3. Виды железобетонных конструкций

Железобетонные конструкции — сборные, монолитные, сборно-монолитные — выбирают путем технико-экономического сравнения запроектированных вариантов зданий по приведенных затратам, энергоемкости, трудоемкости, расходу дефицитной стали, надежности, долговечности, технологичности возведения, эстетическим воздействиям на человека. 1. Сборные конструкции. Под сборными понимают конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных элементов. В целях повышения эффективности производства и качества продукции сборные элементы изготовляют на высокомеханизированных и автоматизированных предприятиях сборного железобетона, специализированных на выпуске определенного ассортимента изделий и конструкций. При строительстве зданий сборные железобетонные конструкции оказываются наиболее эффективными, так как их возведение не зависит от погодных условий. Они способствуют индустриализации и максимальной механизации строительства.

Основной недостаток сборных конструкций заключается в трудоемкости, высокой стоимости и металлоемкости стыков их элементов, в снижении жесткости элементов и конструкций в целом вследствие нарушения общей пространственной неразрезности (статической неопределимости).

2. Монолитные конструкции. Под монолитными понимают конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке укладкой бетонной смеси (товарного бетона) в заранее приготовленную опалубку.

Основные недостатки монолитного бетона: 1) сезонность работ; 2) устройство трудоемких и дорогостоящих опалубки и подмостей; 3) продолжительность сроков строительства, зависящая от длительности твердения бетона в естественных условиях; 4) низкая индустриализация строительства, обусловленная особенностями приготовления бетонной смеси, ее транспортирования и укладки, распалубки и т. д.

Основное достоинство монолитных конструкций заключается, в их пространственной нерарезноств (высокой статической неопределенности), что обеспечивает монолитным конструкциям меньшую материалоемкость по сравнению с другими видами железобетонных конструкций.

Именно поэтому они находят широкое применение при строительстве типовых и разнообразных уникальных зданий, возводимых индустриальным способом: передвижная, щитовая или блочная инвентарная или дешевая несъемная (из армоцемента, стеклоцемента) опалубка и т.п.

3. Сборно-монолитные конструкции. Под сборно-монолитными принято понимать комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон, укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое.

Сборный железобетон в сборно-монолитных конструкциях одновременно является опалубкой для монолитного железобетона и воспринимает все нагрузки в монтажный период.

Сборно-монолитный железобетон удачно сочетает положительные качества сборного и монолитного железобетона, благодаря чему является весьма экономичным, что существенно снижает расход стали и бетона. Различают сборно-монолитные конструкции с высоким (до 90 %) и низким (до 25 %) процентом содержания сборных элементов. Преимущество первых конструкций заключается в высокой индустриальности изготовления и монтажа, а вторых — в повышенной монолитности (неразрезности

4..

5. ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫЕ КОЛОННЫ

Сплошные и сквозные колонны со стержнем постоянного се­чения наиболее распространены при центральном сжатии. Сплошные колонны применяют при больших нагрузках и не­больших высотах, сквозные, наоборот, — при меньших нагруз­ках и больших высотах.

1. СПЛОШНЫЕ КОЛОННЫ

Типы сечений, широко применяемые для сплошных колонн, по­казаны на рис. 1. Наиболее простая колонна получается из одного прокатного двутавра (рис. 1, б); однако вследствие относительно небольшой боковой жесткости такая колонна рациональна в тех случаях, когда в плоскости меньшей жест­кости есть дополнительные раскрепления (продольные связи). Наиболее распространены составные двутавровые сечения (рис. VIII. 1, в), они жестки в обоих направлениях и достаточно просты в изготовлении. По затрате металла наиболее экономич­ны колонны трубчатого сечения (рис. 1, г), однако из-за недостатка труб они применяются пока мало. Находят примене­ние и колонны других типов (рис. 1, д).

Прочность и общая устойчивость сплошной колонны прове­ряются по формулам:

и (1)

где N— расчетная продольная сила; F_нт и F_бр— площадь сече­ния стержня нетто и брутто; _мин—коэффициент продольного изгиба, взятый по большей из гибкостей или (где 1_x, 1_y и r_х, r_у — соответственно расчетные длины и радиусы инерции сечения для осей х—х и у—у).

Сплошные сварные сечения проверяют только на устойчивость по вто­рой формуле (1).

Необходимо также, чтобы наибольшая гибкость колонны не превосходила предельную , равную для основных ко­лонн 120 и для второстепенных 150.

Элементы сечения колонны (полки, свесы, стенка) должны быть скомпонованы так, чтобы у них была обеспечена местная устойчивость.

Местная устойчивость полок двутаврового сечения (рис. 2, а), широко распространенного для колонн, зависит от класса стали, гибкости стержня (так как с увеличением гиб­кости реальные напряжения в элементе уменьшаются) и будет обеспечена, если отношение свеса пояса b_о к его толщине _п не будет превосходить величин, определенных для каждого класса стали.

Рис. 2. Сечение сплошной колонны двутаврового сечения

а — обозначение размеров; б — ребра жесткости; в — с неучитываемой расчетом (неустойчивой) стенкой

Если стержень колонны имеет недонапряжение, то значения b_о/_п могут быть увеличены в раз (R — расчетное сопротивление стали, а=-р----реальное осевое напряжение), но не

более чем на 25%-

Местная устойчивость стенки двутаврового сечения также зависит от гибкости стержня и будет обеспечена при условии, если

(2)

где R — расчетное сопротивление стали, кН/см².

В швеллерных и коробчатых сечениях вследствие меньшей степени защемления стенки это предельное отношение несколь­ко меньше:

(3)

В обоих случаях это отношение не должно быть более 75.

Если стержень колонны недонапряжен, то предельное отношение может быть увеличено в раз, однако и в этом случае оно должно быть не более 90.

Если предельное отношение не может быть выдержа­но, то стенку колонны можно укрепить продольными ребрами. В этом случае предельное отношение может быть увели­чено в  раз в зависимости от значения (где J — мо­мент инерции сечения ребра). Значения  и  приведены в табл.

ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА 

	0	1	2	4	6
	1	1,4	1,6	1,8	2

Продольное ребро вводится в расчетное сечение колонны, рис. 2,6.

Введением продольных ребер существенно увеличивается трудоемкость изготовления колонны, поэтому, чтоб ел их не ста­вить, неустойчивую часть стенки можно считать выключившей­ся из работы и в расчетном сечении стержня колонны считать только полки и крайние участки стенки шириной n_ст с каждой стороны, рис. 2, в. В зависимости от класса стали коэффи­циент п принимается по табл.

ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА п

Класс стали	С 38/23	С 44/29, С 46/33	С 52/40	С 60/45	С 70/60	С 85/75
п	15	14	13	12,5	12	11

Рассчитывают такие стержни как сплошные, только геомет­рические характеристики (F, I, W, r и т. д.) определяют для расчетного сечения (заштрихованная часть сечения на рис. 2,6):

При (R, кН/см²) необходимо также ставить поперечные ребра не реже чем через 3h_ст и не менее двух на одном отправочном элементе (за исключением стандартных сварных двутавров специализированного производства). Эти ребра связы­вают сечение в единое целое и увеличивают жесткость стержня против скручивания. Размеры поперечных ребер жесткости при­нимаются такими же, как и в балках (рис. 2,6):

толщина ребра из стали до класса С 46/33— b_р/15, для более прочных сталей b_р /12.

Практически сечения стержней сплошных колонн подбирают следующим образом:

1. Определяют ориентировочно требуемую площадь сечения см², для чего задаются приближенным значением коэффициента продольного изгиба = 0,7—0,9;

(4)

где N — расчетное усилие в колонне, кН; R — расчетное сопротивление ме­талла, из которого проектируется колонна, кН/см².

2. Определяют ориентировочно высоту сечения колонны h, которая не должна быть менее 1/15—1/20 высоты колонны. Генеральные размеры сече­ния h и b можно также находить исходя из предельной гибкости. Радиусы инерции сечения приближенно определяют по формулам:

и (5)

где _х и _у – табличные коэффициенты. Подставляя в формулу опре­деления гибкости значение предельной гибкости и приближенное вы­ражение радиусов инерции, найдем наименьшие габариты сечения, при кото­рых их гибкость не будет больше предельной:

и (6)

Обычно колонны проектируют с гибкостью  = 60—80 (меньше предель­ной), поэтому при определении генеральных размеров сечения по формулам (6) вместо [] подставляют значения 60—80.

3. Имея требуемую площадь и высоту сечения колонны, с учетом сорта­мента стали, компонуют сечение стержня колонны. В сварном двутавре (рис. 2, а) толщину стенки принимают обычно _Ст = 6—14 мм, а толщину поясов _п = 8—40 мм (сечение экономичнее, когда больше металла сосредо­точено в поясах, поэтому стенка должна быть как можно тоньше). Ширину пояса обычно не делают больше высоты сечения b_n≤h. Компонуя сечения поясов и стенки, для обеспечения их местной устойчивости необходимо вы­держать соотношения, приведенные в справочных таблицах и в формулах (2) и (3).

4. Вычисляют геометрические характеристики сечения колонны и прове­ряют ее прочность, устойчивость и гибкость. Если сечение оказалось по ка­ким-либо показателям неудовлетворительным, то его теперь легко подкор­ректировать.

2. СКВОЗНЫЕ КОЛОННЫ

Типы сечений стержней сквозных колонн приведены на рис. 3, где показано также соединение ветвей, которое мо­жет быть выполнено при помощи раскосов (решетки) или пла­нок. Соединение ветвей колонны раскосами придает стержню большую жесткость, поэтому такие колонны применяют при значительных нагрузках, а также при возможных незначитель­ных отклонениях продольной силы (неучитываемых расчетом) с оси стержня.

Рис. 3. Типы сечений и соединение ветвей сквозных колонн

Прочность стержня сквозной колонны, если ее ветви ослаб­лены какими-либо отверстиями (например, при креплении рас­косов или планок заклепками или болтами), проверяют по формуле

(7)

где N — расчетная продольная сила; F_HT — площадь нетто вет­вей колонны.

Стержень колонны должен быть также проверен на устойчи­вость. Если сечение стержня состоит из двух ветвей (рис. 4, а), то ось, пересекающая ветви, называется мате­риальной, а ось, пересекающая раскосы или планки, — свобод­ной. В сечении, состоящем из четырех ветвей (рис. 4, б), обе оси свободные.

Проверка устойчивости стержня относительно материаль­ной оси х—х ничем не отличается от проверки устойчивости сплошного центрально-сжатого стержня и производится по формуле

(8)

где F_бр — площадь сечения ветвей брутто; _х — коэффициент продольного изгиба, взятый для гибкости

(где l_x и r_х—.расчетная длина и радиус инерции сечения отно­сительно материальной оси х—х).

Относительно свободной оси у—у ветви колонны не имеют сплошного соединения, а соединены в отдельных местах раско­сами или планками, поэтому жесткость колонны в этом направ­лении понижена. Это учитывается вычислением приведенной гибкости стержня _пр, зависящей от конструкции соединения ветвей, и устойчивость стержня колонны относительно свобод­ной оси проверяется по формуле

(9)

где _y—коэффициент продольного изгиба для свободной оси y—y (рис. 4, а) или для обеих осей (рис. 4, б), взятый по приведенной гибкости.

Рис. 4. К расчету стержня сквозной колонны

а — двухветвовое сечение; б—четырехветвовое сечение

Для сечений с одной свободной осью (рис. 4, а) приве­денную гибкость определяют по формулам:

при соединении ветвей раскосами

(10)

при соединении ветвей планками

(11)

Для сечения с двумя свободными осями (рис. 4, б):

при соединении ветвей раскосами

(12)

при соединении ветвей планками

(13)

Здесь — гибкость стержня колонны относительно свободной оси, вычисленная для расчетной длины всего стержня.

где N_B=N/2 усилие в одной ветви (для колонны с двумя оди­наковыми ветвями); F_B — площадь сечения одной ветви; _в— коэффициент продольного изгиба ветви, взятый по гибкости _Bl для сечения с двумя ветвями или большей из гибкостей _Bl и _B2 для сечения с четырьмя ветвями.

Устойчивость ветви проверяется только относительно оси, параллельной свободной оси сечения колонны; устойчивость вет­ви относительно материальной оси х—х обеспечивается провер­кой устойчивости всего стержня по формуле (9).

Для обеспечения необходимой жесткости стержня в сквоз­ных колоннах с планками гибкость ветвей на участке между планками не должна превышать 40. Наибольшая гибкость всего стержня (в том числе и приведенная) не должна быть больше предельной для сжатых колонн.

Обычно сечения стержней сквозных колонн подбирают в следующем по­рядке:

1. Задаются приближенным значением коэффициента продольного изгиба  и определяют ориентировочно требуемую площадь сечения ветвей по фор­муле (4):

2. Так же, как и для сплошных колонн, исходя из предельной гибкости [] и расчетных длин колонны в обеих плоскостях, можно определить наи­меньшие генеральные размеры сечения h и b, при которых гибкость стержня не будет больше предельной [формулы (6)]:

Коэффициенты _х и _у для наиболее распространенных сквозных сече­ний приведены в табл.6.

Колонны редко проектируют с предельной гибкостью, поэтому при определении генеральных размеров сечений b и h вме­сто [] подставляют значение гибкости  = 60—80. Рациональный разнос ветвей получается, когда гибкость колонны в обоих направлениях примерно одинакова _х_у (равноустойчивый стержень); для этого размер b не должен быть меньше соотношения

(где l_x и l_y — расчетные длины стержня колонны).

3. Имея требуемую площадь и габариты сечения с учетом сортамента стали, намечают сечение стержня колонны.

4. Определяют длину ветвей между раскосами или планками. В колон­нах с раскосами расстояние между узлами решетки определяют ее видом (углом наклона раскосов) (см. рис. 3); в колоннах с планками гибкость ветви не должна быть более 40, поэтому ее длину находят из соотношения l_в≤40r_в1 (где r_в1 —радиус инерции ветви относительно оси, свободной параллельной оси сечения колонны).

5. Далее определяют геометрические характеристики ветвей колонны и всего сечения и производят проверку прочности стержня (если это необхо­димо) по формуле (7), устойчивости стержня в обеих плоскостях по формулам (8) и (9), устойчивость ветви по формуле (14) и срав­нивают наибольшую гибкость стержня с предельной.

При определении приведенной гибкости колонны с раскосами по фор­мулам (10) и (12) необходимо установить площадь сечения этих раскосов. Так как усилия в них незначительны, то их сечение предварительно назначают исходя из предельной гибкости для элементов решетки колонн, равной [] = 150. Требуемый минимальный радиус инер­ции равнобокого уголка раскоса (относительно оси у₀—у₀) находят по формуле (l_р—длина раскоса) и затем по сортаменту выбирают необходимый уголок.

6. Оценка оферт и выбор лучшего предложения из представленных на подрядные торги.

В зависимости от предмета торгов и условий заказчика по решению тендерного комитета может осуществляться:

1. Балльная оценка системы показателей.

2. Экономическое соизмерение затрат и прибыли путем расчета величины приведенных затрат.

3. Смешанная (балльно - экономическая) оценка. Предлагается два методических подхода к балльной оценке.

При первом подходе устанавливается максимально воз­можная сумма баллов по оферте (например —1000 баллов), максимально возможное число баллов по каждому из оце­ниваемых показателей (критериев) и порядок определения количества баллов по каждому показателю для соответству­ющей оферты.

где з — сумма баллов по оцениваемой оферте;

з_i. — коэффициент отклонения показателя по данной оферте

от наилучшего показателя в других офертах;

з_i^max — максимально возможное число баллов, которое можно присвоить i-му показателю (критерию), устанавливае­мое тендерным комитетом на этапе, предшествующем проведению оценки оферт;

п — количество рассматриваемых критериев.

Во втором подходе показатель оценивается по десяти­балльной шкале в зависимости от степени соответствия оферт требованиям тендерной документации (ТД).

Например: 8—10 баллов — лучше, чем требования ТД;

6—7 баллов — соответствует требованиям ТД;

3—5 баллов — не полностью соответствует требовани­ям ТД;

1—2 балла —полностью не соответствует требованиям ТД.

Тогда:

где з_j—количество баллов, присвоенных данной оферте по j-му

критерию по десятибалльной шкале;

e_i — коэффициент весомости j-ro критерия;

т — число рассматриваемых критериев (показателей).

Рекомендуется:

Экономическая оценка производится по критерию ми­нимума приведенных затрат:

где 3_i — величина приведенных затрат по предмету торгов за рас­четный период, рассчитанная на основе показателей, предложенных i-м оферентом;

Ц_i — предложенная i-м оферентом цена предмета торгов, млн. руб.;

— экономия эксплуатационных затрат или увеличение при­были по объекту при повышении качества строитель­ства (предложено i-м оферентом в сопоставимом уров­не цен), млн. руб. в год;

— предложенное i-м оферентом ускорение срока ввода объекта в эксплуатацию по сравнению со сроком, ука­занным в условиях тендера;

Т — расчетный период эксплуатации (рекомендуется прини­мать не более 10 лет);

П — ожидаемая заказчиком среднегодовая прибыль после ввода объекта в эксплуатацию, млн руб. в год.

Стоимостные показатели должны быть приведены в со­поставимом уровне цен (например, на момент проведения торгов). Побеждает тот оферент, у которого 3_i <— min.

Балльно-экономическая оценка применяется, когда одна часть показателей может быть соизмерима по алго­ритму приведенных затрат, а другая — методом балль­ной оценки. В этом случае балльную оценку получает показатель и приведенные затраты по предмету торгов.