Комбинированная кровельно-потолочная конструкция с двойным предварительным напряжением с плоской нижней поверхностью потолочной плиты для большепролетных промышленных зданий

1 Область техники По международной патентной классификации изобретение относится к области, обозначенной Е 04 В 1/00, которая, в целом, относится к конструкциям и строительным элементам Е 04 С 3/00, и в частности к группе Е 04 С 3/00 и 3/294. Техническая проблема Комбинированные кровельно-потолочные конструкции с двойным предварительным напряжением и плоской нижней поверхностью это плоскообъемные сборные несущие элементы для строительства большепролетных промышленных зданий, которые решают несколько частных технических проблем, чтобы добиться следующего: построить в большепролетных зданиях потолок с плоской нижней поверхностью, скрывающий, в целом, неэстетичный вид конструкции кровли изнутри здания, устраняющий бесполезное пространство, в котором размещают балки наклонной кровли, и уменьшающий бесполезный обогреваемый объем внутреннего пространства здания; создать пространство с естественной вентиляцией между потолком и кровлей, что позволит экономить энергию на обогрев и скрытно пропускать внутренние инженерные коммуникации через невысокое пространство чердачного помещения; обеспечить безопасность работ на высоте и ускорить темпы строительства большепролетных кровель-потолков за счет использования крупнопанельных, но относительно легких элементов. Решение вышеуказанных технических проблем сводится к разрешению строительной технической проблемы, связанной с обеспечением несущей способности, надлежащих характеристик эксплуатационной надежности и долговечности конструкции, предотвращением слишком больших прогибов и широких трещин в гибкой бетонной потолочной плите. При использовании обычной железобетонной потолочной плиты длина пролета этих гибких конструкций ограничена и, кроме того, они также имеют низкий срок эксплуатации. Слишком большие прогибы железобетонной потолочной плиты можно было бы уменьшить путем увеличения жесткости верхнего каркаса или компенсировать встречным по форме прогибом, но такое решение представляло бы собой лишь неэкономичный и ненадежный способ уменьшения прогибов, при котором проблема трещин осталась бы нерешенной. При перекрытии железобетонной потолочной плиты большого пролета она испытывает большие растягивающие нагрузки, которые вызывают появление трещин и их развитие из-за ползучести и усадки бетона, в результате которых величина прогиба соответственно увеличивается с увеличением ширины трещин. Начальная трещина в потолочной плите, вызванная сочетанием большой осевой растягивающей нагрузки и небольших по величине местных 2 изгибающих моментов, локально сосредоточенных в точках, где несущие элементы верхнего каркаса соединяются с потолочной плитой, со временем расширяется, а не распределяется по всей длине потолочной плиты, что было бы более желательным поведением железобетона. Задача, таким образом, сводится к созданию способа предварительного напряжения,который позволял бы надежно и длительно противодействовать большому прогибу и исключать или уменьшать растрескивание бетона потолочной плиты, которая подвергается воздействию большой растягивающей нагрузки, т.е. способа предварительного напряжения, который обеспечивал бы прогиб железобетонной потолочной плиты вверх и создавал бы в ней сжимающую нагрузку. Из-за специфичности этих конструкций невозможно решить эту задачу обычным способом предварительного напряжения железобетона, по которому нагрузка осевого предварительного напряжения проходит через центр тяжести потолочной плиты, поскольку небольшое смещение по отношению к центру тяжести всего поперечного сечения может влиять лишь на процесс развития трещин в потолочной плите и практически не влияет на прогибы. При обычных способах предварительного напряжения сжимающую нагрузку в балочной или форменной железобетонной конструкции прикладывают ниже центра тяжести поперечного сечения железобетона, что благодаря конкретной геометрии обеспечивает прогиб элемента вверх и позволяет одновременно решить проблему прогибов и проблему растрескивания бетона. В случае специальной комбинированной кровельно-потолочной конструкции с плоской нижней поверхностью невозможно осуществить предварительное напряжение обычным способом предварительного напряжения с созданием в бетонном теле такой сжимающей нагрузки,чтобы одновременно получить встречный прогиб потолочной плиты вверх и закрыть ее трещины, поскольку здесь невозможно заметно сместить нагрузку относительно центра тяжести всего поперечного сечения потолочной плиты. Создание такой нагрузки предварительного напряжения в точке, смещенной ниже центра тяжести поперечного сечения, потребовало бы расположить центр арматурного пучка ниже уровня потолочной плиты, что приведет к разрушению ее плоской нижней поверхности. Осевое предварительное напряжение, которое создает сжимающую нагрузку в центре тяжести потолочной плиты, из-за малого смещения оказывает влияние только на процесс образования трещин, но никак не влияет на прогибы. Еще одна техническая проблема, которая имеется при больших пролетах, заключается в обеспечении устойчивости гибкой конструкции к боковому выпучиванию по всей ее длине, ко 3 торое может вызвать потерю устойчивости и обрушение всей конструкции. Описание известных технических решений Изобретение относится к специальным комбинированным кровельно-потолочным конструкциям, относительно которых отсутствуют известные нам решения. Все преимущества,которыми обладает это новшество, стали возможными благодаря созданию способа предварительного напряжения, который делает их применимыми для больших пролетов при строительстве промышленных зданий. Все обычные способы предварительного напряжения железобетона рассчитаны на специфические характеристики железобетона со специально подобранными формами поперечного сечения и предусматривают создание нагрузки предварительного напряжения в нижней зоне балок, ферм или плит, и благодаря сжимающей нагрузке, действующей со смещением ниже центра тяжести поперечного сечения, проблемы прогибов и трещин решают одновременно. При строительстве зданий из металлических конструкций обычно применяют несколько способов предварительного напряжения, в которых для создания предварительного напряжения некоторые элементы ферм подвергают механическому или термическому воздействию. Вышеупомянутые способы предварительного напряжения хорошо известны, и их используют для конструкций, состоящих из одного материала, и приспосабливают к его конкретным характеристикам. Из-за того, что железобетонные конструкции являются комбинированными и изготовлены из бетонных и стальных частей, их нельзя по характеристикам предварительного напряжения сравнивать с обычными, в которых для того, чтобы создать нагрузку предварительного напряжения ниже центра тяжести поперечного сечения, применяют несколько технических решений. Раскрытие изобретения Данное новшество позволяет решить проблему предварительного напряжения специальных комбинированных кровельно-потолочных конструкций с плоской нижней поверхностью, которые предназначены для строительства промышленных зданий с большими пролетами и обеспечивают при этом некоторые преимущества. Например, наличие плоской нижней поверхности потолка в зданиях с большими пролетами позволяет скрыть, в целом, неэстетичный вид конструкции кровли изнутри здания; эти конструкции, помимо их распространенного применения в зданиях и сооружениях предприятий тяжелой промышленности или для складских помещений, становятся пригодными для предприятий легкой промышленности, магазинов и т.п. Сборный потолок имеет качественную поверхность и не требует дополнительных отделочных работ по месту. 4 Устранение бесполезного пространства между балками наклонной кровли уменьшает обогреваемый объем внутреннего пространства здания и позволяет экономить энергию на обогрев. Чердачное пространство с естественной вентиляцией, которое простым образом термоизолировано насыпным материалом, что улучшает изоляцию кровли, позволяет скрытно пропускать внутренние инженерные коммуникации через невысокое пространство чердачного помещения с обеспеченным доступом для их обслуживания, а не пропускать их по стенам и иным частям интерьера так, чтобы они были видны. Повышается безопасность монтажных работ на высоте, работ по укладке кровли, поскольку все работы выполняются на ровной поверхности потолочных плит, благодаря чему обеспечивается возможность выполнения работ в естественном положении стоя. Использование плитовых крупнопанельных элементов, обеспечивающих покрытие сразу большой части кровли, имеет много преимуществ по сравнению со многими обычными способами строительства, в которых используют основные и вспомогательные балки. Для того чтобы получить вышеупомянутые преимущества этих конструкций на больших пролетах, задача сводится к строительному техническому решению, которое обеспечивает надлежащие несущую способность, эксплуатационную надежность и долговечность конструкции. Эта задача решается путем создания двойного предварительного напряжения с сочетанием двух независимых способов предварительного напряжения, одним из которых уменьшают прогибы железобетонной потолочной плиты конструкции, а вторым устраняют или уменьшают образование в ней трещин при действии большой растягивающей нагрузки. Для лучшего понимания технической проблемы, которую позволяет решить данное изобретение, на упрощенной модели, показанной на фиг. 1 и 2, сравнивается обычный способ предварительного напряжения со способом предварительного напряжения, создаваемого в комбинированных кровельно-потолочных конструкциях с плоской нижней поверхностью. При обычных способах предварительного напряжения балок или ферм, как показано на фиг. 1, сжимающую нагрузку (Ро) создают ниже центра тяжести железобетона (t) со смещением(е) в зоне растяжения или вне ее, сжимая концы балки в направлении к центру пролета, в результате чего создается отрицательный изгибающий момент (М = е х Ро), который вызывает прогиб балки вверх (u). При таком способе предварительного напряжения прогиб вверх уменьшает прогиб вниз от приложенной внешней нагрузки, и одновременно под воздействием 5 приложенной сжимающей нагрузки (Nt) закрываются трещины в зоне растяжения балки. Этот способ не может быть использован для специальных комбинированных кровельнопотолочных конструкций, которые имеют широкую нижнюю потолочную плиту с низко расположенным центром тяжести всего поперечного сечения. Использование тяжелой железобетонной плиты для нижней части конструкции с легкой стальной верхней частью кажется нелогичным, поскольку сталь, которая часто имеет проблемы устойчивости, испытывает высокое сжатие, а железобетон, который может выдерживать лишь слабое растяжение, подвергается значительному растяжению. Однако такой выбор - это цена, которую нужно платить, чтобы получить плоскую нижнюю поверхность и ее преимущества. Из-за такого нелогичного с точки зрения несущей способности выбора создание предварительного напряжения потребует более высоких затрат, чем обычное предварительное напряжение железобетона. Создание сжимающей нагрузки (Ро) ниже центра тяжести поперечного сечения потребовало бы смещения арматурного пучка ниже потолочной плиты, что исключило бы возможность получения плоской нижней поверхности. Предлагаемый способ предварительного напряжения, показанный на фиг. 2, представляет собой способ, противоположный обычному. Прогиб балки вверх (u) создают путем разжимания верхней конструкции, разделенной в середине, в направлении от середины пролета к его концам, и при этом сжимающая нагрузка предварительного напряжения (Ро) действует в точке со смещением (е) выше центра тяжести поперечного сечения железобетона (t). В обоих сравниваемых способах создается отрицательный изгибающий момент (М = е х Ро),который вызывает прогиб потолочной плиты вверх (u). Но поскольку при обычном предварительном напряжении необходимую прикладываемую сжимающую нагрузку (Nt) создают в потолочной плите, а в другом случае - разжиманием верхней конструкции в направлении к ее концам, создается нежелательная растягивающая сила (Nv), которую необходимо уменьшить или устранить путем дополнительного предварительного напряжения, и это цена, которую нужно платить, чтобы получить плоскую нижнюю поверхность. На фиг. 3 на той же модели показано это второе, дополнительное, осевое предварительное напряжение, создающее в потолочной плите сжимающую нагрузку (Nt1), которая устраняет деформацию от внешней нагрузки и первого предварительного напряжения, показанного на фиг. 2. Это второе предварительное напряжение не создает изгибающих моментов, поскольку оно действует в точке с пренебрежимо малым смещением относительно центра тяжести желе 004450 6 зобетона и не влияет на прогибы, полученные при предыдущем предварительном напряжении. Таким образом, два независимых способа предварительного напряжения решают техническую проблему борьбы с трещинами и прогибами конструкции. На фиг. 4 показано практическое осуществление обоих способов предварительного напряжения на реальной модели. Стальная верхняя конструкция имеет две симметричные разделенные в центре пролета половины (2) и вертикальные соединительные элементы (3). В точке разрыва в середине пролета имеется деталь с вертикальным клином, с помощью которой верхнюю конструкцию подвергают предварительному напряжению, после чего ее половины фиксируют друг относительно друга. Обе половины верхней конструкции вначале располагают на опалубке (6), предназначенной для отливки бетонной потолочной плиты. Предварительное напряжение стальных арматурных пучков, предварительно пропущенных через отверстия (5) на концах стоек (3) и предназначенных для соединения стальных частей (3) с железобетонной потолочной плитой 1,выполняют в форме (4). После затвердевания бетона предварительно напряженные арматурные пучки высвобождают из опалубки (6), после чего на потолочную плиту начинает действовать сжимающая нагрузка. Конструкция прошла первую стадию предварительного напряжения. В результате, получают верхнюю конструкцию (2), заделанную в железобетонную потолочную плиту (1). При этом, как показано на фиг. 1, на железобетонную плиту действуют сжимающие напряжения, но потолочная плита вверх не прогнута. Теперь необходимо выполнить дополнительное предварительное напряжение по способу, показанному на фиг. 2. В точке разрыва верхней конструкции (2) в смежные каналы,выполненные на обоих концах соединяемых частей, помещают стальной клин (7), и подготавливают забойное устройство (8) для забивки этого клина. Забивка стального клина (7) приводит к разжиманию разделенных частей верхней конструкции (2) в направлении к концам потолочной плиты (1) и созданию в ней растягивающей силы, но в потолочной плите уже действует сжимающая нагрузка, созданная первым предварительным напряжением. Величина сжимающей нагрузки, созданной первым предварительным напряжением, должна быть такой, чтобы после снятия нагрузки растяжения при втором предварительном напряжении оставался достаточный запас сжатия, при котором после уменьшения нагрузки растяжения под воздействием приложенной внешней нагрузки остающаяся в потолочной плите нагрузка растяжения имела бы значение меньше допустимого или уменьшалась бы до нуля. 7 Описание графических материалов Фиг. 1 иллюстрирует упрощенную модель обычного способа предварительного напряжения путем создания сжимающей нагрузки предварительного напряжения ниже центра тяжести поперечного сечения и показывает развивающиеся внутренние нагрузки. Фиг. 2 иллюстрирует упрощенную модель способа предварительного напряжения путем создания сжимающей нагрузки предварительного напряжения путем разжимания верхней конструкции выше центра тяжести поперечного сечения и показывает развивающиеся внутренние нагрузки. Фиг. 3 иллюстрирует упрощенную модель способа осевого дополнительного предварительного напряжения в конструкции потолочной плиты и показывает развивающиеся внутренние нагрузки. Фиг. 4 представляет собой вид сбоку реальной модели, на котором показаны необходимые для иллюстрации способы предварительного напряжения и компоненты. Фиг. 5 представляет собой разрез конструкции с ее компонентами. Фиг. 6 представляет собой деталь разделенной верхней конструкции, к которой прикладывают нагрузку предварительного напряжения. Фиг. 7 иллюстрирует способ, которым предотвращают выпучивание верхней конструкции. Описание предпочтительного варианта осуществления Стальную верхнюю конструкцию (2), симметрично разделенную в середине пролета на две равные части, устанавливают на вертикальных элементах (3) в опалубку (6) для бетонирования потолочной плиты (1). Стальные арматурные пучки, предварительно пропущенные через отверстия(5) на концах стоек (3), подвергают предварительному напряжению в форме (4), после чего потолочную плиту (1) бетонируют. После затвердевания бетона, ускоренного пропариванием, арматурные пучки (4) высвобождают от опалубки (6). После этого первая стадия предварительного напряжения завершена. В точке разрыва стальной конструкции (2) в подготовленную деталь, которая снижает концентрацию напряжений, помещают стальной клин (7) и подготавливают забойное устройство(8), которое забивает этот клин. При забивке стального клина (7) в деталь в обеих разделенных частях верхней конструкции (2) образуется предварительное напряжение, при этом создаваемую нагрузку контролируют по величине прогиба потолочной плиты (1) вверх в середине пролета и по величине усилия забивки клина по давлению, которое показывает манометр забойного устройства (8). По результатам этих двух измерений можно легко рассчитать создаваемую нагрузку. 8 Комбинированные кровельно-потолочные конструкции с двойным предварительным напряжением с плоской нижней поверхностью потолочной плиты предназначены для строительства большепролетных промышленных зданий и других большепролетных зданий. Благодаря их особым решениям обеспечиваются многие преимущества по сравнению с некоторыми обычными строительными системами. Например, крупные плитовые элементы сразу же решают задачу получения кровли и потолка с готовой нижней поверхностью. Эстетичная потолочная плита закрывает бесполезное пространство между балками наклонной кровли и позволяет уменьшить обогреваемый объем внутреннего пространства здания и затраты энергии на обогрев здания. При этом получают пространство с естественной вентиляцией между кровлей и потолком,что позволяет скрытно пропускать все виды внутренних инженерных коммуникаций через невысокое пространство чердачного помещения, а не пропускать их по поверхностям стен и иных элементов интерьера, что (последнее) обходится дороже. Использование плитовых крупнопанельных элементов, покрывающих сразу большую часть кровли, имеет существенные преимущества по сравнению со многими обычными способами строительства, в которых используют основные и вспомогательные балки. Эстетичная потолочная плита закрывает бесполезное пространство между балками наклонной кровли и позволяет уменьшить обогреваемый объем внутреннего пространства здания и затраты энергии на обогрев здания. После того как потолочные плиты смонтированы и на широкую плоскую плиту уложена термоизоляция, обеспечивается безопасность строительно-монтажных работ на высоте, а также возможность выполнения работ в положении стоя, что исключает необходимость взбираться на балки. Низкая стоимость этих конструкций обусловлена тем, что кровельнопотолочные плиты, имеющие окончательно отделанную нижнюю поверхность, являются одновременно несущей конструкцией с малым расходом материала. Способ предварительного напряжения с разжиманием в стороны позволяет получать недорогие крупнопанельные кровельно-потолочные конструкции, которые быстро монтируются, покрывают сразу большую часть кровли, а соотношение площади поверхности к объему этих элементов имеет значение,приемлемое для пропаривания бетона с целью ускорения его твердения, что обеспечивает возможность быстрого изготовления плит. Благодаря вышеуказанным преимуществам на потолочную плиту с плоской нижней поверхностью можно укладывать термоизоляцию произвольной толщины, которая заполняет невысокое пространство чердачного помеще 9 ния, и эти конструкции подходят для сооружения зданий с внутренними помещениями, в которых поддерживается искусственный климат,например зданий предприятий легкой промышленности, крупных рынков, спортивных и подобных сооружений. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Комбинированная кровельнопотолочная конструкция с двойным предварительным напряжением с плоской нижней поверхностью потолочной плиты для строительства большепролетных промышленных зданий,отличающаяся тем, что содержит широкую и тонкую отделанную железобетонную плиту (1) и состоящую их двух частей стальную верхнюю конструкцию (2) наклонной или арочной формы, соединенную с потолочной плитой (1) вертикальными элементами (3), которую подвергают осевому предварительному напряжению в опалубке (6), а стальную верхнюю конструкцию(2) предварительно напрягают путем разжимания с помощью клина (7) в середине пролета,после чего разделенные стальные части фиксируют друг относительно друга. 2. Предварительно напряженная комбинированная кровельно-потолочная конструкция с плоской нижней поверхностью потолочной плиты по п.1, отличающаяся тем, что соединение между железобетонной плитой (1) и верхней конструкцией обеспечивают с помощью заделанных в бетон вертикальных элементов (3), 10 через отверстия (5) на нижних концах которых пропускают арматурные пучки (4), при этом вертикальные элементы (3) служат также для позиционирования сварных арматурных сеток при бетонировании. 3. Предварительно напряженная комбинированная кровельно-потолочная конструкция с плоской нижней поверхностью потолочной плиты по п.1, отличающаяся тем, что ее предварительно напрягают двумя независимыми способами, причем прогиб железобетонной потолочной плиты (1) компенсируют предварительным напряжением верхней конструкции (2), а на развитие трещин в железобетонной потолочной плите (1) воздействуют осевым предварительным напряжением. 4. Предварительно напряженная комбинированная кровельно-потолочная конструкция с плоской нижней поверхностью потолочной плиты по п.1, отличающаяся тем, что выпучивание верхней конструкции (2) предотвращают с помощью откосов (9), закрепленных в потолочной плите (1). 5. Предварительно напряженная комбинированная кровельно-потолочная конструкция с плоской нижней поверхностью потолочной плиты по п.1, отличающаяся тем, что нагрузка предварительного напряжения (Ро), которую создают в конструкции путем разжимания согласно фиг. 2, действует выше центра тяжести всего поперечного сечения (t) комбинированной конструкции со смещением (е).