Особенности расчета сборно-монолитных перекрытий каркасных зданий с несъемной железобетонной опалубкой



Особенности расчета сборно-монолитных перекрытий каркасных зданий снесъемной железобетонной опалубкой

Богачева Светлана Валерьевна, аспирант

Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова

В работе рассматриваются вопросы расчета предлагаемого конструктивного решения сборно-монолитного перекрытия с несъемной железобетонной предварительно напряженной опалубкой на воздействие массы бетона омоноличивания до приобретения им заданной прочности.

Ключевые слова: сборно-монолитное перекрытие, несъемный элемент опалубки

Применение несъемной железобетонной опалубки в сборно-монолитном каркасном домостроении приводит к сокращению сроков и себестоимости строительства за счет отказа от использования трудоемкой и дорогостоящей опалубки и переноса части строительных процессов на высокоэффективное заводское производство. Железобетонные плиты несъемной опалубки выступают составной частью сборно-монолитного перекрытия, включают в себя необходимую продольную растянутую арматуру нижнего армирования и выполняют роль несущего основания для монолитного бетона, содержащего элементы армирования. Они должны быть индустриальными и экономичными и отвечать требованиям по прочности, жесткости и трещиностойкости на стадиях изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. В целях типизации сборных несъемных элементов опалубки, в зависимости от их местоположения в каркасе, их изготовление следует выполнять в двух вариантах: надколонном и пролетном. Причем, ширина таких плит будет равна половине расстояния между разбивочными осями в продольном направлении (шаг колонн), а длина — расстоянию между разбивочными осями в поперечном направлении (пролет здания). Т. е. надколонные плиты несъемной опалубки опираются непосредственно на колонны, а их стык с пролетными плитами находится на расстоянии 0,25 шага колонн от разбивочной оси.

Каркас здания с сборно-монолитным перекрытием представляет собой многократно статически неопределимую систему. Для его расчета рекомендуется использовать дискретные модели, рассчитываемые методом конечных элементов. Согласно нормативным документам расчет сборно-монолитных железобетонных перекрытий выполняют для двух стадий: на воздействие массы бетона омоноличивания до приобретения им заданной прочности и после ее приобретения на эксплутационные нагрузки.

Целью работы является установление усилий (значений изгибающих моментов и поперечных сил) в несъемных элементах опалубки от воспринимаемых ими внешних воздействий и определение минимальной толщины и армирования по прочности для первой стадии.

Расчет произведен в пространственной постановке для трехпролетного каркаса в поперечном направлении с размерами ячейки 6,0х6,0 м с бесконсольными колоннами сечением 40х40 см. Для обеспечения выполнения требований, предъявляемых к минимальной толщине защитного слоя бетона для предварительно напряженных элементов на длине зоны передачи напряжений (не менее 40 мм для стержневой арматуры) толщина несъемных элементов опалубки принята равной 60 мм. Толщина бетона омоноличивания — 100 мм. Для армирования несъемных элементов опалубки предполагается использовать горячекатаную напрягаемую стержневую арматуру периодического профиля и ненапрягаемую холоднотянутую проволоку в виде сварной сетки и арматурных каркасов. Класс бетона по прочности на сжатие принимается не ниже В20 в зависимости от класса напрягаемой арматуры. Рассматриваются различные варианты применения напрягаемой арматуры классов А600, А800, А1000 и бетона классов В20, В30 и В40. Предварительное напряжение арматуры составляет 0,9R_s,n, где R_s,n — нормативное значение сопротивления арматуры растяжению для предельных состояний первой группы. Метод натяжения рабочей арматуры — электротермический. Длина натягиваемых стержней равна длине элемента несъемной опалубки. Для определения требуемой площади сечения напрягаемой арматуры в первом приближении полные суммарные потери предварительного напряжения приняты равными 100 МПа.

Дискретизация расчетной схемы произведена с помощью оболочечных и стержневых конечных элементов, применяемых в ПК ЛИРА САПР. На рис. 1 представлены фрагмент ячейки каркаса и расчетная конечно-элементная модель. Выпуски арматурных каркасов на рис. 1, а условно не показаны. В расчетной модели колонны напрягаемые стержни рабочей продольной арматуры выполнены универсальными пространственными стержневыми конечными элементами (КЭ 10), а плитные элементы несъемной опалубки — изгибно-плосконапряженными конечными элементами плоской оболочки (КЭ 41). Плитные элементы несъемной опалубки в процессе укладки верхнего слоя бетона омоноличивания поддерживаются специальной опорной конструкцией, состоящей из инвентарных телескопических стоек и балок, и рассматриваются на этапе монтажа как двухпролетные свободно опертые и работающие в одном направлении. Сопряжение сборных опалубочных элементов между собой осуществляется с помощью объединения перемещений и моделирования шарниров в пластинах при помощи расшивки схемы по соответствующей линии узлов.

Рис. 1. Принципиальная схема фрагмента сборно-монолитного перекрытия: а — фрагмент ячейки каркаса; б — расчетная конечно-элементная модель

Так, согласно монтажной схеме, представленной на рис. 2, опирание элементов несъемной опалубки на опорную конструкцию в виде деревянной балки (тип сопряжения А) создается с помощью объединения всех линейных и угловых перемещений за исключением угловой связи UX, что моделирует шарнир вокруг оси Х. Сопряжение плитных элементов опалубки между собой (тип сопряжения В) выполняется исключением угловой связи UY.

Рис. 2. Монтажная схема сборно-монолитного перекрытия: А, В — типы сопряжения сборных элементов опалубки

Предварительное напряжение арматуры оказывает влияние на значения как предельного изгибающего момента, т. е. на несущую способность, так и на величину прогиба несъемного элемента опалубки. Для учета этого влияния в расчетной модели создание предварительного напряжения выполнялось при помощи задания на арматурные стержни температурного воздействия, вызывающего эквивалентные деформации, равного:

, (1)

где _— эквивалентная разница температур;

- деформации, вызванные предварительным напряжением с учетом всех потерь к моменту приложения нагрузки от бетона омоноличивания;

- коэффициент линейного расширения арматурной стали.

Принимая деформации в арматуре:

, (2)

где - коэффициент, учитывающий возможные отклонения предварительного напряжения;

- полные потери предварительного напряжения арматуры;

- модуль упругости арматуры,

Были определены значения эквивалентного температурного воздействия для соответствующего класса арматуры.

Для объединения перемещений стержневых элементов и элементов плоской оболочки, моделирующих опалубочный элемент, использованы абсолютно жесткие вставки, длина которых равна расстоянию от центра тяжести сечения до растянутой арматуры.

В результате приложения эквивалентного температурного воздействия моделируется растяжение стержней рабочей арматуры и внецентренное сжатие поперечных сечений опалубочного элемента, к которому после приложения внешней нагрузки добавляются изгибные напряжения. В качестве внешней нагрузки рассматривался собственный вес несъемных элементов опалубки и вес бетона омоноличивания. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчета

Класс бетона	Класс напрягаемой арматуры	Предварительное напряжение с учетом полных потерь, МПа	Температурное воздействие , вызывающее эквивалентные деформации от предварительного напряжения, ºС	М (в пролете), кН·м	М (на опоре), кН·м
В20	А600	396	-180	+2,81	-3,60
В20	А800	558	-253,6	+2,94	-3,72
В30	А1000	720	-327,3	+3,07	-3,83
В40	А1000	720	-327,3	+3,1	-3,86

По установленным значениям изгибающих моментов может быть произведен окончательный расчет требуемого армирования и потерь предварительного напряжения из условий, приведенных в нормативной литературе [1].

Литература:

1. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52–01–2003. — М.: Минрегион России, 2012 г.

2. Богачёва С. В. Опалубочный элемент сборно-монолитного перекрытия с безригельным каркасом // Молодой ученый. — 2015. — № 18. — С. 120–123.

3. Никулин А. И. Особенности расчета сборно-монолитных железобетонных каркасов многоэтажных зданий с учетом технологии их возведения // Расчеты и проектирование пространственных конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности: Тезисы докл. научн. сессии.– М.: МОО «Пространственные конструкции», 2004.– С. 54–55.