Сборные железобетонные конструкции и изделия

 

Сборные железобетонные конструкции и изделия — основной вид конструкций и изделий, применяемых в различных отраслях строительства: жилищно-гражданском, промышленном и др. Сборные конструкции имеют существенные преимущества перед монолитными, они создают широкие возможности для индустриализации строительства: применение крупноразмерных железобетонных элементов позволяет основную часть работ по возведению зданий и сооружений перенести со строительной площадки на завод с высокоорганизованным технологическим процессом производства.

Это значительно сокращает сроки строительства, обеспечивает более высокое качество изделий при наименьшей их стоимости и затратах труда; использование сборных железобетонных конструкций позволяет широко применять новые эффективные материалы (лёгкие и ячеистые бетоны, пластмассы и др.); уменьшает расход лесоматериалов и стали, необходимых в др. отраслях народного хозяйства. Сборные конструкции и изделия должны быть технологичны и транспортабельны; они особенно выгодны при минимальном количестве типоразмеров элементов, повторяющихся много раз.

В зависимости от назначения в строительстве жилых, общественных и др. зданий и сооружений различают следующие наиболее распространённые сборные железобетонные конструкции и изделия для фундаментов и подземных частей зданий и сооружений (фундаментные блоки и плиты, панели и блоки стен подвалов); для каркасов зданий (колонны, ригели, прогоны, подкрановые балки, стропильные и подстропильные балки, фермы); для наружных и внутренних стен (стеновые и перегородочные панели и блоки); для междуэтажных перекрытий и покрытий зданий (панели, плиты и настилы); для лестниц (лестничные марши и площадки); для санитарно-технических устройств (отопительные панели, блоки вентиляционные и мусоропроводов, санитарно-технические кабины).

Сборные железобетонные конструкции изготовляют преимущественно на механизированных предприятиях и частично на оборудованных полигонах. Технологический процесс производства железобетонных изделий складывается из ряда последовательно выполняемых операций: приготовления бетонной смеси, изготовления арматуры (арматурных каркасов, сеток, гнутых стержней и т. д.), армирования изделий, формования изделий (укладка бетонной смеси и её уплотнение), тепловлажностной обработки, обеспечивающей необходимую прочность бетона, отделки лицевой поверхности изделий.

В современной технологии сборного железобетона можно выделить 3 основных способа организации производственного процесса: агрегатно-поточный способ изготовления изделий в перемещаемых формах; конвейерный способ производства; стендовый способ в неперемещаемых (стационарных) формах.

При агрегатно-поточном способе все технологические операции (очистка и смазка форм, армирование, формование, твердение, распалубка) осуществляются на специализированных постах, оборудованных машинами и установками, образующими поточную технологическую линию, формы с изделиями последовательно перемещаются по технологической линии от поста к посту с произвольным интервалом времени, зависящим от длительности операции на данном посту, которая может колебаться от нескольких минут (например, смазка форм) до нескольких часов (твердение изделий в пропарочных камерах). Этот способ выгодно использовать на заводах средней мощности, в особенности при выпуске изделий широкой номенклатуры.

Конвейерный способ применяют на заводах большой мощности при выпуске однотипных изделий ограниченной номенклатуры. При этом способе технологическая линия работает по принципу пульсирующего конвейера, т. е. формы с изделиями перемещаются от поста к посту через строго определённое время, необходимое для выполнения самой длительной операции. Разновидностью этой технологии является способ вибропроката, применяемый для изготовления плоских и ребристых плит; в этом случае все технологические операции выполняются на одной движущейся стальной ленте.

При стендовом способе изделия в процессе их изготовления и до затвердевания бетона остаются на месте (в стационарной форме), в то время как технологическое оборудование для выполнения отдельных операций перемещается от одной формы к другой. Этот способ применяют при изготовлении изделий большого размера (ферм, балок и т. п.). Для формования изделий сложной конфигурации (лестничных маршей, ребристых плит и т. п.) используют матрицы — железобетонные или стальные формы, воспроизводящие отпечаток ребристой поверхности изделия.

При кассетном способе, являющемся разновидностью стендового, изделия изготовляют в вертикальных формах — кассетах, представляющих собой ряд отсеков, образованных стальными стенками. На кассетной установке происходят формование изделий и их твердение. Кассетная установка имеет устройства для обогрева изделий паром или электрическим током, что значительно ускоряет твердение бетона. Кассетный способ обычно применяют для массового производства тонкостенных изделий.

Готовые изделия должны отвечать требованиям действующих стандартов или технических условий. Поверхности изделий обычно выполняют с такой степенью заводской готовности, чтобы на месте строительства не требовалось их дополнительной отделки.

При монтаже сборные элементы зданий и сооружений соединяются друг с другом замоноличиванием или сваркой закладных деталей, рассчитанных на восприятие определенных силовых воздействий. Большое внимание уделяется снижению металлоемкости сварных соединений и их унификации. Наибольшее распространение сборные конструкции и изделия получили в жилищно-гражданском строительстве, где крупноэлементное домостроение (крупнопанельное, крупноблочное, объёмное) рассматривается как наиболее перспективное.

Из сборного железобетона организовано также массовое производство изделий для инженерных сооружений (т. н. специального железобетона): пролётные строения мостов, опоры, сваи, водопропускные трубы, лотки, блоки и тюбинги для обделки тоннелей, плиты покрытий дорог и аэродромов, шпалы, опоры контактной сети и линий электропередачи, элементы ограждений, напорные и безнапорные трубы и др. Значительная часть этих изделий выполняется из предварительно напряжённого железобетона стендовым или поточно-агрегатным способом. Для формования и уплотнения бетона применяются весьма эффективные методы: вибропрессование (напорные трубы), центрифугирование (трубы, опоры), виброштампование (сваи, лотки).

Для развития сборного железобетона характерна тенденция к дальнейшему укрупнению изделий и повышению степени их заводской готовности. Так, например, для покрытий зданий используются многослойные панели, поступающие на строительство с утеплителем и слоем гидроизоляции; панели размером 3 Х 18м и 3 х 24 м, сочетающие в себе функции несущей и ограждающей конструкции. Разработаны и успешно применяются совмещенные кровельные плиты из лёгкого и ячеистого бетонов. В многоэтажных зданиях используются предварительно напряжённые железобетонные колонны на высоту нескольких этажей. Для стен жилых зданий изготовляются панели размерами на одну-две комнаты с разнообразной внешней отделкой, снабженные оконными или дверными (балконными) блоками. Значительные перспективы для дальнейшей индустриализации жилищного строительства имеет способ возведения зданий из объёмных блоков (блок объемный). Такие блоки на одну-две комнаты или на квартиру изготовляются на заводе с полной внутренней отделкой и оборудованием; сборка домов из этих элементов занимает всего несколько дней.

 

 

2.3 Предварительно напряжённые конструкции

 

Предварительно напряжённые конструкции, строительные конструкции, в которых предварительно (в процессе изготовления, укрупнительной сборки или монтажа) создаются напряжения, оптимальным образом распределённые в элементах конструкции. В современном строительстве предварительное напряжение наиболее широко применяется в железобетонных конструкциях и изделиях различного назначения. Оно получает распространение также и в металлических конструкциях. Предварительно напряжённые конструкции весьма эффективны благодаря применению высокопрочных материалов и более полному использованию их физико-механических свойств.

В железобетонных предварительно напряжённых конструкциях, как правило, предварительно создаются напряжения сжатия в бетоне и растяжения в арматуре. В них достигается значительная экономия (до 70%) арматурной стали за счёт использования её высокопрочных марок; обеспечивается высокое сопротивление предварительно напряжённых конструкций образованию и раскрытию трещин (трещиностойкость); существенно повышается жёсткость конструкций (по сравнению с обычными, выполняемыми без предварительного напряжения); увеличивается выносливость конструкций, испытывающих воздействия многократно повторяющихся нагрузок.

Железобетонные предварительно напряжённые конструкции наиболее рациональны для зданий и инженерных сооружений (например, мостов) с такими пролётами, нагрузками и условиями работы, при которых использование конструкций с ненапрягаемой арматурой сопряжено со значительными техническими трудностями или с большим расходом бетона и стали. Целесообразно также применение железобетонных предварительно напряжённых конструкций для изготовления напорных трубопроводов, резервуаров, силосов и др. ёмкостей, где требуется обеспечение непроницаемости. Металлические предварительно напряжённые конструкции применяют в пролётных строениях мостов, подкрановых балках, мачтах, башнях, опорах линий электропередачи и др.

Расчёт предварительно напряжённых конструкций ведётся по методу предельных состояний с учётом реальных физико-механических свойств бетона и стали. При этом исходят из того, что создаваемые напряжения не сохраняются постоянными до приложения эксплуатационных нагрузок. Потери предварительного напряжения могут быть обусловлены технологическими факторами (например, термообработкой изделий и конструкций), физико-механическими свойствами бетона и стали (усадкой и ползучестью бетона, релаксацией напряжений в стали). Особенностями конструктивных решений и оборудования для натяжения арматуры (деформацией анкеров, трением арматуры о поверхность бетона в каналах или пазах и др.). Предварительное напряжение в арматуре железобетонных предварительно напряжённых конструкций может быть создано до отвердения бетона (с натяжением арматуры на форму или на упоры стенда), после отвердения (с натяжением арматуры на затвердевший бетон, причём арматура располагается в каналах, пронизывающих конструкцию, или во внешних пазах), в процессе твердения бетона (с помощью напрягающего цемента). Для натяжения арматуры используют механические (с помощью специальных домкратов или др. устройств), электротермические и др. способы. Для создания предварительного напряжения в металлических предварительно напряжённых конструкциях используют упругий выгиб отдельных элементов, свариваемых в целую балку, обжатие отдельных стержней и стержневых систем затяжками из высокопрочных сталей, принудительное смещение опор неразрезных балок, арок, рам и др. способы.

 

Стержневая система

 

Стержневая системав строительной механике, несущая конструкция, состоящая из прямолинейных или криволинейных стержней, соединённых между собой в узлах. В инженерных сооружениях применяются, как правило, геометрически неизменяемые стержневые системы. Характерные примеры стержневых систем — рама и ферма. По геометрической схеме их разделяют на плоские и пространственные (плоская система, пространственная система). По типу соединений стержней различают стержневые системы с жёсткими и шарнирными узлами, а также смешанного типа. Жёсткие узлы препятствуют взаимному повороту концевых сечений стержней, шарнирные — допускают такой поворот. Для рам характерны жёсткие узлы, для ферм — шарнирные.При расчёте статически определимых стержневых систем для определения опорных реакций, внутренних усилий и деформаций достаточно использование уравнений статики. Статически неопределимые системы рассчитываются как точными методами строительной механики (методы сил, перемещений, смешанный), так и приближёнными. Создание эффективных и экономичных стержневых систем связано с совершенствованием методов их расчёта на устойчивость (особенно систем, состоящих из тонкостенных стержней), а также методов, позволяющих учитывать работу материала за пределами упругости; последние требуют применения сложного математического аппарата и использования современных вычислительных программ.

 

Рама

 

Рама в технике, стержневая система, элементы которой (стойки, ригели, подкосы) во всех или в некоторых узлах жестко соединены между собой. Рамы служат в основном несущими конструкциями зданий, мостов, эстакад и др. сооружений, а также рабочих и транспортных машин. Рамные конструкции выполняются из железобетона (преимущественно), металла и дерева. Различают рамы пространственные (рис. 1 а), представляющие собой пространственные системы, и плоские (плоская система); последние отличаются большим разнообразием конструктивных форм (рис.1, б, в, г, д, е).

 

Рис.1 Виды рам: а - пространственная система; б, в, г, д, е – плоские системы

 

Расчёт рамы обычно производится с помощью общих методов расчёта статически неопределенных систем; метода сил, метода перемещений и смешанного метода. Для расчёта сложных рам (например, каркасов многопролётных многоярусных зданий) используют приближённые методы, основанные на упрощении расчетных схем (например, пренебрежении смещением узлов при расчёте на вертикальную нагрузку) или на последовательных приближениях.

 

Ферма

 

Ферма - несущая конструкция, состоящая из прямолинейных стержней, узловые соединения которых при расчёте условно принимаются шарнирными. Фермы применяют, главным образом, в строительстве (покрытия зданий, пролётные строения мостов, мачты, опоры линий электропередачи, гидротехнические затворы и др.), а также в качестве несущих конструкций машин и механизмов. По виду материала различают металлические, железобетонные, деревянные и комбинированные (например, металлодеревянные) фермы. Тип фермы и её очертания (рис. 2) определяются назначением здания или сооружения, видом покрытия, способом опирания фермы и т.д. Узлы фермы, хотя и считаются шарнирными, практически обладают той или иной степенью жёсткости. При проектировании фермы, как правило, обеспечивается узловое приложение внешней нагрузки (например, прогоны покрытия здания опираются на фермы в узлах верхнего пояса, балки подвесных кранов крепятся к узлам нижнего пояса и т.д.).

 

 

Рис.2 Фермы (классификация по типам решеток)

 

 

Балка

 

Балка в технике, конструктивный элемент, обычно в виде бруса, работающий, главным образом, на изгиб. Балку широко применяют в строительстве и машиностроении: в конструкциях зданий, мостов, эстакад, транспортных средств, машин, станков и т. д. Изготовляются балки в основном из железобетона, металла и дерева. В зависимости от числа опор и характера опорных закреплений различают балки: однопролётные, многопролётные, консольные, с заделанными концами, разрезные, неразрезные и др.

По форме поперечного сечения различают балки прямоугольные, тавровые, двутавровые, коробчатые и др. Наиболее выгодные (по несущей способности и по расходу материала) поперечные сечения балки - двутавровые и коробчатые.

 

 

Рис. 3 Виды сечения балок.

 

 

Прямоугольные сечения целесообразны при относительно большой высоте и малой ширине балки. Балка может иметь постоянное по размеру или переменное сечение; последнее позволяет уменьшить её массу. По назначению балки разделяют на основные (продольные, перекрывающие пролёт между опорами) и вспомогательные (поперечные, перекрывающие расстояния между др. балками).

 

 

Рис. 4

 

Система продольных и поперечных балок называется балочной клеткой. Железобетонные балки изготовляют монолитными и сборными. Монолитные балки конструируются в большинстве случаев как многопролётные неразрезные, обычно имеют прямоугольное или тавровое сечение; последнее чаще встречается в ребристых конструкциях (при монолитной связи балки с плитой), реже — в виде самостоятельных балок. В сборном железобетоне широко применяют однопролётные балки различных сечений: прямоугольного, таврового, двутаврового, полого,

п-образного и т. д. Сборные многопролётные неразрезные балки выполняются из нескольких элементов, соединяемых в процессе монтажа. Получили распространение предварительно напряжённые железобетонные балки.

 

Закладные детали

 

Закладные детали (рис. 5) – стальные элементы, предназначенные для соединения сборных или сборно-монолитных железобетонных конструкций и изделий между собой или с др. конструкциями зданий и сооружений. Закладные детали изготовляют из круглой, полосовой, листовой, уголковой и швеллерной сталей.

В большинстве случаев закладные детали состоят из отдельных пластинок (плоских элементов) с приваренными к ним прямыми или изогнутыми анкерными стержнями (преимущественно из арматурной стали периодического профиля), заделываемыми в бетон конструкций. «Открытые» поверхности закладных деталей защищаются от коррозии (например, оцинкованием).

 

 

 

Рис. 5 Закладные детали.