Перекрытие с калькулятором

Калькулятор оценки прочности сборно-монолитного перекрытия АТЛАНТ

Основы прочности железобетонного перекрытия для «чайников»

Большинство посетителей нашего сайта не являются специалистами в области архитектуры и проектирования. Наш среднестатистический посетитель хочет получить для своего будущего дома крепкое, надежное и прочное перекрытие. Терминология строительных норм и правил (СНиП) часто достаточно далека от общераспространенных представлений о прочном перекрытии. Для того чтобы «нормативная» нагрузка из основополагающего документа под названием СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия   превратилась в прочное перекрытие необходимо учесть целый ряд особенностей конструкции перекрытия, ввести в прочностной расчет «коэффициент незнания» и «коэффициент случайности». Для российских застройщиков актуален еще один коэффициент, аналога которому даже нет в большинстве иностранных языков. Это пресловутое русское АВОСЬ. 

Несколько неочевидных истин:

  1. Плита перекрытия под нагрузкой прогибается. Иногда достаточно сильно. Многие заказчики принимают этот факт с трудом. Для них фотографии справа, на которых представлено перекрытие МАРКО и пустотная плита под нагрузкой в процессе статических испытаний.  
  2. Прогиб плиты не свидетельствует о ее низкой прочности. Строительные нормы допускают прогиб перекрытия. При этом чаще всего исходят из того, чтобы этот прогиб не «действовал на нервы» заказчикам. Другими словами он не должен быть заметен визуально. Для пролетов до 3 метров это 20 мм, больше 3 метров — 30 мм. Ограничения прогиба значительно снижают допустимую нагрузку на перекрытие. Если «разрешить» плите прогибаться на большую величину, допустимая для нее нагрузка значительно возрастет. Прогиб плиты является одним из факторов второго предельного состояния при оценке прочности бетонных перекрытий. 
  3. Балки перекрытия при монтаже можно выгнуть вверх на величину, равную прогибу. В этом случае под нагрузкой балка прогнется меньше или не прогнется вообще. Такой технологический прием специалисты назвали строительным подъемом. Использование строительного подъема позволяет существенно увеличить допустимую нагрузку на перекрытие. Но при этом необходимо учитывать тот факт, что строительный подъем превращает балку в арку, со всеми вытекающими последствиями, которые необходимо учесть при проведении прочностных расчетов перекрытия. 
  4. Плита перекрытия, у которой края «защемлены» прочнее такой же свободно лежащей плиты. Экспериментируя с обычной деревянной линейкой, вы легко можете убедиться в достоверности этого утверждения. На вопрос о том насколько защемление повышает прочность перекрытия ответ можно найти  в любом учебнике по сопротивлению материалов. Наука посчитала изгибающие моменты в перекрытии при действии равномерно распределенной по длине балки перекрытия нагрузке для свободного опирания (левая картинка) и защемления (правая картинка).  Обратите внимание изгибающий момент М при защемлении плиты  в три раза меньше.  Значит и арматуры в этом случае потребуется в три раза меньше. Казалось бы чего проще — защемляй и властвуй. Но по настоящему защемить плиту не так просто.  Для «правильного» защемления необходимо учесть все особенности проекта дома. В противном случае перекрытие может треснуть, но теперь уже в верхней зоне (картинка справа). 
  5. Прочность бетона на растяжение в 10-12 раз ниже прочности бетона на сжатие. При шарнирном опирании плита перекрытия под нагрузкой сжимается в верхней зоне и растягивается в нижней. Верхняя зона, как правило сама справляется с возникающими здесь напряжениями сжатия, нижняя зона нуждается в помощи. Идеальным помощником здесь оказалась стальная арматура, которая принимает на себя значительную часть растягивающих напряжений. В перекрытиях АТЛАНТ помогает бетону в этой зоне и стальной тонкостенных профиль.  
  6. В бетоне плиты перекрытия допускается наличие трещин. Трещины, размер (раскрытие) которых не превышает допустимого предела не являются дефектом плиты перекрытия. В зависимости от условий эксплуатации предельно допустимая ширина раскрытия трещин меняется от 0,5 мм для перекрытий, которые эксплуатируются внутри помещений до 0,3 мм для перекрытий, подвергающихся воздействию атмосферных осадков.  Раскрытие трещин является одним из факторов второго предельного состояния оценки прочности бетонных конструкций. 
  7. Важнейшей характеристикой перекрытия является допустимая (полезная) нагрузка. Эта нагрузка измеряется в килограммах на квадратный метр плиты — кг/м2. Здесь важно понять — на каждый квадратный метр. При допустимой нагрузке 500 кг/м2 для комнаты площадью 20 м2 предельная нагрузка будет превышена, если на полу комнаты разместить 10000  кг  перегородок, мебели, людей, оборудования. Для понимания — столько весят шесть средних легковых автомобилей. Вы можете представить шесть автомобилей в комнате площадью 20 м2. Если в одном месте (правая схема на картинке) на плиту действует нагрузка 1000 кг, которая в два раза выше допустимой нагрузки в 500 кг/м2 это не свидетельствует о том, что плита разрушится. Такая нагрузка называется сосредоточенной. Ее влияние учитывается специальным расчетом.

Обоснование расчетной модели для перекрытия с профилем АТЛАНТ

АТЛАНТ — первое в мировой практике строительства сборно-монолитное перекрытие, в котором стальной тонкостенный профиль сцепляется с бетоном балки перекрытия.  Для гарантированного сцепления на стенках профиля выполнена перфорация, а на днище выштамповки. Эти «неровности» после заполнения несъемной опалубки бетоном надежно фиксируют профиль на поверхности бетонного ядра балки перекрытия. В результате сцепления в балках перекрытия АТЛАНТ появляется плоская внешняя арматура толщиной 1 мм (на картинке справа выделена голубым цветом), которая берет на себя значительную часть нагрузок действующих на перекрытие.

Эта дополнительная арматура расположена в самой нагруженной (растянутой) зоне перекрытия. Она первой принимает на себя растягивающие усилия, которые возникают в балке перекрытия  при ее изгибе.   

Процесс в многом аналогичен сцеплению стержневой рифленой арматуры с бетоном . Рифления на стержневой арматуре в несколько раз повышают прочность ее сцепления с бетоном и позволяют в полной мере реализовать прочностные характеристики стальной арматуры. 

Площадь поперечного сечения профиля АТЛАНТ равна 319 мм2, а площадь поперечного сечения арматуры диаметром 10 мм. 78,5 мм2. Несложные вычисления показывают, что профиль АТЛАНТ эквивалентен по площади четырем пруткам арматуры диаметром 10 мм или одному прутку арматуры диаметром 20 мм. При проведении прочностных расчетов удобно плоскую внешнюю арматуру заменить эквивалентной по эффективности стержневой арматурой. Такая замена позволяет использовать для экспертизы балки перекрытия программу АРБАТ сертифицированного  вычислительного комплекса SKAD. 

В предыдущем абзаце я сознательно использовал словосочетание «эквивалентной по эффективности». Вызвано это тем, что в балках с профилем АТЛАНТ в качестве рабочей арматуры треугольного каркаса применяется высокопрочная арматура А500С. Свод правил по проектированию железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры устанавливает нормативные и расчетные характеристики арматуры, которые необходимо использовать при оценке несущей способности железобетонных конструкций (таблица справа). Для арматуры А500С расчетное значение сопротивления арматуры на растяжение  принято 435 МПа. 

В научно-техническом отчете ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко по оценке прочности сталебетонных перекрытий принято расчетное сопротивление стального профилированного листа профиля толщиной 1 мм на растяжение равным Ry = 230 МПа. Профиль АТЛАНТ также изготовлен из стального оцинкованного листа толщиной 1 мм  Прочность листа почти в два раза ниже прочности арматуры треугольного каркаса. С учетом этого при проведении прочностной экспертизы балок перекрытия АТЛАНТ профиль заменяется не четырьмя, а только двумя прутками арматуры диаметром 10 мм. 

В итоге прочностные расчеты перекрытия с новым профилем проводятся исходя из того, что к двум имеющимся стержням рабочей арматуры диаметром 10 мм (выделены на схеме желтым цветом) добавляется еще два таких же стержня (выделены на схеме красным цветом). Как  результат — для большинства перекрываемых пролетов использование профиля АТЛАНТ позволяет  повысить прочность перекрытия в два раза. Эта расчетная модель заложена в калькулятор. 

Расшифровка результатов , полученных с помощью калькулятора

Калькулятор в результате анализа отбирает варианты конструкции перекрытия, которые удовлетворяют исходным данным.  При этом в качестве переменных рассматриваются следующие параметры конструкции:

  1. Способ крепления балок перекрытия в стенах здания — шарнирный (Ш) или защемленный (З). 
  2. Толщина перекрытия — 150, 200, 250 и 300 мм. 
  3. Диаметр дополнительной арматуры — 8-20 мм. 
  4. Число слоев арматурной сетки в верхней зоне перекрытия. Для шарнирного  варианта здесь всегда используется один слой сетки, для защемленного возможно использование двух слоев арматурной сетки. 

Валерий Мартынюк — автор технологии МАРКО, директор по развитию компании МАРКО