Армирование и расчёт безбалочного перекрытия

Балки - это необходимый элемент в тех конструкциях из дерева или стали, которые собираются из раздельных частей. Без них можно обойтись в монолитных бетонных конструкциях, но в этом случае вся конструкция сооружения будет менее гибкой при той же массе и толщине плит.

Если в сооружении используются колонны, то без поддерживающих балок они могут просто продавить любую плиту и разрушить здание, именно для таких случаев и были придуманы безбалочные перекрытия, расчет которых и необходимо осуществить.

Они сооружались над колоннами с капителью (расходящаяся в стороны верхняя часть колонны). Изобретателем этого решения стал американец Орлано Норкос еще в 1902 году. В России первым зданием, построенным по такой технологии профессором Лолейтом в 1908 году, был четырехэтажный молочный склад. Оголовники колонн в таких конструкциях имели характерную раздутую форму, и потому подобные перекрытия носили еще название «грибовидные». Таким образом, конструкция безбалочных перекрытий состоит из нескольких элементов: колонн, плит, опирающихся на ряды колонн (крайних и промежуточных), капителей и обвязочных балок.

Разновидности и армирование капителей

Видео по теме "Армирование монолитного перекрытия крышы, на стройке aldova 42512,Praha 8 Karlin"

Если в конструкции не предусмотрены обвязочные балки, то крайние колонны должны дополняться полукапителями (пристеночными). Капителей на сегодняшний момент всего три типа - капитель с надкапительной плитой, прямая капитель (то есть без надкапительной плиты) и капитель с изломом. Второй тип капители используют в случаях, когда расчет показывает, что нагрузки сравнительно невелики, остальные же предназначены для высоких нагрузок. Наибольшее распространение получила капитель с изломом, так как она способна выдерживать наибольшие нагрузки, да и архитектурно более привлекательна. Еще в 30-ые годы прошлого века были проведены масштабные исследования-испытания безбалочных способов перекрытия с различного вида капителями. Эти испытания подтвердили предварительный расчет и показали, что капитель с изломом прочней остальных типов в среднем на 10 %. Именно благодаря этой разнице в СССР и было рекомендовано использовать капитель такого типа. Расчет размера капителей имеет ту особенность, что фактические и расчетные размеры - это не одно и тоже. Расчетная ширина капители С - это диаметр, измеренный на нижнем уровне у плоскости плиты. Расчет размеров капителей - важный момент любого конструирования и проверены расчетом на главные растягивающие моменты растяжения плиты по ее периметру. При средних расчетных нагрузках лучшим соотношением размеров капителей к пролету является 0,35 при расчетной 0,2. Армирование в большинстве случаев не требуется, так как площадь сечения капители такова, что как растягивающие, так и сжимающие усилия не превышают расчет допустимых строительными нормами пределов. Поэтому для укрепления колонн армирование, как правило, не используется.

Армирование оправдано только в качестве улучшения связки колонны и плиты или иных конструктивных желаний заказчика. Армирование капителей без изломов проводят обычными 10 мм прутьями, установленными по углам и середине сторон. В общем, такая же практика армирования действует и в отношении капителей с изломом, и полукапителей. В случае использования надкапительной плиты армирование ее не производят, вполне достаточно армирования самой капители. При использовании металлических колонн от капителей обычно отказываются, заменяя их на металлические балки в месте стыковки плиты и колонны. В этом случае увеличивается площадь опоры без значительного снижения безопасности. Зато такое решение способствует более удобной прокладке различных коммуникаций, прежде всего трубопроводов.

Монолитные плиты

В безбалочных монолитных перекрытиях плиты имеют равную толщину на всех участках, саму толщину определяет расчет, опирающийся на требования к допустимым прогибам и другим, менее важным для безопасности, требованиям заказчика строительства. Обычно рекомендуется при использовании в конструкции капителей с изломом или с надкапительными плитами проводить расчет толщины исходя из максимального положительного момента, в иных случаях расчет проводится по наибольшему отрицательному моменту. Производя расчет толщины плиты, помните о том, что согласно нормам проектирования ж/б конструкций, ее толщина при наличии надкапительной плиты должна относиться к величине пролета не менее как 1 к 36 в случае использования обычного сорта бетона и 1 к 30 - легкого. Если используются капители без плиты, то 1 к 32 и 1 к 27 соответственно. В случае если плита все же тоньше, то ее необходимо проверить на уровень прогиба, и он не должен превышать установленные нормы. Армирование как безбалочной, так и балочной плиты не слишком отличается. Главное, что над балками арматура плиты располагается в верхней части, в зоне отрицательного момента, а в остальных местах - в нижней.

Тот же принцип армирования используют и в балках, там, в пролетах арматура лежит внизу, а над колоннами - вверху. Армирование прутьями производят так же, как и укладку балок, то есть перпендикулярно друг другу. Безбалочное монолитное перекрытие в виде сплошной плиты выполняет роль упругой пластины, а значит в любом своем месте плиты испытывают не только нормальное, но и касательное напряжение, которое тоже необходимо брать в расчет. Поэтому строители стремятся провести армирование так, чтобы учесть особенности нагрузки плит и их рабочие зоны.

Разновидности армирования

Для такого вида армирования существует несколько способов: двухпутное, четырехпутное и кольцевое. Первый способ заключается в расположении арматуры в перпендикулярных направлениях, аналогично расположению колонн. Четырехпутное армирование - это армирование не только перпендикулярно, производится еще и укладка диагональных элементов арматуры. Кольцевая система - это расположение арматуры в виде концентрированных колец. Последние две системы используют редко, так как кольцевая сложна в изготовлении, а четырехпутная требует высокого расхода металла. Именно поэтому в конкурентной борьбе победила двухпутная система армирования.

Рассмотрим ее подробней. Как уже говорилось, двухпутная система армирования заключается в перекрестном расположении арматуры двумя перпендикулярными линиями и параллельно расположению колонн. Расчет сечения арматуры происходит индивидуально, в зависимости от моментов, действующих на данных участках перекрытий. Конечно, невозможно расположить арматуру, полностью учитывая линии изгибающих моментов - себестоимость и сложность строительства в этом случае были бы неприемлемыми. Поэтому при расчете безбалочных перекрытий используют следующую методику. Для расчета плиту условно разбивают на две полосы в каждом направлении - пролетную и над колоннами, - затем определяют средние моменты для каждой из полос и подбирают для них соответствующую арматуру. В самой полосе сечение арматуры раскидывается одинаково равномерно. То есть армирование идет с помощью всего двух видов арматурного сечения. Так как моменты в пролетной части меньше, чем проходят над колоннами, то и арматуры там монтируется меньше. В пролетной части арматуру ставят с учетом максимальных моментов, которые приходятся на опорную часть. Участок плиты, расположенный над колонной, принимает на себя отрицательные моменты двух направлений - сжатие внизу и растяжение вверху. Поэтому в надколонных полосах плит арматура монтируется сверху.

Между колоннами плита испытывает положительный момент в направлении к надколонной части и отрицательный - в сторону пролетной. Это значит, что в середине надколонной полосы армирование идет снизу, а на перпендикулярной полосе - сверху. Для большей жесткости арматуры часто ставят специальные подкладки, но рекомендуется все же использовать для этого чуть более толстые стержни, так как сочетание подпорок и капители сложно монтировать. Для армирования безбалочных плит есть несколько методик. Рассмотрим основные из них.

Метод профессора А.Ф. Лолейта

Как верхние, так и нижние прутья арматуры укладываются в виде сетей, не связанных между собой. Нижняя сеть строится из прямых прутьев длинной в 80 % от длинны пролета. При этом четные прутья достигают оси опоры с одной стороны, а нечетные - с другой. Первой армируется полоса над линией колонн, а потом уже между ними. Но это если плиты перекрытия длинные, прямоугольные. А если они квадратного типа, то совершенно без разницы, какое направление проходит армирование раньше.

При прямоугольных плитах первой армируется полоса над колоннами по длинной стороне, затем по короткой, следующим проходит армирование полосы над длинной стороной пролета, и, наконец, последней идет короткая сторона пролета. Особенность армирования крайних панелей заключается в том, что сначала укладывают прутья полосы над колоннами, что перпендикулярны обвязке, затем той же полосы, но параллельные обвязке. После этого идет очередь пролетной полосы, армирование которой тоже идет сначала перпендикулярно обвязке, а затем параллельно. В надколонных полосах арматура всегда уложена в нижнем ряду, что делается путем небольшого отгиба арматуры, укладываемой во вторую очередь. Третьеочередные прутья арматуры пролетной полосы тоже отгибаются, а значит только прутья с пролетной полосы, укладываемые в последнюю очередь, находятся во втором ряду. Перпендикулярно расположены полосы верхней арматуры на опорных полосах. Чтобы правильно расположить верхнюю сеть, используют так называемые «кобылки» (подкладки). Их связывают тонкой вязальной проволокой как с верхними, так и с нижними сетками.

Метод А.Ф. Лолейта, когда армирование происходит отдельными сетками, требует более высокого расхода металла, чем тот же метод раздельного армирования прутьями. К тому же подготовка таких сеток на производстве с ее увязкой вязальной проволокой и транспортировкой на место установки тоже приносили немало проблем. Но ситуация изменилась со временем. Дело в том, что после внедрения индустриальных способов производства арматурных сеток, их заготовки, резки, сварки и с внедрением различной подъемной техники, способной доставить на стройплощадку собранные конструкции, метод Лолейта снова стал вполне рентабельным, востребованным и берется в расчет. К тому же использование различных сортов стали и методов ее обработки помогли снизить расход металла в целом. Таким образом метод предварительного изготовления армированных сеток сегодня активно используется.

Использование отдельных полос

Впервые его применил еще в СССР трест "Мясохладстрой". Этот метод довольно прост и заключался в том, что панели перекрытия делятся на пролетные полосы и те, что проходят над колоннами, каждая из этих панелей шириной лишь в полпролета. Производят двойной расчет необходимой площади сечения прутьев как для пролета, так и для места над опорой. В обеих полосах на опорах половина нижних прутьев арматуры отгибается вверх. Этого количества арматуры, оказавшейся наверху пролетной полосы, вполне достаточно для контроля отрицательных моментов. Но для надколонной части нужно добавить еще и короткие прутья. Их необходимо сделать с отгибами с обеих сторон. Для гарантии нужной жесткости, согласно расчету, диаметр стержней должен быть не менее 12 мм. Дабы не усложнять армирование строительных объектов, для каждой полосы используются один и тот же тип стержней - прямые прутья с одного конца и с отгибом на другом, который и пойдет в верхнюю часть плиты. Оставшиеся внизу части прутьев, причем во всех панелях, не доходят до середины панели. При этом в полосе над колоннами прутья должны обязательно заходить за границу капители не меньше чем на 12-15 см для лучшей жесткости конструкции. При выборе прутьев для верхней части капители (для взятия в расчет отрицательного момента) важно помнить, что арматура может деформироваться от имеющихся нагрузок на этапе самого монтажа, так как в этом случае существенно снизится несущая функция перекрытия.

Тот же "Мясохладстрой" установил некий стандарт для обычных панелей перекрытия размером 5х5 м, в них нижние прутья арматуры обрываются, не доходя 1,8 м до середины панели. В верхней же части стержни не доходят 1,5 м в полосе над колоннами и 1,25 м в пролетной. Расчет идет от оси колонн. Места же сгибов расположены на расстоянии 1,25 и 1 м для надколонной и пролетной частью соответственно. Позже, исходя из этих стандартов и последующего расчета, пришли к выводу о необходимости армирования капители в верхней части прутьями диаметром 12-9 мм. Теперь при армировании полосы над колоннами нижние прутья делаются прямыми без сгибов и не доходят 0,35 м до середины каждой полосы, за границу же капители они погружаются не меньше чем на 10 диаметров. Верхние же прутья из небольших арматур делаются диаметром 12-19 мм с особыми «лапками», что опираются на опалубку.

Армирование по системе ЦНИПС

Центральный институт промышленных сооружений (сейчас он называется Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А. А. Гвоздева (или НИИЖБ)) еще в 30-е годы предложил свой метод армирования, заключающийся в армировании пролетных полос отдельными прутьями. Он в чем-то схож с методом "Мясохладстроя", как и у последнего, половина нижних прутьев сгибается вверх на опоры, а надколонные части плит армируются независящими друг от друга сетями внизу (для защиты от положительного момента) и вверху (для восприятия отрицательного). Все прутья на концах должны иметь крюки.

Расчет площади сечения используемой арматуры над колоннами показал необходимость полной протяженности на дистанцию не меньше чем 0,2 размера пролета от оси колонн. Если отстоит дальше 0,2 L, то расчетную площадь сечения можно снизить до 40 %. Сечение нижней арматуры полосы над колоннами сохраняется не менее чем на расстояние 0,3 по обе стороны от середины пролета, до сечения же далее 35 L от центра пролета площадь сечения необходимо довести как минимум до 0,7 от диаметра относительно основной арматурной сети. В пролетной полосе эти показатели будут равны 0,15 по обе стороны от ряда колонн - полная площадь сечения, но половинная часть верхнего слоя стержней доходит до сечения на расстоянии 0,25 L. На расстоянии 0,3 L от середины в пролетной полосе нижняя арматура устанавливается в полном объеме, а до 0,35 только половину доводят до сечения. И в пристенных, и во внутренних панелях стержни укладываются одинаково, исключение составляют только опорные зоны надколонной полосы на внутренней колонне, стоящей первой, там стержни полностью продолжаются на дистанцию не менее 0,25. Панели, опирающиеся одной стороной на внешнюю стену, армированы так, что нижние стержни, перпендикулярные стене, на расстоянии 0,25 L загибаются вверх, остальные идут до конца панели. Это относится как к пролетной, так и надколонной полосе.

Система раздельного монтажа

Суть метода, предложенного еще "Промстройпроектом", заключается в том, что армирование производят раздельными прямыми стержнями без их сгибов. И в опорной, и в пролетной полосе половина нижних стержней доводится от центра пролета к краям не менее чем на 0,3 L, вторая часть - до 0,35 L, При этом в надколонной полосе стержни должны заходить за границу капители не меньше чем на десятикратный размер диаметра.Из прямых стержней состоит и верхняя часть арматуры, они еще и должны быть проложены через один в каждую сторону от оси колонн на 0,3 L, а вторая половина - на 0,35 L. В пролетной части, соответственно, 0,2, и 0,25 L. Все прутья арматуры по этой методике ставят вразбежку в надколонной полосе сверху, а на опоры в пролетной полосе снизу проводят монтажное армирование. Достаточно спорным моментом являются точки обрыва арматуры от 0,2 L до 0,35 L при любой ширине капители. Остальными методиками рекомендуется обрыв верхних прутьев в надколонной части увязать с размерами самих капителей. Внимательный расчет показывает правильность такого подхода. Эта методика рекомендует делать одинаковый шаг прутьев при выборе арматуры в обоих типах полос. А что касается диаметра, то для верхних прутьев надколонной полосы его рекомендуется устанавливать не менее чем в 18 мм, это если речь идет о едином диаметре для всех стержней.

Но если принято решение использовать прутья двух диаметров, то можно использовать и более тонкие разновидности, но при этом в каждом направлении нужно установить 3-4 стержня диаметром как минимум в 20 мм. Элементарный расчет показывает, что такого количества более толстых стрежней вполне достаточно. Верхняя арматура пролетной полосы рекомендуется диаметром не менее 12 мм. Стержни арматуры рекомендуется заканчивать крюками - для нижней части полукруглыми, а для верхней - прямыми. Последние увязываются с опалубкой.

Армирование сварными сетками

Это наиболее индустриальный и удобный способ армирования при строительстве, к тому же он и самый экономный в плане расхода металла. При использовании сварных сеток нет необходимости сгибать на концах прутьев крюки. В качестве материала для армирования используется холоднотянутая проволока из стали. Из-за всех этих достоинств сварные сетки и получили столь широкое распространение. При армировании как безбалочной, так и другой разновидности железобетонной плиты они стали практически универсальным средством. Между собой сварные сетки соединяются, согласно строительным нормативам определенными стыками.

Если вы желаете сами произвести расчет конкретных нагрузок и разновидностей применяемого армирования, советуем обратиться вам к специальной литературе и нормативам, особенно обратите внимание на работы М. Я. Штаермана и А. М. Ивянского.