Металлические каркасы многоэтажных зданий

Области применения

Стальные несущие конструкции можно применять для многоэтажных зданий любой высоты, однако, практика проектирования и строительства рекомендует использовать металлический каркас при количестве этажей 40 и более. Главным преимуществом стального каркаса является возможность использовать большой шаг колонн при их малом поперечном сечении и большие пролёты перекрытий от 6 до 18 м. С применением стальных ферм, имеющих высоту этажа, возможно перекрывать пролёты от 30 до 60 м. Большой шаг расположения колонн повышает гибкость планировки помещений здания.

3.2 Объемно-планировочные решения и компоновка каркаса многоэтажных зданий

Объемно-планировочное решение здания должно удовлетворять функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям, для чего необходимо определить состав, размеры и взаимное расположение основных, обслуживающих, коммуникационных и технических помещений.

Применяемые планировочные решения должны вписываться в модульную сетку разбивочных осей и высоты этажей. Для общественных зданий рекомендуются следующие сетки колонн: 6х6; 6х9; 6х12; 9х9; 12х12 м. Высоту этажа принимают равной 3,3; 3,6; 4,2 м и более с модулем 0,6 м. Возможные планы многоэтажных зданий приведены на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Формы планов многоэтажных зданий

а – здания с компактными планами; б – то же, с протяженными

 

Любое каркасное здание состоит из отдельных элементов, выполняющих в общей системе определенные функции. В зависимости от вида конструктивно схемы каркаса многоэтажные здания подразделяют на:

- бескаркасные;

- каркасные;

- смешанные.

Стальные несущие конструкции рационально применять в каркасных и смешанных системах. Зависимость применения тех или иных систем в зависимости от высоты здания приведена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 – Области применения разных конструктивных систем

а – обычная рамная система; б – связевая или рамно-связевая с диафрагмами жесткости или внутренним стволом; в – то же, с ростверками; г – рамная система с внешней пространственной рамой; д – секционно-рамная система; е – связевая система с внешним стволом в виде пространственной фермы.

В рассматриваемом случае речь идёт о многоэтажных зданиях, для которых наиболее целесообразными, исходя из рис. 3.2, являются обычная рамная, связевая и рамно-связевая с диафрагмами жесткости или внутренним стволом, ростверками системы.

Рамные системы

Рамные каркасы обычно состоят из прямоугольной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами.

В обычной рамной системе (рис. 3.3, а) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6, 9 м. Жесткие рамы при горизонтальных нагрузках работают за счет изгиба колонн и балок. Подобные системы экономичны в зданиях высотой не более 30 этажей.

Системы с внешней пространственной рамой (рис. 3.3, б). При частом расположении колонн конструктивные элементы внешней рамы выполняют функции фахверка наружной стены и для ее устройства не требуется дополнительных элементов.

Дальнейшим развитием рамных систем является рамно-секционная система (рис. 3.3, в). Эта система позволяет завершать различные секции на разной высоте без существенного усложнения конструкций, придавая зданию ступенчатый вид. Ригели перекрытий в пределах отдельных секций обычно опирают на колонны шарнирно.

Рисунок 3.3 – Схемы основных рамных систем

а – обычная, б – с внешней пространственной рамой; в – рамно-секционная; 1 – колонна; 2 – ригель; 3 – плоскость одного из перекрытий

Связевые системы

В связевых системах (рис. 3.4) горизонтальная жесткость обеспечивается за счет работы диагональных элементов и колонн при шарнирном примыкании ригелей. Связевая система работает на горизонтальные нагрузки как консоль, защемленная в фундаменте, нагрузки на которую передаются посредством жестких дисков перекрытий.

Связевая конструкция может быть решена в виде плоских диафрагм (рис. 3.4, а) или в виде пространственных стволов жесткости (рис. 3.4, б, в, г), которые могут располагаться как внутри здания, так и снаружи, образуя внешний ствол.

Внутренний ствол жесткости может быть решен в виде замкнутой железобетонной конструкции. Такой ствол целесообразно совмещать с лифтовыми или коммуникационными шахтами.

По расходу стали связевые системы более эффективны, чем рамные, так как большая часть колонн освобождена от внутренних усилий изгиба.

Рисунок 3.4 – Схемы основных связевых систем

а – с диафрагмами жесткости; б – с внутренним решетчатым стволом; в – с внутренним железобетонным стволом; г – с внешним стволом; 1 – диафрагмы; 2 – колонны; 3 – ригели; 4 – внутренний железобетонный ствол; 5 – внешний ствол; 6 – наружные диафрагмы

 

Рамно-связевые системы

Рамно-связевые системы (рис. 3.5) имеют вертикальные связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, расположенными в одной или разных плоскостях со связями. В продольном направлении жесткость обеспечивается за счет рамных узлов примыкания ригелей к колоннам, а в поперечном – за счет связевых диафрагм по торцам здания. Ветровые нагрузки в поперечном направлении передаются через горизонтальные диски перекрытий на торцовые диафрагмы.

Рисунок 3.5 – Схемы рамно-связевых систем

а – рамно-связевые системы с жесткими включениями; б – то же, с поясами жесткости; в – то же, с поясами жесткости и ростверками

 

При проектировании каркасов многоэтажных зданий не всегда сохраняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В некоторых случаях наиболее рациональным решением является комбинированная схема.

Примеры использования стальных каркасов при строительстве многоэтажных зданий приведены на рис. 3.6-3.9.

Современное строительство характеризуется тенденцией к максимальному снижению массы конструкций с целью уменьшения материалоемкости и стоимости строительно-монтажных работ; в связи с этим совершенствование конструкций здания идет в направлении использования высокопрочных сортов стали и сплавов, тонкостенных прокатных и гнутых профилей, внедрения предварительно напряженных конструкций из металла и создания облегченных конструктивных систем здания с растянутыми поверхностями из тонких листов.

 

Рисунок 3.6 – Чикаго «Либерти Мьючиал Иншуренс билдинг»

Рисунок 3.7 – Поперечный разрез и фрагмент фасада «Мезон Кларте» Женева

Рисунок 3.8 – Шоколадная фабрика в Наузье-на-Марне

Рисунок 3.9 - Любонь (Познань). Химическая фабрика

Конструктивные решения

Колонны

Колонны многоэтажного каркасного здания являются основными конструктивными элементами каркаса. (рис. 3.10 – основные типы сечений колонн). Двутавровые профили – самай распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок перекрытий в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для организации опорных узлов.

Рисунок 3.10 – Типы сечений колонн многоэтажных зданий

а – двутавровые; б – замкнутые; в – крестовые; г – полые прокатные; д - сквозные

Ригели и балки перекрытий

В многоэтажном строительстве наиболее часто применяют балки со сплошной стенкой при пролётах до 12 м и выполняют их из обычных, широкополочных или сварных двутавров. При больших пролётах (более 12 м) и больших нагрузках в качестве ригелей могут быть использованы фермы.

Основные типы сечений ригелей и балок перекрытий многоэтажных зданий представлены на рис. 3.11.

Рисунок 3.11 – Типы сечения ригелей и балок перекрытий

а – балочные профили; б – фермы; 1 – усиления балок в сечениях с максимальных изгибающим моментом; 2 – железобетонная плита перекрытия

Базы колонн

В каркасах многоэтажных зданий, как правило применяют базы для безвыверочного монтажа колонн. Плиту базы с фрезерованной или строганной верхней поверхностью устанавливают на фундамент по разбивочным осям, ориентируясь на риски, выверяют с помощью установочных болтов и подливают цементным раствором (рис. 3.12).