Панели покрытий и перекрытий

Панели покрытий и перекрытий «двойное Т». Преимуществом панели «двойное Т» является рациональная работа двухконсольиой плиты, наибольшие изгибающие моменты в которой меньше, чем при опирании на продольные ребра, расположенные по краям плиты, и чем при поперечных ребрах.

Подобная двухконсольная железобетонная конструкция известна давно, она применялась, в частности, в мостах. В виде деталей для массового сборного строительства панели «двойное Т» из тяжелого и легкого конструктивного бетона нашли распространение в США и в ряде других стран. В последние годы панели «двойное Т» успешно применяют в России.

На рис. 5.31, а показаны поперечные сечения различных панелей «двойное Т», изготовляемых в одной универсальной форме (США). Ширина панели — 1194 мм, а длина — от 4,87 до 15,24 м, чему соответствуют высоты — 150, 200, 250, 300 и 350 мм. Приведенная толщина этих панелей — от 6,7 до 9,4 см. Для изготовления панелей различной высоты в одной форме используют закладные стальные элементы швеллерного типа, которые укладывают на дно формы, предназначенной для панели с максимальной высотой ребра (рис. 5.31,б).



В США применяют также панели несколько большей ширины-1494 и 2267 мм (рис. 5.31, б).

В России конструкция и методы изготовления панелей «двойное Т» получили дальнейшее развитие. В 1957 г. Научно-исследовательский институт по строительству Министерства строительства России (НИИ-200) предложил конструкцию панели «двойное Т» длиной 12 м и шириной 3 м, (рис. 5.31, г), т. е. значительно шире, чем в США. Панели изготовляли по двухступенчатой технологии. Сначала формовали предварительно напряженные ребра, которые затем ставили в кондуктор с опалубкой для плиты и добетонировали плиту. В верхней части ребер делали арматурные выпуски для связи затвердевшего бетона ребра со свежим бетоном плиты.



С 1960 г. в Москве изготовляют панели «двойное Т» размерами и плане 3X9; 3X12 и 3X15 м для перекрытий и покрытий по проектам, разработанным ВНИИЖелезобетоном совместно с Mocпроектом и Моспроектстройиндустрией (рис. 5.32). При выборе конструкции панелей и технологии их изготовления были приняты следующие основные положения:

а) каждый типоразмер панели изготовляется в особой силовой форме; универсальные формы для панелей разной высоты и пролета нецелесообразны, так как не обеспечивают хорошего использования форм и производственных площадей при изготовлении панелей меньшего размера; они могут быть оправданы при мелкосерийном производстве с небольшим объемом заказов на отдельные типоразмеры; в условиях массового строительства России каждая индивидуальная форма используется полностью;

б) панель изготовляется за один прием, т. е. ребра вместе с плитой; раздельное формование ребер и плиты требует больших производственных площадей, большой затраты труда и удлиняет технологический процесс.

Для обеспечения прочности панелей при перевозке и монтаже плита на торцах утолщена, т. е. имеет поперечное торцовое ребро. Приведенная толщина бетона панели длиной 9 м составляет 7,5 см, а панелей длиной 12 и 15 м — 10 см.

Во всех случаях напрягаемая рабочая арматура выполняется из стали класса A-IV с натяжением ее электротермическим методом при нагреве вне формы. На рис. 5.33, а приведена конструкция панели с размерами в плане 3 X 12 ж.



Величина начальных предварительных напряжений арматуры в панелях описываемой серии выбиралась из условия обеспечения провиса в середине пролета не более 1:300 пролета и ширины раскрытия трещин не более 0,2 мм. Из графика (рис. 5.34), построенного по результатам расчетов, видно, что предварительное напряжение арматуры должно быть не меньше 2400 кГ/см2 для панели ТТ-12; 3400 кГ/см2 — для ТТ-12т; 3700 кГ/см2 — для ТТ-9 и 4000 кГ/см2 — для TT-15.

Для практического применения были рекомендованы предварительные напряжения, обеспечивающие более высокий минимум: для панелей ТТ-9 принято ?0 = 4500 ± 700 кГ/см2, для остальных ?0 = 5000 ± 800 кГ/см2.

Перед организацией массового производства панелей «двойное Т» были испытаны опытные образцы. Равномерная нагрузка осуществлялась песком с насыпным объемным весом 1500 кг/м3 (рис. 5.35, а). По периметру панели были поставлены деревянные стенки. Противоположные стенки скрепляли тяжами для восприятия горизонтального давления песка. Загружение осуществлялось этапами — насыпкой слоя песка заданной толщины.



Между началом двух последующих этапов проходило 30—40 мин. Первые четыре этапа загружения вместе с собственным весом панели создавали нормативную нагрузку, т. е. 900 кГ/м2 (650 + 250). При этой нагрузке панель выдерживали 1 ч. Во время выдержки прирост деформаций практически прекратился и нагрузку снова увеличивали этапами. После седьмого этапа ширину слоя песка несколько уменьшали, но соответственно увеличивали его высоту. Только на последнем, десятом этапе нагрузка была меньше, чем мм остальных.

Замеренный прогиб панели в середине пролета ребра при нормативной нагрузке (М = 47 Т*м) составил 20 мм, а с учетом прогиба от собственного веса панели f=20+6=26 мм. При выдерживании панели под нормативной нагрузкой прогиб увеличился на 0,4—0,5 мм. Общий прогиб от нормативной нагрузки при ее кратковременном действии был при испытаниях около 1:450 пролета.

При расчетной нагрузке (Mр=56 Т*м) прогиб был 30+6= 36 мм. Нагрузка была доведена до величины, которой соответствует изгибающий момент Mмакс 85,3 + 13 = 98,3 Т*м, т. е. С?98,3:56=1,75. При указанной здесь наибольшей нагрузке разрушение не было достигнуто, прогиб в середине пролета был fmax = 136 мм = 1:88 пролета.

Прогибы консольных частей плиты при нормативной нагрузке были 2,2 мм 1:286 пролета (выноса) при допустимой величине 1:100 пролета, или 6,3 мм.

Расстояния между трещинами, замеренные в конце испытаний, составляли в среднем 40—60 мм при расчетной величине 42 мм. Ширина раскрытия трещин при нормативной нагрузке была 0,01—0,025 мм при расчетном значении для середины пролета 0,03 мм.

Первые трещины в предварительно напряженных ребрах были обнаружены вблизи середины пролета при нагрузке, соответствующей 86% нормативной. Прочность бетона при испытаниях была 335 кГ/см2, предварительные напряжения передавались на бетон при его прочности 236 кГ/см2.



При нормативной нагрузке длина среднего участка ребер, на котором имелись трещины, была 3 м, т. е. с двух сторон оставались участки по 4,5 м без трещин.

На рис. 5.35, б и в показаны графики прогибов ребер в середине пролета и концов консолей плиты в зависимости от нагрузки. Прогибы двух несущих ребер панели мало отличались друг от друга. После пяти лет производства панелей «двойное Т» типов TT-12; ТТ-12т и ТТ-15 и в связи с истечением срока амортизации форм, сделавших по 1200—1300 оборотов каждая, конструкции панелей были переработаны с учетом производственного опыта и потребностей строительства.

В новую номенклатуру панелей «двойное Т» введены панели длиной 9 м для нормативных нагрузок 700, 1050 и 1400 кГ/м2, которые применяют для многоэтажных общественных зданий. Расчетные нагрузки соответственно равны 900, 1200 и 1600 кГ/м2.
При переработке конструкций панелей отказались от перелома нижней плоскости консольной части плиты, т. е. от участков плит постоянной толщины. Плита равномерно утолщается от 35 мм на краях консолей и в середине среднего пролета до-65 мм к ребрам. Это упрощает конструкцию формы и улучшает вид потолка помещений под панелями. Кроме того, наружная грань плиты имеет уклон, благодаря которому оказалось возможным сделать форму полностью неразборной, в то время как раньше уголки, образующие продольные наружные кромки плит, откидывались. Для улучшения извлечения панелей из перазборной формы уклоны боковых поверхностей ребер были несколько увеличены — с 35:530=1:15 до 45:535=1:12.

Напрягаемые арматурные стержни расположили попарно, используя упоры с горизонтальными прорезями.
Новая конструкция панели «двойное Т» с номинальными размерами в плане 3x15 м имеет ребра высотой 600 мм; толщина плиты на краях и в середине между ребрами — 35 мм, а в местах примыкания к ребрам — 65 мм. Номинальная ширина ребер внизу — 115 мм, вверху — 205 мм. В местах перехода нижней грани ребер к боковым сделаны закругления радиусом 10 мм в соответствии с конструкцией формы, в которой в этих местах применяются загнутые стальные листы.

Арматура плиты представляет собой сварную сетку из проволоки класса B-I с ячейками 150 X 250 мм. Для удобства изготовления и укладки арматура плиты собирается из шести одинаковых сеток с размером в плане примерно 2,5 X 3 м. В ребрах размещена поперечная ненаправляемая арматура в виде сварных каркасов с верхним продольным стержнем ? 12 A-III, остальные два продольных стержня и все поперечные — ? 4 В-I. В каждом ребре по ширине поставлено два вертикальных каркаса, по длине состоящих из трех частей: средняя с шагом вертикальных стержней 300 мм и крайние — с шагом 150 мм. Рабочая напрягаемая арматура: по 6 ? 18 A-IV или 7 ? 16 A-IV в каждом ребре.



Всего для армирования панели (без закладных деталей) использовано пять разных марок и диаметров арматурной стали: ? 16 A-IV, ? 12 A-111, ? 4 B-I, ? 3 B-I и ? 22 А-I, в то время как в ребристых типовых панелях покрытий 3X12 м имеется девять разных марок и диаметров стали (также без закладных деталей).

Ширина плиты (полки) таврового сечения, вводимая в расчет прочности, определяется из условия, чтобы свес полки был равен шести ее толщинам. Так как полка имеет переменную толщину, то учитываемый вынос полки определяется из условия, чтобы он был равен шести средним толщинам этого участка (рис. 5.36, а), т. е. l6=6h'п.

Толщина полки h3 на расстоянии 3 h3 от утолщенного края плиты



аналогично, толщина полки на краю учитываемого выноса



и вынос полки, вводимый в расчет, l6=6h'п.

Для рассматриваемого примера (рис. 5.36, б) h'п = 5,74 см и l6 = 34,4 см. Полная расчетная ширина верхней полки таврового сечения для одного ребра b'п = 2*34,4 + 20,5*89,3 см.

Изгибающие моменты в середине пролета для ребра с грузовой площадью шириной 1,5 м: Мн = 26,7 T*м; M = 31,5 T*м и Мпн=20,6 T*м.
Высота сжатой зоны бетона при Rи=160 кГ/см2



т. е. нейтральная ось проходит в полке расчетного таврового сечения.

Момент несущей способности M = FаRаZ = 14,07*5100*44,8 = 3 200 000 ? 3 150 000 кГ*см.

В расчете были определены моменты трещиностойкости нижней зоны для разных значений начальных предварительных напряжений арматуры. Во всех случаях Мтн ? Мн, т. е. в средней части пролета имеются участки с трещинами.

Провисы в середине пролета ребра панели определены для трех величин начальных предварительных напряжений. Провисы определяли для каждого случая в трех вариантах:

I — в предположении наличия трещин по всей длине ребра и изменении кривизны по длине ребра пропорционально изгибающему моменту;
II — с учетом наличия участков без трещин, пользуясь вспомогательной таблицей;
III — в предположении отсутствия трещин по всей длине ребра. Результаты этих расчетов сведены в табл. 5.11 и представлены на графике рис. 5.36,д.



Как видно из табл. 5.11 и из графика рис. 5.36, д, если ограничиться расчетом в предположении наличия трещин по всей длине ребра, то даже ?0 = 5400 кГ/см2 оказывается недостаточным для обеспечения требуемой жесткости панели.

Если учесть, что есть участки ребра без трещин, то достаточно принять ?0 = 4500 кГ/см2; это обеспечивает требуемую жесткость панели.

Интересно отметить, что учет участков без трещин по сравнению с расчетом в предположении наличия трещин по всей длине ребра приводит к уменьшению провиса в середине пролета на 32,5; 41,8 и 58,8% соответственно для ?0 = 4500, 5000 и 5400 кГ/см2. Такое значительное уменьшение провиса объясняется большим отношением момента трещиностойкости к нормативному моменту.

Наибольшее раскрытие трещин по расчету при ?0 = 4500 кГ/см2, ат = 0,023 мм, а расстояние между трещинами lт = 5 см. При передаче предварительных напряжений на бетон верхние трещины не образуются.

Производство крупных панелей «двойное Т» первоначально было организовано на заводе ЖБИ № 22 Главмоспромстройматериалы в силовых формах по стендовой схеме на полигоне. В дальнейшем в связи со специализацией и увеличением масштаба производства их изготовление перешло на завод № 18, где эти же формы использовались при поточно-агрегатной схеме.

На рис. 5.37 показана конструкция силовой формы для модернизированной панели 3 X 15 м. Внешние габариты формы — 3330х16130х790 мм. Особенностью формы является ее неразборность и применение гнутых листов как для плиты, так и для ребер. Упоры сделаны с горизонтальными прорезями для заведения напрягаемой арматуры сбоку. Вес формы 13,35 т, т. е. весовой коэффициент 13,35:11,5=1,16.



Многопустотные предварительно напряженные железобетонные панели для перекрытий являются наиболее массовой продукцией предприятий сборного железобетона. При производстве многопустотных панелей впервые в массовом масштабе было применено электротермическое натяжение арматуры с нагревом ее вне формы 19,681.

В настоящее время почти повсеместно применяют в многопустотных панелях отверстия круглого поперечного сечения. На некоторых предприятиях площадь отверстия несколько увеличена путем добавления к кругу снизу части прямоугольника. Это достигается приваркой срезанного швеллера к круглой трубе пустотообразователя. Условия извлечения такого пустотообразователя такие же, как и при круглом его сечении, а приведенная толщина панели снижается на 10—12%.

Технологическим усовершенствованием является применение на ряде заводов внутренних упоров вместо наружных, что снижает трудоемкость изготовления многопустотных панелей. Электротермический метод натяжения арматуры является основным при производстве многопустотных панелей.

На рис. 5.38 показана конструкция панели номинальной шириной 1,2 м с шестью круглыми пустотами диаметром по 159 мм и с напрягаемой стержневой арматурой марки 80С класса A-IV. Полная высота панели 22 см.



Панель армирована четырьмя стержнями напрягаемой арматуры класса A-IV, двумя опорными поперечными сетками из проволоки класса В-I, загнутыми по краям для предотвращения раскалывания бетона на углах при передаче предварительных напряжений, четырьмя каркасами — по два с каждой стороны, работающими на поперечную силу, и одной или двумя верхними сетками. Панель имеет четыре строповочные петли.

Приведенная конструкция панели, характерная и для других размеров и нагрузок, имеет следующие показатели.

Марка бетона 200, прочность при передаче предварительных напряжений на бетон — 140 кГ/см2. Объем бетона на панель — 0,844 м3, приведенная толщина бетона — 12 см. Расход металла на одно изделие — 43,6 кг, или 5,6 кг/м2. Количество разных марок и диаметров арматуры — 4. Арматурных заготовок: типов — 9, штук — 128. Арматурных изделий (монтажных элементов): 5 типов, 15 шт.

Многопустотные панели изготовляют по поточно-агрегатной и конвейерной схемам в силовых формах. Дальнейшее эффективное снижение расхода металла в многопустотных панелях перекрытий возможно при использовании термически упрочненной арматуры класса Ат-VI. Данные для такой панели показаны в скобках на рис. 5.38. Расход металла снижается с 5,6 до 4,3 кГ/м2. Однако применение термически упрочненной напрягаемой арматуры экономически целесообразно только в случае сохранения бетона марки 200 и электротермического метода натяжения арматуры. Для проверки такой возможности были проведены экспериментальные исследования, описанные ниже.

При расчете жесткости сложную форму поперечного сечения многопустотной панели целесообразно привести к близкому по очертанию двутавровому поперечному сечению, путем условной замены круглых пустот в поперечном сечении прямоугольниками. Ширину и высоту заменяющих прямоугольников определяют из условия равенства площадей и моментов инерции круга и заменяющего его прямоугольника bо.п = 0,908 D и hо.п = 0,865 D.

В первый период применения предварительно напряженных многопустотных настилов расчет прогибов (провисов) для них проводился в предположении наличия трещин по всей длине настила. При этом прогиб настила в середине пролета, полученный при испытаниях, всегда оказывался намного ниже определенного по расчету.

Объясняется это тем, что момент трещиностойкости составляет существенную часть нормативного момента в середине пролета: обычно в многопустотных настилах Mт ? 0,8 Мн. Кроме того, вследствие сильно развитой растянутой зоны в многопустотных панелях показатели жесткости сечений с трещинами и без трещин сильно разнятся (в 3—4 раза), и поэтому наличие участков без трещин существенно повышает жесткость панелей.

Обычно учет участков панели, не имеющих трещин, приводит к уменьшению провиса на 20—35% по сравнению с определенным в предположении наличия трещин по всей длине панели.

Важной задачей расчета панели с арматурой класса Ат-VI является определение минимально необходимого предварительного напряжения арматуры и проверка возможности его обеспечения электротермическим методом.

Шестипустотная панель имеет номинальную ширину 1,2 м и длину 5,9 м; расчетный пролет панели 5,8 м. Нормативная нагрузка 800 кГ/м2, в том числе длительно действующая 600 кГ/м2. Расчетная нагрузка 600*1,1+200*1,4=940 кГ/м2.

Результаты расчетов для трех величин ?0 приведены на графике рис. 5.39, в.



На графике (рис. 5.39, е) линия. I относится к провисам в середине пролета, полученным при расчете в предположении наличия трещин по всей длине панели, а линия III — при учете участков, на которых нет трещин. Полученная разница весьма существенна. Для ?0 = 5000 кГ/см2 провисы во втором случае на 20,5% меньше, чем в первом; при ?0 = 5500 кГ/см2 — на 29,3% и при ?0=6000 кГ/см2 — на 35,4%. Во всех случаях, в особенности при высоких значениях ?0, это снижение превосходит 20%, которым соответствует линия II. Линия IV, приведенная для сравнения, показывает величину провисов в случае отсутствия трещин но всей длине панели.

Топкая горизонтальная линия А соответствует допустимому провису, равному 2,9 см, или 1:200 пролета панели. Наконец, линия V показывает полученные в расчете величины максимального раскрытия трещин, а прямая Б — допустимую ширину раскрытия трещин 0,3 мм.

Как видно из графика, по условиям обеспечения жесткости панели можно принять ?0 = 5100 кГ/см2. Однако ограничение ширины раскрытия трещины обеспечивается по расчету только при ?0 = 5650 кГ/см2. Поэтому для производства выбрано значение ?0 = 5700 кГ/см2. При этом провис по расчету составит 2,2 см, или 1:264 пролета, а наибольшая ширина раскрытия трещин — 0,28 мм.

В 1965 г. было испытано 6 многопустотных панелей с напрягаемой термически упрочненной арматурой класса Ат-VI. Основные характеристики испытанных панелей и результаты испытаний приведены в табл. 5.12.



Панели испытывались равномерно распределенной нагрузкой, создаваемой на испытательной установке с воздушным мешком. Из табл. 5.12 видно, что среднее из четырех замеренных значений начального предварительного напряжения в арматуре по каждой панели колебалось для шести панелей от 5650 до 7040 кГ/см2 при среднем значении для испытанных шести панелей 6135 кГ/см2 с крайними отклонениями — 475 (-7,8%) и + 905 (+14,7%).

Прогибы в середине, пролета при нормативной нагрузке получились от 10,1 до 14,7 мм. За одним исключением (14 мм) значения их очень близки друг к другу (10,1—11,7 мм).

Во всех панелях предельное состояние проявилось в достижении предельных прогибов в середине пролета, равных 1:50 пролета. Разрушение не было достигнуто. В предельном состоянии изгибающие моменты в середине пролета колебались для разных панелей от 7,5 до 8,35 T*м, чему соответствуют отношения предельного момента к расчетному С=1,59/1,71 и к нормативному Сн=1,87/2,01.

В четырех панелях из шести трещины появились при нормативной нагрузке, в одной — при 0,94 и в одной — при 1,19 нормативной нагрузки.

График зависимости прогибов в середине пролета от изгибающего момента одного из настилов и расположение трещин в одном из настилов приведены на рис. 5.40.



Длина среднего участка панели с трещинами в предельном состоянии составляла от 0,4 до 0,59 пролета, а при расчетной нагрузке — от 0,21 до 0,31 пролета. Среднее расстояние между трещинами в предельном состоянии панели было от 10,1 до 14 см, в то время как по расчету ат=35,1/35,6 см. Раскрытие трещин также было меньше, чем по расчету; оно составило при расчетной нагрузке 0,08—0,16 мм.

Таким образом, испытания подтвердили возможность использования для многопустотных панелей арматуры класса Ат-VI, напрягаемой электротермическим методом. При этом бетон может быть примерно таким же для арматуры класса A-IV, т. е. марки 200.

Дальнейшие исследования, проведенные в 1966—1967 гг., показали, что при улучшении конструкции поворотной приставки формы можно уменьшить долю непроизводительного нагрева и обеспечить полную трещиностойкость панели.