СБОРНАЯ ПЛИТА ПЕРЕКРЫТИЯ ТРЕХСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ БЕЗРИГЕЛЬНЫХ КАРКАСОВ

Полезная модель относится к строительству зданий в конструкциях безригельного каркаса и может быть использована при возведении сборных перекрытий с обжатием их предварительно напряженными высокопрочными канатами при монтаже жилых и общественных зданий, в том числе в сейсмических районах.
Известны многопустотные плиты перекрытий сейсмостойкой конструктивной системы «Байкал» (Патент РФ №90088, E04B 1/18 2009) безопалубочного формования, изготовленные в заводских условиях. Конструкции многопустотные плит выполнены в виде унифицированных малогабаритных элементов, которые стыкуются между собой через предварительно напряженный сборно-монолитный ригель. Сборная часть ригеля и крайние бортовые элементы, к которым пристыкованы многопустотные плиты, обжаты гранями колонн, а монолитная часть, в которой расположены напряженные канаты в двух ортогональных направлениях, после обетонирования создают обжатие всего диска перекрытия. Возможность применения многопустотных плит позволяет увеличить жесткость перекрытия, улучшить качество отделки и повысить звукоизоляцию помещений.
К недостаткам этого технического решения относится использование малогабаритных сборных плит (три вместо одной), что приводит к увеличению количества стыковых соединений и швов бетонирования и, следовательно, к увеличению мокрых процессов и дополнительным затратам на электропрогрев бетона при монтаже здания в зимних условиях, а также к технологическим перерывам, необходимым для твердения бетона в швах.
Известным изобретением является конструкция сборной трехслойной плиты с раздельным формованием верхнего и нижнего железобетонных слоев и последовательной укрупнительной сборкой в заводских условиях. Трехслойная плита перекрытия ребристой конструкции состоит из тонкой железобетонной плиты-полки в верхнем несущем слое и ортогонально расположенных ребер жесткости, направленных вниз. Нижняя плоская железобетонная полка (слой) плиты изготавливается отдельно. После соединения обеих частей плита представляет собой трехслойную конструкцию с замкнутыми пустотами. Сборные плиты перекрытий имеют по четырем углам вырезы для примыкания к колоннам и монтируются на временных монтажных опорах. Данная конструкция плиты перекрытия реализована в системе сейсмостойкого сборного безригельного каркаса с предварительным напряжением бетона при монтаже [Патент СФРЮ №25452, издан 31.03.1996]. Передача усилий предварительного напряжения производится на бетон, где до натяжения арматуры обеспечивается монолитность диска перекрытия путем заполнения (зачеканки) мелкозернистым бетоном швов между сборными плитами перекрытий и между колоннами и сборными плитами до достижения 70% проектной прочности бетона в швах.
Недостатками такого технического решения является сложность технологического процесса при изготовлении; нарушение монолитности плиты; появление дополнительных узлов при сборке изделия. Кроме того, из-за сложности многоступенчатой технологии производства трехслойных плит, при практическом применении в строительстве в целях упрощения комплексной конструкции нижний железобетонный слой ее был исключен. Фактически в качестве несущей плиты перекрытия применялся только верхний железобетонный слой ребристой конструкции с последующим прикреплением слоя утеплителя по низу плиты и устройством подвесного потолка. Неизбежным следствием этого упрощения явились существенное уменьшение жесткости диска перекрытия и снижение его звукоизолирующей способности.
Известно сборное железобетонное перекрытие (Патент №817168, E04B 5/02 1981), предназначенное при возведении многоэтажных зданий панельной и каркасной системы с применением высокопрочной арматуры на монтаже, позволяющей объединить вертикальные и горизонтальные элементы в единую пространственную систему. Запатентованное сборное железобетонное перекрытие в каждой конструктивной ячейке состоит из двух сборных панелей часторебристой конструкции корытообразной формы, имеющих понизу железобетонную плиту и ортогонально расположенные железобетонные ребра, направленные вверх. По контуру панели из каждого ребра выходят арматурные выпуски, предназначенные как для соединения плит между собой, так и для соединения плиты с зоной замоноличивания. По четырем углам панели имеют вырезы для примыкания к колоннам. Таким образом, на стадии эксплуатации каждая ребристая панель перекрытия оказывается заделанной с помощью арматурных выпусков в зону замоноличивания по трем сторонам при свободной четвертой стороне, которая соединена с такой же свободной стороной другой панели перекрытия за счет сварки арматурных выпусков между собой. Участки соединений заделываются раствором.
Недостатками данного технического решения являются: существенное уменьшение жесткости диска перекрытия и снижение его звукоизолирующей способности вследствие использования ребристых плит, увеличение количества стыковых соединений и швов бетонирования, следовательно, возрастание трудоемкости и затрат на электропрогрев бетона при монтаже здания в зимних условиях, необходимость дополнительного применения материалов для обеспечения звукоизоляции, а также при устройстве конструкции пола.
Данное техническое решение является наиболее близким к изобретению, поэтому является для него прототипом.
Полезная модель направлена на повышение жесткости, монолитности и звукоизоляции плиты слоистой конструкции, уменьшение ее деформативности и трещиностойкости в условиях предварительного обжатия высокопрочными канатами, в результате чего в диске перекрытия формируется мембранный эффект, способствующий повышению сейсмостойкости и надежности каркасных зданий; упрощение монтажа плиты вследствие одинаковой ее работы в разных направлениях; обеспечение гладких поверхностей потолков и пола жилых и офисных помещений; снижение материальных затрат при строительстве.
Техническим результатом является повышение жесткости дисков перекрытий безригельного каркаса, способствующее повышению сейсмостойкости и надежности каркасных задний.
Технический результат достигается тем, что сборная трехслойная железобетонная плита перекрытия часторебристой конструкции имеет специальные вырезы в угловых зонах для создания зазоров между колонной и плитами перекрытия, заполняемые при монтаже мелкозернистым бетоном повышенной прочности. Трехслойная плита содержит несущие верхний и нижний железобетонные слои, а также ортогонально расположенные внутренние железобетонные ребра жесткости и усиленные опорные контурные железобетонные ребра жесткости, обеспечивающие пространственную жесткость конструкции. Внутренние ортогонально расположенные ребра жесткости армированы плоскими сварными каркасами, а в опорных контурных ребрах размещены пространственные каркасы из стержневой арматуры. Плоские и пространственные каркасы железобетонных ребер надежно соединены с арматурными сетками верхнего и нижнего железобетонных слоев плиты, образуя единый арматурный каркас всей трехслойной плиты, что обеспечивает совместную работу и монолитность всей конструкции. Внутренние полости между железобетонными ребрами жесткости заполнены плитами из пенополистирола для снижения массы сборного изделия и повышения звукоизолирующей способности конструкции, а по периметру квадратной в плане плиты устроено рифление для лучшего сцепления сборного бетона с зонами замоноличивания, в которых располагаются преднапряженные канаты. Кроме того, боковое рифление выполняет функцию шпонок, препятствующих сдвигающим усилиям, действующим между плитами при сейсмических нагрузках. Единая пространственная конструкция диска перекрытия образуется при обжатии трехслойных плит, установленных между осями колонн, ортогонально расположенными монолитными ригелями с напряженными арматурными канатами, размещенными в двух уровнях по высоте сечения.
Вертикальная нагрузка от междуэтажных перекрытий передается на колонны за счет трения и адгезии бетона замоноличивания в местах соединения плит перекрытий и колонн. Горизонтальные нагрузки, в том числе сейсмические и ветровые, воспринимаются в основном железобетонными диафрагмами жесткости, а также колоннами каркаса. Перераспределение горизонтальных и вертикальных нагрузок между конструкциями каркаса обеспечивается за счет работы междуэтажных дисков перекрытия, сообразно их жесткости.
Наличие новых отличительных признаков по сравнению с прототипом обуславливает соответствие заявленного технического решения критерию «новизна».
Предложенная совокупность существенных признаков обладает «изобретательским уровнем», т.к. позволяет обеспечить новый технический результат, неизвестный из существующего уровня техники в данной области на дату подачи настоящей заявки.
Полезная модель поясняется представленными чертежами.
Фиг. 1 - трехслойная часторебристая плита перекрытия (вид сверху).
Фиг. 2 - вид А на фиг. 1. Рифление на торце трехслойной плиты.
Фиг. 3 - вид Б-Б на фиг. 1. Внутреннее конструктивное решение плиты.
Фиг. 4 - вид Б-Б на фиг. 1. Армирование трехслойной плиты.
Фиг. 5 - узел «а» на фиг. 3.
Фиг. 6 - общий вид фрагмента каркасного здания для статических испытаний трехслойной плиты перекрытия.
Фиг. 7 - схема одноярусной конструктивной ячейки в конструкциях безригельного каркаса для прочностных испытаний плиты перекрытия.
Фиг. 8 - план фрагмента перекрытия для испытаний трехслойной плиты.
Конструкция трехслойной плиты перекрытия часторебристой конструкции на фиг.1, имеющая по углам вырезы, содержит верхний 1 и нижний 2 железобетонные слои, внутренние ортогонально расположенные железобетонные ребра жесткости 3, усиленные опорные контурные ребра 4 и плиты из пенополистирола 5. При этом в верхнем 1 и в нижнем 2 железобетонных слоях плиты размещены сварные арматурные сетки 6 и 7 соответственно. Внутренние ортогонально расположенные ребра жесткости 3 имеют одинаковые поперечные сечения и одинаковое армирование плоскими каркасами 8 в обоих направлениях. Аналогично устроены и усиленные опорные контурные ребра 4 по периметру трехслойной плиты, армирование которых сварными пространственными каркасами 9 принято одинаковым для поперечного и продольного направлений плиты. Кроме того, на боковых гранях по периметру трехслойная плита имеет рифление в виде шпонок 10 для обеспечения связи бетона замоноличивания тех зон, которые предназначены для размещения высокопрочных канатов.
На фиг. 1 изображен общий вид квадратной часторебристой трехслойной плиты перекрытия размером 4040×4040 мм (вид сверху). По углам плита имеет специальные вырезы, позволяющие создавать минимальные зазоры между плитой и колонной, которые в дальнейшем при монтаже заполняются мелкозернистым бетоном повышенной прочности. Пунктирными линиями по периметру плиты обозначены усиленные опорные контурные ребра (4) шириной 140 мм. По телу плиты, в двух взаимно перпендикулярных направлениях, расположены внутренние железобетонные ребра жесткости (3) шириной 50 мм, также обозначенные на фиг.1 пунктирными линиями. Внутренние межреберные полости имеют квадратную форму в плане.
На фиг. 2 изображена боковая грань трехслойной плиты (вид А). На боковых сторонах по периметру всей плиты имеется рифление (10), обеспечивающее повышенное сцепление с бетоном замоноличивания, в котором располагаются высокопрочные канаты. Расстояние между центрами соседних шпонок составляет 300 мм. Общая высота плиты 220 мм.
На фиг. 3 изображена внутренняя структура плиты (вид Б-Б на фиг. 1). Показаны верхний (1) и нижний (2) железобетонные слои плиты, соединенные между собой поперечными ребрами жесткости (3) и опорными контурными ребрами (4). Расстояние в свету между ребрами жесткости составляет 1200 мм. Во внутреннем межреберном пространстве уложены плиты из пенополистирола общей толщиной 120 мм, применение которых обеспечивает снижение массы сборного изделия и повышает звукоизолирующую способность плит перекрытия.
На фиг. 4 приведено армирование трехслойной плиты. В верхнем железобетонном слое (1) горизонтально уложена верхняя сварная сетка из арматуры Bp-I (6), воспринимающая вертикальные нагрузки на плиту и предотвращающая продавливание верхнего слоя толщиной 60 мм. Нижний железобетонный слой (2) толщиной 40 мм также усилен сварной сеткой из арматуры Bp-I (7), участвующей в восприятии изгибающего момента от нагрузки. Плоские арматурные каркасы (8), установленные во внутренних ребрах жесткости (3) и пространственные каркасы (9) опорных контурных ребер плиты (4) совместно с верхней (6) и нижней арматурными сетками (7) создают единый пространственный арматурный каркас всей конструкции плиты перекрытия.
На фиг. 5 показан узел «а» - детализация фиг. 3, где изображены верхний (1) и нижний (2) железобетонные слои плиты (фиг. 1), армированные верхней (6) и нижней (7) сварными арматурными сетками из стали класса Bp-I, размещенными по середине слоя. При формовке изделия в проектном положении арматурные сетки удерживают фиксаторы верхней (11) и нижней (12) арматуры, установленные в изделии на расстоянии 200 мм друг от друга. В качестве заполнителя между железобетонными слоями плиты уложены плиты из пенополистерола толщиной 120 мм (5).
На фиг. 6 приведен общий вид фрагмента каркасного здания для статических испытаний трехслойной плиты перекрытия. Испытания опытного образца плиты в системе фрагмента полностью отражали действительную ее работу как элемента пространственного каркаса, обеспечивая точное соблюдение граничных условий для плиты. Все конструкции фрагмента изготовлены из серийных изделий в натуральную величину. Основными конструктивными элементами фрагмента являлись сборные железобетонные двухъярусные колонны (13), заделанные в столбчатые фундаменты (15), трехслойная плита перекрытия (14) и железобетонные бортовые элементы в виде балок (17). Колонны (13), плита перекрытия (14) и бортовые элементы (17) в процессе напряжения арматурных канатов (16) образуют единую пространственную систему. Анкеровка арматурных канатов (16) после их натяжения осуществлялась при помощи цанговых захватов (18).
На фиг. 7 изображена схема конструктивной ячейки для прочностных испытаний плиты перекрытия. Фрагмент выполнен в виде одноярусной конструктивной ячейки размером 4.2×4.2 м в конструкциях безригельного каркаса. Опытная трехслойная плита перекрытия (14) опирается на четыре колонны сечением 400×400 мм (13) и испытывает предварительное напряжение от высокопрочных семипрядевых канатов К-1400 ∅15 мм (16), установленных при монтаже. Для вертикального загружения плиты перекрытия в процессе испытаний использовался сыпучий материал в виде щебеночной смеси. Нагружение проводилось ступенями, с приращением вертикальной нагрузки по 10 кН.
На фиг. 8 показан план фрагмента перекрытия для испытания трехслойной плиты. Конструктивная ячейка в плане образована трехслойной плитой (14), обрамляющими контурными бортовыми элементами (17) и предварительным напряжением всей системы высокопрочными арматурными канатами (16), пропущенными через каналы колонн и заанкеренными с помощью цанговых захватов (18) на боковой поверхности колонны. Последующее замоноличивание зон сопряжения всех горизонтальных конструктивных элементов перекрытия мелкозернистым бетоном, объединяет их в единый жесткий диск перекрытия, который воспринимает вертикальную нагрузку в условиях двустороннего обжатия канатами в своей плоскости.
Приведенная совокупность существенных признаков, характеризующих предлагаемую конструкцию, в литературе не описана. Новизна решения заключается в том, что плита имеет гладкие поверхности - пол и потолок, соединенные между собой контурными и промежуточными ребрами жесткости и способствующими повышению жесткости плиты, между которыми уложены блоки пенополистирола, совмещающего функции звукоизоляции, причем сама плита является конструкцией полного заводского изготовления. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Описание технологии изготовления трехслойной плиты.
Вначале изготавливают сварные плоские и пространственные каркасы 8-9 для внутренних ребер жесткости и 3-4 для контурных ребер с применением арматуры A500 и проволочной арматуры Bp-I. Изготавливают плоские сетки 6 и 7 из арматурной стали Bp-I для верхнего 1 и нижнего 2 железобетонных слоев плиты. На посту формования в подготовленную опалубку (с условием формования плоского потолка понизу) устанавливают изготовленные ранее каркасы 8 и 9, а также нижнюю сетку 7. Производится укладка бетонной смеси с осадкой конуса 4-6 см на высоту нижнего слоя плиты 40 мм с последующим его вибрированием. В ячейки между арматурными каркасами укладывают блоки утеплителя из пенополистирола 5 общей толщиной 120 мм, фиксируя их с помощью съемной металлической рамки, закрепляемой на бортах металлоформы. После установки верхней сетки 6 производится укладка литой бетонной смеси с осадкой конуса 20-25 см в ребра плиты 3 и 4 и в верхний слой 1 плиты. После повторной вибрации металлическую рамку удаляют, и металлоформа с изделием направляется в пропарочную камеру с мягким режимом пропаривания до температуры 65°C.
После соответствующей выдержки, достаточной для набора бетоном 70%-ной прочности, плита удаляется из пропарочной камеры, и оставшийся набор прочности бетона происходит при нормальной температуре и влажности. Таким образом, трехслойная плита перекрытия, изготовленная промышленным способом, приобретает вид полностью готового к использованию изделия.
Описание испытаний трехслойной плиты в составе ячейки безригельного каркаса на статические и динамические нагрузки.
Необходимость сооружения специального фрагмента для статических испытаний трехслойной плиты возникла в связи с тем, что соблюдение граничных условий опытного образца плиты при традиционной схеме испытаний отдельного сборного изделия оказалось практически невозможным. Испытания опытного образца плиты в системе фрагмента полностью отражали действительную ее работу как элемента пространственного каркаса.
Методикой испытаний предусмотрено комплексное исследование трехслойной плиты перекрытия перед началом ее серийного выпуска с помощью натурных статических испытаний, а также моделирование конструкции плиты с применением ВК «SCAD Office» для определения ее напряженно-деформированного состояния при воздействии вертикальных нагрузок. В ходе проведения статических испытаний был предусмотрен контроль динамических характеристик фрагмента на различных стадиях нагружения трехслойной плиты вертикальной нагрузкой согласно ГОСТ Р 54859-2011.
Испытания проводились на специально смонтированном фрагменте безригельного каркаса с ячейкой колонн 4.2×4.2 м. Граничные условия при испытаниях трехслойной плиты были максимально приближены к действительной работе ее в составе каркаса. Цель экспериментальных и расчетных исследований заключалась в оценке качества выпускаемых изделий и определение фактических показателей прочности, жесткости и трещиностойкости конструкции плиты.
Нагружение плиты проводилось ступенями по 1 тс предварительно взвешенным сыпучим грузом. Прогибы плиты замерялись прогибомерами ПМ-3, закрепленными на измерительной траверсе (с целью исключения влияния осадки опор). Прогибомеры располагались как в средине пролета, так и по двум сторонам плиты с целью замеров деформаций бортовых элементов. Точность измерений составила 0,01 мм.
Кроме статических испытаний, направленных на определение прочностных и деформативных свойств трехслойной плиты перекрытия, методикой испытаний были предусмотрены динамические испытания всего опытного фрагмента на различных этапах его загрузки. Перед началом статических испытаний были определены динамические характеристики фрагмента с помощью записи микросейсмических колебаний. Контроль за динамическими характеристиками сооружения на различных стадиях нагружения производился с помощью удара грузом массой 0.5 тонны с регистрацией собственных колебаний фрагмента инженерно-сейсмометрической аппаратурой. После ударов вновь производилась запись микросейсмических колебаний фрагмента и осмотр его конструкций с целью выявления возможных повреждений. Образовавшиеся в процессе испытаний трещины фиксировались визуально и с помощью лупы; ширина их раскрытия измерялась с точностью 0,05 мм микроскопом МПБ-3. По результатам динамических испытаний установлено, что частота и периоды собственных колебаний фрагмента изменялись сообразно изменению его массы, а параметры зарегистрированных на грунте микросейсмических колебаний, дают возможность оценить эквивалентную сейсмическую нагрузку в масштабах смещений, скоростей, ускорений или условно в баллах сейсмической шкалы.
2
В результате натурных испытаний установлено, что прочность трехслойной плиты при статических испытаниях соответствует нормативным требованиям и проекту. Расчетная контрольная нагрузка по прочности для 1-го случая разрушения равнялась 1000 кгс/м (10,0 кПа); при этом граничное значение прогиба составило 7.5 мм. Фактический прогиб при этой контрольной нагрузке равнялся 3,8 мм, что менее расчетного прогиба в 2 раза.
2
При расчетной нагрузке по жесткости и трещиностойкости - 240 кгс/м (2,4 кПа) контрольный прогиб в центре плиты определен на уровне 25 мм. Фактический прогиб при контрольной нагрузке по жесткости и трещиностойкости составил 0,9 мм, трещины не обнаружены.
При динамических испытаниях опытного фрагмента с трехслойной плитой частоты (периоды колебаний) в зависимости от величины пригруза составили: без пригруза - 5.78 Гц (0.173 с); при весе пригруза 13.0 тс - 4.98 Гц (0.201 с) и при весе пригруза 16.5 тс - 4.70 Гц (0.213 с). Параметры затухания на всех этапах испытаний находились на уровне 2.7% от критического затухания, что свидетельствует о работе конструкций опытного фрагмента в упругой стадии. Величины ускорений в уровне плиты перекрытия при испытаниях достигли 0.37-0.60 g.
Значительные запасы по прочности, жесткости и трещиностойкости трехслойной плиты объясняются влиянием двухосного напряженного состояния опытной конструкции от воздействия усилий натяжения 4-х высокопрочных канатов суммарной силой 600 кН в уровне диска перекрытий, которые за счет формирования мембранного эффекта оказали решающее влияние на напряженно-деформированное состояние плиты перекрытия. Возможность применения единой трехслойной плиты на всю ячейку каркаса 4.2×4.2 м, опираемой на инвентарные металлические столики, закрепленные на колоннах, вместо монтажа перекрытия той же ячейки каркаса с применением нескольких многопустотных или ребристых плит позволяет упростить монтаж, увеличить жесткость и снизить деформативность перекрытий, улучшить их звукоизоляционные характеристики, обеспечив при этом высокую технологичность изготовления сборного изделия.
Техническое решение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов, может быть осуществлено с помощью описанных средств и методов. Примером осуществления предлагаемого технического решения служат натурные прочностные и динамические испытания конструкции. Существенным преимуществом использования предлагаемой трехслойной плиты перекрытия является исключение ошибок при монтаже и удешевление строительства. Данное техническое решение промышленно применимо, работоспособно, а отличительные признаки устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.