Основные указания по проектированию и конструированию монолитных перекрытий

В настоящее время многоэтажные здания проектируются с применением унифицированных габаритных схем и основных типов перекрытий при этом являются сборные перекрытия. Монолитные перекрытия применяются в тех случаях, когда по каким-либо соображениям приходится отступать от унифицированных габаритных схем. Например, когда по технологическим или архитектурным требованиям предусмотрены особые параметры здания (нагрузка, высота этажей, сложное очертание в плане).

В практике проектирования многоэтажных зданий сложилось мнение, что монолитные железобетонные перекрытия неиндустриальны. Однако при надлежащей механизации работ и при применении инвентарной щитовой опалубки монолитные перекрытия являются индустриальными и требует меньших затрат (электроэнергии). Достоинством их является то, что они обладают большей жесткостью по сравнению со сборными перекрытиями (за счет монолитной связи элементов перекрытия), а благодаря этому они часто оказываются более экономичными (за счет меньшего расхода материалов и отсутствии сварных стыков). Недостатком их является то, что производство работ в зимнее время усложняется.

Монолитные ребристые перекрытия представляют собой систему перекрестных балок – главных и второстепенных, – монолитно соединенных между собой и объединяющей их поверху плитой. В зависимости от соотношения размеров ячейки (части перекрытия, заключенного между балками) плиты подразделяются на балочные и опертые по контуру. К балочным относятся плиты, у которых отношение длинной стороны ячейки к короткой ℓ_l/ℓ_sh ≥ 3, а к опертым по контуру – плиты с ℓ_l/ℓ_sh < 3. Как балочные допустимо рассчитывать плиты с ℓ_l/ℓ_sh ≥ 2.

Балочные плиты ребристых перекрытий работают на изгиб только в одном направлении – коротком. В другом направлении (длинном) их кривизна настолько мала, что пренебрегают незначительными величинами изгибающих моментов, действующих вдоль длинной стороны плиты. В балочных плитах с ℓ_l/ℓ_sh ≥ 2 изгибающие моменты вдоль длинной стороны могут с успехом быть восприняты конструктивной арматурой.

Из монолитных перекрытий конструкции ребристых перекрытий с балочными плитами наиболее экономичны. Только при очень тяжелых нагрузках и квадратной сетке колонн они могут уступать безбалочным перекрытиям.

В курсовом проекте рассматривается здание с неполным каркасом (с внутренним железобетонным каркасом и несущими стенами), проектируемое по связевой системе, т.е. ветровые и любые другие горизонтальные нагрузки воспринимают междуэтажные перекрытия (недеформируемые в своей плоскости) и передают их на жесткие поперечные вертикальные связи: лестничные клетки, лифтовые шахты, поперечные стены толщиной не менее 120 мм и т.д. Вертикальные нагрузки воспринимают элементы каркаса.

В этом случае при статическом расчете элементов монолитного ребристого перекрытия принимается условная расчетная схема (модель), согласно которой опорами главных балок служат колонны и стены (крайние опоры); второстепенные балки опираются на главные балки и на стены (крайние опоры); главные и второстепенные балки служат опорами для плиты.

Проектируется монолитное ребристое перекрытие в следующей последовательности:

– рассматриваются возможные компоновочные схемы и выбирается основной вариант перекрытия;

– предварительно назначаются размеры элементов перекрытия;

– определяются нагрузки на отдельные элементы;

– производится статический расчет конструкций (определяются величины изгибающих моментов, продольных и поперечных сил);

– производится расчет сопротивления нормальных и наклонных сечении элементов (определяются окончательно размеры сечения элементов, назначаются расчетные сопротивления бетона и арматуры, определяется площадь сечения арматуры);

– выполняется конструирование элементов (размещается арматура в сечении элементов, определяется длина арматурных стержней и размеры арматурных сеток, места расположения обрывов и отгибов стержней и т.п.).

При рассмотрении конструктивных схем перекрытия (схем балочной клетки) размещение второстепенных и главных балок в плане перекрываемого здания может быть различным. Если нет специальных или технологических требований по размещению балок и колонн, то их целесообразно располагать так, чтобы получить экономически наиболее выгодное решение. Однако следует иметь в виду, что поперечное расположение главных балок целесообразно при больших оконных проемах. В этом случае главные балки располагаются против простенков, и оконный проем может подходить почти под самую плиту перекрытия, и этим самым улучшаются условия освещенности помещения.

Для первоначального составления вариантов ребристого перекрытия пролеты железобетонных балочных плит следует принимать в пределах 1,5–2,7 м и редко больше. Пролеты второстепенных балок принимаются в пределах 5–7 м и пролеты главных балок – 6–9 м. Шаг второстепенных балок (размер ℓ_s на рисунке 2.1) назначается по условиям курсового проекта так, чтобы соблюдалось отношение, при котором плита считается балочной: .

Рисунок 2.1 – К назначению размеров пролетов и поперечных сечений элементов перекрытия

Высота поперечного сечения главной балки ориентировочно из условия жесткости следует принимать равной (1/8 ÷ 1/12)·ℓ_mb (см. рисунок 2.1), а высоту поперечного сечения второстепенной балки (1/12 ÷ 1/20)·ℓ_sb. Высота сечения балок включает в себя толщину плиты.

Ширина поперечного сечения балок как главных, так и второстепенных принимается равной (0,3 ÷ 0,5) их высоты. При назначении пролетов балок и плит, а также их размеров поперечного сечения, следует исходить из модульной системы, принятой для данного типа конструкций. При h ≤ 600 мм высоту балок принимают кратной 50 мм; при h > 600 мм – кратной 100 мм.

Толщина монолитной плиты должна быть оптимальной, при которой расход бетона и арматуры будет наименьшим. Предварительную толщину плит в зависимости от ее пролета и нагрузки можно принимать по таблице 2.1, а из условий жесткости – по таблице 2.2. Кроме того, по конструктивным соображениям, необходимо назначать толщину плиты не менее 70 мм для промышленных зданий и не менее 60 мм для гражданских зданий.

Следует иметь в виду, что с увеличением степени агрессивности среды, величина защитного слоя бетона увеличивается, поэтому при использовании таблицы 2.1 большую толщину плиты следует принимать для конструкций, эксплуатирующихся в более агрессивных средах. Окончательная толщина монолитных плит принимается кратной 10 мм при толщине до 100 мм включительно, а далее – кратной 20 мм.

Толщину защитного слоя бетона для рабочей арматуры плит и балок, в зависимости от класса по условиям эксплуатации, следует назначать, используя рекомендации [1].

Таблица 2.1 – Ориентировочные минимальные толщины балочных плит междуэтажных перекрытий производственных зданий в зависимости от полезной нагрузки

pn, кН/м2	Пролет плиты ℓs, м
1,5	1,8	2,0	2,4	2,6	2,8
2,5	7 – 9	7 – 9	7 – 9	7 – 9	8 – 10	8 – 10
4,0
5,0	8 – 10
7,0	10 – 12
9,0	8 – 10
10,0
12,0	8 – 10	8 – 10	10 – 12
14,0

Таблица 2.2 – Рекомендуемые минимальные толщины плит по условиям жесткости

Тип плит и характер опирания	Вид бетона
тяжелый	легкий
Балочные: - свободное опирание	hs = (1/35) ℓs	hs = (1/30) ℓs
- упругая заделка	hs = (1/45) ℓs	hs = (1/35) ℓs
Примечание – плиты, опертые на стены, рассматриваются как при свободном опирании, а монолитно связанные с железобетонными балками – как при упругой заделке.

Толщину защитного слоя бетона для рабочей арматуры плит и балок в зависимости от класса по условиям эксплуатации и классов конструкций, следует назначать согласно [2, п. 4.4.1.2] по формуле (2.1) и используя рекомендации таблиц 2.3 и 2.4.

c_min = max {c_min,b, c_min,dur, 10 мм}, (2.1)

где c_min,b — минимальная толщина защитного слоя бетона из условия сцепления;

c_min,dur — минимальная толщина защитного слоя бетона из условий защиты от влияния окружающей среды.

Таблица 2.3 — Минимальная толщина слоя бетона c_min,b, требования к обеспечению сцепления бетона с арматурой

Условия сцепления
Размещение стержней	Минимальная толщина слоя cmin,b
Отдельный стержень	Диаметр стержня
Соединенные вместе стержни	Эквивалентный диаметр Æn
Примечание – Если номинальный максимальный диаметр крупного заполнителя более 32 мм, cmin,b необходимо увеличить на 5 мм.

Таблица 2.4 – Минимальный защитный слой бетона c_min,dur из условий обеспечения долговечности арматурной стали по EN 10080 В миллиметрах

Требования долговечности для cmin,dur
Класс конструкций	Класс условий эксплуатации
X0	XC1	XC2/XC3	XC4	XD1/XS1	XD2/XS2	XD3/XS3
S1
S2
S3
S4
S5
S6

2.2 Сравнение вариантов балочной клетки и выбор экономичного перекрытия

Компоновка перекрытия

Поскольку бетонирование элементов монолитных ребристых перекрытий производится в инвентарной опалубке, сетка колонн должна назначаться в соответствии с размерами длин щитов инвентарной опалубки. В данном проекте в методических целях (чтобы обеспечить достаточно большое количество вариантов схем балочных клеток) сетка колонн может приниматься без учета размеров элементов инвентарной опалубки, то есть для сетки колонн может быть принят любой дробный размер.

Крайние пролеты плит и второстепенных балок были несколько меньше средних, но не более чем на 20 % .

При компоновке перекрытия необходимо составить 3–4 варианта схем балочной клетки. В рассматриваемых схемах балочной клетки варьируются направление главных балок и пролеты главных, второстепенных балок и плит. Из числа рассмотренных схем выбирается для дальнейшей разработки наиболее экономичный вариант, т.е. тот вариант, на выполнение которого потребуется наименьший объем железобетона.

О наименьшем объеме железобетона можно судить по приведенной толщине бетона, понимая под ней толщину равномерно распределенного по всей площади перекрытия слоя материала, необходимого для изготовления плиты, ребер второстепенных и главных балок и колонн.

После составления нескольких схем балочной клетки и выбора основной схемы, разрабатывается план перекрытия, в котором указанные в задании размеры следует рассматривать как размеры между осями. Крайние разбивочные оси в промышленных зданиях располагаются по внутренним граням стен (нулевая привязка), либо со смещением внутрь стены на расстояние кратное 100 мм, либо посредине толщины стены (см. рисунок 2.1).

Длины площадок опирания плиты ℓ_s,sup и балок ℓ_sb,sup, ℓ_mb,sup на стены назначаются из условий обеспечения прочности стены на местное сжатие, а также обеспечения анкеровки нижней продольной арматуры плиты и балок на крайних свободных опорах.

Рекомендуется предварительно назначать: ℓ_s,sup ≥ 120 мм; ℓ_sb,sup ≥ 250 мм; ℓ_mb,sup ≥ 380 мм.

Для расчета перекрытие условно расчленяется на отдельные элементы: неразрезную плиту, неразрезные второстепенные и главные балки. Для указанных элементов монолитного перекрытия достаточно выполнить расчет по несущей способности. Необходимая жесткость в большинстве случаев при соблюдении рекомендаций по назначению величин пролетов и размеров сечений элементов перекрытия будет обеспечена.

При компоновке схем перекрытия и определения их размеров желательно придерживаться следующих обозначений:

ℓ_s, ℓ_sb, ℓ_mb – пролеты соответственно плиты, второстепенной и главной балок, в метрах (см. рисунок 2.1);

n_s, n_sb, n_mb – количество пролетов соответственно плиты, второстепенной и главной балок;

g_s, g_sb, g_mb – постоянные расчетные распределенные нагрузки соответственно на плиту, второстепенную и главную балки;

q_s, q_sb, q_mb – переменные (полезные) расчетные распределенные нагрузки соответственно на плиту, второстепенную и главную балки;

g_k – нормативное значение постоянной нагрузки на перекрытие без учета нагрузки от его собственного веса, кПа;

q_k – нормативное значение переменной (полезной) нагрузки на перекрытие, кПа;

h_s, h_sb, h_mb– высота соответственно плиты второстепенных и главных балок;

H_fl – высота этажа;

n_fl – количество этажей, имеющих колонны.

Пример расчета монолитного железобетонного перекрытия

Исходные данные

Тип здания	гражданское
Размер здания в плане А×Б	28×37 м
Количество этажей n1
Высота этажа H1	3,4 м
Нормативная временная нагрузка на перекрытие pн	8,1 кН/м2
Район строительства	г. Минск
Характер грунта: γ, φ	1900 кг/м3; 36º
Характеристики материалов монолитного варианта:
	бетон класса	рабочая арматура класса
плиты	С20/25	S500 (проволока)
второстепенной балки	С20/25	S500
колонны	С25/30	S500

3.2 Определение приведенной толщины перекрытия по вариантам

Приведенную толщину перекрытия h_red определяем, используя рекомендации [13]:

, (3.1)

где h_s,red – приведенная толщина плиты;

; (3.2)

h_sb,red – приведенная толщина второстепенной балки;

; (3.3)

h_mb,red – приведенная толщина главной балки;

; (3.4)

h_c,red – приведенная высота колонны;

; (3.5)

Полная расчетная нагрузка на плиту перекрытия:

; (3.6)

где (g_sb+q_sb) – полная расчетная нагрузка на второстепенную балку:

; (3.7)

(g_mb+q_mb) – полная расчетная нагрузка на главную балку:

. (3.8)

Согласно эмпирическим формулам вычисляем приведенную толщину бетона.

Вариант 1

Исходные данные (см. рисунок 3.1):

м; м; ; ; .

м; м; ; м; .

м; м; ; ; .

Рисунок 3.1 – Вариант 1 компоновки монолитного междуэтажного перекрытия

Решение

кН/м;

кН/м;

кН/м;

мм;

мм;

мм;

мм;

мм.

Вариант 2

Исходные данные (см. рисунок 3.2):

м; м; ; ; .

м; м; ; м; .

м; м; ; ; .

Рисунок 3.2 – Вариант 2 компоновки монолитного междуэтажного перекрытия

Решение

кН/м;

кН/м;

кН/м;

мм;

мм;

мм;

мм;

мм.

К дальнейшим расчетам принимаем второй вариант как более экономичный по расходу бетона, т.к. мм > мм.

3.3 Определение предварительных размеров поперечных сечений элементов для выбранного оптимального варианта перекрытия

Толщина плиты h_sррр принимается:

– для монолитных перекрытий гражданских зданий не менее 60 мм;

– из условий прочности при полной расчетной нагрузке

мм,

где – расчетное сопротивление бетона сжатию ;

– по конструктивным требованиям из условия жесткости

мм;

Окончательно принимаем h_sррр = 60 мм (принимаем из конструктивных соображений и величины нормативной временной нагрузки).

Высота второстепенной балки h_sb принимается:

– при полной расчетной нагрузке

мм;

– по конструктивным требованиям из условий жесткости

мм.

Принимая во внимание требования градации размеров балок и величину временной нормативной нагрузки, окончательно принимаем мм.

Ширина балки мм.

Принимаем мм.

Высота главной балки h_bm принимается:

– при полной расчетной нагрузке

мм;

– по конструктивным требованиям из условий жесткости

мм.

Окончательно принимаем мм.

Ширина главной балки мм.

Принимаем мм.

Сторона квадратного сечения колонны определяется следующим образом:

Принимаем с учетом градации размеров сечения колонны мм.