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 нет даже в большинстве иностранных языков. Это пресловутое русское АВОСЬ. 

Несколько неочевидных истин:

1. Перекрытия под нагрузкой прогибаются. Иногда достаточно сильно. Многие наши заказчики принимают этот факт с трудом, а некоторые не принимают вообще. Для них применительно к бетонным перекрытиям термин “прогнулось” равнозначно термину “сломалось”, а фотографии статических (прочностных) испытаний перекрытий шокируют.  В качестве антистрессовой терапии предлагаю посмотреть видео и прочитать статью. 

2. Прогиб плиты не свидетельствует о ее низкой прочности. Строительные нормы (свод правил) допускают прогиб перекрытия, но ограничивают его величину. При этом эти ограничения чаще всего не связаны с возможной потерей прочности перекрытия – нормы исходят из того, что возникший под нагрузкой прогиб не должен “действовать на нервы” заказчикам, не должен вызывать психологического дискомфорта. Именно поэтому приведенные в нормах ограничения прогибов получили наименование эстетико-психологических. 

На картинке слева приведена таблица допустимых прогибов из действующего свода правил. Нас в первую очередь интересует вторая строка таблицы (выделена красной рамкой). Эстетико-психологические ограничения (картинка справа) устанавливаются в зависимости от длины (пролета) перекрытия в долях от этой длины.

Если от долей перейти к конкретным значениям, то получим следующие данные. Из таблицы следует, что плита перекрытия длиной 6 метров “имеет право” прогнуться на 30 мм. Много это или мало. С точки зрения разработчиков строительных норм – допустимо, для большинства из наших заказчиков – нежелательно. Как с этим “нежелательно” бороться читаем в следующем подразделе. 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 значения 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 не будет превышена, если на полу комнаты разместить не более 10000  кг (10 тонн) 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.