Эффективность применения плоских сборно-монолитных перекрытий в каркасном домостроении

В работе приведены возможные преимущества каркасного домостроения, выполнен краткий обзор существующих каркасных систем с плоскими сборно-монолитными перекрытиями. На примере одной из систем рассмотрены недостатки, возникающие в процессе их возведения и эксплуатации.

Ключевые слова: конструктивная система, каркасные здания, сборно-монолитное перекрытие.

Проблема потребности в гражданских зданиях, снижение стоимости их строительства и эксплуатации и повышение потребительских качеств требуют постоянного совершенствования конструктивных решений, применяемых технологий и методов строительства. Менее энергоемкой и, следовательно, более экономичной конструктивной системой современных зданий высотой до 25 этажей является каркасная, выполненная в рамно-связевом или связевом вариантах.

В многоэтажных зданиях связевой каркасной системы горизонтальные нагрузки воспринимаются обычно вертикальными диафрагмами. Каркас здания в этом случае рассчитывают только на вертикальные нагрузки, что позволяет унифицировать его элементы и обеспечить монотонность конструкции по высоте здания. Наружные стены и перегородки в таких зданиях выполняют в основном функцию ограждающих конструкций, формирующих архитектурный образ и микроклимат здания. Такой подход позволяет расширить спектр используемых легких теплоизоляционных материалов при возведении наружных ограждающих стен (пенобетон, ячеистый бетон, пеностекло, экструзионный вспененный полистирол и т. д.), что соответственно приводит к снижению веса здания и повышает его энергоэффективность за счет сокращения потерь тепла при эксплуатации. Наряду с этим, устранение переменных температурных воздействий на несущие конструкции, исключает появление в них циклически изменяющихся температурных деформаций и усилий, увеличивает долговечность и эксплуатационную надежность здания в целом.

Наиболее распространенными в современном гражданском строительстве по-прежнему остаются монолитная и сборная технологии строительства. При этом у каждой из них есть свои достоинства и недостатки. Для минимизации имеющихся недостатков целесообразно использовать технологию сборно-монолитного строительства, которая позволяет обеспечить рациональное сочетание положительных качеств двух исходных технологий. Например, заводская технология изготовления несущих конструкций обеспечивает высокую механизацию работ, снижение энергозатрат и операционный контроль всех производственных процессов, что гарантирует высокое качество и надежность сборных конструкций. Сборно-монолитная технология домостроения позволяет сократить расход стали, увеличить скорость строительства, снизить дополнительные затраты на ведение работ в зимнее время (прогрев бетона, применение противоморозных добавок) в условиях строительной площадки.

Таким архитектурно-строительным требованиям, как возможность гибкой планировки в зданиях с различными функциями и создание разнообразия фасадов при одной конструктивной схеме, собранной из унифицированных элементов, в ряде случаев наиболее полно отвечает каркас с плоскими сборно-монолитными железобетонными перекрытиями. Безбалочные бескапительные перекрытия имеют некоторые преимущества перед другими видами перекрытий, которые заключаются в простоте изготовления и меньшем расходе материалов на опалубку (плоская форма и минимальная площадь поверхности из-за отсутствия балок), меньшей площади, подвергающейся последующей отделке, возможности применения более жестких бетонов (что экономит расход цемента и уменьшает усадку бетона), гладком потолке, позволяющем отказаться от дорогостоящих подшивных потолков, необходимых по гигиеническим или эстетическим соображениям, сравнительно малом габарите перекрытия, что дает экономию кубатуры здания на 10–12 % и уменьшает расходы на эксплуатацию здания и ограждающие конструкции [1, с. 3].

На сегодняшний момент самыми известными решениями каркаса с плоскими сборно-монолитными перекрытиями являются:

-          конструкция перекрытия «Сочи», состоящая из стандартных многопустотных железобетонных панелей перекрытий, между торцами которых в пределах толщины панели делают монолитные железобетонные главные балки (ригели). По длинным сторонам панелей также оставляются зазоры, в которых образуются монолитные балки, предназначенные для превращения сборных однопролетных панелей в неразрезную балочную плиту. Эти же балки служат шпонками для включения панелей в совместную работу на изгиб главной балки (ригеля). При соответствующем армировании эти балки могут служить для усиления панелей в пролете, а также содержать арматуру, необходимую для передачи сейсмических усилий на колонны, диафрагмы жесткости и на фундаменты [2, с. 3]. Принципиальные решения этой системы во многом использованы в других известных решениях;

-          универсальная открытая архитектурно-строительная система зданий серии Б1.020.1–7* («АРКОС»), разработанная НИЭП РУП «Институт БелНИИС», г. Минск. Сборно-монолитные диски перекрытий системы образованы сборными многопустотными плитами с открытыми на фиксированную глубину 100 мм по обоим торцам полостями и сквозными на всю ширину и длину здания монолитными ригелями, пропущенными, как правило, в специально устроенных сквозных проёмах колонн и скрытыми в пределах толщины многопустотных плит. Сборные плиты оперты концами на монолитные ригели посредством бетонных шпонок, образующихся при их бетонировании в открытых полостях по торцам плит;

-          регионально-адаптируемая индустриальная универсальная строительная система «РАДИУСС», состоящая из пустотных плит перекрытия и монолитных участков без выступающих ригелей. В варианте «РАДИУСС НПУ» (с напрягаемой в построечных условиях арматурой) применяются высокопрочные канаты;

-          сборная каркасная система «РТС» с преднапряженными перекрытиями из широких пустотных плит высотой 24 см, Болгария. Пространственная жесткость несущей системы обеспечивается путем натяжения главных канатов в двух направлениях вдоль осей колонн и созданием рамных узлов. Для пропуска этих канатов в колоннах и плитах (на уровне перекрытий) оставляются каналы, инъецируемые цементным раствором после натяжения;

-          унифицированная система сборно-монолитного безригельного каркаса «КУБ». Диск перекрытия системы выполняется из сборных панелей, подразделяющихся, в зависимости от местоположения в каркасе, на надколонные, межколонные и средние. В торцах панелей предусмотрены петлевые выпуски, обеспечивающие в каркасе здания монолитную связь смежных панелей;

-          каркас системы «Delta», Финляндия. Состоит из сборных многопустотных плит и сталебетонных несущих ригелей, образованных цельносварным гнутым профилем трапециевидного сечения, вписанным в толщину перекрытия, и бетоном замоноличивания.

Каждая из вышеперечисленных систем обладает своими достоинствами и недостатками.

В настоящее время, на территории Смоленской области, где проживает один из авторов статьи, широкое применение нашли решения сборно-монолитного безригельного каркаса «КУБ», как наиболее экономичные по стоимости и темпам возведения в сравнении с монолитным каркасным строительством, особенно при массовой застройке спальных районов города. В процессе проектирования, авторского надзора и эксплуатации зданий, построенных по данной системе, выявлен ряд негативных фактов.

Закрепления надколонных плит на колоннах предусмотрены через соединительные элементы, привариваемые к опорным уголкам (обечайке) плит и к вертикальной арматуре колонн (рис. 1). В период эксплуатации зданий их пространственная устойчивость обеспечивается замоноличенными стыками колонн и надколонных плит, образующими рамные узлы, а при необходимости включением в систему здания дополнительных связей и диафрагм жесткости. Конструктивная безопасность всей системы базируется на качестве выполнения шпоночных стыков «плита-колонна» и других резервов надежности не имеет. Монтаж конструкций требует высокой организации производственного процесса, квалификации и ответственности исполнителей (рис. 2). Качественное замоноличивание стыков «плита-колонна» при количестве бетона 0,024 м³ на один стык практически невозможно, особенно зимой, что подвергает здания большому риску. В процессе монтажа необходим постоянный лабораторный и технологический контроль.

Рис. 1. Стык «плита-колонна» сборно-монолитного безригельного каркаса «КУБ»: 1 — соединительное изделие из равнополочного уголка 100х9; 2 — бетон кл. В25

а                                                                               б

Рис. 2. Качество выполнения монтажного стыка «плита-колонна» сборно-монолитного безригельного каркаса «КУБ»: а — вид на плиту сверху; б — то же, снизу

Стыковка панелей перекрытия между собой осуществляется посредством установки арматуры диаметром 10 А400 в виде прямых стержней или П-образных шпилек в петлевые выпуски с последующим бетонированием мелкозернистым бетоном кл. В 25 с фракцией не более 10 мм (рис. 3). Петлевой стык (стык Г. П. Передерия) в узлах соединения надколонных и межколонных плит не воспринимает изгибающие усилия, возникающие в нем при неуравновешенной временной нагрузке на плиты в период эксплуатации здания. Это может привести к трещинообразованию в стыке (рис. 4).

                                      а                                                                                 б

Рис. 3. Петлевой стык панелей перекрытия сборно-монолитного безригельного каркаса «КУБ»: а — стык панелей перекрытия до бетонирования; б — то же, после замоноличивания

Рис. 4. Трещинообразование в стыке панелей перекрытия сборно-монолитного безригельного каркаса «КУБ»

В связи с высокими технико-экономическими показателями сборно-монолитной каркасной технологии строительства и недостатками существующих конструктивных каркасных систем, в массовой застройке приоритетным должно стать развитие и совершенствование каркасных зданий с плоскими сборно-монолитными перекрытиями, а направление их совершенствования должно быть нацелено на повышение надежности [5] и безопасности для потребителя.

Литература:

1.    Дорфман А. Э., Левонтин Л. Н. Проектирование безбалочных бескапительных перекрытий. — М.: Стройиздат, 1975. — 124 с.

2.    Рекомендации по проектированию конструкций плоского сборно-монолитного перекрытия «Сочи».– М.: Стройиздат.– 1975. — 34 с.

3.    Семченков А. С. Обоснование регионально-адаптируемой индустриальной универсальной строительной системы «Радиусс» // Бетон и железобетон.– 2008.- № 4.– С. 2–6.

4.    Гуров Е. П. Сборное домостроение. Стратегия развития // СтройПРОФИль.– 2010.- № 5. — С. 10–15.

5.    Никулин А. И. Особенности расчета сборно-монолитных железобетонных каркасов многоэтажных зданий с учетом технологии их возведения // Расчеты и проектирование пространственных конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности: Тезисы докл. научн. сессии.– М.: МОО «Пространственные конструкции», 2004.– С. 54–55.