Кессонные перекрытия

Лоскутов Илья

Перекрытие – неотъемлемая часть здания. С появлением такого материала как бетон  появились более широкие возможности в возведении зданий вообще и перекрытий в частности. Сочетание бетона и стальной арматуры позволило перекрытиям из железобетона занять прочную позицию в строительной области. Особую роль в возведении зданий играют монолитные железобетонные перекрытия. Однако помимо преимуществ у железобетона есть существенный недостаток – большой собственный вес. Что и накладывает основное ограничение на область его применения.

В данной работе рассмотрено одно из решений, позволяющее снизить влияние данного недостатка, а следовательно и расширить область применения монолитных железобетонных перекрытий в строительстве зданий.

В работе приводится описание конструктивного решения по снижению веса железобетонных перекрытий. Дается определение принятым обозначениям. Кратко приводится история развития и область применения данных решений.

Отдельная глава посвящена вопросам проектирования. Описывается  методика определения основных геометрических размеров конструкций в зависимости от пролетов, нагрузки и режима. Подробно рассмотрены вопросы расчетного обоснования принятых решений.  Так же уделено внимание конструктивным особенностям данных перекрытий с примерами различных узлов.

Подробно рассмотрены технологические особенности возведения предложенных перекрытий. Рассматриваются различные опалубочные системы, дается оценка преимуществам и недостаткам этих систем.

В конце работы дается технико-экономическое с другими конструкциями, способными решить аналогичные задачи.

Данная работа будет интересна как для студентов строительных ВУЗов так и для инженеров-практиков.

 1. Описание, история развития и применения.

 С изобретением железобетона в строительстве началась новая эпоха. Эффективность железобетона и его свойства, сразу же, привлекли внимание строителей. В России уже в 1861 году в Петербурге было построено первое здание Госбанка из монолитного железобетона. К началу XX века был уже накоплен значительный опыт строительства из монолитного железобетона во всем мире. Для гражданских и общественных зданий железобетон в основном использовался в колоннах и перекрытиях.

Железобетонные плоские перекрытия – наиболее распространенные конструкции, применяемые в строительстве зданий. По конструктивной схеме перекрытия подразделяют на две основные группы: балочные и безбалочные. В балочных перекрытиях балки расположены в одном или двух направлениях, работают совместно с опирающимися на них плитами перекрытий. В безбалочных перекрытиях плита опирается непосредственно на колонны.

Преимущество балочных перекрытий заключается в относительной простоте и ясности расчетной схемы. Однако, балочные перекрытия для жилых  и общественных зданий создают целый ряд неудобств, связанных с прокладкой инженерных сетей, неровными потолками, санитарными требованиями и т.д.

В безбалочных перекрытиях данные неудобства отсутствуют. Однако при сохранении сетки вертикальных несущих конструкций как для балочной схемы собственный вес безбалочных перекрытий на много (иногда в несколько раз) больше балочных.

 Несмотря на утяжеление конструкций в результате применения сплошных перекрытий строительство зданий со сплошными перекрытиями получило широкое распространение в  нашей стране и в мире в связи с технологической простотой возведения таких перекрытий.

Основной вес монолитных конструкций приходится на бетон. Следовательно, чтобы облегчить перекрытие нужно удалить из него лишний бетон без потери несущей способности и жесткости при сохранении адекватного армирования.

Рассмотрев распределение нормальных напряжений фрагмента перекрытия в середине пролета можно заключить, что лишний бетон расположен в нейтральной зоне и зоне растягивающих напряжений. Однако для передачи напряжений из сжатой зоны в растянутую нужен бетон. Так же бетон нужен в растянутой зоне для обеспечения защитного слоя арматуры.

Принимая во внимание вышеизложенные выводы можно видоизменить плоское безбалочное перекрытие как это показано на рисунке 1.

При удалении бетона из растянутой зоны сохраняют лишь ребра шириной, необходимой для размещения арматуры растянутой зоны и обеспечения прочности панелей по наклонному сечению. При этом плиты в пролете между ребрами работают на изгиб как балки таврового сечения. Верхняя полка плиты также работает на местный изгиб между ребрами.

Рис.1.1 Внешний вид облегченного безбалочного перекрытия.

Такие плиты называются кессонными или кассетными. Термин «кессон» (по-французски «caisson», по-немецки «Kassette») в различных энциклопедиях объясняется по-разному, но везде можно четко отметить один общий признак, а именно: кессоном называется ящикообразное углубление в своде или балочном покрытии (рис. 2).

Большая немецкая энциклопедия Брокгауза (1931) добавляет: «он должен облегчать покрытие и членить его на несущие ребра».

Рис. 1.2 Фрагмент кессонного перекрытия.

Эта архитектурная форма получила свое начало в древнегреческом и римском искусстве, а именно от пустых пространств, являвшихся следствием взаимного пересечения продольных и поперечных балок, прикрывавшихся сверху настилкою, части которой, видимые между балками, скрашивались живописною или скульптурною орнаментацией.

Это определение можно уточнить дополнением: кессонами являются только те ритмические углубления, которые входят в систему перекрестных балок или другого сложного несущего каркаса.

Версия о происхождении кессона из деревянной конструкции имеет много сторонников и серьезно обоснована. Более раннее применение деревянных перекрытий с пересечением деревянных балок, конечно, предопределяло форму кессона. Другое доказательство находят в деревянных потолочных решетках, изображенных на египетских мозаиках и фресках. Отражение конструкции деревянного переплета можно указать в мраморных потолочных плитах Тезейона со сквозными квадратными отверстиями, закрытыми особыми пластинками, а также в безбалочных решетчатых кессонных плитах портика Кариатид в Эрехтейоне. Но, как указывает проф. Рончевский, углубления в потолочных плитах могли возникнуть и в каменотесном деле, в процессе работы над облегчением плит и оживлением их гладкой поверхности. Отметим, однако, что уменьшение веса получается здесь небольшое– на 10—15%, а высекание углублений требует значительного труда. По-видимому, декоративное значение углублений кессона в большинстве случаев играло первенствующую роль.

Примеры использования кессонов в архитектуре приведены на рис. 1.3-1.4.

Рис. 1.3. Конструкция купола Пантеона (по Дурму)

Рис. 1.4. Кессонный свод абсиды храма Венеры и Ромы в Риме

 В конструкции монолитного перекрытия кессонного типа бетон удален из растянутой зоны сечения, в которой сохранены лишь ребра, в которых расположена растянутая арматура. Т.е. кессонное перекрытие представляет собой ребристую конструкцию с взаимно – перпендикулярно расположенными ребрами одинаковой высоты в нижней зоне (рис.1, 2).

В результате этого удается получить значительную экономию в весе по сравнению с перекрытиями сплошного сечения, либо существенно увеличить перекрываемые пролеты.

Идея строительства монолитных железобетонных кессонных перекрытий при новом строительстве не нова. В ряде учебников и пособий по железобетонным конструкциям, например [1], описана, по сути, полная программа изготовления кессонных перекрытий с использованием монолитной технологии на строительной площадке. Отметим, что в современной нормативной литературе существуют рекомендации об устройстве подобных перекрытий [2] и [3].

В практике монолитного строительства зданий и сооружений в России, относящиеся к периоду до 1934 г. известны случаи возведения кессонных перекрытий, например, в зданиях Центросоюза (1928-1934 гг., Москва, пр. Сахарова, 39, архитектор Ле Корбюзье, перекрытия ребрами вверх), в которых вся несущая конструкция выполнена с использованием монолитной технологии.

К сожалению, в последнее время о возведении монолитных кессонных перекрытий при новом строительстве, имеющих очевидные достоинства по сравнению с плоскими перекрытиями, в практическом строительстве известны лишь единичные упоминания.

В то же время кессонные перекрытия нашли широкое применение в практике строительства ряда европейских стран, в частности, в Испании, Великобритании, Германии, Италии и других странах. Здесь при строительстве административных зданий наиболее часто применяются каркасные конструктивные системы с устройством кессонных перекрытий.

Открытие в последнее десятилетие новых технологических приемов и механизмов, необходимость учета не только экономических требований, но и социальных, архитектурных, градостроительных и др. привело к повышению роли монолитного строительства. В настоящее время применение монолитного многоэтажного безригельного каркаса является одним из самых перспективных направлений в строительстве жилья, административных зданий и других сооружений, как в России, так и за рубежом. Кроме того, развитие вычислительной техники значительно упростило расчет сложных статически неопределимых систем. Это снизило материалоемкость и повлекло за собой увеличение объемов строительства зданий и сооружений с применением монолитных каркасов с облегченными безбалочными перекрытиями.