Железобетонные стропильные балки, фермы и плиты

• Железобетонные стропильные балки применяют для перекрытия пролетов 6, 9, 12 и 18 м. При пролетах 24 м и более они уступают фермам по технико-экономи­ческим показателям и, как правило, не используются. Балки пролетами 6 и 9 м предназначены преимуществен­но для покрытия пристроек, а балки пролетом 12 м — в качестве поперечных или продольных ригелей покры­тия. Балки пролетом 18 м применяют в качестве попереч­ных ригелей, по которым укладывают плиты 3X6 или 3X12 м.

В зависимости от профиля кровли балки бывают дву­скатными (рис. 11.10,а, б), односкатными, с параллель­ными полками (рис. 11.10, в), ломаным или криволиней­ным очертанием верхней полки.

Ц, Двускатные балки имеют уклон верхней полки 1 : 12 для скатных кровель, 1 : 30 — для малоуклонных кровель. Вследствие своей экономичности они получили наиболее широкое распространение для покрытий пролетов 18 м. Определенные трудности при их изготовлении связаны с устройством каркасов переменной высоты. При необхо­димости пропуска коммуникаций в уровне покрытия (воздуховоды и т.п.) используют двускатные решетча­тые балки пролетом 12 и 18 м (рис. 11.10,6).

Односкатные балки обычно применяют для устрой­ства кровли с односторонним уклоном, например в при­стройках.

Балки с параллельными полками наиболее просты в изготовлении, имеют арматурные каркасы постоянной высоты и применяются в качестве продольных ригелей при горизонтальных кровлях. Однако по расходу бетона и арматуры они уступают двускатным.

Балки с ломаным и криволинейным верхним поя­сом, несмотря на экономичность, не нашли широкого при­менения вследствие сложной технологии их изготовления.

Высота сечения балок в середине пролета (1/10... ...1/12) /.

В целях экономии бетона сечение балок принимают тавровым (при /—6; 9 м) и двутавровым (/=12; 18 м). Ширину верхней полки балок из условия опирания плит покрытия и обеспечения устойчивости при транспортиро­вании и монтаже принимают равной (1/50...1/60) /, что обычно составляет 20...40 см. Ширину нижней полки(25...30 см) определяют из условия размещения в ней растянутой арматуры, прочности бетона пояса при дей« ствии усилия обжатия, а также условия опирания на ко­лонны. Толщину вертикальной стенки всредней частипролета (6...8 см) назначают из условий изготовления балки (в вертикальном положении) и размещения попе­речной арматуры (одного или двух каркасов). У опор стенка утолщается для обеспечения прочности и трещи-нестойкости опорных сечений. Бетон балок классов В25...В40.Все типы балок пролетами 12...18 м выполняют пред­варительно напряженными, как правило, с натяжением на упоры. Для исключения образования и раскрытия тре­щин в верхней зоне от усилий, возникающих при отпус­ке нижней арматуры, в ряде случаев в верхней зоне раз­мещают напрягаемую арматуру Л₅₀ = (0,15...0,2) А_зр. Поперечную и продольную монтажную арматуру выпол­няют из сталей классов А-1, А-П1. В опорных частях ба­лок, где возникают большие усилия от реакций опор и предварительного обжатия, устанавливают дополни­тельную арматуру в виде сеток и вертикальных стерж­ней.

Нагрузки на балку от веса покрытия и снега переда­ются через ребра плит в виде сосредоточенных сил. При числе их более четырех нагрузка заменяется эквивалент­ной равномерно распределенной. Нагрузки от подвесно­го транспорта и коммуникаций передаются на балку в виде сосредоточенных сил.

Балки рассматриваются как шарнирно опертые эле­менты с расчетным пролетом, равным расстоянию меж­ду линиями действия опорных реакций.

Подбор продольной и поперечной рабочей арматуры,
расчет прогибов и трещиностойкости балок производятся
как для обычного элемента таврового или двутаврового
сечения. При расчете нормальных сечений двускатных балок необходимо учитывать, что сечение, где требуется наи­большая площадь продольной растянутой арматуры, не совпадает с серединой пролета, где действует макси­мальный изгибающий момент. Это объясняется тем, что по мере удаления от середины балки рабочая¹ высота ее на некотором участке уменьшается быстрее, чем внеш­ний изгибающий момент. При уклоне верхней полки 1 : 12 опасное сечение находится на расстоянии 0,37/ от опоры.

. Железобетонные стропильные фермы

ф Железобетонные стропильные фермы применяют в качестве ригелей покрытий промышленных и общест­венных зданий при пролетах 18, 24, 30 м и шаге 6 и 12 м. При больших пролетах железобетонные фермы получа­ются тяжелыми, неудобными при транспортировании, трудоемкими в монтаже и могут применяться лишь при специальном обосновании. Фермы устанавливают на колонны или крепят к подстропильным фермам с помощью анкерных болтов или сварки закладных опорных элемен­тов. По фермам укладывают плиты покрытий и кровлю. Очертание стропильных ферм зависит от профиля кровли и общей компоновки покрытия. Для зданий со скатной кровлей как типовые фермы применяют: сег­ментные раскосные с верхним поясом ломаного очертания (рис. 11.11, а, ж) и безраскосные арочного очерта­ния (рис. 11.11,6, и), для зданий с плоской кровлей — раскосные с параллельными поясами (рис. 11.11, г). Для нетиповых решений возможны и другие виды ферм: ароч­ные раскосные с разреженной решеткой (рис. 11.11,0), полигональные (рис. 11.11,5), треугольные (рис. .П.П.е), с нижним ломаным поясом (см. рис. 11.11,<3). Наиболее рациональны с точки зрения статической работы сегментные и арочные раскосные фермы. В сегментных раскосных фермах (см. рис. 11.11, а, ж) усилия в поясах по длине изменяются мало, а в эле­ментах решетки — невелики. Это объясняется тем, что очертание верхнего пояса близко к кривой давления. До­стоинством этого типа ферм также является то, что не­большая высота у опор приводит к уменьшению высоты стен здания и суммарной длины решетки. К числу недостатков следует отнести повышенную трудоемкость ра« бот, связанных с устройством скатной кровли,

в В последние годы широкое распространение полу­чили безраскосные арочные фермы (рис. 11.11,6, и), ко­торые отличаются простотой и удобством изготовления. Особенно целесообразно безраскосные фермы применять в зданиях, где межферменное пространство используется для коммуникаций, технических этажей, а также в цехах с насыщенным подвесным транспортным оборудованием. Эти фермы часто используются для устройства плоской кровли путем установки дополнительных стоек. Недо­статком этого типа ферм является то, что в стойках и по­ясах фермы возникают значительные изгибающие мо­менты, для воспринятая которых требуется дополнитель­ный расход арматуры, что приводит к увеличению стоимости ферм.

© Железобетонные фермы с параллельными поясами обеспечивают более простое устройство плоской кровли.
Однако они имеют большую высоту на опорах, что поми­мо увеличения высоты наружных стен приводит к необ­
ходимости устройства вертикальных связей между фер­
мами в плоскости опорных стоек. По расходу бетона такие
фермы уступают, сегментным и арочным. Предложен­
ное в последние годы техническое решение, предусматри­
вающее отведение части предварительно напряженной
арматуры из нижнего пояса в растянутые раскосы (рис,
11.11,к), позволяет улучшить их технико-экономические
показатели.

Расстояние между узлами верхнего пояса рассмот­ренных типов ферм принимается равным ширине плиты покрытия (3 м) в целях обеспечения узловой передачи нагрузки.

© Арочные раскосные фермы (рис. 11.11, б) имеют мощный криволинейный пояс кругового очертания и лег­кую разреженную решетку. В таких фермах допускается неузловая передача нагрузки от плит покрытия. Возни­кающие при этом изгибающие моменты от вертикальной нагрузки уменьшаются за счет моментов обратного зна­ка, создаваемых эксцентрично приложенными продоль­ными сжимающими усилиями в верхнем поясе (рис. 11.11,«). По экономическим показателям эти фермы при' пролетах 18...24 м несколько дороже сегментных, а при пролетах 30 м и более — экономичнее.

ц Треугольные фермы невыгодны ввиду большой вы­соты и значительного расхода материалов. Применениеих оправдано только в случае использования кровли из асбестоцементных материалов или металлических волни­стых листов, для которых требуется значительный уклон.

Фермы с ломаным нижним поясом (рис. 11.11, д) более устойчивы, не требуют установки дополнительных связей, но сложны в изготовлении.

По способу изготовления различают фермы с за­кладной решеткой и фермы, бетонируемые целиком.

В фермах с закладной решеткой элементы решетки готовятся заранее в отдельных формах, а затем уклады­ваются в общую форму, после чего бетонируются пояса и узлы. Этот способ позволяет делать элементы решетки небольшого сечения и из бетона более низких классов, что приводит к экономии бетона и цемента. Фермы про­летом 30 м и более для обеспечения возможности транс­портирования обычно изготовляются из двух отправочных элементов и объединяются на строительной площадке стыком на сварке (рис. 11.11,л). Такие фермы дороже цельных на 10...15 % и менее надежны в работе при ди­намических нагрузках.

Высота ферм в середине пролета (1/6... 1/10) /. Ши­рина сечения верхнего пояса назначается из условия ус­тойчивости его из плоскости фермы при монтаже и пере­возке (1/70..Л/80) /, а также из условия опирания плит. Ширина сечения нижнего пояса принимается такой же, как и верхнего, а высота сечения назначается из условия размещения рабочей растянутой арматуры. Размеры се­чения сжатых элементов решетки и стоек определяются расчетом, при этом ширину их целесообразно назначать равной ширине поясов для удобства бетонирования в го­ризонтальном положении.

Фермы изготовляют из бетона классов В25...В50. Нижний пояс предварительно напряженный, армируется стержневой арматурой классов А-1У, А-У, А-У1, Ат-1У, Ат-У, канатами К-7, К-19. Натяжение арматуры обычно осуществляют на упоры. Чтобы предотвратить появление продольных трещин, нижний пояс армируют конструк­тивной поперечной арматурой из проволоки е?=5...6 мм, соединенной обычной арматурой в каркасы (рис. 11.11,дас, сечение /—1). В верхних поясах, раскосах и стойках применяют сварные каркасы из горячекатаной стали пе­риодического профиля классов А-Ш, А-П.

Особое внимание при конструировании ферм следует обращать на армирование узлов. В опорном узле для вос­принятая больших перерезывающих сил и сил обжатия

устанавливают поперечную арматуру / (рис. 11.11,ж), объединенную контурным стержнем 2 в плоский каркас. Два таких плоских каркаса образуют пространственный каркас узла. Для улучшения условий анкеровки напря­гаемой арматуры и предотвращения возникновения про­дельных трещин в бетоне устанавливают косвенную ар­матуру 3 в виде сеток. Для предотвращения раскрытия трещин в месте сопряжения нижнего пояса с узлом ста­вят дополнительную сетку 4. Арматуру элементов решет­ки заводят в узлы, которые имеют уширения, позволяю­щие лучше разместить ее и заанкеровать (рис. 11.11,л)\

Фермы рассчитывают на эксплуатационные нагрузки от покрытия, фермы, снега, подвесного оборудования и т. п., а также нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировании и монтаже. Нагрузка от покрытия и от массы фермы считается приложенной к узлам верх­него пояса, а нагрузка от подвесного оборудования — к узлам нижнего.

Железобетонная ферма имеет жесткие узлы и пред­ставляет собой многократно статически неопределимую рамную систему. Однако в предельном состоянии по прочности в узлах раскрываются трещины, жесткость их падает, и влиянием возникающих изгибающих моментов можно пренебречь, рассматривая узлы как шарнирные. Это позволяет при расчете прочности рассматривать фер­му как статически определимую систему. Такой расчет в общем верно отражает характер работы конструкции и обеспечивает достаточную точность. Если нагрузка приложена в панелях верхнего пояса между узлами, то при расчете учитывают местный изгиб верхнего пояса, При определении изгибающих моментов от внеузловой нагрузки пояс фермы рассматривают как неразрезную балку, опорами которой являются узлы фермы. При на­личии выгибов или изломов верхнего пояса учитывают разгружающее действие момента от продольной силы N (рис. 11.11, и).

При расчете безраскосной фермы принимают жест­кое соединение поясов и стоек в узле. Усилия определя-> ют как для статически неопределимой системы.

Расчетные усилия в элементах ферм находят от всех возможных невыгодных сочетаний действующих нагрузок. По найденным усилиям производят расчет сечений эле­ментов. Верхний пояс рассчитывают на сжатие со слу­чайным или расчетным эксцентриситетом, нижний — на центральное растяжение, решетку — на сжатие или рас-.тяжение. Расчетные длины элементов в плоскости фер­мы и из ее плоскости принимают по [1].

При расчете трещиностойкости предварительно на­пряженного нижнего пояса необходимо учитывать влия­ние изгибающих моментов, возникающих вследствие жесткости узлов. Эти моменты в фермах со слабоработаю­щей решеткой (например, в сегментных) можно опреде­лить, рассматривая нижний пояс как неразрезную бал­ку на упругооседающих опорах; осадку опор находят по диаграмме перемещений фермы [13].

Железобетонные плиты покрытий

В настоящее время существует целый ряд типов плит (панелей) покрытий, решаемых по беспрогонней схеме, и постоянно разрабатываются новые конструктивные ре­шения. Наибольшее распространение получили плиты пролетом 12 м (рис. 11.9, а) и 6 м, шириной 3 м (основ­ные) и 1,5 м (доборные) с двумя продольными и попереч­ными ребрами. Основная продольная арматура выполня­ется предварительно напряженной. Полка армируется сварной сеткой, поперечные ребра — сварными каркаса­ми. Толщина полки принимается 2,5 см для плит проле­том 12 м и 3 см для плит пролетом 6 м. Бетон плит /= = 12 м классов ВЗО...В40, плит /=6 м—В15...ВЗО. В ря­де случаев уменьшают высоту сечения продольных ребер к опоре, что дает экономию бетона (до 9 %) и снижает стоимость конструкции. Поскольку нагрузка от собствен­ной массы плит покрытия составляет значительную долю от полной нагрузки, целесообразно изготовлять их из бе­тона на легких заполнителях (-у=18 кН/м³), что снижа­ет массу конструкций до 25 %.

Расчет плит в продольном направлении производят как однопролетных свободно опертых балок таврового сечения на совместное действие постоянных (от массы плиты и кровли) и временных (от снега) нагрузок.

Полка плиты в зависимости от расстояния между по­перечными ребрами рассчитывается как неразрезная ба­лочная плита или плита, опертая по контуру (см. гл. 9). Наиболее сложное напряженное состояние в плите возникает в опорных сечениях, которые усиливаются вута-ми и армируются дополнительными сетками.

Весьма экономичными и простыми в изготовлении являются плиты типа «2Т» размерами-, 3X6, 3X12 м при поперечном расположении ригелей) и 3X18, 3X24 м (при продольном) (рис. 11.9,6). К недостаткам этих конструкций относится сложность устройства продоль­ных швов между плитами.Существует два способа изготовления этих плит: пол­ка плиты и ребра бетонируются совместно; продольные предварительно напряженные ребра изготовляют зара­нее из бетона класса В40, а затем бетонируют полку. Связь ребер с полкой обеспечивают за счет устройства выпусков арматуры и сцепления бетона. Раздельное из­готовление экономичнее, поскольку позволяет снизить класс бетона полок до В15. Продольная арматура ре­бер — из высокопрочной стали, полка армируется сетка­ми. В продольном направлении плиты рассчитывают как свободно опертые однопролетные балки таврового сече­ния, в поперечном — учитывается разгружающее влияние свесов полок.

Плита крупноразмерная железобетонная сводчатая К.ЖС представляет собой короткую цилиндрическую обо­лочку с предварительно напряженными ребрами — диа­фрагмами сегментного очертания (рис. 11.9,в). Размеры плит в плане 3X12, 3X18 и 3X24 м. Очертание поверхно­сти оболочки принимают по квадратной параболе. Тол­щина оболочки не должна быть менее 30 мм в середине пролета с утолщением до 140...160 мм у торцов. Высоту поперечного сечения плиты в середине пролета принима­ют (1/15...1/20) Iв зависимости от пролета и нагрузки. Для уменьшения массы плиты диафрагмы проектируют минимальной толщины (40 мм) с вертикальными ребра­ми жесткости. Основную напрягаемую арматуру распо­лагают в нижней части диафрагмы. По концам напряга­емых стержней предусматривают анкерные детали, обе­спечивающие надежное закрепление рабочей арматуры в бетоне опорного узла. Эта арматура играет роль затяж­ки рассматриваемой сводчатой системы. Диафрагму ар­мируют сварными каркасами только в опорных зонах, в вертикальных ребрах устанавливают стержни-подвес­ки. Армируют оболочки сварной сеткой, подбираемой по расчету. Сопряжение оболочки с диафрагмой выполняют с помощью пологих вутов.

Плиты КЖС проектируют из бетонов классов В25... ...В50 в зависимости от пролетов и нагрузок. При расчете плиту рассматривают как цилиндрический свод, работа-ющий совместно с. диафрагмами. Полагают, что вдольнаправляющей оболочки действует только продольная сила Л^, поперек — поперечные силы (2 и изгибающие моменты М (см. рис. 11.9, в).

Изгибающий момент в системе «оболочка-—диафраг­ма» (в продольном направлении) воспринимается растя­нутой арматурой диафрагм и полкой (оболочкой), рабо­тающей на сжатие. В соответствии с этим необходимую площадь сечения рабочей арматуры диафрагмы А₃,а и толщину оболочки Н определяют из условий:

А,.л = М/(RsZ), Н = М/(RbyZb_t,),

где М — изгибающий балочный момент в рассматривае­мом сечении от расчетных нагрузок; z— расстояние от срединной поверхности оболочки до оси рабочей армату­ры; y — коэффициент условий работы;b_t— ширина па­нели поверху.

Расчет плит КЖС на поперечную силу, по деформа­циям, образованию и раскрытию трещин рассмотрен в [9].

Плиты КЖС экономичны, достаточно просты в изго­товлении. Наиболее существенным их недостатком явля­ется трудоемкость устройства кровли по криволинейной поверхности.

Наряду с КЖС разработаны крупноразмерные плиты покрытий типа П размерами 3X18, 3X24 м под маяоук-лонную кровлю (рис. 11.9, г). Достоинство этих плит по сравнению с плитами КЖС — упрощение работ по уст­ройству кровли, а стоимость плит типа П с учетом экс­плуатационных расходов примерно равна стоимости плит КЖС. Общим недостатком крупноразмерных плит явля­ется усложнение устройства внутренних коммуникаций в уровне покрытия.

В последние годы предложены технические решения плит покрытия, направленные на снижение расхода ма­териалов и трудоемкости возведения. К ним относятся плиты с решетчатыми ребрами под малоуклонную кров­лю 3X18, 3X24 м, а также неразрезные ребристые пли­ты 3X24 м, укладываемые по стропильным конструкци­ям шагом 6 м.

В некоторых республиках нашей страны и за рубежом применяют также гиперболические панели-оболочки, плиты типа «Динакор» с квадратными пустотами и т. п. Однако использование их весьма ограничено из-за слож­ностей устройства кровли или изготовления панелей.