Питання 17
Історія. У дерев'яних і сталевих конструкціях, що збираються з окремих елементів, балки є необхідними частинами конструкцій. У монолітних бетонних конструкціях балки як такі можуть бути відсутні, хоча це робить перекриття більш гнучкими при тій же товщині плит. Без підтримуючих балок колони мають тенденцію продавлювати плити перекриття. Тому перші безбалочні перекриття робилися над колонами, що мали частину типу капітелі, що розширюється вгору. Патент на таку конструкцію вперше був зареєстрований у США Орлано Норкросом у 1902 році. У 1908 року у Москві з керівництвом А.Ф.Лолейта було запроектовано і побудовано чотириповерховий будинок складу молочних продуктів з безбалочними перекриттями.
Збільшення розмірів оголовників колон було характерною рисою цього рішення конструкцій і тому було також відоме під терміном "грибоподібні перекриття".
Для розрахунку вважають, що опорні реакції на капітелях розподілені трикутником, а розрахунковий проліт панелі приймають відстані між центрами тяжкості цих трикутників. Загальний сумарний згинальний момент: M = 1/8 WL(1-2c/3L)(1-2c/3L), де W-повне навантаження на комірку перекриття, L- крок колон, з- розмір капітелі. Це рівняння було отримано Дж. Р. Нікольсом у 1914 році. До 1917 року формула Нікольса була прийнята Об'єднаною американською комісією і введена в будівельні норми ACI для проектування безбалочних перекриттів з крапельними колонами. Більш точна методика оцінки моментів, заснована на теоретичних та експериментальних дослідженнях Вестергарда та Слейтера, з'явилася в 1925 році. Цей метод було включено до будівельних норм країн світу.
У нас даний метод розрахунку відомий, як інструкція ЦНИИПСа 1933 року, розроблена А.А.Гвоздєвим та В.І.Мурашевим. Дляквадратної панелі M0=1/8 WL(1-2c/3L)(1-2c/3L). Для визначення моментів у розрахункових перерізах та для конструювання арматури безбалочне перекриття ділять у плані на надколонні та прогонові смуги з шириною кожної смуги, що дорівнює половині відстані між осями колон у кожному напрямку. У кожній смузі виникають позитивні та негативні моменти, причому в надколонній смузі моменти більші, ніж у прогоновій смузі. По ширині смуги моменти змінюються за деякою кривою, але для практичного розрахунку приймають ступінчасту зміну моментів, приймаючи їх постійними шириною смуги.
Враховуючи можливий перерозподіл моментів внаслідок пластичних деформацій, величини моментів у чотирьох розрахункових перерізах панелі плити визначають з таким розрахунком, щоб їхня сума дорівнювала балочному моменту М0. Для середньої панелі безбалочного перекриття приймають:
Рис.1 a - схема прогинів безбалочного перекриття за наявності рандбалок; б - розбивка безбалочного перекриття на надколонні та прогонові смуги; в - епюри розрахункових моментів у цих шпальтах; г – схема розташування розрахункових моментів.
У крайньому прольоті на величину моментів впливає ступінь затискання плити зовнішніми колонами і наявність смужкової опори на балці або стіні. У крайньому прольоті розрахункові моменти плити знаходять із відповідних моментів середніх прольотів шляхом множення їх на коефіцієнти згідно з табл.
Опорний момент на першій проміжній опорі
Пролітний момент у першому прольоті
Опорний момент на крайній опорі
К
Розподіл моментів по полю безбалочноїбезкапітної плити при квадратних і рівнопрогонових прямокутних панелях із ставленням сторін до 1,33 мало відрізняється від розподілу моментів у звичайних безбалкових перекриттях.
Розрахунок безбалочних перекриттів з нерівними прольотами проводиться за методом рам, що замінюють. У кожному напрямі безбалочне перекриття замінюється багатопролітною рамою з ригелем у вигляді плити і з примикаючими до вузла колонами і защемленими на протилежних кінцях. Ширина ригеля приймається рівною напівсумі прилеглих прольотів плити перпендикулярного напрямку. Розрахункова довжина ригеля встановлюється з урахуванням капітелей так само, як у рівнопрогонових перекриттях; розрахункова довжина колон приймається рівною L0=Lк-С/2.
Рами кожного напрямку розраховуються на повне навантаження без урахування шахового або смугового розташування корисного навантаження. Можливість розрахунку за однією такою схемою завантаження обумовлюється вирівнюванням моментів унаслідок пластичних деформацій.
Отримані з розрахунку рами згинальні моменти ригелів розподіляються між надколонними та прогоновими смугами наступним чином: а) позитивний момент - 45% на прогонову смугу та 55% на надколонну смугу; б) негативний момент – 25% на прогонову смугу та 75% на надколонну смугу. У крайніх (пристінних) панелях розрахункові моменти у напрямі краю перекриття визначають згідно з табл.2.
Безкапільні перекриття. Розширені оголовники колон вперше були виключені з конструкції Джозефом Ді Стасіо в 1940 р. Це зменшило площу перекриття, що сприймає реакцію колон, і тому було необхідно ввести додаткову поперечну арматуру для сприйняття сил, що перерізують, або збільшувати розміри колон ( товщину перекриттів) більше, ніж потрібно. Для того щоб відрізнити плити перекриттів збезкопичними колонами від плит з капітельними колонами (flat slab), їм було дано спеціальну назву flate plate, назвемо надалі плоске перекриття.
Безбалочні перекриття з безкопичними колонами є гранично простими конструкціями, що складаються із залізобетонних плит однакової товщини і колон постійного перерізу. Це спрощує опалубні роботи, а також арматурні роботи та бетонування. У зв'язку з тим, що при безкопійних конструкціях колони мають постійний переріз, їх легко поєднувати зі стінами і перегородками між колонами. Тому вони зручні для адміністративних будівель та житлових будинків.
Безбалочні перекриття мають найменшу найменшу конструктивну висоту, рівну і гладку стелю, дають можливість вільно розташувати внутрішнє обладнання. Інженерні мережі, що не зустрічають перешкод, підвішуються до плити. У разі потреби влаштовують підшивну стелю.
У безкапільних конструкціях завдання обмеження прогинів складніше, ніж у капільних. Через загальну невелику товщину перекриттів та відсутність капителів прогини плит перекриттів відносно великі. Додаткові деформації повзучості принаймні вдвічі збільшують величину пружних прогинів. Ця проблема не була повністю подолана до кінця 50-х років ХХ століття, коли в ряді будівель з безкопичними колонами виявилися тріснуті перегородки та розчавлені вікна.
Каркас уніфікований безбалочний КУБ. У СРСР також проводилися розробки безбалочного перекриття. Вперше плоске перекриття було застосовано у 60-х роках для висотного готелю у Владивостоці. Крок колон 6х6м, плити 2,8х2,8 з урахуванням замонолічування шва 0,2м, з'єднання плит між собою із застосуванням петлевого стику. Найбільш складний вузол - примикання до колони - вирішеноприварювання закладної коробчатої деталі плити до поздовжньої робочої арматури колони.
До граней коробки приварені арматурні стрижні для сприйняття напруг, що сколюють, розтягують зусиль від опорних згинальних моментів і місцевих розтягуючих зусиль, викликаних продавлюванням.
Такий залізобетонний каркас отримав назву "уніфікований каркас безригельний". Було розроблено модифіковані варіанти системи КУБ для різних навантажень та умов виготовлення. Однак широкого застосування ці серії не отримали.
В даний час, коли відкинуто ідеологію індустріалізації, широкого поширення набувають більш економічні монолітні залізобетонні конструкції, які дають можливість отримати більш гнучкі архітектурно-планувальні рішення. Головною проблемою залишається відсутність культури виробництва у підрядника з багатою "совковою" спадщиною. Найбільш простим у виготовленні є плоске перекриття. Підвищена витрата бетону компенсується простотою опалубки. В результаті вартість та терміни будівництва даних перекриттів нижчі за традиційні балкові. Як наслідок монолітні плоскі перекриття набувають масового поширення.
Однак у вітчизняній літературі та нормативних документах конструкція плоских перекриттів відсутня як клас. Норми, що діють, не дають проектувальникам відповіді на багато питань. Можливо, ця ситуація сталася через орієнтацію СРСР у будівництві збірний залізобетон. В академіях досі навчають студентів радянських методів.
Нині є такі документи: Посібник із проектування залізобетонних конструкцій з безбалочними перекриттями, Москва, 1979. Посібник із розрахунку статично невизначених залізобетонних конструкцій, Москва, 1975.
Що ж робити проектувальникам? Прагнучи убезпечити від ризиків кожен проектувальник по-своєму завищує розрахункові коефіцієнти запасу міцності. Широке поширення набуває розрахунок конструкцій із застосування програм кінцево-елементного аналізу. Однак у разі аварійних ситуацій вся відповідальність лежать на конструкторі. Розробники програмного забезпечення, навіть надаючи відповідні сертифікати, не беруть на себе відповідальності за отриманими розрахунками.
Крім того, за рідкісним винятком програми можуть коректно розраховувати залізобетонні елементи за граничними станами 2-ї групи (прогини) з урахуванням реального армування. Сліпа віра в результати розрахунків програми може призвести до фатальних наслідків. З наявного будівельного програмного забезпечення я рекомендував би Robot Millennium. Однак, для використання будь-якої програми потрібна в першу чергу інженерна інтуїція, а тільки потім вміння працювати з програмою і знання її можливостей і галузі застосування. Будь-які результати машинних розрахунків необхідно перевіряти грубими ручними способами, щоб уникнути значних помилок.
Конструювання. Проблемою конструювання плоских перекриттів є зона спирання плити на колони. У цьому місці виникає максимальний згинальний момент і поперечна сила. Якщо з моментом все відносно зрозуміло, забезпечити сприйняття продавлювання буває досить складно при стандартних габаритах колон і товщині перекриттів. Забезпечити сприйняття продавлювання можна з допомогою додаткового армування, збільшення товщини перекриття чи збільшення периметра колони. Збільшити колону можна як збільшивши її перетин. Якщо витягнути колону (зробити прямокутною), то при збільшенні периметра її перетин може залишитися колишнім. Такуколону простіше розмістити у складі міжквартирних перегородок.
Т
Ще одне "тонке" місце - спирання зовнішніх цегляних стін, що не несуть. Ця ділянка часто вимагає посилення. Пристрій балки обв'язування вирішує проблему, але ускладнює конструкцію опалубки. Можна зменшити крок колон по зовнішньому контуру. Однак складно сказати, яке з двох лих менше. Як варіант пропонується введення суцільної металевої заставної зі швелера по зовнішньому краю на додаток до посиленого армування.
Різновидом безбалочних перекриттів можна вважати часторебристі перекриття, де при великих прольотах і значній товщині плити полегшення конструкції досягається установкою на плоскій опалубці порожнистих вкладишів з картону, азбестоцементу, фанери або інших матеріалів.
І наостанок, який все ж таки оптимальний проліт для безбалкових перекриттів? Найбільш економічним є невеликий крок колон, близько 4,5-4,8 м, при цьому для житла можна отримати практично будь-яке планування. Збільшення числа колон не призводить до суттєвого зростання вартості, тоді як використання тонших плит перекриття забезпечує значне її зниження. За зарубіжною літературою максимальний крок колон для плоских перекриттів становить 7,5м. Але часто крок колон визначається з архітектурних та технологічних міркувань. Для влаштування гаражів у підвальній частині будівлі крок колон доводиться збільшувати.
У моїй практиці найбільший проліт для плоских перекриттів становив 6,0 м, і для перекриттів з капітелями 8,0м. Варто звернути увагу нараціональність використання консолей, що розвантажують, вильотом близько 0,2L або зменшення крайніх прольотів.
Література. 1. Залізобетонні конструкції, А. Ів'янський, 1961