Монолитные каркасы проектируют рамными или рамно-связевыми (с устройством монолитных диафрагм жесткости).
В зависимости от решения ригелей (балок) монолитные каркасно-ригельные системы могут быть двух типов: с главными и второстепенными балками в разных направлениях; с балками одинакового значения в двух или трех направлениях (с перекрытиями кессонного типа).
В первом типе каркаса второстепенные балки опираются на монолитно связанные с ними главные балки, а те, в свою очередь, - на колонны (см. рис. 5.3).Компоновка второстепенных и главных балок в плане может быть различной (при продольном или поперечном их расположении). При выборе направления главных балок учитывают назначение здания, пространственную жесткость каркаса и др. требования.
Пролеты главных балок 6-9 (12) м, высота поперечного сечения 1/8-1/15 от пролета, а ширина - 0,4-0,5 высоты.
В каждом пролете главной балки располагают от одной до трех второстепенных балок. По осям колонн также располагают второстепенные балки. Их пролеты - 5-7 м, высота поперечного сечения - 1/12-1/20 от пролета, ширина - 0,4-0,5 от высоты.
Пролеты монолитной плиты перекрытия равны шагу второстепенных балок и составляют 2-3 м, а толщина плиты, в зависимости от нагрузки, выбирается в пределах 1/25-1/40 пролета и чаще всего составляет 80-100 мм.| Фрагменты разрезов |
Рис. 5.3. 1 - колонна; 2 - главная балка; 3 - второстепенная балка; 4 - монолитная плита перекрытия
Каркасы с частым расположением балок (1-2 м) в двух или трех направлениях с одинаковым шагом и высотой называют каркасами с кессонными перекрытиями (см. рис. 5.4).Их преимущества заключаются в сравнительно меньшей высоте перекрытия (балок) и высокой архитектурной выразительности потолков общественных зданий
Рис. 5.4. Монолитные железобетонные каркасы с перекрытиями кессонного типа: а - конструктивно-планировочные ячейки; б - фрагмент разреза
К числу перспективных можно отнести суперкаркасную систему этажерочного типа
(рис. 5.5),при которой пространственная жесткость здания обеспечивается так называемым суперкаркасом, представляющим собой несколько коробчатых пилонов (стволов), соединенных между собой мощными ростверками в нескольких уровнях по высоте здания. На ростверки (как на полки этажерки) опираются многоэтажные каркасы, которые могут иметь различные планировочные и конструктивные решения. Каркасы этажерочного типа являются наиболее перспективными для зданий очень большой этажности (сверхвысотных).
Рис. 5.5. Конструктивная схема каркаса этажерочного типа: а - схема фасада; б - схема типового этажа; в - схема ростверка; 1 - коробчатый пилон; 2 - ростверк; 3 - каркасно-ригельная структура
Безригельные каркасы
Безригельный каркас - конструктивная система с плоскими перекрытиями, опирающимися непосредственно на колонны без вспомогательных балок-ригелей.
Безригельные каркасы в архитектурном отношении имеют значительные преимущества:
Плоские перекрытия имеют общую высоту в 2-3 раза меньшую, чем перекрытия в каркасно-ригельных системах;
Перекрытия с гладкими потолками способствуют применению свободной планировки и трансформации помещений путем устройства мобильных перегородок, не связанных жестко с перекрытиями;
Консольные участки перекрытий по периметру позволяют выполнять более сложные конфигурации фасадных плоскостей, устраивать лоджии, террасы, веранды без дополнительных конструктивных элементов;
Наличие гладкого потолка позволяет отказаться от дорогостоящих подвесных потолков.
Безригельные каркасы имеют и технико-экономические преимущества: упрощается монтаж опалубки благодаря отсутствию ригелей (при монолитном способе производства), уменьшается площадь последующей обработки потолка и упрощаются отделка, прокладка под потолком трубопроводов, устройство теплоизоляции и т.д.
Наряду с отмеченными преимуществами безригельные системы имеют недостатки, препятствующие массовому их распространению в практике строительства: величины пролетов безбалочных перекрытий более ограничены, чем в традиционных ригельных системах; не во всех случаях изготовление плоских перекрытий дешевле и проще ригельных; усложнены расчет и оценка действительной работы конструкций перекрытий.
Однако эти недостатки, в основном конструктивного характера, при дальнейшем совершенствовании систем могут быть устранены. Архитектурные качества безригельных систем все больше привлекают внимание архитекторов и конструкторов. Многочисленные поиски специалистов разных стран привели к различным конструктивным решениям. Многие варианты безригельного каркаса прошли экспериментальную проверку и вошли в строительную практику.
Несколько предложений по безригельным конструкциям разработаны в Украине. Среди них - грибовидный каркас, примененный в проектах различных типов общественных зданий (рис. 12.79).
Грибовидный каркас вписывается в структурную сетку на основе равностороннего треугольника со стороной 3,2 м и состоит из двух основных элементов: колонны и шестиугольной плиты перекрытия. Каждая плита опирается в центре на колонну, образуя своеобразный грибок. Примыкая друг к другу боковыми гранями, грибки объединяются в сотовую структуру и после сварки и замоно-личивания превращаются в единую пространственную систему. Благодаря частому шагу колонн и пространственной работе каркаса высота ребер плит доведена до 15 см, а вся толщина перекрытия с конструкцией пола составляет 20 см.
Из шестигранных элементов грибовидного каркаса можно создавать самые разнообразные архитектурно-конструктивные композиции. Несмотря на художественные достоинства, эта разновидность каркаса имеет серьезный планировочный недостаток, ограничивающий его применение. Частый шаг колонн, расположенных в шахматном порядке, затрудняет функциональное решение большинства типов зданий, особенно при широком корпусе.
Модификация этой системы привела к варианту каркаса, в котором, наряду с основными плитами перекрытий, опирающимися центрично на колонны, имеются пролетные плиты, опертые на основные (рис. 12.79 б). Введение пролетных плит перекрытий позволило резко увеличить размер треугольной планировочной сетки (с 3,2 до 6,6 м), что значительно улучшило архитектурные качества каркаса.
Рис. 12.79. Безригельный грибовидный каркас с плоскими перекрытиями (Украина): а - на треугольной сетке колонн со стороной 3,2 м; б - на треугольной сетке со стороной 6,6 м; 1 - колонна; 2 - надколонная (капительная) плита; 3 - пролетная плита; 4 - доборная фасадная плита
Каркас с консольно-ригельными плитами (рис. 12.80) запроектирован для планировочной сетки 6 х 6 м и включает три основные сборные железобетонные элемента - колонну на этаж, надколонную ребристую плиту, асимметрично опирающуюся на колонну и торец соседней плиты, а также плиту-вкладыш.
Преимущества каркаса: простота узлов соединений и монтажа элементов, возможность взаимного смещения рядов колонн, т.е. трансформации планировочной сетки, и возведения зданий сложной конфигурации.
Рис. 12.80. Каркас с консольно-ригельными асимметрично опертыми надколонными плитами (Украина): а - общая схема; б - схема раскладки плит перекрытий; 1 - надколонная плита; 2 - плита-вкладыш; 3 - разрезка в местах, близких к линиям нулевых моментов
Сборно-монолитная система КУБ-2,5 (каркас универсальный безригельный) позволяет строить жилые дома, здания общественного назначения в едином конструктивном ключе, по единой технологии изготовления и монтажа строительных конструкций. Система представляет собой связевый каркас, состоящий из многоэтажных неразрезных колонн прямоугольного сечения и сплошных плит перекрытий (рис. 12.82). КУБ-2,5 соответствует уровню прогрессивных современных индустриальных каркасных конструкций. Отличительная особенность системы - монтаж плит перекрытия на колонну и соединение плит перекрытий между собой производятся без поддерживающих элементов.
Конструкция стыков колонн исключает сварку, так как стык колонн сечением 400х400 мм предусматривает принудительный монтаж, при котором фиксирующий стержень нижнего торца колонны должен войти в патрубок верхнего торца нижней колонны.
Конструкции каркаса предполагают высоту этажей 2,8; 3,0; 3,3 м при основной сетке колонн 6x6м. При необходимости высоту этажа можно увеличить до 6 м, а шаг колонн - до 12 м.
Конструкции КУБ-2,5 применяются при возведении общественных зданий в 1-3 этажа большой пролетности с техподпольем и жилых зданий в 4-22 этажа.
Рис. 12.82. Сборно-монолитный безригельный каркас КУБ-2,5: а - монтажная схема; б - стык колонн; в - узел «колонна-плита»
Монолитные безригельные каркасы проектируют на основе квадратной или прямоугольной сетки колонн, при этом соотношение между большим и меньшим пролетами ограничивается как 4/3. Наиболее рациональна квадратная сетка колонн 6x6м.
В монолитных безригельных каркасах сплошная железобетонная плита опирается непосредственно на колонны с капителями (рис. 12.83). Капители обеспечивают жесткое сопряжение плиты с колоннами и прочность плиты на продавливание по периметру колонны, уменьшают расчетный пролет плиты. Капители колонн конструируют в виде усеченной пирамиды с углом наклона граней 45° или двойной усеченной пирамиды ломаного очертания.
Толщину монолитной плиты принимают из условия ее необходимой жесткости в пределах 1/32-1/35 от величины наибольшего пролета. Плиты армируют плоскими или рулонными сварными сетками. При этом пролетные изгибающие моменты воспринимаются сетками, уложенными в нижней зоне, а опорные - в верхней зоне плиты.
Один из эффективных вариантов монолитного безригельного каркаса для зданий с мелкоячеистой планировочной структурой - вариант с узкими колоннами в виде коротких стенок-диафрагм без капителей (рис. 12.84).
Колонны такого вида позволяют использовать их в качестве ограждающих элементов при одновременном уменьшении пролетов плит и увеличении жесткости каркаса. Колонны могут быть не только плоскими, ориентируемыми на плане в разных направлениях, но и пространственными (рис. 12.84 б), логично вписывающимися в планировочную структуру здания.
Данная система является открытой, позволяет создавать разнообразные объемно-планировочные решения жилых, учебных, административных и других зданий со средними по величине пролетами - до 7,5 м.
Рис. 12.83. Монолитный безригельный каркас: а - капители колонн и их армирование; б - расположение рабочей арматуры в плите (план); в - фрагмент разреза каркаса с изображением армирования плиты; 1 - рабочая арматура; 2 -конструктивная арматура
Рис. 12.84. Монолитный безригельный каркас с колоннами в виде коротких стенок-диафрагм: а - фрагменты фасада и плана здания коридорного типа; б - возможные формы сечений колонн; в - формы колонн переменного сечения по высоте
Основной архитектурный недостаток каркасных систем для применения их в гражданском строительстве являются выступающие в интерьер из плоскости перекрытий балки-ригели. Существуют конструктивные схемы каркасов позволяющие исключить этот недостаток:
- Система, формирующаяся из сборных плит сплошного сечения, опираемых на колонны в угловых точках сетки колонн (система КУБ);
- Каркасная система с предварительно-напряженной арматурой в скрытых ригелях, образуемых в построечных условиях (система КПНС).
Сетки колонн 6x3 и 6x6 метров при необходимости могут увеличиваться до размеров 6х9 и 9х12 метров. Сечение колонн 30x30 см и 40x40 см высотой в один или несколько этажей с максимальной высотой до 15,3 м.
Плиты перекрытия в плане размером 2,8x2,8 м толщиной от 16 до20 см. В зависимости от расположения, подразделяются на: - надколонные, межколонные и плиты - вставки. Членение перекрытия на сборные элементы сделано с таким расчетом, чтобы стыки плит располагались в зонах с наименьшей величиной (приближаемая к нулю) изгибающих моментов от вертикальных нагрузок.
Последовательность монтажа перекрытия на смонтируемые колонны ведется в следующем порядке: - устанавливаются и привариваются к арматуре колонн надколонные плиты, затем межколонные и, наконец, плиты-вставки. Межколонные и плиты-вставки имеют шпонки, позволяющие легко осуществить их соединения на сварке. После замоноличивания стыков создается пространственная жесткая конструкция.
Преимущество системы в отсутствии выступающих элементов в потолочной плоскости и в простоте монтажа, с помощью легких мобильных кранов.
Безригельная рамная или рамно-связевая каркасная система гражданских зданий высотой до 16 этажей рассчитана на вертикальные нагрузки на перекрытие в 1250 кг/м 2 . При больших нагрузках (2000 кг/м 2) ограничивают этажность здания -9-тью этажами.
Система обладает архитектурно-планировочными и конструктивными достоинствами. Гладкий потолок дает возможность гибко решать планировку внутреннего пространства создавать трансформируемые помещения. Консольные вылеты перекрытий обеспечивают вариантность пластических решений фасадов.
Безригельный каркас универсален - он с успехом применим, как в жилых зданиях, так и общественных (детских садах, школах, торговых предприятиях, спортивных и зрелищных) сооружениях и пр.
Система со скрытыми ригелями в плоскости перекрытия (КПНС) проектируется по связевой схеме из сборных элементов; колонн, плит, перекрытий и стен диафрагм жесткости. Связь между сборными элементами перекрытия осуществляется в результате устройства в построечных условиях монолитного ригеля с канатной напряженной арматурой, пропущенной через сквозные отверстия в колонне в ортогональных направлениях. Предварительное напряжение арматуры осуществляется на уровне этажных перекрытий, создавая двухосное обжатие плит перекрытия (рис. 16.7).
Плиты перекрытия имеют высоту в 30 см и состоят из верхней плиты, толщиной в 6 см, и нижней - 3 см и перекрещенных бортовых ребер. При монтаже плиты перекрытий укладывают на временные капители колонн и опоры, которые устанавливают уже на смонтированный нижний уровень. Плиты перекрытия могут быть выполнены на ячейку с опиранием на колонны по 4 углам или разбиты на две плиты, соединенные монолитным армированным швом. Конструкция, собранная из сборных элементов колонн и плит перекрытий - работает как единая статическая система, воспринимающая все силовые воздействия, за счет сил сцепления, возникающих между отдельными сборными элементами, и напряжений стальных канатов.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ ПО ИНФОРМАЦИИ НПО "КУБ"
Конструкции КУБ-2,5 разработаны для строительства зданий до 25 этажей и выше в I-IV климатических районах как в обычных условиях, так и в условиях повышенной сейсмической активности до 8 баллов. Возможно, так же строительство зданий высотой до 16 этажей и в районах с сейсмичностью до 9 баллов.
Каркас прост в изготовлении и монтаже. Изделия каркаса простой геометрической формы и имеют ограниченное количество типоразмеров, что существенно облегчает его освоение. Парк форм минимален, сами формы отличаются простотой и технологичностью.
Элементы безригельного каркаса могут быть легко изготовлены во вновь осваиваемых районах, в условиях отсутствия индустриальной базы, а так же в местах, где еще не налажено производство каркасов действующих серий. Безригельный каркас обладает архитектурно-планировочными и конструктивными преимуществами перед традиционными блочными.
Гладкий потолок перекрытия в ряде случаев позволяет отказаться от дорогостоящих подшивных потолков, необходимых по гигиеническим, эстетическим или техническим требованиям.
Уменьшенный строительный габарит перекрытия дает возможность на 5-8% снизить кубатуру здания. Наличие консольной части по периметру перекрытия позволяет удобно решать температурно-осадочные швы, примыкание к другим зданиям, устройство галерей и солнцезащитных элементов для южных районов.
Одним из достоинств каркаса является пониженный показатель расхода стали и цемента на 1 кв.м перекрытия по сравнению с каркасными системами, применяемыми как внутри страны так и за рубежом.
Следующим достоинством является так же простота монтажа.
Формообразующие возможности каркаса имеют широкий диапазон от одноэтажных до многоэтажных зданий со сложным архитектурно-пространственным решением.
Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в институте ЦНИИЭП жилища, подтвердили жесткостные и прочностные качества конструкции, а так же достоверность расчетных предпосылок.
Безригельный каркас состоит из колонн квадратного сечения и плоских панелей перекрытия. Панели перекрытий имеют размеры в плане 2,98x2,98 м, таким образом, зазор между ними всего 20 мм и это дает возможность замоноличивания швов без установки опалубки. |
Это позволяет в двое ускорить монтаж и сэкономить на замоноличивании стыков. |
|
|
|
После установки арматуры в швах между панелями швы замоноличиваются, одновременно замоноличиваются стыки надколонных плит с колоннами по всему перекрытию на данной отметке. Швы между плитами используются для пропуска инженерных коммуникаций. Конструкции каркаса рассчитаны для строительства зданий по рамной или рамно-связевой схеме. Этажность по рамной схеме ограничена 5 этажами, по рамно-связевой схеме практически не ограничена при условии обеспечения прочностных качеств колонн путем увеличения процента армирования для введения жесткой арматуры. Стыки элементов каркаса замоноличиваются, образуя рамную конструктивную систему, ригелями которой служат перекрытия. Монтаж многоэтажных рамных каркасов производится с помощью простых приспособлений. В качестве грузоподъемных средств используются мобильные или башенные краны грузоподъемностью от 5 т и выше. Монтаж конструкций ведется в следующем порядке: монтируются колонны и замоноличиваются в стаканах фундаментов, устанавливаются и привариваются к арматуре колонн надколонные панели, затем монтируются межколонные панели и панели-вставки. |
Номенклатура изделий, предусмотренная в выпусках КУБ-2.5, позволяет проектировать здания пролетами 6 и 3 м с шагом колонн 6 и 3 м, высотами этажей 2,8; 3,0; 3,3 м. Конструкции каркаса предполагают применение наружных внутренних стен как из штучного материала, так и в виде крупноразмерных элементов - панелей.
Панели наружных стен запроектированы однослойными керамзитобетонными вертикальной разрезки.
Строители отмечают удобство монтажа каркаса, легкость его освоения на стройпощадке, возможность достижения высокой производительности труда.
Конструктивная система здания представляет собою совокупность взаимосвязанных несущих конструкций здания, обеспечивающих его прочность, пространственную жесткость и надежность в эксплуатации. Выбор конструктивной системы здания определяет статическую роль каждой из его конструкций. Материал конструкций и технику их возведения определяют при выборе строительной системы здания.
Несущие конструкции здания состоят из взаимосвязанных вертикальных и горизонтальныхэлементов.
Горизонтальные несущие конструкции - воспринимают все приходящиеся на них вертикальные нагрузки и поэтажно передают их вертикальным несущим конструкциям (стенам, колоннам). Вертикальные конструкции, в свою очередь, передают нагрузку на фундамент здания.
Системы перекрытий с древности проектировались из стереотипного подхода к компоновке балочной клетки, т.е. состояли из балок (ригелей) и настила, так конструктивно решаются и деревянные перекрытия. Затем появляются железобетонные ребристые плиты перекрытия, в которых этот подход уже слит в один конструктивный элемент. Появившиеся позднее плоские пустотные плиты перекрытий - являются значительным шагом в проектировании систем зданий нового типа.
В индустриальных жилых зданиях, сравнении с традиционными сооружениями, имевшими смешанные покрытия, включавшие фрагменты деревянных перекрытий, горизонтальные несущие конструкции впервые начинают выполнять роль диафрагм жесткости, кроме того, перекрытия воспринимают горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические и др.) и передают усилия от этих воздействий на вертикальные конструкции.
Передача горизонтальных нагрузок и воздействий осуществляется двояко: либо с распределением их на все вертикальные конструкции здания, либо на отдельные специальные вертикальные элементы жесткости (стены, диафрагмы жесткости, решетчатые ветровые связи или стволы жесткости). Индустриальный тип зданий предоставляет и промежуточные решения - передача нагрузки возможна с распределением горизонтальных нагрузок в различных пропорциях между элементами жесткости и конструкциями, работающими на восприятие вертикальных нагрузок.
Перекрытия - диафрагмы жесткости обеспечивают совместность горизонтальных перемещений вертикальных несущих конструкций от ветровых и сейсмических воздействий. Возможность совместности и выравнивания перемещений достигается жестким сопряжением горизонтальных несущих конструкций с вертикальными.
Как уже отмечалось ранее, при сокращении строительных объемов зданий, горизонтальные несущие конструкции жилых домов высотой более двух этажей в соответствии с требованиями противопожарных норм выполняются трудно сгораемыми или несгораемыми. Этим требованиям, а также требованиям экономической страты наиболее полно удовлетворяют железобетонные конструкции, что и определило их массовое применение в качестве горизонтальных несущих элементов всех типов зданий. Перекрытия обычно представляют собой железобетонную плиту - сборную, сборно-монолитную или монолитную.
Вертикальные несущие конструкции различают по виду конструкций, который служит определяющим признаком и для классификации конструктивных систем. На рис. 2 даны основные типологические признаки жилого дома, вертикальные несущие конструкции которого представляют собою сплошную вертикальную плоскость стен. При использовании колонн в качестве главных вертикальных несущих элементов конструкций уже на первом этапе индустриализации позволило получить четыре конструктивных схемы серийного жилого дома: с поперечным расположением ригелей; с продольным расположением ригелей; с перекрестным расположением ригелей; безригельное решение.
Индустриализация позволила не только с новой точки зрения взглянуть на работу перекрытий, но и значительно расширить типологию вертикальных несущих конструкций. При развитии серийного жилищного строительства отдельными группами выделяются следующие виды вертикальных несущих конструкций: фундамент блочный каркасный развертка
плоскостные (стены);
стержневые сплошного сечения (стойки каркаса);
объемно-пространственные(объемные блоки);
объемно-пространственные внутренние несущие конструкции на высоту зданий в виде тонкостенных стержней открытого или замкнутого профиля (стволы жесткости). Ствол жесткости обычно располагают в центральной части здания; во внутреннем пространстве ствола размещают лифтовые, вентиляционные шахты и другие коммуникации. В зданиях большой протяженности предусматривают несколько стволов жесткости;
объемно-пространственные внешние несущие конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого профиля, образующей одновременно и наружную ограждающую конструкцию здания. В зависимости от архитектурного решения внешняя несущая оболочка может иметь призматическую, цилиндрическую, пирамидальную или другую форму.
Соответственно видам вертикальных несущих конструкций различают пять основных конструктивных систем зданий: каркасную, бескаркасную (стеновую), объемно-блочную, ствольную и оболочковую, иначе называемую периферийной
Выбор вертикальных несущих конструкций, характера распределения горизонтальных нагрузок и воздействий между ними - один из основных вопросов при компоновке конструктивной системы. Он также оказывает влияние на планировочное решение, архитектурную композицию и экономическую целесообразность проекта. В свою очередь на выбор системы оказывают влияние типологические особенности проектируемого здания, его этажность и инженерно-геологические условия строительства.
Каркасная система с пространственным рамным каркасом применяется преимущественно в строительстве многоэтажных сейсмостойких зданий, высотой более девяти этажей, а также в обычных условиях строительства при наличии соответствующей производственной базы. Каркасная система - основная в строительстве общественных и промышленных зданий. В жилищном строительстве объем ее применения ограничен не только по экономическим соображениям. Основа противопожарных требований при проектировании жилых зданий - последовательное создание вертикальных преград огню -брандмауэров. В сооружении каркасного типа создание брандмауэров велось по встраиванию между колоннами несгораемых вертикальных диафрагм жесткости. Таким образом, заранее ограничивались возможности пространственной планировки, основного преимущества каркасных систем.
Бескаркасная система - самая распространенная в жилищном строительстве, ее используют в зданиях различных планировочных типов высотой от одного до30 этажей.
Объемно-блочная система зданий в виде группы отдельных несущих столбов из установленных друг на друга объемных блоков применялась для жилых домов высотой до 12 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях. Столбы объединялись друг с другом гибкими или жесткими связями.
Ствольную систему применяют в зданиях высотой более 16 этажей. Наиболее целесообразно применение ствольной системы для компактных в плане многоэтажных зданий, особенно в сейсмостойком строительстве, а также в условиях неравномерных деформаций основания (на просадочных грунтах, над горными выработками и т. п.).
Оболочковая система присуща уникальным высотным зданиям жилого, административного или многофункционального назначения.
Наряду с основными конструктивными системами широко применяют комбинированные, в которых вертикальные несущие конструкции компонуют из различных элементов - стержневых и плоскостных, стержневых и ствольных и т. п.
Система с неполным каркасом, основанная на сочетании несущих стен и каркаса, воспринимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Система применялась в двух вариантах: с несущими наружными стенами и внутренним каркасом либо с наружным каркасом и внутренними стенами. Первый вариант использовался при повышенных требованиях к свободе планировочных решений здания, второй - при целесообразности применения ненесущих легких конструкций наружных стен и при проектировании зданий средней и повышенной этажности.
Каркасно-диафрагмовая система основана на разделении статических функций между стеновыми (связевыми) и стержневыми элементами несущих конструкций. На стеновые элементы (вертикальные диафрагмы жесткости) передается всю или большую часть горизонтальных нагрузок и воздействий, на стержневые (каркас) - преимущественно вертикальные нагрузки. Система получила наиболее широкое применение в строительстве многоэтажных каркасно-панельных жилых домов в обычных условиях и в сейсмостойком строительстве.
Каркасно-ствольная система основана на разделении статических функций между каркасом, воспринимающим вертикальные нагрузки, и стволом, воспринимающим горизонтальные нагрузки и воздействия. Она применялась при проектировании высотных жилых зданий.
Каркасно-блочная система основана на сочетании каркаса и объемных блоков, причем последние могут получать применение в системе в качестве ненесущих или несущих конструкций. Ненесущие объемные блоки используют для поэтажного заполнения несущей решетки каркаса. Несущие устанавливают друг надруга в три-пять ярусов на горизонтальных несущих платформах (перекрытиях) каркаса, расположенных с шагом в три-пять этажей. Система применялась в зданиях выше 12 этажей.
Блочно-стеновая (блочно-панельная) система основана на сочетании несущих столбов из объемных блоков и несущих стен, поэтажно связанных друг с другом дисками перекрытий. Применялась в жилых зданиях высотой до 9 этажей в обычных грунтовых условиях.
Ствольно-стеновая система сочетает несущие стены и ствол с распределением вертикальных и горизонтальных нагрузок между этими элементами в различных соотношениях. Применялась при проектировании зданий выше 16 этажей.
Ствольно-оболочковая система включает в себя наружную несущую оболочку и несущий ствол внутри здания, работающих совместно на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Совместность перемещений ствола и оболочки обеспечивается горизонтальными несущими конструкциями отдельных ростверковых этажей, расположенных по высоте здания. Система применялась при проектировании высотных зданий.
Каркасно-оболочковая система сочетает в себе наружную несущую оболочку здания с внутренним каркасом при работе оболочки на все виды нагрузок и воздействий, а каркаса - преимущественно на вертикальные нагрузки. Совместность горизонтальных перемещений оболочки и каркаса обеспечивается так же, как в зданиях оболочково-ствольной системы. Применялась при проектировании высотных зданий.
Понятие "конструктивная система" - обобщенная конструктивно-статическая характеристика здания, не зависящая от материала, из которого оно возводится, и способа возведения. Например, на основе бескаркасной конструктивной системы могло быть запроектировано здание со стенами деревянными рублеными, кирпичными, бетонными (крупноблочными, панельными или монолитными).
В свою очередь, каркасная система может быть осуществлена в деревянных, стальных или железобетонных конструкциях. Возникали варианты и при использовании различных материалов заполнения ячеек, образованных несущими элементами в каркасных или ствольных зданиях. Для этой цели использовались любые элементы - от мелкоразмерных до объемно-блочных.
Несущая часть оболочкового здания может представлять собой раскосную или безраскосную пространственную стальную ферму, монолитную железобетонную оболочку с регулярно расположенными проемами, сборно-монолитную железобетонную решетку и так далее. Многовариантными являлись и комбинированные конструктивные системы. Области и масштабы применения в строительстве отдельных конструктивных систем определялись назначением здания и его этажностью.
Наряду с основными и комбинированными в проектировании получают применение смешанные конструктивные системы, в которых сочетаются по высоте или протяженности здания двух или нескольких конструктивных систем. Такое решение обычно бывает продиктовано функциональными требованиями. Например, если требовалось выполнить переход от бескаркасной системы в верхних типовых этажах к каркасной системе на первых этажах, т.е. при необходимости устройства мелкоячеистой планировочной структуры типовых этажей над зальной планировочной структурой в нетиповых. Чаще всего эта необходимость возникает при устройстве крупных магазинов в первых этажах жилых домов.
Конструктивная схема представляет собой вариант конструктивной системы по признакам состава и типу размещения в пространстве основных несущих конструкций, например, в продольном или поперечном направлениях. Конструктивную схему, как и систему, выбирают на начальном этапе проектирования с учетом объемно-планировочных конструктивных и технологических требований. В жилых каркасных зданиях применяют четыре конструктивные схемы: с поперечными или продольными ригелями, перекрестным расположение ригелей и безригельную.
При выборе конструктивной схемы каркаса учитывают экономические и архитектурные требования: элементы каркаса не должны связывать планировочное решение; ригели каркаса не должны пересекать поверхность потолка в жилых комнатах и т. д. Поэтому каркас с поперечным расположением ригелей применяют в многоэтажных зданиях с регулярной планировочной структурой (в основном, общежития и гостиницы), совмещая шаг поперечных перегородок с шагом несущих конструкций. Каркас с продольным расположением ригелей применялся в жилых домах квартирного типа.
Безригельный (безбалочный) каркас в жилых зданиях использовался лишь при отсутствии в конкретном регионе соответствующей производственной базы и крупных домостроительных комбинатов, поскольку для сборного жилищного строительства такая схема - наименее надежная и наиболее дорогостоящая. Безригельный каркас преимущественно использовался при изготовлении монолитных и сборно-монолитных конструкций здания методом подъема этажей.
Строительная система - это комплексная характеристика конструктивного решения зданий по материалу и технологии возведения основных несущих конструкций.
Строительные системы зданий с несущими стенами из кирпича и мелких блоков из керамики, легкого бетона или естественного камня бывают традиционные и полносборные.
Традиционная система основана на возведении стен в технике ручной кладки, как это издревле выполнялось во всех традиционных сооружениях. Необходимо отметить, что в индустриальном сооружении собственно традиционными остаются лишь ограждающие конструкции, перекрытия и другие внутренние несущие конструкции - полностью идентичны полносборным сооружениям.
Полносборная система основывается на механизированном монтаже стен из крупных блоков или панелей, выполненных в заводских условиях из кирпича, каменных или керамических блоков. С вводом новых жилищных серий крупноблочная система почти повсеместно уступает место панельной.
Традиционная система (с деревянными перекрытиями), долгое время считавшаяся основным типом капитального гражданского здания средней и повышенной этажности - осталась в прошлом. Как это неоднократно подчеркивалось, "традиционными" назывались сооружения по сценарию пожара. Лишь для удобства классификации огромного многообразия индустриальных сооружений, в них выделяются традиционные здания, лишь по внешнему виду напоминающие прежние кирпичные сооружения, возводимые до конца 50-х годов.
К середине 80-х годов прошлого столетия на основе применения традиционной системы ограждающих конструкций возводилось около 30% объема строительства жилых и 80% - массовых общественных зданий. Разумеется, уровень индустриальности конструкций зданий "традиционной" строительной системы в целом достаточно высок благодаря массовому применению крупноразмерных сборных изделий перекрытий, лестниц, перегородок, фундаментов.
Индустриальная традиционная система обладала существенными архитектурными преимуществами. Благодаря малым размерам основного конструктивного элемента стены (кирпича, камня) эта система позволяет проектировать здания любой формы с различными высотами этажей и разнообразными по размерам и форме проемами.
Применение традиционной системы считалось наиболее целесообразным для зданий, доминирующих в застройке. Конструкции зданий со стенами ручной кладки надежны в эксплуатации - кирпич высокотехнологичного обжига не требовал устройства многодельной, недолговечной в эксплуатации штукатурки, была значительно повышена огнестойкость индустриальных кирпичных стен. При их проектировании использовались новые подходы к обеспечению долговечности и теплоустойчивости.
Наряду с архитектурными и эксплуатационными преимуществами ручная кладка стен является причиной основных технических и экономических недостатков каменных зданий: трудоемкость возведения и нестабильность прочностных характеристик кладки в зависимости от разных партий кирпича в случае незначительных отклонений в технологическом процессе на кирпичных заводах. Качество и прочность кладки зависели от сезона возведения и квалификации каменщика.
Крупноблочная строительная система применялась для возведения жилых зданий высотой до 22 этажей. Масса сборных элементов составляла 3-5 т. Установку крупных блоков осуществлялась по основному принципу возведения каменных стен - горизонтальными рядами, на растворе, с взаимной перевязкой швов.
Преимуществами крупноблочной строительной системы являются: простота техники возведения, обусловленная самоустойчивостью блоков при монтаже, возможностью широкого вменения системы в условиях различной сырьевой базы. Гибкая система номенклатуры блоков позволяла возводить различные типы жилых домов при ограниченном числе типоразмеров изделий. Эта система требовала меньших по сравнению с панельным и объемно-блочным домостроением капиталовложений в производственную базу из-за простоты и меньшей металлоемкости формовочного оборудования, а ограниченная масса сборных изделий позволяла использовать распространенное монтажное оборудование малой грузоподъемности.
Создание крупноблочной строительной системы стало первым этапом массовой индустриализации конструкций зданий с бетонными стенами. Крупноблочная система по сравнению с традиционной каменной дала снижение затрат труда на 10% и сроков строительства на 15-20%. По мере внедрения более индустриальной панельной системы постепенно уменьшается объем применения крупноблочной. Уже к середине 70-х годов прошлого столетия крупноблочная система в массовом жилищном строительстве занимает третье место по объему применения после панельной и традиционной каменной систем.
Панельная строительная система применяется при проектировании зданий высотой до 30 этажей в обычных грунтовых условиях и до 14 этажей в сейсмических районах. Внедрение панельной системы в жилищное строительство было начато в конце 1940-х годов одновременно в СССР и во Франции. В 1967 г. вступил в действие разработанный Госстроем СССР ГОСТ 11309-65 на все типы крупнопанельных домов, определяющий все требования к их качеству, устройству стыков и степени точности производства и монтажа изделий.
Стены таких зданий монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, массой до 10 т и длиной в 1-3 конструктивно-планировочных шага.
Техническим преимуществом панельных конструкций является их значительная прочность и жесткость. Это определило широкое применение панельных конструкций для зданий повышенной этажности в сложных грунтовых условиях (на просадочных и вечномерзлых грунтах, над горными выработками). По той же причине панельные конструкции демонстрируют большую сейсмостойкость по сравнению с другими строительными системами.
В других экономически развитых странах объем панельного строительства растет также интенсивно, что объясняется высокой экономической эффективностью строительной системы. Однако, следует заметить, что ни одна страна к началу 80-х годов не имеет такой мощной индустриальной базы строительной отрасли, а к середине 80-х большинство западных стран затронуто серьезным экономическим кризисом.
Каркасно-панельная строительная система с несущим сборным железобетонным каркасом и наружными стенами из бетонных или небетонных панелей применяется в строительстве зданий высотой до 30 этажей. Внедрена в СССР наряду с панельной в конце 1940-х годов, до начала 90-х годов на ее основе ежегодно возводилось около 15% объема общественных зданий. В жилищном строительстве систему применяли в ограниченном объеме, поскольку она уступала панельной по технико-экономическим показателям.
Объемно-блочная строительная система также впервые была внедрена советскими строителями. Объемно-блочные здания возводят из крупных объемно-пространственных железобетонных элементов массой до 25 т, заключающих в себе жилую комнату или другой фрагмент здания. Объемные блоки, как правило, устанавливали друг на друга без перевязки швов.
Объемно-блочное строительство позволяет существенно снизить суммарные трудозатраты в строительстве (на 12-15% по сравнению с панельным) и получить прогрессивную структуру этих затрат. Если в панельном строительстве соотношение затрат труда на заводе и строительной площадке составляет в среднем 50 на 50%, то в объемно-блочном оно приближается от 80% заводского изготовления к 20% трудозатрат на стройплощадке. Из-за сложности технологического оборудования капиталовложения при создании заводов объемно-блочного домостроения на 15% больше по сравнению с заводами панельного домостроения.
Объемно-блочную систему применяют для строительства жилых домов высотой до 16 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях и для жилых домов малой и средней этажности при сейсмичности 7-8 баллов. Наиболее эффективно объемно-блочное домостроение при значительной концентрации строительства, необходимости его осуществления в сжатые сроки, при дефиците рабочей силы.
Приемы конструктивных решений зданий
Проектирование конструкций здания любого назначения начинают с решения основной принципиальной задачи – выбора конструктивной системы здания исходя из функциональных и технико-экономических требований.
Конструктивная система – это взаимосвязанная совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые, воспринимая все приходящиеся на него нагрузки и воздействия, совместно обеспечивают прочность, пространственную жесткость и устойчивость сооружения.
Выбор конструктивной системы определяет роль каждого несущего конструктивного элемента в пространственной работе здания.
Горизонтальные несущие конструкции (покрытия и перекрытия) воспринимают все приходящиеся на них вертикальные нагрузки и передают их вертикальным несущим конструкциям (стенам, колоннам и др.), которые, в свою очередь, передают нагрузки через фундамент на грунт (основание здания). Горизонтальные несущие конструкции, как правило, играют в здании роль жестких дисков – горизонтальных диафрагм жесткости. Они воспринимают и перераспределяют горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические) между вертикальными несущими конструкциями.
Горизонтальные несущие конструкции гражданских зданий высотой более двух этажей, как правило, однотипны и представляют собой железобетонный диск – сборный (из отдельных железобетонных сплошных, многопустотных или ребристых плит), сборно-монолитный или монолитный. Также в многоэтажных промышленных зданиях (реже – в гражданских зданиях) используют перекрытия по металлическим балкам (балочные) и профилированному стальному настилу. Исходя из противопожарных требований в ряде случаев такие перекрытия впоследствии замоноличивают бетоном.
Вертикальные несущие конструкции по сравнению с горизонтальными более разнообразны. Различают следующие виды вертикальных несущих конструкций:
Стержневые (стойки каркаса);
Плоскостные (стены, диафрагмы);
Объемно-пространственные элементы высотой в этаж (объемные блоки);
Внутренние объемно-пространственные полые стержни (открытого или закрытого сечения) на высоту здания (стволы жесткости);
Объемно-пространственные внешние несущие конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения (оболочки).
Соответственно виду вертикальной несущей конструкции получили наименование пять основных конструктивных систем зданий:
- каркасная ;
- бескаркасная (стеновая);
- объемно-блочная;
- ствольная;
- оболочковая.
Наряду с основными широко применяют комбинированные конструктивные системы . В этих системах вертикальные несущие конструкции компонуют, сочетая различные виды несущих элементов – стены и колонны, стены и объемные блоки и др.
В соответствии с функциональными требованиями к объемно-планировочному решению в зданиях могут сочетаться различные структуры пространственных ячеек. Это влечет за собой и сочетание различных конструктивных систем в одном здании , например, бескаркасной для фрагмента здания ячеистой структуры и каркасной – для зальных помещений. Такое решение называется смешанной конструктивной системой здания .
Выбор конструктивной системы при проектировании основан на объемно-планировочных, архитектурно-композиционных и экономических требованиях, в соответствии с которыми определились области рационального применения каждой из конструктивных систем.
Бескаркасная (стеновая) система (рис. 3.1) – основа проектирования жилых домов различной этажности и назначения (квартирные дома, общежития, гостиницы, пансионаты и др.) и для разных инженерно-геологических условий. Выбор этой системы связан с относительной стабильностью объемно-планировочных решений жилых зданий и с ее технико-экономическими преимуществами. Благодаря этому расширяется применение бескаркасной системы и для массовых типов общественных зданий (школ, детских дошкольных учреждений, поликлиник и др.).
Рис. 3.1. Бескаркасная (стеновая) конструктивная система
1 – наружная несущая стена;
2 – внутренняя несущая стена;
3 – сборный настил перекрытия
Каркасная система (см. рис. 3.2) наиболее часто применяется при проектировании массовых и уникальных общественных зданий различного назначения и этажности. Эта система уступает бескаркасной системе по показателям затрат труда и срокам возведения. Однако предпочтение, оказываемое каркасным системам, связано с функциональными требованиями к гибкости объемно-планировочных решений общественных зданий и необходимости их неоднократной перепланировки в процессе эксплуатации. С точки зрения этих требований компоновочные преимущества каркасных систем перед бескаркасными очевидны.
Рис. 3.2. Каркасная конструктивная система
1 – колонны каркаса; 2 – ригели каркаса; 3 4 – наружная навесная стеновая панель
Общий вид каркасных конструктивных систем общественного и промышленного зданий показаны на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Общий вид зданий с каркасной конструктивной системой
а – общественного;б – промышленного
Объемно-блочная система (см. рис. 3.4) применяется при проектировании жилых зданий различных типов высотой до 16 этажей. Главное преимущество такой конструктивной системы – сокращение затрат труда при постройке зданий.
Рис. 3.4. Объемно-блочная конструктивная система
1 – монолитный железобетонный объемный блок (размером на комнату)
Ствольная система (см. рис. 3.5) обеспечивает свободу планировочных решений, поскольку пространство между стволом жесткости и наружными ограждающими конструкциями остается свободным от промежуточных опор. Относительно высокая жесткость здания позволяет использовать такую систему при проектировании жилых и общественных зданий, как правило, башенного типа с компактной (квадратной, круглой и т.п.) формой плана, высотой более 20 этажей. Возможно применение ствольной системы и для протяженных зданий, но в этих случаях конструктивная система таких зданий компонуется из нескольких стволов.
Наиболее целесообразны компактные в плане многоэтажные здания ствольной системы в сейсмостойком строительстве, а также в условиях неравномерных деформаций основания (на просадочных грунтах, над горными выработками и т.п.).
Рис. 3.5. Ствольная конструктивная система
1 – сборный или монолитный ствол жесткости; 2 – консольные междуэтажные перекрытия
Оболочковая система присуща уникальным и высотным (более 40 этажей) зданиям, поскольку обеспечивает существенной увеличение жесткости сооружения. Применение такой системы в качестве основной (а также в комбинации с каркасом) обеспечивает свободу планировочных решений, что позволяет применять ее для жилых и общественных зданий. Однако чаще всего такие здания проектируют многофункциональными. Оболочковая конструкция может совмещать несущие и ограждающие функции или дополняться наружными ограждающими конструкциями.
Рис. 3.6. Пример здания с оболочковой конструктивной системой
Помимо основных типообразующих признаков конструктивной системы, т.е. несущих вертикальных элементов, существуют дополнительные классификационные признаки внутри каждой из систем. Ими служат геометрические признаки – размещение вертикальных несущих конструкций в плане здания и расстояния между ними. Способ размещения несущих горизонтальных и вертикальных конструкций здания в пространстве называют конструктивной схемой.
При бескаркасной (стеновой) конструктивной системе , исходя из основных геометрических признаков, можно выделить следующие виды конструктивных схем (см. рис. 3.7):
- I – продольно-стеновая ;
- II – поперечно-стеновая :
а) с большим шагом несущих стен (2,4 ÷ 4,5 м);
б) с узким шагом несущих стен (6,0 ÷ 7,2 м);
в) со смешанным шагом ;
- III – перекрестно-стеновая.
Рис. 3.7. Конструктивные схемы бескаркасных зданий
а – продольно-стеновая;
б – поперечно-стеновая;
в – перекрестно-стеновая
Продольно-стеновая конструктивная схема (см. рис. 3.7 а ) традиционна в проектировании зданий малой, средней и повышенной этажности. Редкое расположение поперечных стен-диафрагм жесткости (через 25 – 40 м) обеспечивает свободу планировочных решений в зданиях, поэтому эту схему применяют при проектировании жилых и общественных зданий различного назначения.
Поперечно-стеновая конструктивная схема (см. рис. 3.7 б ) менее гибкая в планировочном отношении, чем продольно-стеновая схема. Поэтому наиболее часто ее применяют при строительстве жилых зданий, реже – массовых типов общественных зданий (детских учреждений, школ и т.п.). Поперечно-стеновая схема (особенно с большим шагом поперечных несущих стен) допускает возможность частичной перепланировки внутреннего объема зданий в процессе эксплуатации, а также размещения небольших встроенных нежилых помещений в первых этажах жилых домов.
в ) присущи малые размеры конструктивно-планировочных ячеек (около 20 м 2), что ограничивает область ее применения только жилыми зданиями. Частое расположение поперечных стен делает трансформацию планов зданий трудноосуществимой. Разнообразию планировочных решений в проектировании домов на основе этой схемы способствует использование нескольких размеров шагов поперечных стен (например, 3,0; 3,6 и 4,2 м) в различных сочетаниях. Благодаря высокой пространственной жесткости перекрестно-стеновая схема широко распространена в проектировании многоэтажных зданий, а также зданий, строящихся в сложных геологических условиях, а также в сейсмически опасных районах.
В каркасных зданиях применяют четыре конструктивные схемы:
- I – с поперечным расположением ригелей ;
- II – с продольным расположением ригелей ;
- III – с перекрестным расположением ригелей ;
- IV –безригельная .
Использование современных массовых типовых конструкций перекрытий определяет размеры основной конструктивно-планировочной сетки осей каркаса 6 ´ 6 м (при дополнительной сетке 6 ´ 3 м).
При выборе конструктивной схемы каркаса учитывают как экономические, так и архитектурно-планировочные требования:
Элементы каркаса (колонны, ригели, диафрагмы жесткости) не должны ограничивать свободу выбора планировочного решения;
Ригели каркаса не должны выступать из поверхности потолка в жилых комнатах, а проходить по их границам.
Каркас с поперечным расположением ригелей (см. рис. 3.8) целесообразен в зданиях с регулярной планировочной структурой (общежития, гостиницы), где шаг поперечных перегородок совмещается с шагом несущих конструкций.
Рис. 3.8. Конструктивная схема каркасного здания с поперечным расположением ригелей
Каркас с продольным расположением ригелей (см. рис. 3.9) используют в проектировании жилых домов квартирного типа и массовых общественных зданий сложной планировочной структуры, например, в зданиях школ.
Рис. 3.9. Конструктивная схема каркасного здания с продольным расположением ригелей
Каркас с перекрестным расположением ригелей выполняют чаще всего монолитным и используют в многоэтажных промышленных и общественных зданиях.
Безригельный каркас используют как в многоэтажных промышленных, так и в гражданских зданиях, т.к. в связи с отсутствием ригелей эта схема в архитектурно-планировочном отношении наиболее целесообразна.
Рис. 3.10. Конструктивная схема здания с безригельным каркасом
1 – колонны каркаса; 2 – сборный или монолитный настил перекрытия
В данном случае ригели отсутствуют, а сборный или монолитный диск перекрытия опирается или на капители (уширения) колонн, или непосредственно на колонны (см. рис. 3.10).
В комбинированных конструктивных системах может применяться различное сочетание вертикальных несущих конструкций, которые используются в основных конструктивных системах. На практике наиболее распространены следующие виды конструктивных схем в зданиях с комбинированными системами:
1) Неполный каркас (см. рис. 3.11). Такую схему выбирают исходя из местных сырьевых и производственных условий применения массивных конструкций наружных стен.
Рис. 3.11. Конструктивная схема здания с неполным каркасом (план)
а – плиты перекрытия опираются на ригели каркаса и на наружную несущую стену;
б – ригели каркаса опираются на колонны и на наружную несущую стену
1 – колонны каркаса; 2 – ригели; 3 – сборный настил перекрытия; 4 – несущая стена
2) Схема, в которой каркас расположен в пределах первого этажа (или нескольких этажей), а выше здание имеет стеновую конструктивную систему (см. рис. 3.12).
Рис. 3.12. Пример комбинированной конструктивной системы (разрез)
1 – колонны каркаса; 2 – продольно расположенные ригели; 3 – сборный настил перекрытия; 4 – несущие стены
