В.И. Плохих, доцент, Ю.П. Байшев, доктор технических наук

Эффективность применения цилиндрических и плитно-стержневых железобетонных оболочек для перекрытий с увеличенной сеткой колонн

Для сборных перекрытий преимущественно применяются предварительно напряженные плоскостные пустотные и ребристые плиты с ригелями различных видов.

Плоскостные и линейные элементы технологичны в изготовлении и монтаже. Недостатками этих конструкций являются повышенный расход бетона, арматурной стали и увеличенный вес по сравнению с плитами-оболочками, шатровыми складками, рамно-шатровыми перекрытиями, составными сборно-монолитными перекрытиями из пустотных плит и другими пространственными конструкциями перекрытий.

Эффективными являются предварительно-напряженные плиты-оболочки со вспарушенной или цилиндрической внутренней поверхностью. Приведенная толщина бетона этих плит меньше на 25-30%, чем круглопустотных плит [1].

Недостатками вспарушенных плит-оболочек являются их ограниченные размеры – до 7,2×3,2×0,2м, ограниченные размеры ячейки сетки колонн – до 7,2×7,2м, сложность форм для изготовления плит.

Толщина плиты (h) ограничивает расчетный подъем её внутренней поверхности (f_d) и соответственно предельную нагрузку на плиту (q) [2]. Вспарушенные плиты, как правило, изготавливаются с предварительно напряженной арматурой по контуру. Это увеличивает стоимость плит.

Применение шатровых тонкостенных складчатых конструкций перекрытий позволяет снизить их материалоемкость и увеличить нагрузки по сравнению с плоскостными конструкциями.

Недостатками шатровых оболочек является увеличение типоразмеров плоских плит, усложнение технологии их изготовления и монтажа.

С целью использования положительных свойств пространственных, плоских и линейных элементов предлагается компоновочное решение составного перекрытия из ребристых цилиндрических и плоских плит (рис. 1).

Рис. 1. Перекрытие из ребристых цилиндрических 3×6м плит.

1 – колонна; 2 – контурная балка; 3 – затяжка диафрагмы; 4 – подвеска диафрагмы; 5 – торцевая цилиндрическая ребристая плита; 6 – рядовая цилиндрическая плита; 7 – плоская ребристая плита; 8 – стойка.

Предварительно напряженные контурные балки 2 опираются на колонну 1. Верхние пояса балок имеют гребенчатую поверхность с закладными деталями и вертикальными арматурными выпусками. На полки балок опираются цилиндрические ребристые торцевые 5 и рядовые 6 плиты. Опорные ребра плит имеют гребенчатую поверхность, закладные детали и арматурные выпуски. Каждая торцевая плита имеет крайнее мощное ребро, которое совместно с затяжкой 3 и подвеской 4 образуют контурную диафрагму оболочки. Цилиндрические плиты могут иметь номинальные размеры 3×12м или быть составными из плит 3×6м.

Для заполнения «пазух» оболочек служат плоские ребристые плиты 7,8, опирающиеся на стойки 9 и главные ребра цилиндрических плит 5,6.

Все плиты изготавливаются без предварительного напряжения арматуры.

Для совмещения среднего участка поверхности (длиной 6м) цилиндрических плит 3×12м (позиции 5 и 6) в одной горизонтальной плоскости с плоскими плитами 7 предлагается изменить продольный профиль плит 5 и 6. Для этого необходимо выполнить расчет геометрических параметров стыков плит 5,6 и 7.

Принимаем параметры оболочки: пролет l=11,4м, стрела подъема f=1,2м; x,y – координаты сечения стыка; ; φ – полярная координата сечения стыка; радиус дуги окружности ; ; .

Общая высота уступов в стыке плит равна .

Высота первого уступа (h_y1) плит 5 и 6 в стыке равна: , где - высота плиты 7; - толщина шва. Высота второго уступа в стыке равна .

Рис. 2. Узел опирания плоской плиты на цилиндрическую.

3 – затяжка; 4 – подвеска; 5 – торцевая цилиндрическая плита; 6 – рядовая плита;

7 – плоская плита.

С целью сокращения расхода бетона, арматуры и облегчения цилиндрической плиты между ее ребрами 1, 2, 3 выполнены проемы 5 (рис. 3,4). Для восприятия сдвигающихся усилий в проеме 5 торцевой цилиндрической плиты расположены раскосы 7 (рис. 4).

Рис. 3. Рядовая цилиндрическая плита.

1 – главное ребро; 2 – второстепенное ребро; 3 – опорное ребро;

4 – арматурные выпуски; 5 – проем.

Рис. 4. Торцевая цилиндрическая плита.

1 – главное ребро; 2 – второстепенное ребро; 3 – опорное ребро; 4 – арматурные выпуски; 5 - проем; 6 – главное ребро – арка диафрагмы; 7 – раскос; 8 – затяжка; 9 – подвеска.

На рис. 5. рассмотрен вариант перекрытия из облегченных ребристых цилиндрических плит 3×6м, а также плоских плит 3×6м.

Для использования однотипных ребристых плит предложена конструкция шатрового плитно-стержневого перекрытия (рис. 6). Опорный контур шатра образован балками 2, опертыми на консоли колонн 1. Стержневые консоли 3 и 4 используются при монтаже для опирания ребристых плит 6. Горизонтальные связи 5 по нижним поясам балок 2, а также монолитные плитные участки 7, связанные с поясами балок, повышают их несущую способность на действие распорных усилий.

Сварные узлы соединений стержневых и плитных элементов, замоноличенные стыки плит обеспечивают совместную пространственную работу конструктивной системы.

Для технико-экономического сравнения предложенных пространственных составных конструкций перекрытий с балочно-плитными перекрытиями рассмотрены следующие варианты: перекрытия из ригелей, ребристых плит 3×12м и плит «2Т» 3×12м (рис. 7); перекрытие из перекрестных ригелей и ребристых плит 1,5×5,56м; 0,95×5,65м (рис. 8).

Рис. 5. Перекрытие из ребристых цилиндрических и плоских плит 3×6м

1 – колонна; 2 – контурная балка; 3 – затяжка; 4 – торцевые цилиндрические плиты 3×6м; 5 – рядовые цилиндрические плиты 3×6м; 6 – плоские плиты 3×6м.

Рис. 6. Шатровое плитно-стержневое перекрытие.

1 – колонна; 2 – контурная балка; 3,4 – консоли из стержней; 5 – связь; 6 – плита; 7 – монолитные плитные участки.

Рис. 7. Перекрытие из ригелей и ребристых плит.

1,2 – колонны; 3 – ригели; 4,5 – ребристые плиты 3×12м (вариант – плиты «2Т» 3×12м).

Рис. 8. Перекрытие из перекрестных ригелей и ребристых плит.

1,2 – колонны; 3-7 – ригели; 8 – плиты 0,95×5,65м; 9 - плиты 1,5×5,65м

За исходный принят вариант 4 из типовых ригелей и плит перекрытий. Удельные расходы бетона и стали на 1м² перекрытия площадью 144м² приняты за 100%.

Пространственные перекрытия (варианты 1-3) характеризуются снижением расхода бетона на 23-74%, стали на 41-81% по сравнению с плоскостными перекрытиями.

Сокращение расхода стали по варианту 5 обусловлено применением предварительно напряженной канатной арматуры кл. К-7. В других вариантах предварительно напряженная арматура принята класса А500.

Технико-экономические показатели на 1м² перекрытия

с сеткой колонн 12×12м, с нормативной равномерно

распределенной нагрузкой 5кН/м²

Вариант	Наименование конструктивных элементов по вариантам перекрытий	Обоснование	Расход материалов
			бетон, м^3	сталь, кг
1	2	3	4	5
1	Перекрытие из ребристых цилиндрических 3×12м и плоских 3×6 плит (рис. 1-4): - контурные балки пролетом 12м, стойки плоских плит; - цилиндрические плиты рядовые 3×12м; - цилиндрические плиты торцевые 3×12м; - затяжки и подвески торцевые; - ребристые плоские плиты 3×6м (по типу с.1. 466).	Авторское предложение; [6]	0,014 0,026 0,034 0,01 0,023	2,4 3,2 4,2 1,0 2,3
Итого:			0,107м^3 77%	13,1кг 59%
2	Перекрытие из ребристых цилиндрических и плоских плит 3×6 (рис. 5): - контурные балки пролетом 12м, стойки; - цилиндрические рядовые плиты 3×6м; - цилиндрические торцевые плиты 3×6м; - затяжки и подвески торцевые; - ребристые плоские плиты 3×6м (по типу с.1. 466).	Авторское предложение; [3]	0,014 0,023 0,028 0,010 0,023	2,4 2,7 3,4 1,0 2,3
Итого:			0,098м^3 71%	11,8кг 52%
3	Шатровое плитно-стержневое перекрытие (рис.6): - контурные балки пролетом 12м; - ребристые плоские плиты 3×6м (по типу с.1. 466); - стержни.	Авторское предложение; [6] [3]	0,014 0,047 0,016	2,4 5,4 1,8
Итого:			0,077м^3 55%	9,6кг 42%

1	2	3	4	5
4	Перекрытие из ригелей и ребристых плит (рис.7): -ригели пролетом 12м (по типу с.1. 420-6); -плиты П-образного сечения 3×12м (по типу с.1. 465-3/80).	[3]	0,049 0,09	11,7 11,1
Итого:			0,139м^3 100%	22,8кг 100%
5	Перекрытие из ригелей и плит «2Т» (с раскладкой плит по рис. 7): - ригели пролетом 12м; - плиты «2Т» 3×12м (без поперечных ребер) по типу плит ЦНИИпромзданий	[3] [4], [5]	0,049 0,13	11,7 5
Итого:			0,179м^3 129%	16,7кг 73%
6	Перекрытие из перекрестных ригелей и ребристых плит (рис. 8): - ригели; - ребристые плиты 1,5×5,65; 0,95×5,65 (по типу с.1. 042.1-4; ГОСТ 21506 - 87).	[3] ГОСТ 21506 - 87	0,085 0,083	21,2 8,2
Итого:			0,168м^3 121%	29,4кг 123%

Эффективность цилиндрических оболочек (варианты 1,2) по сравнению с плоскими конструкциями (варианты 4-6) обусловлено увеличенным плечом (Z) внутренней пары продольных усилий , где f – стрела подъема оболочки; d₁ – высота бортового элемента.

Для принятых значений f = 1,2м; d₁= 0,8м; .

Для варианта 4 рабочая высота ригеля равна h₀ = 760мм; при оптимальном значении относительной высоты сжатой зоны бетона (x)

.

Для ригеля , что меньше в раза плеча внутренней пары сил в оболочке.

Растягивающее усилие N_б в одном бортовом элементе оболочки равно:

, где l₁ – пролет оболочки; l₂ – длина волны оболочки; q – приведенная расчетная нагрузка на 1м² горизонтальной проекции с учетом массы бортовых элементов при l₁=l₂= l=12м; f+d₁=2м; .

Расчетное усилие N_р в арматуре ригеля равно: . В соответствии с приведенными зависимостями расход стали на бортовые элементы оболочки должен быть меньше, чем на ригели плоскостых конструкций (вариант 4) в раза.

Расход стали на бортовые элементы, затяжки и подвески ячейки 12×12м равен 3,4кг/м², т.е. 26% от общего расхода стали на перекрытие.

Приведенное различие в показателях расхода стали по рассмотренным вариантам обусловлено также влиянием полного сжимающего усилия , где l₁=l₂ =12м; x=6м.

; .

Модули ортогональных сил и имеют незначительную разность, а векторы их равнодействующих приближены к диагоналям оболочки. По этим направлениям могут быть расположены диагональные ребра в составе цилиндрических плит. Образованные диагональные арки, непосредственно связанные с опорами, разгружают плиту и опорный контур оболочки.

Поле оболочки по вариантам 1 и 2 заполнено плитами без предварительного напряжения с уменьшенным расходом бетона и арматуры по сравнению с вариантами 4-6.

По варианту 2 сокращается расход стали на 10% по сравнению с вариантом 1 за счет применения облегченных цилиндрических плит 3×6м вместо плит 3×12м.

Сокращение расхода арматуры на шатровое плитно-стержневое перекрытие (вариант 3) на 10% по сравнению с вариантом 2 обусловлено более равномерным распределением усилий в плоских ребристых плитах 3×6м и опорном контуре. Составная плита подкреплена системой перекрестных ребер с ячейками 3×3м. Центральная часть перекрытия 6×6м их двух плит подкреплена системой восходящих подкосов, расположенных с шагом 3м по периметру опорного контура. Опорный контур подкреплен в угловых зонах у колонн горизонтальными связями, уменьшающими расчетные пролеты балок.

Выводы.

1. Перекрытие из ребристых цилиндрических и плоских плит 3×6м (вариант 2) имеет лучшие показатели по расходу бетона и стали по сравнению с плитами 3×12м и 3×6м (вариант 1).

Затраты на изготовление и транспортировку цилиндрических плит 3×6м меньше, чем плит 3×12м. Однако требуются дополнительны затраты на укрупнительную сборку из парных цилиндрических плит 3×6м с временными затяжками.

Для внедрения цилиндрических плит перекрытий необходимо использовать опыт проектирования, изготовления и монтажа пространственных конструкций покрытий на современном технологическом уровне.

2. Шатровое плитно-стержневое перекрытие наиболее экономичное по расходу бетона и стали. Большинство стержней целесообразно укрупнить в решетчатые блоки капителей в составе перекрытия.

3. Пространственные конструкции придают своеобразие потолочным поверхностям перекрытий.

Литература

1. Боровских А.В. Расчеты железобетонных конструкций по предельным состояниям и предельному равновесию. М.-Изд-во АСВ, 2004.

2. СП52-117-2008. Железобетонные пространственные конструкции покрытий и перекрытий. Часть 1. Методы расчета и конструирование. М.- Изд-во НИИЖБ, ФГУП «НИЦ» «Строительство», 2008.

3. Справочник проектировщика. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства. Под ред. Г.И. Бердичевского. М.- Стройиздат, 1981.

4. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Никитин И.К. Проектирование многоэтажных зданий с железобетонным каркасом. М.- Изд-во АСВ, 2009.

5. Бондаренко В.М., Римшин В.И. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций. М.- «Высшая школа», 2006.

6. Глуховской К.А., Куперштейн, ЛукинА.П. Изготовление и монтаж железобетонных оболочек. Л. - Стройиздат, 1967.