А.С.СЕМЧЕНКОВ, д-р. техн. наук; А.В.ЛУГОВОЙ, инж. (КНПСО ООО Центр “Поликварт), Большепролетные многопустотные плиты перекрытий, опертые по трем сторонам
Повышение эффективности капитального строительства неразрывно связано с ростом экономичности строительных железобетонных конструкций, достигаемой путем уменьшения их материалоемкости, трудоемкости и энергоемкости, применения прогрессивных технологий изготовления и монтажа конструкций, но без снижения их эксплуатационных свойств, надежности и долговечности. При проектировании таких конструкций необходимо обязательно учитывать действительные условия их взаимодействия в составе пространственно деформирующихся зданий и сооружений.
Многопустотные плиты перекрытия являются наиболее широко применяемой сборной железобетонной конструкцией (рис. 1) [1]. Этому способствуют прекрасные эксплуатационные качества (долговечность, огнестойкость, жесткость, звукоизоляция), технологичность в изготовлении и на монтаже, экологичность и надежность, о чем свидетельствует пятидесятилетний опыт их применения.
Перекрытия, особенно большепролетные, являются наиболее материалоемкими элементами, на которые приходится до 30 - 40 % бетона и стали, идущих на здание, поэтому совершенствованию конструкции плит уделяется большое внимание. При увеличении пролетов плит возникают проблемы с обеспечением: прочности (при учете дополнительных усилий от пространственной работы дисков перекрытий [2,3]) и прогибов (при расчете по 2-й группе предельных состояний).
В [4] рассмотрены три пространственные расчетные схемы, учитывающие изгиб и кручение ячеек диска перекрытия из плоскости, и изгиб сборного диска в своей плоскости. Наиболее опасная пространственная работа плит из плоскости происходит при опирании ячейки перекрытия по трем-четырем сторонам. В этом случае на плиту шириной Ь, опертую по трем сторонам, наряду с полосовой нагрузкой Р = bq , где q - полная осредненная равномерно распределенная расчетная нагрузка, дополнительно действуют две вертикальные погонные реакции вдоль продольных граней плиты: V0(X) и Vi(X) (рис. 2, а). Исследования показывают, что реакцию Ц<х) при иь> 4 можно принимать равномерной
Эти реакции создают значительные дополнительные усилия в поперечном направлении от поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов. Положительным влиянием поперечных распоров между плитами можно пренебречь. Формулы усилий в плите определяются по формулам путем интегрирования:
Поскольку реакция V0 всегда существенно больше V, продольные изгибающие моменты (3) в плите, дополнительно опертой вдоль пролета, всегда меньше, чем в плите, работающей по балочной схеме, и поэтому дальше не рассматриваются.
Проведенные ранее испытания [2,3] показали, что толстостенные плиты разрушаются по пространственным трещинам, а при недостаточной толщине ребер и полок - по продольным трещинам и при более низких нагрузках. Продольные трещины в полках и ребрах тонкостенных плит в пролете и на опорах открываются в разные стороны (рис. 2, в, г) в соответствии со знаками поперечных бимоментов в раме поперечного сечения плиты. К тонкостенным плитам относятся типовые круглопустотные с диаметром пустот 159 мм и толщиной ребер 26 мм (см. рис. 1, а). Поэтому в перекрытиях, опертых по 3-4 сторонам, следует применять плиты второго поколения [5] с раздвинутыми пустотами (рис. 1, б, в), а при пролетах 6 м и более - с уменьшенными (146 мм) диаметрами пустот (рис. 1, г). Благодаря утолщенным ребрам эти плиты являются более технологичными при изготовлении: в них не требуются опорные каркасы, наблюдается более низкий процент брака при бетонировании, а бетон укладывается и при отсутствии вибропригруза.
Плиты с меньшим диаметром пустот (140 и 127 мм [1]) менее экономичны из-за увеличенного расхода бетона (см. таблицу) и невозможности устройства чистого пола без выравнивающей стяжки толщиной 20- 30 мм. Поэтому для большепролетных плит более эффективны пустоты, вытянутые вертикально в виде домика или овала (см. рис. 1, д, в), что обеспечивает их значительно большую прочность по продольным сечениям [3] при меньшем расходе бетона (см. таблицу). Такие плиты марки ПБ [1] изготовляются методом бе- зопалубочного формования на длинных стендах с последующей нарезкой на элементы любой длины.
Расчет прочности плит в опорных участках и в середине пролета по продольным бетонным сечениям в ребрах и полках (рис. 2, в, г) выполняется на поперечные изгибающие бимоменты и поперечные силы, действующие в балкорамах.
Для исключения хрупкого разрушения плиты в пролете в результате среза вдоль полок и ребер от действия поперечной силы необходимо, чтобы выполнялось условие
Ширина балкорамы принимается равной длине зоны распространения продольных трещин 1СГС, полученной в испытаниях. За разрушающее усилие принимается среднее арифметическое из найденных минимальных значений для ребер и полок.
В пустотной плите, опертой по трем сторонам, продольные трещины не образуются при её достаточной толстостенности, оптимальной форме пустот или низких расчетных нагрузках. При разрушении по наклонным трещинам и учете только продольной арматуры прочность плиты, опертой по трем сторонам (рис. 3, а), благодаря пространственной работе составит:
Более строго расчет прочности многопустотной плиты производится методом сечений. При этом рассматривается воздействие внешних и внутренних предельных сил на угловой блок плиты, отсеченный i-м пространственным сечением (рис. 4). Условие прочности записывается в виде
Высота сжатой зоны пространственного сечения определяется из уравнения равновесия проекции внутренних усилий в пространственном сечении на продольную ось элемента.
В качестве внешней силы учитывается опорная реакция от внешней нагрузки и внешняя нагрузка. Величина опорной реакции от внешней нагрузки зависит от места прохождения пространственного сечения и не может быть более равнодействующей сжимающих усилий на опоре.
При определении усилий в стержнях арматуры следует учитывать снижение ее сопротивления, если рассматриваемое пространственное сечение пересекает стержни в зоне их анкеровки.
В общем случае при расчете рассматривается ряд пространственных сечений с различным расположением контура пространственного сечения, каждое из которых проверяется расчетом. В качестве расчетного выбирается пространственное сечение, наилучшим образом удовлетворяющее условию (10).
Выводы
На основании экспериментально-теоретических исследований получены новые схемы разрушения многопустотных плит по продольным и пространственным сечениям.
При увеличении пролетов эффективность совместной работы плит возрастает, увеличиваются крутящие и поперечные изгибающие моменты. Поэтому для больших пролетов целесообразно применение многопустотных плит марок:
ПБ с вертикально вытянутыми пустотами, изготавливаемых методом безопалубочного формования, которые более прочны в поперечном направлении при одинаковом расходе бетона и меньшем расходе стали, благодаря отсутствию поперечной арматуры и армированию всех ребер высокопрочной напрягаемой арматурой;
ПК с уменьшенным диаметром пустот и поперечным армированием опорных участков замкнутыми сетками, хорошо воспринимающими касательные напряжения от крутящих моментов;
ПК типовых с диаметром пустот 159 мм с поперечным армированием опорных участков замкнутыми сетками и каркасами при ограничении нагрузок в зависимости от пролета.
Бетон и железобетон, 2005 №5