Строительство с применением железобетонных конструкций характеризуется обилием инженерных решений, принцип работы и особенности которых понятны лишь специалистам от архитектуры и строительного проектирования. Наш ликбез исправит эту оплошность, поведав читателям о технологии безбалочных сборно-монолитные перекрытий (ББСМП).
Устройство и характерные особенности
Как и прочие виды сборно-монолитных конструкций, безбалочные перекрытия имеют чёткое разделение функций монолитной и сборной части общего железобетонного массива. Общая характерная черта — использование ЖБИ фабричного производства в качестве некоего подобия опалубки, элементы которой после замоноличивания объединяются для более эффективного восприятия нагрузок и воздействий.
Чтобы понять разницу между безбалочными и балочными перекрытиями, не будет лишним познакомиться с физической моделью работы последних. Основным несущим элементом в них выступает система однонаправленных или поперечно-направленных балок, опирающихся на вертикальные колонны. На сами балки укладываются железобетонные плиты или доски, таким образом, зона восприятия нагрузок увеличивается благодаря опиранию по всей протяжённости короткой стороны ЖБИ.
Безбалочные перекрытия отличаются тем, что вместо балок в них используются надколонные панели, на которые поперёк уложены межпролётные панели. Каждая из колонн в таких случаях имеет расширение в верхней части, называемое капителью, функциональным назначением которой служит увеличение пятна контакта между сборными элементами конструкции. Монолитная часть перекрытия может включать как общий железобетонный покров, так и специальные шпонки, предназначенные для обездвиживания панелей и их жёсткого скрепления с капителями колонн.
Характерное отличие ББСМП заключается в отказе от опирания на несущие внутренние стены, панели передают нагрузку только на ограждающие конструкции. Центральная часть перекрытия поддерживается равнопролётной сеткой колонн. Это достаточно сложная система, функции которой наиболее ярко выражаются при использовании совместимых ЖБИ одного производителя, конструкцией которых предусмотрено достаточное число и верное расположение технологических уступов и шпунтов. Также безбалочные системы примечательны тем, что это один из немногих типов железобетонных конструкций, в которых соединение арматурных каркасов изделий выполняется сваркой.
Назначение безбалочных перекрытий
Сложность устройства ББСМП окупается более рациональным использованием объёма помещения нижних этажей при сопоставимой конструкционной прочности. Потолок избавлен от системы ребер, препятствующих свободному проведению инженерных коммуникаций и затрудняющих отделку.
Конструктивные решения по части безбалочных перекрытий с межпролетным расстоянием до 6 метров в обоих направлениях достаточно подробно изучены и описаны. Однако применение таких конструкций в гражданском строительстве сильно ограничено ненадобностью сооружения помещений столь значительной протяженности со свободной планировкой. Тем не менее, производителями систем несъёмной опалубки достаточно часто предлагаются решения, позиционируемые как ББСМП, но по сути таковыми не являющимися. В общем варианте исполнения балки в подобных перекрытиях все же имеются, хотя они и скрыты в толще сборно-монолитной плиты и представлены стальным двутавром.
Тем не менее, оригинальная технология может применяться на объектах коммерческой и жилой недвижимости, строящихся в частном порядке. Прежде всего, это перекрытия первого этажа над монолитным цоколем, а также междуэтажные перекрытия зданий из композитных бетонных панелей. Как правило в таких случаях сетка колонн включает не более 4–9 опор, то есть общая площадь перекрытия при таком способе устройства может достигать 300 м2. Из дополнительных преимуществ безбалочной системы можно отметить сниженный расход бетона и, как следствие, меньший вес каркасной конструкции.
Расчёт и проектирование
Номенклатура ЖБИ для сборно-монолитных безбалочных перекрытий и технические требования к изделиям изложены в ГОСТ 27108–86. Общее описание системы ББСМП и указания по проектированию и расчёту подробно описаны в пособии к СНиП 2.03.01–84 «Проектирование железобетонных сборно-монолитных конструкций».
На практике используются специальные програмные комплексы САПР для расчёта безбалочных сборно-монолитных конструкций
Расположение колонн для ББСМП может приниматься как равнонаправленное, так и по пересечениям прямоугольной сетки, однако в последнем случае соотношение длин пролётов не должно превышать 1,5:1. Частота установки опор должна определяться допустимой нагрузочной способностью плит в соответствии с её расчётом на прогиб под эксплуатационными нагрузками. Общая тенденция такова, что с увеличением шага установки колонн снижается толщина перекрытия и, как следствие, удельный вес конструкции становится меньше. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании зданий на ленточных фундаментах, опирающихся на ослабленный грунт. Средний показатель толщины плит колеблется от 1/30 до 1/35 длины пролёта.
Общепринятая методология расчёта основывается на определении достаточного сечения несущих элементов в соответствии с требуемой прочностью по предельным состояниям первой группы. В ходе расчёта устанавливается достаточная толщина поперечного сечения элементов, нормального к продольной оси, в зависимости от различных условий. После этого выполняется расчёт сечений, наклонных к продольной оси, для противодействия нагрузкам смещения и косоугольных изгибающих моментов.
Пример расчёта по распределению колонн и размеру капитель
Поскольку речь идет о расчёте сборно-монолитных конструкций, отдельным разделом Приложения описывается методика расчёта прочности контактных швов омоноличивающего бетона отдельно для промежуточных и крайних опор. Целью этого расчёта является определение, как достаточной площади контактного пятна, так и применяемые методы связи сборно-монолитной конструкции: выведение арматурных элементов, устройство шпонок, обеспечение шероховатости поверхностей в зоне контакта. Эти расчёты, включая определение выносливости, также проводят по методу предельных состояний первой группы.
В завершение проектных изысканий определяется эксплуатационная устойчивость, то есть расчёт ведётся по методу предельных состояний второй группы. Сюда входит определение допустимой ширины раскрытия трещин и расчёт компенсирующих усилий сжатия и растяжения, в обоих случаях отдельно определяются показатели в плоскости, нормальной и наклонной к продольной оси железобетонного элемента. Завершается расчёт определением допустимой кривизны и деформаций в соответствии с требованиями к комплексному равновесию каркасной системы.
Используемые разновидности плит и колонн
При возведении ББСМП могут применяться как типовые изделия по ГОСТ 27108–86, так и специально запроектированные. Последнее, разумеется, в частном строительстве — большая редкость. Как правило, речь идёт о трёх типах унифицированных изделий: колоннах, навершиях к ним, а также плитах специальной конфигурации.
1 — колонна; 2 — капитель; 3 — плита перекрытия
Начать следует с того, что пригодные к использованию в безбалочных перекрытиях колонны и капители должны иметь пазо-шпунтовые соединения. Это требование диктуется упомянутым выше Пособием, где отмечается, что расчёт ведётся по состоянию сборно-монолитной конструкции до набора омоноличивающим бетоном проектной прочности. В действительности допускается временное крепление колонн и капителей стальными хомутами, которые снимают после окончательного отверждения бетонных шпонок, однако эта технология более сложная и на практике применяется редко.
Плиты для ББСМП используются двух типов. Надколонные имеют специальные углубления, препятствующие их поперечному смещению и предназначенные для технологичной стыковки с навершиями колонн. Как правило, надколонные плиты имеют оголённую арматуру как минимум по двум противолежащим краям. Реже используются плиты с отбортовкой, предназначенное для стыковки с пазами в капителях. Пролётные плиты могут изготавливаться либо с расчётом на замоноличивание только технологических швов и иметь оголенную арматуру по всем сторонам, либо омоноличиваться общим покрывающим слоем, в таком случае все их торцы будут гладкими.
Железобетонные изделия для ББСМП как правило изготавливают из тяжёлого бетона марки не ниже В25 с предварительно напряженной арматурой. В ходе реальных испытаний также была установлена возможность использования бетона на облегчённом (пористом) заполнителе при ограниченной длине пролета, а также пустотелых изделий со сферическими полостями.
Порядок монтажа безбалочных СМП
Возведение зданий с ББСМП ведётся строго поэтажно. Непосредственно устройство перекрытия выполняется по завершению установки колонн, которому предшествует монтаж закладных деталей в перекрытие нижнего этажа. Колонны также могут монтироваться по разрезному принципу, однако от такой технологии часто отказываются из-за значительной протяжённости пазо-шипового соединения.
После установки и выверки сетки опор на их уширения устанавливают оголовки. Следом проводится монтаж поясной опалубки, предназначенной для удержания бетонной массы при заливке шпонок. На капители сверху укладывают надколонные плиты и стыкуют их способом, который предусмотрен конфигурацией ЖБИ. Поверх подклонных плит укладывают межпролётные, обычно имеющие заужение в области опирания для облегчения выполнения монолитных работ.
После установки сборных элементов производится увязка дополнительных арматурных каркасов в швах омоноличивания и монтаж закладных под колонны следующего этажа при необходимости. После этого технологические пазы заливают бетоном марки В15, который усаживается вибрационным методом. На этом этапе становится очевидной вся сложность устройства перекрытий по технологии ББСМП: помимо того, что требуется тщательно подобрать изделия из номенклатуры, на строительной площадке необходимо обеспечить все условия для проведения работ по двум разным технологическим процессам с использованием широкого ряда строительной техники, зачастую тяжёлой.