Проектирование плит перекрытий

Плиты перекрытий для уменьшения расхода ма­териалов проектируют облегченными - пустотными или ребристыми (рис. 7.2,а). При удалении бетона из рас­тянутой зоны сохраняют лишь ребра шириной, необходимой для размещения сварных каркасов и обеспечения прочности панелей по наклонному сечению. При этом плита в пролете между ригелями работает на изгиб как балка таврового сечения. Верхняя полка плиты также работает на местный изгиб между ребрами. Нижняя полка, образующая замкнутую пустоту, создает­ся при необходимости устройства гладкого потолка.

Рис. 7.2. Формы поперечного сечения плит перекрытий

 

Плиты изготовляют с пустотами различной формы: овальной, круглой и т. п. В панелях значительной шири­ны устраивают несколько рядом расположенных пустот (рис. 7.2.а).

Общий принцип проектирования плит перекрытий любой формы поперечного сечения состоит в удалении возможно большего объема бетона из растянутой зоны с сохранением вертикальных ребер, обеспечивающих прочность элемента по наклонному сечению, в увязке с технологическими возможностями завода - изготовителя.

По форме поперечного сечения плиты бывают с овальными, круглыми и вертикальными пустотами, ребристые с ребрами вверх (с устройством чистого пола по ребрам), ребристые с ребрами вниз, сплошные (рис. 7.2а - е).

В плитах с пустотами минимальная толщина полок 25—30 мм, ребер 30—35 мм; в ребристых плитах с ребра­ми вниз толщина полки (плиты) 50—60 мм.

При заданной длине плит разных типов ширину их принимают такой, чтобы получить градации массы, не превышающие грузоподъемность монтажных кранов 3…5 т, а иногда и больше. Плиты шириной 3,2 м при проле­те 6 м перекрывают целиком жилую комнату; масса та­ких плит с пустотами 5…6 т. Пустотные и сплошные пли­ты, позволяющие создать гладкий потолок, применяют для жилых и гражданских зданий, ребристые панели реб­рами вниз - для промышленных зданий с нормативны­ми нагрузками свыше 5 кН/м².

Экономичность плиты оценивают по приведенной тол­щине бетона, которая получается делением объема бето­на панели на ее площадь и по расходу стальной армату­ры (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Технико-экономические показатели плит перекрытий при номинальном пролете 6 м и нормативной нагрузке 6-7 кН/м²

Тип плиты	Приведенная толщина бетона, см	Расход стали на 1 м^2 площади в зависимости от вида арма­туры. кг
без пред­варитель­ного на­пряжения	напрягаемая
стержне- вая	прово­лочная
С овальными пустотами С вертикальными пустотами С круглыми пустотами Ребристые, ребрами вверх Сплошные	9.2 10.2 12—16	8.5 8,5 9.1 14-16	4,3 4,7 4,7 12—14	3,4 3,7 3,7 10—11

 

Наиболее экономичны по расходу бетона плиты с овальными пустотами; приведенная толщина бетона в них 9,2 см, в то время как в плитах с круглыми пустота­ми приведенная толщина бетона достигает 12 см. Однако при изготовлении панелей с овальными пустотами на заводах возникают технологические трудности, вызван­ные тем, что после извлечения пустотообразователей (пуансонов) стенки каналов свежеотформованного изде­лия иногда обваливаются.

Расчет панелей.

Расчетный пролет плит l₀ принимают равным расстоянию между осями ее опор (рис. 7.3. а — в); при опирании по верху ригелей l₀ = l - b/2 (где b — ширина ригеля); при опирании на полки ригелей l₀ = l – a - b (а — размер полки). При опирании одним кон­цом на ригель, другим на стенку расчетный пролет равен расстоянию от оси опоры на стене до оси опоры на ригеле.

Рис. 7.3. Расчетные пролеты и сечения плит

 

Высота сечения плиты h должна быть подобрана так, чтобы наряду с условиями прочности были удовлетворе­ны требования жесткости (предельных прогибов). При пролетах 5—7 м высота сечения плиты определяется главным образом требованиями жесткости. Предварительно высоту сечения панели, удовлетворяющую одно­временно условиям прочности и требованиям жесткости, можно определить по приближенной формуле

(7.1)

где с — коэффициент, для пустотных панелей он равен 18 - 20, для ребристых панелей с полкой в сжатой зоне – 30 - 34;

— дли­тельно действующая нормативная нагрузка на 1 м² перекрытия;

— кратковременно действующая нормативная нагрузка на 1 м² пере­крытия;

— коэффициент увеличения прогибов при длительном действии нагрузки: для пустотелых панелей = 2, для ребристых па­нелей с полкой в сжатой зоне = 1,5.

Высоту сечения предварительно напряженных плит можно предварительно назначать равной:

h= l₀ /20 - для ребристых; h= l₀ /30 - для пустотных.

При расчете прочности по изгибающему моменту ши­рина ребра равна суммарной ширине всех ребер плиты, а расчетная ширина сжатой полки принимается равной полной ширине панели. При малой толщине сжатой пол­ки, когда , ширина полки, вводимая в расчет, не должна превышать

(7.2)

где n — число ребер в поперечном сечении панели.

В ребристой панели ребрами вниз при толщине полки но при наличии поперечных ребер, вводимая в расчет ширина полки принимается равной полной шири­не панели.

Таким образом, расчет прочности плит сводится к рас­чету таврового сечения с полкой в сжатой зоне.

При расчете прогибов сечения панелей с пустотами приводят к эквивалентным двутавровым сечениям. Для панелей с круглыми пустотами эквивалентное двутавро­вое сечение находят из условия, что площадь круглого отверстия диаметром d равна площади квадратного от­верстия со стороной (рис. 7.4):

(7.3)

Рис. 7.4. Эквивалентные сечения плит для расчета прогибов

 

Сечение панелей с овальными пустотами (см. рис. 7.4 ) приводят к эквивалентному двутавровому сечению, заме­няя овальное сечение пустоты прямоугольным с той же площадью и тем же моментом инерции и соблюдая усло­вие совпадения центра тяжести овала и заменяющего прямоугольника. Обозначив b₁ и h₁ — ширину и высоту эквивалентного прямоугольника; F и I — площадь и мо­мент инерции овала:

; (7.4)

Полка панели работает на местный изгиб как частич­но защемленная на опорах плита пролетом l₀, равным расстоянию в свету между ребрами. В ребристых пане­лях с ребрами вниз защемление полки создается залив­кой бетоном швов, препятствующей повороту ребра (рис. 7.5, а). Изгибающий момент

(7.5)

В ребристой панели с поперечными промежуточными реб­рами изгибающие моменты полки могут определяться как в плите, опертой по контуру и работающей в двух направлениях (рис. 7.5,б).

Рис. 7.5. Расчетные схемы полок плит

 

Конструирование плит

Применяют сварные сетки и каркасы из обыкновенной арматурной проволоки и горя­чекатаной арматуры периодического профиля (рис. 7.6). В качестве напрягаемой продольной арматуры применяют стержни классов S800, S1200, высокопрочную проволоку и канаты. Армировать можно без предварительного напряжения, если пролет панели меньше 6 м.

Продольную рабочую арматуру располагают по всей ширине нижней полки сечения пустотных панелей и в ребрах ребристых панелей.

1 – продольная напрягаемая арматура; 2 – нижняя сварная сетка; 3 – то же, верхняя; 4 – вертикальный сварной каркас; 5 – то же, сетка Рис. 7.6. Многопустотные панели с круглыми (а) и овальными (б) пустотами, а также коробчатый настил (д)

Поперечные стержни объединяют с продольной мон­тажной или рабочей ненапрягаемой арматурой в плоские сварные каркасы, которые размещают в ребрах плит. Плоские сварные каркасы в круглопустотных плитах мо­гут размещаться только на приопорных участках, через одно-два ребра. К концам продольной ненапрягаемой арматуры реб­ристых плит приваривают анкеры из уголков или пла­стин для закрепления стержней на опоре.

Сплошные плиты из тяжелого и легкого бетонов ар­мируют продольной напрягаемой арматурой и сварными сетками. Монтажные петли закладывают по четырем углам плит. В местах установки петель сплошные панели ар­мируют дополнительными верхними сетками.

Пример армирования ребристой панели перекрытия промышлен­ного здания приведен на рис. 7.7. Номинальная шири­на этой панели считается равной 1,5 м. Применяют та­кие плиты также шириной 3 м.

Рис. 7.7. Армирование ребристой плиты перекрытия

 

Монтажные соединения панелей всех типов выполня­ют сваркой стальных закладных деталей и заполнением бетоном швов между плитами. В продоль­ных боковых гранях плит предусматривают впадины, предназначенные для образования прерывистых шпонок, обеспечивающих сов­местную работу плит на сдвиг в вертикальном и горизон­тальном направлениях (рис. 7.8а). При таком соединений сборных элементов перекрытия представляют собой жесткие го­ризонтальные диафрагмы.

Если временные нагрузки на перекрытиях больше 10 Н/м², то ребристые плиты при замоноличивании швов целесообразно превращать в неразрезные. С этой целью швы между ребристыми плитами на опорах арми­руют сварными седловидными каркасами, пересекающи­ми ригель (рис. 7.8б). На нагрузки, действующие после замоноличнвания, такие плиты рассчитывают как неразрезные.

Рис. 7.8. Монтажные соединения плит

Проектирование ригеля

Ригель многопролетного перекрытия представляет собой элемент рамной конст­рукции. Типы опирания перекрытий на ригели представлены на рис. 7.9. При свободном опирании концов ригеля на на­ружные стены и равных пролетах ригель можно рассчи­тывать как неразрезную балку. При этом возможен учет образования пластических шарниров, приводящих к пе­рераспределению и выравниванию изгибающих момен­тов между отдельными сечениями.

 

Рис. 7.8. Типы ригелей перекрытий промышленного (а) и гражданского (б) зданий

 

 

Сущность расчета статически неопределимых желе­зобетонных конструкций с учетом перераспределения усилий. При некотором значении нагрузки напряжения в растянутой арматуре из мягкой стали достигают преде­ла текучести. С развитием в арматуре пластических де­формаций (текучести) в железобетонной конструкции возникает участок больших местных деформаций, назы­ваемый пластическим шарниром (рис. 7.9).

 

 

Рис. 7.9. Схема образования пластического шарнира в железобетонных конструкциях

Рис.7.10. Эпюры перераспределения изгибающих моментов в статически неопределимой балке

В статически неопределимой конструкции после по­явления пластического шарнира при дальнейшем увели­чении нагрузки происходит перераспределение изгибаю­щих моментов между отдельными сечениями. При этом деформации в пластическом шарнире нарастают, но зна­чение изгибающего момента остается прежним:

(7.6)

В предельном равновесии — непосредственно перед раз­рушением— изгибающие моменты балки можно найти статическим или кинетическим способом.

Статический способ. Запишем значение пролетного момента:

(7.7)

Отсюда уравнение равновесия

(7.8)

где — момент статически определимой свободно лежащей балки.

Из этого уравнения следует, что сумма пролетного момента в сечении и долей опорных моментов, соответствующих этому сечению, равна моменту простой балки М₀, Кроме того, из уравнениявытекает, что несущая способность статически неопределимой конструкции не зависит от соотношения значений опорных и пролетного моментов и не зависит от последовательности образования пластических шарниров.

Последовательность эта может быть назначена произвольно, необходимо лишь соблюдать уравнение равновесия. Однако изменение соотношения моментов в сечениях меняет значение нагрузки, вызывающей образование первого и последнего пластических шарниров, а также меняет ширину раскрытия трещин в первом пластическом шарнире.

Кинематический способ. Балка в предельном равновесии рассматривается как система жестких звеньев, сое­диненных друг с другом в местах излома пластическими шарнирами (рис. 7.10). Если прогиб балки под си­лой F равен f, то углы поворота звеньев

; (7.9)

. (7.10)

Виртуальная работа внутренних усилий —изгибающих моментов в пластических шарнирах

(7.11)

а с учетом полученных выше значений

(7.12)

Уравнение виртуальных работ:

(7.13)

или

(7.14)

Откуда расчетная предельная сила:

(7.15)

Расчет и конструирование статически неопределимых железобетонных конструкций по выравненным моментам позволяет облегчить армирование сечений» что особенно важно для монтажных стыков на опорах сборных кон­струкций; позволяет стандартизировать и осуществить в необходимых случаях одинаковое армирование сварными сетками и каркасами там, где при расчете по упругой схеме возникают различные по значению изгибающие мо­менты. При временных нагрузках расчет по выравнен­ным моментам по сравнению с расчетом по упругой схе­ме может давать 20—30% экономии стали в арматуре.

Величина перераспределенного момента не оговари­вается, но должен производится расчет по предельным состояниям второй группы. Практически ограничение раскрытия трещин в первых пластических шарнирах до­стигается ограничением выравненного момента с тем, чтобы он не слишком резко отличался от момента в уп­ругой схеме и приблизительно составлял не менее 70 %.

Чтобы обеспечить условия, отвечающие предпосылке метода предельного равновесия, следует соблюдать конструктивные требования:

1) конструкция должна быть запроектирована так чтобы причиной ее разрушения не могли быть срез сжа­той зоны или раздавливания бетона от главных сжимающих напряжений;

2) армирование сечений, в которых намечено образование пластических шарниров, следует ограничивать так чтобы относительная высота сжатой зоны x£0,35;

3) следует применять арматурные стали с площадкой текучести или сварные сетки из обыкновенной арматур­ной проволоки.

Расчетный пролет ригеля принимают равным расстоянию между осями колонн; в первом про­лете при опирании на стену расчетный пролет считается от оси опоры на стене до оси колонны. Нагрузка на ри­гель от панелей может быть равномерно распределенной (при пустотных или сплошных панелях) или сосредото­ченной (при ребристых панелях). Если число сосредото­ченных сил, действующих в пролете ригеля, более четы­рех, то их приводят к эквивалентной равномерно распре­деленной нагрузке. Для предварительного определения собственного веса ригеля размеры его сечения прини­мают:

. (7.16)

При расположении временной нагрузки через один пролет получают максимальные моменты в загружаемых пролетах; при расположении временной нагрузки в двух смежных пролетах и далее через один пролет получают максимальные по абсолютному значению моменты на опоре (рис. 7.11).

Рис.7.11. Схемы загружения неразрезной балки

 

В неразрезном ригеле целесообразно ослабить армирование опорных сечений и упростить мон­тажные стыки. Поэтому с целью перераспределения мо­ментов в ригеле к эпюре моментов от постоянных нагрузок и отдельных схем невыгодно расположенных временных нагрузок прибавляют добавочные треугольные эпю­ры с произвольными по знаку и значению над опорными ординатами (рис. 7.12). При этом ординаты выровненной эпюры моментов в расчетных сечениях должны сос­тавлять не менее 70 %, вычисленных по упругой схеме. На основе отдельных загружений строят огибающие эпюры М и Q. Возможен также упрощенный способ рас­чета неразрезного ригеля но выровненным моментам, состоящий в том, что в качестве расчетной выровненной эпюры моментов принимают эпюру моментов упругой неразрезной балки, полученную для максимальных про­летных моментов (при расположении временной нагруз­ки через один пролет).

а – добавочные эпюры моментов; б – к определению эпюры М от равномерно распределенной нагрузки; в – то же, от сосредоточенной нагрузки; г – к построению эпюры моментов от равномерно распределенной нагрузки; д – к определению расчетного момента ригеля по грани колонны

Рис.7.12. К расчету неразрезного ригеля

 

Расчетным па опоре будет сечение ригеля по грани колонны. В этом сечении изгибающий момент:

(7.17)

Момент имеет большее (по абсолютной величине) значение со стороны пролета, загруженного только посто­янной нагрузкой; поэтому в формулу следует подставлять значение поперечной силы Q, соответствую­щее загружению этого пролета. По моменту уточня­ют размер поперечного сечения ригели и по значению x»0,35 принимают:

(7.18)

Сечение продольной арматуры ригеля подбирают по М в четырех нормальных сечениях: в первом и среднем пролетах, на первой промежуточной опоре и па средней опоре. Расчет поперечной арматуры по Q ведут для трех наклонных сечений: у первой промежуточной опоры сле­ва и справа и у крайней опоры.

Конструирование неразрезного ригеля.

Поперечное сечение ригеля может быть прямоугольным, тавровым с полками вверху, тавровым с полками внизу (рис. 7.13). При опиранин панелей перекрытия па нижние полки ригеля таврового сечения строительная высота перекрытия уменьшается.

Рис.7.13. Схемы поперечного сечения сборного ригеля

 

Стыки ригелей размещают обычно непосредственно у боковой грани колонны. Действующий в стыках ригелей опорный момент вызывает растяжение верхней части и сжатие нижней (рис. 7.14а). В стыковых соединениях ригель может опираться на железобетонную консоль колонны или же на опорный столик из уголков, выпущенных из колонны (рис. 7.14б). В верхней части стыка выпуски арматуры из колонны и ригеля соединяются вставкой арматуры на ванной сварке. Вставка арматуры повышает точность монтажного соединения в случае нарушения соосности выпусков арматуры. В нижней части стыка монтажными швами соединяются закладные детали колонны и ригеля. После приварки монтажных хомутов полость стыка бетонируется.

Скрытые стыки на консолях (с подрезкой торца ригеля) усложняют конструирование, так как требуют усиления арматуры входящего угла дополнительными каркасами и закладными деталями, повышающими расход стали и трудоемкость изготовления; кроме того, при таком стыке снижается несущая способность и жесткость ригеля на опоре. Эти стыки считаются шарнирными, фигурная же стальная накладка, привариваемая на монтаже, обеспечивает восприятие не­большого изгибающего момента (~50кН*м).

а – усилия, действующие в стыке; б – жесткий стык на консолях; в – жесткий стык бесконсольный; г – скрытый стык на консолях; 1 – арматурные выпуски из ригеля и колонны; 2 – ванная сварка; 3 – вставка арматуры; 4 – поперечные стержни, привариваемые на монтаже; 5 – бетон замоноличивания; 6 – усиленный арматурный выпуск из ригеля; 7 – опорный столик из уголков с отверстием для удобства бетонирования; 8 – стальные закладные детали; 9 – призматические углубления для образования бетонных шпонок; 10 – фигурная деталь «рыбка», привариваемая на монтаже

Рис.7.14. Конструкции стыков сборного ригеля с колонной

В бесконсольных стыках (см. рис. 7.14,е), как по­казали исследования, попе­речная сила воспринимается бетоном замоноличивания полости и бетонными шпон­ками, образующимися в при­зматических углублениях на боковой поверхности колон­ны и в торце сборного ригеля. Специальными исследованиями установлено, что этот стык равнопрочен с консольным стыком, но в то же время по расходу материалов и трудоемкости он экономичнее.

Размеры опорной консоли (рис. 7.15) определяют в зависимости от опорного давления ригеля Q; при этом считается, что ригель оперт на расположенную у свободного края консоли площадку длиной

(7. 19)

где — ширина ригеля.

 

Рис.7.15. Армирование консоли колонны

 

Наименьший вылет консоли с учетом зазора с между торцом ригеля и гранью колонны . Обычно принимают l ₁=200...300 мм. При этом расстояние от грани колонны до силы Q

(7.18)

У коротких консолей () угол сжатой грани с горизонталью не должен превышать 45°. Высота консоли в сечении у грани колонны , у свобод­ного края .

Площадь сечения продольной арматуры консоли под­бирают по изгибающему моменту у грани колонны, уве­личенному на 25 %:

(7.19)

Короткие консоли высотой сечения армиру­ют горизонтальными хомутами и отогнутыми стержня­ми. Шаг хомутов должен быть не более 150 мм и не бо­лее h/4, диаметр отогнутых стержней - не более 25 мм и не более 1/15 длины отгиба.

Ригель армируют обычно двумя плоскими сварными каркасами (рис. 7.16). При значительных нагрузках возможен третий каркас в средней части пролета. Площадь растянутых стержней каркасов и их число устанав­ливают при подборе сечений по изгибающим моментам в расчетных сечениях на опоре и в пролете. По мере уда­ления от этих сечений ординаты огибающей эпюры М уменьшаются, следовательно, может быть уменьшена и площадь сечения арматуры.

Рис. 7.16. Армирование ригеля и эпюра арматуры

 

В целях экономии арматурной стали часть продольных стержней обрывают в соответствии с изменением огибающей эпюры моментов. Сечение ригеля, в котором отдельный растянутый стержень по расчету уже не ну­жен, называют местом его теоретического обрыва. Об­рываемые стержни заводят за место теоретического об­рыва на длину заделки 1_ап.

Для проверки экономичности армирования ригеля и прочности всех его сечений строят эпюру арматуры (эпю­ру материалов). Ординаты эпюры вычисляют как мо­мент внутренних сил в рассматриваемом сечении ри­геля.

Эпюра арматуры против мест теоретического обрыва стержней имеет ступенчатое очертание с вертикальными уступами. Там, где эпюра арматуры значительно отхо­дит от эпюры М, избыточный запас прочности (избыток растянутой арматуры); в местах, где ступенчатая линия эпюры арматуры пересекает эпюру М, прочность сечения недостаточна.