Каркасы зданий в гражданском строительстве

Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов — вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.

Основное компоновочное преимущество каркасных систем в свободе планировочных решений, в связи с редко расставленными колоннами, имеющие укрупненные шаги в продольном и поперечном направлениях. Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски перекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждающих конструкций, иногда воспринимая только собственный вес ( самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие — для несущих элементов каркаса, и тепло — звукоизоляционные материалы — для ограждающих. Использование высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что положительно сказывается на статических свойствах здания.

Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:

Рамная система

Рамная система каркасных зданий обладает большой жесткостью, устойчивостью и создает максимальную свободу планировочных решений. Система обеспечивает надежность в восприятии нагрузок и равномерность деформаций рам, расположенных в здании в продольном и поперечном направлениях. Недостаток (при сборном железобетонном каркасе) — сложность в унификации узловых соединений из-за разных величин усилий в них по высоте здания. Такое решение железобетонного каркаса наряду со стальным находит применение в сложных грунтовых условиях и в сейсмических районах.

При изготовлении рамного каркаса из сборного железобетона применяется разрезка его несущих элементов на Г-Т-Н — образные элементы, позволяющая перенести узловые соединения в наименее напряженные участки — места нулевых изгибающих моментов от вертикальных нагрузок.

Рамно-связевая система

Рамно-связевая система обеспечивает пространственную жесткость за счет совместной работы поперечных рам, вертикальных диафрагм жесткости и перекрытий, выполняющих функцию жестких горизонтальных дисков. Вертикальные нагрузки передают на каркас как на рамную систему. Горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно плоскости рам, воспринимают вертикальные диафрагмы жесткости и диски перекрытий, а нагрузки, действующие в плоскости рам, воспринимает рамно-связевой блок, состоящий из вертикальных диафрагм жесткости и рам каркаса.

В результате проведенных теоретических исследований доказано, что рамно-связевая система удовлетворяет условию минимального расхода материала в несущих вертикальных конструкциях при нулевой жесткости поперечных рам, то есть когда система превращается в чисто связевую.

Связевая система

Связевая система все вертикальные нагрузки передает на стержневые элементы каркаса (колонны и ригели), а горизонтальные усилия воспринимают жесткие вертикальные связевые элементы (стеновые диафрагмы и ядра жесткости), объединенные между собой дисками перекрытий. В связевом каркасе ограничена прочность и жесткость стыков ригелей с колоннами. Узлы конструируют податливами с помощью стальных связей («рыбок»), ограничивающих защемление.

Внедрение связевой системы в производство элементов сборного железобетонного каркаса позволило провести широкую унификацию его основных элементов (колонн и ригелей) и их узловых соединений.

Разработана номенклатура индустриальных железобетонных изделий серии 1.020-1 (рис. 16.2), позволяющая возводить как гражданские, так и промышленные каркасно-панельные здания любой конфигурации и этажности.

В состав номенклатуры серии помимо колонн и ригелей, включены панели перекрытий, диафрагм жесткости и наружных стен.

Из унифицированных элементов могут быть запроектированы каркасы с продольным и поперечным расположением ригелей.

Габаритные схемы

Габаритные схемы компонуются на следующих условиях:

• оси колонн, ригелей и панелей диафрагм жесткости совмещены с модульными осями здания;
• шаг колонн в направлении пролета плит перекрытий равен 3,0; 6,0; 7,2, 9,0 и 12,0 м.
• шаг колонн в направлении пролета ригелей соответствует 3,0; 6,0; 7,2 и 9,0м,
• высота этажей в соответствии с назначением и укрупненным модулем ЗМ составляет 3,3; 3,6; 4,2; 6,0 и 7,2 м.

Кроме того для квартирных и специализированных жилых домов (пансионаты, гостиницы, общежития и т.п.) высота этажей принимается равной 2,8 м.

Компоновка диафрагм жесткости может быть разнообразной, но предпочтительнее устройство пространственных связевых систем открытого или замкнутого сечений.

Конструктивные элементы

Колонны имеют высоту в 2-4 этажа, что позволяет в зданиях, с соответствующей этажностью, применять бесстыковые колонны. Наряду с бесстыковыми колоннами в номенклатуру включены следующие типы колонн: — нижние высотой в два этажа и расположением низа колонны ниже нулевой отметки на 1,1м.; средние — высотой в три-четыре и верхние в один-три этажа. Предусмотрены колонны сечением 30×30 см для зданий высотой до 5-ти этажей и колонны сечением 40×40см для всех остальных. Колонны выпускаются двухконсольнымии и одноконсольными. Двухконсольные колонны устанавливают по средним и крайним рядам при навесных панелях наружных стен. Одноконсольные колонны располагают по крайним рядам при самонесущих наружных стенах и по средним рядам при одностороннем примыкании стен-диафрагм жесткости в лестничных клетках. Стык осуществляется на сварке выпусков арматуры с последующим омоноличиванием и расположением его выше плоскости консоли на 1050 мм.

Ригели — таврового сечения с полкой понизу для опирания плит перекрытия, что уменьшает его конструктивную высоту. Стык ригеля с колонной выполняет со скрытой консолью и приваркой к закладным деталям консоли и колонны (частичное защемление).

Перекрытия — многопустотные плиты высотой 220 мм и пролетом до 9,0м,. Плиты типа 2Т применяют для пролетов 9 и 12м. Элементы перекрытий разделяют на рядовые и связевые (плиты распорки). Связевые плиты перекрытия устанавливают между колоннами в направлении перпендикулярном ригелям, обеспечивая их устойчивость,

Перекрытия испытывают поперечный изгиб от вертикальных нагрузок и изгиб в своей плоскости от горизонтальных (ветровых, динамических) воздействий.

Необходимая жесткость горизонтального диска перекрытия, собираемого из сборных железобетонных элементов, достигается установкой связевых плит-распорок между колоннами, сваркой закладных соединительных элементов и устройством шпоночных швов из цементного раствора между отдельными плитами. Полученный жесткий горизонтальный диск, воспринимая все нагрузки, включает в совместную работу вертикальные диафрагмы жесткости.

Стены — диафрагмы жесткости монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, толщиной 140мм. и длиной, соответствующей расстоянию между колоннами в пределах, которых они установлены. При шаге колонн 7,2 и 9,0м стены-диафрагмы проектируют составными из двух-трех панелей, с координационными размерами по ширине 1,2, 3,0 и 6,0 м. Они могут быть глухими или с одним дверным проемом. Элементы диафрагм жесткости между собой и элементами каркаса соединяют сваркой закладных деталей, не менее чем в двух местах по каждой стороне панели с последующим замоноличиванием.

Шаг диафрагм определяется расчетом, но не превышает 36,0 м.

Панели наружных стен могут быть запроектированы самонесущими или ненесущими (навесными) конструкциями, (рис. 16.3). Разрезка стен на панели — двухрядная. В номенклатуру входят поясные простеночные, под карнизные, парапетные, цокольные панели.

Панели самонесущих стен устанавливают по цементно-песчаному раствору на цокольные или простеночные панели и крепят поверху к закладным деталям колонн. Панели ненесущих стен навешивают на ригели, консоли или опорные металлические столики колонн и закрепляют в плоскости перекрытия.

Привязка панелей самонесущих и несущих стен к каркасу единая — с зазором 20 мм между наружной гранью колонны и внутренней гранью панели наружной стены.

Изоляция стыков панелей решена по принципу закрытого стыка.

Московская строительная индустрия создала серию КМС-К1, также основанную по принципу работы связевой системы.

Компоновка каркаса здания может осуществляться как с продольным, так и поперечным расположением ригелей (рис. 16.4).

Компактные в плане отапливаемые здания длиной до 150 м проектируют без температурных швов. Здания с изрезанным очертанием плана, приводящее к ослаблению горизонтальных дисков перекрытий, расчленяют на температурные блоки, длина которых увязана с членением объемной формы здания, но не превышает 60 м.

Как и в серии 1.020.1 каркас KMC-KI собирают из колонн, ригелей, плит перекрытий, панелей жесткости и навесных панелей наружных стен.

Колонны — выполняют одно- и двух-этажными, единого сечения 400×400 мм, а их несущая способность меняется с изменением марок бетона и процента армирования переходом от гибкой (стержни) к жесткой (стальные профили) арматуре. В серии предусмотрены колонны рядовые, фасадные и колонны с вылетом консолей до 1,2 или 1,8 м., служащие опорами для плит балконов и лоджий.

Стык колонны располагают на 710 мм выше плиты перекрытия, что упрощает монтаж. При монтаже колонн применяют специальные кондукторы, обеспечивающие соосность. Соединение осуществляется ванной сваркой плоских торцов колонн, с последующей инъекцией цементного раствора.

Ригели — таврового сечения высотой 450, 600 и 900 мм (последний для пролетов в 12,0 м). Колонну соединяют с ригелем при помощи его опирания на скрытую (в высоте ригеля) консоль и с частичным защемлением установленной по верхней полки ригеля специальной фасонки — «рыбки », а также сваркой с закладными элементами консоли колонны. Значения воспринимаемых таким узлом изгибающих моментов и растягивающих усилий ограничены пределом текучести « рыбки». Поэтому в расчетах при восприятии вертикальных нагрузок защемление ригеля на опоре не учитывают, рассматривая его как шарнирное соединение.

Различают ригели рядовые и фасадные. Ригель фасадный имеет Z-образную форму, которая диктуется особенностью его работы — опирание плит перекрытий на нижнюю полку с одной стороны и навеской наружных стеновых панелей на верхнею полку с другой стороны.

Перекрытия — выполняют из многопустотных настилов высотой в 220 мм. Настилы различают в соответствии с размещением в плане — рядовые, фасадные, настилы-распорки, сантехнические и доборные.

Для создания единого диска перекрытия боковые поверхности настилов имеют шпоночные углубления, которые (после их раскладки) замоноличивают, создавая шпоночные швы, воспринимающие сдвигающие усилия.

Стены жесткости — проектируют из железобетонных панелей высотой на этаж и толщиной в 180 мм. Они имеют одну или две полки для опирания настилов перекрытий. Соединение с несущими элементами каркаса осуществляют при помощи стальных сварных связей числом не менее двух по каждой стороне.

Панели наружных стен — могут иметь горизонтальную или вертикальную разрезку по фасадной плоскости здания (рис. 16.5).

При двухрядной (горизонтальной) разрезки панели наружных стен подразделяют на поясные (ленточные), простеночные и угловые.

Координационные размеры панелей наружных стен горизонтальной разрезки по длине соответствуют шагу колонн, а по высоте составляют — 1,2; 1,5; 1,8 и 3,0 м. Простеночные панели могут быть высотой в — 1,5; 1,8 и 2,1 м, а шириной кратны модулю 300 мм.

При вертикальной разрезке — все размеры панелей по длине и высоте кратны модулю 300 мм.

Узел опирания панелей наружных стен унифицирован для разных систем разре-зок на панели фасадных плоскостей. Панели опирают на несущую конструкцию перекрытия (ригель, или настил) на глубину в 100 мм и приваривают при помощи закладных и соединительных элементов на расстоянии 600 мм в плане от оси колонны. Верх панели крепят к колонне, так же с помощью сварки соединительных элементов.

Горизонтальные стыки панелей наружных стен осуществляются в четверть с нахлесткой в 75 мм. Изоляция вертикальных и горизонтальных сопряжений панелей выполняется по принципу закрытого стыка.

Система позволяет создать многовариантные объемно-планировочные решения за счет применения колонн с консолями больших вылетов (1,2-1,8 м) для создания лоджий, консольных ригелей с вылетом до 3,0 м, образуюипгх выступающие объемы. Возможно устройство зальных помещений с пролетами в 18,0-24,0 м. Разнообразие архитектурных композиций зданий достигается применением двухрядной (горизонтальной) и вертикальной разрезки , так же различных вариантов защитно-отделочных слоев наружных стеновых панелей.

Wiki ЖБК

Материалы для проектирования железобетонных конструкций

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Боковая панель

Проектное бюро Фордевинд:

Сайты схожей тематики:

Содержание

Конструктивная схема здания

Ханджи В.В. Расчет многоэтажных зданий со связевым каркасом. 1977 г. Глава 4 «Общая устойчивость зданий и влияние деформаций на усилия в пилонах»

Рамный каркас

В рамном каркасе основные несущие функции выполняет система колонн и ригелей, расположенных в двух направлениях. Ригели жестко соединены с колоннами и образуют пространственную систему, состоящую из плоских рам.

Рамы 1) воспринимают всю совокупность действующих на здание вертикальных и горизонтальных нагрузок и передают их фундаментам.

Усилия в плоскости дисков перекрытий возникают только при необходимости перераспределения горизонтальных нагрузок между разножесткими рамами. В нормально закомпонованных зданиях усилия невелики и свободно воспринимаются дисками перекрытий.

В монолитных 2) железобетонных конструкциях жесткое соединение ригелей с колоннами дает некую экономию материалов.

Связевый каркас

В связевом каркасе основные несущие конструкции образуются системой колонн, горизонтальных дисков – перекрытий и вертикальных элементов – диафрагм (пилонов).

Роль перекрытий в системе несущих конструкций значительно возрастает. Помимо основной работы на вертикальные нагрузки перекрытия воспринимают действующие на здание горизонтальные силы и передают их диафрагмам, перераспределяют усилия между диафрагмами в зонах изменения их схемы и соотношения жесткостей, участвуют в совместной работе надземной части здания с фундаментами. При больших расстояниях между диафрагмами или между крайними диафрагмами и торцами здания усилия в плоскости перекрытий могут быть довольно большими.

Характерная особенность связевого каркаса – узлы соединения ригелей с колоннами. С точки зрения статической схемы эти узлы могли бы быть шарнирными.

Диафрагмы

Диафрагмы воспринимают часть вертикальных и все горизонтальные нагрузки, действующие на здание, и передают их фундаментам. Обеспечивают общую устойчивость здания, а их жесткость определяет значение перемещений несущих конструкций и здания в целом.

По статической схеме диафрагмы представляются в виде консольных элементов, защемленных в фундаментах. Иногда 3) , чтобы увеличить жесткость и общую устойчивость здания, пилоны объединяют связями в одном или нескольких уровнях по высоте здания. Эти связи выполняют в виде монолитных железобетонных балок или стальных ферм высотой в один этаж. При таком объединении совокупность диафрагм образует пространственную рамную систему.

Смешанный каркас

Смешанной называют схему, основанную на использовании рамных конструкций в одном направлении (обычно поперечном) и передаче горизонтальных нагрузок другого направления на связи. Эта схема распространена в промышленном строительстве (к монолиту не применима).

Рамно-связевый каркас

Рамно-связевая система каркаса основана на сочетании рамных конструкций с диафрагмами.

Опыт проектирования зданий такой системы показывает, что системы диафрагм воспринимают 85-95% горизонтальных нагрузок и при небольшом усилении могут принять на себя все горизонтальные силы.

Применение рамно-связанных систем наиболее целесообразно при использования в несущих конструкциях стали и монолитного железобетона, и как следствие образования жестких узлов без дополнительных затрат труда.

Примечание: Предлагаемый в книге Ханджи метод расчета ориентирован на многоэтажные здания со связевым каркасом. Несмотря на это он может быть использован и при расчете рамно-связевых систем. для этого следует либо в запас прочности не учитывать работу рам и все горизонтальные нагрузки воспринимать пилонами, либо имитировать рамы пилонами эквивалентной жесткости.

Компоновка каркаса здания

Размещение диафрагм

Выбор решения возникающих при этом противоречий (с архитектурными решениями) обусловлен высотой проектируемого здания.

Низкие каркасные здания – высота до 30…40 м

Положение диафрагм может быть подчинено оптимальному архитектурно-планировочному решению. Совокупность диафрагм должна обеспечить прочность, жесткость и общую устойчивость здания, однако схема их размещения может быть произвольной.

Допустимо перемещение диафрагм по высоте с одних осей на другие при обеспечении конструктивных мероприятий по передаче возникающих при этом усилий.

Усложнение конструкции и увеличение расхода материалов, вызванное произвольным размещением диафрагм, в невысоких зданиях полностью окупается улучшением планировки.

Средние каркасные здания – высота 35…75 м

В этой группе зданий следует стремиться к оптимальному размещению диафрагм, однако здесь возможно некоторое небольшое отступление, если это существенно улучшает планировку.

Высокие каркасные здания – высота более 70-80 м (высотные здания)

Положение диафрагм должно соответствовать излагаемым ниже требованиям (правилам) к их размерам и размещению в плане и должно быть оптимальным.

Отступления 4) от этих требований значительно усложняют конструкции и ухудшают их работу. В связи с этим при компоновке высотных зданий первенство должно быть отдано размещению диафрагм, даже если при этом архитектурно-планировочному решению наносится некоторый ущерб.

Правила компоновки системы диафрагм

Система пилонов и архитектурно-планировочное решение здания должны быть максимально взаимоувязаны. В процессе увязки приоритет определяется в зависимости от высоты здания.

При компоновке высоких (более 70-80 м) и средних зданий (35-75 м) по высоте зданий следует стремиться к минимальному числу диафрагм. Необходимая прочность и жесткость здания легче достигается увеличением размера диафрагм, а не их числа. Увеличивать количество пилонов по сравнению с минимально необходимым целесообразно только в зданиях с протяженным планом, когда лимитирующим параметром оказываются расстояния между пилонами.

Минимально необходимой и достаточной для обеспечения геометрической неизменяемости здания (согласно правила прикрепления твердых тел и систем) является система диафрагм, в состав которой входит не менее трех стен, плоскости которых не пересекаются на одной прямой и не параллельны.

Геометрически неизменяемая система

Мгновенно изменяемая система

(могут возникать усилия теоретически бесконечно большие или неопределенные)

Оптимальна такая компоновка здания, при которой центр массы и центр изгиба здания совпадают в плане и через эту же точку проходят равнодействующие ветровых нагрузок. Следует стремиться к тому, чтобы расстояние между центром массы и центром изгиба было минимальным.

Размеры поперечных сечений пилонов, не имеющих развитых фибр, следует назначать не менее 1/6…1/8 высоты надземной части здания.

В зданиях с протяженным планом расстояния между параллельными стенами пилонов следует принимать не более 30 м, расстояние от стены крайнего пилона до крайней оси – не более 12 м. При этом увеличивается количество диафрагм – лимитирующим является параметр расстояния между диафрагмами.