Железобетонные плиты оболочки

Наружные и внутренние стеновые панели – это крупноразмерные бетонные или железобетонные изделия заводского изготовления, обеспечивающие высокие темпы возведения сборных стен. Производство наружных стеновых панелей регламентирует ГОСТ 11024-2012, внутренних – ГОСТ 12504-2015. Бетонными называют изделия, прочность которых обеспечивает только бетон, прочность железобетонных изделий обеспечивает совместная работа бетона и арматурных элементов. Области использования этой строительной продукции – гражданское многоэтажное и индустриальное строительство.

Классификация

Наружные и внутренние панели классифицируются по нескольким признакам.

По назначению:

  • для наземных этажей;
  • для цоколей и технических подвалов;
  • для чердака.

По статической схеме работы наружные ЖБИ:

  • несущие;
  • поэтажно несущие;
  • самонесущие;
  • ненесущие (навесные).

Внутренние стеновые ЖБИ разделяют на несущие и ненесущие.

По количеству слоев:

  • однослойные;
  • двухслойные;
  • трехслойные.

Наружные стеновые ЖБИ панели: виды и их характеристики

Эти ЖБИ чаще всего изготавливают высотой на один этаж и длиной на одну или две комнаты. Железобетонные стеновые панели оснащают подъемными петлями, облегчающими монтаж, и закладными элементами, которые обеспечивают удобную связь конструктивных элементов здания.

Однослойные

Для изготовления этой продукции обычно используют конструктивно-теплоизоляционный автоклавный ячеистый бетон или бетон, изготовленный с использованием пористых заполнителей. По контуру эти ЖБИ усиливают сварной арматурной сеткой, над оконными проемами – объемным каркасом.

С внешней стороны такие панели защищают цементно-песчаным раствором, а с внутренней – паропроницаемыми декоративными растворами. Толщина защитного слоя определяется климатическими условиями региона. Снаружи стену отделывают керамическими, стеклянными, каменными плитками, дроблеными каменными материалами.

Однослойные панели из легких или ячеистых бетонов обычно применяются в регионах с теплым или умеренным климатом. В холодных районах использование таких ЖБИ экономически нецелесообразно из-за большой толщины стен, которая необходима для обеспечения эффективной теплозащиты внутреннего пространства. В регионах с влажным климатом и сильными ветрами наружную часть дома защищают плотным толстым защитным слоем, листовыми или плитными влагостойкими материалами.

Двухслойные

Эта серия ЖБИ состоит из внутреннего несущего слоя, для изготовления которого используются конструктивные бетоны. Наружный слой производят из конструктивно-теплоизоляционного легкого бетона. Толщина теплоизоляционного слоя в двухслойных железобетонных стеновых панелях – не менее 100 мм.

Для регионов с сухим климатом подходят изделия с крупнопористым теплоизолятором, с влажным – с плотным утеплителем.

Трехслойные железобетонные стеновые панели

Наружный и внутренний слои изготавливаются из конструктивных бетонов – тяжелых или плотных легких. Толщина промежуточного слоя в железобетонных панелях зависит от теплопроводности материала и необходимых теплозащитных свойств. Толщина наружных слоев зависит от величины эксплуатационных нагрузок. Связи между внутренним и наружным бетонными слоями – жесткие или гибкие.

Трехслойные изделия можно подобрать для любых эксплуатационных условий. Меняя класс прочности бетона, толщину бетонных слоев, схему армирования, можно получать требуемую прочность стеновой конструкции.

Внутренние стеновые ЖБИ

Размеры внутренних стеновых железобетонных панелей:

  • длина – до 10 м;
  • ширина – до 3,5 м;
  • толщина – 100-200 мм.

Вес внутренних железобетонных панелей – до 12 т. Арматура во внутренних панелях из силикатного и ячеистого бетона, используемых в помещениях с повышенной влажностью, должна обрабатываться антикоррозионными составами. Внутренние панели из автоклавного бетона, эксплуатируемые в комнатах с влажностью воздуха более 60 %, нуждаются в пароизоляционном гидрофобном покрытии.

Стеновые панели для цокольного этажа и технического подполья

Для цокольного этажа и технического подполья используют ЖБИ:

  • двухслойные наружные, ненесущие и несущие;
  • однослойные наружные, ненесущие и несущие.

Вид и эксплуатационные характеристики паро- и гидроизоляционного покрытия устанавливаются в проектной документации.

Железобетонные плиты получили огромную популярность практически сразу после выхода на рынок. В отличие от архаичных деревянных перекрытий они во много раз надёжнее и обладают такими преимуществами, как:

  • огнеупорность,
  • влагостойкость,
  • долгий срок эксплуатации.

Железобетонные плиты не гниют и могут сохранять все свои свойства при высоких температурах и влажности. Это идеальный материал для строительства промышленных и жилищно-коммунальных объектов.

Железобетонные плиты в своё время изменили каноны строительства. Их низкая стоимость и высокие эксплуатационные качества произвели настоящий фурор на рынке. Из-за этого многие строительные компании вынуждены были бросить свой бизнес или переориентироваться.

Настоящим шоком для строителей и конструкторов стала длина одной железобетонной плиты, которая достигала семи с половиной метров. Это изменило саму суть архитектуры. В результате появились не только новые здания, но и технологии их быстрого возведения.

Виды железобетонных плит

Дорожные железобетонные плиты

Благодаря этой технологии стало возможным создание сложных автомобильных развязок. Ни один автобан или магистраль не обходится без этих конструкционных элементов.

Дорожные железобетонные плиты сохраняют свои эксплуатационные свойства даже при температуре в -40 градусов по Цельсию. Использование этих изделий при постройке дорог позволяет в значительной мере увеличить надёжность всего полотна.

Данные изделия выпускаются в двух вариантах: с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой. Средняя плотность бетона составляет 2200—2500 кг/м3. Дорожные железобетонные плиты могут выдерживать нагрузку класса Н-30 и Н-10.

Поверхность изделий имеет специальное рифление. При создании конструкции применяется бетон, который по водонепроницаемости и морозостойкости отвечает параметрам F200 и W4.

Важно! Дорожные железобетонные плиты могут быть разного размера. Чаще всего используют изделия с параметрами 1750х3000 мм.

Отдельного упоминания заслуживают аэродромные железобетонные плиты. Они способны выдерживать повышенные нагрузки. При создании данной конструкции используется усиленный каркас и бетон не ниже марки М350.

Пустотные железобетонные плиты

ПЖП используются при строительстве межэтажных перекрытий. Толщина одного изделия 220 мм, длина от полутора до шестнадцати метров. Стандартная ширина может быть 1, 1,2 1,5, метра. Также возможен подбор индивидуальных параметров.

Пустоты в железобетонных плитах обеспечивают тепло- и звукоизоляцию. Отверстия могут быть как круглыми, так и овальными. Наличие пустот в конструкции значительно облегчает вес, что сказывается на скорости монтажа и общей структуре здания.

Современные технологии позволяют изготовлять большие партии в короткие сроки. Нагрузка на железобетонные плиты может достигать 1250 кгс/м2. В процессе производства используется бетон разных марок.

Важно! Монтаж реализуется посредством петель, которые позволяют доставить конструкцию в положенное место с минимальными трудозатратами (используется специальное оборудование).

Плоские железобетонные плиты

ПЖП являются несущей частью перекрытий в панельных зданиях. При этом расчётная нагрузка не должна превышать 6 кПа. Железобетонные плоские плиты могут выдержать сейсмический удар силой до 7 балов. Они устанавливаются на несущие конструкции с двумя, тремя и четырьмя точками опоры.

Основным материалом, из которого изготавливаются изделия, является тяжёлый, средней и лёгкой плотности бетон. При этом используется напрягаемая и ненапрягаемая арматура. Также допускается применение проволоки класса Вр-1. Все конструктивные элементы должны отвечать ГОСТам.

Грани плоских железобетонных плит могут иметь скосы. Они служат для состыковки изделий между собой. Также подобная конструкционная особенность препятствует сдвигам. Швы между ПЖП заливаются бетонным раствором.

Транспортируются ПЖП в штабелях. Для того чтобы изделия в процессе транспортировки не повредились, используются специальные прокладки, обеспечивающие зазор между железобетонными плитами.

В кузове машины плоские железобетонные плиты укладываются продольно оси по направлению в сторону движения. Разгрузка и погрузка осуществляется при помощи автокрана. Специальные монтажные петли в значительной мере ускоряют этот процесс.

Железобетонные плиты покрытия

Данные изделия применяются, когда нужно завершить постройку. Чаще всего подобная необходимость возникает в промышленных зданиях, где строители не хотят тратить лишние средства на установку полноценного чердака.

В дальнейшем такая крыша покрывается специальным отделочным материалом. Чаще всего это битум или жидкая резина. Данные вещества обеспечивают отличную гидроизоляцию, а их стоимость находится на низком уровне.

Железобетонные плиты покрытия отлично сочетаются с теплоизоляционными материалами. К тому же монтаж водостоков и других инженерных систем не занимает много времени и сил. Изделия делятся на два типа в зависимости от методов монтажа: стандартные и ребристые.

Конструкции с ребристой поверхностью позволяют сделать крышу более прочной. Также эта форма в значительной мере упрощает процесс отделки. В производстве чаще всего задействуется напряжённая арматура. Она обеспечивает долговечность.

Большую роль в конструкции играет армированная металлическая сетка. Она покрывается слоем бетона до 2 см. Это защищает арматуру от враждебного действия внешней среды.

Железобетонные плиты покрытия имеют высокий уровень пожарной безопасности. Некоторые модификации выдерживают нагрузку до 1500 кг/м2. Такие изделия применяются в местах с повышенным уровнем осадков. Мало того, такая прочность даёт возможность при необходимости возвести ещё несколько этажей.

Обычно в процессе строительства используют железобетонные плиты 3Х6 и 2Х12. Но конечно же, возможны и исключения. Иногда на заводах создаются специальные модификации под конкретные задачи.

Толщина изделий варьируется от 250 до 455 мм. Но существуют и более толстые варианты. Увеличение толщины даёт уменьшение веса, соответственно минимизируется нагрузка на несущие конструкции.

В структуре железобетонных плит нельзя обойтись без закладных элементов. Они выполняются из стали и могут свариваться с арматурой соседних изделий. Это обеспечивает прочное соединение.

Изделия транспортируются на специальных грузовиках и используются в самом конце строительных работ. Они подходят практически для любого типа строительства и обладают высокой прочностью и надёжностью.

Производство железобетонных плит

Главным элементом железобетонных плит выступает бетон. Этот материал делается посредством смешивания цемента с песком и щебнем. Он обладает высоким сопротивлением к сжатию, но легко поддаётся растяжению. Чтобы увеличить прочность данного материала применяется арматура. Она делается из композита и стали.

Важно! Бетон защищает арматуру от коррозии.

Щебень выступает в роли инертного материала. Между ним и цементом не происходит реакции. Его также называют заполнителем. Он существенно влияет на структуру железобетонной плиты.

В производстве железобетонных плит используют щебень разных фракций от мелкого и до крупного. Выбор во многом зависит от назначения конструкции, а также требований, которые стоят перед конструктором.

Арматура бывает двух видов: рабочая и монтажная. Первый вид являет собой нижнюю часть железобетонной плиты. Он работает на изгиб. Второй является скелетом конструкции.

Важно! В качестве альтернативы стальным прутам может применяться проволока.

В процессе изготовления железобетонных плит используется напряжённый железобетон. Специальные технологии позволяют залить арматуру в монолит, когда та находится в частично напряжённом виде. Это делается из-за того, что железобетонные плиты перекрытий должны эффективно противостоять изгибу и компенсировать нагрузку, создаваемую конструкцией пола и весом дополнительных предметов на нём.

Технологический процесс

Всё начинается с создания предварительного чертежа. На его основе создаются будущие изделия. Обычно весь процесс состоит из таких этапов:

  1. В специально подготовленную форму устанавливается каркас из арматуры. Обычно для этого используют ребристые стержни. Их предварительно натягивают при помощи разогрева электрическим током или домкрата.
  2. Стержни закрепляются на бортоснастке формы.
  3. Дальнейший процесс производства осуществляется на основе конвейерной линии, специальных стендов, роликового формования или проката.
  4. После формирования основной структуры железобетонная плита отправляется на тепловую обработку. Для этого используются специальные камеры. Тепловая обработка позволяет в значительной мере увеличить скорость затвердевания бетонной массы. За 10 часов в камере изделие набирает порядка 60 процентов прочности. Обычно для этого нужно не менее 25 суток в обычных условиях.
  5. После того как изделие обрело необходимую прочность убираются крепления на стенках формы, которые фиксировали арматурные стержни.
  6. Стержни сжимают по длине. В результате формируется необходимое состояние всей конструкции.

Это канонический производственный процесс железобетонной плиты. Но многие компании стараются привнести в него что-то своё, чтобы добиться большей производительности и уменьшения себестоимости.

Правила монтажа железобетонных плит

 

Во время укладки перекрытий строители в первую очередь ориентируются на СНиПы. Соблюдение всех норм и стандартов гарантирует безопасность и длительный срок эксплуатации конструкции.

Железобетонные плиты укладываются на стены здания. При этом они должны опираться на несущую стену не менее чем на 12 сантиметров. Изделия могут укладываться с применением раствора и без него. Размер технологичного шва лежит в диапазоне от 5 до 20 см. Идеальный параметр 7—8 сантиметров. Если шов слишком широкий, то в дальнейшем придётся потратить много времени и раствора на его заделку.

Естественно, правила укладки, допустим, дорожных железобетонных плит разительно отличаются от правил монтажа пустотных. Но начальный этап одинаков в обоих случаях. Перед установкой плиты тщательно осматриваются. При этом обязательно наличие маркировки на каждой конструкции. Если есть трещины шириной более 1 мм по всей длине, железобетонная плита заменяется.

Итоги

В зависимости от типа конструкции и её назначения строители используют тот или иной вид железобетонных плит. При этом существует огромное количество модификаций и типов, рассчитанных под определённое строительство.

  • Баня из газобетонных блоков своими руками
  • Приготовление бетона вручную: пропорции, таблица
  • Бетон своими руками
  • Шлакоблоки своими руками в домашних условиях

В практике проектирования встречаются довольно сложные по конфигурации и форме монолитные конструкции и их элементы. При расчете таких конструкций актуальными оказываются вопросы их корректного моделирования в расчетной схеме — с использованием средств, предоставляемых универсальными расчетными программами . В частности, это касается моделирования таких, казалось бы, простых конструкций, как ребристые перекрытия, сборные ребристые плиты и плиты типа 2 Т, которые могут входить в состав того или иного сооружения или отдельной конструкции.

Ребристое перекрытие (рис. 1) состоит из плиты (балочной или опертой по контуру), второстепенных и главных балок. Все элементы перекрытия монолитно связаны между собой и представляют единое целое. Сущность конструкции монолитного ребристого перекрытия сводится к тому, что в целях экономии бетон изъят из растянутой зоны сечения. Сохранены лишь ребра, в которых сконцентрирована растянутая арматура и которые обеспечивают прочность элемента по наклонным сечениям.

Железобетонные плиты оболочки Рис. 1. Фрагмент ребристого перекрытия

Монолитное ребристое перекрытие конструктивно выполнено таким образом, что его верхняя поверхность является гладкой (балки не выступают из перекрытия). При расчете подобных конструкций с помощью современных вычислительных комплексов, которые базируются на методе конечных элементов (например, SCAD ), приходится оперировать такими общими моделями конструкций и их элементов, как стержень, плита, оболочка. Естественно, возникает вопрос, как разместить стержневой элемент по отношению к плитному: центрируя его по нейтральной линии плиты или смещая с определенным эксцентриситетом? Речь идет о том, как представить в расчетной схеме продольные и поперечные ребра и какая из расчетных схем будет наилучшим образом отражать действительную работу конструкции под действием нагрузки. По результатам расчетов какой из схем подобранная арматура будет наиболее рациональной?

Прежде всего необходимо заметить, что главный нормативный документ СНиП, касающийся железобетона , стыдливо умалчивает о существовании плит: указания по их расчету можно найти лишь в разнообразных рекомендациях и методиках , которым, наряду с достоинствами, присущи и определенные недостатки.

Автором этих строк проведен численный эксперимент, в котором было рассмотрено несколько расчетных схем с разным моделированием взаимного расположения ребра и плиты. При этом выполнено сравнение результатов расчета по выбранным схемам с результатами расчета по обычной для многих инженеров традиционной методике, которая приведена в пособии «Проектирование железобетонных конструкций» .

Для более полного понимания результатов эксперимента, их корректной трактовки и сравнения рассмотрим три ключевых момента, без уточнения которых невозможно в полной мере оценить полученные данные.

Определение напряженно-деформированного состояния плиты (перекрытия)

Метод конечных элементов, на котором базируется большинство современных вычислительных комплексов, относится к приближенным методам расчета. Тем не менее, сгущая сетку конечных элементов (путем последовательных приближений), можно приблизиться к точному решению. В этом случае при определении напряженно-деформированного состояния учитываются все силовые факторы, которые возникают в плите: изгибающие и крутящий моменты, поперечные силы.

В основе традиционного расчета по приближенной расчетной модели, которая базируется на методе предельного равновесия, лежит ряд упрощающих гипотез:

  • плиту в состоянии предельного равновесия рассматривают как систему плоских звеньев, соединенных друг с другом по линии излома пластическими шарнирами, которые возникают в пролете по биссектрисам углов и на опорах вдоль балок;
  • упругое защемление контура плиты (между балками) заменяют жестким;
  • жесткое соединение ребер (между собой) заменяют упругим. В частности, это касается расчетной схемы поперечного ребра при расчете сборной ребристой плиты перекрытия, которое представляет собою балку на двух шарнирных опорах. В действительности от заданной нагрузки в продольных ребрах возникает крутящий момент. Из условий равновесия узлов крутящий момент в продольном ребре будет изгибающим для поперечного — тогда действительная эпюра моментов будет иметь вид, представленный на рис. 2. Естественно, в случаях, когда соотношения габаритных размеров плиты больше четырех, величина опорного момента достаточно мала по сравнению с пролетным и им можно пренебречь. В то же время при меньших соотношениях (поскольку короткий стержень лучше оказывает сопротивление кручению) величина опорного момента в поперечном ребре становится сравнима с пролетным моментом и будет заметно влиять на величину усилия и, как следствие, на значение подобранной арматуры.
  • нагрузки на ребра принимают по гипотетической схеме (в виде треугольников или трапеций).

Рис. 2. Эпюра моментов: а) при традиционном расчете; б) при условии жесткого соединения продольного и поперечного ребер

Кроме того, необходимо указать на ограниченность класса задач, которые можно решить с помощью метода предельного равновесия (для плиты произвольного очертания неизвестна схема излома), принципиальную неприемлемость метода при комбинациях нагрузок, а также то, что указанный метод абсолютно ничего не говорит о трещиностойкости плит. Всё это касается плит, опертых по контуру, в которых соотношение сторон не превышает трех.

Для так называемых балочных плит (в которых l1/l2>3) суть расчета состоит в том, что на поле плиты вырезают полосы шириной 1 м вдоль короткой стороны, и расчетная схема плиты представляет собой многопролетную неразрезную балку. Поскольку плиту рассматривают между гранями балок, это позволяет уменьшить расчетные пролеты и, как следствие, пролетные моменты, опорные моменты и, соответственно, площадь подобранной арматуры.

При расчете как балочных плит, так и плит, которые оперты по контуру, крутящий момент во внимание не принимается.

Армирование плиты

Подбор арматуры в SCAD реализован на основе методики М.И. Карпенко , которая описывает деформирование железобетона с трещинами на основе математической модели анизотропного сплошного тела. Основой указанного метода служит теория деформирования железобетона с трещинами при плоском напряженном состоянии, согласно которой деформации и в элементе с трещинами зависят не только от нормальных, но и от сдвигающих усилий. Особенности железобетона отображаются в закономерностях, которые устанавливают связь между усилиями и перемещениями, и на которых основывается аппарат расчета плит и оболочек. Оболочка имеет все шесть степеней свободы, а плита — лишь три: вертикальное перемещение и два поворота. Подбор арматуры можно выполнять не только по прочности, но и для 1-й (трещины не допускаются) и 3-й (ширина раскрытия трещин ограничена) категорий трещиностойкости. Естественно, площадь арматуры, подобранной только по прочности, будет меньше, поскольку ширина трещин не контролируется (отсутствует дополнительная арматура для обеспечения допустимой ширины раскрытия трещин).

Как уже сказано, расчет по традиционной методике не позволяет проконтролировать величину подобранной арматуры с учетом фактора трещиностойкости: сказываются ограничения самой методики и сделанные предположения.

Влияние схемы эксцентричного крепления ребра на результаты подбора арматуры в плите и ребре

При моделировании поля железобетонной плиты пластинчатыми или оболочечными элементами и моделировании балок стержневыми элементами срединная плоскость пластин может быть расположена как на одном уровне, так и на разных уровнях с упругой частью стержня (рис. 3).

Железобетонные плиты оболочки Рис. 3. К выбору размещения стержня относительно плиты: 1 — плитный элемент; 2 — стержневой элемент

Можно было бы также представить ребра вертикально расположенными элементами плиты, однако в таком случае возникает вопрос о толковании размещения подобранной арматуры (рис. 4), поэтому в рамках этой статьи мы не будем рассматривать данный вариант.

Железобетонные плиты оболочки Рис. 4. Расположение арматуры: а) в реальной конструкции; б) при моделировании стержневым и плитным элементами; в) при моделировании плитными элементами; 1 — плита; 2 — стержень

При смещении стержневого элемента относительно нейтральной оси плиты возникает необходимость учесть эксцентриситет стыков элементов в узлах. Условия совместимости деформаций стержней и пластин будут выполнены при условии присоединения стержней к узлам пластин с помощью абсолютно жестких (EI = ∞) вертикальных вставок (рис. 5).

Рис. 5. Эксцентричность стыков элементов в узлах; 1 — жесткая вставка, С — длина жесткой вставки

При этом в плите возникает мембранная группа усилий, которые в общем случае являются следствием корректного моделирования перекрытия. Следовательно, при эксцентричности стыков элементов в узлах плиты необходимо моделировать оболочечными элементами, которые имеют необходимое количество степеней свободы в узлах.

Если стержни примыкают к узлам пластин непосредственно (без жестких вставок), то в пластинах при вертикальной нагрузке мембранная группа усилий не возникает. Такое моделирование соответствует случаю, когда в реальной конструкции балки как бы выступают над плитами (рис. 6а, 6б). В этом случае при моделировании плиты конечными элементами плиты и оболочки результаты будут одинаковыми.

Рис. 6. Моделирование ребристого перекрытия или плиты (комбинированная модель): а — без жестких вставок (высота балки h), б — без жестких вставок (высота балки h1); в, г — то же, но с жесткими вставками

Каждый из предложенных на рис. 6 вариантов расчетных схем имеет свои преимущества и недостатки. В случаях, представленных на рис. 6а и 6б, жестких вставок нет. В случае, когда в стержневом элементе имеется вставка (рис. 6в, 6г), от действия вертикальной нагрузки в плите возникает мембранная группа усилий. Как следствие, в упомянутых стержнях появляется продольная сила (усилие распора), которая отвечает действительной работе конструкции. Этого не происходит при центрировании элементов по средней линии.

Кроме того, в схемах (рис. 6а, 6б и 6в) в местах пересечения стержня и плиты будет дважды учитываться площадь бетона. В схеме (рис. 6г) такого эффекта не наблюдается, но при этом возникает вопрос, правомерно ли будет перенести площадь подобранной арматуры в сжатой зоне стержня в сжатую зону плиты (изменение плеча внутренней пары сил).

Армирование стержневых элементов также возможно как по первой, так и по второй группам предельных состояний.

Рассмотрим два примера расчета (ребристой панели перекрытия и монолитного ребристого перекрытия с балочными плитами), которые приведены в пособии «Проектирование железобетонных конструкций», и по этим исходным данным смоделируем соответствующие расчетные схемы в комплексе SCAD (учитывая особенности, изложенные выше).

Ребра были представлены стержневыми элементами прямоугольного сечения. Тавровое сечение ребер не рассматривалось, поскольку, во-первых, при таком моделировании ребер будет дважды учитываться бетон сжатой зоны (стержня и плиты), что исказит конечный результат, а во-вторых, моделирование крайних ребер окажется некорректным, поскольку одна из полок тавра будет лишней.

Рассмотрено четыре типа схем, которые отличались между собой представлением нагрузки в расчетной схеме и типом конечного элемента плиты (табл. 1). Представление ребер одним типом элемента (пространственный стержень) при моделировании полки плиты конечными элементами оболочки и плиты объясняется тем, что стержневой элемент плоской схемы не может иметь жестких вставок в своей плоскости.

Таблица 1

1 Равномерно распределенная по всей поверхности плиты (с учетом собственного веса полки, ребер и временной нагрузки) Оболочка Пространственный стержень
2 Плита
3 Равномерно распределенная по всей поверхности плиты (с учетом собственного веса полки, ребер и временной нагрузки) + собственный вес ребер Оболочка
4 Плита

Пример 1. Рассмотрим железобетонную ребристую плиту перекрытия размерами 3×12 м. Плита состоит из контурных ребер высотой 450 мм, которые расположены по периметру плиты, и поперечных ребер, расстояние между которыми 1,5 м. Общий вид плиты и ребер показан на рис. 7. В расчетной схеме рёбра были приведены к эквивалентным по площади прямоугольникам. Полка плиты представляет собой однорядную многопролетную плиту, обрамленную ребрами.

Рис. 7. Плита покрытия (опалубочные размеры) Железобетонные плиты оболочки Рис. 7. Плита покрытия (опалубочные размеры)

При расчете, приведенном в пособии «Проектирование железобетонных конструкций», средние пролеты рассматривались как плиты, которые защемлены по контуру, а крайние — как плиты, защемленные по трем сторонам и свободно опертые на торцовые ребра (расчет выполняется методом предельного равновесия). Расчетные сечения продольных и поперечных ребер плиты были представлены в виде соответствующих тавров.

В SCAD, кроме комбинированной модели (стержень + плита или оболочка), был проведен и расчет стержневой модели, в которой продольные и поперечные ребра были представлены таврами с соответствующими расчетными размерами поперечного сечения. При этом рассматривалась загрузка поперечного ребра по двум схемам.

‘})» title=»Железобетонные плиты оболочки»> Железобетонные плиты оболочки

Результаты расчетов по разным схемам приведены в таблице 2. Здесь даны максимальные значения изгибающих моментов в пролетах ребер (взято среднее поперечное ребро). В последнем столбце показана подобранная арматура по результатам традиционного расчета. Как видно из результатов расчета для типов схем 1 и 3 с жесткими вставками, значения изгибающих моментов в ребрах значительно меньше, что можно объяснить действием мембранной группы усилий в оболочках. Результаты подбора арматуры отличаются не так сильно. Это объясняется тем, что при подборе арматуры в этих стержнях учитывалась продольная сила, которая является следствием возникновения распора в ребрах. Отличие результатов подбора арматуры между комбинированной и стержневой моделью можно объяснить тем, что для таврового сечения (при прочих равных исходных данных) требуется меньше арматуры, чем для прямоугольного — за счет большей площади сжатого бетона. В таблице для ребер приведены данные подбора арматуры при расчете с учетом трещинообразования.

Для плиты в таблице 2 приведены максимальные по полю плиты изгибающие моменты на единицу длины сечения (в числителе момент МХ, в знаменателе — MY). Момент МХ растягивает или сжимает волокна сечения в направлении, параллельном оси Х, которая в нашем случае направлена вдоль длинной стороны плиты. Результаты подбора арматуры по SCAD в полке плиты приведены при расчете по прочности. При расчете по второй группе предельных состояний значения подобранной арматуры несколько больше.

Пример 2. Рассмотрим железобетонное монолитное ребристое перекрытие с балочными плитами, которое имеет размеры в плане 24×36 м (рис. 8). Главные балки размещены вдоль (по оси Х), а второстепенные — поперек (по оси Y).

Железобетонные плиты оболочки Рис. 8. Конструктивная схема монолитного ребристого перекрытия ‘})» title=»Железобетонные плиты оболочки»> Железобетонные плиты оболочки

Результаты расчета и их сравнение для монолитного ребристого перекрытия приведены в таблице 3. Арматура для плиты подобрана по 1-й группе, для балок — по 1-й и 2-й группам предельных состояний. Поскольку расчетные схемы второстепенной и главной балок представляют собой многопролетные неразрезные конструкции, то для сравнения были выбраны сечения в первом крайнем пролете (значения в числителе) и на первой промежуточной опоре (значения в знаменателе). Знак «минус» указывает, что растянутое волокно находится сверху. Отличие в значениях изгибающих моментов объясняется тем, что при традиционном расчете расчетные пролеты для второстепенных балок принимают равными расстоянию между внутренними гранями главных балок (уменьшение пролета), а расчетные моменты на опоре берут по грани главных балок (уменьшение расчетного момента) (рис. 9). Как следствие, будет отличаться и величина подобранной арматуры. Такую же расчетную схему (с уменьшенными пролетами и моментами по грани балок) можно смоделировать и в конечно-элементной модели.

Железобетонные плиты оболочки Рис. 9. Расчетные пролеты и моменты при ручном расчете

Отличие в усилиях, полученное по моделям, более ощутимо, чем различие в армировании плит, выполненном по полученным усилиям. Это объясняется следующими обстоятельствами:

  • усилия в срединной плоскости плиты — сжимающие и воспринимаются бетоном практически без постановки дополнительной арматуры;
  • в силу дискретности сортамента арматуры и применения стержней, как правило, только одного диаметра нивелируется различие между необходимой в разных случаях расчетной арматурой и той, которую реально использует производитель работ.

Анализ результатов расчета по предложенным моделям и сравнение их с результатами традиционного расчета дают право утверждать следующее:

  1. моделирование ребристого перекрытия или плиты стержневыми и плитными (оболочковыми) элементами по схемам, которые показаны на рис. 3, является корректным отображением реальной конструкции;
  2. результаты подбора арматуры в ребрах (балках) почти по всем предложенным моделям являются удовлетворительными;
  3. результаты подбора арматуры в полке плиты по сравниваемым методикам сходятся лучше, когда плита является балочной (работает в одном направлении);
  4. по результатам расчета и результатам подбора арматуры реальной конструкции наиболее точна схема моделирования ребристого перекрытия, в которой верхние грани ребра и плиты находятся на одном уровне (рис. 3г).

Литература

  1. А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. — Киев, Сталь, 2002. — 600 с.
  2. В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.В. Перельмутер, М.А. Перельмутер, А.Н. Трофимчук. SCAD для пользователя. — Киев, ВВП «Компас», 2000. — 332с.
  3. СНиП 2.03.01−84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР. — М., ЦИТП Госстроя СССР, 1989. — 88 с.
  4. Пособие по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций. — М., Стройиздат, 1975. — 192 с.
  5. А.Б. Голышев, В.Я. Бачинский, В.П. Полищук и др. Проектирование железобетонных конструкций. — Киев, Будивельник, 1985. — 496 с.
  6. Н.И. Карпенко. Теория деформирования железобетона с трещинами. — М., Стройиздат, 1976. — 204 с.

Леонид Скорук

Киевский национальный университет

строительства и архитектуры,

ООО SCAD Soft (Киев)

Тел.: (10−38044) 243−7322

E-mail:

scad@scadsoft.com