Кессонное перекрытие: виды, особенности сооружения

Кессонное перекрытие: виды, особенности сооружения

Особенности расчета кессонных перекрытий

Лоскутов И.С. Глотов Д.А.

В современном мире экономическая эффективность играет одну из важных ролей, в том числе и строительных конструкциях. Одной из важных проблем строительной отрасли является снижение массы возводимых зданий и уменьшение расходных материалов. Как известно, снижение массы зданий может быть достигнуто за счет применения новых эффективных конструктивных форм, использования предварительно напряженных конструкций, увеличения применения легких бетонов на пористых заполнителях и т.д.

Для снижения массы перекрытий, возводимых из тяжелого монолитного бетона, в зарубежных странах широко применяют перекрытия эффективных конструктивных форм. Например, во многих европейских странах возводят монолитные кессонные перекрытия (рис. 1), перекрытия с оставляемыми в толще конструкции элементами в виде пустотелых бетонных блоков, пластмассовых шаров (рис. 2) 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.

Рисунок1. Опалубка skydome

Рисунок 2. Опалубка cobiax

В современном отечественном производстве крайне редко встречаются монолитные конструкции эффективных конструктивных форм, внедрение которых, несомненно, снизило бы себестоимость вновь возводимых и реконструируемых строительных объектов.

Одной из причин такого положения дел связано с не достаточно развитой теорией расчета и конструирования подобных конструкций в отечественной строительной индустрии.

Задача этой статьи развеять миф о сложности расчета и конструирования кессонных перекрытий. Далее по тексту речь пойдет именно о них.

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.

Пространственная конструктивная схема перекрытия является статически неопределимой. Расчет можно производить по формулам, выведенным аналитически, а так же можно воспользоваться расчетными комплексами, использующими метод конечных элементов.

В данной статье для расчетов перекрытия используется вычислительный комплекс SCAD версии 11.3.

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 является 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 [2].

Размеры плиты в плане 9х11,55м. Общая толщина плиты 460мм, в том числе толщина полки 60мм (рис 3).

Расчетные длины ребер:

Расчетные пролеты плит:

Нагрузка на 1 м .кв. плиты без учета веса ребра g н =236кг

Временная нагрузка принята p н =300 кг/м.кв.

q = g н х1,1+ p н х1,4=680кг/м.кв.

Нагрузка на 1 кв.м. плиты с учетом веса ребер:

Рис. 3. Расчетная схема.

Расчет по формулам из [2] приводить не будем, воспользуемся уже готовыми ответами. Стоит только отметить, что методика в [2] основана на результатах экспериментов и следовательно значения усилий полученные таким способом могут быть приняты за эталон. На рисунке 4 представлено поперечное сечение плиты с ребром.

Рис. 4. Фрагмент фактического сечения кессонной плиты

Моделирование кессонного перекрытия в вычислительных комплексах можно выполнить различными способами. Рассмотрим несколько основных способов, которыми пользуются современные расчетчики.

Первый способ описан в [3].

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:

Где hp – высота ребра без учета толщины полки, h п – толщина полки.

Рис. 5. Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями с использованием абсолютно жестких вставок.

Рис. 5.1. Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями с использованием абсолютно жестких вставок.

Второй способ так же описан в [3].

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. 6. свесы полок принимаются равными b пл =3хhп.

Рис. 6. Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями в виде тавра.

Рис. 6.1. Моделирование перекрытия оболочечными элементами и стержнями в виде тавра.

Третий способ моделирования.

Кессонное перекрытие моделировать пластинами определенной жесткости, для учета взаимовлиянии, перераспределения напряжений, элементов монолитной конструкции. Т.к. при моделировании пластинами создание схемы в SCAD, ведется от нейтральной линии возникает необходимость учесть эксцентриситет стыков перпендикулярных элементов в узлах, так же условия совместимости деформаций пластин будут выполнены в случае присоединения пластин в узлах, что и предлагается сделать при помощью абсолютно жестких тел которые изображены на рисунке 7 в виде желтых вертикальных вставок. Элементам кессонных конструкции назначены типы конечных элементов:

полки – прямоугольный КЭ плиты 11 (со степеням свободы Z, Ux, Uy);

ребро – прямоугольный КЭ оболочки 41 (со степеням свободы X, Y ,Z, Ux, Uy, Uz).

Рис. 7. моделирование плиты при помощи пластинчатых и оболочечных элементов с использованием абсолютно жестких тел.

Четвертый способ моделирования.

Кессонное перекрытие моделировать пластинами определенной жесткости, для учета взаимовлиянии, перераспределения напряжений, элементов монолитной конструкции. В данной схеме в отличии от предыдущей абсолютно жесткие тела не используются (рис. 8). Элементам кессонных конструкции назначены типы конечных элементов:

полки – прямоугольный КЭ плиты 11 (со степеням свободы Z, Ux, Uy);

ребро – прямоугольный КЭ оболочки 41 (со степеням свободы X, Y ,Z, Ux, Uy, Uz).

Рис. 8. моделирование плиты при помощи пластинчатых и оболочечных элементов.

Усилия в перекрытии, смоделированного оболочечными элементами вычисляем по формулам сопротивления материалов.

Момент рассчитывается по формуле:

y – расстояние от нейтральной оси до наружной грани растянутой зоны;

J – момент инерции сечения (какого сечения , относительно какой оси?);

σx – нормальные напряжения, вычисленные в SCAD для упругого материала.

Поперечная сила рассчитывается по формуле:

Txy – касательные напряжения (вычисленные в SCAD).;

F – площадь сечения элемента балки.

Не будем заострять внимание на процесс расчета по всем 3-м способам. Полученные данные расчетов сводим в таблицу 1 для удобства дальнейшего анализа.

Виды кессонных перекрытий и особенности сооружения

Кессон в строительстве представляет собой элемент членения потолков или внутренних поверхностей с формированием углублений, которые получаются между перекрестными балками. Применение монолитной конструкции с ребристой формой уменьшает использование бетона на сооружение перекрытия и нагрузку на вертикальные несущие стены, что сокращает расходы на возведение здания. Кессонные перекрытия состоят из монолитных или сборных плит.

Разновидности перекрытия кессонного типа

Кессонное перекрытие — ребристая конструкция с армированными ребрами, перпендикулярно расположенными между собой. Поперечное сечение ребер определяют на основании технологических особенностей возведения перекрытий. Высота ребра определяется по двум участкам. Первый определяется в середине самого нагруженного ребра. Второй участок — место, где ребра примыкают к вертикальной опоре. На этом участке высота сплошного монолитного участка устанавливается поперечной силой.

По технологии изготовления кессонное перекрытие подразделяется на:

  • Сборно монолитные кессонные перекрытия, основу которого составляют сборные пустотелые блоки разного размера. Их монтаж осуществляется в виде закрытой геометрической фигуры. Остаются в теле бетона (служат несъемной опалубкой). В месте сопряжения с колоннами конструктив представлен в виде сплошной плиты. Над блоками проводится усиление конструкции арматурными сетками, а в надопорных зонах бетонные блоки покрываются арматурными стержнями.
  • Монолитные кессонные перекрытия из железобетона. Для них характерно оптимальное распределение смеси из бетона. Ребристая структура формируется из-за отсутствия лишней бетонной смеси, что существенно делает конструктив легче. Однопролетные железобетонные плиты при наличии сплошного сечения наиболее выгодны при длине пролета до 4,5 метров. В результате происходит экономия материалов, а количество перекрываемых пролетов увеличивается. Опалубка состоит из таких элементов, как металлическая обрешетка, телескопические стойки, пластиковые кессоннообразователи и инвентарные формы.

Пластиковые формы закрепляются с высокой точностью, структуру каналов под ребра формируют инвентарные кассеты пустотообразователей. Над формами располагают арматурные сетки, затем вся поверхность заливается смесью бетона.

Результат — образование кессонной монолитной конструкции из железобетона.

Особенности сооружения монолитных кессонных перекрытий

Конструкция состоит из монолитных каркасов, формируемых при помощи опалубки. Работа ведется строго по рабочим чертежам и согласно строительным правилам и нормам. Особое внимание уделяют установке опалубке и арматурной работе.

  • Система опалубков SKYDOME (полностью самонесущая). Предназначена для многократного использования. Для нее характерен простой демонтаж, минимальное количество пиломатериалов, а также объемных инвентарных элементов. Единственный минус — высокая стоимость.
  • Опалубки комбинированного типа. Инвентарные элементы размещаются на фанеру или сплошной дощатый настил. По сравнению с первым вариантом разборка занимает больше времени.
  • Фанерная опалубка. Процесс изготовления вкладышей и настила происходит непосредственно на строительной площадке. Такой тип больше подходит для дома с небольшой площадью.
Читайте также:  Ступени для лестниц бетонные - как сделать своими руками

Армирование выполняется за счет объемных каркасов, сеток и отдельных стержней. Продольное армирование подразумевает применение периодической арматуры, поперечное — гладкой. Расположение арматуры в зоне 2 взаимно перпендикулярных плоскостях дает возможность проводить работы по монтажу каркасов в две очереди.

Достоинства

  • Нет необходимости усиливать фундамент и устанавливать дополнительные колонны, что значительно уменьшает сроки возведения.
  • Сокращается общая толщина конструктива, что снижает нагрузку на конструкцию.
  • Экономия на расходуемом материале.
  • Увеличение свободного пространства и длины пролетов.
  • Увеличивается несущая способность.

Области применения

Конструкция используется в зданиях с большой проходимостью потока людей, а также при перекрытиях в нагруженных инженерных сооружениях. Также кессонный способ актуален при переоборудовании больших объемных зданий в многофункциональные центры.

Несмотря на все свои достоинства кессонное перекрытие более популярно в европейских странах, чем в России и в частности в Москве.

Изготовление кессонных перекрытий своими руками

Потолочное перекрытие является важнейшим элементом любого сооружения, отвечающим за надежность и безопасность всей конструкции. Кессонные перекрытия известны еще со времен Древнего Рима и зарекомендовали себя с хорошей стороны. Такие перекрытия находят широкое применение и сейчас, особенно за рубежом.

Кессонное перекрытие — это перекрытие, состоящее из балок, направленных друг к другу под определенным углом.

Кессонные перекрытия имеют облегченную конструкцию, но это обстоятельство не ограничивает их применения. А вот преимущества и эстетичный вид создают им надлежащую рекламу. В настоящее время предлагается большой ассортимент кессонных элементов и приспособлений для их изготовления, что значительно облегчает монтаж перекрытия зданий.

Сущность кессонного перекрытия

Кессонное перекрытие представляет собой потолочное перекрытие из монолитных панелей, устанавливаемых непосредственно на угловые несущие колонны. Такая панель (плита) выполняется в виде перпендикулярно пересекающихся друг с другом ребер (балок), которые с помощью более тонкого бетонного слоя объединяются в монолитную конструкцию. Плита по виду напоминает форму вафли, поэтому ее иногда называют плитой вафельного типа. Обычно плита имеет вид квадрата, но может быть выполнена любой формы, в том числе и куполообразной.

Схема кессонного перекрытия.

В обычных монолитных перекрытиях крепление плит осуществляется через несущие балки. В отличие от них кессонные перекрытия включают в свой состав ребра, которые исполняют роль несущих балок. Ребра выполнены с шагом не более 150 см и образуют сетчатую структуру, что обеспечивает перераспределение нагрузки и достаточную ее прочность. В результате на общее бетонное основание плиты не приходится больших нагрузок, и оно служит в основном для создания единой монолитной конструкции, что позволяет уменьшить толщину слоя до 5-8 см.

Для увеличения надежности кессонного перекрытия плиты армируются. Плиты выпускаются общей толщиной от 25 до 45 см, при этом высота ребер, выступающих над основанием, составляет 20-40 см. В соответствии с принятыми нормами строительства высота ребра должна быть не менее 1/20 от длины пролета. Размеры плит выполняются по заказу и могут достигать 35х35 м.

Плита кессонного перекрытия может устанавливаться на стену или несущие колонны. В последнем случае достаточно четырех колонн, удерживающих конструкцию по углам. У плит такого крепления угловые квадраты сетки ребер заполняются бетоном полностью, т.е. на уровне верхней кромки ребра. Эти участки крепления плиты дополнительно армируются.

Преимущества кессонного перекрытия

Кессонные перекрытия имеют ряд преимуществ, обеспечивающих их широкое применение в европейских странах, 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.

Таблица сравнения сплошных монолитных и монолитных кессонных перекрытий.

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 смело 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.

Изготовление кессонных перекрытий

Необходимый инструмент

При изготовлении и монтаже кессонного покрытия потребуется следующий инструмент:

Инструменты для укладки балок перекрытий.

  • болгарка;
  • электродрель;
  • миксер строительный;
  • набор ключей гаечных;
  • отвертка;
  • шуруповерт;
  • стамеска;
  • мастерок;
  • шпатель;
  • плоскогубцы;
  • ножовка;
  • ножовка по металлу;
  • рулетка;
  • линейка метровая;
  • отвес;
  • уровень.

Кессонные перекрытия лучше изготавливать прямо на месте строительства. Для этого используются специальные съемные опалубки, которые можно подразделить на три основных типа. Первый тип основан на применение стандартной системы типа «SKYDOME», в которую входят пластиковые элементы опалубки, а также стойки и рейки для ее монтажа. Второй (комбинированный) тип подразумевает изготовление временного деревянного (фанерного) настила, на который устанавливаются элементы стандартной опалубки. Наконец, третий вид представляет собой вариант из деревянного настила и самодельной фанерной опалубки. В этом случае иногда используется одноразовая конструкция, когда элементы выполнены из плотного картона с покрытием полиэтиленовой пленкой.

Схема расположения продольной арматуры в поперечном сечении балки перекрытия.

Заливка бетоном производится в два этапа, при этом арматура монтируется в порядке, обеспечивающем правильное ее расположение и фиксацию, исключающие смещение при заливке массы. В процессе изготовления устанавливаются специальные фиксаторы. Армирующие элементы также устанавливаются в два этапа. Вначале монтируются элементы в ребрах без верхней арматуры, но с хомутами. После заливки первой массы бетона (формирование ребер), монтируется армирующий каркас второй очереди с нижней и верхней продольной арматурой и с хомутами.

Перекрытие формируется из бетонной смеси с обычным или мелкозернистым наполнителем классом прочности не ниже В15 или пористых бетонов с классом прочности В12,5. Зернистость заполнителя определяется геометрическими параметрами ребер. По подвижности раствор должен соответствовать 8-10 см, а водоцементное отношение должно быть равно 0,5. Сам процесс заливки ничем не отличается от процесса изготовления стандартных бетонных конструкций.

Следует произвести уплотнение бетонной массы с помощью вибратора игольчатого типа диаметром не более 40 мм, который вводится в раствор вертикально или с небольшим наклоном.

В настоящее время в продаже предлагаются разборные опалубки, которые обеспечат необходимое качество и надежность плит. С их помощью можно сформировать кессонные потолки, создающие оригинальный дизайн. Такие опалубки имеют объемные пластиковые элементы размерами 74х80 см и глубиной от 20 до 40 см. Боковые грани объемных деталей имеют наклон в 18°, а их полный объем находится в пределах от 82 до 137 дм³. Такая конструкция ячейки обеспечивает объем воздушной части в диапазоне от 48 до 51% от всего объема плиты. Они имеют небольшой вес, легко переносятся и монтируются. В качестве армирующего элемента для основания предлагается арматурная сетка.

Кессонный потолок

Многие варианты современных дизайнов включают кессонные потолки. По аналогии с такими же перекрытиями, потолки состоят из пересекающихся ребер, создающих сетчатую конструкцию, и тонкого слоя, объединяющего все в единое целое. Кессонный потолок должен иметь легкий вес и привлекательный вид — несущие свойства для такого элемента совсем необязательны.

Схема кессонного потолка.

Конструктивно они имеют три группы элементов — ребра (балки), обеспечивающие жесткость; легкое основание, объединяющее систему; декорирующие детали. В качестве декорирующих деталей находят применение карнизы, бордюры, узорчатые розетки.

Чаще всего кессонные потолки выполняются из дерева или пластика (обычно полиуретана). Основание может выполняться из ДСП, фанеры, пластмассовых листов, гипсокартона. Декорирующие элементы прекрасно смотрятся, если их отлить из гипса. Внутри ячеек кессонного потолка прекрасно впишутся встроенные светильники. Создавая разную конфигурацию ребрам, можно обеспечить разное световое рассеивание.

Кессонные перекрытия находят свою ячейку в строительной индустрии. Использование такой конструкции позволяет значительно снизить расходы на строительство.

Кессонные перекрытия как эффективный тип ребристых плит

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 23.11.2016 2016-11-23

Статья просмотрена: 4733 раза

Библиографическое описание:

Кибкало, А. В. Кессонные перекрытия как эффективный тип ребристых плит / А. В. Кибкало, М. Д. Волков. — Текст : непосредственный, электронный // Молодой ученый. — 2016. — № 25 (129). — С. 37-40. — URL: https://moluch.ru/archive/129/35707/ (дата обращения: 10.04.2020).

Читайте также:  Как заточить сверло по бетону в домашних условиях

В статье рассмотрены кессонные перекрытия, технология их возведения и принцип работы. Проведен анализ монолитного и сборно-монолитного способов устройства кессонного перекрытия. Сделано сравнение кессонных перекрытий, сооруженных этими способами со сплошной монолитной плитной. Возведение кессонных перекрытий имеет ряд серьезных достоинств с экономической и технологической точек зрения.

Ключевые слова: кессонные перекрытия, ребристые плиты, гражданское строительство, промышленное строительство, конструкции перекрытий, безбалочные перекрытия

Поиск оптимальных типов конструкции является одной из мотиваций развития науки в строительстве, которые бы экономили время и деньги, а так же не уступали по прочностным характеристикам своим аналогам.

Одной из самых важных проблем строительной отрасли является уменьшение расходных материалов и массы возводимых частей здания, это возможно за счет:

– применения новых эффективных конструкций;

– использования преднапряженных элементов здания;

– интенсивного внедрения легких бетонов [1].

В нашей стране в строительстве гражданских и промышленных зданий только начинается внедрение монолитных конструкций эффективных конструктивных форм, внедрение которых, бесспорно, снизит себестоимость при возведении и реконструкции строительных объектов. Это напрямую зависит от мало проработанности методик проектирования подобных конструкций в отечественной отрасли строительства.

Во многих европейских странах в промышленном строительстве, для снижения массы перекрытий возводимых из тяжелого монолитного бетона применяют перекрытия эффективных форм.

Однопролетные плиты из железобетона, имеющие сплошное сечение наиболее экономичны при длине пролета до 4,5 м. Пролет возможно увеличить за счет опирания плиты по контуру. В таком случае появляется возможность перекрывать большие площади. Для уменьшения затрат бетона при возведении перекрытий, а следовательно и сокращение нагрузок на несущие конструкции и фундаменты, целесообразно использовать монолитные ребристые перекрытия [2].

Кессонное перекрытие (рис. 1) является разновидностью ребристого перекрытия, его иначе называют часторебристым, частобалочным или вафельным железобетонным перекрытием.

Рис. 1. Кессонное перекрытие

Кессонное перекрытие представляет собой ребристую конструкцию с взаимно перпендикулярно расположенными армированными ребрами в нижней зоне. Применение монолитного ребристого перекрытия, по сравнению с весом плоских плит или монолитным перекрытием по профилированному листу, приводит к уменьшению расхода бетона на возведение перекрытия и нагрузок на вертикальные несущие стены, фундаменты здания. Следовательно происходит сокращение затрат на его возведение. Происходит уменьшение собственного веса перекрытия — от 40 % до 60 %, в то же время жесткость конструкции самой плиты перекрытия повышается, что позволяет устраивать большие пролеты без устройства промежуточных опор. Полученная толщина такого перекрытия значительно меньше плоского.

Кессонное перекрытие состоит из плит, опертых по контуру на систему взаимно перпендикулярных балок. Плиты жестко сопрягаются с балками, и шарнирно при опирании на стены. Оптимальное соотношение сторон для помещений с кессонными перекрытиями находится в пределах 1…1,5. Балки могут располагаться как перпендикулярно, так и под углом 45° (более редкий вариант) к сторонам перекрываемого помещения. Нормированная высота балок в обоих направлений должна быть одинаковой и составлять не менее 1/20 пролета. Толщина плит кессонного перекрытия составляет 6…7 см, толщина ребер меняется от 10 до 20 см [3,4].

Для устройства кессонного монолитного перекрытия используется модульная система опалубок, состоящих из телескопических стоек, обрешетки, располагаемой с учетом размеров кессоннообразователей. Самый распространенный вид кессонных опалубок — самонесущая опалубочная система типа «Skydome» (рис. 2). Все элементы опалубки заводского изготовления, система не нуждается в арматуре или специальных защитных приспособлениях. Кессоннообразователи раскладывают по обрешетке, они имеют не высокую адгезию по отношению к бетону и легко удаляются после набора бетоном необходимой прочности [4].

Рис. 2. Кессонная опалубка типа «Skydome»

Сопоставление технико-экономических показателей монолитного кессонного перекрытия и сплошной монолитной плиты при одинаковых нагрузках и граничных условиях показывает, что в результате снижения массы первого удается увеличить толщину перекрытия на 40 % с одновременной экономией 15 % бетона за счет удаления его из нижней растянутой зоны [5].

Технико-экономические показатели устройства перекрытий при пролете 12 м, и кратковременной нормативной нагрузке 6 кН/м 2

Характеристика

Толщина, см

Расход бетона, м 3

Расход рабочей арматуры, кг/м 2

Кессонное перекрытие

Кессон, в переводе с французского языка (caisson), означает ящик. Первоначально такие конструкции использовались для сооружения фундаментов мостовых опор в руслах водоёмов. Железобетонная или металлическая конструкция, снабжённая по всему периметру низа стальными ножами, устанавливается на насыпной островок. При разработке грунта под ножом кессон под действием собственного веса осаживается, при необходимости выполняется дополнительный пригруз. Кессонная полость полностью герметична, только в потолке имеются отверстие для пропуска шахтных труб, через которые закачивается сжатый воздух, и шлюзовой люк, через который доставляются рабочий персонал и происходит подъём разработанного грунта. Создаваемое в кессоне избыточное давление не даёт проникнуть в него воде, но чрезвычайно вредно для здоровья работающих людей. Существует даже такое понятие как кессонная болезнь. Поэтому в нашей стране такой метод практически не применяется уже около 50-ти лет.

В строительстве кессон — элемент членения потолков или внутренних поверхностей сводов с образованием ящикообразных углублений, получившихся между перекрёстными балками. Из-за похожей на вафли поверхности их часто называют вафельными.

Зданий без устройства перекрытий не бывает, кессонное перекрытие это вид ребристого железобетонного конструктива, в котором в нижней зоне сечения только армированные рёбра с концентрацией растянутой арматуры, а бетона нет. Рёбра располагаются в 2-х направления перпендикулярно друг другу (реже под углом) с шагом ≤ 150-ти см. Сверху рёбер укладывается плита.

Кессонные плиты перекрытия могут быть монолитными или сборными. Все балки, главные и вспомогательные, одинаковой высоты. На потолках образуются углубления квадратной, прямоугольной или ромбовидной формы, похожие на своеобразные ящики, то есть кессоны. Такая потолочная конструкция обуславливается, в основном, соображениями архитектурного замысла. Уже в древних египетских мозаиках, древнегреческих и римских фресках встречаются деревянные балки, расположенные продольно и поперечно, образуя ящики, перекрытые поверху сплошным настилом. Пространство между балками украшалось живописью или орнаментами в виде небольших скульптур. Подобные изображения присутствуют и на древних римских и греческих фресках.

Разновидности перекрытия кессонного типа

В зависимости от технологии изготовления различают:

  1. Сборно-монолитные кессонные перекрытия, состоящие из сборных пустотелых блоков размерами 20 × 20 × 60 или 30 × 30 × 80 см, расположенных в растянутых сечениях, и монолитной плиты в сжатых зонах. Блоки монтируются в виде закрытой со всех сторон геометрической фигуры и служат несъёмной опалубкой (остаются в теле бетона). Над блоками толщина монолитного бетона составляет от 5-ти до 6-ти см. В местах сопряжения с колоннами (надопорных местах) конструктив представляет собой сплошную монолитную плиту, так как в этих местах действуют растягивающие силы. Поверх блоков выполняется армирование арматурными сетками, а в надопорных зонах на блоки напускаются арматурные стержни.
  2. Монолитные кессонные железобетонные перекрытия, отличающиеся оптимальным распределением бетонной смеси. Между рёбрами нет лишнего бетона, что значительно облегчает конструктив, создавая ребристую структуру. Смесь не укладывается в растянутых зонах сечения, в которых бетонируются только ребра с арматурой, работающей на растяжение. Результат — значительная экономия материалов и возможность увеличения перекрываемых пролётов. Опалубка для кессонных перекрытий состоит из следующих комплектующих элементов:
    • телескопические стойки;
    • металлическая обрешётка;
    • пластиковые кессонообразователи, инвентарные формы с незначительной адгезией к бетону и возможностью лёгкого удаления после твердения бетона допускающего демонтаж опалубки. Небольшой вес позволяет выполнять работы по их раскладке и снятию вручную без использования грузоподъёмных механизмов.

Пластиковые формы фиксируются на прогонах обрешётки с большой точностью, структуру каналов под ребра образуют инвентарные кассеты пустотообразователей. Поверх форм размещаются арматурные сетки, после чего вся поверхность заливается бетонной смесью с доставкой автомиксерами и уплотнением. Результат — монолитная железобетонная конструкция кессонного типа высотой по высоте пластиковых форм (от 25-ти до 45-ти см). На участках опирания на колонны бетонируется сплошная железобетонная монолитная плита.

Некоторые особенности сооружения монолитных кессонных перекрытий

Работы выполняются по рабочим чертежам в соответствии с ППР и строительными нормами и правилами. Особое внимание уделяется выполнению арматурных работ и установке опалубки строго по проекту с надёжной фиксацией в предусмотренном проектом положении. Применяется опалубка следующих основных типов:

  1. Опалубочная система SKYDOME, являющаяся полностью самонесущей. Может использоваться многократно. Все опалубочные элементы изготавливаются в заводских условиях с комплексной поставкой на строительную площадку. Характеризуется минимальным количеством пиломатериалов для устройства настилов и объёмных инвентарных элементов (вкладыши), самым простым демонтажем. Из недостатков можно выделить только высокую стоимость.
  2. Комбинированные типы опалубки, в которых вкладыши укладываются на сплошной дощатый настил или фанеру. В этом случае по сравнению с 1-ым типом значительно уменьшается количество необходимых балок и стоек, но разборка более трудоёмка.
  3. Фанерная опалубка. Настил и вкладыши изготавливаются из ламинированной фанеры непосредственно на стройплощадке. Основной недостаток — продолжительность подготовительных работ перед началом установки опалубки. Такой тип оптимален для индивидуального строительства домов небольших площадей.
Читайте также:  Утепление ленточного фундамента: снаружи и внутри

Разновидность — опалубка с картонными вкладышами, изготовленными на заводах. Плотные картонные элементы, обвёрнутые полиэтиленом, служащие объёмными опалубочными элементами, укладываются на месте строительства. Конструкция повторно использоваться не может и после демонтажа утилизируется.

Монтаж опалубок 1-го вида состоит из таких операций:

  • расстановка телескопических стоек в местах окончания и стыков прогонных балок. Фиксация установленных стоек в вертикальном положении при помощи входящих в комплект треног;
  • укладка прогонов в оголовки стоек при помощи вилочных захватов. Конструкцией оголовков предусмотрена стыковка прогонов по длине;
  • установка инвентарных опалубочных балок по верху несущих прогонов;
  • монтаж объёмных элементов
  • разметка бортов опалубки
  • монтаж бортовых упоров, стоек ограждения и бортовой опалубки.

Аналогично выполняются работы и для остальных типов опалубок, но инвентарные балочные конструкции устраиваются на фанерных или дощатых настилах.

Армирование выполняется объёмными каркасами, сетками и отдельными стержнями. Для продольного армирования используется периодическая, для поперечного — гладкая арматура. Обеспечение защитного бетонного слоя выполняется специальными фиксаторами. Расположение арматуры в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях позволяет выполнять монтаж каркасов в 2-е очереди. Первые каркасы устанавливаются без верхней арматуры, но с установкой хомутов, что не препятствует монтажу каркасов 2-ой очереди с нижними и верхними продольными стержнями и расположенными по длине каркасов хомутами. Бетонирование выполняется смесями с заполнителями мелких фракций. Класс тяжёлого бетона ≥ В15, на пористых заполнителях допустим В12,5. Уплотнение выполняется игольчатыми вибраторами диаметрами ≤ 45-ти мм.

Достоинства кессонных перекрытий

  1. Сокращение сроков возведения, обусловленное отсутствием необходимости усиления фундаментов и установки дополнительных колонн.
  2. Уменьшение общей толщины конструктива, соответственно его веса и нагрузок на сооружение.
  3. Уменьшенный расход материалов.
  4. Возможность свободной планировки помещений с существенной экономией свободного пространства и увеличением длины пролётов.
  5. Увеличенная несущая способность.
  6. Выразительность архитектурных решений.

Из имеющихся недостатков можно отметить трудоёмкость возведения и нецелесообразность применения в зданиях с малыми пролётами.

Области применения кессонных перекрытий

Конструкции прекрасно зарекомендовали себя при устройстве перекрытий в сильно нагруженных инженерных сооружениях и в зданиях с большой циркуляцией людского потока (спортивных и торговых комплексах, театрах и кинотеатрах, учебных и просветительных учреждениях и т.д.). В крупных российских городах для улучшения экологии производственные мощности выносятся за пределы городской черты. Снос больших объёмных зданий не всегда целесообразен в экономическом отношении, поэтому они часто переоборудуются в различные многофункциональные центры. В производственных корпусах для функционирования мостовых кранов высота помещений составляет ≥ 10-ти м. Для обеспечения функциональности переоборудования такое высокое пространство разбивается на этажи устройством дополнительных перекрытий. Оптимальны для этого кессонные конструкции.

Следует констатировать, что при очевидных достоинствах кессонных конструктивов в сравнении с традиционными плоскими конструкциями, применение их в России пока не получило широкого применения, в отличие от многих европейских государств (Испания, Германия, Великобритания, Италия и другие).

Опыт применения кессонных перекрытий при реконструкции большепролетных зданий

В последнее время в крупных городах России все больше производственных мощностей выводится за городскую черту. При этом освобождаются здания и целые комплексы огромной площади. Часто сносить здания экономически не целесообразно, а, следовательно, возникает необходимость переоборудования их под гражданские нужды. В основном подобные здания переоборудуются в не жилые, а в административные, торговые, офисные и многофункциональные центры. Обычно производственные здания с мостовыми кранами имеют высоту помещений 10-15м. Для повышения эффективности реконструкции возникает необходимость разбить пространство в горизонтальной плоскости дополнительными перекрытиями.

В данной статье не будем касаться тонкостей обследования и усиления существующих конструкций. Это отдельная тема, требующая детальной проработки и особого внимания. Большинство производственных зданий имеют каркас с несущими вертикальными элементами (колоннами и стенами), расположенными по сетке с шагом 6-9/9-15м. При устройстве промежуточных перекрытий с такими пролетами по традиционной технологии возникает необходимость устраивать балочную клетку между существующими конструкциями или добавлять колонны между существующими для уменьшения пролетов.

При устройстве балочной клетки между существующими колоннами существенно вырастает общая толщина перекрытия (с учетом главных и второстепенных балок), из-за чего уменьшается количество возможных перекрытий, а, следовательно, и уменьшается эффективность вложенных инвестиций. Также при монтаже балочной клетки возникает необходимость в использовании подъемной техники, что иногда просто невозможно в стесненных условиях существующего здания. При устройстве дополнительных колонн между существующими колоннами, значительно увеличивается объем работ, связанных с устройством новых фундаментов и колонн. Также при устройстве новых колонн возникает опасность неравномерных осадок под существующими и вновь возводимыми колоннами, которые очень сложно спрогнозировать, и следовательно, при эксплуатации могут возникнуть проблемы различного характера.

Железобетонные монолитные кессонные перекрытия позволяют избавиться от выше перечисленных недостатков. Это становится возможным из-за меньшей высоты по сравнению с балочными клетками при одинаковых пролетах и из-за
того, что нет необходимости устройства промежуточных опор между существующими колоннами. При этом вес кессонных перекрытий без промежуточных опор получается равным или меньшим по сравнению с плоскими плитами или монолитным перекрытием по профлисту при устройстве промежуточных опор.

Кессонное перекрытие представляет собой ребристую конструкцию с взаимно перпендикулярно расположенными ребрами в нижней зоне (рис.1, 2).

Рис.1. Фрагмент кессонного перекрытия Рис.2 фрагмент кессонного перекрытия пролетом 12м.

Между реконструкцией производственных зданий с устройством промежуточных перекрытий и новым строительством есть несколько существенных отличий. Первое и самое значительное это существующая сетка колонн со всеми недостатками, возникшими при монтаже и эксплуатации. Как правило, существующие комплекты опалубки не предназначены для такого рода работ, и следовательно, появляются некратные места (рис.3).

Второе отличие это необходимость создания опорной базы под вновь возводимое перекрытие. Следовательно, узел опирания перекрытий на колонны происходит нетрадиционным способом, при котором арматура плиты проходит
сквозь колонны. В этом случае плита опирается на колонны шарнирно, т.е. просто огибает колонну, но сама по себе представляет собой неразрезную схему (рис.4).

Стоит отметить также, что при использовании железобетонного монолитного кессонного перекрытия как при новом строительстве, так и при реконструкции достигается существенная экономия не только пространства, но и материалов. Экономятся материалы как на само перекрытие, так и на конструкции его поддерживающие. Это происходит из-за существенного уменьшения собственного веса перекрытия – от 40% до 60%. В местах опирания элементов перекрытия на колонны растянутой является верхняя зона перекрытия, рабочая арматура располагается в верхней зоне, поэтому в местах сопряжения перекрытия с колонной устраивается сплошная монолитная плита – капитель (рис.4.). Таким образом, кессонное перекрытие состоит как из участков с удаленным бетоном в растянутой зоне, так и из участков, имеющих вид сплошной плиты.

Для устройства кессонного перекрытия используют специальный комплект опалубки, состоящий из телескопических стоек, обрешетки, располагаемой с учетом размеров пластмассовых кессоннообразователей. По обрешетке раскладывают кессоннообразователи – инвентарные формы, имеющие незначительную адгезию к бетону и легко удаляемые после набора бетоном распалубочной прочности. Кессоннообразователи имеют небольшой вес и раскладываются и снимаются вручную. Пластмассовые формы с большой точностью фиксируются на направляющих (рис.5, 6).

Последовательность устройства кессонных перекрытий практически не отличается от устройства сплошных перекрытий, за исключением особенности укладки пластмассовой опалубки. Укладка выполняется вручную со строительных лесов или с деревянного настила, разбираемого в процессе укладки пластмассовых форм Сравнение технико-экономических показателей, характерных для сплошной монолитной плиты и монолитного кессонного перекрытия при одинаковых
граничных условиях и нагрузках показывает, что в результате снижения массы последнего удается увеличить толщину перекрытия с 25 до 46 см с одновременной экономией 15% бетона за счет удаления его из нижней растянутой зоны.

Расход рабочей арматуры снижается на 72.5% или в 3,6 раза (табл. 1). Пустотность составляет 59%. Кессонное перекрытие толщиной 46 см при неизменном расходе рабочей арматуры воспринимает нормативную нагрузку 4 кН/м2 на пролете 12 м при прочих равных условиях, что позволяет отказаться от балочного перекрытия и установки дополнительных колонн, а следовательно, и дополнительных фундаментов.

Из приведенной таблицы видно, что применение кессонных плит при реконструкции и изменении назначения производственных большепролетных зданий дает существенную экономию в материалах. Итак, применение монолитных кессонных плит перекрытия при реконструкции производственных зданий позволяет:

1. Сократить сроки строительства за счет исключения необходимости монтажа дополнительных колонн и фундаментов;
2. Уменьшить общую толщину перекрытия по сравнению с балочными схемами, а, следовательно, увеличить высоту этажа или увеличить количество встраиваемых этажей;
3. Исключить работу подъемных механизмов, необходимых при монтаже балочной клетки или вновь возводимых колонн и фундаментов;
4. Существенно уменьшить расход материалов по сравнению с традиционными плоскими перекрытиями;
5. Использовать открытые пространства для свободной планировки помещений в зависимости от их назначения (рис.7).

Добавить комментарий