Кессонное перекрытие

Архитектурная форма кессонного потолка берёт начало в древнегреческом и древнеримском искусстве. Ритмические ячейки-углубления возникали как естественное следствие взаимного пересечения продольных и поперечных балок, перекрытых настилкой; части настила, видимые между балками, украшались живописной или скульптурной орнаментацией.^[1] Версия о происхождении кессона из деревянной конструкции имеет многочисленных сторонников: деревянные перекрытия с пересечением балок предопределяли облик кессона ещё в додорическую эпоху. Свидетельством тому служат деревянные потолочные решётки, изображённые на египетских мозаиках и фресках.^[1]

В древнегреческой архитектуре характерными примерами являются мраморные потолочные плиты Тесейона со сквозными квадратными отверстиями, закрытыми особыми пластинками, а также безбалочные решётчатые кессонные плиты портика Кариатид в Эрехтейоне.^[1] Профессор Рончевский высказывал мнение, что углубления в потолочных плитах могли возникнуть независимо и в каменотёсном деле — в процессе облегчения плит и оживления их гладкой поверхности, хотя снижение веса при этом составляло лишь 10–15 %.^[1] В данном случае декоративное значение кессонных углублений, по всей видимости, превалировало над конструктивным.

Наиболее известным памятником, использующим кессонную конструкцию в полном смысле слова, является Пантеон в Риме: его купол членится системой кессонов, выполнявших как декоративную, так и облегчающую функцию. Кессонный свод применялся и в храме Венеры и Ромы в Риме.^[1]

С изобретением железобетона в строительстве началась новая эпоха. В России уже в 1861 году в Санкт-Петербурге было построено первое здание Госбанка из монолитного железобетона; к началу XX века значительный опыт монолитного строительства был накоплен и в других странах мира.^[1] Сочетание прочности бетона на сжатие и стальной арматуры на растяжение позволило железобетонным перекрытиям занять прочные позиции в строительной отрасли.

Однако железобетонные монолитные плиты обладали существенным недостатком — большим собственным весом. Инженерная мысль обратилась к идее удаления «лишнего» бетона из нейтральной зоны и зоны растягивающих напряжений с сохранением только рёбер, несущих растянутую арматуру.^[3] Так родилась концепция кессонного (часторебристого) монолитного железобетонного перекрытия.

В России и СССР до 1934 года зафиксированы случаи возведения кессонных перекрытий, в том числе при строительстве комплекса зданий Центросоюза (строительство 1928–1936 гг.): перекрытия здесь выполнены с рёбрами, обращёнными вверх, а вся несущая конструкция использует монолитную технологию.^[1] Среди более поздних примеров — павильон № 29 «Цветоводство и озеленение» ВДНХ в Москве (строительство 1969–1971 гг.), конструкция которого представляет собой часторебристое перекрытие кессонного типа.^[4]

В последние десятилетия XX века кессонные перекрытия получили широкое распространение в практике строительства ряда европейских стран — в особенности Испании, Великобритании, Германии и Италии, где при возведении административных зданий наиболее часто применяются каркасные конструктивные системы с кессонными перекрытиями.^[3] В США нормы ACI (American Concrete Institute) регламентируют проектирование вафельных перекрытий в рамках стандарта ACI 318.^[5]

Для России указанный период характеризовался доминированием сборного и сборно-монолитного строительства; кессонные перекрытия оставались редкостью. Однако развитие вычислительной техники существенно упростило расчёт статически неопределимых систем, а появление новых опалубочных технологий снизило трудоёмкость возведения. Всё это обусловило повышение интереса к монолитному безригельному каркасу с облегчёнными перекрытиями в рамках современного строительства жилья и административных зданий как в России, так и за рубежом.^[3]

Важным этапом стало введение понятия информационной модели объекта капитального строительства в статью 1 Градостроительного кодекса РФ (Федеральный закон от 27.06.2019 № 151-ФЗ) и принятие СП 333.1325800.2020 «Информационное моделирование в строительстве». Распоряжение Правительства РФ от 20.12.2021 № 3719-р утвердило «Дорожную карту» по использованию технологий информационного моделирования в строительной отрасли, что непосредственно затрагивает и проектирование кессонных перекрытий.^[4]

По способу изготовления кессонные перекрытия подразделяются на монолитные и сборно-монолитные.^[2]

Монолитные кессонные перекрытия возводятся непосредственно на строительной площадке с применением специальной съёмной опалубки — кессоннообразователей. После набора бетоном расчётной прочности опалубочные элементы извлекаются, и в нижней части плиты формируется система ячеистых углублений — кессонов. Вся несущая конструкция представляет собой единый монолитный железобетонный диск. Конкретные опалубочные системы (SKYDOME, HOLEDECK, «Победа» и другие) позволяют получать стандартные модули кессонов с различными геометрическими характеристиками.^[4]

Сборно-монолитные кессонные перекрытия сочетают элементы заводского и монолитного производства. Конструкция включает сборные пустотелые бетонные блоки и монолитный бетон: блоки размером от 0,2×0,2×0,6 м до 0,3×0,3×0,8 м укладываются на заранее смонтированную арматуру и выполняют роль несъёмной опалубки, оставаясь в составе перекрытия. Сверху блоков укладывается арматурная сетка, после чего производится бетонирование; толщина монолитного слоя над блоками составляет 5–6 см. В результате из монолитного бетона формируются вертикальные рёбра в растянутой зоне и сплошной настил в сжатой зоне перекрытия.^[6]

По расположению рёбер кессонные перекрытия делятся на:

• прямоугольные (ортогональные) — рёбра расположены взаимно перпендикулярно, параллельно сторонам помещения; наиболее распространённый вариант;
• диагональные — рёбра расположены под углом 45° к сторонам помещения; применяются значительно реже.^[6]

Современные кессонные перекрытия изготавливаются из различных материалов:

• железобетонные — наиболее распространены благодаря высокой прочности, долговечности и огнестойкости; сочетают прочность бетона на сжатие и арматуры на растяжение;
• стальные — применяются в случаях, когда необходимо уменьшить вес конструкции; обладают высокой прочностью и гибкостью, допускают быстрый монтаж и демонтаж;
• деревянные — используются в основном в исторических и реставрационных проектах, обладают уникальными эстетическими и теплоизоляционными свойствами.^[6]

Монолитное кессонное перекрытие включает два принципиально различных элемента: полку (верхнюю тонкую плиту) и рёбра (систему взаимно перпендикулярных балок).

Полка выполняет двойную функцию: обеспечивает сплошность перекрытия и передаёт нагрузки на рёбра. Она должна быть максимально тонкой — одновременно обладая достаточной прочностью для восприятия нагрузок, включая сосредоточенные.^[1] Современные нормативные документы устанавливают минимальный защитный слой железобетонных конструкций в 20 мм; при минимальном диаметре арматуры 6 мм и армировании одной сеткой в двух направлениях минимально возможная толщина полки составляет 52 мм. Для жилых и офисных помещений практически принимается толщина полки 60–70 мм.^[1] Полка армируется, как правило, одной сеткой.

Рёбра являются основным несущим элементом кессонного перекрытия. Они образуют решётку в двух взаимно перпендикулярных направлениях и обеспечивают передачу нагрузок на колонны или стены. Высота рёбер в обоих направлениях должна быть одинаковой и составлять не менее 1/20 пролёта. Толщина рёбер варьируется от 10 до 20 см.^[2] Ширина рёбер принимается в пределах 1/2–1/5 их высоты; при использовании многоразовой инвентарной опалубки грани рёбер нередко выполняются скруглёнными для удобства извлечения форм.

В качестве основного материала для монолитных кессонных перекрытий применяется тяжёлый конструкционный бетон. В расчётных примерах, рассматриваемых в научной литературе, наиболее часто используется бетон класса В25 (М300).^[4] В перспективных разработках исследуется применение:

• самовосстанавливающегося бетона — с добавлением бактерий или полимеров, способных самостоятельно заделывать трещины;
• бетона с нанодобавками — с использованием наночастиц оксида титана или углеродных нанотрубок, улучшающих прочностные характеристики.^[6]

Кессонные перекрытия армируются стальной арматурой периодического профиля. Рёбра снабжаются продольной (рабочей) арматурой в растянутой зоне и поперечной (хомутами) для восприятия поперечных сил. В надопорной зоне (у колонн) предусматривается дополнительное армирование, поскольку здесь полка перекрытия переходит из сжатой зоны в растянутую. В районе колонн устраивается сплошной монолитный участок — аналог капители — для восприятия продавливающих усилий.^[1]

Для сборно-монолитных перекрытий в зоне сплошной монолитной плиты у колонн к пустотелым блокам крепятся концы арматурных стержней, что обеспечивает дополнительную прочность и равномерное распределение нагрузок.^[6]

Одним из актуальных направлений развития является применение композитных материалов — углепластика и стеклопластика. Эти материалы превосходят традиционные сталь и бетон по прочности при значительно меньшем весе, не подвержены коррозии, легче транспортируются и монтируются, что снижает трудозатраты и ускоряет строительные процессы.^[6] Применение экологически чистых и возобновляемых материалов, включая древесину из устойчиво управляемых лесов и переработанное сырьё, способствует снижению углеродного следа при строительстве.

Для устройства монолитного кессонного перекрытия применяется модульная система опалубок, состоящая из телескопических стоек, обрешётки и кессоннообразователей (пустотообразователей). Кессоннообразователи — корытообразные или куполообразные формы — укладываются на обрешётку, образуя сетку рёбер в двух взаимно перпендикулярных направлениях с регулярным шагом.^[1]

Наиболее распространённой в мировой практике является самонесущая опалубочная система Skydome: все её элементы — заводского изготовления; система не требует дополнительной арматуры или специальных защитных приспособлений. Кессоннообразователи системы Skydome обладают низкой адгезией к бетону и легко извлекаются после набора бетоном необходимой прочности.^[2] В России также применяются системы Holedeck и «Победа».^[4]

Пустотообразователи для сборно-монолитных перекрытий не извлекаются: пустотелые бетонные блоки остаются в теле перекрытия и выполняют роль несъёмной опалубки. На изготовление таких блоков с толщиной стенок 2 см требуется на 62–65 % меньше бетонной смеси, чем на полнотелый блок аналогичного размера.^[2]

Технологический процесс возведения монолитного кессонного перекрытия включает следующие основные этапы:

1. монтаж инвентарных несущих стоек и обрешётки с шагом, соответствующим размерам кессоннообразователей;
2. раскладка кессоннообразователей на обрешётке;
3. монтаж нижней (растянутой) рабочей арматуры рёбер в двух направлениях;
4. установка хомутов и монтаж арматурной сетки полки;
5. бетонирование (укладка и уплотнение бетонной смеси);
6. выдержка бетона до набора расчётной прочности;
7. снятие опалубки и извлечение кессоннообразователей.^[1]

В надопорных зонах (у колонн и стен) кессоннообразователи не устанавливаются: здесь перекрытие выполняется сплошным для восприятия поперечных сил и устойчивости к продавливанию. При новом строительстве сплошной монолитный участок устраивается на расстоянии не более одного шага рёбер от оси колонны.^[1]

Кессонные перекрытия представляют собой статически неопределимые пространственные системы. Их расчёт ведётся аналитическими методами (на основе «балочной аналогии») либо с применением программных комплексов, реализующих метод конечных элементов (МКЭ), — в частности, SCAD.^[4]

Уточнённый аналитический метод расчёта, учитывающий не только пролёты конструкции, но и её ортогональную жёсткость (как сумму цилиндрической жёсткости плиты и относительной жёсткости рёбер), даёт результаты, наиболее близкие к данным натурных и модельных испытаний. Исследования М. В. Мозголова и Е. В. Козловой (2023) показали, что в программном комплексе SCAD наибольшую точность при расчёте кессонных перекрытий обеспечивает стержневая конечно-элементная модель из балок таврового поперечного сечения: отклонения компьютерного расчёта от уточнённого аналитического метода составляют 5,0–9,7 %. Оболочечные и плитные конечно-элементные модели в рассмотренных примерах показывали заниженные результаты — до 24,2 %.^[4]

В американских нормах ACI 318-14 для расчёта вафельных (двухосных ребристых) перекрытий допускается применение метода эквивалентной рамы (Equivalent Frame Method, EFM) и метода прямого проектирования (Direct Design Method, DDM).^[5]

Геометрические параметры конструкции принимаются в следующих диапазонах:

^[2][1]

Благодаря системе взаимно перпендикулярных рёбер кессонные перекрытия обеспечивают высокую несущую способность при сравнительно небольшом расходе материала. Плиты жёстко сопрягаются с рёбрами и шарнирно — при опирании на стены. Это обеспечивает двунаправленную работу конструкции на изгиб аналогично плите, опёртой по контуру.^[2]

При пролёте 12 м и кратковременной нормативной нагрузке 6 кН/м² сопоставление технико-экономических показателей монолитного кессонного перекрытия со сплошной монолитной плитой показывает следующее:

^[2]

При пролёте 6 м при одинаковом расходе бетона экономия рабочей арматуры в сборно-монолитных кессонных перекрытиях по сравнению со сплошными монолитными составляет порядка 48 %.^[2]

Уменьшение собственного веса перекрытия на 40–60 % существенно снижает нагрузку на вертикальные несущие стены и фундаменты здания, что в свою очередь позволяет сократить материалоёмкость фундаментов и несущих конструкций или же — при сохранении их сечений — увеличить полезные нагрузки на перекрытие.^[2] Кроме того, уменьшение веса перекрытия позволяет сократить сроки строительства за счёт исключения необходимости монтажа дополнительных колонн и фундаментов под ними.

Железобетонные кессонные перекрытия обладают высокой стойкостью к воздействию высоких температур. Достаточная толщина защитного слоя бетона над арматурой обеспечивает требуемый предел огнестойкости конструкции, что соответствует нормам пожарной безопасности для гражданских и промышленных зданий.^[6]

При правильной эксплуатации срок службы железобетонных кессонных перекрытий может достигать нескольких десятилетий. Вместе с тем одной из основных проблем при их эксплуатации является подверженность коррозии: железобетонные конструкции уязвимы к воздействию влаги и агрессивных химических веществ, способных вызвать коррозию арматуры. Для повышения долговечности применяются антикоррозийные покрытия, гидроизоляция и регулярное техническое обслуживание.^[6]

Для контроля состояния кессонных перекрытий в процессе эксплуатации проводятся обследования с использованием современных диагностических методов. Ультразвуковое исследование позволяет выявлять внутренние дефекты и трещины в материалах; магнитная дефектоскопия — обнаруживать коррозию и иные повреждения металлических элементов. Своевременное выявление и устранение дефектов позволяет продлить срок службы конструкций и обеспечить их безопасную эксплуатацию.^[6]

Характерный рельефный рисунок нижней поверхности кессонного перекрытия является одним из его достоинств с архитектурной точки зрения: система ячеистых углублений создаёт выразительный интерьерный эффект, не требующий дополнительной отделки. В ряде случаев перекрытия оставляют видимыми («exposed ceiling»), что позволяет сэкономить на архитектурных отделочных материалах.^[5]

Система кессонных ячеек оказывает положительное влияние на акустику помещения: рельефная поверхность способствует рассеянию звуковых волн, что может улучшить акустический климат в залах, аудиториях и концертных помещениях. Кроме того, в пространстве ячеек-кессонов могут размещаться инженерные системы — осветительные приборы, кабельные трассы, вентиляционные решётки, — что упрощает прокладку инженерных коммуникаций по сравнению с балочными перекрытиями.

Кессонные перекрытия находят наибольшее применение в строительстве многоэтажных административных зданий, торговых центров, офисных комплексов, а также многоэтажных жилых домов в рамках монолитного каркасного строительства.^[3] Отсутствие балок, выступающих за нижнюю грань перекрытия, позволяет формировать свободную планировку помещений, что особенно ценно в зданиях с изменяемыми функциональными зонами. В европейской практике — прежде всего в Испании, Великобритании, Германии, Италии — каркасные системы с кессонными перекрытиями являются стандартным решением для административных зданий.^[3]

В промышленном строительстве кессонные перекрытия используются в случаях, когда необходимо перекрывать большие пролёты без промежуточных опор: на заводах, в складских комплексах, выставочных павильонах. Способность конструкции перекрывать пролёты значительной длины без дополнительных опор создаёт свободное пространство, удобное для размещения технологического оборудования.^[6]

В США стандарт ACI 318-14 применительно к вафельным перекрытиям устанавливает, в частности, следующие ограничения: ширина рёбер — не менее 4 дюймов (102 мм) в любом сечении по высоте; высота рёбер — не более 3,5-кратной минимальной ширины; расстояние между рёбрами в свету — не более 30 дюймов (762 мм); толщина плиты-полки — не менее 1/12 расстояния в свету между рёбрами и не менее 2 дюймов (51 мм).^[5]

Кессонные перекрытия применяются при реконструкции существующих зданий, в частности — при устройстве новых перекрытий в строениях с неравномерным шагом колонн. В таких случаях допускается неравномерное распределение рёбер по площади с локальной корректировкой их шага. Опыт реконструкции большепролётных зданий с применением кессонных перекрытий показывает значительный экономический эффект по сравнению с традиционными балочными решениями.^[1]

Деревянные и каменные кессонные перекрытия исторически применялись в архитектуре дворцов, храмов и общественных зданий. Современные методы реставрации предполагают восстановление аутентичного облика таких конструкций с использованием как традиционных, так и современных материалов. Применение кессонных перекрытий в реставрационных проектах позволяет сохранить историческую выразительность интерьеров при обеспечении их соответствия современным нормам безопасности.^[6]

Перспективы развития кессонных перекрытий связаны прежде всего с внедрением технологий информационного моделирования, применением композитных материалов и аддитивных технологий. Технология BIM-моделирования позволяет создавать подробные цифровые модели зданий, включая кессонные перекрытия, что облегчает точный расчёт нагрузок и оптимизацию конструктивных решений. Автоматизированные системы мониторинга состояния конструкций обеспечивают контроль нагрузок и деформаций в режиме реального времени, способствуя своевременному выявлению дефектов и продлению срока службы.^[6] Применение 3D-печати открывает возможность создания кессонных перекрытий сложной геометрической формы с высокой точностью, сокращая время и затраты на строительство.