Варианты проектирования и анализа бетонных плит

Некоторые конструкции пола лучше подходят для определенных целей, чем другие. Чтобы порекомендовать тот или иной тип конструкции, важно понимать требования владельца или арендатора.

Факторы, определяющие наилучшее решение, многочисленны и разнообразны, и их взаимодействие приводит к созданию сложного дерева решений или матрицы. К таким факторам относятся, помимо прочего, назначение и условия эксплуатации объекта, условия строительства, нагрузка, допустимые отклонения в напольном покрытии, требования к износостойкости, ударопрочность, дизайн и, что не менее важно, бюджет.

Давайте рассмотрим эти факторы:

• Использование объекта. Спецификация: склад, распределительный центр, морозильное хранилище, пищевая промышленность, производство и т. д.
• Условия эксплуатации объекта. Будет ли это контролируемая среда с регулированием температуры и влажности или это будет неконтролируемая среда с температурой и влажностью окружающей среды? Будет ли под плитой пароизоляция для предотвращения выделения водяного пара?
• Условия во время строительства. Будет ли пол находиться в контролируемой среде, под крышей, с водостоками и стенами, или на открытом воздухе, как при строительстве с использованием подъёмных кранов?
• Загрузка:
  • Стеллаж, тип, высота до потолка, размер опорной плиты и расстояние между стойками;
  • Автоматизированные системы хранения и поиска (ASRS);
  • Погрузочно-разгрузочное оборудование;
  • Типы и грузоподъемность погрузчиков;
  • Типы и размеры колес. Тип колес существенно влияет на разрушение межколесных соединений, что должно играть важную роль при выборе типа напольного покрытия и вариантов его модернизации, таких как устройства для передачи нагрузки, заполнители межколесных соединений и армированные соединения.
  • Насыпные материалы или штабелируемые товары;
  • Грузы и упаковка или штабелирующие устройства. Упаковка также влияет на решение об использовании пароизоляции, поскольку под штабелируемыми материалами может образоваться сырость и плесень, если пар будет проходить через бетонное основание.
• Требования к допуску пола:
  • Случайный трафик, заданный трафик, робототехника;
  • числа FF и FL или минимальные числа F (заданный трафик, VNA) — ACI рекомендует измерять допуски на полу в течение 48 часов после укладки. Тем не менее последующее коробление пола может значительно уменьшить допуски, поэтому необходимо учитывать допуски, измеренные в конце строительства и на протяжении всего срока эксплуатации объекта.
• Требование к износостойкости. Что будет находиться на полу?
• Устойчивость к ударам. Какие грузы могут упасть? Будут ли там пресс-формы или другое оборудование, которое подвергается регулярным ударам?
• Расчетный срок службы. Сколько лет оно должно прослужить без особого ухода?
• Бюджет. Всегда учитывается то, чего хочет владелец и за что он готов платить.

Новые варианты дизайна

Существует семь основных вариантов дизайна для строительства с использованием плит на грунте:

1. Неармированная бетонная плита.
2. Плиты с устройствами для передачи нагрузки в стыках. Обычно называются «стратегически армированными». В этой конструкции используются пластинчатые дюбели в стыках для передачи нагрузки, но в средней части между стыками плита не армируется. Такая конструкция часто рекомендуется для предотвращения сколов в стыках при движении погрузчиков. Тем не менее она также повышает несущую способность плиты за счёт распределения нагрузки между соседними участками, поэтому расчётная толщина может быть меньше, чем у неармированной плиты при том же напряжении.
3. Плиты, слегка армированные для «усиленной агрегатной блокировки». В этой конструкции используется армирование для предотвращения раскрытия швов, чтобы усиленная агрегатная блокировка обеспечивала передачу нагрузки, сводя к минимуму растрескивание швов и уменьшая толщину или напряжение.
4. Плиты, в которых деформационные швы доходят до линий колонн. В этих конструкциях используется армирование волокнами и добавки, которые могут уменьшить усадку, деформацию или и то, и другое, что позволяет увеличить расстояние между швами и значительно сократить количество распилов, дюбелей или традиционного армирования и заполнения швов. Такая конструкция часто включает в себя некоторые запатентованные системы напольных покрытий, появившиеся за последнее десятилетие.
5. Плиты, усиленные для ограничения ширины трещин, возникающих из-за усадки, температурных ограничений и действующих нагрузок. Эти плиты состоят из непредварительно напряженных стальных стержней, проволочной или волокнистой арматуры с близко расположенными стыками; и продолжительно армируются традиционной арматурой или большим количеством стального волокна, а также имеют стыки без распила.
6. Плиты, усиленные для предотвращения растрескивания из-за усадки, температурных ограничений и действующих нагрузок. Эти плиты состоят из бетона, компенсирующего усадку; и постановочных элементов.
7. Конструктивные плиты, спроектированные в соответствии с ACI 318. Эти плиты бывают:
   1. Обычный (неармированный) бетон; или
   2. Армированный бетон.

Традиционная конструкция с несвязанным бетоном

В этой конструкции используются традиционные бетонные смеси, состоящие из портландцемента, мелкого заполнителя, крупного заполнителя и воды. Исторически это простая и недорогая конструкция. Тем не менее у неё есть некоторые недостатки, а именно: повышенная усадка, коробление, необходимость в небольшом расстоянии между швами и значительно повышенный риск образования сколов в швах при движении погрузчиков. Деформационные швы должны располагаться в соответствии с наиболее консервативными рекомендациями ACI 360.R-10, рисунок 6.6 (примерно 12 футов на 12 футов в зависимости от коэффициента усадки бетонной смеси и расстояния между колоннами).

Его основными преимуществами являются более низкая первоначальная стоимость и простота конструкции. Тем не менее у него есть существенные недостатки, в том числе снижение допустимых значений числа F из-за неконтролируемого скручивания, необходимость в будущем обслуживании соединений, повреждение погрузочно-разгрузочного оборудования, более высокая частота жалоб в Управление по охране труда от водителей погрузчиков и повышенная потребность в распиловке.

Традиционная конструкция с «усиленными стратегическими участками»

В этой конструкции также используются традиционные бетонные смеси, состоящие из портландцемента, мелкого заполнителя, крупного заполнителя и воды. В средней панели не требуется традиционная арматура, но в распиленных компенсационных швах и формованных строительных швах используются дюбели из листового металла.

Исторически это простая и эффективная конструкция, которая хорошо справляется с нагрузкой от погрузчиков. Тем не менее она не уменьшает усадку, коробление или значительно не сокращает количество стыков. При условии, что нагрузка распределяется с помощью дюбелей, проектировщики могут немного увеличить расстояние между стыками, но оно всё равно должно оставаться в пределах, указанных в ACI 360.R-10, рис. 6.6 (примерно 15 футов на 15 футов). Недавнее появление программного обеспечения для расчета дюбелей, которое оптимизирует использование дюбелей для конкретных нагрузок и областей применения, еще больше снизило стоимость этого варианта проектирования.

Его основные преимущества по сравнению с неармированными плитами заключаются в меньшей толщине и устойчивости к нагрузкам от погрузчиков. Его преимущества по сравнению с другими конструкциями заключаются в простоте строительства и возможности укладки больших объёмов для сокращения сроков. Его основные недостатки по-прежнему связаны с необходимостью большого количества швов и снижением допустимых отклонений по показателю F из-за деформации традиционных смесей портландцемента.

Традиционное соединение, «легкое армирование для улучшения сцепления заполнителей»

В этой конструкции используются традиционные бетонные смеси из портландцемента, мелкозернистых заполнителей, крупнозернистых заполнителей и воды с традиционной стальной арматурой (как правило, менее 0,1 % стали по площади поперечного сечения), которая проходит через разрезные усадочные швы с пластинчатыми дюбелями в строительных швах.

Его преимущества и недостатки такие же, как у «стратегически усиленной» конструкции, но при этом он более подвержен образованию щелей в местах соединения, из-за чего некоторые конструкционные и деформационные швы могут раскрываться шире, чем обычно. Поэтому следует учитывать такие особенности, как более консервативные рекомендации по установке дюбелей для более широких швов, гибридные швы или армированные конструкционные швы.

Особенности и риски использования традиционных конструкций с соединениями

С точки зрения экологии, «стратегически усиленные» и «слегка усиленные для улучшения сцепления с заполнителем» конструкции позволяют использовать более тонкие секции. Если типичная толщина 50-футового прозрачного здания с 6 уровнями хранения по методу PCA в несейсмической зоне составляет 8 дюймов, то для той же конструкции PCA потребуется секция толщиной не менее 9 дюймов для того же уровня нагрузки, если не используется положительная передача нагрузки. Уменьшение сечения позволяет сократить потребность в материалах и транспортных расходах, но не влияет на сокращение использования цемента.

У производителей дюбелей есть программное обеспечение, позволяющее оптимизировать конструкцию дюбеля и сократить использование стали в «конструкциях со стратегическим усилением». При правильном проектировании арматуру из стеклопластика (GFRP) можно заменить для повышения экологичности конструкций с «незначительным усилением для улучшения сцепления с заполнителем».

Цемент типа 1L можно использовать для дальнейшего сокращения выбросов углекислого газа. Тем не менее он может оказывать негативное воздействие, в том числе приводить к повышенному короблению, снижению стойкости к истиранию и замедлению схватывания, что может повлиять на качество отделки и распила. Повышенное воздействие кремнеземной пыли из-за необходимости распила также следует учитывать с точки зрения EPD.

С точки зрения производительности, удобства обслуживания и ожидаемого срока службы проектировщикам следует избегать альтернативных решений, которые исключают использование дюбелей или арматуры диаметром 0,1 % в конструкциях, обеспечивающих передачу нагрузки. С точки зрения затрат, уменьшенный размер компенсирует дополнительные расходы на проектирование, связанные с обеспечением положительной передачи нагрузки.

На большинство конструкций с традиционными стыками предоставляется стандартная гарантия сроком на один год.

Плиты, в которых деформационные швы доходят до линий колонн

В этой конструкции используются либо высокие концентрации макросинтетического волокна (обычно 7,5 фунтов на кубический ярд бетона), либо более низкие концентрации макросинтетического волокна с добавками, снижающими усадку, либо стальные волокна в различных концентрациях.

Этот тип конструкции быстро набирает популярность благодаря снижению потребности в распиловке, устройствах для передачи нагрузки и обслуживании швов. Швы располагаются на линиях колонн (обычно на расстоянии от 12 до 20 м друг от друга) и представляют собой сочетание распиленных швов и формованных строительных швов.

Его основные преимущества заключаются в уменьшении количества швов (на 1/3 или 1/4 по сравнению с конструкциями с традиционными швами), что значительно сокращает трудозатраты на заполнение швов, а также в уменьшении количества кремнеземной пыли, образующейся при резке пилой. В некоторых запатентованных системах используются добавки, которые повышают прочность бетона при меньшем расходе портландцемента, что делает их более экологичными. Многие запатентованные системы уменьшают деформацию, что позволяет ещё больше сократить количество бетонных секций. Некоторые добавки могут увеличивать содержание воздуха в смеси, поэтому для снижения риска расслоения могут потребоваться дополнительные пеногасители.

Для более прочных конструкций и компенсационных швов может потребоваться более консервативная установка дюбелей с качественной заделкой швов или армированием швов в проходах с высокой проходимостью. Следует проконсультироваться с производителями по поводу рекомендаций по установке дюбелей в более широкие швы. В зависимости от используемой системы предоставляется расширенная гарантия.

Непрерывное армирование традиционной арматурой для уменьшения ширины трещин

В этой конструкции используется большое количество стальной арматуры для предотвращения образования трещин. Владельцы и арендаторы должны понимать, что эта конструкция «рассчитана на образование трещин», но арматура будет удерживать их в таком состоянии, чтобы пол оставался пригодным для использования при движении погрузчиков.

Первичное армирование может быть выполнено в одном направлении для длинных узких полос или в двух направлениях для массового армирования, например в зонах с интенсивным движением. ACI 360R-10 рекомендует использовать не менее 0,5 % стали от поперечного сечения, но многие проектировщики указывают минимум 0,6 %. Расстояние между швами может достигать 300 футов, хотя были случаи и большего расстояния.

Эта конструкция не получила широкого распространения из-за высокой стоимости и недостаточной экологичности, обусловленной значительно возросшими требованиями к стальной арматуре. Однако она может обеспечить превосходные результаты на некоторых объектах с интенсивным движением погрузчиков и полами «Суперплоскими» с допуском F-min. Проектировщикам необходимо учитывать оптимальное расположение стальной арматуры, чтобы трещины не выходили на поверхность плиты, но при этом не нарушались допуски, обусловленные влиянием арматуры на процесс укладки бетона и стяжки. Для повышения экологичности можно использовать правильно спроектированную арматуру из стеклопластика.

Непрерывное армирование с использованием большого количества стальной фибры

Большое количество стальной фибры увеличивает расстояние между швами, предотвращает образование микротрещин и повышает ударопрочность бетона. Обычно для увеличения расстояния между швами до 160 футов на 160 футов требуется более 60 фунтов стальной фибры типа 1 или типа 2 на ярд бетона.

Основными преимуществами конструкции являются отсутствие усадочных швов и возможность увеличения расстояния между швами. Деформация не уменьшается естественным образом, поэтому следует обратить внимание на пропорции смеси, правильный выбор дюбелей для передачи нагрузки и армированные швы, чтобы избежать растрескивания оставшихся строительных швов, которые могут раскрываться на 2,5 см и более. Добавки для упрочнения могут уменьшить количество стальных волокон на поверхности плиты, но при неправильной установке могут увеличить вероятность расслоения.

С экологической точки зрения эта конструкция может существенно отличаться в зависимости от многих факторов, в том числе от необходимой дозировки волокна, расстояния до завода по производству волокна и от того, используются ли запатентованные добавки для снижения необходимого содержания цемента. Гарантийные обязательства зависят от подрядчика, выполняющего проектирование и строительство.

Армированные бетонные плиты с компенсацией усадки

В состав бетонных плит с компенсацией усадки входят различные виды цемента, в том числе обычный портландцемент (тип 1 или тип 1L) и расширяющийся цемент (обычно цемент типа K). Расширение цемента типа K на ранних стадиях гидратации бетона приводит к растяжению арматуры.

При правильном проектировании армирование сдерживает часть обычной усадки бетона при высыхании, тем самым компенсируя сжатие пола. В результате образуется меньше швов и меньше изгибов. Необходимость в армировании может варьироваться в зависимости от расширения бетона. Можно использовать традиционную стальную арматуру или арматуру из стеклопластика, а расстояние между швами в 100 футов на 100 футов обычно не приводит к образованию трещин в середине панели.

Основными преимуществами системы являются уменьшение количества швов и устранение трещин. Кроме того, бетон с компенсацией усадки может уменьшить деформацию, что позволяет уменьшить толщину плиты.  Следует обращаться к квалифицированным проектировщикам, консультантам и подрядчикам, имеющим опыт проектирования и строительства бетонных полов с компенсацией усадки. Некоторые специализированные подрядчики, выполняющие работы по этой технологии, также предоставляют расширенную гарантию.

Предварительно напряжённый бетон для предотвращения растрескивания

Предварительно напряжённые полы с большим успехом используются во многих помещениях с высокими требованиями к полу. Предварительно напряжённые стержни располагаются в бетоне либо в одном направлении для длинных узких проходов, либо в двух направлениях для полов с хаотичной нагрузкой. Натяжение осуществляется с помощью домкратов в заранее установленное время в период гидратации.

Получаемое в результате натяжение позволяет использовать очень длинные секции из бетона (более 90 м и шириной всего в один проход) без каких-либо стыков или видимых трещин. Постнатяжение полов также повышает их несущую способность и позволяет использовать более тонкие секции. Большинство стыков можно разместить в проходах между стеллажами, а на концах длинных секций можно опустить тросы, чтобы устранить искривление в местах стыков. Для работы требуются квалифицированные проектировщики, консультанты и подрядчики с опытом проектирования и укладки полов с постнатяжением.

Усовершенствования в вариантах проектирования плит и их анализе

Многие факторы влияют на несущую способность и эксплуатационные характеристики перекрытий, но не более, чем на степень скручивания. Величина изгиба влияет на несущую способность пола, допуски на плоскостность и ровность, а также на склонность к образованию трещин и отслоению швов.

Увеличение количества типов конструкций перекрытий предоставляет проектировщикам больше возможностей, а последние достижения в области программного обеспечения для проектирования перекрытий позволяют проводить анализ с учетом скручивания, расстояния между швами, усадки бетона и устойчивости швов, а также более типичных параметров, таких как нагрузка, прочность бетона, толщина бетона и основание. Наличие программного обеспечения для проектирования перекрытий и дюбелей позволяет проектировщикам оптимизировать процесс, выбирая конструкции, которые меньше подвержены скручиванию или смягчают его последствия.