Сталебетонные плиты перекрытий по профилированному стальному настилу в конструкциях зданий и сооружений

Авторы: Ю.Н.Елисеев, С.Н. Арутюнян

Приведены преимущества сталебетонных плит перекрытий с профнастилом. Представлены разные типы профнастилов и различные виды сталебетонных перекрытий, которые применяются в развитых странах мира, в том числе в России и в США. На основе исследований определены значения предела огнестойкости сталебетонных плит перекрытий для различных вариантов конструкции. Приведенные примеры расчетов и технико-экономические характеристики сталебетонных плит перекрытий по профнастилу позволяют понять диапазон пролетов и экономичность конструкции.

Плиты перекрытий занимают важное место в современных конструкциях зданий и сооружений. В гражданском и промышленном строительстве широко известны следующие железобетонные конструкции:

1. сборные из плит заводского изготовления;
2. монолитные, которые изготавливаются непосредственно на объекте с использованием опалубки.

В обоих случаях необходима арматура, воспринимающая растягивающие усилия, так как бетон воспринимает растягивающие усилия в 10…20 раз меньше, чем сжимающие.

Еще во второй половине XX века для создания монолитного перекрытия широко использовался обычный профилированный настил (профнастил), чаще всего марки Н-75, который служил несъемной опалубкой. Арматура укладывалась в бетонную плиту как при обычной опалубке. Этот способ значительно удешевлял строительство по сравнению со сборными плитами и ускорял процесс по сравнению с обычными монолитными конструкциями. С развитием науки и технологий появились новые виды профнастила и способы его крепления к элементам каркаса здания.

Все это позволило отказаться от обычной продольной растянутой арматуры в пролете вообще или использовать ее для дополнительного увеличения несущей способности плиты. В работу на восприятие растягивающих усилий профнастил включается с помощью элементов его крепления в сочетании с нанесением на стенки гофры специальных насечек (выштамповок) и иногда и просто отверстий, повсеместно применяемых на родине профнастила – в США.

Различные варианты профнастила для сталебетонных перекрытий представлены на рис. 1Рис. 1 Варианты профнастила для сталебетонных перекрытий с различными выштамповками

Различные конструкции сталебетонных перекрытий приведены на рис. 2, 3.Рис. 2. Сталебетонное перекрытие разработки Группы предприятий «Стальные конструкции»

Конструкция Hoesch Additiv Decke® разработки компании ThyssenKrupp BausystemeКонструкции ComFlor 100, ComFlor 210 разработки компании TATA SteelКонструкция Multidesk разработки компании KingspanКонструкция Cofrastra Décibel разработки компании Arcelor Mittal

Рис. 3. Варианты сталебетонных перекрытий, разработанных в зарубежных странах

Принципиальный вид конструкции представлен на рис 4.Рис 4. Принципиальный вид конструкции сталебетонного перекрытия

Рассмотрим принцип работы сталебетонного перекрытия под нагрузкой. По существу, сталебетонное перекрытие состоит из сталебетонной плиты с профнастилом и несущего основания (опорной балки). В сталебетонной плите с помощью выштамповок и анкерных упоров (анкеров) на опорах обеспечивается совместная работа профнастила с бетоном. При этом возможны три случая работы плиты с профнастилом, в зависимости от положения нейтральной оси по аналогии с работой железобетонных конструкций с жестокой арматурой таврового сечения (рис.5 а; б; в). Анкерные упоры, а при незначительных нагрузках (до 150-200 кг/м²) и электрозаклепки, обеспечивают совместную работу сталебетонной плиты с металлической балкой, создав условный тавр. В условном тавре верхняя полка (сжатая зона), состоящая только из бетона, а также верхней полки и верхней части стенки балки, воспринимают сжимающие усилия, а нижняя часть стенки и нижняя полка (растянутая зона) – растягивающие усилия (рис.5 г). В зависимости от положения нейтральной оси возможен еще один случай, где в сжатую зону входит только верхняя полка балки, а нижняя полка и стенка входят в растянутую зону (рис.5 д).

Рис. 5. Принцип работы сталебетонного перекрытия: а) – нейтральная ось располагается в полке плиты и не пересекает стенок профнастила; б) – нейтральная ось пересекает стенки профнастила; в) – нейтральная ось расположена на уровне верхней полки профнастила г) – нейтральная ось пересекает стенку комбинированной балки; д) – нейтральная ось расположена в верхней полке комбинированной балки

Анкерные упоры передают изгибающий момент на опорные балки, не позволяя бетону сдвигаться относительно профнастила. Тем самым не нарушается целостность конструкции перекрытия. Совместная работа сталебетонной плиты и опорной балки позволяет оптимизировать несущую способность конструкции и экономить общую материалоемкость, а, следовательно, и стоимость перекрытия.

Выштамповки, обеспечивающие совместную работу профнастила с бетоном, имеют различную конфигурацию (см. рис 1). Рисунок зигзагообразных выштамповок (типа «змейка») был предложен еще в 80-ые годы прошлого столетия работниками ЦНИИПСК им. Мельникова В.Ф. Беляевым, Э.Л. Айрумяном и И.А. Румянцевой. При испытаниях за рубежом «змейка» лучше всех выдержала “pull-out” тест по сравнению с другими видами выштамповок, а по сравнению с гладкими стенками она почти в шесть раз увеличила сцепление бетона и профнастила. “Pull-out” тест – испытание на сдвиг бетона относительно профнастила. При натурных испытаниях сталебетонных плит перекрытий с профнастилом без анкерных упоров в опорных сечениях отношение предельной нагрузки плит с выштамповками «змейка» к предельной нагрузке плит с гладкими выштамповками составило 2,5 [1].

В США часто вместо выштамповок применяются отверстия, выполняющие аналогичную функцию. Хотя в случае отверстий на стенках профнастила во время набора прочности в течение некоторого времени часть цемента утекает вместе с «молочком», это практически не влияет на работу конструкций. Имея колоссальный опыт проектирования и устройства такого вида перекрытий, а также отработанную систему внедрения прогрессивных технических решений в практику строительства, западные строительные компании успешно применяют их в зданиях и сооружениях различного функционального назначения, включая высотные и уникальные объекты.

Сталебетонные перекрытия зарекомендовали себя как эффективные проектно-конструкторские решения.

Во-первых, они способны воспринимать нагрузки, возникающие при эксплуатации, в широком диапазоне, что подтверждено расчетами и испытаниями конструкций. Во-вторых, перекрытия обеспечивают требуемую степень огнестойкости (не менее REI90 без дополнительной защиты профилированного настила) [2], обусловленную как конструктивными особенностями, так и возможностью нанесения на открытые участки профнастила специальных огнезащитных составов. В-третьих, возможность изготовления профнастилов значительных длин (до 18-20 погонных метров) обеспечивает проектировщику выбор самой экономичной схемы расчета конструкций зданий и сооружений – одно, двух, трех и много пролетной.

Результаты проведенных Группой предприятий «Стальные конструкции» испытаний сталебетонных перекрытий на несущую способность и огнестойкость подтвердили высокую эффективность конструкции. Так, в процессе испытаний на огнестойкость сталебетонное перекрытие показало время сохранения несущей способности и устойчивость до наступления предельного состояния по критерию REIв 91 мин. Это сопоставимо с результатами испытаний зарубежных аналогов, а также с оценками, полученными в ходе применения расчетно-аналитических методов определения пределов огнестойкости конструкций (табл. 2). Профилированные стальные настилы СКН-50Z-600 и СКН90Z-1000 доказали не только свои высокие несущие свойства, но и отличные огнезащитные характеристики - они препятствуют проникновению огня внутрь конструкции и мгновенно не разрушаются от воздействия высокой температуры.

К настоящему времени в Группе предприятий «Стальные конструкции» выполнены все необходимые работы для широкомасштабного внедрения данного типа перекрытия в строительную практику. Конструкция получила одобрение в научно-техническом совете московского строительного комплекса и внесена в реестр новой техники и технологий (рис. 7). Для проектирования и расчета несущей способности конструкций разработаны новые программные комплексы, такие как NormCAD-а.

Рис. 6. Инновационность и нормативно-техническое обеспечение сталебетонного перекрытия разработки Группы предприятий «Стальные конструкции»

Рис. 7. Сталебетонное перекрытие в реестре новой техники и технологий строительного комплекса г. Москвы

Рис. 8. Патенты и сертификаты на сталебетонное перекрытие Группы предприятий «Стальные конструкции»

Какие выгоды принесет использование сталебетонных перекрытий?

Их много. Прежде всего – это высокая несущая способность. Примеры расчета параметров перекрытий приведены в табл. 1.

Табл 1. Примеры расчета параметров перекрытий. Максимальные пролеты сталебетонных перекрытий. Равномерно-распределенная нагрузка – 200 кг/ м^2. Тип профнастила - СКН50Z-600

Максимальные пролеты сталебетонных перекрытий Равномерно-распределенная нагрузка – 200 кг/ м^2. Тип профнастила – СКН90Z-1000

Во-вторых, высокая степень огнестойкости конструкции. Расчетные значения предела огнестойкости сталебетонных перекрытий для различных вариантов конструкции приведены в табл. 2.

В дополнение к этому, сталебетонные перекрытия имеют множество иных конкурентных преимуществ:

Высокие технические характеристики по прочности, жесткости и трещиностойкости. Отсутствие необходимости использования по всей длине пролета плиты продольной растянутой стержневой арматуры и обусловленное этим существенное снижение металлоемкости. Уменьшение толщины перекрытия, и как следствие увеличение полезной высоты помещений при неизменной высоте этажа или сокращение общей высоты здания, что обусловливает снижение затрат на обшивку здания, вертикальные несущие конструкции и обеспечивает большее пространство под инженерные сети. Высокая скорость укладки перекрытий. Сокращение трудозатрат и соответственно сроков монтажа перекрытий в 3,0 – 4,0 раза в сравнении с традиционными монолитными перекрытиями [3]. Нет необходимости во вспомогательных опорах на стадии бетонирования. Таким образом, не происходит ни перераспределения моментов, обусловленного осадкой колонн, ни деформации ползучести, обусловленной собственным весом конструкции. Такая технология, оказывающая положительный эффект на устойчивость бетона к трещинам, широко применяется в строительстве автомобильных парковок. Низкая стоимость конструкции. Уменьшение массы перекрытия на 30-50% по сравнению с традиционными монолитными перекрытиями. Объем бетона может быть уменьшен примерно до 60% от того количества, которое понадобилось бы для подобной монолитной железобетонной конструкции. В свою очередь, это влечет за собой уменьшение затрат на несущий каркас и фундамент. Последнее особенно важно при производстве работ в условиях реконструкции зданий и сооружений. Высокая надежность и долговечность конструкции. Высокая эксплуатационная технологичность и эстетический внешний вид. Специальная геометрия профиля и высококачественное декоративно-защитное покрытие делают сталебетонное перекрытие особенно удобным при использовании в качестве конструкции с видимой нижней стороной. Отсутствие потребностей в мощном подъемно-транспортном оборудовании, возможность устройства небольшими бригадами на небольших строительных площадках, в ограниченном пространстве и в труднодоступных районах. Безопасность производства строительно-монтажных работ с возможностью укладки перекрытий одновременно на нескольких этажах здания. При этом рабочие не мешают друг другу при проведении работ.

Кроме того, конструкция сталебетонного перекрытия позволяет прокладывать трубы, провода линий телекоммуникаций внутри гофров настила, закрытых снизу фальшпотолками (подвесными потолками), легко доступными и удобными для ремонтно-эксплуатационных служб.

В совокупности взятое, это приводит к существенным преимуществам сталебетонных перекрытий по сравнению с традиционными решениями.

Сравнительные технико-экономические характеристики перекрытий (1,2х6,0 м) различного конструктивного исполнения (монолитных плит перекрытий с использованием горячекатаной арматуры и с несъемной опалубкой из профилированного стального листа типа СКН50Z-600) приведены на рис9.

Рис.9. Сравнение технико-экономических характеристик плит перекрытий с размерами 1,2х6,0 м

Вывод:

Сталебетонные перекрытия с использованием профилированных стальных настилов специальной формы зарекомендовали себя как конструкции с высокими технико-экономическими показателями. При использовании данных конструкций стоимость плиты перекрытия, в сравнении с монолитной плитой из горячекатаной арматуры, сокращается примерно в 1,25 раза, а трудоемкость изготовления и монтажа – почти в 3,5 раза. При этом обеспечиваются требуемые параметры огнестойкости и надежности конструкции. Совместная работа элементов конструкции позволяет снижать ее материалоемкость, в том числе - металлоемкость каркаса зданий.

Библиографический список

• 1.Айрумян Э.Л., Румянцева И.А. Армирование монолитной железобетонной плиты перекрытия стальным профилированным настилом. //Промышленное и гражданское строительство. 2007. №4. С. 25 – 27.
• 2.http://proflist.ru/techinfo/1196.pdf
• 3.Сравнительный технико-экономический анализ плит перекрытия. Научно-технический отчет, ООО «Курсор-Холдинг», 2011.