Книги по строительству

 Железобетонные конструкции

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

1. Типизация сборных элементов

Производство сборных железобетонных элементов наиболее эффективно в том случае, когда на заводе изготовляют серии однотипных элементов. Технологический процесс при этом совершенствуется, снижается трудоемкость изготовления и стоимость изделий, улучшается их качество. Отсюда вытекает важнейшее требование, чтобы число типов элементов в здании было ограниченным, а применение их — массовым (для возможно большего числа зданий различного назначения).

С этой целью типизируют элементы, т. е. для каждого конструктивного элемента здания отбирают наиболее рациональный, проверенный на практике, тип конструкции с наилучшими по сравнению с другими решениями технико-экономическими показателями (расход материалов, масса, трудоемкость изготовления и монтажа, стоимость). Выбранный таким образом тип элемента принимается для массового заводского изготовления.

Опыт типизации показывает, что для изгибаемых элементов, например панелей перекрытий, целесообразно при изменении длины элемента или нагрузки, действующей на элемент, сохранять размеры поперечного сечения, увеличивая лишь сечение арматуры. Для балок покрытий, длина которых и значения нагрузок меняются в большом диапазоне, рекомендуется менять и размеры сечения и армирование. Для колонн многоэтажных гражданских зданий (а в ряде случаев и промышленных) следует сохранять неизменными размеры поперечных сечений и изменять по этажам здания лишь сечение арматуры и в необходимых случаях класс бетона. При этом, несмотря на некоторый излишний расход бетона в колоннах верхних этажей, общая стоимость конструкции снижается благодаря многократному использованию форм, унификации арматурных каркасов. Кроме того, при постоянных размерах сечения колонн по этажам соблюдается однотипность балок перекрытий, опирающихся на колонны.

В результате работы по типизации составлены каталоги сборных железобетонных элементов, которыми руководствуются при проектировании различных зданий. По мере развития техники и накопления опыта типовые элементы совершенствуются, создаются новые, более эффективные, поэтому каталоги время от времени обновляются.

2. Унификация размеров и конструктивных схем зданий

Чтобы одни и те же типовые элементы можно было широко применять в различных зданиях, расстояния между колоннами в плане (сетка колонн) и высоты этажей унифицируют, т. е. приводят к ограниченному числу размеров.

Основой унификации размеров служит единая модульная система, предусматривающая градацию размеров иа базе модуля 100 мм или укрупненного модуля, кратного 100 мм.

Для одноэтажных промышленных зданий с мостовыми кранами расстояние между разбивочными осями в продольном направлении (шаг колонн) принято равным б или 12 м, а между разбивочными осями в поперечном направлении это расстояние (пролеты здания) принято кратным укрупненному модулю б м, т. е. 18, 24, 30 м и т. д. ( Х.З,а). Высота от пола до низа основной несущей конструкции принята кратной модулю 1,2 м, например 10,8; 12 м и т. д. до 18 м.

Для многоэтажных промышленных зданий принята унифицированная сетка колонн 9хб, 12X6 м под временные нормативные нагрузки на перекрытия 5, 10 и 15 кН/м2 и сетка колонн 6><6 м П°Д временные нормативные нагрузки 10, 15, 20 кН/м2; высоты этажей принимают кратными укрупненному модулю 1,2 м, например 3,6; 4,8; 6 м ( Х.З, б).

В гражданских зданиях укрупненным модулем для сетки осей принят размер 600 мм. Расстояние между осями сетки в продольном и поперечном направлениях назначают от 3 до 6,6 м. Высоты этажей, кратные модулю 300 мм,— от 3 до 4,8 м.

На основе унифицированных размеров оказалось возможным все многообразие объемно-планировочных решений зданий свести к ограниченному числу унифицированных конструктивных схем, т. е. схем, где решение каркаса здания и его узлов однотипно. Все это позволило создать типовые проекты зданий для массового применения в строительстве.

Чтобы взаимоувязать размеры типовых элементов зданий, предусмотрены три категории размеров: номинальные,   конструктивные   и   натурные.   Номинальные размеры элемента — расстояния между осями здания в плане. Например, плита покрытия при шаге колонн б м имеет номинальную длину б м. Конструктивные размеры элемента отличаются от номинальных на величину швов и зазоров. Например, плита покрытия при номинальной длине 6000 мм имеет конструктивный размер 5970 мм, т, е. зазор составляет 30 мм ( Х.4). Величина зазоров зависит от условий и методов монтажа и должна допускать удобную сборку элементов и в необходимых случаях заливку швов раствором. В последнем случае величина зазора принимается не менее 30 мм. Натурные размеры элемента — фактические размеры, которые в зависимости от точности изготовления могут отличаться от конструктивных размеров на некоторую величину, называемую допуском (3—10 мм). Конструктивные размеры элементов назначают с учетом необходимых зазоров в швах и стыках, а также с учетом нормированных допусков.

3. Укрупнение элементов

Сборные железобетонные элементы конструкций зданий в процессе проектирования необходимо укрупнять. При монтаже зданий из укрупненных элементов сокращается число монтажных операций по подъему и укладке элементов, уменьшается число стыковых сопряжений, выполняемых во время монтажа, повышается степень заводской готовности элементов, а следовательно, уменьшается объем отделочных работ на площадке. Так, для гражданских зданий рационально панели перекрытий выполнять размером на комнату, панели стен — высотой в этаж и шириной на комнату. Для покрытий промышленных зданий удобно применять крупнопанельные плиты, укладываемые непосредственно по фермам (беспрогонное покрытие). Возможности укрупнения элементов определяются их предельной массой и предельными габаритными размерами, устанавливаемыми исходя из грузоподъемности монтажных механизмов, транспортных средств, а также способов перевозки.

В целях лучшего использования монтажных кранов элементы здания должны быть по возможности равной массы, приближающейся к максимальной грузоподъемности монтажного крана

Поскольку укрупнение элементов в некоторых случа-ограничивается предельно допустимой их массой, целесообразно создавать конструкции с облегченной фор-й сечений, тонкостенные, пустотные и т. п., применять |бетон высокого класса и высокопрочную арматуру. Рационально проектировать конструкции из бетонов на легких заполнителях.

Технологичными называют элементы, конструкция которых допускает их массовое изготовление на заводе или |на полигоне с использованием высокопроизводительных |машин   и   механизмов   без Трудоемких  ручнцх   операций. Конструкция   техноло-1гнчных    элементов   должна быть увязана с технологией их изготовления. Например, ^членение    каркаса    многоэтажного здания на отдельные элементы возможно разрезкой ригелей в местах, где изгибающие моменты имеют наименьшее   значение ( Х.5,а). Габаритная   ширина изделия включает   консоли, вылет которых в   несколько раз превышает    размер колонны. В условиях конвейерного   и поточно-агрегатного способа производства колонна со   значительными   консольными выступами нетехнологична, так как по   ширине вагонетки конвейера может разместиться лишь одна колонна, в связи с чем резко уменьшается выпуск готовой продукции.

Членение каркаса многоэтажного здания на прямолинейные элементы делает их более технологичными для конвейерного и поточно-агрегатного способа производства ( Х.5,б). Хотя в этом случае  в местах  разрезов изгибающие моменты и поперечные силы резко возраста! ют и это требует большого внимания к качеству работна| монтаже, все же такое решение позволяет значительно повысить производительность заводов при изготовлении] элементов каркаса н поэтому принято как типовое. В условиях стендового способа производства и на построечных полигонах колонны с выступающими консолями могут быть изготовлены сравнительно просто; в этом случае они будут технологичными.

Не менее важно  для  технологичности   изготовления элементов соответствующее конструирование арматуры iv стальных закладных деталей.

Сборные элементы должны быть технологичными также и при монтаже: их конструкция должна допускать удобную установку, закрепление в проектном положении и быстрое освобождение крюка монтажного крана. Членение конструкции на сборные элементы в ряде случаев обусловлено требованиями технологичности монтажа. Например, колонны каркаса многоэтажного здания для удобства монтажа соединяют на высоте 800—1000 мм от уровня перекрытия.

Конструкции стыков сборных элементов проектируют с учетом обспечения их прочности, а также требований технологичности монтажа. Объем монтажной сварки должен быть сравнительно небольшим, работы по замо-ноличиванию стыков — сравнительно не трудоемкими.

В элементах сборных железобетонных конструкций должны быть предусмотрены устройства для их подъема при транспортировании и монтаже: монтажные петли, специальные строповочные отверстия и т. п. Для устройства монтажных петель должна применяться только горячекатаная арматурная сталь с площадкой текучести класса А-П марки 10ГТ и класса A-I марки ВСтЗсп2. Прочность сечения петель проверяют расчетом.

5. Расчетные схемы сборных элементов в процессе транспортирования и монтажа

Элементы сборных конструкций при подъеме, транспортировании и монтаже испытывают нагрузку от веса, при этом расчетные схемы элементов могут существенно отличаться от расчетных схем в проектном положении. Сечение элементов, запроектированное на восприятие усилий в проектном положении, в процессе транспортирошия и монтажа в ряде случаев может оказаться недо-гаточным. В связи с этим необходимо расчетные схемы 1ементов назначать так, чтобы усилия, развивающиеся |ри транспортировании и монтаже, были возможно менъ-|ie. Для этого надо устанавливать соответствующее рас-^ложение монтажных петель, строповочных отверстий, ^т опирания (которые должны быть указаны на рабо-§чнх чертежах элементов).

Элементы следует рассчитывать иа нагрузку отмас-|сы элемента с коэффициентом динамичности: при транспортировании 1,6, при  подъеме  и монтаже 1,4.  В  этом расчете коэффициент надежности от массы принимают -уу=1. Нормами допускается снижать коэффициент динамичности и принимать не менее чем 1,25, если это подтверждено опытом применения таких конструкций. i Наиболее характерным примером элемента сборной конструкции, расчетная схема которого при транспортировании и монтаже существенно отличается от расчетной схемы в проектном положении, будет колонна ( ХД а). В этом примере колонна испытывате изгиб вместо сжатия, меняются положение сжатой зоны сечения, положение сжатой и растянутой арматуры ( Х.6,б, в). Чтобы получить более благоприятную расчетную схему колонны на монтаже, целесообразно переместить монтажные петли от концов к середине, тогда при подъеме колонна работает как однопролетная балка с коносолями и   изгибающие   моменты,   возникающие   на   монтаже! уменьшаются.

Для примера выбора рациональной расчетной схемы двухпролетной рамы на монтаже проанализируем возможное расположение мест захвата при ее подъеме ( Х.7). Применяя траверсу, можно захватить раму за ее узлы, и тогда знаки изгибающих моментов в ригелях сохраняются такими же, как и в рабочем положении, а потому прочность рамы в процессе монтажа будет обеспечена без дополнительного армирования. Если же захватить раму без траверсы непосредственно в двух точках за j ригели, то характер эпюры моментов изменяется: в середине пролета ригеля возникнут отрицательные  моменты; и потребуется дополнительное  армирование, не используемое в проектном положении.

Элементы с сечениями значительной высоты и относительно малой ширины (высокие балки, фермы, стеновые панели и т. п.) транспортируют обычно в рабочем положении — на ребро, поскольку их несущая способность в горизонтальном положении мала и перечисленные меры по изменению расчетной схемы на монтаже не эффективны.

При проектировании железобетонных конструкций необходимо предусматривать конструктивные меры, чтобы обеспечить устойчивость отдельных элементов и всего здания в процессе монтажа, а также и другие требования охраны труда.

При проектировании сборных железобетонных конструкций необходимо помимо класса бетона устанавливать отпускную прочность элементов заводского изготовления, т. е. кубиковую прочность бетона, при которой допускается транспортирование и монтаж элементов.

6. Стыки и концевые участки элементов сборных конструкций

По функциональному признаку различают стыки колонн с фундаментами, колонн друг с другом, ригелей с колоннами, узлы опирания подкрановых балок, ферм, балок покрытий на колонны, узлы опирания панелей на ригели и т. п.

По расчетно-конструктивному признаку различают стыки, испытывающие сжатие, например стыки колонны ( Х.8,а); стыки, испытывающие растяжение, например стыки растянутого пояса фермы ( Х.8,б); стыки, работающие на изгиб с поперечной силой, например в соединении ригеля с колонной ( Х.8,в), и т. п.

В стыках усилия от одного элемента к другому передаются через соединяемую сваркой рабочую арматуру металлические закладные детали, бетон замоноличивания. Правильно запроектированный стык под действием расчетных нагрузок должен обладать прочностью и жесткостью, неизменяемостью взаимного положения соединяемых элементов и, кроме того, должен быть технологичным по изготовлению элементов на заводе и по монтажу на площадке. Конструкции стыков и соединений элементов должны обеспечивать быстрое и устойчивое закрепление в рабочем положении всех монтируемых элементов с, помощью несложных устройств (кондукторов и т. п.) без j применения специальных строповочных приспособлений. В то же время конструкция стыков и соединений должна обеспечивать надежную передачу монтажных усилий. Это относится в первую очередь к стыкам колонн, на которые в процессе монтажа передаются нагрузки от веса колонн и от вышележащих элементов конструкции.

Размеры зазоров между соединяемыми элементами назначают возможно меньшими. Их величину обычно определяют доступностью сварки выпусков арматуры, удобством укладки в полости стыка бетонной смеси из условия погашения допусков на изготовление и монтаж; она может составлять 50—100 мм и более. При заливке швов раствором, особенно под давлением, зазор может быть минимальным, но не менее 20 мм.

Стальные закладные детали для предотвращения коррозии и обеспечения необходимой огнестойкости элементов покрывают защитным слоем цементного раствора по металлической сетке. С этой целью стальные закладные детали при конструировании втапливают так, чтобы после нанесения защитного слоя на поверхности элементов не было местных выступов. Там, где это выполнить трудно, предусматривают специальные защитные покрытия. Размеры стальных закладных деталей должны быть минимальными и назначаться из условия размещения сварных швов необходимой длины.

Концевые участки сжатых соединяемых элементов (например, концы сборных колонн) усиливают поперечными сетками косвенного армирования. При соединении с обрывом продольной рабочей арматуры в зоне стыка усиление поперечными сетками производят по расчёту* Сетки устанавливают у торца элемента (не менее 4 шт.) на длине не менее 10с? стержней периодического профиля, при этом шаг сеток s должен быть не менее 60 мм, не более 7з размера меньшей стороны сечения и не более 150 мм ( Х.9). Размер ячеек сетки должен быть не менее 45 мм, не более lU меньшей стороны сечения и не более 100 мм.

Дополнительную поперечную ненапрягаемую арматуру устанавливают на всю высоту элемента и приваривают к опорной закладной детали.

Кроме тогД у торцов предварительно напряженных элементов устанавливают дополнительную косвенную арматуру с коэффициентом армирования \х=2 % на длине не менее 0,61Р и не менее 20 см при продольной арматуре, не имеющей анкеров.

В стыках и соединениях сборных железобетонных элементов стальные закладные детали часто проектируют в виде пластинок и приваренных к ним втавр анкеров, испытывающих действие усилий Af, N, Q ( Х.11). Для расчета анкеров изгибающий момент заменяют парой сил с плечом z и усилия определяют с учетом опытных коэффициентов. Площадь поперечного сечения анкеров наиболее напряженного ряда сдвигающее усилие, приходящееся на  один ряд анкеров, с учетом влияния силы трения

Стыки растянутых элементов выполняют сваркой выпусков арматуры или стальных закладных деталей, а в предварительно напряженных конструкциях — пропуском через каналы или пазы элементов пучков, канатов или стержневой арматуры с последующим натяжением. Сварные стыки растянутых элементов конструируют так, чтобы при передаче усилий не происходило разгибания закладных деталей, накладок или выколов бетона.

Для передачи сдвигающих усилий на поверхности соединяемых элементов устраивают пазы, которые после замоноличивания образуют бетонные шпонки. Применение бетонных шпонок целесообразно в бесконсольиых стыках ригелей с колоннами, где их располагают так, чтобы бетон шпонок работал в наклонном сечении на сжатие, в стыках плитных конструкций, для повышения жесткости панельных перекрытий в своей плоскости и др.

В стыках и соединениях сцепление бетона сборных элементов с бетоном, укладываемым на монтаже (сцепление старого и нового бетона), при соблюдении технологических правил производства работ (очистка бетонных поверхностей, увлажнение их и т. п.), как показывают опыты, оказывается достаточно прочным. Для обетонирования стыков и соединений рекомендуется применять инвентарную опалубку, подачу бетонной смеси или раствора в полости стыков под давлением, электропрогрев для ускорения твердения, целесообразный даже при положительных температурах.

В стыках сварка основных рабочих швов выполняется в нижнем и вертикальном положении. При наложении сварных швов в соединяемой арматуре и стальных закладных деталях развивается местная высокая температура и, следовательно, нагревается окружающий бетон. Экспериментальные исследования показали, что под действием нагрева механическая прочность бетона несколько снижается, однако это ослабление носит местный характер и не отражается на несущей способности стыка в целом. Начальные сварочные напряжения (растягивающие в арматуре, сжимающие в бетоне) при соблюдении технологической последовательности сварки выпусков арматуры также не отражаются на несущей способности стыка.

7. Технико-экономическая оценка железобетонных конструкций

Для технико-экономической оценки отдельных элементов и конструкций в целом при проектировании служат следующие показатели: расход арматуры, т, бетона, мэ; трудоемкость изготовления и монтажа, чел.дн.; стоимость, руб. Расчетной единицей измерения служит одна конструкция. Кроме того, показатели рассчитывают на одну единицу измерения — на 1 м3 или на 1 м2, или на 1 м длины и т. д. Основным экономическим показателем железобетонных конструкций является стоимость, которая слагается из стоимости материала и работ по изготовлению и монтажу конструкции, стоимости энергии, топлива и материалов на технологические нужды, а также цеховых и общезаводских расходов, отражающих капиталовложения по организации производства и эксплуатационные расходы предприятия.

При проектировании зданий и сооружений чаще всего применяют вариантный метод сравнения стоимости железобетонных конструкций. Этим методом оценку экономичности железобетонных конструкций производят сопоставлением технико-экономических показателей нескольких вариантов конструктивных решений. Сравниваемые варианты конструктивных решений отвечают одной и той же программе, одним и тем же требованиям, но отличаются конструктивной схемой, иногда геометрическими размерами, формой сечения элементов, способами армирования и т. п. Показатели определяются на основе чертежей конструкций, разработанных на той стадии проектирования, на которой производится сравнение вариантов. Наиболее достоверные показатели можно получить на основании рабочих чертежей конструкций.

Вопросы экономики железобетонных конструкций следует решать совместно с вопросами прочности на протяжении всего процесса проектирования: при выборе объемно-планировочной и конструктивной схемы здания; членении конструкции на сборные элементы и выборе формы и размеров сечения элементов; назначении класса бетона, класса стальной арматуры; установлении способов армирования и т. д.