В статье автор раскрывает проблемы строительства сооружений в условиях экстремально низких температур, а также особенности проектирования морских сооружений и сооружений на вечной мерзлоте.
Ключевые слова: здания, сооружения, строительство, температура, лед, нагрузка, конструкции, норматив, ISO, бетонные смеси.
Размещение производства и других необходимых для жизнедеятельности объектов в осваиваемых и развивающихся районах — являются основной задачей для решения проблем строительства на Севере, где требуется компактность и стойкость сооружений к низким температурам.
Требуемый набор промышленных зданий и сооружений, и различных их типов, в который входят размеры, сроки службы, объемы строительства этих сооружений, определяется областью использования различных (стационарных и нестационарных) систем расселения в сложных северных условиях, а также масштаб развития различных отраслей промышленности и производств в этой области.
С помощью различных специалистов таких как: архитекторы, гигиенисты, социологи, экономисты и специалисты других отраслей; проводятся требуемые проработки всех проблем с учетом различных природно-климатических условий в районах Северной строительно-климатической зоны.
Также требуются комплексные проработки всех проблем с участием архитекторов, гигиенистов, социологов, экономистов и специалистов других отраслей. Все это необходимо для дальнейшего улучшения создания генеральных планов и объемно-планировочных решений территорий под промышленные и жилищные зоны, совершенствование архитектуры зданий.
При проектировании обязательно должны учитываться различные факторы, которые были выявлены в ходе исследования и изучения многих построенных северных объектов. К этим факторам относятся:
разработка генеральных планов промышленных и жилых сооружений с учетом ветрового режима и снегопереноса в зимний период;
максимально возможное блокирование зданий и сооружений от внешних негативных условий среды;
отказ от сложных конфигураций зданий и перепадов высот, их расположения;
минимальное применение наружных ограждений, приходящихся на единицу площади, в периметре здания;
уменьшение остекления (минимизация стеклянных витражей, окон и тп.);
повышение надежности герметизация окон, ворот и дверей;
высокий уровень эстетики зданий и сооружений;
создание комфортных условий труда.
Для Севера характерен «закрыто-открытый» принцип жилой застройки, с ее компактной компоновкой зданий. Обязательным требованием является наличие ветрозащитных зданий, которые образуют аэродинамическую «тень», где располагают различные здания малой этажности, например: жилые здания, и здания обслуживания.
Этот принцип градостроительного решения компоновки зданий является определяющим в защите от суровых климатических условий, воздействий от внешнего холодного воздуха (ветров), а также способствует минимизации связи с природным окружением.
В целях сокращения теплопотерь высота застройки не превышает 9 этажей, а ширина дома в среднем составляет 13–15 м, за счет продольного размещения лестницы в центральной части жилой секции в не освещенной естественным светом части сооружения.
В таких домах исключают балконы и лоджии (возможно использование лоджий, но только с доработанными наружными ограждениями), но чаще всего применяют эркеры.
Для нашей практики наиболее применимо строительство сборно-разборных зданий и сооружений из легких конструкций (металлических и пневматических). Зарубежный же опыт строительства в северных условиях (Канада) показывает нам примеры рациональных объемно-пространственных и конструктивных решений промышленных объектов.
Проблема вечномерзлых грунтов используемых в качестве оснований зданий и сооружений является комплексом сложных проблем строительства на Севере в течение долгих лет практики возведения сооружений.
В период 1930–1950-е гг. проектные разработки были направлены лишь на максимальную изоляцию человека от внешней среды, что включало в себя уменьшение снегозаносимости застраиваемых территорий для сокращения сокращения теплопотерь зданий.
Эти предложения не всегда имели научное обоснование и в большинстве своем не соответствовали уровню развития техники в те годы, и, как правило, не находили применения в практике строительства. Например, как правило все это сводилось в основном к увеличению толщины стен и ограждений в соответствии с расчетными температурами наружного воздуха в заданном районе строительства. Все это привело к тому, что построенные сооружения на Севере мало отличались от аналогичных объектов в средних широтах.
Развитие материально-технической базы строительства на Севере требует создания в этих районах качественно новых типов зданий и сооружений, более отвечающим сложным климатическим условиям. Поэтому возникают задачи по успешному развитию промышленности и созданию благоприятных условий для труда и быта жителей в новых северных городах.
Вопросы строительства в северных районах страны должны включать не только какие материалы и конструкции лучше всего использовать для возведения зданий и сооружений в условиях низких температур. Вопрос — из чего строить, лишь один из основных вопросов.
Здесь должны учитываться требования сокращения трудовых затрат на строительство, условия и способы транспортирования конструктивных элементов, для чего необходимо уменьшение веса конструктивных элементов, выполненных из современных легких материалов, также с учетом использования новых типов конструкций из новых материалов должны быть улучшены способы возведения зданий. Эти вопросы особо актуальны в условиях возведения сооружений на Севере.
Но здания каких типов наиболее предпочтительны для условий Севера? Для того, чтобы разработать из чего и как строить, нужно понять, что строить. И это является основным вопросом и задачей для исследования Севера.
Можно выделить основные проблемы строительства в Арктике:
Проблема воздействия низких температур на сооружения, в частности на их бетонные составляющие;
Проблема влияния вечной мерзлоты на проектирования и строительства сооружений.
Работа и разрушение бетона в условиях высоких и низких температур. Проблема воздействия низких температур на сооружения, в частности на их бетонные и ж/б составляющие
Высокие и низкие температуры являются одними из самых агрессивных условий, с которыми при эксплуатации подвергаются бетонные и железобетонные конструкции.
На данный момент активно ведутся научные разработки, в ходе которых разрабатываются методы защиты в области работы бетона в экстремальных температурных режимах.
Разрушение бетонных и железобетонных конструкций, как правило, связано с воздействием низких температур, что вызывает замерзание влаги в теле бетона. Если говорить более точно, причина разрушения бетона –попеременное замораживание-оттаивание еще не застывшего влажного бетона в конструкциях, не защищенных от внешних климатических условий и воздействий. В первую очередь воздействие низких температур на бетон химически связано с процессом замерзания несвязанной воды, находящейся в порах и капиллярах бетона.
Факторы, при которых происходит разрушение бетона при воздействии на него отрицательных температур:
процесс льдообразования (гидростатическое давление жидкости на стенки пор и капилляров цементного состава);
гидравлическое давление незамерзшей жидкости при ее отжатии от фронта промерзания растущими кристаллами льда в резервные (незаполненные водой) поры и капилляры;
давление растущих кристаллов льда на стенки пор и капилляров;
давление, возникающее в капиллярах и порах бетона при замораживании и оттаивании бетона;
различные коэффициенты температурных деформаций жесткого скелета и льда в результате чего получаем температурные напряжения.
Различие деформаций по температуре различных составляющих ж/б конструкций создает дополнительные напряжения в бетоне.
Можно наблюдать четыре основных типа разрушения, при воздействии отрицательных температур на бетон:
возникновение трещин во всех направления по поверхности бетонного изделия;
отслаивание защитного слоя бетона конструкций;
коррозия арматуры;
появление сколов бетона конструкций.
Способность бетона сопротивляться воздействию низких температур характеризуется маркой по морозостойкости F. Она выражена в циклах попеременного замораживания-оттаивания до появления видимых признаков разрушения. Также учитываются потери бетоном ряда показателей — плотность, прочность, динамическая упругость.
Особенности строительства и проектирования в условиях вечной мерзлоты. Проблема влияния вечной мерзлоты на проектирования и строительства сооружений
Строить здания и сооружения возможно при любых климатических условиях. Для этого необходимо соблюдать определенные требования к строительству и проектированию, что позволит любому зданию функционировать идентично, что и в других более теплых широтах.
Существует два принципа проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты.
1 принцип — сохранение вечномерзлого состояние грунтов в основании зданий и сооружений в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации.
2 принцип — противоположен 1 принципу. В этом случае перед строительством вечномерзлые грунты предварительно оттаивают или используют грунты, оттаивающие в период эксплуатации.
Но в случае строительства по 2 принципу необходимо учитывать дополнительные просадки фундаментов во время эксплуатации. Поэтому следует регулировать процесс оттаивания и возводить здания с малочувствительными конструкциями.
Для сохранения вечномерзлого состояния грунтов применяются различные приемы:
Возведение здания на подсыпках с обеспечением теплоизоляции поверхности сооружения и грунта.
Устройство вентилируемых подполий. Используется при строительстве и проектирование жилых, общественных и промышленных зданий. В этом случае уменьшается застаивание воды подполье.
Аналог вентилируемых подполий — размещение на 1 этаже неотапливаемых помещений.
Устройство под полом вентиляционных каналов с искусственным охлаждением грунтов саморегулирующими холодильниками установками.
Устройство свайных фундаментов.
Условно существуют три группы технологии выполнения бетонных работ в условиях вечной мерзлоты:
«Термос», технология, основанная на сохранении начальной теплоты смеси, нагретой в процессе ее составления или непосредственно перед укладкой на месте работ. Сутью является реакция цемента с водой, при которой используются выделения тепла во время отверждения бетона.
Искусственный прогрев бетонной смеси после укладки ее в конструкцию;
Повышение скорости реакции цемента и химическое снижение точки замерзания воды в составе бетонной смеси.
Приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах в целом можно комбинировать, но выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкций и ее габаритах, а также характеристик материала (бетона).
Для повышения скорости твердения бетона на начальном этапе применяют специальные химические добавки в небольшом объеме (не более 2 % от количества цемента), такие как: К2СО3 — поташ, CaCl — хлористый кальций, NaNO3 — нитрат натрия.
Такие бетонные смеси, включающие в себя химические добавки, имеют температуру от 25 до 35оС, при укладке бетона, его температура падает. При внешней температуре воздуха от -15 до -20оС после укладки химически модифицированных бетонов осуществляется настил в один-два слоя теплоизоляции. Отвердение бетонной конструкции происходит по технологии «термоса», которая является относительно недорогой.
Строительство морских сооружений в Арктике. Воздействие льда на возводимые сооружения — основная проблема строительства
Важнейшее условие при проектировании морских сооружений для северных/арктических регионов — воздействие многолетнего льда.
Поскольку внешние нагрузки на сооружение велики и неоднородны, к основаниям конструкций предъявляются повышенные требования.
В т/з на проектирование должны учитываться общее понимание характеристик льдов и множество непостоянных изменений при непредвиденных обстоятельствах. Одним из существенных факторов является наличие вечной мерзлоты.
Первое, с чем сталкиваются компании в ходе строительства объектов в арктических условиях — создаваемая нагрузка на сооружения в результате воздействия ледовой массы. Массивные ледяные структуры, образованные движением масс льда и намораживанием их друг на друга, такие как: торосы и навалы льда (до 2 метров), могут образовать двухлетний, и даже многолетний лёд (толщиной более 20 м), пережив период летнего таяния.
Транспортировка конструкций со стройплощадки, находящейся в удалении в тысячи километров от Севера, непосредственно в Арктику осложняется размерами сооружений и суровыми климатическими условиями. Транспортировка и монтаж конструкций дорогостоящие операции, требующие предельного внимания к управлению рисками, связанными с работами в открытом океане. Так перемещение сооружений и конструкций, и все строительно-монтажные работы на месте реализации проекта нужно выполнить до наступления ледового сезона.
Отдельные государства до сих пор разрабатывают новые и дополняют существующие нормативные документы по возведению сооружений в арктических условиях. В каждой из стран нормы достаточно существенно отличались друг от друга.
В 2002 г. появился документ, в соответствии с которым можно проводить оценку вариантов и выполнять проектные работы по созданию различных объектов в Арктике. Он был разработан государственными органами стандартизации и Международной организации по стандартизации. Данный стандарт получил аббревиатуру «ISO».
В декабре 2010 г. был опубликован ISO для морских сооружений (ISO 19906 — Проектирование морских арктических сооружений). В ISO 19906 объединены опыт и лучшие практические наработки предприятий отрасли. Документ собрал в себе концепции ведущих экспертов и заключения лучших инженеров. Освоение шельфовых месторождений главным образом осложнено льдами, для решения этой задачи многие страны мира на данный момент руководствуются именно этим документом.
Сегодня нефтегазодобывающая промышленность работает в тесном контакте с вузами, научно-исследовательскими учреждениями, подрядчиками и органами государственной власти с целью разработки новых способов работы в сложных климатических условиях, а также наработке более широкого арсенала инструментов для проектирования безопасных и эффективных морских платформ.
Многие данные, полученные из мировой практики, уже являются частью основных положений стандарта ISO 19906. Но исследования ледовых нагрузок и проблем возведения конструкций и сооружений в условиях морского обледенения продолжаются до сих пор, и включают в себя аналитические методы, такие как цифровое моделирование решений уравнений в замкнутом виде и физическое моделирование взаимодействия между льдом и сооружением.
Конструкции должны учитывать, что на них будет действовать огромная нагрузка от ледовых масс. Они должны обладать достаточной прочностью для передачи нагрузок с внешней поверхности, контактирующей со льдом, к основанию сооружения без повреждения конструкции. Оборудование в также не должно быть повреждено. Поэтому возведение таких конструкций это крайне сложная задача, где должно учитывать очень много различных нагрузок и внешних факторов.
В целом, можно сказать, что здания и сооружения можно построить при любых климатических условиях, но при этом следует применять нужные меры, а также соблюдать нормы и правила проектирования и эксплуатации зданий и сооружений.
Литература:
- Pro-arctic [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://pro-arctic.ru/26/08/2012/technology/192 (дата обращения 18.01.2021).
- АО КТБ Железобетона [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.ktbbeton.com/press/articles/rabota_i_razrushenie_betona_v_usloviyakh_vysokikh_/ (дата обращения 18.01.2021).
- Российская газета [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://rg.ru/2020/05/19/reg-szfo/nachata-razrabotka-novyh-pravil-stroitelstva-za-poliarnym-krugom.html (дата обращения 18.01.2021).
- Строитель [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.firma-stroitel.ru/sever2.html (дата обращения 18.01.2021).
- Строительный эксперт [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ardexpert.ru/article/10484(дата обращения 18.01.2021).
- Тасс [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://tass.ru/obschestvo/4197779 (дата обращения 18.01.2021).
- Техэксперт. ГОСТ 10060–2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200100906 (дата обращения 18.01.2021).
