Плиты перекрытияя

 

                                                        Введение

Железобетон по сравнению  с другими строительными материалами  появился сравнительно недавно и  почти одновременно в Европе и  Америке. Его история насчитывает  не более 150 лет. Однако к настоящему времени он получил самое широкое  распространение в строительстве, имеет свою историю и своих  выдающихся деятелей. Железобетонные конструкции - несущие элементы зданий и сооружений, изготовляемые из железобетона, и сочетания этих элементов.  Появление железобетонных конструкций связано с большим ростом промышленности, транспорта и торговли во второй половине XIX в., когда необходимо было строительство новых фабрик, заводов, портов и многих других капитальных сооружений. К этому времени были развиты цементная промышленность и черная металлургия. Им предшествовал многовековой опыт строительства из камня, неармированного бетона, дерева и двухсотлетний опыт строительства из металла.  Исследования покрытий Царскосельского Дворца показали, что русские мастера еще в 1802 г. применяли армированный бетон, однако они не считали, что получили новый строительный материал, и не патентовали его.   Первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 г. Первые патенты на изготовление изделий из железобетона были получены Монье в 1870 гг. В 1892 г. французский инженер Ф. Геннебик предложил монолитные железобетонные ребристые перекрытия и ряд других рациональных строительных конструкций и все последующие арматурные чертежи вычерчены условно, будто бетон является прозрачным, а арматура хорошо видимой по всей толще бетона. В России железобетон стали применять с 1886 г. для перекрытий по металлическим балкам. В 1885 г. в Германии инж. Вайс и проф. Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности и огнестойкости железобетонных конструкций, сохранности железа в бетоне, сил сцепления арматуры с бетоном и пр. Тогда же впервые инженер М. Кёнен высказал предположение, подтвержденное опытами, что арматура должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающие усилия.   В 1886 г. М. Кёнен предложил первый метод расчета железобетонных плит, который способствовал развитию интереса к новому материалу и более широкому распространению железобетона в Германии и Австро-Венгрии.  В 1891 г. талантливейший русский строитель проф. Н. А. Белелюбский первым провел серию испытаний железобетонных конструкций: плит, балок, арок, резервуаров, силосов для зерна, моста пролётом 17 м, которые по методике испытаний и полученным результатам во многом превосходили работы зарубежных ученых и послужили базой дляширокого распространения железобетона в строительстве. В 1911 г. в России были изданы первые технические условия и нормы для железобетонных сооружений.   Время появления предложений Ф. Геннебика т. е. конец XIX в., можно считать началом первого этапа в развитии железобетона, характеризуемого появлением в практике разного рода железобетонных стержневых систем. С этого времени повсеместно вошел в практику и метод расчета бетонных конструкций по допустимым напряжениям, основанный на законах сопротивления упругих материалов. На развитие железобетона в этот период большое влияние оказали труды ученых Н. М. Абрамова и И. Г. Малюги, А. А. Байкова, Н. А. Жидкевича, М. Беляева и др. В 1904 г. в г. Николаеве по проекту инженеров Н. Пятницкого и А. Барышникова был построен первый в мире морской маяк из монолитного железобетона высотой 36 м, со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу . Примерно в то же время были осуществлены без балочные междуэтажные перекрытия склада молочных продуктов в Москве. Приоритет создания этих конструкций принадлежит русскому инженеру, впоследствии выдающемуся ученому А. Ф. Лолейту. Однако в дореволюционной России не было условий для подлинного прогресса в развитии железобетона.   Впервые идея предварительного напряжения элементов, работающих на растяжение, была выдвинута и осуществлена в 1861 г. русским артиллерийским инж. А. В. Гадолиным применительно к изготовлению стальных стволов артиллерийских орудий.  Вопрос о применении предварительно напряженной арматуры в железобетонных конструкциях был поднят в 1928 г. в работах Э. Фрейссипэ, а затем в работах немецких инженеров Ф. Дишингера, Е. Хойера, У. Финстервальдера и др., послуживших началом практическому применению предварительно напряженных железобетонных конструкций. После революции железобетонное строительство в России получило невиданный в мире размах. Необходимость максимально экономить материал и снижать стоимость железобетонных конструкций вынуждала советскую школу учитывать все наиболее передовое в европейской и американской практике и широко развивать собственные теоретические и экспериментальные исследования в области железобетона. В этих целях вскоре после революции был создан ряд научно-исследовательских институтов и лабораторий для теоретическою и экспериментального изучения физико-механических свойств бетона и железобетона. В строительных и транспортных вузах были организованы кафедры строительных конструкций. Все это позволило в короткий срок подготовить высококвалифицированных специалистов по железобетону. Это, в свою очередь, способствовало значительному расширению применения железобетона в гидротехническом и жилищно-гражданском строительстве. В 1932 гг. советские учены В. М. Келдыш, А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев. П. Л. Пастернак и другие на баз широких экспериментальных работ разработали общие методы расчета статически неопределимых стержневых систем, которые позволил запроектировать и построить много уникальных для своего времени общественных и промышленных зданий из железобетона: Центральный телеграф, Дом «Известий», здания министерств легкой промышленности и земледелия в Москве, почтамт и Дом промышленности в Харькове, Дома Советов в Ленинграде, Минске, Киеве и ряд других крупных сооружении. В гидротехническом строительстве впервые железобетон был применен при строительстве Волховской ГЭС, крупнейшей по тому времени. Плотина сооружалась на железобетонных кессонах, транспортируемых к месту установки на плаву. Главное здание станции железобетонное каркасное, с железобетонными аркадами, поддерживающими путь 130-тонного мостового крана. Так же широко железобетон был применен в главной подстанции и во всех вторичных подстанциях. Примерно в 1928 г. железобетон стал широко использоваться в строительстве тонкостенных пространственных конструкций: разнообразных оболочках, складах, шатрах, сводах и куполах. Советский ученый В. 3. Власов первым разработал общий практический метод расчета оболочек, значительно опередив зарубежную науку в этой области. В 1937 г. вышла в свет первая в мире «Инструкция по расчету и проектированию тонкостенных покрытий и перекрытий», составленная на основе теоретических и экспериментальных работ, проведенных под руководством А. А. Гвоздева. Первый тонкостенный купол значительного диаметра (28 м) был построен в 1929 г. в Москве для планетария, а самый большой в то время гладкий купол диаметром 55, 5 м. был сооружен в 1934 г. над зрительным залом театра в Новосибирске. Конструкцию купола разработал инженер Б. Ф. Матери по идее и под руководством П. Л. Пастернака. Применение в строительстве рамных и тонкостенных пространственных систем с использованием их жесткости и монолитности следует считать вторым этапом в развитии железобетона. В 1936 г. в СССР впервые был применен предварительно напряженный железобетон для изготовления опор канатной сети на закавказских железных дорогах. Широкому внедрению предварительно напряженных железобетонных конструкций во многом способствовали работы ученых В. В. Михайлова, А. А. Гвоздева, С. А. Дмитриева и др. Огромную работу по изучению и созданию теории и практики железобетонных конструкций и по разработке наиболее прогрессивных решений проводят Научно-исследовательский институт бетона и железобетона и многие другие научно-исследовательские и проектные институты. На основе глубокого изучения физических и упругопластических свойств железобетона, а также экспериментальных данных А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев и другие создали теорию расчета железобетона по разрушающим усилиям. Она была положена в основу норм, по которым рассчитывали все промышленные и гражданские здания и сооружения. Советские ученые и инженеры осуществляли плодотворные научные и конструкторские исследования по всем направлениям теории и практики железобетона.

 

1. Общая часть
2. Характеристика металлов 

Сборные конструкции из бетона и железобетона (монолитные, сборные, монолитно-сборные) широко распространены в области различных видов  строительства: промышленном, транспортном, гражданском и пр. Это объясняется исключительными техническими характеристиками данного материала. Такие конструкции имеют целый ряд преимуществ по сравнению со многими другими стройматериалами. 
             Железобетон состоит из арматуры, облаченной в бетон. Бетон придает прочности, а арматура – еще и упругости. Помимо прочего бетон защищает арматуру от коррозийного воздействия. 
               Железобетон считается одним из самых прочных, долговечных, устойчивых к всевозможным разрушающим факторам материалом. При этом он еще и огнестоек. Уникальной особенностью данного стройматериала является его способность увеличивать свою прочность со временем. В процессе изготовления железобетонным конструкциям придают любую нужную для строительства форму. Такие сборные конструкции не только повышают количественный показатель работы строителей, но и долговечность, и качество зданий. Это так же сокращает сроки строительства и расход материалов, например, стали. 
              Однако минусом железобетона является их массивность и, как следствие, увеличение расходов на транспорт. Еще железобетон подвержен трещинам и обладает достаточно высокой звуко- и теплопроводностью. В изготовлении железобетонных конструкций используется арматура обычная и предварительно напряженная. При этом натяжение арматуры производят либо до, либо после помещения в бетон. В одном случае арматуру сначала натягивают и закрепляют, а потом бетонируют. Когда концы арматуры отпускают после того, как бетон схватиться, она стремится принять свое исходное положение, как бы обхватывая при этом и сам бетон. В другом случае в бетонную заготовку с каналами вводят стержни арматуры, закрепляют их концы и заливают противокоррозийным раствором цемента. Железобетонные конструкции с предварительным напряжением позволяют снижать их массу, делает их более долговечными и устойчивыми к появлению трещин.

Железобетон - это материал, в котором совмещены стальная арматура и бетон. Бетон защищает арматуру от коррозии, а арматура придает бетону растягивающие свойства.

Основными составляющими  бетона являются цемент и вода, в  результате образуется цементный камень, которые скрепляет зерна заполнителей в единый монолит.  
Вид заполнителя существенно влияет на структуру и свойства бетона.

Используемая арматура - это стальные прутки или пучки  проволок. Арматура бывает рабочей  и монтажной. Монтажная арматура создает скелет ЖБИ, фиксирует раасположение стержней и т.д.

Напряженный железобетон.

Одной из разновидностей железобетона является напряжённый железобетон. За счет применения специальных технологических  приемов, в процессе изготовления материалов из напряженного железобетона арматура замоноличивается в бетоне в частично растянутом виде. Дело в том, что плиты перекрытий и несущие балки в конструкции работают на изгиб. Во-первых, они воспринимают нагрузку конструкции пола (в том числе и собственный вес); во-вторых — нагрузку от бытовых предметов, размещенных на этаже; в третьих — нагрузку, передающуюся от стен на каркас здания. В результате, нижние слои плиты перекрытия или несущей балки находятся в слегка растянутом виде, что отрицательно сказывается на их надёжности. Если же нижние слои панели или балки в процессе изготовления были искусственно сжаты («напряжённый» железобетон), то под бытовой и конструкционной нагрузкой они будут находиться в нейтральном состоянии, напряжения в них будут минимальны, а значит и минимальны будут проблемы, связанные с эксплуатацией конструкции.

Изготовление железобетонных изделий.

Каждое железобетонное изделие имеет свою собственную  систему армирования, структуру  бетона и технологию производства.

Железобетонные изделия, работающие на изгиб, изготвавливают из напряженного железобетона. В подготовленную форму устанавливают арматурные стержни (пучки),  
механическим методом натягивают их и в натянутом виде закрепляют на бортоснастке формы.

Заливка бетонной смеси  с последующим виброуплотнением может осуществляться на стендах (с введением пустотообразователей) или на конвейерных линиях, в том числе и способами проката или роликового формования, после чего изделия в формах отправляют на тепловую обработку в специальные камеры. Цель тепловой обработки — ускорение твердения бетона, и через 8 12 часов пропаривания при температуре среды 80 95°C изделие набирает 65 75% своей марочной прочности, эквивалентной 28 суткам твердения в естественных условиях.

После того, как изделие  затвердевает, напряженные арматурные стержни освобождают от креплений. Стержни частично сжимаются по длине, и напряжение от них передается бетону в изделии — в прилегающих  к арматурным стержням областях бетона формируется напряжённое состояние.

ЖБИ цилиндрической формы (стойки, кольца и т.п.) изготавливают  методом центрифугирования. В данном случае арматуры укладываются в полуформу, размещенную в центре центрифуги. На них навивается металлическая проволока, которая формирует каркас изделия. Бетонная смесь распределяется по все длине полуформы. Одну полуформу накрывают сверху другой и включают центрифугу. Существует два этапа обработки в центрифуге. На первой бетонная смесь распределяется у внешних краев формы, а на втором происходит уплотнение бетонной смеси. После того, как изделие "прошло" через центрифугу, ее отправлют на тепловую обработку.

Монтаж ЖБИ. Основные правила  эксплуатации.

Любое издели, в том числе и строительное, имеется свои пределы нагрузки. Превышение этих пределов недопустимо. При корректном монтаже - разрушение железобетонного изделия практически исключено.

Каждая строительная конструкция (в том числе и плиты перекрытия) рассчитаны на определенные схемы монтажа. Эти схемы известны строителям, а  нарушение их может привести к  нежелательным для всех последствиям. Очень часто возникает необходимость  сделать отверстие в панели перекрытия, и если при его формировании будет  нарушена целостность арматурного  каркаса панели или, что не менее  важно, будут разрезаны арматурные стержни, обеспечивающие несущую способность  этой панели, то положительный эффект «преднапряжения» будет практически полностью устранён. Подобная поврежденная панель не будет соответствовать шкале нормативно-допустимых нагрузок.

Заводские ЖБИ имеют  высокую спетень надежности и лишь от конечного пользователя зависит, сохранятся ли его исходные качества. ЖБИ, до того, как попадут в конструкцию и займут предназначенное им место, могут быть подвержены действию излишних механических нагрузок или оказаться в условиях повышенной влажности. Кроме того, бетон подвержен биологической коррозии (появлению плесени, грибка и пр.), это необходимо учитывать при долговременном хранении.

Наиболее распространённый вид повреждений — механические. Например, при транспортировке плит перекрытия (положенных, как это и следует, на деревянные бруски-прокладки) поверх них были поставлены бетонные блоки.

Площадка для их складирования  должна быть выровнена; между железобетонными  изделиями и грунтом не должно быть контакта; желательно наличие  навеса или укрывающей изделие плёнки.

 

3. Принципы проектирования конструкций  

 

Выбор экономичной формы  поперечного сечения панелей. Плиты  перекрытий для уменьшения расхода  материалов проектируют облегченными — пустотными или ребристыми. 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. Плиты изготовляют с пустотами различной формы: овальной, круглой и т. п. В панелях значительной ширины устраивают несколько рядом расположенных пустот. 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. 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. 
             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. Поэтому в качестве типовых приняты сборные плиты с круглыми пустотами. На заводах с действующим оборудованием и освоенной технологией допускается изготовление панелей с овальными пустотами. Дальнейшее совершенствование технологии заводского изготовления пустотных панелей позволит перейти к более экономичным по расходу бетона конструкциям. Следует считаться, однако, с условиями звукоизоляции и требованиями в связи с этим о минимальной массе перекрытия. 
Плиты ребрами вверх при относительно малой приведенной толщине бетона 8 см менее индустриальны, так как при их использовании требуется устройство настила под полы. В результате стоимость перекрытия оказывается более высокой. В ребристых панелях ребрами вниз П-образных приведенная толщина бетона 10,5 см, расход стальной арматуры на 1 м2 площади составляет 8,3—21,5 кг в зависимости от временной нагрузки.  
             Для предварительно напряженных плит применяют бетон класса В15, В25, для плит без предварительного напряжения — бетон класса В15, В20. 
Расчет панелей. Расчетный пролет плит принимают равным расстоянию между осями ее опор. При опирании одним концом на ригель, другим на стенку расчетный пролет равен расстоянию от оси опоры на стене до оси опоры в ригеле. 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. При расчете прочности по изгибающему моменту ширина ребра равна суммарной ширине всех ребер плиты, а расчетная ширина сжатой полки принимается равной полной ширине панели. Таким образом, расчет прочности плит сводится к расчету таврового сечения с полкой в сжатой зоне.  
            Расчетную ширину сечения плиты с ребрами вверх принимают равной суммарной ширине ребер, и расчет ведут как для прямоугольного сечения. Поперечную арматуру плиты из условия прочности по наклонному сечению рассчитывают по расчетной ширине ребра, равной суммарной ширине всех ребер сечения. 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 стороны.  
Сечение панелей с овальными пустотами 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.  
             В ребристой панели с поперечными промежуточными ребрами изгибающие моменты полки могут определяться как в плите, опертой по контуру и работающей в двух направлениях. 
             Конструирование плит. Применяют сварные сетки и каркасы из обыкновенной арматурной проволоки и горячекатаной арматуры периодического профиля. В качестве напрягаемой продольной арматуры применяют стержни классов A-IV, A-V, Ат-IVc, AT-V, 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.  
            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. Номинальная ширина этой панели считается равной 1,5 м. Применяют такие плиты также шириной 3 м. 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 (после замоноличивания швов) прерывистых шпонок, обеспечивающих совместную работу плит на сдвиг в вертикальном и горизонтальном направлениях. При таком соединении сборных элементов перекрытия представляют собой жесткие горизонтальные диафрагмы. Если временные нагрузки на перекрытиях больше, 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. На нагрузки, действующие после замоноличивания, такие плиты рассчитывают как неразрезные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

      

 

 

 

2.Расчетная часть

2.1 Исходные данные

Район строительства- г. Новороссийск

Размеры здания на плане 9,0 х 18,0 м

Число этажей (без подвала)- 3

Высота этажей:

- подвального- 3,1 м

- надземного- 4,4

Плита перекрытия 9х3 м

2.2 Расчет полки  панели

Расчет полки панели на воздействие равномерно распределенной нагрузки y_n(g+u) = 11 кН/м². Размеры полки в свету между гранями, ребер, учитывая толщину швов замоноличивания около 40 мм, a=1,19м;  b=1,24 м.

Отношения: y=0,96≈1 и b/h′_f = 25 < 30, поэтому полку панели можно рассчитывать как защемленную по контуру с использованием благоприятного влияния распора, возникающего при изломе полки в предельном состоянии. В случае отсутствия данных по определению податливости контура разрешается уменьшить площадь сечения арматуры на 20 % против найденной из расчета без учета распора.

Изгибающий момент, в сечении  полки на единицу дайны линии излома М= 0,353 кН∙м/м²

При рабочей высоте (толщине) полки h₀, _мм определяется по формуле

 

 h₀ = h′_f - 15                                                                                                                            (1)

 

где h_f' — высота полки таврового и двутаврового сечений соответственно в растянутой и сжатой зонах;

h₀ = 50 – 1,5 = 35 мм

расчетные    коэффициенты:

a₀= 0,022;

;

u= 0,989.

Требуемая площадь сечения  арматуры диаметром три Вр-1 с R_s = 375 МПа: А_s =22 мм².

По сортаменту арматурной стали ближайшее большее сечение  A_s= 28 мм² относится к диаметру от четырех до трех Вр-I, но по конструктивным требованиям расстояние между осями рабочих стержней арматуры плиты должно быть не более 200 мм, т. е. минимальная арматура на метр сечения полки диаметром от пяти до трех Вр-I с A_s= 35 мм²>22 мм². Принимают рулонную сетку 200/200/3/3. обозначаемую С-1, которую раскатывают вдоль панели с отгибанием и верхнюю зону над поперечными ребрами. Над продольными ребрами устанавливают сетки С-2 с поперечной рабочей арматурой 250/200/3/3.

Выбор оптимального класса арматуры. В качестве напрягаемой арматуры при длине элемента до 12 м следует принимать преимущественно термически упрочненную сталь классов: At-VI с R_s = 815 МПа, R_s,ser= 980 МПа и Ат-Vl с R_s = 680 МПа; R_s,ser = 785 МПа; Е_s = 190 000 МПа. Предельно допустимая ширина непродолжительного раскрытия трещин, обеспечивающая сохранность арматуры, при эксплуатации конструкций в закрытых помещениях, соответствующая III категории требований к трещиностой -кости,a_crc1 = 0,3 мм; a_crc2 = 0,2 мм — одинаковая для того и другого класса арматуры. Преимущество арматуры класса Ат-V состоит в том, что при ее применении можно обойтись бетоном более низкого и дешевого класса по сравнению с требуемым при арматуре класса Ат-IV, поскольку прочность бетона на сжатие в изгибаемых элементах используется обычно только в узкой сжатой зоне сечения и не удается получить ощутимый эффект от применения более дорогого высокопрочного бетона. В качестве ненапрягаемой арматуры можно использовать стержневую сталь класса А-III и обыкновенную арматурную проволоку периодического профиля класса Вр-1 диаметром от 3до5 мм.