СБОРНО-МОНОЛИТНЫЙ КАРКАС ЗДАНИЯ
COLLAPSIBLE-MONOLITHIC FRAMING OF BUILDING

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для строительства в обычных и сейсмических районах жилых и общественных сборно-монолитных каркасных зданий с ригелями, преимущественно вписанными в толщину перекрытий, и многопустотными железобетонными плитами, изготовленными с использованием стендовой или экструдерной технологии формования.
Известно решение каркаса системы «Delta», включающего колонны, сборные многопустотные плиты и балочные сталебетонные ригели, вписанные в толщину плит. Колонны поэтажно снабжены вырезами, в которых установлены опорные консоли для ригелей. Комплексное сечение балочных ригелей образовано цельносварными гнутыми профилями замкнутого трапециевидного сечения и бетоном замоноличивания, заполняющего полости профилей и торцевые участки многопустотных пустот. В верхней полке «Delta-ригелей» предусмотрены отверстия для заливки бетона в полость балок и воздуховыводящие отверстия. Стенки гнутых профилей снабжены выштампованными с образованием выступающих кромок дискретно расположенными отверстиями, а в уровне низа профилей к ним приварен металлический лист, образующий консольные свесы для установки на них в период монтажа многопустотных плит. Замоноличенные участки пустот в период эксплуатации являются опорными шпонками плит.
Бетонирование полости профилей и торцевых участков пустот выполняют через технологический зазор, образованный наклонными стенками гнутых профилей. При необходимости, продиктованной требованиями повышения огнестойкости ригелей, перед замоноличиванием профилей в их полости может быть установлена дополнительная стержневая арматура. Пустотелая цельносварная конструкция ригелей способна выдерживать монтажную нагрузку от монтируемых многопустотных плит без использования дополнительных монтажных подпорок, что существенно упрощает монтаж (Компания «Deltatek OY», Janti, Fin., Сборно-монолитный каркас «Delta». Проспект компании. - 1998 г.).
К недостаткам решений каркаса можно отнести высокую металлоемкость сталебетонных ригелей и трудоемкость выполнения их опорных узлов. Для изготовления цельносварных профилей трапециевидного сечения с выштампованными отверстиями требуется специальное технологическое оборудование. Кроме того, техническое решение несущих ригелей с высоким насыщением металлом снижает предел огнестойкости ригелей, что, в свою очередь, ограничивает область применения таких решений.
Наиболее существенный конструктивный недостаток каркаса с использованием «Delta-ригелей» заключается в бетонном исполнении шпоночного опирания многопустотных плит и в отсутствии анкеровки на опорах рабочей арматуры плит. Опорные узлы плит в связи с этим имеют хрупкий характер разрушения, что приводит к снижению эксплуатационной надежности и безопасности перекрытий.
Высокой надежностью отличается известное решение сборно-монолитного каркаса сейсмостойкой системы «Сочи» (Госгражданстрой СССР, ЦНИИЭП зрелищных, спортивных и административных зданий и сооружений. «Рекомендации по проектированию конструкций плоского сборно-монолитного перекрытия «Сочи». Москва, Стройиздат, 1975 г.). Данная система включает колонны и сборно-монолитные плиты перекрытий, образованные сборными многопустотными плитами, размещенными с продольными уширенными швами, и монолитными плитными ригелями с высотой, равной толщине плит. В продольных межплитных швах предусмотрено армирование. Уширенные армированные швы между плитами и монолитные несущие ригели образуют жесткую перекрестную систему главных и второстепенных балок. Опирания плит на плитные ригели предусмотрены через бетонные шпонки на торцах плит и через шпонки на их боковых гранях. Замоноличивание шпонок выполняют одновременно с бетонированием ригелей и межплитных швов. Таким образом, многопустотные плиты по периметру каждой плиты оконтурены армированным монолитным заполнением, что обеспечивает высокую пространственную жесткость перекрытий и надежность конструктивной системы в целом. Кроме того, известная конструкция каркаса системы «Сочи» с использованием плитных ригелей, вписанных в толщину перекрытий, обеспечивает увеличение полезного объема зданий, а отсутствие в перекрытиях конструкций, выступающих за плоскость потолков, обеспечивает планировочную свободу помещений и моральное долголетие зданий.
Недостаток данного каркаса связан с выполнением на строительной площадке работ по установке и демонтажу опалубки для несущих монолитных конструкций и арматурных работ, повышающих трудоемкость монтажа и стоимость строительства. Монолитное исполнение несущих плитных ригелей ограничивает использование в них высокомарочных бетонов, что в сочетании с ограниченной высотой ригелей, равной толщине плит, определяет их высокую металлоемкость и деформативность.
Наиболее близким известным решением сборно-монолитного каркаса является решение, приведенное в а.с. SU 1776734, в котором комплексные сечения несущих сборно-монолитных ригелей образованы предварительно напряженными сборными элементами тавровой формы, имеющими высоту менее толщины многопустотных плит, и монолитным бетоном, уложенным поверх сборных элементов. Установку и натяжение арматуры выполняют в производственных условиях. Сборные ригели могут иметь форму «ласточкин хвост». Плиты в известном решении размещены группами в ячейках с размерами по сетке колонн. По контуру ячеек плиты объединены в единый диск перекрытия системой несущих и связевых сборно-монолитных ригелей. Опирания плит на несущие ригели выполнены через монолитные бетонные шпонки в пустотах на торцах плит, выполняемые заодно с бетонированием монолитной части ригелей. Согласно изобретению в монолитном бетоне несущих ригелей в зонах отрицательных изгибающих моментов может быть установлена «локальная ненапрягаемая арматура» в виде сеток или стержней, замоноличиваемых в указанных шпонках.
Выполнение перекрытий с гладкой потолочной поверхностью в известном каркасе упрощает решения, связанные с прокладкой инженерных коммуникаций, и обеспечивает возможность свободной трансформации планировочных решений в здании без вмешательства в несущую схему. Это повышает эксплуатационные качества зданий. Использование ригелей с предварительным натяжением арматуры снижает металлоемкость каркаса, однако усложняет его исполнение, повышает трудоемкость монтажа. Необходимость во временных опорах на период монтажа плит также повышает трудозатраты.
Основной недостаток известного решения каркаса по а.с. SU 1776734 заключается в низкой надежности опорных узлов многопустотных плит, образованных бетонными (неармированными) шпонками, глубина которых ограничена технологическими условиями бетонирования. В условиях реального производства качество замоноличивания таких шпонок неконтролируемо и зависит от множества производственных факторов, что не гарантирует ни анкеровку в шпонках «ненапрягаемой арматуры», ни отсутствие хрупкого среза шпонок. Кроме того, решение с установкой «ненапрягаемой арматуры» лишь в шпонках плит, расположенных в зонах отрицательных моментов, не обеспечивает сдвиговую жесткость плит, установленных за пределами этих зон. В совокупности с отсутствием анкеровки на опорах рабочей арматуры плит технические решения опорных узлов в известном каркасе имеют низкую надежность и не обеспечивают динамическое равновесие и безопасность перекрытий.
Технические решения предлагаемого сборно-монолитного каркаса направлены на решение следующих задач.
1. Повышение надежности сборно-монолитных перекрытий, выполненных с использованием сборных многопустотных плит, преимущественно перекрытий с гладкой потолочной поверхностью (без выступающих несущих ребер).
2. Повышение качества строительства.
3. Снижение трудозатрат на изготовление и монтаж строительных конструкций и сокращение сроков строительства.
Поставленные цели достигаются тем, что сборно-монолитный каркас здания, включающий сборные колонны, многопустотные плиты перекрытий с опорными шпонками в пустотах на их торцах и замоноличенными в них анкерными связями, сборно-монолитные плитные ригели, сборные части которых выполнены со скрытыми или открытыми опорными консолями и поэтажно установлены на колонны преимущественно с образованием консольных свесов, отличается тем, что опорные шпонки выполнены с рабочей глубиной не менее их высоты, снабжены консольной арматурой и заведены в верхние полки плит с образованием в них выполненных заодно дополнительных шпонок, при этом анкерные связи установлены в пустотах на торцах каждой плиты.
Кроме того, согласно изобретению торцевые части многопустотных плит могут быть выполнены с опорной подрезкой либо в пустотах плит установлены опорные жесткие вставки, дополнительные шпонки в верхних полках плит могут быть выполнены клиновидой формы, а по верху плит и плитных ригелей может быть выполнена армированная набетонка, объединенная со шпонками в пустотах плит, например, арматурными выпусками.
Заявленный комплекс конструктивных решений по выполнению опорных шпонок с рабочей глубиной не менее высоты плит, с установкой в них консольной арматуры и заведением шпонок в верхние полки плит с образованием выполненных заодно дополнительных шпонок в совокупности с установкой и замоноличиванием в указанных шпонках на торцах каждой плиты анкерных связей создает новое качество образованных комбинированных шпонок, облегчающее развитие в них пластических деформаций, что обеспечивает восприятие шпонками каждой плиты изгибающих, поперечных и продольных (вдоль плит) усилий без хрупкого разрушения шпонок. Это является новым техническим результатом, повышающим несущую способность, надежность и безопасность опорных узлов плит. При этом выполнение опорных шпонок с рабочей глубиной не менее высоты плит при продольных усилиях в диске перекрытия, воспринимаемых анкерными связями, снижает вероятность выкола бетона в верхней полке и в ребрах плит. Кроме того, принятая глубина шпонок обеспечивает анкеровку на опорах рабочей арматуры плит, анкерных связей и консольной арматуры шпонок.
Таким образом, перечисленные конструктивные решения обеспечивают повышение статической и динамической сдвиговой жесткости и эксплуатационной безопасности каждой плиты и перекрытий в целом, особенно при воздействиях, не предусмотренных условиями их нормальной эксплуатации.
Выполнение в верхних полках многопустотных плит дополнительных шпонок клиновидной формы предполагает открытое выполнение пустот в торцах плит, что упрощает на монтаже установку и фиксацию в них армирующих элементов шпонок и анкерных связей. При этом клиновидное исполнение дополнительных шпонок за счет возникающих в бетоне верхней полки плит распорных усилий повышает их сдвиговую жесткость.
Варианты выполнения торцевой части многопустотных плит с опорной подрезкой или с установкой в пустотах на торцах плит опорных жестких вставок обеспечивают возможность монтажа плит без устройства временных опор под ними, что упрощает монтаж и снижает его трудоемкость.
Выполнение армированной набетонки, объединенной со шпонками в пустотах плит, например, арматурными выпусками повышает несущую способность комплексных ригелей. При этом дополнительные шпонки и арматурные выпуски из шпонок воспринимают возникающие в комплексном сечении ригелей контактные сдвигающие усилия и обеспечивают совместность работы и устойчивость армированной набетонки. Кроме того, увеличение за счет набетонки толщины перекрытий повышает их звукоизоляционные качества.
Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.
Фиг.1. Фрагмент сборно-монолитного каркаса 3-пролетного здания (разрез).
K
1
2
3
L - размер консольных свесов плитных ригелей. L, L, L - межосевые размеры шага колонн.
Фиг.2. Фрагмент схемы расположения плитных ригелей и многопустотных плит перекрытия (план).
шп
Фиг.3. Сечение 1-1 на фиг.2 - вариант выполнения опорных узлов многопустотных плит на плитные ригели со скрытыми опорными консолями. L - рабочая глубина шпонок.
Фиг.4. Сечение 1-1 на фиг.2 - вариант выполнения опорных узлов многопустотных плит на плитные ригели со скрытыми опорными консолями и дополнительной набетонкой по верху плит и плитных ригелей.
Фиг.5. Сечение 1-1 на фиг.2 - вариант выполнения опорных узлов многопустотных плит на плитные ригели с открытыми опорными консолями.
Фиг.6. Сечение 1-1 на фиг.2 - вариант выполнения опорных узлов многопустотных плит, выполненных с опорной подрезкой, на плитные ригели со скрытыми консолями.
Фиг.7. Сечение 1-1 на фиг.2 - вариант выполнения опорных узлов многопустотных плит на плитные ригели с открытыми опорными консолями и сборной частью неполной (менее толщины плит) высоты.
Фиг.8. Сечение 2-2 на фиг.3…7.
Фиг.9. Вариант выполнения в верхних полках многопустотных плит дополнительных шпонок клиновидной формы (план).
Заявленное решение сборно-монолитного каркаса включает колонны 1 и 2 соответственно ниже- и вышележащих этажей, многопустотные плиты 3, бетон замоноличивания 4 и выполненные со скрытыми 5 или открытыми 6 опорными консолями сборные элементы 7 комплексных плитных ригелей. В пустотах на торцах плит 3 выполнены опорные шпонки 8, снабженные консольной арматурой, например, в виде арматурных каркасов 9 с заведением шпонок в верхние полки плит и образованием бетонируемых заодно дополнительных шпонок 10. Глубину замоноличиваемых шпонок 8 в пустотах на торцах плит фиксируют путем установки на заводе инвентарных заглушек 11. Для повышения несущей способности плитного ригеля и восприятия продольных сдвиговых усилий, возникающих на контакте сборного и монолитного бетона, на боковых гранях сборных элементов 7 могут быть предусмотрены, например, дискретно установленные сдвиговые элементы 12. Плиты 3 размещены с образованием к боковым граням сборных ригелей 7 необходимого по условиям бетонирования технологического зазора. По верху сборных элементов ригелей 7 в пустотах каждой из плит 3 установлены анкерные, например стержневые, связи 13. Их анкеровку в замоноличиваемых шпонках 8 выполняют прямой, а количество связей принимают в соответствии с расчетом. Для варианта монтажа плит без установки временных опор согласно изобретению торцы плит 3 могут быть выполнены с опорной подрезкой 14 или в пустотах плит могут быть установлены опорные жесткие вставки 15. В связи с многообразием возможных конструктивных решений вставок их исполнение условно не показано. Они могут быть приняты по результатам инженерных разработок, например, в виде стальных цилиндрических элементов расчетной длины, устанавливаемых насухо в торцах плит. Исполнение жестких вставок может предусматривать их использование для подъема при транспортировке и монтаже плит, изготовленных, например, с использованием экструдерной технологии. Согласно изобретению по верху плитных ригелей 7 может быть выполнена армированная набетонка 16, через дополнительные шпонки 9 и, например, арматурные выпуски 17 объединенная со шпонками 8. В многопролетных зданиях штатные ригели 7 могут быть выполнены с образованием консольных свесов, на которых могут быть установлены аналогичного сечения линейные ригельные вставки 18. Такое решение приближает работу ригелей к схеме неразрезной балочной конструкции, что снижает пролетные усилия и деформации ригелей и позволяет увеличить расчетный пролет или расчетную нагрузку.
В комплексных ригелях с использованием сборных элементов 7 неполной (менее высоты плит) высоты в них предусмотрена установка замоноличиваемых на монтаже арматурных каркасов 19.
Конструктивная схема заявленного сборно-монолитного каркаса преимущественно связевая. Реализация такой схемы повышает требования к жесткости дисков перекрытий, но вместе с тем снижает расчетные усилия в колоннах и в опорных стыках колонн и ригелей, что существенно упрощает их монтаж, снижает материалоемкость и трудоемкость строительства. Пространственную жесткость и устойчивость здания в такой схеме обеспечивают системой вертикальных стеновых диафрагм с их поэтажным объединением дисками перекрытий.
Возведение зданий с использованием заявленных решений сборно-монолитного каркаса выполняют на основе известных методов индустриального строительства. Все несущие сборные изделия каркаса выполняют в заводских условиях, предусматривающих обязательный контроль качества материалов и изделий, и поставляют на строительную площадку с максимальной заводской готовностью.
Сборные колонны высотой «на этаж» выполняют традиционным способом с установкой в них закладных изделий, необходимых для реализации известных решений платформенных стыков с ригелями. Сечение колонн принимают в соответствии с расчетом и архитектурными решениями. С учетом использования в каркасе ригелей с развитой шириной (плитных ригелей) наиболее целесообразна пилонообразная форма колонн.
Сборные части плитных ригелей могут быть выполнены с предварительным натяжением арматуры, что снижает их металлоемкость и деформативность. При этом формооснастка для их изготовления может быть одно- и многоместной, а номенклатурный ряд ригелей может трансформироваться путем установки по длине (ширине) формы соответствующих вкладышей.
Поперечное сечение сборных элементов плитных ригелей в зависимости от объемно-планировочных решений зданий и конкретных условий строительного производства (технологическая оснащенность завода, грузоподъемность монтажных механизмов, способ монтажа, величина расчетной нагрузки и перекрываемых пролетов и др.) может быть ребристым, пусто- и полнотелым, различной ширины и высоты. Их конструктивное исполнение принимают по результатам инженерных проработок, учитывающих перечисленные особенности.
Конструктивное исполнение сборных элементов ригелей с открытыми (выступающими за плоскость потолка) опорными консолями увеличивает их рабочую высоту, что повышает их жесткость и несущую способность. Вместе с тем при таком решении усложняются вопросы, связанные с прокладкой инженерных коммуникаций, и вопросы, связанные со свободой трансформации помещений. Данное решение используют преимущественно в общественных зданиях в перекрытиях с устройством подвесных потолков.
Исполнение плитных ригелей со сборной частью неполной высоты используют преимущественно в зонах устройства в зданиях монолитных консольных козырьков или балконов, а также в многопролетных неразрезных ригелях, требующих установки усиленного армирования на опорах.
В каркасе заявленной конструкции используют многопустотные плиты, изготовленные по традиционной стендовой или экструдерной технологии формования. Торцы плит выполняют с открытыми пустотами, при этом отверстия в верхних полках, предназначенные для образования дополнительных шпонок принятых размеров и формы, выполняют в свежеотформованном бетоне плит. Размеры отверстий должны удовлетворять технологическим требованиям по укладке и уплотнению через них бетона шпонок в пустотах плит. Их количество и расположение принимают по проектным решениям, основой которых являются расчетные параметры горизонтальных сдвиговых усилий на плиты. Проектную глубину монолитных шпонок в пустотах на торцах плит фиксируют путем установки на заводе инвентарных заглушек.
Конструктивные решения плитных ригелей допускают возможность использования в перекрытиях ребристых корытообразных (сантехнических) плит или монолитных участков. Их исполнение принимают по результатам инженерных разработок.
Монтаж несущих конструкций каркаса, например, в варианте с применением плитных ригелей, вписанных в толщину многопустотных плит и без использования временных опор для монтажа плит, выполняют следующим образом. На выверенные и закрепленные в проектном положении нижестоящие колонны 1 устанавливают и известным способом закрепляют сборные элементы ригелей 7. Точность их установки в плане может регулироваться, например, совмещением рисок или путем установки и закрепления на колоннах 1 инвентарных монтажных фиксаторов. Закрепление на колоннах сборных элементов 7 выполняют также известным способом, например путем приварки соединительных элементов или с использованием болтовых соединений. Далее выполняют монтаж многопустотных плит 3 с установленными в их пустотах инвентарными заглушками 10, с арматурой шпонок, например, в виде арматурных каркасов 11 и с жесткими вставками 14, входящими в комплект заводских поставок. На скрытые 5 или открытые консоли 6 сборных ригелей 7 плиты устанавливают с необходимым технологическим зазором к их боковым граням. В пустотах плит 3 по верху ригелей устанавливают анкерные, например стержневые, связи 13 с заведением их в пустоты плит. Далее, через технологический зазор и отверстия для дополнительных шпонок 9 в верхних полках плит 3 бетонируют и уплотняют бетон замоноличивания 4, образуя комплексный сборно-монолитный ригель и сдвиговые связи, образованные элементами 8, 9, 11, 13 на опорах плит 3. Монолитные работы совмещают с замоноличиванием межплитных швов. При этом устройство в верхних полках плит с образованием в них выполняемых заодно дополнительных шпонок позволяет через образованные для них отверстия беспрепятственную подачу и уплотнение монолитного бетона в шпонках в пустотах плит, что обеспечивает надежное замоноличивание анкерных связей и консольной арматуры шпонок.
При необходимости увеличения сдвиговой жесткости плит дополнительные шпонки 9 в верхних полках плит 3 могут быть смещены от торцов на расстояние, превышающее толщину плит, а также с помощью установки в них закладных изделий или петлевых арматурных выпусков известной конструкции, установленных в свежеуложенном бетоне 4. Требуемое усиление также может быть достигнуто путем увеличения количества дополнительных шпонок 9 по длине или ширине плит 3.
Выполнение при необходимости армированной набетонки 15 технологически совмещают с монолитными работами на перекрытии.
Монтажные работы с применением в каркасе сборных элементов 7, имеющих открытые (выступающие ниже плоскости потолков) опорные консоли 6, а также с использованием многопустотных плит 3, выполненных с опорными подрезками, выполняют аналогично.
Установку и закрепление в пределах монтажного блока необходимых временных связей, обеспечивающих в период монтажа пространственную жесткость и устойчивость монтажного блока, выполняют известными способами в соответствии с проектом производства работ (ППР).
Простота монтажа и надежность конструктивных решений в совокупности с заводской гарантией качества несущих конструкций обеспечивают высокую конкурентоспособность и экономическую привлекательность зданий с использованием заявленных решений каркаса. Одновременно повышение темпов монтажа, достигаемое за счет упрощения монтажных узлов сборных конструкций, в сочетании с поточным заводским производством изделий обеспечивают возможность строительства капитальных быстровозводимых зданий.
Таким образом, предлагаемые решения сборно-монолитного каркаса обеспечивают достижение поставленных целей.