CC BY
208
Ефимцева Е.Э.
Студентка группы 015-м Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники
Способы моделирования кессонных перекрытий
Аннотация
В статье предложен анализ способов моделирования кессонных перекрытий и опыта применения кессонных перекрытий в зарубежной и отечественной практике строительства. Приведен расчет кессонной плиты.
Ключевые слова: кессонные перекрытия, способ моделирования плиты кессонного перекрытия.
Keywords: coffered ceilings, modeling method caisson plates overlap
История кессонных перекрытий насчитывает несколько столетий. Уже давно архитекторам удалось изобрести этот вид потолочного перекрытия, которое и по сей день считается не только одним из самых надёжных, но и самым красивым. В переводе с французского языка слово «кессон» обозначает «ящик». Действительно, визуально кессонный потолок представляет из себя чередование выступающих балок и углублений между ними [1].
Кессонные перекрытия имеют ряд преимуществ, обеспечивающих их широкое применение, особенно для промышленного строительства. К таким преимуществам можно отнести следующие. Ребристые плиты позволяют уменьшить расход бетона более чем на 50%, а арматуры - в 3 раза по сравнению с обычными балочными железобетонными конструкциями при аналогичной прочности. Проектировщик сооружения расширяет свои возможности в варьировании толщины перекрытия и его формы. Принципиально возможно обеспечить любую заданную криволинейную форму вплоть до куполообразного и арочного типа. Отработана технология
перекрытия стен или колонн с расстояниями между ними от 10 до 34 м. Уменьшение веса плит значительно снижает осевые нагрузки на стены или колонны, что, соответственно, ослабляет общую нагрузку на фундамент. Признана высокая стойкость кессонных перекрытий к сейсмическим колебаниям. В сейсмоопасных зонах разрешается их применение при пролете более 6 м.
Если сравнивать с аналогичными по весу балочными монолитными плитами, то несущая способность ребристых конструкций в 2-3 раза выше. Можно устанавливать общую толщину перекрытия в 2-2,2 раза меньше, чем принято для обычных систем. Время строительства зданий с учетом меньшего числа монтируемых несущих элементов и за счет быстрого монтажа кессонов значительно сокращается. В целом можно добиться уменьшения затрат на строительно-монтажные работы более чем в 3 раза. [2].
Для снижения массы перекрытий, возводимых из тяжелого монолитного бетона, в зарубежных странах широко применяют перекрытия эффективных конструктивных форм. Например, возводят монолитные кессонные перекрытия (рис. 1) с оставляемыми в толще конструкции элементами в виде пустотелых бетонных блоков, пластмассовых шаров и т.п. Эти элементы играют роль съемной или несъемной опалубки, формируя пространство для получения кессонной структуры из монолитного бетона, заполняют часть конструкции перекрытия, одновременно образуя пустоты и уменьшая массу перекрытий. Данные конструктивные решения призваны снизить массу перекрытий и тем самым снизить массу здания в целом.
Рисунок 1. - Общий вид железобетонного монолитного кессонного перекрытия
В России получено несколько патентов на способ сооружения перекрытий монолитного здания. Изобретения в этой области относятся к области строительства и могут быть использованы при сооружении перекрытий монолитных зданий с применением объемно-переставной (туннельной) и щитовой опалубки. Известна опалубка для сооружения кессонных перекрытий, состоящая из кессонных элементов и надопорных пластин. Края кессонных элементов опираются на стойки. После извлечения кессонных элементов перекрытие продолжает опираться на надопорные пластины, установленные на стойках, до набора бетоном перекрытия расчетной прочности.
В современном отечественном производстве крайне редко встречаются монолитные конструкции эффективных конструктивных форм, внедрение которых, несомненно, снизило бы себестоимость вновь возводимых и реконструируемых строительных объектов. Одна из причин такого положения дел связана с не достаточно развитой теорией расчета и конструирования подобных конструкций в отечественной строительной индустрии. Расчеты любых конструкций начинают со сбора нагрузок. В соответствии с СНиП 2.01.07-85* и СТО 36554501-015-2008 «Нагрузки и воздействия» перекрытия рассчитываются на действия расчетных постоянных, длительных и кратковременных нагрузок, особых нагрузок, а также их расчетных сочетаний [3,4].
В конструкции монолитного перекрытия кессонного типа бетон удален из растянутой зоны сечения, в которой сохранены лишь ребра, в которых расположена растянутая арматура. Следовательно, конструкцию кессонного перекрытия условно можно разделить на полку и ребра. Ребра являются системой взаимно перпендикулярных балок связанных между собой. В свою
очередь все элементы перекрытия монолитно связаны друг с другом и представляют собой единый диск покрытия/перекрытия.
Рассмотрим расчет кессонной плиты на примере свободно опертой плиты по 4-м сторонам. Размеры плиты в плане 9х11,55м. Общая толщина плиты 460мм, в том числе толщина полки 60мм .
Расчетные длины ребер:
Ьд=1,05х11,0=11,55м;
Ьк=1,05х8,6=9,0м
Расчетные пролеты плит:
а=11,55/7=1,65м;
Ь=9,00/6=1,50м.
Нагрузка на 1 м.кв. плиты без учета веса ребра gн=236кг
Временная нагрузка принята рн=300 кг/м.кв.
Расчетная нагрузка:
q=gнх1,1+ рнх1,4=680кг/м.кв.
Нагрузка на 1 кв.м. плиты с учетом веса ребер:
д1=680+220=900кг/м.кв.
Методика расчётов основана на результатах экспериментов и следовательно значения усилий полученные таким способом могут быть приняты за эталон. Лоскутов И.С., Глотов Д.А. рассмотрели несколько основных способов, которыми пользуются современные расчетчики [5].
Описание этих способов с их анализом и чертежи, обязательные для выполнения необходимых расчётов, которые должны помочь определить наиболее оптимальный способ моделирования плиты кессонного перекрытия приведены ниже:
Способ 1. Моделирование плиты заключается в том, что полка задается оболочечными элементами, а ребра стержневым элементом, отнесенным от полки абсолютно жестким телом (или жесткой вставкой) на величину равную:
Hc=hp/2+hH/2
Где hp - высота ребра без учета толщины полки, hn - толщина полки.
Рисунок 2. - Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями с использованием абсолютно жестких вставок.
использованием абсолютно жестких вставок.
Способ 2. Моделирование плиты заключается в том, что полка задается оболочечными элементами, а ребра стержневым элементом в виде тавра. При этом центр тяжести тавра, совпадает со срединной линией полки рис. 4. свесы полок принимаются равными Ьпл=3х^.
,1
1 с1 1 -Ч а
Полка / ' , *
* " £> -■—~ ’ 1 §1 а
Центе тяжести сечения / / ^ V-
таврового течения *———j УРебро е.
Рисунок 4. Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями в виде тавра.
(йплочбчнае к]
Рисунок 5. Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями в виде тавра.
Способ 3. Кессонное перекрытие моделировать пластинами определенной жесткости, для учета взаимовлиянии, перераспределения напряжений, элементов монолитной конструкции. Элементам кессонных
конструкции назначены типы конечных элементов.
Рисунок 6. Моделирование плиты при помощи пластинчатых и оболочечных элементов с использованием абсолютно жестких тел.
Способ 4. Кессонное перекрытие моделировать пластинами
определенной жесткости, для учета взаимовлиянии, перераспределения
напряжений, элементов монолитной конструкции. В данной схеме в отличии
Рисунок 7. Моделирование плиты при помощи пластинчатых и оболочечных элементов.
Полученные данные расчетов сводятся в таблицу 1 для удобства дальнейшего анализа и выбора наиболее эффективного в экономическом смысле способа моделирования кессонного перекрытия.
Таблица 1 - Выбор способа моделирования Кессонного перекрытия
Реб Ро Моме нт по [2], кг*м Моме нт по спосо бу 1, Отклоне ние от [2], % Моме нт по спосо бу 2, кг*м Отклоне ние от [2], % Моме нт по спосо бу 3, Отклоне ние от [2], % Моме нт по спосо бу 4, кг*м Отклоне ние от [2], %
Д1 2400 3709 +54,6 3030 +26,3 2433 +1,4 2554 +6,4
Д2 4150 6674 +60,8 5170 +24,6 4151 +0,04 4360 +5,1
Д3 4750 7691 +61,9 5950 +25,3 4781 +0,6 5021 +5,7
К1 3880 5137 +32,4 4490 +15,7 3634 -6,3 3815 -1,7
К2 6950 9155 +31,7 8100 +16,5 6570 -5,4 6893 -0,8
КЗ 8600 11153 +29,7 10070 +17,1 8177 -4,9 8578 -0,3
Из таблицы 1 видно, что при моделировании ребер стержневыми элементами по способу 1 моменты, возникающие в ребрах больше на 30-60% эталонных значений. Моменты в ребрах, определенные по способу 2 больше на 16-26% эталонных значений. При дальнейшем подборе армирования и конструировании ребер соответственно увеличится площадь необходимой арматуры. Расхождение по моментам в пластинчатой схеме составило в пределах 2-4% от эталона. Это говорит о большей корректности моделирования расчетной схемы и дальнейшего использования данного алгоритма для расчета кессонных плит. Для предварительных грубых
расчетов можно пользоваться способом 2.
Таким образом, при окончательном расчете и проектировании экономичных конструкций облегченных монолитных перекрытий строительным предприятиям можно порекомендовать пользоваться более проработанными расчетными моделями, выполненными оболочечными элементами [6,7,8].
Библиотечный список
1. Кессонные потолки в интерьере [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://admlod.ru/?p=1137
2. Изготовление кессонных перекрытий своими руками [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tolkobeton.ru/perekrvitiva/kessonnve-perekrytiya.html
3. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //dwg .ru/dnl/1077
4. Стандарт организации «Нагрузки и воздействия»// Библиотека гостов, стандартов и нормативов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.infosait.ru/norma doc/54/54781/index.htm#i27191
5. Лоскутов И.С. Глотов Д.А.-Особенности расчета кессонных
перекрытий [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
Ы1р://жбк.рф/сопс^е^тиМюп/та fea/kessons sim/kessons sim.php
6. Р.А. Сагадеев. Современные методы возведения монолитных и сборномонолитных перекрытий// Учебное пособие. - 2008 г. - С.136
7. А.С. Городецкий, Л.Г. Батрак, Д.А. Городецкий, М.В. Лазнюк, С.В.
Юсипенко - Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона - 2008. - С.183
8. Р. Залигер. Железобетон его расчет и проектирование. - 2008. - С. 216
