Прочность элементов несъемной опалубки. Расчет и конструирование тавровых балок перекрытия

Система несъемной опалубки PLASTBAU (ПЛАСТБАУ).

Важнейшие факторы, определяющие необходимое количество арматуры: нагрузка, пролет балки, высота поперечного сечения и тип опоры. Влияют также и такие факторы как материал (бетон, арматура), условия выполнения работ и другие. Железобетонные элементы, как известно, рассчитывают по прочности, но дополнительно учитывают и ограничения в отношении ширины раскрытия трещин. Принимая 3-ю категорию трещиностойкости (допустимо ограниченное кратковременное и долговременное образование трещин), в расчете учитывают нормативную постоянную и долговременно действующую нагрузку, допуская образование трещин размером 0,3 мм. Невозможно предоставить готовые решения для всех возникающих на практике случаев, поэтому в этих инструкциях выбран так называемый "базовый вариант" в виде таблиц. С помощью этих таблиц можно быстро и удобно определять теоретически необходимую арматуру, если условия задачи совпадают с принятыми здесь, кроме того эти таблицы помогут (с известной долей приближенности) определить ожидаемый расход арматуры, выполнить экономическое сравнение вариантов, и возможно, поможет также избежать грубых ошибок в предварительных расчетах.

Несъемная опалубка с высотой поперечного сечения 180-320 мм позволяет изготовить ребристые перекрытия с высотой 180-340 мм. В последнем случае принято, что часть плиты будет толщиной 60 мм. Как уже ранее отмечалось, расчетным элементом ребристого перекрытия является изгибаемая балка Т-профиля. Учитывая большой объем вычислений, для расчета арматуры используется компьютерная программа MONOMAH.

Исходные данные для выполнения расчетов следующие:
- для бетонирования использован бетон класса В25;
- для арматуры (в том числе и для поперечной арматуры) используются стержни класса A-III;
- нагрузка в таблице указана как длительно действующая переменная нормативная нагрузка. В расчете прочности для этой нагрузки принят коэффициент надежности y_f = 1,4. Постоянная нагрузка (собственный вес перекрытия) в расчете автоматически оценивается коэффициентом надежности y_f = 1,1;
- тип опоры балок;
- свободное опирание (например, перекрытие опирается на кирпичную стену);
- защемление по краям (в монолитном соединении со стенами);
- условия эксплуатации перекрытия - обычные, y_b2 = 0,9;
- для балок в расчете предусмотрена только односторонняя (растянутая) рабочая арматура.

В таблицах для каждого типа балки указано теоретически необходимое количество арматуры (кв. см), только в зоне максимальных напряжений или деформаций. В случае свободной опоры балки это будет нижняя арматура в пролете. Для защемленной по концам балки указаны два значения - на опоре (верхняя арматура) и в пролете (нижняя арматура). Кроме того, в таблицах указаны численные значения только растянутой рабочей арматуры; если для данного пролета и нагрузки необходима сжатая арматура, соответствующая колонка таблицы пустая. Как видно, в случае небольших нагрузок и пролетов необходимое количество арматуры по условию прочности (I предельное состояние) намного меньше, чем по условию ширины раскрытия трещин (II предельное состояние). При повышении нагрузки и увеличении пролета в свободно опертой балке результаты уравниваются, то есть арматура по условию прочности становится решающим фактором. В "базовом варианте", то есть в данных таблицах толщина плиты (толщина полки Т-профиля) принята 4 см. При увеличении толщины плиты до 6 см, с одной стороны - увеличивается масса перекрытия, а с другой - увеличивается рабочая высота поперечного сечения несущей балки.

В результате этого необходимое количество арматуры при небольших пролетах и нагрузках немного больше, а при больших пролетах и нагрузках - даже меньше, чем в случае плиты с толщиной 4 см. Для численной иллюстрации для двух вариантов перекрытия - самого низкого, с высотой опалубки 18 см, и самой высокой, с высотой опалубки 32 см даны количества необходимой арматуры в обоих вариантах - в случае плит толщиной 4 и 6 см. Для железобетонных конструкций, как известно, характерны эффекты перераспределения напряжений и деформаций. Если при увеличении нагрузки и пролета функцию по условию прочности можно описать как округлая кривая, то по условию II предельного состояния объем арматуры может изменяться скачкообразно, и даже немного уменьшаться. Необходимо учесть, что указанные в таблицах числа указывают только местные максимумы арматуры, а фактический объем арматуры определяет так называемая эпюра материалов. При раскрытии трещин, эпюра материалов может трансформироваться вместе с этой зоной, не превышая местных максимумов. Конструирование арматуры выполняют в соответствии с общими указаниями. Результат и экономичность решения в большой мере будут зависеть от компетентности и квалификации конструктора. Специализированные компьютерные программы предлагают также и результаты конструирования - рабочие чертежи арматуры и спецификации материалов. Примеры конструирования (с использование компьютерной программы MONOMAH) - эпюры материалов, чертежи для размещения рабочих стержней и спецификации материалов для балки со свободной опорой и защемленной в концах балкой - даны на рисунках 1, 2 и 3.

Рис. 1. Опора материалов для свободной опертой балки по условию прочности (а) и по условию ширины раскрытия трещин (b), опора материалов для защемленной по краям балки (с) (примеры расчета).

Рис. 2. Арматура свободной опертой балки (пример).

Спецификация балки Sm1

Рис. 3. Арматура защемленной по кроям балки (пример).

Спецификация балки Sm1

Нередко в несъемной опалубке перекрытий необходимо создать отверстия шире 47 см (расстояние между внутренними краями ребер). В этом случае приходится конструировать промежуточные соединения - ребра в поперечном направлении, чтобы было возможным опереть концы имеющих разрыв балок и перенести нагрузку на непрерывные балки, расположенные рядом. Так как на этих расположенных рядом балках нагрузка увеличивается, необходимо проверить их несущую способность, и в случае необходимости предусмотреть дополнительную арматуру. Необходимая арматура промежуточных соединений определяется расчетным путем.

Пример 1. Для устройства лестницы в перекрытии квартиры предусмотрено отверстие, пересекающее три балки перекрытия, то есть необходимо создать отверстие шириной приблизительно 2,2 м (между внутренними краями ребер). При выполнении расчета получим:

a) необходимую арматуру для промежуточного соединения, которое опирается на концы трех прерывистых балок (дополнительная нагрузка может быть также создана лестничной конструкцией);

b) необходимую дополнительную арматуру для балок, опирающихся на промежуточные соединения. Принимая, что балки свободно опираются, пролет составляет 6 м, класс бетона В25, полезная нагрузка 2 кПа, рабочая высота поперечного сечения балок 16 см, масса одного метра длины Т-образной балки 140 кг, а промежуточное соединение посередине пролета, получены следующие результаты:

- нормативная нагрузка, которую должно принять промежуточное соединение из трех балок, равно в точке 3,9 кН. Создавая промежуточное соединение с таким же поперечным сечением, как у балки (130x200 мм), расчетным путем определяется требуемая площадь поперечного сечения стержней A_s,cal= 1,12 кв. см. В этом случае для армирования промежуточного соединения необходимы только 2 стержня диаметром 10 A-III, A_s = 1,57 кв. см (см. таблицу 1). Учитывая, что промежуточное соединение может быть дополнительно нагружено также и лестничной конструкцией, целесообразнее использовать 2 стержня диаметром 12 A-III, A_s = 2,26 кв. см. Концы нижних (рабочих) стержней необходимо загнуть (на 15-20 см), чтобы обеспечить анкеровку в несущей балке;

- дополнительная нормативная нагрузка, которую должны принять несущие балки от промежуточного соединения, равна 5,85 кН. Суммируя эту дополнительную нагрузку с основной нагрузкой (от нормативной полезной нагрузки 1,2 кН/м и собственного веса), рассчитывается необходимая площадь арматуры A_s = 4,6 кв. см. Так как первоначально (без промежуточного соединения) в балке необходимо только 3,44 кв. см, обе несущие балки необходимо армировать дополнительно, например, предусматривая 2 стержня диаметром 16 A-III по всей длине балки, а в средней части пролета (в зоне опоры промежуточного соединения) размещая еще один стержень диаметром 12 A-III длиной 2,5-3 м, то есть в сумме A_s = 5,15 кв. см.

Примечания: 1. В случае небольших отверстий (до 47 см шириной), если ребро непрерывное, несущую способность перекрытия проверять не надо. 2. Если для создания отверстия необходимо перерезать оцинкованные тонкостенные U-профили, обязательно необходимо установить дополнительные опоры для поддержки несъемной опалубки. 3. Ребристое перекрытие, включая промежуточные соединения, необходимо бетонировать одновременно (соблюдать указанные в проекте позиции рабочих швов).

Таблица 1. Сортамент стальных стержней (сокращенный)