CC BY
192
УДК 624.012.45
/
Байшев Андрей Юрьевич
Инженер
ООО «Компания «ТОЗИС» e-mail: [email protected]
Байшев
Юрий
Петрович
доктор технических наук, профессор кафедры Конструкций зданий и сооружений ФГБОУ ВО УралГАХУ
e-mail: [email protected]
Голубева
Екатерина
Александровна
кандидат архитектуры, профессор, заведующий кафедрой Конструкций зданий и сооружений ФГБОУ ВО УралГАХУ
e-mail: [email protected]
БАИШЕВ а. ю. БАЙШЕВ Ю. П. ГОЛУБЕВА Е. А. ГОДЗЕВИЧ Э. В. ПЛОХИХ В. И.
É¡É
Инновационные подходы к архитектурно-строительному проектированию железобетонных перекрытий многоэтажных зданий
Сегодня актуален вопрос об эффективности применения сборного и/или монолитного строительства многоэтажных зданий с индивидуальными объемно-планировочными и архитектурными решениями. В статье выполнено технико-экономическое сравнение различных вариантов конструктивных решений перекрытий из сборного и монолитного железобетона. Рассмотрено влияние конструктивных решений монолитных железобетонных перекрытий на расход бетона и арматуры, а также изменения толщины перекрытий. Проанализировано влияние звукоизоляции от воздушного шума и даны рекомендации по способам усиления звукоизоляции пустотных плит.
Ключевые слова: многоэтажные гражданские здания, монолитное железобетонное перекрытие, сборное железобетонное перекрытие, безбалочное перекрытие, балочное перекрытие, высокопрочный бетон, арматура, технико-экономические показатели.
BAYSHEV A. Y., BAYSHEV Y. P., GOLUBEVA E. A., GODZEVICH E. V., PLOHIH B. I. INNOVATIVE APPROACHES TO ARCHITECTURAL AND STRUCTURAL DESIGN OF REINFORCED CONCRETE FLOORS OF MULTISTOREY BUILDINGS
The effective usage of prefabricated and/or cast-in-place construction of multistoried buildings with individual planning and architectural solutions becomes topical nowadays. The article presents technical and economic comparison of different structuralfloor types made of prefabricated and cast-in-place reinforced concrete. There is information dealing with concrete and reinforcement consumption as well as changes of floor thickness depending on the choice of constructive solutions. Influence of air noise insulation is analyzed and some recommendations of choosing the ways of hollow floor sound insulation enhancement are given.
Keywords: multistoried residential buildings, cast-in-place reinforced concrete floor, prefabricated reinforced concrete floor, girder floor, girderless construction, high-strength concrete, technical-and-economic indexes.
Годзевич Эльза
Владимировна
доцент, профессор кафед ры Конструкций зданий и сооружений ФГБОУ ВО УралГАХУ
e-mail:
Плохих
Вячеслав
Игнатьевич
доцент кафедры Конструкций зданий и сооружений ФГБОУ ВО УралГАХУ
Введение
Архитектурно-строительное проектирование зданий с применением железобетона привело к росту числа объектов с индивидуальной объемно-планировочной структурой, богатой пластикой фасадных и объемных решений. В условиях рыночной экономики резко возрос интерес к вопросу рационального использования сборного и монолитного железобетона в строительстве, что напрямую связано с привлечением инвестиций. Как известно, при проектировании зданий в монолитном железобетоне появляется большая свобода в назначении объемно-планировочных параметров здания, а также могут существенно упростить и конструктивные решения, в том числе перекрытий.
Конструктивное решение перекрытий зависит от многочисленных требований, предъявляемых в целом к зданию и непосредственно к перекрытию. Одним из требований, влияющих на архитектурную выразительность здания, является малая конструктивная высота перекрытия при значительных пролетах зданий различных конструктивных систем [1].
Эффективное применение монолитного железобетона в перекрытиях многоэтажных зданий затруднительно без всестороннего технико-экономического анализа наиболее распространенных в настоящее время конструктивных инновационных решений перекрытий из сборного и монолитного железобетона.
Цель исследования
Провести всесторонний технико-экономический анализ, рассмотрев при этом влияние конструктивных решений монолитных железобетонных перекрытий на расход бетона и арматуры, проанализировать графики изменения толщины перекрытий в зависимости от величины пролетов для вариантов с напрягаемой и нена-прягаемой арматурой, в том числе графики оптимальной толщины перекрытий. Дать рекомендации по размерам сторон ячеек плит с перекрестными балками, по толщине полок ребристых плит. Рассмотреть показатели сравнительного анализа влияния компоновочных решений на расчетное усилие в плитах и балках перекрытий, на расход бетона и арматуры. Рассмотреть показатели типовых плит с круглыми и овальными пустотами, такие как приведенная толщина, расход арматуры, несущая способность. Проанализировать влияние звукоизоляции от воздушного шума и дать рекомендации по способам усиления звукоизоляции пустотных плит.
Методика исследования
В работе авторы дают сравнительную оценку технико-экономических показателей сборных и монолитных железобетонных перекрытий многоэтажных зданий по отечественным литературным данным и авторским разработкам. Методика исследования основана на сравнении технико-экономических показателей традиционных и инновационных конструктивных решений монолитных и сборных железобетонных перекрытий многоэтажных зданий.
Основная часть
В пользу монолитного железобетона говорят последние инновационные разработки конструкций стыков стержневой арматуры, существенно повышающих надежность и уменьшающих трудоемкость их выполнения. Значительное влияние оказывает и все более широкое применение в монолитных железобетонных конструкциях высокопрочного бетона и канатной арматуры.
В современном строительстве многоэтажных зданий стоимость перекрытий достигает 30 % стоимости общестроительных работ и на перекрытия приходится до 60 % общего расхода железобетона. Показатели материалоемкости перекрытий влияют на экономичность стен, колонн, фундаментов и, в целом, на объемно-планировочные решения зданий.
Удельный вес новостроек из монолитного железобетона в ряде крупных городов возрос до 25-30%. При этом перекрытия часто выполняют с безбалочными плитами, которые имеют максимальную материалоемкость (Таблица 1). Это обусловлено тем, что сегодня объем применения высокопрочного бетона и предварительно напряженной арматуры в монолитных перекрытиях мал, что приводит к увеличению расхода стали до 50 % по сравнению со сборными предварительно напряженными конструкциями перекрытий.
Для соединения арматуры монолитных перекрытий в большинстве случаев применяются стыки внахлестку без сварки, что дает допол-
нительный перерасход арматурной стали от 3,5 до 27 % [8].
Монолитные перекрытия в России выполняются преимущественно без предварительного напряжения. Расход арматурной стали на 1 м2 монолитных перекрытий пролетом 6-8 м составляет 18-24 кг против 5-7 кг при использовании сборных преднапряженных плит и 8-10 кг при использовании монолитных предварительно напряженных перекрытий.
Экономически целесообразно увеличить объемы применения монолитных безбалочных перекрытий пролетом более 6 м из преднапряженного железобетона, что позволит снизить расход арматуры в 2-3 раза по сравнению с изготовленными из обычного железобетона.
С целью сокращения расхода арматурной стали, трудоемкости и энергоемкости соединений необходимо применять эффективные виды сварки и механических соединений: опрессо-ванные стыки (ООО «Спрут»), винтовые с конусной резьбой («Эрико-Лентон»), с цилиндрической резьбой («Бартех-Декстра»). Перспективно также применение арматуры с винтовой накаткой профиля. Это снижает стоимость изготовления винтовых соединений арматурных стержней.
В Таблице 1 приведены данные по расходу материалов для основных вариантов конструктивного решения монолитного железобетонного перекрытия. Здесь даны показатели для сетки колонн 6 х 6,6 м при нормативной временной нагрузке 6,0 кН/м2. Варианты 3, 4 приняты по данным [6]. Толщина гладкой плиты в колонной конструктивной системе (вариант 1) принята из условия 1/30 ее отношения к наибольшему пролету [9]. Для варианта 5 сетка колонн имеет размеры 6 х 6,6 м, а сетка балок — 2 х 2,2 м.
На Иллюстрации 1 представлен график оптимальных толщин плит [9]. Предварительное напряжение позволяет достичь увеличения пролетов перекрытий при меньшей толщине плиты, повышения трещиностойкости и уменьшения деформативности.
Таблица 1. Расход материалов на монолитное железобетонное перекрытие
Вариант Перекрытие Бетон Арматура
см/м2 % кг/м2 %
1 Безбалочное бескапительное 22 100 23 100
2 Безбалочное с капителями 22 100 15 65
3 Ребристое с балочной плитой 10,4 47 8,24 36
4 Балочное с плитой, опертой по контуру 12,6 57 15,5 67
5 Кессонное 10 45 7 30
■с" °'Э6
S 0 32
г о,а в
1 0.24
| о,га
| 0.16
я 0.12
q-ISrWu1 q-lOxWM1 q-iriiiM'
5 6 7 8 9 10 11 12 13 И 15
Продет L , м
Иллюстрация 1. График оптимальных толщин плит: а — график изменения толщины перекрытий в зависимости от величины пролетов: 1 — плиты и балки перекрытий с не-напрягаемой арматурой; 2 — преднапряженные плиты и балки перекрытий; 3 — нена-прягаемое безбалочное перекрытие; 4 — преднапряженное безбалочное перекрытие; б — график оптимальной высоты сечения Л плиты перекрытия в зависимости от пролета I и нагрузки q при классе бетона В25
1
+
+ +
Иллюстрация 2. Схемы размещения арматуры при армировании преднапряженных монолитных перекрытий: а — напрягаемые канаты располагаются вдоль осей колонн в одном направлении, а между канатами укладывается ненапрягаемая арматура; б — напрягаемые канаты размещаются по осям колонн в двух направлениях; в — напрягаемые канаты располагаются преимущественно по осям колонн в одном направлении с размещением аналогичных канатов между колоннами; г — напрягаемые канаты размещаются равномерно по всему полю плиты и по осям колонн в двух направлениях; 1 — напрягаемая арматура; 2 — ненапрягаемая арматура
При устройстве преднапряженных монолитных балочных перекрытий пролетами 9-18 м высота ригелей составляет 60-90 см, толщина плит — 10-13 см. При устройстве преднапряженных перекрестно-ребристых перекрытий пролетом 7-10 м высота ребер составляет 30-60 см, толщина плит — 10-20 см, шаг ребер — 150200 см.
В монолитных преднапряженных перекрытиях в качестве напрягаемой арматуры чаще всего применяют арматурные канаты. Армирование перекрытий может осуществляться разными способами (Иллюстрация 2).
Как правило, края плит перекрытий у наружных стен не имеют контурных балок. Это увеличивает прогибы и изгибающие моменты. Например, у квадратной плиты с жесткой заделкой по трем сторонам по сравнению с шарнирной заделкой прогиб свободного края плиты увеличивается на 115 %, прогиб середины плиты — на 46 %% (в упругой стадии работы).
Изгибающие моменты в плите над параллельными балками увеличиваются на 29 %о. Это приводит к перерасходу стали на армирование плиты.
Следует отметить, что расположение балок в перекрытиях по всем координационным осям и этажам противодействует прогрессирующему обрушению здания.
Из-за роста стоимости арматурной стали и бетона следует уменьшать
площадь каждой ячеики плиты с перекрестными балками. Рекомендуется принимать размеры сторон ячеек плит от 2 х 2 до 4 х 4 м при сетках колонн от 6 х 6 до 12 х 12 м. Толщину полки плиты следует принимать не менее 1/30 - 1/50 наибольшей длины ячейки при соотношении длин сторон ячейки от 1 до 1,5. Минимальная толщина плиты 50-60 мм.
Рекомендуемый коэффициент армирования плиты = 0,003... 0,006.
Для нормативной временной нагрузки до 6 кПа высоту второстепенных перекрестных балок следует принимать равной he 6 = (1/15 —1/20). ¡еб, где 1в6 < 6 м — расчетный пролет балки.
Высота главных перекрестных балок . = (1/12 -1/15). 4,, где 1г6 = 6 —12 м— расчетный пролет балки.
Ширина сечения балок в = (0,4 — 0,5) h.
Коэффициент армирования балок — |i6 = 0,01.0,02 . Класс бетона перекрытия — не менее В25.
Показатели сравнительного анализа влияния компоновочных решений монолитных перекрытий на изгибающие моменты в плитных частях и балках, а также на расход бетона и арматурной стали в безразмерных параметрах приведены в Таблице 2.
В приведенном расчете методом предельного равновесия приняты сле-
дующие граничные условия: сетка колонн Ь х Ь х (Ь < 6 м) ;
# + V < 10 кН/м2 — полная нагрузка на перекрытие; V1 = 2д1, где Ух — временная нагрузка для первого варианта; — постоянная нагрузка для первого варианта.
В результате получаем, что уменьшение размеров ячеек плит (варианты 2-4) позволяет сократить расход бетона на 10-27 %> по сравнению с первым вариантом. По четвертому варианту перекрытия снижение расхода бетона равно 17 %о, стали — 35 %о.
В гражданских зданиях широкое применение имеют многопустотные плиты с круглыми пустотами диаметрами от 128 до 203 мм (Таблица 3). Толщина плит — 220, 260, 300 мм, ширина — от 1 000 до 3 600 мм.
Из сравнения вариантов 1 и 2 Таблицы 3 следует, что увеличение толщины плит с 220 до 260 мм (на 17 %о) при сохранении пустотно-сти, как и у типовых плит, приводит к росту несущей способности не менее чем на 25 %> и сокращению общего расхода стали на 20-40%>, в том числе преднапрягаемой арматуры на 13 %о
[4]. По варианту 2 увеличилась приведенная масса плиты до 400 кг/м2, что удовлетворяет требованиям звукоизоляции от воздушного шума и повышения заводской готовности. По варианту 3 приняты пустоты диаметром 203 мм. Увеличение пустотно-сти плиты уменьшило приведенную толщину бетона до 12,3 см, а массу — до 308 кг/м2.
Для увеличения звукоизоляции плиты от воздушного шума рекомендуется заполнять ее пустоты сыпучими материалами (сухим прокаленным песком, керамзитом и др.) [10]. Площадь поперечного сечения пустот, заполненных этими материалами, должна составлять не менее 25 % сечения плиты.
При одинаковой поверхностной плотности сплошной и пустотной конструкции плиты дополнительная звукоизоляция, получаемая в результате повышенной жесткости сечения
с пустотами, определяется формулой
[5]:
АЕК = 5,75 (12 • 1/к„р ),справед-ливой при поверхностной плотности т > 200 кг/м2,
где АЕК — дополнительная изоляция от воздушного шума (индекс шумо-изоляции); I — момент инерции сечения пустотного элемента с расчетной шириной 1 м; кпр — приведенная толщина пустотного элемента.
Например, для плиты толщиной к = 22 см с круглыми пустотами диаметром ё = 12 см, расположенными с шагом а = 19 см (кпр = 10 см), ин-
Таблица 2. Сравнение компоновочных схем монолитных железобетонных перекрытий
декс на 2,4 дБ выше, чем у сплошной плиты толщиной 16 см. Пустотная плита с к = 22 см, ё = 16 см, а = 19 см, кпр = 11,4 см обеспечивает равную звукоизоляцию со сплошной плитой толщиной 17,6 см. Экономия бетона составляет около 35%.
Заполнение пустот сыпучими материалами (песком, керамзитом и др.) увеличивает индекс звукоизоляции в соответствии со следующим выражением:
ДЯК = 231ёЦ + м2/м1 )0,25 ■ щ0,5, справедливым при т1 > 200 кг/м2, где т1, т2 — поверхностные плотности бетона и сыпучего материала; п0 — изменение коэффициента потерь плиты в результате заполнения пустот.
Если пустоты в плите из тяжелого бетона с кпр = 11,4 см заполнить песком плотностью 1 500 кг/м3, то это увеличит поверхностную плотность перекрытия на 159 кг/м2, а его коэффициент потерь возрастет в 2,3 раза.
При этом индекс изоляции воздушного шума ограждения повысится на 5,3 дБ. Чтобы обеспечить такую звукоизоляцию, толщину сплошной плиты из тяжелого бетона нужно довести до 30 см, что является нерациональным.
Плиты перекрытий с минимальными значениями приведенной толщины бетона могут применяться с обеспечением требуемой звукоизоляции за счет засыпок, слоистых полов и подвесных потолков.
Балочные или стеновые ячейки перекрытий, например, размерами от 6,0 х 6,0 до 7,2 х 7,2 м, могут быть перекрыты пустотными плитами различных типов.
Заключение
В последнее время увеличился объем применения плит безопалубочного формования. Однако ширина плит ограничена, как правило, раз-
мерами 1 190 мм и 1 490 мм. По технологии изготовления плит в них исключается установка закладных деталей, арматурных сеток и выпусков. Плиты рассчитываются по балочной схеме. Кроме того, шпоночные пазы в стыках плит не воспринимают горизонтальные сдвигающие усилия.
Для обеспечения совместной работы плит перекрытий в двух направлениях необходимо применять широкие плиты размерами от 5 980 х 2 980 до 7 180 х 3 580 мм с опиранием на три стороны.
Совместная работа плит и опорного контура позволяет сократить расход стали на армирование плит в два раза.
По результатам испытаний разрушающая нагрузка для плиты, опертой на три стороны (две короткие и одну длинную), превышает разрушающую нагрузку для плиты с опирани-ем на две короткие стороны на 50 %. При контрольной нагрузке прогиб плиты, работающей по балочной схеме, превышает прогиб плиты, опертой на три стороны, в два раза [7].
Пустотные и ребристые плиты с опиранием по углам на консоли колонн образуют безригельный каркас. Главные ребра плит являются скрытыми ригелями каркаса. В каркасной системе скрытые ригели, высотой в толщину плиты перекрытия, создаются в построечных условиях замоноличиванием перекрестно расположенной канатной арматуры [2].
Рекомендуемые шаги колонн от 3,0 до 7,2 м, ширина одномодуль-ных плит 3,0 и 3,6 м, ширина укрупненных плит — 6,0 м.
Компоновочные схемы сборных и сборно-монолитных железобетонных перекрытий минимальной материалоемкости и веса включают следующие элементы с оптимальными параметрами: контурные балки или прогоны с напрягаемой комбинированной арматурой, с арматурными выпусками; пустотные и ребристые предварительно напряженные плиты.
Расширение области применения эффективных безригельных компоновочных схем перекрытий связано с модификацией серийных широких пустотных и ребристых плит, узлов их опирания на колонны, а также узлов укрупнительной сборки составных плит.
По результатам проведенного анализа сделаны следующие выводы:
1 Удельный вес новостроек из монолитного железобетона в крупных городах Российской Федерации возрос до 25-35 %.
2 Применение монолитных безбалочных перекрытий пролетом
Вариант Тип плиты Приведенная толщина бетона, см Высота сечения, мм Масса 1 м2 плиты, кг Класс бетона Расход стали на 1 м2
Ненапрягаемая арматура Напрягаемая арматура
Стержневая Проволочная
1 С круглыми пустотами диаметром 159 мм с шагом 185 мм 12,0 220 300 В20-В40 8,0 4,7 3,7
2 То же, высотой 260 мм 16,0 260 400 В20-В40 — 4,1 3,2
3 С круглыми пустотами диаметром 203 мм с шагом 240 мм 12,3 260 308 В20-В40 — 4,1 3,2
4 С овальными пустотами шириной до 525 мм 7,7 220 195 В25 7,6 — 3,4
5 То же, с пустотами шириной до 335 мм 9,2 220 240 В20-В40 4,5 — 2,8
6 Ребристая плита (кессонная) с ребрами вверх 8,0 280 200 В20 6,6 — —
7 Плита-оболочка с ребрами вверх 9,2 220 230 В20 8,35 — —
8 Ребристая плита с ребрами вниз (ГОСТ 21506-87) 9,1 300 228 В22,5 4,7 1,2 —
более 6,0 м из предварительно напряженного железобетона снижает расход арматуры в 2-3 раза по сравнению с изготовленными из обычного железобетона.
3 Оптимальными по расходу бетона и арматуры являются кессонное перекрытие и ребристое перекрытие с балочной плитой.
4 Толщина плиты монолитного и сборного перекрытия линейно возрастает с увеличением ее пролета и находится, например, для преднапряженного безбалочного перекрытия в пределах 10-25 см при пролетах соответственно 6-15 м.
5 Переход от компоновочной схемы с плоской плитой к схеме с балочной плитой ведет, как правило, к уменьшению расхода бетона и увеличению расхода арматуры. Например, для ортогональной схемы балок расход бетона уменьшается на 10 %, а расход арматуры увеличивается на 43 %.
6 Увеличение толщины пустотной плиты с 220 до 260 мм (на 17 %) приводит к росту несущей способности на 25 % и сокращению расхода стали на 20-40%.
7 Приведенная толщина пустотных плит толщиной 220 мм составляет: для плит с овальными пустотами — 7,7 см, для плит с круглыми пустотами — 12 см. Поверхностная масса плит соответственно равна 300 и 195 кг/м2.
8 Пустотная плита толщиной 220 мм обеспечивает равную звукоизоляцию со сплошной плитой толщиной 17,6 см. Экономия бетона составляет около 35 %. Для увеличения звукоизоляции плиты от воздушного шума рекомендуется заполнять пустоты сыпучими материалами.
Список использованной литературы
1 Байшев Ю. П., Голубева Е. А., Плохих В. И. Комбинированные перекрытия для зданий каркасной конструктивной системы с увеличенной сеткой колонн // Новые идеи нового века-2015 = News ideas of
nes century-2015: The Fifteenth International Scentific Conference Proceedings : материалы Пятнадцатой Ме-ждунар. науч. конф. : в 3 т. /Тихоокеан. гос. ун-т. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2015. Т. 3. С. 174-178.
2 Байшев Ю. П., Плохих В. И., Наседкина З. А. Безри-гельная система подземной автостоянки из предварительно напряженных ребристых плит // Научные труды общества железобетонщиков Сибири и Урала. Новосибирск, 2005. Вып. 8. 147 с.
3 Боровских А. В. Расчеты железобетонных конструкций по предельным состояниям и предельному равновесию. М. : АСВ, 2004. 320 с.
4 Кодыш Э. Н., Трекин Н. Н., Никитин И. К. Проектирование многоэтажных зданий с железобетонным каркасом : монография. М. : АСВ, 2009. 352 с.
5 Крейтан В. Г. Защита от внутренних шумов в жилых домах. М. : Стройиздат, 1990. 260 с.
6 Кузнецов В. С., Малахова А. Н., Прокуронова Е. А. Железобетонные монолитные перекрытия и каменные конструкции многоэтажных зданий. М. : АСВ, 2009. 216 с.
7 Лабозин П. Г. Составные пластины из неоднородных материалов. М. : Архитектура-С, 2005. 128 с.
8 Мадатян С. А. Новые материалы и технологии арматурных работ в монолитном железобетоне // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 7. С. 62-63.
9 СП 52-103-2007. Железобетонные монолитные конструкции зданий.
10 СП 23-103-2003. Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий.
