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

Уральская государственная архитектурно-художественная академия,

г. Екатеринбург

КРИТЕРИИ ВЫБОРА КОМПОНОВОЧНЫХ СХЕМ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ

Стоимость перекрытий с полами достигает 30% стоимости общестроительных работ. На перекрытия требуется до 60% общего расхода железобетона.

Снижение материалоемкости и веса перекрытий влияют на экономичность стен, колонн, фундаментов и в целом объемно-планировочных решений зданий.

В ряде крупных городов возрос до 30% удельный вес новостроек из монолитного железобетона, зачастую с безбалочными плитами. Эти плиты имеют максимальную материалоемкость (таблица 1). Это обусловлено тем, что монолитные перекрытия характеризуются малым объемом применения высокопрочных бетонов и предварительно напряженной арматуры. Это приводит к увеличению расхода стали до 50% по сравнению со сборными предварительно напряженными конструкциями перекрытий.

Для соединения арматуры монолитных перекрытий применяются преимущественно стыки внахлестку без сварки. Это дополнительно приводит к перерасходу арматурной стали от 3,5 до 27% (3).

Для сокращения расхода арматурной стали, трудоемкости и энергоемкости соединений необходимо применять эффективные виды сварки и механических соединений: опрессованные стыки (ООО «Спрут»), винтовые с конусной резьбой («Эрико-Лентон»), с цилиндрической резьбой («Бартех-Декстра»). Перспективно также производство арматуры с винтовой накаткой профиля. Это снизит стоимость винтовых соединений арматурных стержней.

В отечественной практике монолитные перекрытия выполняются преимущественно без предварительного напряжения. Расход арматурной стали на 1 м² монолитных перекрытий пролетом 6-8 м составляет 18,0-24 кг против 5-7 кг при использовании сборных преднапряженных плит и 8-10 кг при использовании монолитных предварительно напряженных перекрытий.

Необходимо увеличить объемы применения монолитных безбалочных перекрытий пролетом более 6 м из преднапряженного железобетона, что позволит снизить расход арматуры в 2-3 раза по сравнению с изготовленными из обычного железобетона.

Таблица 1

Расход материалов на монолитное железобетонное перекрытие.

Вариант	Перекрытие	Бетон		Арматура
		см/м^2	%	кг/ м^2	%
1.	Безбалочное бескапительное	22	100	23	100
2.	Безбалочное с капителями	22	100	15	65
3.	Ребристое с балочной плитой	10,4	47	8,24	36
4.	Балочное с плитой, опертой по контуру	12,6	57	15,5	67
5.	Кессонное	10	45	7	30

Примечания: в табл. 1 показатели приведены для сетки колонн 6×6,6 м, нормативной временной нагрузки 6,0 кН/м²; варианты 3,4 – по данным [1]; толщина гладкой плиты в колонной конструктивной системе (вариант 1) принята из условия 1/30 наибольшего пролета [2]; вариант 5: сетка колонн 6×6,6 м, сетка балок 2×2,2 м.

На рис.1. приведен график оптимальных толщин плит [5]. Предварительное напряжение позволяет достичь увеличения пролетов перекрытий при меньшей толщине, повышения трещиностойкости и уменьшения деформативности.

При устройстве преднапряженных монолитных балочных перекрытий пролетами 9-18 м высота ригелей составляет 60-90 см, толщина плит – 10-13см. При устройстве преднапряженных перекрестно-ребристых перекрытий пролетом 7-10 м высота ребер составляет 30-60 см, толщина плит – 10-20 см, шаг ребер – 150-200 см.

Рис.1. а – график изменения толщины перекрытий в зависимости от величины пролетов: 1 – ненапрягаемые плиты и балки перекрытий; 2 - преднапряженные плиты и балки перекрытий; 3 – ненапрягаемое безбалочное перекрытие; 4 – преднапряженное безбалочное перекрытие.

Рис.1. б – график оптимальной высоты сечения h плиты перекрытия в зависимости от пролета ℓ и нагрузки q при классе бетона В25.

В качестве напрягаемой арматуры в монолитных преднапряженных перекрытиях чаще всего применяют арматурные канаты. Армирование перекрытий (рис. 2) может осуществляться разными способами: напрягаемые канаты располагают вдоль осей колонн в одном направлении, а между канатами укладывают ненапрягаемую арматуру; напрягаемые канаты размещают по осям колонн в двух направлениях; напрягаемые канаты располагают преимущественно по осям колонн в одном направлении с размещением аналогичных канатов между колоннами; напрягаемые канаты размещают равномерно по всему полю плиты и по осям колонн в двух направлениях.

Рис.2. Схемы размещения арматуры при армировании преднапряженных монолитных перекрытий:

1 – напрягаемая арматура; 2 – ненапрягаемая арматура.

Зачастую края плит перекрытий у наружных стен не имеют контурных балок. Это увеличивает прогибы и изгибающие моменты. Например, у квадратной плиты с жесткой заделкой по трем сторонам по сравнению с контурной заделкой прогиб (в упругой стадии работы) свободного края плиты увеличивается на 115%, прогиб середины плиты – на 46%; изгибающие моменты в плите над параллельными балками увеличивается на 29%.Это приводит к перерасходу стали на армирование плиты.

Кроме того, расположение балок или скрытых ригелей по всем координационным осям колонн и этажам противодействует прогрессирующему обрушению здания.

В связи с ростом стоимости арматурной стали и бетона следует уменьшать площадь каждой ячейки плиты с перекрестными балками. Рекомендуется принимать размеры сторон ячеек плит от 2×2 м до 4×4 м при сетках колонн от 6×6 м до 12×12 м. Толщину полки плиты следует принимать не менее 1/30÷1/50 наибольшей длины ячейки при соотношении длин сторон ячейки от 1 до 1,5. Минимальная толщина плиты 50-60 мм.

Рекомендуемый коэффициент армирования плиты – μ_ПЛ=0,003…0,006.

Для нормативной временной нагрузки до 6 КПа высоту второстепенных перекрестных балок следует принимать равной h_в.δ.=(1/15-1/20) · ℓ_вб, где ℓ_вб<6 м - расчетный пролет балки.

Высота главных перекрестных балок h_г.б.=(1/12÷1/15) · ℓ_гб<,где ℓ_гб=6-12 м - расчетный пролет балки.

Ширина сечения балок в=(0,4-0,5)h.

Коэффициент армирования балок – µ_δ=0,01…0,02.

Класс бетона перекрытия – не менее В25.

В таблице 2 приведены показатели сравнительного анализа влияния компоновочных решений монолитных перекрытий на изгибающие моменты в плитных частях и балках, а также на расход бетона и арматурной стали в безразмерных параметрах.

Таблица 2.

В расчетах методом предельного равновесия приняты граничные условия: сетка колонн L×( L≤6м); q+V≤10 кН/м² - полная нагрузка на перекрытие; V₁=2 q₁ ,где V₁-временная нагрузка для первого варианта, q₁- постоянная нагрузка.

Остальные ограничения рассмотрены выше. Уменьшение размеров ячеек плит (варианты 2-4) позволяет сократить расход бетона на 10-27% по сравнению с первым вариантом.

По четвертому варианту перекрытия снижение расхода бетона равно 17%,стали – 35%.

В гражданских зданиях широкое применение имеют многопустотные плиты, преимущественно с круглыми пустотами диаметрами от 128 до 203 мм (таблица 3). Толщина плит- 220,260,300 мм, ширина – от 1000 до 3600 мм.

Из сравнения 1 и 2 вариантов плит следует, что увеличение толщины с 220 до 260 мм (на 17%) при сохранении пустотности, как и у типовых плит, приводит к росту несущей способности не менее, чем на 25% и сокращению общего расхода стали на 20-40%, в том числе преднапрягаемой арматуры на 13% [5]. По варианту 2 увеличилась приведенная масса плиты до 400 кг/м², что удовлетворяет требованиям звукоизоляции от воздушного шума и повышения заводской готовности. По варианту 3 приняты пустоты диаметром 203 мм. Увеличение пустотности плиты уменьшило приведенную толщину бетона до 12,3 см, а массу – до 308 кг/м².

Для увеличения звукоизоляции плиты от воздушного шума рекомендуется заполнять ее пустоты сыпучими материалами (сухим прокаленным песком, керамзитом и др.) [6]. Площадь поперечного сечения пустот, заполненных этими материалами, должна составлять не менее 25% сечения плиты.

Таблица 3

Таблица 3

Показатели плит перекрытия при пролете 6 м и нормативной нагрузке 6-8 кН/м². [4,5,7]

Вари-ант	Тип плиты	Приве-денная толщина бетона, см	Высота сечения, мм	Масса 1м^2 плиты, кг	Класс бетона	Расход стали на 1м^2
						Ненапрягаемая арматура	Напрягаемая арматура
							стержневая	проволочная
1	С круглыми пустотами диаметром 159 мм с шагом 185 мм	12,0	220	300	В20-В40	8,0 –	– 4,7	– 3,7
2	То же, высотой 260 мм	16,0	260	400	В20-В40	– –	4,1 –	– 3,2
3	С круглыми пустотами диаметром 203 мм с шагом 240 мм	12,3	260	308	В20-В40	– –	4,1 –	– 3,2
4	С овальными пустотами шириной до 525 мм	7,7	220	195	В25	7,6 –	– –	– 3,4
5	То же с пустотами шириной до 335 мм	9,2	220	240	В20-В40	4,5 –	– –	– 2,8
6	Ребристая плита, (кессонная) с ребрами вверх	8,0	280	200	В20	6,6	–	–
7	Плита-оболочка с ребрами вверх	9,2	220	230	В20	8,35	–	–
8	Ребристая плита с ребрами вниз (ГОСТ 21506-87)	9,1	300	228	В22,5	4,7	1,2	–

При одинаковой поверхностной плотности сплошной и пустотной конструкции плиты дополнительная звукоизоляция, получаемая в результате повышенной жесткости сечения с пустотами, определяется формулой [8]:

ΔR_w= 5,75 ℓ g (12×I/h_пр) при m≥200 кг/м²,

где ΔR_w - дополнительная изоляция от воздушного шума; Ι -момент инерции сечения пустотного элемента шириной 1 м; h_пр -его приведенная толщина.

Например, для плиты толщиной h=22 см с круглыми пустотами диаметром d=12 см с шагом а=19 см и h_пр=10 см индекс ΔR_w на 2,4 ДБ выше, чем у сплошной плиты толщиной 16 см.Пустотная плита с h=22 см, d=16 см, а=19 см, h_пр=11,4 см обеспечивает равную звукоизоляцию со сплошной плитой толщиной 17,6 см.Экономия бетона составляет около 35%.

Заполнение пустот сыпучими материалами (песком, керамзитом и др.) увеличивает индекс звукоизоляции:

ΔR_w= 23 ℓg (m₁₊ m₂/ m₁)^0,25×n₀ ^0,5 при m₁≥200 кг/м²,

где m₁, m₂ - поверхностные плотности бетона и сыпучего материала; n₀- изменение коэффициента потерь плиты в результате заполнения пустот.

Если пустоты в плите из тяжелого бетона с h_пр=11,4 см заполнить песком плотностью 1500 кг/м³, то это увеличит поверхностную плотность перекрытия на 159 кг/м²,а его коэффициент потерь возрастет в 2,3 раза. При этом индекс изоляции воздушного шума ограждения повысится на 5,3ДБ. Чтобы обеспечить такую звукоизоляцию, толщину сплошной плиты из тяжелого бетона нужно довести до 30 см.

Плиты перекрытий с минимальными значениями приведенной толщины бетона могут применяться с обеспечением требуемой звукоизоляции за счет засыпок, слоистых полов и подвесных потолков.

Балочные или стеновые ячейки, например, размером 6,0×6,0 м, 7,2×7,2 м, могут быть перекрыты пустотными плитами различных типов.

В последние годы увеличился объем применения плит безопалубочного формования. Однако, ширина плит ограничена размерами 1190 мм и 1490 мм. По технологии изготовления плит в них исключается установка закладных деталей, арматурных сеток и выпусков. Плиты рассчитываются по балочной схеме. Кроме того, шпоночные пазы в стыках плит не воспринимают горизонтальные сдвигающие усилия.

Для обеспечения совместной работы плит перекрытий в двух направлениях необходимо применять широкие плиты размерами 5980×2980 мм, 7180×3580 мм, с опиранием на три стороны.

Совместная работа плит и опорного контура позволяет сократить расход стали на армирование плит в два раза.

По результатам испытаний разрушающая нагрузка для плиты, опертой на три стороны (две короткие и одну длинную) превышает разрушающую нагрузку для плиты с опиранием на две короткие стороны на 50%. При контрольной нагрузке прогиб плиты, работающей по балочной схеме, превышает прогиб плиты, опертой на три стороны, в два раза [9].

Пустотные и ребристые плиты с опиранием по углам на консоли колонн образуют безригельный каркас. Главные ребра плит являются скрытыми ригелями каркаса.

В каркасной системе скрытые ригели, высотой в толщину плиты перекрытия, создаются в построечных условиях замоноличиванием перекрестно расположенной канатной арматуры.

Рекомендуемые шаги колонн от 3,0 до 7,2 м, ширина одномодульных плит 3,0 и 3,6 м, ширина укрупненных плит – 6,0 м.

Выводы

1. Компоновочные схемы монолитных железобетонных перекрытий минимальной материалоемкости и веса включают следующие элементы с оптимальными параметрами: контурные преднапряженные или ненапрягаемые балки по координационным осям колонн, ребристые плиты.

2. Оси перекрестных ребер плит расположены в соответствии с модельными сетками: прямоугольными, треугольными или комбинированными. Главные диагональные ребра передают основную нагрузку от плиты на смежные колонны, обеспечивая жесткость плиты.

3. Минимальный шаг перекрестных ребер – 1,5 м. Минимальная высота ребер ≥ 1/20 пролета, ≥300 мм. Минимальная толщина ребер ≥100 мм. Минимальная толщина плиты 50-60 мм.

4. Компоновочные схемы сборных и сборно-монолитных железобетонных перекрытий минимальной материалоемкости и веса включают элементы с оптимальными параметрами: контурные балки или прогоны с напрягаемой и комбинированной арматурой, с арматурными выпусками; пустотные и ребристые предварительно напряженные плиты.

5. Применение безригельных каркасов позволяет снизить материалоемкость и вес перекрытий на 25-35%.

6. Расширение области применения эффективных безригельных компоновочных схем перекрытий связано с модификацией серийных широких пустотных и ребристых плит, узлов их опирания на колонны, а также узлов укрупнительной сборки составных плит.

Литература:

1. Кузнецов В.С., Малахова А.Н., Прокуронова Е.А. Железобетонные монолитные перекрытия и каменные конструкции многоэтажных зданий. М.: Издательство АСВ.2009.

2. СП 52-103-2007. Железобетонные монолитные конструкции зданий. М.: 2008.

3. Мадатян С.А. Новые материалы и технологии арматурных работ в монолитном железобетоне//Строительные материалы, оборудование и технологии ΧΧΙ века. 2006 №7.

4. Сборные железобетонные конструкции. Справочник проектировщика/Под редакцией В.И. Мурашова/М.:Стройиздат,1959.

5. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Никитин И.К. Проектирование многоэтажных зданий с железобетонным каркасом. М.: Издательство АСВ.2009.

6. СП23-103-2003.Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. М. 2004.

7. Боровских А.В. Расчеты железобетонных конструкций по предельным состояниям и предельному равновесию. М.: Издательство АСВ. 2004.

8. Крейтан В.Г. Защита от внутренних шумов в жилых домах. М. Стройиздат, 1990.

9. Лабозин П.Г. Составные пластины из неоднородных материалов. М.: Архитектура – С. 2005.