Категория: Руководства
Настоящее Руководство содержит рекомендации по области применения конструкций с безбалочными перекрытиями в производственных зданиях, типам и параметрам конструкций, а также основные положения по расчету и конструированию; в Руководстве особое внимание уделено сборным конструкциям как наиболее распространенным в строительстве.
При составлении Руководства учтен опыт проектирования и строительства производственных зданий, а также результаты экспериментальных исследований безбалочных конструкций.
Руководство не распространяется на конструкции зданий, возводимых на просадочных грунтах и горных выработках, в районах с сейсмичностью свыше 6 баллов и в районах Крайнего Севера, а также на конструкции зданий, возводимых методом подъема перекрытий.
Руководство разработано Центральной лабораторией теории железобетона НИИЖБа (доктора техн. наук, проф. А. А. Гвоздев и С. М. Крылов, канд. техн. наук Л. Н. Зайцев) и отделом железобетонных конструкций ЦНИИПромздаиий (кандидаты техн. наук М. Г. Костюковский и А. Н. Королев, инж. Т. В. Мурашова) при участии лаборатории железобетонных конструкций Уральского Промстройниипроекта (кандидаты техн. наук А. Я. Эпп, В. В. Чижевский).
Замечания просьба направлять по адресу: 109389, Москва, Ж-389, 2-я Институтская ул. д. 6, НИИЖБ и 127238, Москва, И-238, Дмитровское шоссе, д. 46, ЦНИИПромзданий.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1.1. Настоящее Руководство распространяется на проектирование каркасов зданий с безбалочными конструкциями в виде плоских железобетонных перекрытий, образованных гладкими плитами, которые жестко сопрягаются с поддерживающими их колоннами посредством местных утолщений - капителей.
Рассматриваются конструкции зданий с квадратной и прямоугольной сетками колони при отношении большего пролета к меньшему до 3 / 2 и отношении величин пролетов одного направления каркаса не более 4 /3.
1.2. Целесообразность применения безбалочных конструкций в каждом конкретном случае устанавливается на основании технико-экономического анализа с учетом условий эксплуатации конструкций, а в зданиях с сетками колонн более 6 ´ 6 м и с учетом повышения эффективности использования производственных площадей.
Применение безбалочных конструкций по п. 1.1. целесообразно:
при строительстве зданий, в которых по условиям размещаемых производств, эксплуатационным и другим требованиям необходимы гладкие потолки и беспустотные перекрытия, например в производственных зданиях мясокомбинатов, молокозаводов, рыбоперерабатывающих заводов, и холодильниках и т. п.;
в многоэтажных зданиях с сеткой колонн 6 ´ 6 м и большими ( ³ 1000 кгс/м 2 ) временными нагрузками на перекрытиях.
Безбалочные конструкции предпочтительны также в зданиях с агрессивными средами.
1.3. Рекомендуется применять, преимущественно типовые или одобренные Госстроем СССР для применения в строительстве сборные безбалочные конструкции заводского изготовления.
При соответствующем обосновании могут применяться монолитные безбалочные конструкции.
1.4. По наружному контуру безбалочные перекрытия могут:
свободно выступать за крайний ряд колонн в виде консолей;
иметь сопряжения с колоннами крайнего ряда при помощи полукапителей;
сопрягаться с окаймляющей балкой, поддерживаемой крайним рядом колонн;
опираться на стены.
обеспечить необходимую жесткость, сопряжений перекрытий с колоннами в системе каркаса здания;
увеличить прочность плиты перекрытия на излом;
обеспечить плиту от продавливания в месте ее опирания на колонны;
увеличить жесткость перекрытия.
Рекомендуется применять, преимущественно капитель типа 1 ( рис. 1 ). Могут также применяться капители типов 2 и 3 ( рис. 2 и 3 ), а также другие типы капителей, если это технически и экономически целесообразно.
При применении квадратных или прямоугольных в плане капителей указанных типов рекомендуется принимать:
для капители типа 1 и в пределах от 0,08 до 0,12, где и пролеты конструкции; отношение высоты hк капители в месте перелома ее очертания к толщине плиты hп в пределах от до ; полуширину капители rx и ry соответственно в направлении пролетов и не меньшей чем
для капители типа 2 величину отношений и пределах от 0,1 до 0,15;
для капители типа 3 отношения и в пределах от 0,1 до 0,15; полуширину капители rx и ry не менее 0,175 соответствующего пролета.
Очертания капителей сборных конструкций допускается принимать близко описанными у очертаний рекомендуемых капителей.
Размеры капителей всех типов в каждом конкретном случае следует назначать на основании расчетов.
1.6. Плиты перекрытий рекомендуется проектировать единой толщины в пределах температурного блока каркаса здания.
Толщину плит из тяжелого бетона с обычным армированием рекомендуется принимать не менее 1 /35 большего пролета но осям колонн для перекрытий с капителями типа 2 и не менее 1 /40 большего пролета для перекрытий с капителями типа 1 и 3.
1.7. Колонны, поддерживающие безбалочные перекрытия, следует предусматривать, как правило, сплошного квадратного сечения. Могут также применяться колонны прямоугольного и круглого сечений, а при специальном обосновании - и кольцевого сечения (например изготавливаемые методом центрифугирования).
1.8. Сборные безбалочные конструкции образуются из плит, капителей и колонн. Плиты подразделяются на межколонные (надколонные) и пролетные. Межколонные плиты опираются па капители и поддерживают пролетные плиты. Примеры рекомендуемых схем разрезки перекрытий на сборные элементы приведены на рис. 4.
Межколонные и пролетные плиты следует предусматривать, как правило, единой толщины. Может допускаться разная толщина межколонных и пролетных плит с превышением большей толщины над меньшей на 2 - 4 см.
Габаритные размеры сборных элементов должны отвечать условиям заводского изготовления на серийном оборудовании и транспортировки элементов. В связи с этим меньший размер элементов в плане следует принимать не более 3 м. В отдельных случаях при соответствующем обосновании эти размеры могут быть увеличены, но не более чем на 100 мм. Кроме того, ширину основных элементов перекрытий рекомендуется назначать, как правило, не менее 2400 мм. Доборные элементы могут быть меньшей ширины. Высота капители принимается не более 600 мм.
Колонны рекомендуются многоэтажной разрезки, т. е. длиной на несколько этажей.
1.9. При проектировании сборных железобетонных безбалочных конструкций рекомендуется предусматривать возможность монтажа каркаса здания на несколько этажей без замоноличивания сопряжений.
1.10. При устройстве в перекрытиях отверстий или проемов для пропуска инженерных коммуникаций, шахт лифтов, лестничных клеток и т.п. их следует размещать в пределах плитной части перекрытия. Устройство отверстий в пределах капителей, как правило, не рекомендуется. При необходимости в пределах капители допускается устраивать отверстия диаметром не более 200 мм.
Между капителями, в надколонной полосе монолитного безбалочного перекрытия отверстия рекомендуется размещать так, чтобы они занимали не более 0,5 ширины этой полосы, т. е. не более 0,5 ширины капители.
В сборных безбалочных перекрытиях целесообразно предусматривать специальные плиты с отверстиями, а в местах образования проемов плиты не устанавливать. В перекрытиях, в зонах, примыкающих к проемам, могут использоваться доборные плиты и капители, а в случае крайней необходимости и полукапители. В отдельных случаях при образовании отверстий допускается устраивать монолитные участки перекрытии.
Наличие отверстий и проемов в перекрытиях должно учитываться расчетом.
История. В деревянных и стальных конструкциях, собираемых из отдельных элементов, балки являются необходимыми частями конструкций. В бетонных монолитных конструкциях балки как таковые могут отсутствовать, хотя это делает перекрытие более гибкими при той же толщине плит. Без поддерживающих балок колонны имеют тенденцию продавливать плиты перекрытия. Поэтому первые безбалочные перекрытия делались над колоннами, имевшими расширяющуюся вверх часть типа капители. Патент на такую конструкцию впервые был зарегистрирован в США Орлано Норкросом в 1902 году. В 1908 году в Москве по руководством А.Ф.Лолейта было запроектировано и построено четырехэтажное здание склада молочных продуктов с безбалочными перекрытиями.
Увеличение размеров оголовников колонн было характерной чертой этого решения конструкций и поэтому оно было также известно под термином "грибовидные перекрытия".
Методы расчета
Расчет безбалочной плиты по методам теории упругости разрабатывался различными авторами, однако несмотря на математическую строгость, эти методы страдают существенными недостатками и не позволяют реально оценить работу конструкций. Ниже приведены методы расчета безбалочной плиты, разработанные на экспериментальной основе.
Для расчета полагают, что опорные реакции на капителях распределены по треугольнику, а расчетный пролет панели принимают расстоянию между центрами тяжести этих треугольников. Общий суммарный изгибающий момент: M = 1/8 WL(1-2c/3L)(1-2c/3L), где W- полная нагрузка на ячейку перекрытия, L- шаг колонн, с- размер капители. Это уравнение было получено Дж. Р. Никольсом в 1914 году. К 1917 году формула Никольса была принята Объединенной американской комиссией и введена в строительные нормы ACI для проектирования безбалочных перекрытий с капительными колоннами. Более точная методика оценки моментов, основанная на теоретических и экспериментальных исследованиях Вестергарда и Слейтера, появилась в 1925 году. Этот метод был включен в строительные нормы стран всего мира.
У нас данный метод расчета известен, как инструкция ЦНИИПСа 1933 года, разработанная А.А.Гвоздевым и В.И.Мурашевым. Для квадратной панели M 0 =1/8 WL(1-2c/3L)(1-2c/3L). Для определения моментов в расчетных сечениях и для конструирования арматуры безбалочное перекрытие делят в плане на надколонные и пролетные полосы с шириной каждой полосы, равной половине расстояния между осями колонн в каждом направлении. В каждой полосе возникают положительные и отрицательные моменты, причем в надколонной полосе моменты больше, чем в пролетной полосе. По ширине полосы моменты изменяются по некоторой кривой, но для практического расчета принимают ступенчатое изменение моментов, принимая их постоянными по ширине полосы.
Учитывая возможное перераспределение моментов вследствие пластических деформаций, величины моментов в четырех расчетных сечениях панели плиты определяют с таким расчетом, чтобы сумма их равнялась балочному моменту М 0 . Для средней панели безбалочного перекрытия принимают:
М 1 + M 2 + М 3 + М 4 = М 0
Рис.1 a - схема прогибов безбалочного перекрытия при наличии рандбалок; б - разбивка безбалочного перекрытия на надколонные и пролетные полосы; в - эпюры расчетных моментов в этих полосах; г - схема расположения расчетных моментов.
В крайнем пролете на величину моментов оказывает влияние степень защемления плиты наружными колоннами и наличие полосовой опоры на обвязочной балке или стене. В крайнем пролете расчетные моменты плиты находят из соответствующих моментов средних пролетов путем умножения их на коэффициенты согласно табл.
Опорный момент на первой промежуточной опоре
Пролетный момент в первом пролете
Опорный момент на крайней опоре
Коэффициенты a, b, g определяются по графику в зависимости от соотношения суммы погонных жесткостей верхней и нижней крайних колонн к погонной жесткости плиты.
Распределение моментов по полю безбалочной безкапительной плиты при квадратных и равнопролетных прямоугольных панелях с отношением сторон до 1,33 мало отличается от распределения моментов в обычных безбалочных перекрытиях.
Расчет безбалочных перекрытий с неравными пролетами производится по методу заменяющих рам. В каждом направлении безбалочное перекрытие заменяется многопролетной рамой с ригелем в виде плиты и с колоннами примыкающими к узлу и защемленными на противоположных концах. Ширина ригеля принимается равной полусумме прилегающих пролетов плиты перпендикулярного направления. Расчетная длина ригеля устанавливается с учетом капителей так же, как в равнопролетных перекрытиях; расчетная длина колонн принимается равной L 0 =L к -С/2.
Рамы каждого направления расчитываются на полную нагрузку без учета шахматного или полосового расположения полезной нагрузки. Возможность расчета по одной такой схеме загружения обуславливается выравниванием моментов вследствие пластических деформаций.
Полученные из расчета рамы изгибающие моменты ригелей распределяются между надколонными и пролетными полосами следующим образом: а) положительный момент - 45% на пролетную полосу и 55% на надколонную полосу; б) отрицательный момент - 25% на пролетную полосу и 75% на надколонную полосу. В крайних (пристенных) панелях расчетные моменты в направлении края перекрытия определяют согласно табл.2.
Безкапительные перекрытия.
Расширенные оголовники колонн впервые были исключены из конструкции Джозефом Ди Стасио в 1940 г. Это уменьшило площадь перекрытия, воспринимающую реакцию колонн, и поэтому было необходимо ввести дополнительную поперечную арматуру для восприятия перерезывающих сил или увеличивать размеры колонн (толщину перекрытий) больше чем требовалось. Для того чтобы отличить плиты перекрытий с бескапительными колоннами от плит с капительными колоннами (flat slab). им было дано специальное название flate plate. назовем в дальнейшем плоское перекрытие.
Безбалочные перекрытия с безкапительными колоннами представляют собой предельно простые конструкции, состоящие из железобетонных плит одинаковой толщины и колонн постоянного сечения. Это упрощает опалубочные работы, а также арматурные работы и бетонирование. Всвязи с тем, что при безкапительных конструкциях колонны имеют постоянное сечение, их легко сопрягать со стенами и перегородками между колоннами. Поэтому они удобны для административных зданий и жилых домов.
Безбалочные перекрытия имеют наименьшую наименьшую конструктивную высоту, ровный и гладкий потолок, дают возможность свободно расположить внутреннее оборудование. Инженерные сети, не встречающие препятствий подвешиваются к плите. В случае необходимости устраивают подшивной потолок.
В безкапительных конструкциях задача ограничения прогибов более сложна, чем в капительных. Из-за общей небольшой толщины перекрытий и отсутствия капителей прогибы плит перекрытий относительно велики. Дополнительные деформации ползучести, по крайней мере, вдвое увеличивают величину упругих прогибов. Эта проблема не была полностью преодолена до конца 50-х годов ХХ века, когда в ряде зданий с бескапительными колоннами обнаружились треснувшие перегородки и раздавленные окна.
Каркас унифицированный безбалочный КУБ.
В СССР также проводились разработки безбалочного перекрытия. Впервые плоское перекрытие было применено в 60-х годах для высотной гостиницы во Владивостоке. Шаг колонн 6х6м, плиты 2,8х2,8 с учетом шва замоноличивания 0,2м, соединение плит между собой с применением петлевого стыка. Наиболее сложный узел - примыкания к колонне - решен приваркой закладной коробчатой детали плиты к продольной рабочей арматуре колонны.
К граням коробки приварены арматурные стержни для восприятия скалывающих напряжений, растягивающих усилий от опорных изгибающих моментов и местных растягивающих усилий, вызванных продавливанием.
Такой железобетонный каркас получил название "каркас унифицированный безригельный". Были разработаны модифицированные варианты системы КУБ для различных нагрузок и условий изготовления. Однако широкого применения данные серии не получили.
В настоящее время, когда отброшена идеология индустриализации, широкое распространение получают более экономичные монолитные железобетонные конструкции, которые дают возможность получить более гибкие архитектурно-планировочные решения. Главной проблемой остается отсутствие культуры производства у подрядчика с богатым "совковым" наследием. Наиболее простым в изготовлении является плоское перекрытие. Повышенный расход бетона компенсируется простотой опалубки. В результате стоимость и сроки строительства данных перекрытий ниже традиционных балочных. Как следствие монолитные плоские перекрытия получают массовое распространение.
Однако в отечественной литературе и нормативных документах конструкция плоских перекрытий отсутствует, как класс. Действующие нормы не дают проектировщикам ответы на многие вопросы. Возможно данная ситуация произошла по причине ориентации СССР в строительстве сборный железобетон. В академиях до сих пор обучают студентов советским методам.
В настоящее время имеются следующие документы:
Руководство по проектированию железобетонных конструкций с безбалочными перекрытиями, Москва, 1979.
Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций, Москва, 1975.
Что же делать проектировщикам. Стремясь обезопасить от рисков каждый проектировщик посвоему завышает расчетные коэффициенты запаса прочности. Широкое распространение получает расчет конструкций с применение программ конечно-элементного анализа. Однако в случае возникновения аварийных ситуаций вся ответственность лежат на конструкторе. Разработчики программного обеспечения, даже предоставляя соответствующие сертификаты, не берут на себя ответственности по полученным расчетам.
Кроме того за редким исключением программы могут корректно расчитывать железобетонные элементы по предельным состояниям 2-й группы (прогибы) с учетом реального армирования. Слепая вера в результаты расчетов программы могут привести к фатальным последствиям. Из имеющегося строительного програмного обеспечения я бы рекомендовал Robot Millennium. Однако, для использования любой программы нужно в первую очерень инженерная интуиция, а только затем умение работать с программой и знание ее возможностей и области применения. Любые результаты машинных расчетов необходимо проверять грубыми ручными способами, чтобы избежать значительных ошибок.
Конструирование. Проблемой конструирования плоских перекрытий является зона опирания плиты на колонны. В данном месте возникает максимальный изгибаемый момент и поперечная сила. Если с моментом все относительно понятно, то обеспечить восприятие продавливания бывает достаточно сложно при стандартных габаритах колонн и толщине перекрытий. Обеспечить восприятие продавливания можно за счет дополнительного армирования, увеличения толщины перекрытия или увеличения периметра колонны. Увеличить колонну можно не только увеличив ее сечение. Если вытянуть колону (сделать прямоугольной), то при увеличении периметра, ее сечение может остаться прежним. Такую колонну проще разместить в составе межквартирных перегородок.
Также возможно устройство металлической капители в теле плиты. На фотографии приведена металлической капители гостиницы "Виру" в Талине (шаг колонн 8х8 м, толщина перекрытия 27 см).
Еще одно "тонкое" место - опирание наружных ненесущих кирпичных стен. Данный участок часто требует усиления. Устройство обвязочной балки решает проблему, но усложняет конструкцию опалубки. Можно уменьшить шаг колонн по наружному контуру. Однако сложно сказать, какое из двух зол меньше. Как вариант предлагается введение сплошной металлической закладной из швеллера по наружному краю в дополнение к усиленному армированию.
Разновидностью безбалочных перекрытий можно считать часторебристые перекрытия, где при больших пролетах и значительной толщине плиты облегчение конструкции достигается установкой на плоской опалубке полых вкладышей из картона, асбестоцемента, фанеры или других материалов.
И на последок, какой же все таки оптимальный пролет для безбалочных перекрытий? Наиболее экономичным является небольшой шаг колонн, порядка 4,5-4,8м, при этом для жилья можно получить практически любую планировку. Увеличение числа колонн не приводит к существенному возрастанию стоимости, в то время как использование более тонких плит перекрытия обеспечивает значительное ее снижение. По зарубежной литературе максимальный шаг колонн для плоских перекрытий составляет до 7,5м. Но часто шаг колонн определяется по архитектурным и технологическим соображениям. Для устройства гаражей в подвальной части здания шаг колонн приходится увеличивать.
В моей практике наибольший применяемый пролет для плоских перекрытий составлял 6,0 м, и для перекрытий с капителями 8,0м. Стоит обратить внимание на рациональность использования разгружающих консолей вылетом около 0,2L или уменьшение крайних пролетов.
Литература.
1. Железобетонные конструкции, А.Ивянский, 1961
2. Железобетонные конструкции, В.Мурашов, Э.Сигалов, В.Байков, 1962.
3. Строительная наука XIX-XX вв, Генри Дж.Коуэн, 1982
4. Конструкции высотных зданий, Ю.Козак, 1986.
5. Конструкции высотных зданий, В.Шуллер, 1979.
6. Проектирование жилых зданий, Дж.Максаи, Ю.Холланд, 1979.
7. Возведение многоэтажных зданий, У.Палл, К.Эхала
МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1979
В Руководстве даны рекомендации по расчету и конструированию каркасов зданий с безбалочными перекрытиями.
Предназначено для инженерно технических работников проектных организаций, научных работников и студентов строительных вузов.
Настоящее Руководство содержит рекомендации по области применения конструкций с безбалочными перекрытиями в производственных зданиях, типам и параметрам конструкций, а также основные положения по расчету и конструированию; в Руководстве особое внимание уделено сборным конструкциям как наиболее распространенным в строительстве.
При составлении Руководства учтен опыт проектирования и строительства производственных зданий, а также результаты экспериментальных исследований безбалочных конструкций.
Руководство не распространяется на конструкции зданий, возводимых на просадочных грунтах и горных выработках, в районах с сейсмичностью свыше 6 баллов и в районах Крайнего Севера, а также на конструкции зданий, возводимых методом подъема перекрытий.
Руководство разработано Центральной лабораторией теории железобетона НИИЖБа (доктора техн. наук, проф. А. А. Гвоздев и С. М. Крылов, канд. техн. наук Л. Н. Зайцев) и отделом железобетонных конструкций ЦНИИПромздаиий (кандидаты техн. наук М. Г. Костюковский и А. Н. Королев, инж. Т. В. Мурашова) при участии лаборатории железобетонных конструкций Уральского Промстройниипроекта (кандидаты техн. наук А. Я. Эпп, В. В. Чижевский).
JavaScript is currently disabled. Please enable it for a better experience of Jumi.
Полная версия документа доступна для тарифа «Разумное предложение» или «Все включено»
Приведены расчеты на продавливание монолитного безбалочного перекрытия в соответствии с действующими нормами. Рассмотрено влияние различных факторов на обеспечение прочности стыка колонны и перекрытия, таких как класс бетона, толщина плиты перекрытия, наличие поперечного армирования. Определены предельные равномерно распределенные нагрузки для плит с различной сеткой колонн. Целью исследования является расширение применения безкапительных перекрытий.
Библиографический список
