Шарнир или защемление - что лучше для опирания перекрытий МАРКО на несущие стены?

На  картинке слева представлены две плиты перекрытия. Верхняя из них просто лежит на стенах. Специалисты называют такое опирание свободным или шарнирным. Здесь действительно ничто не препятствует перемещению концов плиты под нагрузкой. 

Концы нижней плиты  заделаны (защемлены) в стены. Под нагрузкой они не могут свободно перемещаться без того, чтобы сломать стены в этом месте. Стены из не очень прочных (слабонесущих) материалов, скорее всего, треснут и сломаются, стены из прочных материалов выдержат возникающие нагрузки, но при этом может треснуть сама плита.

На картинке справа представлены графики (эпюры) изгибающих моментов,  возникающих в балках перекрытия под действием равномерно распределенной нагрузки. Обратите внимание при защемлении изгибающие моменты в средней части перекрытия в ТРИ раза ниже чем при шарнирно опирании. Это несомненно положительный результат защемления.

Но есть и отрицательный последствия — появились изгибающие моменты в местах защемления балок. Здесь в арматуре балок возникли значительные растягивающие усилия. Это в свою очередь может привести к появлению  и раскрытию трещин в бетоне — явление не критичное, но несомненно неприятное. И проектировщики обязаны возможные последствия учитывать. 

О различных аспектах опирания перекрытий МАРКО на несущие конструкции (стены, ригели, балки и пр.) мы и поговорим в этой статье.  

Теория защемления — все не так просто. 

В теории (на бумаге) организовать защемление плиты перекрытия просто — положил плиту на нижнюю стену, придавил верхней стеной, и получил защемление, которое обеспечит снижение изгибающих моментов в три раза. На практике в условиях реальной стройки появляется много вопросов к такой идеальной конструкции узла защемления. Вот только некоторые из них:

  1. Что происходит, если материал стен, в которых защемлена плита оказался недостаточно прочным? Одно дело уложить плиту на стену из полнотелого высокомарочного кирпича и совсем другое на стену из газобетона плотность D300. Понятно, что концы плиты при нагружении начнут проворачиваться, попытаются при этом поднять верхнюю стену и сломать внутренний край нижней стены. Если это в действительности произошло, наш идеальная конструкция узла «сломалась», и защемление превратилось в шарнир со всеми вытекающими последствиями. К сожалению. последствия могут оказаться плачевными или даже трагическими — в расчеты закладывались одни растягивающие усилия для арматуры нижнего пояса, а в результате получили совершенно другие,в три раза большие. Арматура таких увеличившихся напряжений может не выдержать и лопнуть. 
  2. Что происходит, если арматура верхнего арматурного пояса плиты оказалась недостаточно прочной и «потекла» — начала чрезмерно удлиняться? Еще не разорвалась, но уже удлинилась. Понятно, что в этом случае в верхнем слое бетона появятся трещины, а сама плита в месте появления трещин прогнется (провернется) на определенный угол. Последствия мало отличаются от описанных в первом пункте — повышение в три раза растягивающих усилий в нижнем арматурном поясе плиты. 
  3. Идеальный шарнир — насколько это реально? Отвечаем однозначно — невозможно, даже, если в этом месте установить подшипники. В любых подшипниках сохраняются силы трения, препятствующие повороту сечений, создавая пусть незначительное, но защемление, пусть незначительный, но изгибающий момент.   то шарнир, который не препятствует взаимному повороту соединяемых элементов, т.е. исключает появление изгибающих моментов в сечениях, примыкающих к шарниру (рис.89,а). Практически такой шарнир выполнить невозможно, поскольку даже при наличии смазки в нём останутся незначительные силы трения, которые будут препятствовать повороту, а значит, создадут защемление и момент, пусть и ничтожно малый. Близкие к идеальным шарниры применяют для опор пролётных строений мостов (рис.89,б) и некоторых большепролётных конструкций покрытий. Однако для массового строительства такие шарниры слишком дороги, поэтому там используют более простые решения (см. вопрос 176).
  1. Идеальное защемление и реальная конструкция узла. 

    В идеальном узле защемления конструктивные элементы неподвижны (не проворачиваются), сохраняют исходные размеры и сопряжения. В реальном узле опирания в местах сопряжения под действием возникающих усилий появляются деформации. В результате происходит поворот элементов на некий угол. Этот процесс резко интенсифицируется при образовании трещин в балки и/или стене — узел плывет, становится податливым. При этом меняется расчетная схема, но до определенного момента эти изменения в расчетах не учитываются. Момент истины наступает в случае, если в растянутой зоне напряжения в арматуре достигаю предела текучести — элементы (сечения) продолжают проворачиваться без дополнительных усилий. Считается.что именно в этот момент появляется пластический шарнир.   

  2. Как на усилия, возникающие в узлах опирания, влияет глубина заделки плиты перекрытия? 

Есть четкое правило: при защемлении верхняя арматура должна заполнять 1/4 пролета, а при шарнирном опирании 1/10. Объясняется это тем, что при защемлении в приопорная зона вверху растянута (так действует изгибающий момент), и растянутую зону нужно заармировать. А при шарнирном опирании момент равен нулю, растяжения нет, но вступает в силу конструктивное правило, и мы все равно армируем небольшой участок у опоры. Дело в том, что идеальный шарнир, полностью допускающий беспрепятственный поворот, мы в конструкциях выполнить не можем – плита чуточку, но защемляется, и в ее верхней приопорной зоне возникают незначительные, но все-таки напряжения, могут возникать трещины, и поэтому плиту мы армируем, но всего лишь на длине 1/10 пролет

  1. А если высота плиты перекрытия больше толщины стены?

Вообще условие для шарнира – это чтобы на опоре был квадрат b = h, тогда плита и опирается надежно (не соскальзывает), и поворачивается без защемления.

Плиты перекрытия и балки.

В этой теме также нужно многое попробовать, чтобы набраться опыта и научиться выбирать лучший вариант расчетной схемы с первого раза.

В железобетонных плитах и балках при защемлении выплывает значительная верхняя арматура. Естественно, это ведет к удорожанию, но рационально в большепролетных конструкциях. Иногда так получается, что при большом пролете увеличение сечения балки или высоты плиты только ухудшает работу (т.к. растет нагрузка от собственного веса); а вот защемление дает свои положительные плоды – на опорах появляется изгибающий момент, дающий нам верхнюю арматуру, зато в пролете момент уменьшается, и в сумме конструкция проходит по расчету. При этом, правда, никогда не стоит забывать, что защемленная балка или плита передает усилие на конструкции, на которые она опирается.

Еще защемление стоит применять в плитах и балках, в которых важно уменьшить прогиб или уменьшить раскрытие трещин – меньше момент в пролете, значит меньше и деформации.

Еще одна особенная штука – это плита, опирающаяся по четырем сторонам. Она уже за счет такого опирания работает так, что возникает необходимость установить верхнюю арматуру в плите (особенно ближе к углам). Поэтому зачастую рационально, если есть такая возможность, защемить плиту и проверить, не меньше ли будет армирование.

175. Что такое идеальный шарнир?

Рис.89 (* сварные швы)

176. Чем отличается реальный шарнир от идеального?

В массовом строительстве шарнирное соединение железобетонных элементов (плит с балками, балок с колоннами и т. п.) осуществляется, преимущественно, с помощью непосредственной сварки закладных деталей (рис. 87 и 89,в). Такие соединения, однако, препятствуют свободному повороту, создают некоторое защемление соединяемых элементов, поэтому возникает опорный изгибающий момент Мо. Эпюра опорного давления р при этом может стать двузначной и часть анкеров закладных деталей подвергаться выдёргиванию. Небольшое защемление возникает также и при опирании конструкций (например, плит перекрытий) на каменные стены (рис. 89,г). Однако подобные отклонения от идеального шарнира особых беспокойств не вызывают: опорные моменты по сравнению с пролетными очень малы, несущая способность опорных сечений обычно вполне достаточна для их восприятия, а некоторым уменьшением пролетных моментов можно пренебречь (в запас).

Защемляй и властвуй — что здесь не так для пустотных плит?

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

 ,