Ягофаров Хабид – Профессор кафедры строительных конструкций
и строительного производства Уральского государственного
университета путей сообщения, г.Екатеринбург,
доктор технических наук
Ягофаров Анвар Хабидович – Доцент кафедры строительных конструкций
и строительного производства Уральского государственного
университета путей сообщения, г.Екатеринбург,
кандидат технических наук
Конструкции из монолитного железобетона нашли широкое применение как при новом строительстве, так и при реконструкции зданий.
Плоская безбалочная бескапительная плита перекрытия из монолитного железобетона привлекает простотой опалубки. Однако отсутствие научно-обоснованной методики расчета и конструирования приводит иногда к ошибкам проектирования, результатом которых является или возведение ненадежных перекрытий, или перерасход материалов [1].
Наиболее нагруженным, а потому и наиболее ответственным участком плоской плиты перекрытия каркасного здания является опорная зона. Именно здесь достигают максимального значения и изгибающий момент, и поперечная сила.
В отечественной практике проектирования опорный изгибающий момент воспринимается арматурными стержнями двух взаимно перпендикулярных направлений, устанавливаемых с шагом 100-150 мм в верхней зоне плиты. Поперечная сила воспринимается поперечной арматурой – вертикальными стержнями, устанавливаемыми с шагом 50-70 мм в обоих направлениях.
Для удобства монтажа поперечная арматура посредством горизонтальных стержней объединяется в сварные сетки, устанавливаемые вертикально в опорной зоне плиты.
В зарубежной практике в качестве поперечной арматуры часто используются шпильки, соединяющие верхнюю рабочую и нижнюю конструктивную арматуру.
В любом случае опорная зона плиты перенасыщена арматурой, что затрудняет бетонирование. Уплотнение бетона в опорной зоне плиты возможно только игольчатыми вибраторами, что малопроизводительно и некачественно.
С другой стороны армирование опорной зоны плиты «сплошное», т.е. не учитывает характер распределения усилий или, иначе говоря, эпюр изгибающих моментов и поперечных сил. Последнее свидетельствует о нерациональном размещении арматуры в опорной зоне плиты.
Данная статья посвящена вопросу совершенствования армирования опорной зоны плоской плиты каркасного здания.
Принятая на сегодня методика расчета плоской плиты на поперечную силу основана на пирамиде продавливания [2, 3]. Схема для расчета плоской плиты с вертикальной арматурой на продавливание приведена на рис.1. К недостаткам этой схемы можно отнести следующее:
— оставлена неармированная зона вокруг колонны шириной «с» где возможен срез плиты;
— армирование сплошное, о недостатках которого сказано выше.
Ниже рассматриваются альтернативные варианты армирования опорной зоны плоской плиты.
Рис.1. Схема для расчета на продавливание железобетонной плиты с равномерно распределенной поперечной арматурой
Скрытая консоль
Скрытая консоль (рис. 2) состоит из нескольких ветвей жесткой арматуры 1, веером расходящихся от оси колонны. Ветви жесткой арматуры скреплены друг с другом посредством обрезка трубы 2, размещенной по оси колонны.
Труба с одной стороны обеспечивает защемление ветвей жесткой арматуры, а с другой не затрудняет бетонирование колонны и плиты.
Конструкция признана изобретением [4].
Рис. 2. Схема для расчета на продавливание железобетонной плиты с радиальной жесткой поперечной арматурой
Можно отметить следующие преимущества предложенного армирования над традиционной:
— жесткая арматура способна воспринять всю поперечную силу, оставляя прочность бетона на продавливание в запас прочности;
— жесткая радиальная арматура совместно с кольцевой воспринимает часть опорного изгибающего момента, уменьшая сечение традиционной рабочей арматуры в верхней зоне плиты;
— радиальная арматура расходится веером, а кольцевая арматура устанавливается с переменным шагом. Это с одной стороны снимает остроту насыщения арматурой опорной зоны плиты, а с другой стороны соответствует эпюрам усилий, т.е. размещается рационально;
— жесткая вставка в опорной зоне плиты приводит к перераспределению изгибающего момента плиты, увеличивая опорный и уменьшая пролетный изгибающий момент. В силу этого увеличиваются жесткость и трещиностойкость плиты;
— арматура опорной зоны в сборе представляет собой пространственную конструкцию заводского изготовления, что облегчает монтаж арматуры в опорной зоне плиты.
Стержневая радиальная арматура (рис. 3)
Здесь вместо жесткой радиальной арматуры использованы вертикальные сварные сетки 1 радиального размещения. Верхние стержни сеток скреплены друг с другом посредством обрезка трубы 2, которая равнопрочна соединяемым стержням.
Отличие узла со стержневой радиальной арматуры от узла с жесткой радиальной арматурой состоит в следующем:
— поперечная сила плиты воспринимается вертикальной арматурой радиальных сеток совместно с бетоном;
— стержневая радиальная арматура не приводит к перераспределению изгибающего момента плиты.
С целью сравнительной оценки расхода стали на арматуру выполнены расчеты для конкретного случая со следующими исходными данными: сетка колонн 6×6 м, сечение колонн 300×300 мм, полная расчетная нагрузка равна 12,5 кН/м2, класс прочности бетона В25, толщина плиты 180 мм, среднее значение расчетной высоты плиты 150 мм.
Рис. 3. Схема для расчета на продавливание железобетонной плиты с радиальной стержневой поперечной арматурой
Полный объем статических и конструктивных расчетов изложен в [5]. Они достаточно громоздки и здесь не приводятся, а анализируются только их результаты.
Характеристика поперечной арматуры по результатом расчетов приведена в табл.1.
Технические достоинства вариантов армирования опорной зоны плиты приведены в табл.2.
Анализ технических и экономических характеристик вариантов поперечного армирования опорной зоны плоской плиты показал следующее:
— предложенные варианты армирования позволяют повысить качество плит в целом;
— расход стали на жесткую арматуру (вариант 2) превышает этот показатель для стержневой арматуры (вариант 1) на 72,5% и 10% в случае неучета и учета прочности бетона на продавливание соответственно;
— третий вариант армирования с радиально расположенными арматурными сетками обеспечивает минимальный расход стали и достаточную надежность и может быть рекомендован к применению в зданиях II – нормального уровня ответственности [6];
— второй вариант армирования без учета прочности бетона на продавливание требует большого расхода стали, но обеспечивает повышенную надежность и применение его оправданно в зданиях I – повышенного уровня ответственности, а также при большой нагрузке (более 25-30 кН/м2) и большого пролета (более 6,5-7,0 м);
— второй вариант армирования становится конкурентно способным по расходу стали первому варианту при учете прочности бетона на продавливание.
Скрытая капитель с жесткой радиальной арматурой (рис. 4)
При увеличении длины ветвей жесткой радиальной арматуры до полной ширины опорной зоны (0,45-0,5 пролета плиты).
Это конструкция заводского изготовления, объединяющая кроме поперечной арматуры арматуру, воспринимающую опорный изгибающий момент плиты.
Здесь поперечная сила полностью или совместно с бетоном воспринимается жесткой арматурой, а опорный изгибающий момент воспринимается кольцевой арматурой совместно с радиальной жесткой арматурой.
Дополнительно предусмотрены радиальные стержни для силовой связи кольцевой арматуры с традиционной продольной арматурой. Радиальные стержни поддерживают кольцевую и продольную арматуру в проектном положении на период бетонирования плиты. Для этого радиальные стержни выполнены в виде скоб с опиранием на опалубку и скреплены друг с другом одними концами, образуя неизменяемую систему.
Рис. 4. Фрагмент скрытой капители с кольцевой жесткой радиальной арматурой и фрагмент традиционной арматуры в верхней зоне плиты
Скрытая капитель со стержневой арматурой (рис. 5)
Здесь жесткая радиальная арматура заменена сварными арматурными сетками, установленными радиально. Поперечная сила воспринимается поперечной арматурой сеток совместно с бетоном, а опорный изгибающий момент – кольцевой арматурой совместно с верхними стержнями радиальных сеток. Для этого последние скреплены друг с другом по оси колонны посредством обрезка трубы.
Рекомендуемые области применения конструкций скрытой капители те же, что и аналогичные конструкции скрытой консоли.
Сечения арматуры на рис.4 и 5 рассчитаны для тех же исходных данных, что и сечения элементов скрытой консоли (см. рис.2 и 3).
Рис. 5. Фрагмент скрытой капители со стержневой радиальной и кольцевой арматурой и фрагмент традиционной арматуры в верхней зоне плиты
Вывод
Конструкция плоской плиты перекрытия из монолитного железобетона еще далека от совершенства.
Предложенные варианты армирования опорной зоны плиты позволяют улучшить конструкцию плиты как в техническом плане, так и в отношении экономии материалов.
Библиографический список
- Карпенко С.Н., Чепизубов И.Г. Способ усиления и расчета усиленных монолитных железобетонных перекрытий. Промышленное и гражданское строительство. — М., 2005. № 8. С. 27-28.
- СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры / ГУП «НИИЖБ», - М.: ФГУП ЦПП, 2004. 54 с.
- Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП-52-101-2003)/ ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. - М.: ОАО «ЦНИИПромзданий», 2005. – 214 с.
- Ягофаров Х., Ягофаров А.Х. Патент №2309228. Безбалочное перекрытие.
- Ягофаров Х., Ягофаров А.Х. Железобетонные конструкции. Проектирование плоской плиты перекрытия. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / УрГУПС, – Екатеринбург, 2007. – 36 с.
- СНиП 2.01.07 — 85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2002. – 44 с.