Проектирование  и строительство
гражданских зданий   сайт Александра Прокуратова

Безбалочные перекрытия

История. В деревянных и стальных конструкциях, собираемых из отдельных элементов, балки являются необходимыми частями конструкций. В бетонных монолитных конструкциях балки как таковые могут отсутствовать, хотя это делает перекрытие более гибкими при той же толщине плит. Без поддерживающих балок колонны имеют тенденцию продавливать плиты перекрытия. Поэтому первые безбалочные перекрытия делались над колоннами, имевшими расширяющуюся вверх часть типа капители. Патент на такую конструкцию впервые был зарегистрирован в США Орлано Норкросом в 1902 году. В 1908 году в Москве по руководством А.Ф.Лолейта было запроектировано и построено четырехэтажное здание склада молочных продуктов с безбалочными перекрытиями.

Увеличение размеров оголовников колонн было характерной чертой этого решения конструкций и поэтому оно было также известно под термином "грибовидные перекрытия".

Методы расчета
Расчет безбалочной плиты по методам теории упругости разрабатывался различными авторами, однако несмотря на математическую строгость, эти методы страдают существенными недостатками и не позволяют реально оценить работу конструкций. Ниже приведены методы расчета безбалочной плиты, разработанные на экспериментальной основе.

Для расчета полагают, что опорные реакции на капителях распределены по треугольнику, а расчетный пролет панели принимают расстоянию между центрами тяжести этих треугольников. Общий суммарный изгибающий момент: M = 1/8 WL(1-2c/3L)(1-2c/3L), где W- полная нагрузка на ячейку перекрытия, L- шаг колонн, с- размер капители. Это уравнение было получено Дж. Р. Никольсом в 1914 году. К 1917 году формула Никольса была принята Объединенной американской комиссией и введена в строительные нормы ACI для проектирования безбалочных перекрытий с капительными колоннами. Более точная методика оценки моментов, основанная на теоретических и экспериментальных исследованиях Вестергарда и Слейтера, появилась в 1925 году. Этот метод был включен в строительные нормы стран всего мира.

У нас данный метод расчета известен, как инструкция ЦНИИПСа 1933 года, разработанная А.А.Гвоздевым и В.И.Мурашевым. Для квадратной панели M0=1/8 WL(1-2c/3L)(1-2c/3L). Для определения моментов в расчетных сечениях и для конструирования арматуры безбалочное перекрытие делят в плане на надколонные и пролетные полосы с шириной каждой полосы, равной половине расстояния между осями колонн в каждом направлении. В каждой полосе возникают положительные и отрицательные моменты, причем в надколонной полосе моменты больше, чем в пролетной полосе. По ширине полосы моменты изменяются по некоторой кривой, но для практического расчета принимают ступенчатое изменение моментов, принимая их постоянными по ширине полосы.

Учитывая возможное перераспределение моментов вследствие пластических деформаций, величины моментов в четырех расчетных сечениях панели плиты определяют с таким расчетом, чтобы сумма их равнялась балочному моменту М0. Для средней панели безбалочного перекрытия принимают:

Рис.1 a - схема прогибов безбалочного перекрытия при наличии рандбалок; б - разбивка безбалочного перекрытия на надколонные и пролетные полосы; в - эпюры расчетных моментов в этих полосах; г - схема расположения расчетных моментов.

В крайнем пролете на величину моментов оказывает влияние степень защемления плиты наружными колоннами и наличие полосовой опоры на обвязочной балке или стене. В крайнем пролете расчетные моменты плиты находят из соответствующих моментов средних пролетов путем умножения их на коэффициенты согласно табл.

Коэффициенты a, b, g определяются по графику в зависимости от соотношения суммы погонных жесткостей верхней и нижней крайних колонн к погонной жесткости плиты.

Распределение моментов по полю безбалочной безкапительной плиты при квадратных и равнопролетных прямоугольных панелях с отношением сторон до 1,33 мало отличается от распределения моментов в обычных безбалочных перекрытиях.

Расчет безбалочных перекрытий с неравными пролетами производится по методу заменяющих рам. В каждом направлении безбалочное перекрытие заменяется многопролетной рамой с ригелем в виде плиты и с колоннами примыкающими к узлу и защемленными на противоположных концах. Ширина ригеля принимается равной полусумме прилегающих пролетов плиты перпендикулярного направления. Расчетная длина ригеля устанавливается с учетом капителей так же, как в равнопролетных перекрытиях; расчетная длина колонн принимается равной L0=Lк-С/2.

Рамы каждого направления расчитываются на полную нагрузку без учета шахматного или полосового расположения полезной нагрузки. Возможность расчета по одной такой схеме загружения обуславливается выравниванием моментов вследствие пластических деформаций.

Полученные из расчета рамы изгибающие моменты ригелей распределяются между надколонными и пролетными полосами следующим образом: а) положительный момент - 45% на пролетную полосу и 55% на надколонную полосу; б) отрицательный момент - 25% на пролетную полосу и 75% на надколонную полосу. В крайних (пристенных) панелях расчетные моменты в направлении края перекрытия определяют согласно табл.2.

Безкапительные перекрытия.
Расширенные оголовники колонн впервые были исключены из конструкции Джозефом Ди Стасио в 1940 г. Это уменьшило площадь перекрытия, воспринимающую реакцию колонн, и поэтому было необходимо ввести дополнительную поперечную арматуру для восприятия перерезывающих сил или увеличивать размеры колонн (толщину перекрытий) больше чем требовалось. Для того чтобы отличить плиты перекрытий с бескапительными колоннами от плит с капительными колоннами (flat slab), им было дано специальное название flate plate,  назовем в дальнейшем плоское перекрытие.

Безбалочные перекрытия с безкапительными колоннами представляют собой предельно простые конструкции, состоящие из железобетонных плит одинаковой толщины и колонн постоянного сечения. Это упрощает опалубочные работы, а также арматурные работы и бетонирование. Всвязи с тем, что при безкапительных конструкциях колонны имеют постоянное сечение, их легко сопрягать со стенами и перегородками между колоннами. Поэтому они удобны для административных зданий и жилых домов.

Безбалочные перекрытия имеют наименьшую наименьшую конструктивную высоту, ровный и гладкий потолок, дают возможность свободно расположить внутреннее оборудование. Инженерные сети, не встречающие препятствий подвешиваются к плите. В случае необходимости устраивают подшивной потолок.

В безкапительных конструкциях задача ограничения прогибов более сложна, чем в капительных. Из-за общей небольшой толщины перекрытий и отсутствия капителей прогибы плит перекрытий относительно велики. Дополнительные деформации ползучести, по крайней мере, вдвое увеличивают величину упругих прогибов. Эта проблема не была полностью преодолена до конца 50-х годов ХХ века, когда в ряде зданий с бескапительными колоннами обнаружились треснувшие перегородки и раздавленные окна.

Каркас унифицированный безбалочный КУБ.
В СССР также проводились разработки безбалочного перекрытия. Впервые плоское перекрытие было применено в 60-х годах для высотной гостиницы во Владивостоке. Шаг колонн 6х6м, плиты 2,8х2,8 с учетом шва замоноличивания 0,2м, соединение плит между собой с применением петлевого стыка. Наиболее сложный узел - примыкания к колонне - решен приваркой закладной коробчатой детали плиты к продольной рабочей арматуре колонны.

К граням коробки приварены арматурные стержни для восприятия скалывающих напряжений, растягивающих усилий от опорных изгибающих моментов и местных растягивающих усилий, вызванных продавливанием.

Такой железобетонный каркас получил название "каркас унифицированный безригельный". Были разработаны модифицированные варианты системы КУБ для различных нагрузок и условий изготовления. Однако широкого применения данные серии не получили.

В настоящее время, когда отброшена идеология индустриализации, широкое распространение получают более экономичные монолитные железобетонные конструкции, которые дают возможность получить более гибкие архитектурно-планировочные решения. Главной проблемой остается отсутствие культуры производства у подрядчика с богатым "совковым" наследием. Наиболее простым в изготовлении является плоское перекрытие. Повышенный расход бетона компенсируется простотой опалубки. В результате стоимость и сроки строительства данных перекрытий ниже традиционных балочных. Как следствие монолитные плоские перекрытия получают массовое распространение.

Однако в отечественной литературе и нормативных документах конструкция плоских перекрытий отсутствует, как класс. Действующие нормы не дают проектировщикам ответы на многие вопросы. Возможно данная ситуация произошла по причине ориентации СССР в строительстве сборный железобетон. В академиях до сих пор обучают студентов советским методам.

В настоящее время имеются следующие документы:
Руководство по проектированию железобетонных конструкций с безбалочными перекрытиями, Москва, 1979.
Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций, Москва, 1975.

Что же делать проектировщикам. Стремясь обезопасить от рисков каждый проектировщик посвоему завышает расчетные коэффициенты запаса прочности. Широкое распространение получает расчет конструкций с применение программ конечно-элементного анализа. Однако в случае возникновения аварийных ситуаций вся ответственность лежат на конструкторе. Разработчики программного обеспечения, даже предоставляя соответствующие сертификаты, не берут на себя ответственности по полученным расчетам.

Кроме того за редким исключением программы могут корректно расчитывать железобетонные элементы по предельным состояниям 2-й группы (прогибы) с учетом реального армирования. Слепая вера в результаты расчетов программы могут привести к фатальным последствиям. Из имеющегося строительного програмного обеспечения я бы рекомендовал Robot Millennium. Однако, для использования любой программы нужно в первую очерень инженерная интуиция, а только затем умение работать с программой и знание ее возможностей и области применения. Любые результаты машинных расчетов необходимо проверять грубыми ручными способами, чтобы избежать значительных ошибок.

Конструирование. Проблемой конструирования плоских перекрытий является зона опирания плиты на колонны. В данном месте возникает максимальный изгибаемый момент и поперечная сила. Если с моментом все относительно понятно, то обеспечить восприятие продавливания бывает достаточно сложно при стандартных габаритах колонн и толщине перекрытий. Обеспечить восприятие продавливания можно за счет дополнительного армирования, увеличения толщины перекрытия или увеличения периметра колонны. Увеличить колонну можно не только увеличив ее сечение. Если вытянуть колону (сделать прямоугольной), то при увеличении периметра, ее сечение может остаться прежним. Такую колонну проще разместить в составе межквартирных перегородок.

Также возможно устройство металлической капители в теле плиты. На фотографии приведена металлической капители гостиницы "Виру" в Талине (шаг колонн 8х8 м, толщина перекрытия 27 см).

Еще одно "тонкое" место - опирание наружных ненесущих кирпичных стен. Данный участок часто требует усиления. Устройство обвязочной балки решает проблему, но усложняет конструкцию опалубки. Можно уменьшить шаг колонн по наружному контуру. Однако сложно сказать, какое из двух зол меньше. Как вариант предлагается введение сплошной металлической закладной из швеллера по наружному краю в дополнение к усиленному армированию.

Разновидностью безбалочных перекрытий можно считать часторебристые перекрытия, где при больших пролетах и значительной толщине плиты облегчение конструкции достигается установкой на плоской опалубке полых вкладышей из картона, асбестоцемента, фанеры или других материалов.

И на последок, какой же все таки оптимальный пролет для безбалочных перекрытий? Наиболее экономичным является небольшой шаг колонн, порядка 4,5-4,8м, при этом для жилья можно получить практически любую планировку. Увеличение числа колонн не приводит к существенному возрастанию стоимости, в то время как использование более тонких плит перекрытия обеспечивает значительное ее снижение. По зарубежной литературе максимальный шаг колонн для плоских перекрытий составляет до 7,5м. Но часто шаг колонн определяется по архитектурным и технологическим соображениям. Для устройства гаражей в подвальной части здания шаг колонн приходится увеличивать.

В моей практике наибольший применяемый пролет для плоских перекрытий составлял 6,0 м, и для перекрытий с капителями 8,0м. Стоит обратить внимание на рациональность использования разгружающих консолей вылетом около 0,2L или уменьшение крайних пролетов.

Литература.
1. Железобетонные конструкции, А.Ивянский, 1961
2. Железобетонные конструкции, В.Мурашов, Э.Сигалов, В.Байков, 1962.
3. Строительная наука XIX-XX вв, Генри Дж.Коуэн, 1982
4. Конструкции высотных зданий, Ю.Козак, 1986.
5. Конструкции высотных зданий, В.Шуллер, 1979.
6. Проектирование жилых зданий, Дж.Максаи, Ю.Холланд, 1979.
7. Возведение многоэтажных зданий, У.Палл, К.Эхала