Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

Такая же балка, но с размещенной в растянутой зоне арматурой, обладает более высокой несущей способностью, значение которой выше и может быть до 20 разбольше несущей способности бетонной балки (рис. 2.1, б).

В процессе загружения рассматриваемая балка вначале будет работать подобно бетонной. После образования трещин в бетоне растянутой зоны балка не разрушится, так как растягивающие усилия будут восприниматься арматурой. Разрушение в этом случае наступит вследствие развития текучести стали и последующего раздавливания бетона сжатой зоны. Опыты показывают, что при эксплуатационных нагрузках (обычно 0,5–0,7 от разрушающих) напряжения в арматуре составляют не более 250–300 МПа, а прогибы конструкций и ширина раскрытия трещин не превышают допустимых нормами значений [11, 12]. В такой конструкции бетон может быть полностью использован в работе на сжатие, арматура – на растяжение.

Совместная работа бетона и арматурной стали обусловливается выгодным сочетанием физикомеханических свойств этих материалов:

–при затвердевании бетона между ним и стальной арматурой возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются совместно;

–бетон и сталь обладают близкими по значению коэффициентами

= (7 − 15)10−6 соответственно), вследствие чего в обычных условиях при изменении температуры до 100 °С (от −20 до +50 °С) в обоих материалах возникают несущественные начальные напряжения и скольжения арматуры в бетоне не наблюдается;

– бетон при соблюдении определенных требований (содержание цемента не менее 250 кг/м3, обеспечение необходимой толщины защитного слоя и др.) является надежной защитой арматуры от агрессивных воздействий среды, высоких температур и механических повреждений.

В последние годы все более широкое распространение получают арматурные стали, обладающие высокой прочностью (600 МПа и выше). Работа балки, армированной высокопрочной сталью (рис. 2.1, в), принципиально не будет отличаться от работы балки, изображенной на рис. 2.1, б (при одинаковом количестве арматуры). Однако несущая способность ее будет значительно выше. Вместе с тем в такой балке еще до исчерпания несущей способности прогибы f и ширина раскрытия трещин acr.c возрастают настолько, что значительно превышают допустимые в условиях эксплуатации fu, acr.c.u. Это ограничивает применение высокопрочной арматуры в обычных железобетонных конструкциях.

21

Высокопрочную сталь можно успешно применять в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Идея предварительного напряжения заключается в том, чтобы предварительно натянуть арматуру и закрепить ее в таком состоянии, а после укладки и затвердевания бетона отпустить ее. При этом арматура, стремясь сократиться, обжимает бетон. Иначе говоря, предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых до приложения эксплуатационных нагрузок в процессе изготовления искусственно создаются значительные сжимающие напряжения в бетоне и растягивающие – в арматуре. Начальные сжимающие напряжения создаются, как правило, в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузки будут испытывать растяжение.

Рис. 2.2. Диаграмма «нагрузка F – прогиб f»:

1 – предварительно напряженная железобетонная балка;

2 – железобетонная балка без предварительного напряжения

При приложении нагрузки к предварительно напряженной балке (рис. 2.1, г) растянутая зона бетона испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила, вызывающая образование трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, Fcr.c превышает нагрузку, действующую при эксплуатации Fser (рис. 2.2). С увеличением нагрузки на балку (рис. 2.2, кривая 1) до предельного разрушающего значения Fu напряжения в бетоне и арматуре достигают предельных значений. В железобетонной балке без предваритель-

ного напряжения (рис. 2.2, кривая 2) нагрузка Fcr.c < Fser, но разрушающая нагрузка Fu для обеих балок одинаковая.

22

Таким образом, железобетонные предварительно напряженные конструкции работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по их

ширине раскрытием (Fser < Fcr.c < Fu), в то время как конструкции без предварительного напряжения эксплуатируются при наличии трещин

(Fcr.c < Fser < Fu) и при больших значениях прогибов (см. рис. 2.2). Железобетон получил широкое распространение в строительстве бла-

годаря его положительным свойствам: долговечности, огнестойкости, стойкости против атмосферных воздействий, высокой сопротивляемости к динамическим нагрузкам, малым эксплуатационным расходам на содержание зданий и сооружений и др. Вследствие повсеместного наличия крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона, железобетон доступен для применения практически на всей территории страны.

Железобетонные конструкции являются основой современного капитального строительства.

2.1.1. Изгибаемые элементы. Конструктивные особенности

Наиболее распространенными изгибаемыми элементами являются плиты и балки, которые могут быть самостоятельными конструкциями или входить в состав сложных конструкций и сооружений (ребристые перекрытия, элементы каркасов сооружений и т. д.).

Плиты – плоские элементы, толщина которых hп значительно меньше длины lп и ширины bп.

Балки – изгибаемые элементы, длина которых l значительно больше поперечных размеров h и b.

С использованием плит и балок выполняют плоские перекрытия и покрытия, сборные и монолитные, а также сборно-монолитные (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схемы перекрытий из железобетонных изгибаемых элементов:

а – сборное; б – монолитное: 1 – плиты; 2 – балки

23

Плиты

Плиты могут быть сплошными гладкими и ребристыми, а по числу пролетов – однопролетными и многопролетными.

Плиты в монолитных конструкциях выполняют толщиной кратной 10 мм, но не менее 40 мм для покрытий, 50 и 60 мм – для междуэтажных перекрытий гражданских и промышленных зданий соответственно. При этом наименьшая толщина плиты должна удовлетворять требованиям прочности и жесткости. Минимальная толщина сборных плит (25–35 мм) определяется из условия обеспечения требуемой толщины защитного слоя бетона и условий расположения арматуры по толщине плиты.

Армируют плиты сварными сетками, состоящими из стержней, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если рабочая арматура нужна только в одном направлении, то арматура второго на-

правления играет роль распределительной и монтажной.

Сетки укладывают в плитах таким образом, чтобы стержни их рабочей арматуры располагались вдоль пролета и воспринимали растягивающие усилия, возникающие в конструкциях при изгибе под нагрузкой, в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Поэтому в пролетах плит сетки размещают понизу, а в многопролетных плитах – также и поверху, над промежуточными опорами. Армирование сетками многопролетных плит может быть непрерывное и раздельное. На рис. 2.4 и 2.5 показаны армирование однопролетной плиты и варианты армирования многопролетных плит.

Эпюра моментов при равномерно распределенной нагрузке

2 1

Рис. 2.4. Армирование однопролетной свободно опертой плиты и эпюра моментов при равномерно распределенной нагрузке:

1 – стержни рабочей арматуры; 2 – стержни распределительной арматуры

24

Рабочую арматуру располагают с шагом 100–200 мм, при этом защитный слой для нее должен быть не менее 10 мм, а в плитах толщиной 100 мм – не менее 15 мм. Защитный слой бетона для рабочей арматуры должен обеспечивать совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях работы конструкции, а также защиту арматуры от внешних атмосферных, температурных и других воздействий. Шаг монтажной арматуры – 250–300 мм, но не более 350 мм.

Распределительная арматура устанавливается для обеспечения проектного положения рабочих стержней, уменьшения усадочных и температурных деформаций конструкций, распределения местного воздействия сосредоточенных нагрузок на большую площадь.

Плиты в составе конструктивных элементов в зависимости от отношения сторон опорного контура l2 / l1 могут быть балочными, когда l2 / l1 > 2, и опертыми по контуру, когда l2 / l1 < 2 (рис. 2.6, а, б).

Рис. 2.6. Схемы плит, работающих на изгиб:

а– балочная в одном коротком направлении;

б– опертая по контуру в двух направлениях

Балочные плиты работают на изгиб в направлении меньшей стороны, а изгибающим моментом в направлении большей стороны, ввиду его небольшой величины, пренебрегают.

Плиты, опертые по контуру, работают на изгиб в двух направлениях с перекрестной рабочей арматурой.

26

Плиты по форме поперечного сечения изготовляются с круглыми, вертикальными и реже с овальными пустотами, ребристыми (с ребрами вверх или вниз), сплошными (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Формы поперечного сечения плит перекрытий:

а– с овальными пустотами; б – с круглыми пустотами;

в– с вертикальными пустотами; г – ребристые с ребрами вверх;

д– ребристые с ребрами вниз; е – сплошные

27

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 по наклонному сечению.

В плитах с пустотами минимальная толщина полок – 25–30 мм, ребер – 30–35 мм. В качестве типовых приняты сборные плиты перекрытий с круглыми пустотами. Наибольшая длина стандартных плит – 6,28 м, наименьшая – 2,38 м, наибольшая ширина – 1,59 м, наименьшая – 0,99 м. Между наибольшими и наименьшими размерами устанавливается ряд промежуточных размеров. Высота плит h = 220 мм. Пустоты круглого сечения приняты диаметром 159 мм (рис. 2.7, б).

Продольную рабочую арматуру размещают по всей ширине нижней полки сечения пустотных плит. В многопустотных плитах расстояние между продольными стержнями должно быть не более 100 мм. Поперечные стержни объединяются с продольной монтажной или рабочей ненапрягаемой арматурой в плоские сварные каркасы, которые размещаются в ребрах плит. Плоские сварные каркасы в плитах с круглыми пустотами могут размещаться только в приопорных участках, через одно-два ребра. Конструкция многопустотной плиты перекрытия показана на рис. 2.8.

С-2 1

Рис. 2.8. Конструкция сборной многопустотной панели перекрытия: 1 – напрягаемая арматура; 2 – расчетное сечение

Плиты длиной 6 м и более изготовляются предварительно напряженными. Предварительно напряженная арматура не входит в каркас, т. е. расположена отдельно.

28

В зависимости от пролета и площади сечения рабочей арматуры расчетная нагрузка составляет от 4,5 кПа (450 кгс/м2) до 8 кПа (800 кгс/м2), а в отдельных случаях плиты рассчитываются на большие нагрузки.

Сплошные плиты, опирающиеся на две противоположные стороны, работают как простые балочные плиты и имеют рабочую арматуру в одном направлении.

Более экономичны плиты, опертые по контурам, работающие в двух направлениях (см. рис. 2.6). Рабочая арматура таких плит располагается в обоих направлениях. Величина изгибающего момента в квадратной плите от равномерно распределенной нагрузки составляет M = ql2 / 24, т. е. в три раза меньше момента M = ql2 / 8 балочной плиты такого же пролета.

Сплошные плиты без предварительного напряжения армируются обычно сварными сетками. Толщина сплошных плит не должна быть меньше 8 см. При длине более 4,5 м плиты должны изготавливаться предварительно напряженными. Плиты из тяжелого бетона или бетона на пористых заполнителях армируются продольной напрягаемой арматурой и сварными сетками.

Для перекрытий общественных зданий, учитывая их специфику, разработан ряд конструкций предварительно напряженных плит. К этим конструкциям, в частности, относятся многопустотные плиты, плиты типа ТТ, коробчатые и ребристые плиты. Многопустотные плиты обычно имеют пролеты 9 и 12 м, ширину – 990, 1 120, 1 490 мм, высоту – 300 мм и диаметр круглых пустот – 219 мм (рис. 2.9).

d = 219

h = 300

b = 1 490

Рис. 2.9. Схема многопустотной плиты перекрытия для общественных зданий

Плиты армируются как стержневой и проволочной арматурой, так и канатами К-7. Изготавливаются из обычного тяжелого бетона или керамзитобетона классов В25–В40. В отдельных случаях, в частности для Москвы, изготавливаются плиты высотой 400 мм.

Плиты типа ТТ представляют собой две тавровые балки с общей полкой (рис. 2.10). Полка армируется сварными арматурными сетками,

29

которые, учитывая ее малую толщину (до 5 см), могут размещаться в середине толщины hf , что упрощает арматурные работы. Ребра плиты рассчи-

тываются как разрезные балки таврового сечения с предварительно напряженной арматурой. Плиты изготавливаются с пролетами 9, 12 и 15 м. На рис. 2.10 изображена плита марки ТТ 87-30-16 с поперечными ребрами под нагрузку 16 кПа (1 600 кгс/м2) и 25 кПа (2 500 кгс/м2) с номинальным пролетом L = 9 м, изготавливаемая из бетона класса В30.

Рис. 2.10. Схема плиты ТТ 87-30-16

Плиты коробчатого сечения – тонкостенные длинномерные элементы с пустотами прямоугольного сечения (рис. 2.11). Такая форма пустот делает эти плиты по расходу материалов более экономичными, чем плиты с круглыми пустотами. Кроме того, такие пустоты могут быть использованы для коммуникаций и воздуховодов.

Рис. 2.11. Схема плиты коробчатого сечения

30