Нагрузки на плиту, укладываемую на грунтовое основание

Нагрузки, действующие в процессе эксплуатации на плиту, лежащую на грунте, могут быть химическими и физическими. К типичным химическим нагрузкам относится разъедающее действие кислот, жиров и нефтепродуктов. На химическую стойкость бетона можно повлиять, меняя рецепт смеси, применяя обработку поверхности и покрытие другими материалами.

Типы нагрузок

Физические нагрузки – это нагрузки от движения транспорта, волочения, трения и ударов. На величины сил и напряжений, возникающих под действием таких нагрузок, влияют следующие факторы:

1. Свойства основы: модуль реакции грунта (коэффициент постели) k и модуль упругости E.
2. Толщина пола (h) и полезная высота (d): чем более гибкая плита, тем меньше нагрузки от сгибания.
3. Нагружение, расположение нагрузок и их характер: равномерно или частично распределенная нагрузка, линейные нагрузки (например, высокие кирпичные стены), а также вызываемые различными транспортными средствами и складскими полками, сосредоточенные нагрузки.
4. Разница в усадке, вызываемая перепадом температур и влажности между верхней и нижней поверхностями плиты.
5. Сила трения от усадки и температурных деформаций пола.

Плиты, лежащие на грунте, с помощью швов делятся на меньшие участки. Таким образом, уменьшается растягивающее напряжение, возникающее от усадки бетона и перепадов температур, и предотвращается возникновение вредных трещин. Швы, пересекающиеся в центре подвижного пола, должны располагаться с шагом 300…1000 мм.

Равномерная нагрузка

Считается, что равномерная нагрузка не вызывает в полу изгибающих напряжений, если несущая основа пола обладает по всей площади одинаковой прочностью на сжатие. Но равномерная нагрузка вызывает в плите силы трения, которые надо учитывать при расчете.
Жесткие конструкции, находящиеся на уровне поверхности пола, такие как стенки каналов и колодцев, а также пороги, вызывают проблемы вследствие осадки грунта. В таких случаях можно по своему выбору рассчитывать плиту как несущую на отдельных ее участках, либо учесть появление осадки, и тогда линия шва между полом и примыкающей конструкцией становится пороговой (рис. 2.5 b).

Линейные нагрузки

Величины сил, развивающихся от линейных нагрузок (например, кирпичные стены) можно просчитать с помощью компьютерных программ либо определить по расчетным кривым для балки на упругом основании, как указано в пособии /3/.
Рассматриваемые случаи нагружения:

• линейные нагрузки по краю плиты и по центру;
• продолжающийся постоянный момент по краю плиты и по центру.

Не рекомендуется утолщение плиты со стороны ее нижней поверхности, так как оно негативно влияет на плотность слоя подсыпки и препятствует движению при усадке.
В помещениях, обустраиваемых над плитой, лежащей на грунте, следует обращать особое внимание на прочность слоя теплоизоляции.

Сосредоточенные нагрузки

С точки зрения расчета, следует ориентироваться на движущиеся сосредоточенные нагрузки.

Сосредоточенная нагрузка в середине плиты

Сосредоточенная нагрузка в середине плиты вызывает резкое возрастание момента, при котором на нижнюю поверхность плиты действует растягивающее усилие. Негативный момент верхней поверхности остается совсем небольшим. На рис. 2.6 представлено распределение давлений грунта и форма эпюры момента.
Размер по длине n ᴬk, указанный на рис. 2.6…2.10, означает приблизительное расстояние (м). При этом переменными являются радиус нагружаемой поверхности, жесткость плиты и модуль реакции грунта.

Близость другой сосредоточенной нагрузки такой же величины мало влияет на резкое возрастание момента (рис. 2.7). Ее влияние сказывается в основном на осадке и давлении грунта.
По сравнению с одиночной нагрузкой, значение давления грунта почти удваивается, если расстояние между нагрузками составляет около 4 a_k, где n a_k – относительное распределение нагрузок.

Сосредоточенная нагрузка на свободном краю плиты

На свободном краю плиты сосредоточенная нагрузка вызывает очень большой положительный момент, величина которого почти в два раза превосходит величину момента, возникающего от такой же точечной нагрузки в середине плиты. Также, возникающие при этом отрицательный и крутящий момент, существенно высоки (рис. 2.8).
Максимальные значения изгибающего и крутящего момента возникают не в одной и той же точке.
По сравнению с единичной нагрузкой в центре, такая же по величине сосредоточенная нагрузка на свободном краю плиты вызывает почти трехкратное давление грунта. Соответственно, две соседних сосредоточенных нагрузки, расположенные на расстоянии n a_k, вызывают почти пятикратное давление грунта. В таком же соотношении возрастают и прогибы краев плиты.
Вследствие этого конструкция шва должна быть такой, чтобы часть сосредоточенных нагрузок (половина) передавалась при нагружении через шов на другую плиту.

Сосредоточенная нагрузка на свободном углу плиты

Значение крутящего момента возрастает на свободном углу плиты. Рис.2.9 показывает соотношение моментов. В общих чертах крутящий момент увеличивает в два раза расчетный момент плиты по сравнению с моментами, рассчитанными для осей х и у.
Влияние крутящего момента следует учитывать при конструктивном проектировании (by 16, п. S 2.1.7.5 /13/).

По сравнению с единичной нагрузкой в центре плиты, такая же по величине сосредоточенная нагрузка на свободном углу плиты, вызывает почти восьмикратное давление грунта.
При больших сосредоточенных нагрузках следует обращать особое внимание на устойчивость к нагрузкам теплоизоляции.
Если по краю плиты приложены большие сосредоточенные нагрузки, то усиление краев обоснованно. В первую очередь края плиты следует усилить с помощью армирования, а утолщений нужно избегать.

Соотношение влияния сосредоточенных нагрузок

Давление грунта

На рис. 2.10 представлены относительные величины давления грунта для точек расположения различных сосредоточенных нагрузок. От сосредоточенной нагрузки Р в центре плиты возникает давление грунта р₀.
По линии швов величины давления грунта будут намного больше, чем в центре плиты.

Изгибающий и крутящий момент

На рис. 2.11 представлены критические направления растрескивания, вызываемые сосредоточенными нагрузками.

Швы между плитами, а также свободные края и углы, с точки зрения расчета являются определяющими. Кроме того, максимальное усилие растяжения, вызываемое силами трения, влияет, как правило, на середину плиты.

Ударные нагрузки

В производственных и складских помещениях, где используется тяжелая техника и оборудование, (погрузчики и т.д.) дополнительная нагрузка от ударов и вибрации учитывается при проектировании методом умножения статического значения нагрузок от колес на коэффициент ударной нагрузки 1,4.

Нагрузки на стадии строительства

Бетонные полы, находящиеся после заливки в стадии отвердения, когда бетон еще не набрал прочности, подвержены растрескиванию, например, вследствие воздействия оборудования, которое применялось в процессе выполнения работ. Как правило, плита, лежащая на грунте, рассчитывается только по нагрузкам, воздействующим при ее конечном использовании.
Сосредоточенная нагрузка может привести к растрескиванию нижней поверхности плиты. Участок растрескивания ослабит прочность на растяжение и будет действовать как инициатор образования усадочных трещин.
Если к износостойкости и плотности поверхности предъявляются повышенные требования, то поверхность пола не должна подвергаться сильному нагружению (Р ³ 50 кН), пока прочность бетона не достигнет значения 80% от проектной. В других случаях поверхность пола можно нагружать, когда прочность бетона составляет 60% от проектной. Пол выдерживает небольшие нагрузки (Р £ 30 кН), если прочность бетона составляет 50% от проектной.
Нагрузки периода строительства при проектировании объекта следует учитывать, используя в расчетах прочность бетона, соответствующую моменту времени нагружения. В проектной документации должны быть указаны ограничения нагрузок в период строительства.
На рис. 2.12 показана динамика повышения прочности бетона как функция возраста бетона. При проведении бетонных работ температура бетонной смеси и температура окружающей среды (на уровне пола) не должна быть ниже, чем + 5°С.

Пример:

Проверим плиту, соответствующую расчету, выполненному в п. 2.3.4.4., h = 120 мм. Бетон К 30-2. Температура бетона Т = +5°С.
Пол можно нагружать большими нагрузками тогда, когда бетон достигнет прочности 0,6*30 = 18 МН/м². При нормальном отвердении бетона такая прочность достигается, когда по методу Сэдгроува (Sadgrove) время созревания бетона t20 составляет 5,5 дней (рис. 2.12). Тогда время отвердения бетона:

t = 5,5 (36/(5+16))² = 16 дней

Определим допустимую сосредоточенную нагрузку для плиты, когда она нагружена только собственным весом.

из чего получаем М = 47,75 кН/м, в результате получается величина максимальной сосредоточенной нагрузки по центру плиты, которую она может выдержать без растрескивания:

Вариант 2:

Допустимые нагрузки в стадии строительства составляют около 77% от окончательной максимальной нагрузки в период эксплуатации.

Силы трения

Вследствие движения бетонной плиты из-за усадки бетона и перепадов температур, по отношению к основе развиваются силы трения. Силу трения можно считать почти постоянной величиной по всей площади плиты. Силы трения не уменьшают в значительной мере сдвига свободного края бетонной плиты, вызванного свободной усадкой бетона. Развитие силы трения до ее полного значения соответствует сдвигу на расстояние около 1,5 мм.
Рисунок 2.13 показывает пример изменения усадки бетона в зависимости от времени. На начальной стадии усадка происходит быстро и зависит от последующей обработки бетона.

Величину коэффициентов трения можно определить по испытаниям на движение или измерением сил и сдвигов у конца плиты. На рис. 2.14 приведены полные значения коэффициентов трения для различных поверхностей /17/, определенные в результате испытаний.
Рис.2.14 показывает, что пластиковая пленка, уложенная на основу, существенно уменьшает силу трения. Также позитивное влияние на уменьшение силы трения оказывает подсыпка из песка, которая действует как шарнирно-подвижная опора. Кроме того, использование песка предпочтительнее в отношении строительной физики, так как излишняя влага, содержащаяся в плите, беспрепятственно проходит вниз и изгибы краев плиты, возникающие на стадии высыхания, уменьшаются.
Предпосылкой использования коэффициентов трения является условие максимальной ровности основы плиты, а также отсутствие на ее нижней поверхности выступов и утолщений, препятствующих свободному движению. Если вследствие высоких сосредоточенных нагрузок необходимо усилить края плиты, то эти утолщения должны быть более пологими (не менее 1:10), чтобы не препятствовать температурным и усадочным движениям.
Рис. 2.15 показывает приблизительную величину растягивающего усилия, вызываемого трением, в зависимости от расстояния L_x.

Разница температур и разница в усадке

Из-за разницы температур верхней и нижней поверхности плита стремится изогнуться, но этому противодействует ее собственный вес (рис.2.16). В плите возникают напряжения изгиба и растяжения на холодной стороне, напряжения сжатия – на теплой стороне. По краям и углам плиты момент, вызываемый собственным весом, не всегда достаточен для того, чтобы плита оставалась прямой.
Влияние разницы температур и показателей усадки при расчете можно учитывать следующим образом:

• Если плита разогревается сверху и максимальная разница между температурами нижней и верхней поверхности составляет 8°С, то градиент деформаций растяжения между поверхностямиDс = 0,00008.
• Если плита охлаждается сверху и максимальная разница между температурами нижней и верхней поверхности составляет 4°С, то градиент деформаций растяжения между поверхностями Dс = 0,00004.