Элементы сборного железобетонного каркаса: унифицированный вариант

Возведение здания по унифицированной схеме

Конструктивную схему любого здания формируют исходя из особенностей его архитектуры,  функциональных и планировочных решений. Элементы сборного железобетонного каркаса, приведённые, так сказать, к общему знаменателю, являются оптимальным способом облегчить и проектирование, и строительство, и его материально-техническое снабжение.

С помощью видео в этой статье будет представлена интересная информация о железобетоне, полезная не только профессионалам, но и любителям.

По какому принципу компонуется каркас

Сразу хотелось бы отметить, что создание остова здания не является каким-то абсолютно примитивным действием, выполняемым на основе готовых схем и одинаковых планировочных решений. Варианты компоновки составляющих каркаса разрабатываются индивидуально для каждого объекта, в составе проекта которого присутствует спецификация сборных железобетонных элементов.

Сборные железобетонные элементы, скомпонованные в четырёх вариантах

Просто при этом берут за основу определённую статическую схему, которая и называется унифицированной:

• Задача проектировщиков – создать настолько жёсткую систему, которая позволит ей выдерживать все горизонтально воздействующие на здание нагрузки.
• Они воспринимаются не отдельными вертикальными элементами, а связанными вертикально диафрагмами, которые и передают усилие фундаменту.
• Наряду с ними устойчивость обеспечивают и горизонтальные конструкции, коими являются перекрытия.
• Их совместная работа призвана придать каркасу устойчивость, не допуская её потери при кручении и воздействии изгибающих нагрузок.

На колонны опираются изгибаемые железобетонные элементы

На заметку! Надёжность каждого блока здания обеспечивает минимум три плоских жёстких диафрагмы с непересекающимися горизонтальными осями. Ядро получается замкнутым, и обладающим устойчивостью к крутящим усилиям. Вот это решение и является наиболее оптимальным.

• Что касается вертикальных диафрагм, то их размещают обычно так, чтобы их общий центр изгиба мог совпасть с центром воздействия веса здания, а так же с точкой воздействия ветровой нагрузки.

Однако плоские диафрагмы не работают сами по себе. Чтобы связать их воедино, создаются пространственные диафрагмы, образующие своеобразное ядро жёсткости, которое может быть не только сборным, но и монолитным. Как всё это стыкуется и совместно работает, и повествует наша дальнейшая инструкция.

Составляющие унифицированного каркаса

Основные элементы монолитных бетонных и железобетонных конструкций

Понятно, что жёсткость железобетонного элемента отдельно взятого, обеспечивает жёсткость всего каркаса в целом. Поэтому каждый вид изделия имеет по нескольку модификаций. Тот или иной вариант подбирают в зависимости от точки его расположения в структуре каркаса, и, конечно же, тех нагрузок, которые ему предстоит воспринимать.

Соответственно, каждое изделие просчитано на эти самые нагрузки. Но прежде чем говорить о них, представим вашему вниманию список элементов унифицированного каркаса.

Итак, элементы – железобетонный каркас:

Наименование элемента	Краткая информация по железобетону унифицированного каркаса
Колонна сечением 400*400 мм	Колонны в системе каркаса – это сжатые железобетонные элементы. То есть, находясь в связке с другими деталями, они работают на сжатие. Длина соответствует высоте одного или двух этажей, что создаёт удобство проектирования зданий как с чётной, так и с нечётной этажностью. При этом размер принимается с учётом возможности организации помещений специального назначения – например, технического этажа. Сечение у них стандартное — 400*400 мм. Единый типоразмер в данном случае оправдан тем, что это даёт возможность сократить номенклатуру – и не только самих колонн, но и всех примыкающих к ним конструкций. К фундаменту колонна крепится путём заливки бетоном. Подколонник чаще всего проектируется монолитным, но есть и сборные варианты.
Ригели – железобетонные изгибаемые элементы	Ригель является горизонтальным несущим элементом, имеющим Г-образное или Т-образное сечение. Продольная полка предназначена для опирания элементов перекрытия. Такая его конструкция позволяет уменьшить размер той части ригеля, которая выступает внутрь помещения. Так как ригель опирается на колонны, то в его торцах есть подрезки, которые по глубине соответствуют параметрам консоли вертикальной опоры. Если рассмотреть сечение ригеля, то по нижней его грани  ширина такая же, как у колонны (40 см). Высота изделия составляет 450 мм, а высота его полки, на которую опирается перекрытие – 250 мм.
Железобетонные элементы ПК — перекрытие	Все основные эксплуатационные вертикальные нагрузки воспринимают межэтажные перекрытия, обеспечивая зданию устойчивость в горизонтальной плоскости. Совместно с диафрагмами жёсткости, перекрытия образуют неизменяемую в пространстве цельную каркасную систему здания. Их компоновка осуществляется с учётом необходимости устройства технологических отверстий для установки лестниц или лифтов, пропуска коммуникационных труб и т. д. Элементы перекрытий представляют собой панели из железобетона: пустотные толщиной 220 мм (для лёгких каркасов), и ребристые толщиной 400 мм (для тяжёлых каркасов). Классифицируют их так: Рядовые; Фасадные (укладывают по рядам колонн со стороны фасада); Внутренние; Доборные (их обычно монтируют по диафрагмам жёсткости, вокруг лестничных пролётов); Сантехнические (с отверстиями под коммуникации) Для балконов и лоджий. Плиты опираются либо на ригельные полки, либо на полки диафрагм жёсткости. Как вариант, для их опирания могут монтироваться стальные балки.
Диафрагма жёсткости с консолью	В унифицированном каркасе такой элемент, как диафрагма жёсткости, может быть выполнен на месте в монолитном варианте, либо составляться из отдельных сборных деталей. Они могут иметь самую разную форму: от стального швеллера, наваренного в виде прямоугольника, до железобетонного изделия  в виде плоской стены. Последние имеют толщину 180 мм и высоту в один этаж. Габариты диафрагмы, которая может быть сплошной или иметь проём, составляют 2,15м*1,21м. Изделие может быть так же плоским, либо иметь консоль, на которую опирается перекрытие. Консоли рассчитаны на два вида нагрузок – в зависимости от толщины настила. Устанавливают диафрагму в пролёт между колоннами, с которыми она совместно и работает.
Лестница	Лестничные марши в унифицированном каркасе располагают в своеобразном модуле, образуемом четырьмя угловыми колоннами. Для примыкания к ним у марша есть специальные вырезы. Когда лестничная клетка располагается внутри здания, её со всех сторон ограждают диафрагмами жёсткости. Если это наружный вариант, то диафрагмы будут располагаться с трёх сторон. Опирается марш на рядовой или фасадный ригель, что зависит от того, как монтируются ограждающие конструкции. Внутри здания лестницу опирают на консоль диафрагмы жёсткости. Как и в случае с колоннами, поставка лестниц может производиться адресно — то есть для конкретного объекта. Разница с типовыми маршами состоит лишь в наборе закладных деталей. Лестницы в унифицированном каркасе бывают двух-, либо трёхмаршевые, что зависит от высоты этажа. Марш имеет Z-образную форму, горизонтальный участок которой образует лестничную площадку.
Наружная стеновая панель	Ограждающие конструкции унифицированного каркаса – это навесные панели из керамзитобетона толщиной 340 мм. Изначально перед разработчиками стоял выбор из двух вариантов: однослойных панелей из лёгкого бетона, к коим относится и обсуждаемый нами вариант, а так же трёхслойные изделия из тяжёлого железобетона. Но, учитывая необходимость навешивания панелей на каркас и создания изделий со сложной конфигурацией, возникали некоторые сложности при их изготовлении. Однослойная панель не столь трудоёмка в производстве. Обратите снимание! К категории лёгких относится несколько видов бетонов с различными наполнителями. Однако предпочтение при создании унифицированного каркаса было отдано именно керамзитобетону — как материалу, обладающему наиболее высокой прочностью, но сохраняющему, тем не менее, нужные показатели по теплоэффективности.

Далее чуть более подробно познакомим вас с критериями подбора элементов при проектировании каркаса.

Оптимальные решения при подборе связующих элементов

Если взять для примера шестнадцатиэтажное здание, то в номенклатуре его каркаса может содержаться до пяти видов колонн, изготовленных из бетона с разными прочностными характеристиками. Да и вообще, железобетонные сжатые элементы наиболее эффективно работают именно на бетоне высоких марок (порядка М800 В60).

Высота колонны может соответствовать высоте двух этажей здания

Как достигается эффективность

Залогом эффективности работы колонн является не только бетон, но и заключённая в нём арматура. Обычно используют сталь класса Ат-V – термомеханически упрочнённую, отличающуюся высокой прочностью.

Обратите внимание! Оптимизация заключается именно в том, чтобы при создании изделий можно было не увеличивать число их форм, а менять несущую способность при тех же конфигурациях, что уже существуют — путём компоновки различных вариантов армирования и подбора бетона. При этом, естественно, меняются не только показатели прочности конструкций, но и их цена.

• Одну и ту же несущую способность можно получить на разных по прочности бетонах, варьируя лишь их марки и количество арматуры. Однако учитывая, что арматура всегда стоит дороже, экономически целесообразнее отдавать предпочтение тому варианту, где её меньше.
• Чтобы соблюсти баланс, бетон должен использоваться более высокой марки, что позволяет удешевить себестоимость конструкций на треть. Именно по такому принципу проектировщики и оптимизируют номенклатуру колонн – сравнивая разные варианты расхода и стоимости материалов.
• С диафрагмами жёсткости колонны соединяются посредством закладных деталей — а это тоже дорогостоящая сталь. В проекте может быть предусмотрено до четырёх таких примыканий (со всех сторон).
• Соответственно, номенклатура оптимизируется не только по внутренней рабочей арматуре, но и по закладным деталям. Поэтому всю систему колонн делят на:

1. Безадресные (имеют типовой набор закладных деталей);
2. Адресные (предназначены для конкретных объектов).

На фото — стык двух колонн до зачеканки

• Особое внимание при выборе проектировочных решений уделяется стыкам колонн, которым приходится работать при повышенных нагрузках. Освоение унифицированного каркаса происходило поэтапно.
• Некоторые решения – в частности, способ стыкования колонн – дорабатывались с учётом неудобства их воплощения на практике и дороговизны. Производились дополнительные испытания на образцах, с замером деформаций бетона, фиксацией возникновения трещин.
• В частности, было подтверждено, что бетон, которым замоноличен стык колонны, практически одновременно включается в работу с бетоном самой колонны. И чем выше его марка по прочности, тем эффективнее эта работа происходит. Поэтому здесь используется бетон не ниже М600 (В45). В связи с этим в расчётах учитывается ещё и площадь монолитных участков.
• Было так же установлено, что работу стыка значительно улучшает и монтаж двенадцатимиллиметрового в диаметре хомута, обвязывающего стыковочную арматуру. Понятно, что надёжность стыка зависит от способа его выполнения.

Колонны с увеличенными консолями

В списке колонн для унифицированного каркаса присутствуют и такие модификации, как:

1. Вариант с консолью, увеличенной для опирания на неё горизонтальных элементов фасада.
2. Модели с длинными консолями, которые, выступая за фронтальную часть фасада, образуют лоджии или балконы.
3. Колонна с отверстием в консоли – в них пропускаются стояки отопления.
4. Модели с увеличенной высотой под опирание тяжёлых ригелей.

Подбор каждой отдельно устанавливаемой на объекте колонны, определяет прогиб изгибаемого железобетонного элемента. При проектировании все усилия сопоставляются с несущей способностью вертикальных опор каркаса, возможных смещений и преломлений их осей в местах стыков.

Опирание ригеля на консоль колонны, а перекрытия — на полку ригеля

В жёстко связанном каркасе всё работает комплексно. Например,  вертикальные нагрузки, воспринимаемые консолями колонн, определяют изгибающие моменты, возникающие в ригелях.

Перпендикулярная им плоскость (а это перекрытие), в унифицированных каркасах имеет свободное опирание. При этом пролёты загружаются неравномерно, поэтому для колонн применяется расчёт внецентренно сжатых элементов, в котором просчитывается взаимодействие изгибающих моментов и продольных сил.

Унификация ригелей

В унифицированном каркасе лёгкого типа, ригели рассчитаны на два варианта нагрузок: 72 и 110 килоньютон на метр. Именно эти цифры ложатся в основу расчёта распределённого и сосредоточенного расположения опираемых перекрытий шириной 1,2 либо 1,8м. В тяжёлых каркасах, ширина перекрытий принимается 1,5м.

Варианты сечений ригелей

• Изготавливают ригели из бетона марок М300; 400; 500, армируют их плоскими каркасами и сетками, объединяемыми контактной либо дуговой сваркой. Поставляют изделия с завода только по достижении семидесятипроцентной прочности, однако при этом, в соответствии с требованиями ГОСТ, им должны быть гарантированы условия для набора и остальных 30%.
• Как и в случае с колоннами, для расчёта ригелей поначалу использовали общие положения проектных норм, которые не учитывали в полной мере специфики работы изделия.
• В частности, проблемы были связаны с нагрузками, воздействующими по высоте сечения, а так же не совсем достоверными были результаты расчёта полки изделия на откалывание бетона. Поэтому соответствующими организациями во главе с НИИЖБ были проведены исследования и существующие способы армирования были заменены на более рациональные.

Ригель, установленный на консоли колонн

• Если сказать коротко, то выглядело это так. Было установлено, что в результате воздействия нагрузки на полку, с двух сторон её ребра, в растянутой зоне появляются не только нормальные трещины на самой полке, но и наклонные – в ребре над ней. Это по сути нормально, так как вызвано общим изгибом изделия. Однако при повышении нагрузки появлялись трещины и в месте приложения груза, либо полностью получался отрыв полки.
• Дело в том, что расчёт железобетонных изгибаемых элементов по наклонному сечению – а вернее, его методика, представленная в СНиП, не учитывает некоторых факторов. А именно – положения нагрузки относительно высоты ригеля.
• Для усиления конструкции понадобилось увеличить количество поперечно расположенных арматурных стержней, а для правильного его определения был применён разработанный институтом железобетона (НИИЖБ) метод.
• В его суть мы сейчас вдаваться не будем, скажем только, что его применение позволяет произвести расчёт по сечению отрыва точный расчёт и учесть всю используемую поперечную арматуру.
• Это помогает установить зону отрыва и ввести её в расчёт, что очень важно, так как у ригеля нагрузка сосредотачивается на ограниченном участке, а потом уже передаётся на ребро. В том, собственно, и заключается особенность данного изделия. Соответственно, важно было определить и наиболее рациональные размеры полок ригеля.
• После усовершенствования конструкции, расход арматуры на кубометр железобетона составил порядка 20 кг, что для любого завода по изготовлению даёт существенную экономию. В процессе развития конструкции каркаса унифицированного типа, были разработаны ригели и большей высоты (всего 4 вида).

Варианты крепления ригеля к колонне

Ригели, как и колонны, предназначенные для лёгкого каркаса со связевой схемой, могут использоваться при строительстве малоэтажных зданий. Но для промышленных зданий чаще проектируют каркасы рамного типа.

Их конструктивную основу составляют плоские рамы с приспосабливающимися (упругопластическими) узлами. Создавать такие узлы помогают специальные стальные детали, именуемые рыбками, посредством которых и осуществляется крепление ригеля к консоли колонны. Такой вариант показан на приведённой выше схеме.

Особенности ограждающих конструкций

Как уже было сказано, в унифицированном варианте железобетонного каркаса используют однослойные керамзитобетонные панели. Применение кондукторов обеспечивает наилучшую геометрию изделий и точность их размеров.

Выпускают элементы ограждающих конструкций с уже вмонтированными, и даже остеклёнными оконными переплётами, а так же декорированной лицевой поверхностью. То есть, степень заводской готовности данных изделий составляет минимум 90%.

Панели для унифицированного каркаса

• В зависимости от архитектурного решения фасада здания, его ограждающие конструкции могут иметь полосовую горизонтальную, или вертикальную разрезку. Чтобы обеспечить эстетическую индивидуальность, панели могут иметь самую разнообразную отделку.
• Это может быть стеклянная или мраморная (гранитная) крошка, торкрет, керамическая или стеклянная плитка, и даже тонкие плиты природного камня – чаще травертин. Встречаются и более сложные варианты – такие как стемалит (цветное калёное стекло в алюминиевой рамке).
• Заметим, что все виды облицовки выполняются только за счёт адгезии, без использования каких бы то ни было механических креплений. Это, что касается наружного декорирования. С внутренней стороны поверхность панелей просто оштукатурена тонким слоем цементного раствора.
• К каркасу элементы стен крепят посредством приваривания к закладным деталям, но иногда могут быть использованы стальные фахверки. Соответственно, все монтажные детали, необходимые для соединения, идут в комплекте, а их номенклатура оговаривается в спецификации.
• Армируются панели пространственным каркасом, состоящим из нескольких плоских сварных сеток и объединяющих их в пространственный каркас стержней.

Стык двух панелей и их крепление к колонне

Стыки панелей после монтажа замоноличиваются, а их правильное положение обеспечивает соответствующая конфигурация торцевых кромок. Уплотнение стыков выполняется с использованием прокладок на основе пенополиуретана, гернита, синтетического либо натурального каучука.

Заключение

Все железобетонные изделия, прежде чем поступить в массовое производство, проходят стадию проектирования. Осуществляется оно согласно действующих СП (строительных правил) 52*102*2004.

К ним были разработаны приложения в виде пособий по проектированию: одно для предварительно напряжённых изделий, другое – для элементов без предварительного напряжения.

Фермы – это растянутые элементы железобетонных конструкций, но в состав унифицированного каркаса они не входят

В них говорится и о показателях качества бетона и арматуры, и об их нормативных характеристиках. А главное, в них вы найдёте очень много необходимой технической информации — такой, например, как расчёт изгибаемых железобетонных элементов.

Из этих документов вы узнаете, что такое кривизна оси железобетонных элементов, или как проходят три стадии напряжённо деформированного состояния железобетонных элементов. А нужно ли это лично вам, если вы не проектировщик, решайте сами.