Способ возведения монолитных несущих железобетонных перекрытий гражданских зданий в зимних условиях

 

Изобретение использовано при возведении монолитных железобетонных перекрытий гражданских зданий в зимних условиях. Сущность изобретения: способ возведения монолитных несущих железобетонных перекрытий гражданских зданий в зимних условиях заключается в укладке бетонной смеси, ее термообработке до расчетной прочности и последующем нагружении бетона при достижении им меньшей прочности с интенсивностью, зависящей от пролета перекрытия, уровня технологической нагрузки, прочности нагружаемого бетона. 1 табл.

Изобретение относится к технологии возведения гражданских зданий из монолитного железобетона и может быть использовано при возведении монолитных несущих железобетонных перекрытий в опалубках в зимних условиях.

Известен способ возведения монолитных и сборно-монолитных железобетонных конструкций при отрицательных температурах воздуха путем укладки и уплотнения бетонной смеси, ее выдерживания до достижения бетоном прочности к моменту загружения расчетной нагрузкой не менее 100% проектной.

Недостатком этого способа является необходимость длительного выдерживания бетона до достижения им проектной прочности, а также высокие энерго- и трудозатраты на зимнее бетонирование.

Известен способ возведения зданий и сооружений из монолитного железобетона, при котором выдерживание бетона осуществляется до достижения им минимальной прочности к моменту замерзания (критической прочности), после чего бетон замораживается, а загружение его технологическими нагрузками производится после весеннего потепления, когда бетон приобретает проектную прочность. При этом минимальная прочность бетона незагруженных горизонтальных монолитных конструкций при распалубке должна составлять 70% от проектной при пролете до 6 м и 80% - при пролете свыше 6 м.

Недостатком этого способа является значительное увеличение продолжительности возведения зданий и сооружений Известен также способ возведения монолитных железобетонных конструкций в зимних условиях (прототип) путем укладки и уплотнения бетонной смеси, ее термообработки и последующего загружения конструкции, при котором термообработку ведут до достижения бетоном критической прочности, а загрузку конструкции осуществляют сначала до величины, определяемой из условия P_max/R_т ≅ 0,66 (1) выдерживают под этой нагрузкой до набора бетоном заданной прочности, а затем догружают, здесь P_max - максимально возможная фактическая нагрузка от технологического нагружения в период оттаивания, в % от нормативной.

R_т - прочность бетона после термообработки, в% от проектной при условии R_кр ≅ R_т ≅ R₂₈ .

Недостатком этого способа является неучет особенностей работы и расчета изгибаемых железобетонных конструкций, для которых значения напряжений в бетоне от нагрузки не являются достаточным условием для определения прочности бетона. Такой подход (прототип) не учитывает как требований пригодности конструкции к нормальной эксплуатации (предельные состояния второй группы), так и влияния пролета перекрытия и соотношения технологической и эксплуатационных нагрузок на допустимую интенсивность нагружения. Поэтому способ, описанный в прототипе, может быть применен преимущественно для сжатых железобетонных конструкций. Для изгибаемых конструкций формулу, указанную в прототипе, возможно привести к виду М_т/М_р ≅ 0,66, (2) где М_т - технологическая нагрузка (момент); М_р - разрушающая нагрузка (момент).

Но и в этом случае недостатки прототипа не устраняются, так как во-первых, заложенная в М_р прочность бетона определяется без учета требований ограничения трещинообразования и деформаций и, во-вторых, значение допустимой интенсивности нагружения принимается одинаковым для перекрытий различных пролетов, уровня нагружения относительно эксплуатационной нагрузки и получаемой прочности бетона. Это приводит к завышенным или заниженным значениям прочности бетона и, соответственно, к увеличению времени термообработки, энерго- и трудозатарт на бетонирование или недопустимым ухудшениям эксплуатационных качеств конструкции.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно сокращение сроков строительства и уменьшение энерго- и трудозатрат при обеспечении требуемого качества конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в способе возведения монолитных несущих железобетонных перекрытий гражданских зданий в зимних условиях, включающем укладку бетонной смеси, ее термообработку и последующее нагружение конструкций, согласно изобретению нагружение осуществляют при достижении бетоном прочности R_b= , (3) где R_s, A_s - расчетное сопротивление и площадь арматуры; h_о, b - полезная высота и ширина расчетного сечения; M_т - момент, возникающий в расчетном сечении от технологической нагрузки; η - коэффициент допустимой интенсивности нагружения, учитывающий в зависимости от уровня нагружения M_т/M_э и пролета по табл. 1.

M_э - момент от эксплуатационной нагрузки.

При этом должно соблюдаться условие
R_b ≥ max { R_cr; R_loc } , (4) где R_cr - минимальная при замораживании (критическая) прочность;
R_loc - минимальная прочность из расчета на местное действие нагрузок, определяемая в зависимости от схемы приложения технологической нагрузки в стадии возведения.

Предлагаемый способ по сравнению с ранее известными имеет следующие отличия, характеризующие уровень изобретения:
ускоренное нагружение монолитных железобетонных перекрытий в зимних условиях;
назначение интенсивности нагружения в зависимости от пролета перекрытия, уровня нагрузки по отношению к эксплуатационной, ожидаемой прочности бетона и с учетом требований ограничения трещинообразования и деформаций, что в совокупности позволяет сократить сроки и уменьшить энерго- и трудозатраты за счет термообработки до достижения бетоном меньшей прочности.

В формуле (3) момент от технологической нагрузки может быть найден из упрощенного расчета по расчетной схеме в виде однопролетной балки шириной 1 м в направлении короткой стороны перекрытий с граничными условиями, соответствующими работе плиты в целом. При использовании других методов расчета (например, с помощью ЭВМ) необходимо соблюдать следующее условие: внутренние усилия в сечениях должны определяться одинаковым образом как для технологических, так и для эксплуатационных нагрузок. В противном случае отношение M_т/M_э и, следовательно, η будут определены неверно.

Расчетные схемы перекрытий выбираются в зависимости от метода их возведения. Нагрузка на расчетную балку в случае бетонирования перекрытий в объемно-переставных опалубках складывается из собственного веса плиты, сосредоточенной нагрузки от массы человека или груза (например, прогревного оборудования ), равной 1300 Н и приложенной в невыгодном сечении, и сосредоточенной нагрузки, передаваемой на плиту стойками (домкратами) опалубки в момент бетонирования вышележащих конструкций, в том числе:
собственный вес опалубки;
вес свежеуложенного бетона с учетом арматуры;
вес людей и оборудования, равный 1000 Н на 1 м² настила.

Места приложения последней определяются по чертежам привязки опалубки. В случае бетонирования перекрытий в щитовых опалубках технологическая нагрузка складывается из двух первых составляющих.

При одностороннем примыкании к стене степень защемления ограничивается несущей способностью анкера, которая зависит от прочности бетона. В таком случае предварительно назначают прочность бетона, определяют несущую способность анкера, а затем остальные моменты, возникающие в расчетных сечениях от технологической нагрузки. Найденное по формуле (3) требуемое значение прочности, удовлетворяющее условию (4), вновь используют для определения момента, воспринимаемого анкером. Повторяя описанную процедуру, методом итераций находят окончательное значение R_b. Перераспределение моментов при ограничении опорного несущей способностью анкера производится в соответствии с известными рекомендациями.

При расчете плит, работающих в двух направлениях, замена расчетной схемы на балочную приводит к повышению опорного и пролетного моментов на 14% и более. Тем не менее соблюдение условия равнозначности расчетных ситуаций при определении M_т и M_э исключает ошибку при назначении допустимой интенсивности нагружения. Однако, в случае значительной погрешности вычисленных по балочной схеме внутренних усилий необходимо применение точных методов расчета.

Вид формулы (3), определяющей прочность бетона R_b без учета сжатой арматуры, ограничение отношения M_т к M_э определены для широкого класса монолитных перекрытий гражданских зданий.

Расчеты на действие поперечной силы для перекрытий с прочностью бетона не менее критической выявили имеющийся запас в пять раз и более.

Расчет по формуле (3) необходимо производить для всех опасных сечений, выбирая максимальное значение R_b в качестве окончательного. В большинстве случаев наибольшее значение R_b получается при расчете по сечению с максимальным изгибающим моментом. Значения интенсивности нагружения η для всех промежуточных значений пролета и M_т/M_э, не указанных в таблице, следует определять по интерполяции.

Последовательность операций при реализации способа по сравнению с прототипом изменяется следующим образом. Выдерживание бетона осуществляется до набора им не критической (что для изгибаемых конструкций обычно недостаточно), а расчетной по формуле (3) прочности. Затем конструкция нагружается полной, в отличие от прототипа, технологической нагрузкой. Это исключает технологические задержки на выдерживание бетона под частичной нагрузкой до достижения им заданной прочности (прототип).

Контроль прочности бетона производится расчетным путем по температурному режиму выдерживания и непосредственными методами (прямые испытания образцов, неразрушающие методы контроля прочности).

Рассмотрим конкретные примеры выполнения изобретения.

П р и м е р 1. Монолитная плита перекрытия, защемленная по трем сторонам со свободной четвертой (рядовая ячейка). Толщина h = 160 мм. (h_о = 140 мм), бетон класса В15, расчетный пролет 4000 мм. Арматура опорная A_sl = 189 мм² (⊘ 6 А-Ш шаг 150), пролетная - A_s1 = 98 мм²(⊘ 5 Вр-1 шаг 200). Плита возводится в объемно-переставной опалубке. Расчетная схема: балка шириной b = 1000 мм, защемленная по концам, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой от собственного веса g = 4 ˙10^-3 Н/мм², сосредоточенными силами от домкратов опалубки Q = 16500 Н, приложенными на расстоянии 60 мм от краев стен, и от веса груза N = 1300 Н, приложенной в середине пролета.

Расчетные нагрузки
q = γ_nγ_f g = 0,95 х 1,1 х 4 х 10^-3 = 4,2 х x10^-3 Н/мм²
q_n = g_e = g γ_n = 0,95 х 4 х 10^-3 = 3,8 х 10^-3 Н/мм²
p = γ_nγ_f N = 0,95 х 1,3 х 1300 = 1600 Н
p_n = 0,95 х 1300 = 1240 Н
Q = 16500 Н
Q_n = 14100 Н
Значения моментов в опорном и пролетных сечения
M_I= + + = 7,4·10⁶ H·мм;
M_ln = 6,52 x 10⁶, Н˙мм ;
M₁= + + = 3,615·10⁶ H·мм;
M_1n = 3,166 x 10⁶ , Н˙мм
Вычислим требуемую прочность бетона
M_э= = 9,2·10⁶ Н·мм, где q = 6,9 х 10^-3 Н/мм² при полезной унифицированной нагрузке 2,85 х 10^-3 Н/мм².

= = 0,8.

По таблице находим η = 0,811
R_b= =5,8 МПа или 62% от В15 (с учетом γ_b2 = 1,1).

Расчет прочности по пролетной арматуре дает значение требуемой прочности 1,2 МПа. Таким образом, принимаем прочность бетона равной 62% от В15, тогда по результатам расчета по предельным состояниям второй группы (R_b = 5,8 МПа, R_bt = 0,59 МПа)
ширина раскрытия трещин на опоре а_crc = 0,17 мм < a_crc,1 = 0,4 мм;
a_crc,l = 0,20 мм < a_crc,2 = 0,3 мм, в пролете a_crc = 0,20 мм < a_{crc ,1};
a_{crc ,l} = 0,27 мм < a_{cr c,2}. Прогиб f = 8,7 мм < l/150 = 26,7 мм;
f_l = 12,1 мм < l/167 = 24 мм Величины предельных прогибов вычислены по дополнению к СНиП 2.01.07-85.

Результаты расчета прочности из условия местного действия нагрузки.

1. От катков опалубки ( ⊘ 200 мм, ширина 40 мм) на местное сжатие от усилия 7350 Н: Rl_oc,1 = 4,4 МПа < R_b = 5,8 МПа.

2. От домкрата опалубки ( ⊘ 80 мм) на сжатие силой 16500 Н: R_loc,2 = 1,8 МПа < R_b.

3. От катков на продавливание силой 7350 Н, приложенной на расстоянии 150 мм от опор: R_loc,3 = 0,074 МПа < R_bt = 0,59 МПа.

4. От домкратов на продавливание силой 16500 Н, приложенной на расстоянии 60 мм от края плиты: R_loc,4 = 0,29 МПа < R_bt.

Таким образом, прочность из условий местного действия нагрузок обеспечена. Критическая прочность для бетона класса А15 равна 40% от проектной. Следовательно, найденная прочность бетона удовлетворяет условию (4) и может быть принята окончательной.

П р и м е р 2: монолитная плита перекрытия, защемленная по четырем сторонам (крайняя ячейка). Толщина h = 160 мм (h_o = =140 мм), бетон класса В15, расчетный пролет l = 5840 мм. Опорная арматура A_sI = 402 мм²( ⊘ 8 А-Ш ш 125), пролетная - A_s1 = 287 мм2 ( ⊘ 8 А-Ш ш 175); у крайней опоры при одностороннем защемлении стеной A_sl = 196 мм² ( ⊘ 5 Вр-1 ш 100) с поперечным анкерующим стержнем ⊘ 8 А-Ш, l_an = 140 мм.

Плита возводится в щитовой опалубке. Расчетная схема: балка шириной b = 1000 мм с условиями закрепленная аналогичными плите, нагруженная собственным весом g = 4 х 10^-3 Н/мм² и сосредоточенной силой от веса груза N = 1300 Н в середине пролета.

Расчетные нагрузки
q = 0,95 х 1,1 х 4 х 10^-3 = 4,2 х 10^-3 Н/мм²;
p = 0,95 х 1,3 х 1300 = 1600 Н.

Моменты на опоре и в пролете без учета перераспределения
M_I= + = 13,1·10⁶ Н·мм;
M₁ = 7,1˙10⁶ Н˙мм.

Несущая способность анкера (предварительно R_bt = 0,68 МПа или 75% от В15)
M_an = 0,9 l_anbh_oR_bt = 0,9 х 140 х 1000 х x140 х 0,68 = 11,925 х 10⁶Н ˙мм
Моменты с учетом перераспределения
M_l = 13,69 х 10⁶ Н ˙мм;
M₁ = 7,385 х 10⁶ Н˙мм.

Требуемая прочность бетона при = = 0,67 , где M_э найдено для унифицированной полезной нагрузки 2,85 х x10^-3 Н/мм². По таблице находим η = 0,728 R_b= = 7,2 МПа или 76% от В15.

Вычисленное значение прочности удовлетворяет условию (4) и принимается окончательным.

Для расчета технико-экономической эффективности предлагаемого решения сравним его с прототипом и аналогом. Найдем требуемую прочность бетона проектного класса В15 при распалубке перекрытия пролетом 4000 мм, толщиной 160 мм (h_о = 140 мм, A_s = 189 мм²). Согласно СНиП 3.03.01-87 минимальная прочность бетона незагруженных гороизонтальных монолитных конструкций при распалубке должна составлять 70% от проектной при пролете до 600 мм. Используя формулу (2) описания прототипа найдем требуемую прочность бетона
R_b= = = 2,1 МПа или 22% от В15, где
M_т= = = 5,573·10⁶ Н·мм
Полученное значение прочности не удовлетворяет условиям второй группы предельных состояний.

Вычислим требуемую прочность бетона по предлагаемому способу:
R_b= = 4,4 МПа или 47% от В15, где M_т = 4,18 х 4000²/12 = 5,573 х 10⁶ Н мм;
= = = 0,606;
η=0,619;
q_т = 4,18 х 10^-3 и q_э = 6,9 х 10^-3 - соответственно технологическая и эксплуатационная нагрузки.

Таким образом, новый способ по сравнению с ранее известными обеспечивает: снижение себестоимости работ (без учета экономии, достигаемой за счет ускорения оборачиваемости опалубки); уменьшение энерго- и трудозатрат на зимнее бетонирование на 15-35%; сокращение сроков строительства на 15-25% за счет уменьшения времени термообработки.

Кроме того, предлагаемое решение имеет дополнительный положительный эффект, заключающийся в увеличении темпа роста прочности бетона на 10-25% в результате влияния технологических нагрузок определенной интенсивности на процессы структурообразования бетона.

Формула изобретения

СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ НЕСУЩИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ, включающий укладку и уплотнение бетонной смеси, ее термообработку и последующее нагружение конструкции, отличающийся тем, что нагружение осуществляют по достижении бетоном прочности
R_b= ,
где R_s, A_s - расчетное сопротивление и площадь арматуры;
R₀, b - полезная высота и ширина расчетного сечения;
M_т - момент, возникающий в расчетном сечении при нагружении;
η - коэффициент допустимой интенсивности нагружения, учитывающий пригодность к нормальной эксплуатации и изменяющийся от 0,42 до 1,00 при изменении отношения M_т/M_э от 0,4 до 1,0 и пролета перекрытия от 2 и менее до 6 м и более;
M_э - момент от эксплуатационной нагрузки,
при этом соблюдают условие
R_b≥ max{R_cr, R_oc},
где R_cr - минимальная при замораживании (критическая) прочность бетона;
R_loc - минимальная прочность бетона из расчета на местное действие нагрузок, определяемая в зависимости от схемы приложения технологической нагрузки в стадии возведения.

РИСУНКИ

Рисунок 1