Обоснование применения облегченных монолитных железобетонных перекрытий



Устройство строительных конструкций является важным и необходимым этапом жизненного цикла строительства. Именно на данном этапе происходит практическая реализация проектных решений и формирование фактических параметров надежности конструктивных элементов здания. Актуальной задачей в современном строительстве является уменьшение материалоемкости конструкции путем применения технологических приемов и рационального использования материалов. В данной статье описываются проблемы влияния высокого собственного веса железобетонных перекрытий на конструктивные элементы здания, а также пути их решения с помощью использования неизвлекаемых вкладышей — пустотообразователей. Рассмотрен сравнительный технико-экономический анализ применения монолитных многопустотных и сплошных плоских плит перекрытий.

Ключевые слова: монолитное железобетонное перекрытие, вкладыши-пустотообразователи, материалоемкость конструкции, бетонирование

Перекрытия — это горизонтальные несущие и ограждающие (разделяющие внутреннее пространство в вертикальном направлении) конструктивные элементы здания, предназначенные для формирования высотных структурных элементов: этажей (уровней), а также разделения помещений по функциональному признаку в пределах строительного объема.

Монолитные перекрытия характеризуются тем, что в составе конструктивной схемы плиты применяются исключительно конструктивные элементы, которые изготавливаются непосредственно на строительной площадке. В настоящее время устройство перекрытий из монолитного железобетона имеет распространенный характер для зданий различного функционального назначения и уровня ответственности. Преимущества устройства перекрытий зданий из монолитного бетона (по сравнению со сборными железобетонными конструкциями) становятся очевидными в тех случаях, когда рассматриваются местные условия строительства с низким уровнем доступности и обеспечения сборными железобетонными конструкциями или уникальные объекты строительства, в которых предусматривается сложный формат конструктивной и/или строительной системы.

Несмотря на все преимущества железобетона, критическим недостатком таких конструкций является их высокий собственный вес. Для принятия нагрузок от железобетонных перекрытий требуется усиливать все несущие элементы каркаса здания. Данная необходимость приводит к увеличению расхода материалов; эскалации выбросов СО₂ при производстве цемента, за счёт роста объёмов его потребления; возрастает количество вредных выбросов в окружающую среду от автотранспорта, за счёт увеличения объёма бетона доставляемого на стройплощадку. В совокупности вытекающие процессы негативно сказываются на сбережении ресурсов и экологичности всего строительного производства.

В отечественной и зарубежной практике с целью облегчения конструкций, при возведении монолитных перекрытий, давно применялись бумажные, картонные и пластиковые трубы для устройства пустот и уменьшения веса перекрытий [1].

Чаще всего критерием оптимальности железобетонных конструкций, по которому выбирается то или иное проектное решение, принимается минимум веса конструкции. В общем случае именно вес железобетонных конструкций оказывает наиболее существенное влияние на приведенную стоимость строительства. Вторым критерием при оценке эффективности железобетонных конструкций является снижение расхода арматурной стали.

Применение облегченных монолитных перекрытий за счет снижение веса конструкций и уменьшения их прогибов позволяет существенно оптимизировать конструктивные схемы зданий. На Рис.1. показана оптимизация конструктивной схемы зданий за счет применения облегченных многопустотных монолитных плит перекрытия.

Рис.1. Оптимизация конструктивной схемы здания

Новое конструктивное решение безбалочной железобетонной плиты перекрытия (Рис.2) представляет собой армированную плоскую монолитную плиту, содержащую в своей толще образованные пустотообразователями полости, главное предназначение которых заключается в снижении материалоемкости конструкции. На Рис.3 показана схема устройства пустотообразователей.

Рис.2. Конструктивное решение многопустотного безбалочного перекрытия

Рис.3. Схема устройства блока пустотообразователей в плиту перекрытия

Перекрытие служит несущей конструкцией и одновременно является диафрагмой, придающей зданию необходимую жесткость и устойчивость в поперечном направлении. Многопустотные монолитные плиты относятся к плоским безбалочным перекрытиям. Они могут опираться на колонны, стены или обвязочные балки.

Методы расчёта и конструирования многопустотной плиты приведены во множестве учебников и методических указаний ([2], [3] и др.) В общем случае расчет сборной многопустотной плиты сводится к расчету однопролетной двутавровой балки эквивалентного сечения (сечения считаются эквивалентными при совпадении геометрических характеристик).

Существенным отличием монолитных пустотных плит от сборных является возможность их работы на изгиб в двух направлениях. Сборные плиты рассматриваются как однопролетная балка, опирающаяся по двум коротким сторонам.

Для расчета монолитных перекрытий способ приведения к балке эквивалентного сечения может применяться только для получения приблизительных, оценочных результатов, так как не учитывается пространственная работа конструкций и неразрезность изгибаемых элементов. Многопустотные монолитные плиты рекомендуется рассчитывать в составе общей расчетной модели здания, применяя вычислительные программные комплексы, реализующие расчет методом конечных элементов. Одним из преимуществ решения задачи с применением метода конечных элементов является возможность учета различных факторов, влияющих на работу конструкций, которые трудно учесть при ручных расчетах, например, отверстий в плите или нерегулярно расположенных вертикальных несущих элементов.

На участках у опор (колонн, стен), где по расчету на продавливание и поперечную силу сечения пустотной плиты недостаточно для обеспечения прочности, выполняются сплошные участки без облегчения (без установки пустотообразователей). Также сплошные участки рекомендуется выполнять в местах длительных и постоянных сосредоточенных нагрузок.

Важными характерными размерами многопустотного перекрытия являются:

1) Общая толщина перекрытия h, мм

2) Толщина верхней полки h1, мм

3) Толщина нижней полки h2, мм

4) Высота пустотообразователя (высота ребра) h3, мм

5) Ширина ребра b1, мм

6) Ширина пустотообразователя (расстояние между ребрами) b0, мм

Рис.4. Схема геометрических размеров поперечного сечения многопустотного монолитного перекрытия

Толщина полок назначается в зависимости от условий работы конструкций и условия размещения арматуры (должны быть соблюдены защитные слои). Плита, работающая в двух направлениях, армируется арматурной сеткой со стержнями, уложенными в два слоя. Толщина полок может быть определена по формуле 1:

h1=h2=2*a+2* Ø, (1)

где a — защитный слой бетона;

Ø — диаметр арматурных стержней.

Минимальный защитный слой для монолитных конструкций согласно действующим нормам a=20 мм. Минимальный допустимый диаметр арматуры 6 мм.

Тогда минимальная толщина полки:

h_1min=h_2min=2*20+2*6=52 мм

Очевидно, что при больших пролетах и нагрузках арматуры Ø6 мм недостаточно для обеспечения прочности плиты перекрытия. Поэтому толщину полок рекомендуется назначать не менее 60 мм. Кроме того, толщина защитных слоев может быть увеличена для обеспечения требуемой огнестойкости конструкций.

Толщина ребер назначается из условия размещения каркасов, установленных для восприятия поперечной силы. Также каркасы в ребрах могут служить фиксаторами для верхней арматуры.

Форма ребер определяется технологическими особенностями (применяемыми пустотообразователями), однако рекомендуется проектировать сопряжение внутренних граней полок и ребер скругленными с целью предотвращения концентраций напряжений. Несущая способность и жесткость многопустотных плит зависит от формы и размеров пустотообразователей. На практике в основном применяются элементы несъемной опалубки, имеющие форму сфер или эллипсов.

Высоту пустотных плит рекомендуется принимать не менее 25 см и не более 50 см, класс бетона — не менее В25. [4]

В местах опирания плиты на колонны, а также в местах расположения длительно действующих нагрузок должны быть предусмотрены сплошные монолитные участки для восприятия максимальных поперечных усилий и обеспечения прочности на продавливание. В целях удобства наиболее рационально назначать размеры сплошного участка кратно размерам вкладышей.

При проектировании многопустотных монолитных перекрытий для назначения предварительных геометрических размеров сечения могут применяться:

1. Рекомендации по конструированию многопустотных сборных плит ([5] [6] [7] и др.);

Высота сборных плит перекрытия принимается равной:

h=(0,03–0,04)*L, (2)

где L — пролет.

Окончательная высота плиты назначается кратной 20 мм. Толщина верхней и нижней полок составляет 25–30 мм, ребер — 30–40 мм. Диаметры круглых пустот могут приниматься 159, 140, 120 мм, что обусловлено технологическими особенностями изготовления плит.

Отличием монолитных перекрытий является их возведение в условиях строительной площадки, поэтому защитные слои бетона согласно нормам должны быть увеличены, что соответственно приводят к увеличению минимальных размеров полок и ребер.

2. Справочная информация, предоставляемая производителями различных готовых систем пустотообразователей.

В Таблице 1 приведены рекомендации по назначению предварительных геометрических размеров многопустотных монолитных плит, составленные путем обобщения информации от производителей, различных систем облегчения перекрытий.

Таблица 1

Рекомендуемые геометрические размеры сечения облегченной плиты

Производитель	h/L	h3/L	h1/L	h2/L	b0	b1
BubbleDeck	0,035	0,027	-	-	18–54 см	-
Cobiax	-	-	-	-	31,5 см	min 3.5см
U-boot Beton	0,0375	0,025	0,006	0,006	52 см	12–20 см

В целом при проектировании многопустотных плит при назначении геометрических характеристик расчетного сечения необходимо учитывать технологические особенности их возведения. Во многом размеры пустот, шаг ребер, их форма и толщина определяются формой и размерами применяемых пустотообразователей.

С целью сравнительного анализа применения монолитных многопустотных и сплошных плоских плит перекрытий, была рассмотрена работа плит перекрытия с пролетами равными в двух направлениях от 6 до 10 метров. Принятый класс бетон B25, класс арматурной стали A400.

Геометрические характеристики рассматриваемых многопустотных плит, а также характеристики снижения их жесткости и собственного веса приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Геометрические характеристики плит

Пролет	Высота перекрытия	Высота верхней инижней полок	Высота пустот	Ширина пустот	Ширина ребер	Снижение момента инерции	Снижение собственного веса
L	h	h1=h2	h3	b0	b1	a1	ap
м	м	м	м	м	м	%	%
6	0,24	0,06	0,12	0,5	0,2	0,09	0,278
7	0,28	0,06	0,16	0,5	0,2	0,13	0,317
8	0,32	0,06	0,2	0,5	0,2	0,17	0,347
9	0,35	0,06	0,23	0,5	0,2	0,20	0,365
10	0,39	0,065	0,26	0,5	0,2	0,21	0,370

Пример плана и сечения рассчитываемого перекрытия показан на Рис.5 и Рис.6.

Рис.5. Схема плиты перекрытия 6х6 метров Рис.6. Сечение 1–1

Пустотные плиты смоделированы согласно методике путем снижения жесткости и собственного веса. Работа плит перекрытий исследовалась при распределенной полезной нагрузке q=4 кПа. Она является характерной для помещений административных и жилых зданий, в которых применяются плоские плиты больших пролетов, например, для залов собраний и совещаний, зрительных и концертных залов, торговых, выставочных и экспозиционных залов.

В результате проведенных численных экспериментов получены данные об эффективности использования облегченных многопустотных плит перекрытия. Проанализированы данные о собственном весе плиты, ее прогибе от собственного веса и полезной нагрузки, а также расходе арматуры.

Полученные результаты представлены в Таблице 3. Для одинаковых пролетов в первой строке таблицы указаны данные для сплошной плиты, во второй — для пустотной.

Таблица 3

Результаты моделирования сплошных ипустотных плит

В результате проведенного эксперимента установлено, что независимо от пролета плиты перекрытия эффект от снижения собственного веса превосходит эффект от снижения жесткости сечения. Суммарный прогиб от собственного веса плиты перекрытия и полезной нагрузки на нее для пустотных плит ниже, чем для сплошных плит того же пролета.

Рис.7. Сравнение собственного веса плит перекрытий

Рис.8. Прогибы плит перекрытий

Использование облегченных монолитных плит обеспечивает снижение собственного веса перекрытия до 35 %, что соответствует заявлениям различных производителей систем пустотообразователей. Уменьшение нагрузки на плиту также обеспечивает и снижение расхода арматурной стали.

С увеличением пролета плиты значение всех параметров, характеризующих эффективность применения многопустотных монолитных плит (процент снижения расхода бетона, процент снижения расхода арматурной стали, снижение прогиба конструкции) увеличивается. Таким образом, увеличение пролета повышает целесообразность применения облегченных перекрытий. Применение облегченных монолитных плит перекрытий при строительстве зданий и сооружений является перспективной технологией, позволяющей существенно снизить затраты не только на строительство, но и на эксплуатацию зданий и сооружений.

В заключении хотелось бы обобщить некоторые важные преимущества использования облегченных железобетонных перекрытий:

1) Уменьшение строительного объема здания в целом. Уменьшение строительного объема здания позволяет сократить расходы на эксплуатацию здания, например, на отопление, вентиляцию и кондиционирование. Уменьшается общая протяженность всех инженерных сетей.

2) Уменьшение строительного объема подземной части. Снижается объем земляных работ, работ по возведению ограждения котлована, площадь поверхности конструкций, покрываемых гидроизоляцией.

3) Уменьшение строительного объема надземной части. Снижается площадь поверхности дорогостоящих фасадов здания. При строительстве в городах с ограничением высотности застройки уменьшение высоты этажа за счет снижения высоты плиты перекрытия позволяет увеличить общее количество этажей.

4) Уменьшение нагрузок на основание здания. Снижение нагрузок от здания на основание позволяет уменьшить количество свай, толщину фундаментной плиты.

5) Увеличение пролетов. За счет уменьшения прогибов конструкций и нагрузок на плиты перекрытия от собственного веса и на вертикальные несущие элементы возможно увеличение пролетов и/или уменьшение сечения вертикальных конструкций.

Литература:

1. Фоломеев А. А. Снижение материалоемкости железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1974. 66 с.
2. СП 52–103–2007 Свод Правил по проектированию и строительству. Железобетонные монолитные конструкции зданий. — Москва, 2007–22 с.
3. Степанова, Д. С. Расчет многопустотной панели перекрытия: методические указания / Д. С. Степанова. — Улан-Удэ, ВСГТУ, 2005. — 31 с.
4. СП 52–103–2007 Свод Правил по проектированию и строительству. Железобетонные монолитные конструкции зданий. — Москва, 2007–22 с.
5. Степанова, Д. С. Расчет многопустотной панели перекрытия: методические указания / Д. С. Степанова. — Улан-Удэ, ВСГТУ, 2005. — 31 с.
6. Мисухин, В.А Расчет и конструирование железобетонной пустотной панели сборного перекрытия: учебное пособие / В. А. Мисухин. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. — 70 с.
7. Климов, С. В. Проектирование и расчет железобетонных многопустотных плит перекрытий: учеб.-метод. пособие / С. В. Климов, Т. В. Юрина, С. Л. Бугаев. — Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. — 79 с.