Т Е М А № 14

КАРКАСНЫЕ ЗДАНИЯ

Современные каркасные здания являются самым распространенным типом зданий при строительстве объектов общественного назначения.

Несущий остов каркасного здания состоит из фундаментов, несущих стоек, балок и плит перекрытия, вертикальных связей. Связи обеспечивают неизменяемость пространственной геометрической формы и устойчивость здания. В несущем остове каркасного здания отсутствуют стены. В каркасных зданиях стены несут только ограждающую функцию и их выполняют в виде самонесущих или навесных стен из легких эффективных материалов.

Каркасные здания подразделяют:

а) по характеру работы несущего остова

· на рамные,

· рамно-связевые

· связевые схемы

рис.1 Схемы несущих остовов каркасных зданий:

а — рамная; б — рамно-связевая; в — связевая; 1 — ригели; 2 — вертикальные связи жесткости; 3 — жесткий диск перекрытия

б) по материалу

· на сборные железобетонные,

· монолитные железобетонные

· со стальным каркасом;

в) по расположению стоек каркаса — на системы с узким и широким шагом колонн;

г) по расположению ригелей

· с продольным,

· поперечным

· перекрестным расположением ригелей.

· Возможна и безригельная система.

Рамная схема каркаса обладает жесткостью как в продольном, так и поперечном направлениях за счет жесткости узлов соединений ригелей и колонн. Каркас может выполняться из железобетона (сборного и монолитного) и металла. Но конструктивная сложность жестких узлов при строительстве из сборных элементов, трудоемкость их выполнения и повышенный расход стали ограничивают применение рамного каркаса. Его используют только при строительстве зданий, в которых не допускаются вертикальные связи жесткости (по планировочным соображениям) или в зданиях, подвергающихся большим динамическим воздействиям. В этих случаях каркас выполняют из монолитного железобетона, используя сборно-разборную инвентарную опалубку.

Монолитные перекрытия (рис. 2) при рамной схеме обычно устраивают в виде ребристой плиты с поперечным направлением главных балок (образующих вместе с колоннами главные рамы), с продольными второстепенными балками (ребрами) через 1,2...1,5 м и плитой перекрытия толщиной 70...80 мм. Высоту главных балок принимают равной 1/10...1/12 пролета, ширину балок — 0,4...0,5 их высоты. Продольные второстепенные балки, поставленные по осям колонн, образуют совместно с колоннами продольные рамы.

Рис. 2. Примеры реше­ния монолитных перекрытий:

а — с главными и второсте­пенными балками (ребрами); 6 — с балками перекрестного направления и ребрами кес­сонного типа; в — безбалочное перекрытие с колонной, имеющей капитель; г — безбалочное перекрестного на­правления и ребрами по ли­ниям равных моментов; д — то же, с балками

Иногда продольные и поперечные балки делают одного сечения и тогда получается перекрытие с перекрестным расположением ригелей. Ребра плит перекрытия в этом случае располагают в продольном или в поперечном направлениях или с перекрестным расположением, создавая кессонированный потолок. Монолитная плита перекрытия работает совместно с ребрами, образуя тавровое сечение балки, где плита находится в сжатой зоне (сечение 1 — 1 рис. 2).

Применение современных методов исследования напряжений в конструкциях позволяет точно опре­делять распределение усилий в теле конструкции. Используя данные таких исследований, итальянский инженер П. Л. Нерви выполнил монолитные плиты перекрытия с расположением ребер по линиям равных моментов, получив плиту с ребрами криволинейного очертания (рис. 2, д).

В безригельном варианте верх колонн делают с уширением (типа капители) для уменьшения пролета плиты, увеличения жесткости сопряжения с плитой и для зрительного завершения колонны, а плиту выполняют без ребер или с ребра­ми по линиям равных моментов (рис. 2, г, д).

Для сокращения опалубочных работ и сроков строительства применяют сборно-монолитный каркас. В этом случае повторяющиеся элементы монолитного каркаса заменяют на сборные элементы, аузлы сопряжений замоноличивают. Например, второстепенные балки и плиты перекрытия заменяют на ребристые сборные плиты, опирание которых на балку выполняют замоноличенным, создавая жесткость соединения. Сборно-монолитные перекрытия могут быть и безбалочными.

Связевая схема каркаса отличается от рамной тем, что все горизонтальные усилия в ней в обоих направлениях воспринимаются жестким диском перекрытия и вертикальными элементами жесткости — связями и диафрагмами, поставленными в поперечном и продольном направлениях на каждом этаже друг над другом. Сопряжения ригелей и колонн выполняют шарнирно, что намного упрощает конструктивное решение этих узлов при сборных конструкциях. Шарнирные сопряжения ригелей и колонн практически обладают некоторой жесткостью, поэтому в малоэтажных зданиях (до трех этажей) допускается не ставить связи жесткости (после проверки расчетом).

Вертикальные элементы жесткости выполняют в виде решетчатых металлических конструкций («крестом» или «порталом») или в виде сплошных вертикальных стенок-диафрагм. Эти диафрагмы обычно выполняют из сборных железобетонных панелей, вставляемых в просветы между колоннами и ригелями, жестко закрепляя их сваркой закладных деталей. После проверки расчетом в диафрагмах допускается делать дверные проемы. Расположение связей жесткости определяется расчетом.

В зданиях башенного типа диафрагмы жесткости располагают в центре здания, имеющего в плане вид креста, двутавра или квадрата и образующего пространственное ядро жесткости (рис. 3). В протяженных зданиях можно использовать несколько ядер жесткости. Часто ядра жесткости выполняют из несущих стен (в частности, из монолитных железобетонных, возводимых в скользящей опалубке), внутри которых размещают лестничные клетки, шахты лифтов, вертикальные шахты для инженерных коммуникаций, вспомогательные помещения (санузлы, кладовые и др.).

Рис. 3. Схематические планы каркасных здания с ядром жесткости

а — в — варианты планировочных решений ядра жесткости; г — схема здания с двумя ядрами жесткости; б — деформации высотного здания с ядром жесткости при отсутствии и при наличии жесткой горизонтальной рамы в пределах верхнего технического этажа

Особым видом каркасных зданий связевой схемы являются зда­ния, возводимые методом подъема этажей (рис. 4). К одной или двум башням, в которых расположены лестницы и лифты и которые являются ядрами жесткости, крепят безбалочные железобетонные плиты перекрытий. Эти плиты для всех этажей изготовляют на строительной площадке на нулевой отметке в виде своеобразного пакета: каждая плита, покрытая сверху пленкой или обмазкой (для предотвращения сцепления бетона), является днищем опалубки для плиты верхнего этажа. После установки сборных колонн каркаса на всю высоту зда­ния и изготовления плит перекрытия всех этажей их поднимают домкра­тами и закрепляют плиты к колоннам на проектных отметках, начиная с самой верхней.

Рис. 4. Строительство здания методом подъема этажей:

1 — смонтированные этажи; 2 — подъем этажа на проектную отметку, 3 — башня-ядро жесткости; 4 — колонна каркаса

К стенам башен (ядер жесткости) плиты перекрытий крепят с расчетом на восприятие горизонтальных нагрузок. После этого несущий остов готов к восприятию всех горизонтальных (ядрами жесткости) и вертикальных (колоннами каркаса) нагрузок. Эта конструктивная схема дает возможность придавать зданию самую разнообразную форму в плане.

Пространственное ядро жесткости работает как консоль, заделанная посредством фундамента в грунт. Воспринимая значительные ветровые нагрузки при повышенной этажности здания, оно может подвергаться изгибу, нарушая горизонтальность этажей и вызывая деформации в навесных панельных стенах. Чтобы уменьшить указанные деформации, в пределах верхнего технического этажа устраивают жесткие конструкции рамного типа (рис. 2, д).

Разновидностью зданий с ядром жесткости являются здания с подвесными этажами. В этих зданиях перекрытия опираются не на колонны, а на металлические тяжи, которые, в свою очередь, подвешиваются к консольной пространственной конструкции, жестко закрепленной в верхней части башни — ядра жесткости (см. рис. Здания из объемных элементов каркасно-балочной системы). Тяжи выполняют из круглого, таврового или других профилей. Хорошо работая на растяжение, металл позволяет значительно сократить площадь поперечного сечения тяжей по сравнению с традиционными колоннами, работающими на сжатие и продольный изгиб и опирающихся на фундамент. Нижние этажи в таких зданиях могут отсутствовать.

Рамно-связевая схема каркаса состоит из плоских рам в одном направлении (обычно в поперечном) и вертикальных элементов жесткости в другом направлении, чем и обеспечивается общая устойчивость и жесткость здания. Навесные стены при условии жесткого и прочного их закрепления к несущему остову также могут служить вертикальными элементами жесткости. Рамно-связевая схема легко решается при применении сборных железобетонных элементов, так как жесткость сопряжений требуется обеспечить только в одном направлении, а не в двух, как при рамной схеме. По сравнению со связевой схемой сокращается количество диафрагм, или связей жесткости, что улучшает возможности гибкой планировки.

Сборные железобетонные каркасы, используя рамно-связевую и связевую схему, применяют весьма широко для зданий высотой до 30 этажей.

Монолитные железобетонные каркасы применяют лишь для особых условий, указанных выше, используя рамную схему.

Металлический каркас используют при строительстве высотных зданий без ограничения этажности. Но в целях пожарной безопасности металлический каркас должен быть обетонирован или облицован огнестойкими плитами. Желание включить обетонку в работу каркаса привело строителей к решению железобетонного каркаса с жесткой арматурой.

Фасады каркасных зданий значительно отличаются от фасадов зданий с несущими стенами. Последние представляют собой стеновую плоскость, увенчанную карнизом и декорированную горизонтальными тягами (поясками), рустом или вертикальными членениями в виде раскреповок, лопаток и пилястр. Эти членения и сравнительно небольшие оконные и дверные проемы не нарушают цельности стены.

В каркасных зданиях стены несут лишь ограждающие функции, что дает возможность выполнять их из легких материалов с большими (а подчас и сплошными) остекленными поверхностями. Схема фасада каркасного здания представляет собой сетку вертикальных и горизонтальных членений: вертикальные членения соответствуют стойкам каркаса, а горизонтальные — уровням междуэтажных перекрытий. Все элементы такого фасада (окна, подоконные панели, швы, нащельники разных типов) можно располагать в разных плоскостях, создавая рельефную поверхность. Сетка, соответствующая элементам каркаса, придает каркасным зданиях масштабность, т. е. дает соотношение к размерам человеческого тела, без которой при больших и все возрастающих размерах каркасных зданий они превратились бы в абстрактные геометрические объемы.

Для решения фасада каркасного здания важен шаг колонн каркаса.Применяют каркасы с узким и широким шагом колонн.

Узкий шаг колонн (1.5...3 м) позволяет расположить между колоннами лишь одно окно. Такой шаг принимают для административных зданий, где мелкие конторские помещения располагаются между перегородками, примыкающими к наружной стене в месте расположения стоек. Сами стойки такого каркаса могут иметь малое поперечное сечение (до 150x200 мм), не загромождая внутреннего пространства и почти сливаясь с примыкающими к ним перегородками.

Широкий шаг более универсален и поэтому более распространен в строительной практике. Между стойками могут располагаться два и более окон. Окна разделяют второстепенными ненесущими стойками (импостами), к которым могут примыкать перегородки.

Модульная фасадная сетка каркасных зданий достаточно монотонна и поэтому должна быть четко решена у своих границ: на углах, в первом и верхнем этажах, чтобы здание не казалось фрагментом, а было законченным целым. Особенно сложно решение угла. Необходимо подчеркнуть различное значение угла в зданиях с несущими стенами и каркасных. В первом случае угол, т. е. пересечение продольной и поперечной стены, является важным элементом жесткости и устойчивости всего здания. Поэтому он делается массивным, тщательно соблюдается перевязка швов кладки.

Рис. 5. Решение угла здания с несущими стенами (а) и каркасных зданий (б-д).

Угловое окно не устраивают из-за ослабления жесткости соединения стен в углах. Форма угла получается сама собой, в результате пересечения плоскостей стен (рис. 5, а).

Чтобы понять сложность решения угла каркасного здания, необходимо проанализировать работу угловой колонны. Анализ показывает (рис. 6), что угловая колонна наименее загружена из всех других колонн. Она несет лишь 1/4 нагрузки средней колонны и 1/2 нагрузки рядовой наружной колонны. Таким образом, естественное решение расстановки одинаковых колонн по фасаду неизбежно ведет к акцентированию угловой колонны, что противоречит логике работы каркаса, нарушает тектоническую правдивость. Сознательное утолщение углового элемента (за счет облицовки или другими средствами) является ошибкой архитектора. Одним из решений угла каркасного здания является решение его на консолях. Могут быть и другие решения углов, в том числе и полностью остекленный угол, при котором тектоничность каркасного здания не нарушается.

Загруженность колонн каркасного здания (заштрихованы площади пере­крытий, с которых нагрузка передается на внутреннюю, наружную рядовую и угловую колонны)

Рис. 6. Решение верха каркасного здания:

а — простая форма завершения соответствует характеру здания; б —архитектурный «мотив», ко­торый не находится в тектонической связи с кон­струкцией

Верх каркасных многоэтажных зданий решается значительно легче. Характерная для малоэтажных зданий скатная крыша с карнизом в многоэтажных зданиях перестает быть полезной и необходимой. Назначение скатной крыши — быстрое удаление воды и сброс снежного покрова, а также защита стен от атмосферных осадков. Карнизы у высоких зданий уже не могут защитить стены от дождя, а сброс воды и снега с большой высоты представляется весьма не современным решением при наличии в каждом городе ливневой канализации. Поэтому логически оправданным является завершение высоких зданий парапетом вокруг плоской кровли с внутренними водостоками. Конкретное решение верха здания зависит от общего решения каркаса и стенового заполнения и наличия верхнего технического этажа.

Колонны нижних этажей испытывают большие напряжения, чем колонны верхних этажей, поэтому нужно нижние колонны делать большего поперечного сечения. Но изменение поперечного сечения колонны по этажам увеличивает количество типоразмеров элементов при сборном строительстве и количество типов инвентарной опалубки при монолитном строительстве. Кроме того, различные сечения колонн усложняют сопряжения их с ригелями и плитами перекрытия, поэтому сечения колонн по всей высоте здания делают одинаковыми. Большие нагрузки в нижних колоннах воспринимаются за счет большего насыщения железобетонных конструкций арматурой и повышения прочности материалов.

Часто в общественных зданиях принятая сетка колонн удобна для всех этажей, кроме первого. Это объясняется тем, что на первом этаже размещаются просторные помещения вестибюля, гардеробов, ресторана или вообще первый этаж не ограждается стенами: устраивают стоянки для машин, места отдыха. В этих случаях возникает потребность расширения шага колонн по первому этажу. Эту проблему решают с помощью мощного ригеля на уровне перекрытия первого этажа (рис. 7). На ригель опираются колонны верхних этажей, а сам ригель покоится на колоннах первого этажа с расширенным шагом. Ригель и колонны первого этажа выполняют из монолитного или сборно-монолитного железобетона для создания жесткости в обоих направлениях за счет жесткого решения узлов сопряжений. Для облегчения веса и уменьшения габаритов ригеля можно применить У-образные или вилообразные колонны. Верхние концы таких колонн подводят под места опирания вышестоящих колонн.

Рис. 7. Решение каркасного здания с широко расставленными колоннами первого этажа:

1 –вертикальные колонны; II – У-образные колонны;

а – неудовлетворительное решение ранд-балки 1-го этажа из-за небольшой высоты при увеличенном пролете, г – то же, из-за увеличенной высоты при неизменившемся пролете ранд-балки, б, в – наиболее логичное решение ранд-балки

Расположение ригелей (главных балок рамной конструкции) в каркасных зданиях обычно принимают поперечным. Возможно и продольное расположение ригелей, а при рамной схеме — и с перекрестным расположением. Поперечное расположение ригелей обеспечивает возможности для максимального освещения помещений естественным светом, так как окна в этом случае могут быть подняты до низа плит перекрытия. Продольное расположение ригелей удобно при коридорной системе. В этом случае над коридором делают подвесной потолок и используют верхнюю зону коридора для прокладки инженерных коммуникаций. Расположение ригелей принимают с учетом расчетных данных и планировочных решений.

Для массового строительства применяют каркасы из сборного железобетона. Фундаменты для сборных железобетонных колонн делают столбчатыми стаканного типа.

Колонны приняты сечением 300X300 и 400X400 мм. Ригели таврового сечения имеют высоту 450 и 600 мм с опиранием плит перекрытия на нижнюю полку тавра. Ригели опираются на консоли колонн скрытого типа. При смонтированном перекрытии такие консоли не выступают внутрь помещения, являясь как бы продолжением нижней части ригеля. Плиты перекрытия бывают многопустотные (L = 3; 6; 7,2 и 9 м), ребристые (L = 3; 6 и 9 м), Т-образные и типа «двойное Т» (L = 9 и 12 м). Монтаж перекрытия начинают с установки связевых плит, расположенных по осям колонн. Для создания жестких дисков перекрытия плиты крепят к ригелям сваркой закладных деталей, швы между плитами замоноличивают.

Рис. 8. Детали каркасного здания:

а — опирание на ригель многопустотных плит длиной 3 и 6 м; б — то же. длиной 7,2 и 9 м; в — опирание ригеля на консоли колонн; г — T- и 2Т-образные плиты перекрытий; 1 — конструкция пола; г — бетон замоноличивания; 3 — связевая плита перекрытия

Наружные стены каркасных зданий выполняют самонесущими или навесными. Панели самонесущих стен изготовляют однослойными из легкого (толщиной 250, 300, 350 и 400 мм) и ячеистого (толщиной 250 и 300 м) бетона. Панели навесных стен трехслойные из легких теплозащитных материалов (поропласт, минераловатные плиты, пенополистирол), защищенных водонепроницаемым конструкционным листовым материалом (асбестоцемент, алюминий, стеклопластики).

К рамно-связевой относится схема каркаса с поэтажной установкой колонн (рис. 9). Ригели опирают на колонны, пересекая их, и жестко закрепляют сваркой закладных деталей.

Рис. 9. Варианты сборного каркаса:

а — с применением Н-образных рам высотой на два этажа; и- с поэтажной установкой колонн; 1 — стойка рамы; 2 — ригель рамы; 3 — поперечная стенка жесткости (изготавливается вместе с рамой); 4 — отдельно монтируемый ригель; 5 — стык Н-образных рам; 6 — колонна, устанавливае­мая на ригель; 7 — ригель с двумя консолями; 8 — продольная стенка жесткости

Совместная работа колонн и ригелей создает поперечную раму. Такое решение дает возможность устройства консольных свесов ригелей, что целесообразно для некоторых видов зданий.

В последнее время все чаще используют при строительстве каркасных зданий плоскостные элементы рам в виде Н-образных, крестообразных или замкнутого профиля конструкций. Такие конструкции намного сокращают количество трудоемких и сложных узлов сопряжений ригелей с колоннами. Двухэтажные рамы с двумя колоннами и двумя ригелями образуют основу несущего остова трехпролетного корпуса (рис. 9). Средний пролет перекрыт обычными ригелями. Использование рамных элементов в различных комбинациях позволяет создавать сложные объемные композиции с богатой пластикой фасадов.

При устройстве в каркасном зда­нии этажей без наружных стен (здание на столбах или здание с этажом-террасой) надо помнить о замкнутом контуре утепления здания и о необходимости пропуска через открытые этажи сантехнических коммуникаций — водопровода, канализации, отопления (рис. 10).

Рис. 152. Устройство открытых этажей в каркасных зданиях:

1 — этаж; 2 — междуэтажное перекрытие; 3 — утепленное и водонепроницаемое перекрытие (ти­па крыши-террасы); 4 — утепленное перекрытие; 5 — утепление колонн; 6 — технический этаж; 7 — открытый этаж

Дата добавления: 2014-01-07