимущества разработанных комплексных систем для возведения зданий и сооружений, а также другие возможности применения композитных материалов в строительстве.

Экономическая целесообразность изготовления домов из композитных материалов должна рассматриваться с позиций не только потенциальных покупателей, но и производителей таких строений. В работе доказано, что эффективным будет предприятие, производящее в год дома общей площадью около 1 миллиона квадратных метров. При этом площадь территории, занимаемой производственными мощностями, составит 4000 гектаров и еще 6000 понадобятся для выращивания сельхозпродукции, используемой в качестве наполнителя для композитов. Срок окупаемости предприятия при таких условиях составит 8-9 лет, что является достаточно коротким интервалом времени. Проведенные вычисления в некоторой степени условны и основаны на ряде допущений, однако они доказывают привлекательность вложений в подобный бизнес.

Композитные материалы имеют многокомпонентную структуру, поэтому определение их теплового сопротивления — достаточно своеобразная задача. Конструктивные особенности изделий, производимых методом экструзии, также накладывают свой отпечаток на теплопроводность. В связи с этим, выработка некоторых общих рекомендаций для подобных элементов представляется актуальной. Нами предложена инженерная методика определения термического сопротивлеши многопустотных изделий из бинарного композитного материала с аддитивами.

Если изотропная смесь состоит из связующей компоненты 1 и замкнутых включений двух видов 2 и 3, коэффициенты теплопроводности которых Л, и объемные концентрации mj известны, то для оценки теплопроводности такой смеси используется следующее выражение:

Л = Л,

1 — т.

1 — т.

1 -V,

1 — /71,

1 -т.

(24)

Здесь У|; = А, / Я, (/' = 2, 3). (24) удовлетворяет предельным переходам. Проведенные для реальных составов по указанной формуле расчеты показали, что имеется близкая к пропорциональной зависимость коэффициента теплопроводности рассматриваемого композитного материала от объемной концентрации наполнителя.

Определение термических сопротивлений композитных изделий, полости которых частично или полностью заполнены эффективным утеплителем, выполняется традиционным способом. Так, например, рядовой стеновой блок из универсального набора элементов строений с установленными фиксаторами и заполнением пустот эковатой имеет термическое сопротивление Л=5,432 м2-°С/Вт и Л=0,07Вт/м-°С, т.е. характеристики, близкие к показателям древесины.

Одним из важнейших условий безопасной эксплуатации зданий и сооружений является их экологичность. В различных подходах к такой оценке строительных материалов обязательно анализируются связанные с ними нагрузки на окружающую среду за весь период жизненного цикла материала.

Принципиальная схема оценки экологических эффектов в этом случае включает анализ следующих этапов:

- добыча сырья;

- производство деталей и изделий;

- применение материала в строительстве;

- его эксплуатация в объекте;

- уничтожение или повторное использование при сносе здания.

В диссертации показано, что на всех перечисленных этапах полимерные композиты на базе полипропилена с растительными или минеральными наполнителями по своим экологическим качествам сопоставимы с изделиями из цельной древесины и вредное влияние на окружающую среду от их производства и применения минимально. То же можно сказать и о силикальците и фибропенобетоне.

Малоэтажные здания и сооружения, помимо относительной дешевизны, эко-логичности и высокого уровня термического сопротивления должны обладать и архитектурной выразительностью. Разнообразие цветовых решений и стилей, в которых выполняются фасады строений, придают индивидуальность населенным пунктам и дают возможность учесть национальные особенности региона. Современные архитектурные стили пошли по пути упрощения, отказа от «лишних» деталей, хотя видеоэкология доказала негативное влияние на самочувствие человека глухих фасады бетонных зданий, асфальта и т.п.

Композитные здания, возводимые из мелких блоков, оказываются менее вариативными, чем кирпичные, благодаря наличию определенного модуля и ограничениям по перекрываемым пролетам, размерам проемов и т.п. Тем не менее, существует возможность придания даже двум одинаковым по размерам и планировке домам абсолютно различного архитектурного облика за счет различных комбинаций конечного набора стандартных элементов внешней отделки. В диссертации на примере части стены композитного здания с несимметрично расположенными, различными по размерам оконными и дверным проемами показаны варианты отделки, позволяющие оформить здание в двенадцати различных архитектурных стилях.

Малоэтажное домостроение, как правило, ведется на собственных земельных участках Заказчика, где помимо основного строения обязательно предусматриваются дорожки, проезды и площадки различного назначения. В связи с этим разра-

42

ботана конструкция дорожного покрытия из композитных материалов или силикальцита, которая может использоваться не только в качестве элементов ландшафта участков индивидуальной застройки, но и в конструкциях автомобильных дорог, аэродромных полос и подъездов к ним, автостоянок и других грузонапряженных покрытий. Сборно-монолитное дорожное покрытие состоит из дискретно расположенных фундаментов, уложенных на грунтовое основание, демпфирующего и дренирующего слоев из смеси песка со щебнем и монолитных армированных прямоугольных дорожных плит. Оголовки свай замоноличиваются в плитах, а скрепление последних осуществляется за счет специальной формы их смежных торцов, обеспечивая податливое соединение плит друг с другом (рисунок 21).

Рис. 21

Предлагаемые в работе композитные материалы дают возможность изготавливать и различные инженерные сооружения, разнообразные монтажные приспособления, строительные леса и т.п., однако перечисленные изделия и конструкции выходят за рамки настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана инновационная концепция применения современных композитных материалов для возведения зданий и сооружении, основанная на использовании комплексных универсальных наборов строительных элементов и применении эффективных технологий строительства.

Для успешной реализации концепции на основании результатов выполненных исследований, сформулированы основные выводы и предложения:

1. При массовом производстве строительных изделий, деталей и конструкций из композитов предпочтение следует отдавать бинарным композициям с полимерной или минеральной матрицами и порошковыми наполнителями предлагаемых составов, что обеспечивает:

- возможность использования в качестве наполнителя местных материалов растительного или минерального происхождения;

- простоту контроля качества композиции и варьирования ее свойств введением минимального количества определенных аддитивов;

- однородность и изотропию свойств получаемого нового материала;

- хорошее совпадение его действительной работы с расчетными предложениями;

- удобство производства элементов различных форм и размеров экструзией и литьем;

- относительно невысокую стоимость материала и изделий из него.

Для учета всего многообразия возможных вариантов составов искусственных материалов в оптимальной композиции предложена интегральная аналитическая методика прогнозирования характеристик полимерных композитов па основе дифференцированного учета свойств их составляющих, дающая более близкие к экспериментальным значения пределов прочности и модулей упругости материала, чем другие методики.

2. Установлено, что наиболее целесообразным является использование изделий и деталей из новых композитных материалов в конструкциях зданий и сооружений, возводимых «сухими» способами. Предложено пять различных инновационных систем малоэтажного домостроения, а также технология устройства стен и перегородок в монолитно-каркасных зданиях, чья новизна подтверждена 9 патентами на изобретения.

Разработаны композитные: оцилиндрованное бревно, брус и доска, а также унифицированный узловой элемент, применение которых вместо деловой древесины дает возможность перейти к безотходным технологиям строительства и обеспечить сокращение сроков возведения объектов. Показано, что применение композитных элементов в легкокаркасных зданиях позволяет наладить промышленный выпуск полных комплектов деталей каркаса малоэтажных домов, сборку которых можно осуществлять даже без специального образования.

Предложен полный комплексный набор универсальных элементов, обеспечивающий строительство зданий и сооружений «под ключ». При этом многообразие вариантов планировки строений и их архитектурных стилей достигается простым варьированием различных комбинаций одних и тех же деталей. Элементы набора производятся методом экструзии, обеспечивающим возможность формирования изделий необходимых форм и размеров со строго выдержанными геометрическими размерами, что позволяет унифицировать способы соединения деталей и в сочетании с «сухим» способом строительства приводит к резкому сокращению сроков и круглогодичному возведению объектов.

Разработана система объемных универсальных элементов стен, перекрытий, покрытий, навесной внешней и внутренней отделки «Россн» как для строительства малоэтажных домов, так и для возведения стен и перегородок многоэтажных зданий и сооружений, дающая возможность создания ряда объектов из одного и того же комплексного набора типовых деталей.

3. Для нормирования строительных композитных материалов и изделий предложен подход к разработке Свода Правил с общими указаниями и рекомендациями по расчету и проектированию композитных конструкций.

Разработана методика определения расчетных сопротивлений композитного материала, основанная на вероятностном подходе и сроке эксплуатации объекта. Предложены основные расчетные зависимости для различных случаев нагружения элементов конструкций и указания по проектированию их соединений. Для арми-

44

рованных композитных конструкций приведена универсальная методика расчета, пригодная для композиций как с полимерной, так и минеральной матрицами, с различными модулями упругости на растяжение и сжатие.

Показано, что в несущих строительных конструкциях целесообразно применение композитных материалов с минимальными физико-механическими характеристиками, близкими к показателям цельной древесины.

4. Предложен экономически эффективный индустриальный способ возведения зданий и сооружений из композитных материалов, изделий и конструкций, предполагающий объединение в единый комбинат подразделений по проектированию, производству и строительству.

Для эффективного управления комбинатом предложена модернизированная информационная система, основанная на стандарте MRP, одним из элементов которой является составленный программный комплекс по расчету и проектированию зданий и сооружений WHCAD.

Разработанные комплексные наборы элементов для строительства домов «под ключ» содержат нескольких сотен наименований, в связи с чем предложен классификатор универсальных элементов строений (КУЭС), основанный на принципах единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации ЕСКК ТЭСИ. Доставка изделий и деталей к месту строительства осуществляется в упакованном виде, поэтому для оперативного определения принадлежности упаковки к той или иной системе разработана цветовая идентификация. Использование классификатора совместно с цветовым обозначением частей и систем зданий обеспечивает уникальную идентификацию каждой отдельной детали или конструкции и является гарантией безошибочной сборки строения даже неквалифицированными рабочими.

5. Предложены высокопроизводительные производственные линии и отдельные их части для осуществления выпуска изделий по экструзионной, литьевой и ударно-вибрационной технологиям. Доказано, что основным способом промышленного изготовления строительных композитных изделий является экструзия. Для нее разработана новая конструкция фильеры с изменяемыми выпускными отверстиями, позволяющая выпускать различные элементы без остановки и переналадки экструдера.

Для «сухого» способа строительства, дающего возможность в заводских условиях производить контрольную сборку зданий и сооружений, обеспечивающую минимизацию возможных ошибок проектирования с одновременным обучением и повышением квалификации строительных бригад, предложено организовывать процесс индустриального производства строений по аналогии с высокотехнологичными отраслями промышленности, разрабатывая технологические маршруты, включающие не только собственно выпуск продукции, но и весь комплекс операций - от оформления заказа до сдачи объекта заказчику.

6. Доказано, что применение универсальных композитных элементов с унифицированными размерами и способами их соединения дают возможность дву-

кратного сокращения сроков возведения объектов только за счет отлаженной логистики, «сухого» способа строительства и простоты сборки строения.

Разработана технологическая карта на монтаж стен монолитно-каркасных строений из объемных блоков системы «Росси» с сокращением сроков до 35% по сравнению с традиционными технологиями и материалами.

7. Доказана экономическая целесообразность и эффективность крупного градообразующего предприятия по выпуску изделий и деталей для строительства зданий и сооружений из композитных материалов. Определен срок его окупаемости, который при средней себестоимости одного квадратного метра дома полной готовности ЮООО рублей (в ценах 2014 г.) составляет около восьми лет.

Перспективы дальнейшей разработки темы.

В результате выполненного комплексного исследования доказаны экологическая безопасность, бесконечная вариативность, архитеиурная выразительность и экономическая эффективность разработанных инновационных систем для строительства композитных зданий и сооружений из универсальных наборов элементов, сформулированы основные положения по расчету и проектированию, а также предложены индустриальные и высокоэффективные технологии их возведения, что обеспечивает возможность их широкого применения в практике современного отечественного строительства.

В дальнейших исследованиях предполагается всестороннее развитие предложенных в диссертации строительных систем и технологий. Наиболее перспективными направлениями при этом следует считать:

- разработку новых универсальных наборов элементов, изделий и конструкций из композитных материалов для возведения зданий и сооружений;

- создание инновационных композитных материалов с использованием для этого различных наноразмерных добавок, обеспечивающих улучшение физико-механических характеристик композиции;

- формирование нормативных документов по расчету и проектированию строительных композитных конструкции;

- совершенствование технологий промышленного производства изделий из композитов;

- внедрение в практику современного строительства инновационных высокоэффективных приемов возведения зданий и сооружений.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

- издания, рекомендуемые ВАК РФ:

1. Вержбовский Г.Б. Сборно-разборные конструкции зданий и сооружений. // Промышленное и гражданское строительство. - 1996. - № 6. - С. 61.

2. Вержбовский Г.Б., Колесова Е.В. Легкокаркасные металлодеревянные здания. // Науковедение - 2012. - №3. - С. 264-270.

3. Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю., Босый А.И. Здания и сооружения из дре-весно-полимерных композитов. // Научное обозрение - 2013. №11. - С. 85-89.

4. Вержбовский Г.Б. Применение композитных материалов в бревенчатых и брусчатых домах. // Науковедение. 2014. - №7. - С. 892-895.

5. Вержбовский Г.Б. Прогнозирование характеристик композитных материалов на основе свойств составляющих их частей. // Науковедение. - 2014. - №7. - С. 909914.

6. Вержбовский Г.Б., Решетников A.A. Автоматизированное проектирование легкокаркасных зданий. // Науковедение. - 2014. - №9. - С. 874-879.

7. Вержбовский Г.Б. Композитные легкокаркасные здания. // Науковедение. -2014. - №9. -С. 879-884.

8. Вержбовский Г.Б. Быстровозводимые малоэтажные здания из композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2015, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3122.

- патенты РФ:

9. Пат. 2213831 RU, МПК Е04В1/32. Полигонально-складчатый свод из древесины / Никулин В.А. Вержбовский Г.Б., [Веселев Ю.А.| - Опубл. 10.10.2003. - Бюл. №27.

10. Пат. 108999 RU, МПК А63Н 33/00. Универсальный строительный конструктор / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 10.10.2011. - Бюл. № 28.

11. Пат. 109769 RU, МПК Е04С1/00. Здание, возведенное с помощью набора универсальных элементов / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 27.10.2011. -Бюл. № 30.

12. Пат. 124489 RU, МПК Е04В 2/02. Брус из древесно-пластмассового композита для строительства / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 27.01.2013. -Бюл. № 3.

13. Пат. 124690 RU, МПК Е01С 5/08. Конструкция сборно-монолитного дорожного покрытия / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 10.02.2013. - Бюл. № 4.

14. Пат. 124709 RU, МПК Е04В2/02. Сборное перекрытие из композитных материалов / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 10.02.2013. - Бюл. № 4.

15. Пат. 126982 RU, МПК В27В 1/00. Оцшшндрованное бревно из древесно-пластмассового композита / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 20.04.2013. -Бюл. № 11.

16. Пат. 127785 RU, МПК E04F13/00. Защитно-декоративная облицовка стен / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 10.05.2013. -Бюл. № 13.

17. Пат. 153949 RU, МПК Е04В 2/14. Стеновой блок из композитных материалов / Вержбовский Г.Б., Фролов А.Ю. - Опубл. 10.08.2015. - Бюл. № 22.

- монографии:

18. Вержбовский Г.Б. Малоэтажные быстровозводимые здания и сооружения из композитных материалов. - Ростов н/Д: ООО «Издательство Бара». -2015. - 280 с.

19. Вержбовский Г.Б. Строительные конструкции из композитных материалов. - Ростов н/Д: Изд-во Ростовского ГСУ. - 2015. - 298 с.

- другие издания:

20. Вержбовский Г.Б. Строительство деревянных домов из универсального набора панелей // Бизнес-консультант. - 1996, №3. - С. 44, 45.

47

21. Журавлев A.A., Вержбовскнй Г.Б., Еременко H.H. Пространственные деревянные конструкции. Ростов н/Д: Малыш. 2003 - 519с.

22. Вержбовский Г.Б., Решетников A.A. Компьютерные технологии в проектировании легкокаркасных зданий. // Наука и образование. - 2014. - №3. - С. 59-63.

23. Вержбовский Г.Б. Легкокаркасные здания из композитных материалов. // Международный Научный Институт "Educatio". - 2014. - №4. - С. 111-114.

24. Вержбовский Г.Б. Быстровозводимые малоэтажные здания из композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2015, №3.

25. Вержбовский Г.Б. Строительство зданий и сооружений с использованием промышленных роботов // Международный Научный Институт "Educatio". - 2015. -№4.-С. 16-19.

26. Вержбовский Г.Б. Индустриальное "сухое" строительство зданий и сооружений из композитных материалов // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции "Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем" (ИЦРОН, 08.06.2015). - Казань: ООО "Ареал", 2015.-С. 43-45.

27. Вержбовский Г.Б., Кавелин A.C. Несущая способность нагельных соединений элементов из композитных материалов // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции «Технические науки в мире: от теории к практике» (ИЦРОН, 10.08.2015). - Ростов-на-Дону: ООО "Ареал", 2015. -С. 55-57.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 2.0 уч.-изд.-л. Заказ № 956. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19