СНИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛОЁМКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЯ И ПОКРЫТИЯ

Аннотация. В данной статье детально рассмотрены различные конструктивные решения для перекрытий, включая систему Cobiax и сборно-монолитные перекрытия из пустотных блоков. В ходе статьи был проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков каждого типа перекрытий, а также рассмотрено их реальное применение при строительстве зданий. Даны параметры рассматриваемых перекрытий и технико-экономические показатели. На основании проведенного анализа было выявлено наиболее подходящее по параметрам и технико-экономическим показателям перекрытие.

Ключевые слова: материалосбережение, конструктивные решения, система Cobiax, сборно-монолитные перекрытия, пустотные модули, пустотные блоки.

Множество жилых и общественных зданий, как в России, так и в мире, строятся из железобетона, который обладает высокой прочностью и долговечностью.

Однако, такие здания имеют существенный недостаток – огромный вес их конструкций, который необходимо учитывать при расчете несущих элементов здания.

Кроме того, производство и транспортировка тяжелых элементов из железобетона требуют более сильного грузоподъемного оборудования и больших затрат на труд при уходе за бетонной смесью[1, с. 45].

Это приводит к увеличению расхода различных материалов, что затрудняет экономию и материалосбережение в строительстве. Чтобы достичь этих целей и соблюдать требования безопасности и надежности, важно использовать конструктивные решения, которые с одной стороны являются экономически выгодными и рациональными с точки зрения расхода строительных материалов, а с другой не снижают качество и безопасность здания [2, с. 9]..

Научное исследование современных строительных технологий и систем позволяет выбрать наиболее подходящие конструкционные решения и системы, которые позволяют уменьшить объем материалов, использованных в строительстве, и тем самым значительно экономить затраты [3, с. 12].

Одно из наиболее перспективных направлений экономии строительных материалов - это снижение веса железобетонных конструкций, что приводит к облегчению всего здания и снижению потребности в материалах. Однако при этом необходимо учитывать требования к надежности, качеству и безопасности железобетонных элементов [4, с. 64].

Современные ученые активно занимаются разработкой перспективных конструкций из железобетона и уменьшением веса железобетонных изделий. Различные методы используются для достижения этой цели, начиная от заполнения пространства в бетоне деревянными бревнами до использования пустотообразователей, кессонных перекрытий и размещения облегченных вкладышей в теле конструкции [5, с. 51]..

Конструкции горизонтальных перекрытий образуют жесткие диафрагмы, соединяя вертикальные несущие элементы здания и обеспечивая его стабильность при вертикальных и горизонтальных воздействиях [6, с. 17]. Перекрытия распределяют постоянные (например, перегородки) и временные (мебель, оборудование, люди) вертикальные нагрузки на стены или колонны здания [7, с. 77]..

По конструктивному решению перекрытия делят на:

- балочные (состоящие из несущей части - балок и заполнения настила),

- безбалочные (плитные), которые состоят из однородных элементов – плит [8, с. 31].

В данной статье будут рассмотрены следующие балочные перекрытия:

- система Cobiax;

- сборно-монолитные из пустотных блоков.

Система Cobiax

Существует известная система Cobiax, разработанная инженер-строителем Йоргеном Брённингом из Дании, которая направлена на снижение веса железобетонных перекрытий и обеспечение ровной потолочной поверхности при его устройстве.

Рисунок 1. Система Cobiax

Технология bubbledeck получила известность в 1992 году. Система имеет двухмерную структуру и состоит из пустотных железобетонных перекрытий, которые могут использовать другие материалы, обладающие меньшим весом. Пустотелые модели Cobiax производятся в двух типоисполнениях: Eco-Line и Slime-Line. Eco-Line предназначен для перекрытий от 300 до 600 мм, а Slime-Line применяется в перекрытиях от 200 до 350 мм. Особенностью подобных железобетонных плит является то, что составной компонент (бетон) не оказывает существенного влияния на эксплуатационные свойства [9].

а)                                                                  б)

Рисунок 2. Пустотные модули: а) Eco-line; б) Slim-line

а)                                                             б)

Рисунок 3. Параметры перекрытия: а) Eco-line; б) Slim-line

Размеры пустотообразователей выбираются с учетом толщины (высоты) плиты по конструктивным соображениям и с учетом соотношения размеров, приведенных на рис. 3.

Основные характеристики системы Cobiax для перекрытий:

1. Является легкой конструкцией с плоской поверхностью, которая работает в двух направлениях, обеспечивая оптимальную работу.

2. Позволяет создавать широкие открытые пространства благодаря снижению нагрузки перекрытия  до  4,8 кН/м2 и шириной пролета до 18 м.

3. Обладает высокой устойчивостью к землетрясениям благодаря оптимальному распределению массы конструкции, что обеспечивает увеличение устойчивости к движениям земной поверхности.

4. Позволяет более эффективно использовать ресурсы, сокращая размеры фундаментов и количества бетона и стали по сравнению с обычными перекрытиями, а также сокращает выбросы СО2 при производстве.

Технология Cobiax была впервые использована при строительстве колледжа Harvey Mudd в США и сегодня она применяется в более чем 50 странах мира. Несмотря на это, в России ее использование только начинается, которое было показано на примере компании «СК Прогресс» и комплекса «Символ», где использование Cobiax позволило улучшить звукоизоляционные свойства перекрытий, сократить затраты на отопление и кондиционирование помещений и снизить расход стройматериалов без потери несущей способности межэтажных плит, а также общие сроки возведения объектов [10].

Система Cobiax имеет множество преимуществ, среди которых можно выделить следующие:

Уменьшение количества требуемого бетона для изготовления плит, что позволяет значительно сократить расходы на строительные материалы и уменьшить вес всего здания.

Снижение расходов на рабочую стальную арматуру, что помогает сократить затраты на строительство и снижает время, необходимое для монтажа.

Уменьшение толщины плиты за счет перерасчета веса перекрытий, что позволяет сэкономить на материалах и устройстве фасадов.

Уменьшение затрат на транспортировку строительных материалов, грузоподъемные механизмы и бетононасосы.

Сокращение трудозатрат и времени, необходимых для армирования плит, благодаря тому, что пустотообразователи Cobiax уже имеют свой арматурный каркас.

Сокращение количества прогреваемого бетона в холодные месяцы года, что снижает расход электроэнергии и ускоряет процесс строительства.

Улучшение сейсмостойкости здания за счет уменьшения его веса, что позволяет строить более надежные и безопасные здания в сейсмических районах.

В результате всех этих преимуществ, применение системы Cobiax позволяет значительно сократить затраты на строительство, повысить его эффективность, надежность и сократить время, необходимое для его завершения.

Уменьшение веса используемых строительных материалов на 35% может быть достигнуто при использовании перекрытий с пустотообразователями Cobiax, что делает такие перекрытия экономически выгодными.

Пустотообразователи Cobiax могут уменьшить толщину перекрытий, увеличить длину пролетов и увеличить полезную площадь здания.

Конструкции, использующие пустотообразователи Cobiax, могут быть применены в любых типах зданий и обеспечивать оптимальную статическую прочность всей несущей конструкции.

Перекрытия с пустотообразователями Cobiax не требуют дополнительных затрат на вентиляцию и отопление, так как благодаря меньшей массе таких конструкций не требуется столь мощной системы кондиционирования воздуха и обогрева.

Неоспоримыми преимуществами этой технологии являются легкость бетонных перекрытий и их быстрое изготовление. Модули, созданные с использованием пустотообразователей, эффективно облегчают вес перекрытий, что делает эту конструкцию легкой и прочной. Конструкция с пустотообразователями длиной 2,5 метров быстро монтируется между верхним и нижним слоями арматуры, заменяя тем самым бетон и служа верхним слоем арматуры.

Модели Cobiax доставляются на площадку в разобранном виде, где их легко и быстро собирают в каркасы, не требуя специальных навыков [11, с. 54].

Однако, в России данная система не получила широкого распространения, поскольку не была достаточно изучена российскими специалистами в области жилого и коммерческого строительства. Необходимо проведение углубленных расчетов эксплуатационной долговечности и свойств прочности, а также формирование системы качества продукции на предприятиях России, чтобы можно было выпускать такие панели в больших объемах [10].

Сборно-монолитное перекрытие из пустотных блоков

Особенностью сборно-монолитного перекрытия является использование специальных блоков с большими пустотами внутри, вес которых составляет не более 19 кг [12, с. 19].

Рисунок 4. Сборно-монолитные перекрытия из пустотных блоков

При производстве блоков для сборно-монолитных перекрытий применяют различные виды бетона: на керамзите, шлаке или мелкозернистом отсеве класса В10. Эти бетоны имеют больший удельный вес, поэтому из них делают полые блоки или плоские ребристые и Т-образные элементы. Для монтажа блоков используют балки с нижними опорными полками или выпусками арматуры, причем различные варианты монтирования наглядно иллюстрированы на рис.5 [13, с. 96].

Рисунок 5. Сборно-монолитные перекрытия с применением балок: а- таврового сечения; б - пустотных; в, г, д - с верхним выпуском арматуры; 1 - балка Т-образная; 2 - пустотная балка с полками по низу; 3 - балка-брус с верхними выпусками арматуры; 4 - плита заполнения; 5 - пустотный блок заполнения; 6 - ребристая плита; 7 - арматурная сетка; 8 - бетон замоноличивания

Прогон (ригельная балка) представляет собой арматурный каркас-ферму, причем продольная арматура вертикального пояса способна выдержать нагрузку, которая включает собственный вес, массу блоков и уложенный сверху бетон. Нижний пояс (120*55 мм) замоноличен в бетоне - его внутренняя арматура воспринимает полную нагрузку на все сечение.

 Прогоны делятся на 2 типа в зависимости от нагрузки: до 900 кг/м2 и до 1300 кг/м2. Средний вес прогона составляет 12 кг/м. п [14, с. 38].

Такое соединение имеет ряд преимуществ, которые включают в себя:

Исключительная прочность - сборно-монолитное перекрытие не уступает по прочности традиционному железобетонному перекрытию и пустотной плите

Доступная цена - сборно-монолитное перекрытие стоит дешевле, чем железобетонное перекрытие. Это экономически оправдано для больших пролетов

Долговечность - конструкция может прослужить более 100 лет, при условии соблюдения технологии монтажа и использования качественных материалов

Пожаробезопасность - нет материалов, которые могут гореть или поддерживать горение

Отсутствие грузоподъемных механизмов - можно собрать всю конструкцию без использования крана и другой специализированной техники

Бесшовность - конструкция получается без соединительных швов

Ровный пол - поверхность плиты ровная, что избавляет от необходимости выравнивания пола и потолка

Гибкость в применении - данная конструкция может применяться не только для формирования перекрытий между этажами, но и для покрытий над подвалом или цоколем или под кровлей;

Высокая теплоэффективность - конструкция исключает необходимость утепления, что позволяет сэкономить на материалах

Удобство прокладки труб и электрических кабелей;

Легкость в моделировании - модулированный каркас позволяет соорудить перекрытие любой конфигурации - даже если стены дома имеют радиусную форму

Не требуется расчет - производители сами указывают максимальную нагрузку, которую может выдержать перекрытие в зависимости от пролета и размера блоков [15, с. 76].

В результате, использование сборно-монолитных перекрытий позволяет сэкономить деньги, сократить технологические затраты, а также получить более прочные и долговечные конструкции, которые могут быть использованы в различных условиях [16, с. 84].

Монтаж сборно-монолитного перекрытия производится следующим образом:

1. При установке сборно-монолитного перекрытия необходимо установить временные опоры, такие как телескопические стойки и профильные трубы. Эти опоры передают нагрузку на перекрытие, которое должно иметь не менее 400 кг/м2 несущей способности. В многоэтажных зданиях опоры устанавливаются по одной оси на каждом этаже.
2. При установке прогонов следует придерживаться точных промежутков между ними, которые зависят от ширины блоков, а также длины опирания концов на стены (10-12 см). Для закрепления балок в заданном положении их концы замоноличивают в армопоясе, который заливается по периметру всех несущих стен. Вдоль пояса на концах балок укладывается продольная арматура, обеспечивающая их дополнительную жесткость.
3. При монтаже Т-образных блоков следует учитывать минимальный зазор между соседними блоками. Первый и последний блоки линии перекрытия должны быть подогнаны к внутреннему краю опорной стены. Узел сопряжения сборного перекрытия и несущей стены должен быть выполнен в соответствии с проектом. Т-Блоки перекрытия первого ряда со стороны стены опираются одной стороной на балку, другой на стену или ригель, зона опоры определяется в проекте, но должна быть не менее 20 мм. Если есть необходимость, то блоки могут быть распилены и установлены в крайние положения с опорой не менее 20 мм на стену или ригель.
4. Для равномерного распределения нагрузок между балками в перекрытии используется распределительное ребро, размещенное в центре. Длина перекрытия влияет на количество ребер: достаточно одного для длины 4 м, двух для 6 м и трех для 7,2 м. Ребро имеет ширину 7-10 см и высоту, соответствующую высоте перекрытия. Оно армировано двумя 10-мм стержнями, поперечно связанными 4,5-мм проволокой через каждые 30 см. Продольная арматура заводится с загибом на 50 см внутрь армопояса, который заливается вместе с перекрытием.
5. Плита перекрытия армируется стеклопластиковой или сварной металлической сеткой с проволокой диаметром от 4 мм и ячейкой 100*100 мм. Сетку привязывают к верхней арматуре прогонов и соединяют нахлёстом 10 см. Полотна укладывают на пластиковые фиксаторы для арматуры, что обеспечивает необходимую толщину защитного слоя бетона (20-25 см). Сетка должна пересекаться с каркасами армопояса по всему периметру.
6. Для бетонирования используется тяжелый бетон класса В15 с максимальной крупностью наполнителя 10 мм. Начинают заливку с армопояса и рёбер, а затем бетонируют всю площадь. Основание предварительно проливается водой для улучшения адгезии бетона. Затем бетон хорошо уплотняется, периодически увлажняется и оставляется на набирание прочности.
7. Демонтаж опорной конструкции допускается после набора бетоном 70% проектной прочности. При средней температуре выше 10 градусов демонтировать опоры рекомендуется не ранее чем через 10 дней, от 5 до 10 градусов — через 20 дней. Во время снятия опор необходимо контролировать на предмет повреждений фрагменты перекрытий, в частности блоки [17, с. 68].

Заключение

В заключении можно отметить, что поиск способов экономии строительных материалов и снижения веса конструкций является актуальной задачей для строительной отрасли.

 Разработка новых конструкционных решений, таких как система Cobiax или сборно-монолитные перекрытия из пустотных блоков, помогают существенно сократить расход материалов и уменьшить вес конструкций, сохраняя при этом их надежность и безопасность.

Однако, необходимо продолжать научные исследования и разработки в этой области, чтобы сделать строительство более экономичным, экологичным и безопасным.

Так же можно отметить, что система Cobiax является инновационной технологией, обладающей множеством преимуществ для строительства жилья и коммерческих объектов.

Однако, ее использование в России пока не получило широкого распространения и требует более глубокого изучения и формирования системы качества продукции на местных предприятиях.

Реализация данной технологии может привести к сокращению затрат на строительство, улучшению эксплуатационных характеристик и сокращению выбросов СО2, что актуально в современном мире.

Сборно-монолитное перекрытие является востребованным в строительстве благодаря своим преимуществам, таким как высокая прочность, доступная цена, долговечность, пожаробезопасность, отсутствие грузоподъемных механизмов, бесшовность, ровный пол, гибкость в применении, высокая теплоэффективность, удобство прокладки труб и кабелей, а также легкость в моделировании. Конструкция сборно-монолитных перекрытий позволяет сократить затраты на материалы, упростить монтаж, а также получить надежную и долговечную конструкцию.

В целом, можно сделать вывод о том, что снижение затрат на строительство и использование экологически чистых технологий являются важными направлениями развития строительной отрасли.

Применение новых конструкционных решений, таких как система Cobiax или сборно-монолитные перекрытия, позволяет существенно уменьшить расход материалов и вес конструкций, что в свою очередь снижает стоимость и уменьшает негативное воздействие на окружающую среду.

Однако, необходимо продолжать исследования и разработки в этой области, чтобы улучшить качество и надежность данных технологий и расширить их применение в строительстве.

Таблица 1.

Технико -экономические показатели плит перекрытий.

На основании технико-экономических показателей сборно-монолитное перекрытие из пустотных блоков является более выгодным вариантом по сравнению с перекрытиями системы Cobiax.