Строительство

Безбалочные перекрытия

Раздел: Строительство. Техника

Что такое безбалочное перекрытие – это конструкция, выполненная из сплошной плиты, которая имеет опоры на колонны. Они могут быть с капителями и без них.

Железобетонные безбалочные перекрытия получили у нас широкое применение в строительстве холодильников и многоэтажных складских и других зданий.

Большое распространение безбалочных перекрытий в строительстве объясняется значительными преимуществами их  по  сравнению   с другими видами перекрытий.

При применении безбалочных перекрытий:

Упрощается производство работ. На безбалочные перекрытия по сравнению с ребристыми для устройства опалубки требуется меньшее количество лесоматериалов при одновременном упрощении конструкции опалубки. Опалубка безбалочного перекрытия представляет собой сплошной настил, прорезанный только в местах капителей, в то время как в ребристых перекрытиях настил разрезается в обоих направлениях  балками и прогонами.

Стандартизация опалубки ребристых перекрытий сопряжена с определенными трудностями, а безбалочные перекрытия выполняются обычно в стандартной опалубке.

При заданных пролетах между колоннами в зависимости от величины полезной нагрузки в безбалочных перекрытиях меняются только толщина плиты и арматура, а в ребристых перекрытиях меняются расстояния между ребрами и размеры их поперечного сечения. Если в ребристых перекрытиях сохранить стандартные размеры элементов, то в этом случае нередко приходится пренебрегать экономической стороной вопроса при подборе сечений; если же придерживаться наиболее экономичных по расходу материалов размеров железобетонных сечений, то приходится нередко применять разные размеры элементов перекрытий, а следовательно, вводить и разнообразные типы опалубки.

Стандартная опалубка безбалочных перекрытий легко собирается и разбирается; она имеет просто выполняемые сопряжения; поверхность перекрытия после разборки опалубки настолько чиста, что лишь в редких случаях требуется затирка отдельных мест поверхности плиты перекрытия.

Многолетний опыт применения стандартной опалубки показал ее сравнительную экономичность.

Стандартную опалубку после примерно 15-кратного оборачивания на одном объекте и соответствующего затем ремонта удается повторно использовать и на другом аналогичном строящемся объекте. Стандартная опалубка имеет также ряд преимуществ в части уменьшения трудоемкости производства работ и возможности сокращения сроков строительства.

2. Уменьшается поверхность перекрытия, подвергающаяся отделке. Как уже указывалось, при использовании стандартной    опалубки   поверхность    потолков  получалась достаточно гладкой, не требующей сплошной затирки или штукатурки. Кроме того, поверхность перекрытия при безбалочных перекрытиях относительно меньше, чем при ребристых, и трудоемкость работ по отделке больших гладких поверхностей значительно ниже, чем для ребристых  перекрытий.

3. Уменьшается расход цемента. Как известно, для бетонирования балок применяется бетон более подвижной консистенции, чем для бетонирования толстых плит, т. е. при ребристых перекрытиях водоцементное отношение должно быть большим, чем при сплошных плитах безбалочных перекрытий, а для достижения более подвижной консистенции бетона при одинаково заданной проектной прочности бетона требуется больше цемента.

4. Уменьшается общая кубатура здания. При проектировании зданий технологи обычно задают высоту этажей „в чистоте", т. е. от пола до нижней грани конструкций балок при ребристых перекрытиях или до потолка —при безбалочных перекрытиях. Так так толщина нормального безбалочного перекрытия всегда меньше высоты балок в ребристых перекрытиях, то высота здания становится при безбалочном перекрытии меньше. С этим связано не только уменьшение первоначальной стоимости здания, но уменьшение и эксплуатационных расходов. Так, в холодильниках при безбалочных перекрытиях приходится охлаждать меньшую кубатуру воздуха, а уменьшение поверхности стен в свою очередь уменьшает поверхность, через которую уходит холод. То же относится к отоплению зданий и другого назначения, в которых применяются безбалочные  перекрытая.   Кроме   того, уменьшается длина труб, электропроводки и других устройств.

5.         Упрощается прокладка трубопроводов. Трубы устанавливаются под потолком без устройства огибов балок или без пробивки балок, как это имеет место при ребристых перекрытиях.

6.         Улучшаются санитарные условия. Это,обстоятельство весьма важно, в особенности для предприятий пищевой промышленности (для холодильников, мясокомбинатов и т. п.). При ребристых перекрытиях балки затрудняют вентиляцию помещений, а в местах соединения балок с плитой перекрытия накапливается пыль.

Кроме того, при ребристых перекрытиях выступающие ребра дают тени, что является нежелательным для некоторых видов производственных зданий; безбалочные перекрытия этих недостатков не имеют.

7.         Облегчается устройство изоляции. В ряде случаев целесообразно устраивать изоляцию под потолком (снизу перекрытия), что практически трудно осуществимо при ребристых перекрытиях.

Перечисленные основные преимущества безбалочных перекрытий способствовали широкому распространению их в строительстве.

К недостаткам безбалочных перекрытий следует отнести следующее: размеры пролетов безбалочных перекрытий ограничены; прямоугольные панели безбалочных перекрытий менее экономичны, чем квадратные; безбалочные перекрытия, как правило, должны иметь в каждом направлении не менее трех пролетов, и, наконец, не во всех случаях применение безбалочных перекрытий дешевле ребристых. Так, принято считать экономически выгодным применение безбалочных .перекрытий пролетами до 5—6 м при величине полезной нагрузки 500 кг/м2 и более.

Интересна судьба безбалочных перекрытий. Чрезвычайно простые по конструкции, весьма ценные по ряду преимуществ, они до сих пор применяются без математически точного расчета.

Вначале при проектировании монолитных безбалочных перекрытий пользовались грубо приближенными методами расчета. Проведенные в дальнейшем исследования способствовали выяснению работы безбалочных перекрытий. В результате этих исследований появились так называемые точные методы расчета, рассматривающие безбалочную плиту как пластинку, опирающуюся на капители. Наиболее совершенный метод расчета был дан выдающимся советским ученым акад. Б. Г. Галеркиным.

Однако эти методы расчета, несмотря на их математическую строгость, нельзя назвать точными в полном смысле этого слова, так как в основу их положен ряд предположений, не вполне соответствующих фактической работе безбалочных перекрытий,

Кроме того, эти методы весьма сложны для практического применения.

Еще задолго до опубликования так называемых точных методов расчета с использованием бигармонических рядов (метод Б. Г. Галеркина), тригонометрических рядов (метод Леве), метода заменяющих рам (Маркуса) А. Ф. Лолейт и М. Я- Штаерман предложили свои практические способы расчета. Эти упрощенные способы расчета рассматривали безбалочное перекрытие как систему широких перекрещивающихся под прямым углом балок, работающих в двух направлениях; упрощенные способы расчета давали сравнительно хорошие результаты и являлись в свое время значительна более экономичными, чем последующие расчеты по методам Галеркина, Леве и Маркуса. По способу Лолейта и Штаер-мана было запроектировано и построено большое количество безбалочных перекрытий.

Галеркин, Леве и Маркус решили задачу по расчету безбалочных перекрытий только в основных положениях; спорным остается еще характер распределения опорных реакций по ширине капителей. Теоретически наиболее обоснованным и точным является метод расчета, предложенный акад. Га-леркиным.

Ниже в соответствующих разделах более подробно рассматриваются разные методы расчета, но при существующих ныне в практике строительства размерах капителей тот или иной метод расчета лишь незначительно сказывается на величине суммы изгибающих моментов. Поэтому можно считать, что в настоящее время, несмотря на отсутствие действительно точных, математически обоснованных методов расчета, имеется возможность достаточно точно для практики рассчитать безбалочные перекрытия даже с весьма разнообразными пролетами.

Между тем результаты расчетов по методам Маркуса и Леве весьма отличаются друг от друга; разница в величинах моментов в отдельных точках плиты -безбалочного перекрытия превышает иной раз 40°/0- Причина этого кроется в следующей условности, принимаемой при расчете.

Безбалочные перекрытия монолитные и сборно-монолитные (как показано ниже) рассматриваются, рассчитываются и конструируются как две системы жестких рам, причем ширина ригеля рамы в этом случае принимается равной полусумме расстояний между колоннами, в направлении, перпендикулярном в плоскости рамы.

Если в обычной балке или раме, у которых ширина элементов сравнительно мала, можно принять, что момент распределяется    по   поперечному   сечению   равномерно,   то совсем по-иному обстоит дело в раме, заменяющей безбалочное перекрытие; здесь ригель рамы имеет сравнительно большую ширину и поэтому распределение момента по всей ширине ригеля по существу не является  равномерным.

Обычно так и подходят к вопросу: определяется общий изгибающий момент на всем пролете, а затем задаются распределением этого момента по отдельным частям плиты. Очевидно, что части плиты, лежащие непосредственно у капителей колонн, воспринимают большую часть момента,. а средняя часть —меньшую.

Одно время, когда еще не было достаточно обоснованного расчета безбалочных перекрытий, была предложена конструкция, аналогичная безбалочным перекрытиям: по капителям устраивались широкие и низкие балки, а по этим балкам — плита с перекрестной арматурой, т. е. получилось перекрытие однотипное с безбалочным, но с более ясно выраженным по тем временам расчленением для расчета. Однако и в такой конструкции, так же как и в безбалочном перекрытии, нет ясно выраженного перехода от плиты к балке и недостаточно ясно, как следует производить распределение момента по ширине плиты.

Во многих случаях распределение моментов носит более конструктивный, чем теоретический характер, и поэтому характер работы конструкций будет определяться тем, как она законструирована; там, где будет уложено большее количество арматуры, где будет дан больший момент инерции сечения, там и будет воспринят больший изгибающий момент.

Чтобы лучше уяснить сущность этого положения, коснемся вопроса проектирования многопролетных балок.

В Западной Европе почти всюду многопролетные железобетонные балки выполняются с вутами на опорах, а у нас от устройства вутов давно отказались.

Какая же конструкция более правильна?

Сделав в балке вуты, усиливают опорные узлы, увеличивают моменты инерции и тем самым здесь сосредоточивают большие изгибающие моменты, уменьшая момент в пролете. Если выполнить балку без вутов и усилить ее в пролете, произойдет обратное, т. е. момент уменьшится на опорах, увеличится в пролете.

Тщательное, в соответствии с теорией упругости, распределение моментов, в особенности для железобетонных балок и плит, не оправдывается; конструкции следует проектировать таким образом, чтобы получить наиболее целесообразное решение как с точки зрения экономии материала, так и удобства производства работ, допуская при этом некоторое перераспределение усилий на опорах и в пролете. Однако во всех   случаях   сумма  опорных   и   пролетного моментов должна оставаться постоянной.

С точки зрения производства работ балки без вутов, несомненно, более выгодны, чем балки с вутами.

В неразрезных конструкциях, когда в одном из сечений напряжения в арматуре достигают предела текучести, несущая способность конструкции еще не исчерпывается; благодаря перераспределению усилий конструкция еще продолжает работать и нести увеличивающуюся нагрузку до тех лор, пока не потечет арматура в других сечениях конструкции, превратив ее из статически неопределимой в изменяемую систему. Поэтому балки без вутов и с вутами могут быть запроектированы с одинаковым коэффициентом запаса прочности.

Из изложенного, однако, не следует делать вывода, что можно назначать произвольно арматуру в пролете и на опоре, лишь бы суммарная площадь сечений дала нужный результат. Такое конструирование привело бы к преждевременному образованию трещин, которых надо по возможности избегать, запасы прочности в отдельных сечениях были бы слишком разные, уменьшилась бы жесткость конструкции и т. д. Но небольшое перераспределение моментов в наиболее часто встречающихся в практике случаях существенно не влияет на эксплуатационные качества конструкций; при этом общая  несущая способность конструкции сохраняется.

Проектирование безбалочных перекрытий

У нас в Советском Союзе впервые отказались от старой, так называемой „классической" теории расчета железобетона, перешли к расчету конструкций по стадии разрушения, я также разработали еще более прогрессивный метод расчета конструкций по предельным состояниям. В связи с этим в нашей нормативной и инструктивной литературе дается ясное указание о допустимости, а в иных случаях и желательности перераспределения моментов между опорными и пролетными сечениями.

Важно только, чтобы в каждом пролете суммарное усилие от всех воздействий было воспринято   конструкцией.

Если подойти с этой точки зрения к расчету безбалочных перекрытий, то сразу найдется объяснение несогласованности в распределении моментов по отдельным зонам плиты, которое так часто смущает некоторых инженеров.

Большие отклонения (до 40°/0) в величинах моментов для отдельных сечений безбалочных перекрытий при расчетах по методам Леве и Маркуса действительно имеются. Но суммарные моменты в пролете и на опорах, как показано ниже, по обоим методам расчета сходятся достаточно близко. Разница в суммарных моментах лежит в пределах   точности   подсчетов.  Поэтому   расчетами,   данными -акад. Б. Г. Галеркиным, Леве и Маркусом, можно руководствоваться при определении изгибающих моментов безбалочных перекрытий.

Так как ряд вопросов проектирования безбалочных перекрытий оставался нерешенным, то надо было опытным, экспериментальным путем проверить и уточнить их. С этой целью у нас в Союзе Мясохладстроем было построено специальное опытное безбалочное перекрытие в натуральную величину, рассчитанное на обычную нагрузку, принимаемую в холодильниках.- Испытание его было произведено ЦНИПСом. Кроме того, был проведен еще и ряд других испытаний безбалочных перекрытий.

Многочисленные опыты показали, что фактическая несущая способность безбалочных перекрытий значительно выше, чем получаемая при расчетах по так называемым точным методам. В связи с этим в 1933 г, ЦНИПС была разработана инструкция по проектированию безбалочных перекрытий, согласно которой расчет для определения площади сечения арматуры производится с учетом фактической несущей способности перекрытия; методика расчета, предложенная ЦНИПС, давала наиболее  экономичные  решения.

Необходимо также отметить, что приоритет в Европе в области проектирования и строительства безбалочных перекрытий принадлежит России. Наш инженер—ученый А. Ф. Ло-лейт уже в 1908 г. рассчитал, сконструировал и построил четырехэтажное здание (склад для молочных продуктов в Москве), в котором междуэтажные перекрытия были выполнены в виде безбалочных перекрытий с двухпутной системой армирования, в то время как в других странах Европы безбалочное перекрытие с двухпутной арматурой было впервые   осуществлено в Швейцарии   лишь в 1910 г.