Бетонная плита — это распространенный структурный элемент современных зданий, состоящий из плоской горизонтальной поверхности, выполненной из литого бетона. Армированные сталью плиты , обычно толщиной от 100 до 500 мм, чаще всего используются для строительства полов и потолков, в то время как более тонкие глиняные плиты могут использоваться для внешнего мощения ( ). [1] [2]
Во многих жилых и промышленных зданиях для строительства первого этажа используется толстая бетонная плита, опирающаяся на фундамент или непосредственно на подпочву . Эти плиты обычно классифицируются как наземные или подвесные . Плита является наземной, если она опирается непосредственно на фундамент, в противном случае плита подвешена. [3] Для многоэтажных зданий существует несколько распространенных конструкций плит ( ):
На технических чертежах железобетонные плиты часто сокращаются до "rcc slab" или просто "rc". Расчеты и чертежи часто выполняются инженерами-строителями в программном обеспечении CAD .
Энергоэффективность стала первостепенной задачей при строительстве новых зданий, а распространенность бетонных плит требует тщательного рассмотрения их тепловых свойств с целью минимизации потерь энергии. [5] Бетон имеет схожие тепловые свойства с изделиями из каменной кладки, поскольку он имеет относительно высокую теплоемкость и является хорошим проводником тепла.
В некоторых особых случаях тепловые свойства бетона использовались, например, в качестве радиатора на атомных электростанциях или теплового буфера в промышленных морозильниках. [6]
Теплопроводность бетонной плиты указывает на скорость передачи тепла через твердую массу путем теплопроводности , обычно в отношении передачи тепла к земле или от земли. Коэффициент теплопроводности, k , пропорционален плотности бетона, среди прочих факторов. [5] Основное влияние на проводимость оказывают влажность, тип заполнителя , тип цемента , пропорции компонентов и температура. Эти различные факторы усложняют теоретическую оценку значения k , поскольку каждый компонент имеет различную проводимость при изоляции, а положение и пропорция каждого компонента влияют на общую проводимость. Чтобы упростить это, частицы заполнителя можно считать взвешенными в однородном цементе. Кэмпбелл-Аллен и Торн (1963) вывели формулу для теоретической теплопроводности бетона. [6] На практике эта формула применяется редко, но остается актуальной для теоретического использования. Впоследствии Валор (1980) разработал другую формулу с точки зрения общей плотности. [7] Однако это исследование касалось пустотелых бетонных блоков, и его результаты не проверены для бетонных плит.
Фактическое значение k на практике значительно варьируется и обычно составляет от 0,8 до 2,0 Вт м −1 К −1 . [8] Это относительно много по сравнению с другими материалами, например, проводимость древесины может быть всего 0,04 Вт м −1 К −1 . Одним из способов смягчения эффектов теплопроводности является введение изоляции ( ).
Второе соображение — высокая тепловая масса бетонных плит, которая применима также к стенам и полам или везде, где бетон используется в тепловой оболочке . Бетон имеет относительно высокую тепловлажностную массу, что означает, что ему требуется много времени, чтобы отреагировать на изменения температуры окружающей среды. [9] Это является недостатком, когда помещения отапливаются прерывисто и требуют быстрого реагирования, так как требуется больше времени, чтобы прогреть все здание, включая плиту. Однако высокая тепловая масса является преимуществом в климате с большими суточными колебаниями температуры, где плита действует как регулятор, сохраняя прохладу в здании днем и тепло ночью.
Обычно бетонные плиты работают лучше, чем предполагается по их значению R. [5] Значение R не учитывает тепловую массу, поскольку оно тестируется в условиях постоянной температуры . Таким образом, когда бетонная плита подвергается колебаниям температур, она будет медленнее реагировать на эти изменения и во многих случаях увеличивать эффективность здания. [5] В действительности существует множество факторов, которые способствуют эффекту тепловой массы, включая глубину и состав плиты, а также другие свойства здания, такие как ориентация и окна.
Тепловая масса также связана с температуропроводностью, теплоемкостью и изоляцией. Бетон имеет низкую температуропроводность, высокую теплоемкость, и на его тепломассу отрицательно влияет изоляция (например, ковер). [5]
Без изоляции бетонные плиты, отлитые непосредственно на земле, могут вызвать значительный объем передачи внешней энергии путем теплопроводности, что приводит либо к потере тепла, либо к нежелательному теплу. В современном строительстве бетонные плиты обычно отливаются поверх слоя изоляции , например, пенополистирола , и плита может содержать трубы напольного отопления . [10] Однако все еще существуют области применения плиты, которая не изолирована, например, в хозяйственных постройках, которые не отапливаются или не охлаждаются до комнатной температуры ( ). В этих случаях отливка плиты непосредственно на подложку из заполнителя будет поддерживать плиту вблизи температуры подложки в течение всего года и может предотвратить как замерзание, так и перегрев.
Распространенным типом изолированной плиты является система балок и блоков (упомянутая выше), которая модифицирована путем замены бетонных блоков на пенополистирольные блоки. [11] Это не только позволяет улучшить изоляцию, но и снижает вес плиты, что оказывает положительное влияние на несущие стены и фундаменты.
Опорные плиты, также известные как «на земле» или «плита на уровне земли», обычно используются для цокольных этажей в жилых и некоторых коммерческих помещениях. Это экономичный и быстрый метод строительства для участков с нереактивной почвой и небольшим уклоном. [12]
Для плит, опирающихся на грунт, важно проектировать плиту вокруг типа почвы, поскольку некоторые почвы, такие как глина, слишком динамичны, чтобы поддерживать плиту последовательно по всей ее площади. Это приводит к растрескиванию и деформации, что потенциально может привести к структурному отказу любых элементов, прикрепленных к полу, таких как стойки стен. [12]
Выравнивание площадки перед заливкой бетона является важным шагом, так как наклонная поверхность приведет к неравномерному затвердеванию бетона и дифференциальному расширению. В некоторых случаях естественно наклонная площадка может быть выровнена просто путем удаления почвы с возвышенной площадки. Если площадка имеет более значительный уклон, она может быть кандидатом на метод «выемки и заполнения», когда почва с возвышенной площадки удаляется, а нижняя площадка застраивается засыпкой . [ 13]
Помимо заполнения наклонной стороны, эта область плиты может поддерживаться бетонными опорами , которые уходят в землю. В этом случае материал заполнения менее важен с точки зрения конструкции, поскольку собственный вес плиты поддерживается опорами. Однако материал заполнения все еще необходим для поддержки затвердевающего бетона и его армирования.
Существует два распространенных метода заполнения — контролируемое заполнение и рулонное заполнение . [13]
Правильное отверждение бетона, несущего грунт, необходимо для получения достаточной прочности. Поскольку эти плиты неизбежно заливаются на месте (а не собираются заранее, как некоторые подвесные плиты), может быть сложно контролировать условия для оптимизации процесса отверждения. Обычно этому способствует мембрана, либо пластиковая (временная), либо жидкая смесь (постоянная). [14]
Грунтовые плиты обычно дополняются некоторой формой армирования, часто стальной арматурой . Однако в некоторых случаях, таких как бетонные дороги, допустимо использовать неармированную плиту, если она надлежащим образом спроектирована ( ).
Для подвесной плиты существует ряд конструкций для улучшения соотношения прочности к весу. Во всех случаях верхняя поверхность остается плоской, а нижняя модулируется:
.jpg/1280px-FAU-UFPA_(7).jpg)
Неармированные или «простые» [18] плиты становятся редкими и имеют ограниченное практическое применение, за исключением глиняной плиты ( ). Когда-то они были распространены в США, но экономическая ценность армированных грунтовых несущих плит стала более привлекательной для многих инженеров. [10] Без армирования вся нагрузка на эти плиты поддерживается прочностью бетона, что становится жизненно важным фактором. В результате любое напряжение, вызванное нагрузкой, статической или динамической, должно быть в пределах предела прочности бетона на изгиб , чтобы предотвратить растрескивание. [19] Поскольку неармированный бетон относительно очень слаб на растяжение, важно учитывать эффекты растягивающего напряжения, вызванного реактивной почвой, ветровым подъемом, тепловым расширением и растрескиванием. [20] Одно из наиболее распространенных применений неармированных плит — бетонные дороги.
Грязевые плиты, также известные как крысиные плиты , тоньше, чем более распространенные подвесные или опорные плиты (обычно от 50 до 150 мм), и обычно не содержат армирования. [21] Это делает их экономичными и простыми в установке для временных или малоиспользуемых целей, таких как подполы, подпольные пространства, дорожки, мощение и выравнивание поверхностей. [22] В целом, их можно использовать для любого применения, требующего ровной, чистой поверхности. Это включает использование в качестве основания или «подплиты» для более крупной структурной плиты. На неровных или крутых поверхностях эта подготовительная мера необходима для обеспечения ровной поверхности, на которой можно установить арматуру и гидроизоляционные мембраны. [10] В этом применении грязевая плита также предотвращает погружение пластиковых барных стульев в мягкий верхний слой почвы, что может привести к растрескиванию из-за неполного покрытия стали. Иногда грязевая плита может быть заменой крупного заполнителя . Глиняные плиты обычно имеют умеренно шероховатую поверхность, обработанную теркой . [ 10]
Односторонняя плита имеет армирование, выдерживающее момент, только по своей короткой оси, и используется, когда момент по длинной оси незначителен. [23] Такие конструкции включают гофрированные плиты и ребристые плиты. Неармированные плиты также могут считаться односторонними, если они поддерживаются только с двух противоположных сторон (т. е. они поддерживаются по одной оси). Односторонне армированная плита может быть прочнее двухсторонней неармированной плиты, в зависимости от типа нагрузки.
Расчет требований к арматуре для односторонней плиты может быть чрезвычайно утомительным и отнимающим много времени, и никогда нельзя быть полностью уверенным в лучшем проекте. [ необходима цитата ] Даже незначительные изменения в проекте могут потребовать пересчета требований к арматуре. При проектировании структурной структуры односторонних плит необходимо учитывать множество факторов, в том числе:
Двусторонняя плита имеет арматуру, устойчивую к моменту в обоих направлениях. [24] Это может быть реализовано из-за требований к применению, таких как большая нагрузка, вибростойкость, зазор под плитой или других факторов. Однако важной характеристикой, определяющей требование к двусторонней плите, является соотношение двух горизонтальных длин. Если где — короткий размер, а — длинный размер, то при проектировании следует учитывать момент в обоих направлениях. [25] Другими словами, если осевое соотношение больше двух, требуется двусторонняя плита.
Неармированная плита является двухсторонней, если она опирается на обе горизонтальные оси.
Бетонная плита может быть изготовлена заранее ( сборная ) или изготовлена на месте.
Сборные бетонные плиты изготавливаются на заводе и транспортируются на площадку, готовые к установке между стальными или бетонными балками. Они могут быть предварительно напряженными (на заводе), пост-напряженными (на площадке) или ненапряженными. [10] Крайне важно, чтобы опорная конструкция стены была построена по правильным размерам, иначе плиты могут не подойти.
Бетонные плиты на месте возводятся на строительной площадке с использованием опалубки — разновидности коробки, в которую заливается влажный бетон. Если плита должна быть армирована , арматура или металлические стержни размещаются внутри опалубки до заливки бетона. [26] Металлические или пластиковые барные стулья с пластиковыми наконечниками используются для удержания арматуры вдали от дна и боков опалубки, так что когда бетон застывает, он полностью охватывает арматуру. Эта концепция известна как бетонное покрытие . Для плиты, опирающейся на грунт, опалубка может состоять только из боковых стенок, вдавленных в землю. Для подвесной плиты опалубка имеет форму поддона, часто поддерживаемого временными лесами до застывания бетона.
Опалубка обычно строится из деревянных досок и брусьев, пластика или стали. На коммерческих строительных площадках пластик и сталь набирают популярность, поскольку они экономят рабочую силу. [27] На малобюджетных или мелкомасштабных работах, например, при укладке бетонной садовой дорожки, деревянные доски очень распространены. После того, как бетон застынет, древесину можно удалить.
Опалубка также может быть постоянной и оставаться на месте после заливки бетона. Для больших плит или дорожек, которые заливаются секциями, эта постоянная опалубка может также действовать как изоляционные швы внутри бетонных плит, чтобы уменьшить вероятность образования трещин из-за расширения или движения бетона.
В некоторых случаях опалубка не требуется — например, фундаментная плита, окруженная плотным грунтом, кирпичные или блочные фундаментные стены, где стены выступают в качестве сторон лотка, а щебень — в качестве основания.
