Пример 9. Сталепластбетонная плита покрытия промышленного здания [1968 Иванов А.М., Алгазинов К.Я., Мартинец Д.В., Мартемьянов В.И. - Строительные конструкции с применением пластмасс]

Задание. Разработать конструкцию плиты пролетом 6 м сборного покрытия склада жидкого хлора. Здание бесчердачное, отапливаемое. Поперечный профиль покрытия имеет уклон 0,1. Место строительства - г. Курск.

Рис. 55. Сталепластбетонная плита покрытия и разрез кровли: а - план и разрезы; б - армирование продольногб ребра; в - армирование поперечного ребра; г - армирование плиты; д - поперечный разрез кровли

Выбор материалов и конструкции. Против воздействия хлора наиболее стойкой является фурфуролоацетоновая смола марки ФАМ (см. приложение 1) и пластбетон на ее основе.

Расчленяем покрытие на плиты размером в плане 1,5×6 м. Учитывая относительно небольшой объем работ - одно здание, принимаем конструкцию плиты применительно к железобетонной типа ПКЖ, что позволяет использовать для изготовления плит имеющуюся на заводах ЖБК оснастку (рис. 55).

Определяем состав кровли (рис. 55, д). Теплотехнический расчет показывает, что принятая конструкция обеспечивает внутри здания необходимую температуру.

Нагрузки. Производим подсчет нагрузок на 1 м² плана покрытия. Уклоном его пренебрегаем.

Постоянная нагрузка слагается из веса кровли и собственного веса плиты.

Собственный вес плиты g₂ при объеме 0,565 м³ и объемном весе сталепластбетона 2400 кг/м³ равен 150 кГ/м², а с заделкой швов 165 кГ/м². Расчетное значение 165×1,1 = 182 кГ/м².

Снеговая нагрузка для района III Р_с=100 кГ/м². Расчетное значение нагрузки 100×1,4= 140 кГ/м².

Графики прочностного и деформационного коэффициентов при сжатии пластбетона на смоле ФАМ приведены на рис. 108. По графикам видно, что снеговая нагрузка, имеющая продолжительность около 120 суток (см. приложение 3), для пластбетона должна считаться длительной. Коэффициент длительного сопротивления равен k_дс = 0,5, деформационный коэффициент n_вр = 0,5.

Монтажная нагрузка - вес рабочего-100 кГ. По графику рис. 108 находим, что k_дс = 0,85 при продолжительности воздействия 7 н (смена). Расчетное значение монтажной нагрузки, приведенное к длительной

Если все нагрузки, действующие на покрытие, рассматривать как длительные, то расчетное сопротивление пластбетона на сжатие (табл. 14) равно R_c = 500×0,5 = 250 кГ/см², а длительный модуль деформаций - E_б = 150 000×0,5 = 75 000 кГ/см².

Расчет по образованию трещин. В рассматриваемом случае во избежание коррозии арматуры важно предотвратить образование трещин.

Суммарная нормативная нагрузка на плиту: собственный вес кровли, плиты и снега - 335 кГ/м². На 1 м длины плиты q_Н = 335-1,5 = 500 кГ/м.

Опасность образования трещин в растянутой зоне велика в момент приложения нагрузки. Считаем, что нормативная нагрузка прикладывается к плите по режиму кратковременного загружения, т. е. берем самый неблагоприятный случай.

Упрощаем форму поперечного сечения плиты до П-образной (рис. 56) и вычисляем момент инерции, определив предварительно положение нейтральной оси.

Рис. 56. Определение момента инерции сталепластбетонной плиты

Момент инерции сечения относительно нейтральной оси:

Применяем к плите требования СНиП П-В. 1-62 (табл. 9 и 10), т. е. рассчитываем ее по образованию трещин на воздействие нормативной нагрузки, как конструкцию 2 категории по трещиностойкости.

Изгибающий момент от нормативной нагрузки в середине пролета плиты при расчетной схеме свободно опертой балки

Напряжения от изгиба подсчитываем исходя из треугольной эпюры напряжений, т. е. так же, как определялся предел прочности при изгибе

Фактические максимально возможные напряжения значительно меньше расчетного сопротивления при изгибе не армированного пластбетона (табл. 14).

Проверяем также предельную растяжимость пластбетона

Деформация растянутого волокна значительно меньше предельной для пластбетона.

Вычисление прогиба. Прогибы пластбетонных элементов с учетом ползучести вычисляем исходя из следующих положений:

а) напряжения в сжатой зоне высотой х распределяются по прямоугольной эпюре;

б) растянутая зона при длительном действии нагрузки из восприятия усилий полностью выключается, так как при растяжении пластбетон имеет неограниченную ползучесть;

в) сцепление пластбетона с арматурой не меньше, чем у цементного бетона.

Эти положения оправдываются экспериментом. Они дают возможность использовать в некоторой части расчетную теорию цементного железобетона.

Принимаем в продольных ребрах плиты рабочую арматуру в виде двух стержней диаметром 16 мм класса АП (Ст. 5) по одному стержню в ребре. Общая площадь поперечного сечения рабочей арматуры F_a = 4,02 см². При защитном слое 2 см полезная высота

Для определения напряжений в арматуре определяем вспомогательные величины α, γ' и А

где b = 16 см - суммарная усредненная толщина ребра. Отношение модулей упругости стали и пластбетона при сжатии

Коэффициент фψ учитывает увеличение модуля упругости арматуры за счет участков между трещинами, образующимися в цементном бетоне. В нашем случае растянутая зона пластбетона при длительной работе трещин не дает, но полностью выключается из работы в результате ползучести, поэтому для пластбетона ψ=1. Коэффициент υ учитывает уменьшение модуля деформаций цементного бетона в пластической стадии работы. Для пластбетона уменьшение модуля деформаций учитывается временным деформационным коэффициентом n_вр = 0,5 для напряжений, близких к пределу длительной прочности. Для более низких значений напряжений модуль деформаций может быть только больше, так как зависимость напряжений от деформаций пластбетона при сжатии не линейна (выражается законом квадратной параболы). Поэтому принимаем, что υ = 1. В результате имеем

Высота сжатой зоны для таврового сечения выражается формулой

Ширина b'_п составляет 146 см, толщина полки h_п = 3 см

Момент сопротивления таврового сечения по растянутой зоне равен

Относительная величина прогиба с учетом длительного действия нагрузки

т. е. меньше допускаемой, равной 1 : 300 (СНиП Н-В. 1-62, табл. 1 Г).

Проверка несущей способности по прочности. В первую очередь проверяем несущую способность продольных ребер, так как арматура в них уже задана расчетом прогибов.

Продольные ребра и плита в целом находятся под длительным действием расчетной нагрузки: веса кровли, плиты и швов, снега, итого 400 кГ/м³, а на 1 м длины плиты: 400×1,5 = 600 кГ/м.

Проверяем условие прочности по нормальным напряжениям

Условие соблюдено, имеется запас 13%. Если уменьшить сечение арматуры до 2 ∅ 14 мм при F_a = 3,08 см, то несущая способность уменьшится до 224 000 кГ/см, что меньше требующейся на 14%. Оставляем поэтому принятую арматуру.

Как известно, при расчете железобетонных конструкций налоперечную силу проверяется условие

где R_p - расчетное сопротивление цементного бетона на растяжение. Для марки 500, дающей сопротивление на сжатие при изгибе 250 кГ/см², R_p = 14 кГ/см². Нормативное сопротивление осевому растяжению цементного бетона марки 500 равно 28 кГ/см², что в два раза меньше предела прочности на растяжение пластбетона ФАМ. Таким образом пластбетонные элементы можно рассчитывать по тем же формулам, что и обычные, при введении в них коэффициента условий работы m = 2. Для рассматриваемого случая с введением k_дс = 0,5 имеем

Эксперименты показывают, что в отношении сдвига пластбетон более прочен, чем цементный бетон.

Поперечную арматуру из Ст. 5 класса А1 ∅ 6 мм ставим конструктивно, армируя продольные ребра плоскими сварными каркасами, т. е. так же, как плиты ПКЖ-2. Кроме поперечной арматуры, продольные стержни анкеруются закладными частями, как это предусматривается рабочими чертежами плиты. Поперечные ребра имеют расчетный пролет

Максимальное расчетное значение треугольной нагрузки в середине пролета от собственного веса кровли, плиты и снега при расстоянии между ребрами 147 см составляет

Рассматриваем ребро как свободно опертую на две опоры балку и определяем расчетный изгибающий момент в середине пролета

Расчетный изгибающий момент от веса рабочего с учетом частичного защемления поперечного ребра в продольных ребрах равен

От собственного веса ребра, кровли, плиты и веса рабочего расчетный изгибающий момент равен

Расчетным является первое (основное) сочетание нагрузок, дающее М = 78,8 кГ×м и Q = 170 кГ.

Принимаем рабочую арматуру класса А1 в виде одного круглого стержня диаметром 8 мм, F_а = 0,503 см², R_а = 2100 кГ/см². Защитный слой 1 см. Полезная высота

Оставляем принятый диаметр стержня, так как стержень меньшего диаметра 6 мм будет работать на пределе.

Поперечное ребро армируется плоским сварным каркасом из холоднотянутой проволоки В1 ∅ 4 мм с нижним рабочим стержнем 0 8 мм из арматуры класса А1.

Плита поперечными и продольными ребрами разделяется на четыре поля, которые считаем заделанными по контуру. Плита армируется сеткой, расположенной по середине толщины плиты, что обеспечивает равнопрочность ее в середине и в заделке.

Изгибающий момент от равномерно распределенной нагрузки определяется по формуле

φ зависит от соотношения сторон поля (в свету)

и находится по соответствующим таблицам для расчета плит. В рассматриваемом случае φ = 48 и

Расчетный изгибающий момент от веса рабочего определяется по формуле

Вместе с собственным весом кровли и плиты вес рабочего дает изгибающий момент

Рис. 57. Общий вид сталепластбетонных плит

Армирование плиты производится сеткой 20×20 см из холоднотянутой проволоки В1 диаметром 3 мм F_а = 0,071 см². Полезная толщина плиты

Заключение. Внешний вид сталепластбетонных плит показан на рис. 57. Они мало чем отличаются от обычных железобетонных типа ПКЖ. Расход бетона тот же, стали меньше, но незначительно. Принципиальным отличием плит является отсутствие трещин и химическая стойкость самого бетона против воздействия хлора. Сталепластбетонные плиты не требуют антикоррозионной защиты, ее ремонта и восстановления в процессе эксплуатации здания. Они обеспечивают ему большую долговечность. Применение сталебетонных плит избавляет строителей от трудоемкой работы по нанесению на поверхность потолка защитного антикоррозийного покрытия.