Стройка – дело дорогое. Поэтому чем меньше материала уходит на строение и чем проще его геометрия, тем для застройщика лучше. Да и для конечного потребителя, то есть покупателя построенного здания тоже – банально меньше цена.
Именно из этих соображений крайне популярными перекрытиями в монолитном домостроении являются плоские плиты. Для них опалубка представляет собой простейшие щитовые опалубки из водостойкой фанеры. Недорого, быстро, качественно.
Но при таких перекрытиях на определенном этапе возникают ограничения, вынуждающие отказаться от них. И одно из главных ограничений – это величина пролета. Уже на величинах пролета 10 и более метров использование подобных плоских сплошных плит становится нецелесообразным.
Давайте рассмотрим почему же так происходит. Как известно при увеличении пролета пропорционально увеличиваются и усилия в перекрытиях, в частности, моменты сил и поперечные срезающие усилия. Моменты увеличиваются в случае монолитных статически неопределимых перекрытий как в пролетах между колоннами, так и над колоннами. Поперечные же усилия, в силу их природы, растут ближе к зонам колонн.
Итак, какие есть методы компенсации увеличивающихся усилий в сечениях плит? Основных метода два:
Первый метод.
Увеличение количества, т.е. общей площади сечения арматуры в нижней и верхней зоне сечения плиты.
Второй метод.
Увеличение высоты сечения плиты, что дает соответствующее увеличение момента сопротивления и при той же самой арматуре позволяет воспринять большие усилия.
Первый метод является очень ограниченным по диапазону применения, а второй метод практически безлимитен и крайне эффективен.
Что я имею в виду. Дело в том, что любое железобетонное сечение может принять в себя лишь ограниченное количество арматуры и при достижении определенного процента наполнения сечения арматурой оно попросту перестает работать, как железобетонное сечение. Так как сцепление с арматурой бетона становится крайне неэффективным и неполным, а выполнение монолитных работ вообще не представляется возможным. Поэтому мы не можем сильно увеличить пролеты с помощью одного лишь первого метода, т.е. увеличения количества арматуры.
Поэтому, когда лимит на увеличение арматуры исчерпан, прибегают ко второму методу – начинают увеличивать сечение. Но для плоских плит это, к сожалению, также имеет свой барьер. И причина объективна – при увеличении пролета мы начинаем увеличивать толщину плиты, тут же пропорционально начинает расти масса перекрытия (вместе с еще большим ростом усилий) и при определенном пролете увеличение высоты сечения уже просто перестает компенсировать увеличение массы и становится бессмысленным. Об экономичности тут уже даже и речи не идет.
Так что же делать? Оба метода не помогают, хотя второй метод был ранее назван не имеющим ограничений.
Все очень просто. Нельзя применять метод в лоб. При больших пролетах нужна оптимизация. Нам нужно из сечения убрать лишнюю массу, которая растет при увеличении пролета и толщины перекрытия. Как это сделать?
Вспомним сопротивление материалов. Мы, как многие помнят, компенсируем увеличение моментов в сечении увеличением момента сопротивления, который растет с увеличением сечения. Но момент сопротивления увеличивается эффективно не только благодаря высоте, а еще благодаря определенному размещению материалов сечения конструкции, высоту которого мы увеличиваем. Чтобы понять какое размещение материала оптимально, рассмотрим формулы определения момента сопротивления.
Как мы видим из этих простейших формул, момент сопротивления максимален, если максимальное количество материала расположено максимально далеко от центра тяжести сечения. Именно из таких формул получены всем известные эффективные формы сечений стальных, например прокатных двутавров. То же самое мы можем применять и в бетоне. Мы максимально убираем бетон внутри сечения, оставляя лишь тонкие вертикальные перегородки для соединения верхних и нижних зон перекрытия и тем самым существенно облегчаем перекрытия.
Аналог таких облегченных перекрытий все знают как сборные пустотные плиты перекрытий.
А при чем же здесь кессоны, спросите вы. А вот мы как раз и подошли к этой теме. Смотрите, чем плохи перекрытия с пустотами, к которым из формул сопромата мы пришли? Во-первых, сложностью изготовления, во-вторых, тем, что масса перекрытий все еще существенная несмотря на все принятые меры по минимизации бетона. Что же делать? Вроде уже мы сделали все что было можно. На самом деле нет. Дело в том, что для стали действительно наиболее эффективное решение – это двутавр в силу гомогенности свойств стали. Сталь работает на растяжение и сжатие одинаково. Но железобетон то работает не так! В большинстве расчетов сопротивление бетона на растяжение не учитывается в работе ввиду его малости относительно сопротивления арматуры. А значит, что в плитах в растянутой зоне бетон нужен в минимальном количестве! Только для защиты арматуры от коррозии и обеспечении совместной работы с бетоном! Значит мы можем вообще убрать нижнюю (растянутую) полку бетона, оставив лишь вертикальные ребра, в которых и будет размещена требуемая арматура и именно количество арматуры будет определять ширину этих полок. И таким образом мы получаем еще более кардинальное снижение веса конструкции и как раз и получаем перекрытие в форме кессона.
Также несомненным плюсом данного перекрытия является то, что реализовать такую форме просто и для этого не надо менять опалубку, о которой мы говорили в начале повествования. Тут также применяется плоский щит из фанеры, на который просто укладывается формообразователь кессонов в виде пластиковых или стальных форм (иногда даже тазики используют). И эти формообразователи еще к тому же и многократного использования, так как в силу скошенных стенок легко извлекаются из бетона после снятия опалубки.
А как же компенсируют большие моменты и поперечные усилия над колоннами в подобных кессонных перекрытиях, спросите вы. Ведь там не хватит такого ажурного сечения для этого. Тут все просто. В зонах опор перекрытия над колоннами просто не делают кессонную форму перекрытия, а оставляют сплошную толстую плиту, которая и работает на моменты и поперечные усилия за счет своей сплошности. При этом серьезно на усилия в плите это не влияет, т.к. вся эта масса сосредоточена непосредственно возле колонн и не увеличивает изгибающие моменты в плите.
Именно такими методами получают эффективные легкие большепролетные перекрытия с применением железобетона. Ребра кессонов располагают взаимоперпендикулярно если перекрытие работает на изгиб во всех направлениях или схема расстановки колонн нерегулярна. Если же перекрытие работает в одном направлении, то вполне логично делать ребра кессона однонаправленными и сэкономить дополнительный бетон на исключении поперечных ребер, как не нужных в данном случае. Также, при ограниченной высоте этажа в ребрах кессона делают технологические отверстия для пропуска коммуникаций, которые еще экономят бетон дополнительно. Но в данном случае опалубка имеет сразу скачок по стоимости и обоснование такого решения должно быть подтверждено тщательными экономическими расчетами, чтобы потом экономия на высоте этажа не перекрылась колоссальной стоимостью опалубки. Ну, как финальный аккорд, в особо серьезных большепролетных перекрытиях арматуру в растянутых зонах еще и преднапрягают.
Подписывайтесь на наш телеграм канал. Всем удачных проектов и красивых, надежных зданий. Всем пока!
