Архитектура

Архитектурные конструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Общие принципы проектирования несущего остова и его элементов

Важнейшее назначение несущего остова—конструктивной основы здания — состоит в восприятии нагрузок, действующих на здание, «работе» на усилия от этих нагрузок с обеспечением конструкциям необходимых эксплуатационных качеств в течение всего срока их службы.

Нагрузки делят на две группы: постоянные и временные. Постоянные -это собственный вес всех без исключения элементов зданий и другие виды нагрузок. К временным относят полезные, т. е. функционально необходимые — нагрузки от периодически пребывающих в помещениях _людей, стационарного или передвижного оборудования и т. p.j нагрузки, связаные с природными факторами района строительства (снеговые, ветровые, сейсмические; температурные воздействия), и др. Временные нагрузки подразделяют на длительно действующие, кратковременные и особые; при расчетах их учитывают в различных сочетаниях.

По характеру действия нагрузки могут быть статическими (например, от собственной массы) или динамическими (порывы ветра, вибрации и др.). По месту приложения усилий различают нагрузки, сосредоточенные (вес оборудования) и равномерно распределенные (от снегового покрова и т. п.). По направлению нагрузки могут быть горизонтальными (ветровой напор, тормозные силы подвижного оборудования, сейсмические нагрузки) и вертикальными (вес).

Нагрузки важно учитывать не только в расчетах, но и на всех стадиях проектирования в качестве количественных критериев оценки принимаемых решений. Дело в том, что в зависимости от условий, для одних и тех же видов нагрузок может быть значительной разница их нормированных (нормативных) значений. Так, величина равномерно распределенных полезных нагрузок на перекрытия жилых зданий может отличаться от тех же нагрузок производственных в 10 ... 20 раз и более (1,5... 30 кН/м2), что существенно при установлении параметров и типов перекрытий.

Нормативные снеговые нагрузки в зависимости от района строительства разнятся в 5 раз (0,5 ... 2,5 кН/м2). Поэтому для снежных районов существенна форма крыш: например, при перепадах высот элементов зданий образуются заносы снега — «снеговые мешки» (излишняя масса, трудности с уборкой и т. п.). Значительна разница и в величине скоростных напоров ветра (0,27... 1,0 кНУм2), особенно неблагоприятных в горных районах и на побережьях морей. Эти нормативные значения возрастают и по мере роста этажности зданий — до двух раз и более; поэтому по мере роста высоты здания становятся все более сложными инженерными сооружениями.

Типы  несущих   остовов. Горизонтальные несущие элементы перекрытий  (покрытий) предназначены прежде всего для работы при действии на них разного рода вертикальных нагрузок, которые в виде опорных реакций передаются на вертикальные опоры. Кроме того, эти же перекрытия являются горизонтальными диафрагмами, воспринимающими в своей плоскости изгибающие и сдвигающие усилия от горизонтальных нагрузок, обеспечивая геометрическую неизменяемость здания в каждом из горизонтальных уровней, совместную работу вертикальных опор при таких нагрузках, перераспределение усилий между ними и т. п.

Вертикальные несущие конструкции воспринимают все виды воздействий и нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации здания, и через фундаменты передают их на грунт. Вертикальные опоры являются определяющим признаком для классификации несущих остовов по типам. Известны два типа вертикальных опор: стержневые — колонны или стойки каркаса; плоскостные — стены; (можно также отнести к несущим опорам объемные тела типа пилонов и т. п., т. е. такие элементы, у которых все три генеральных размера примерно одного порядка, но подобные опоры встречаются крайне редко).

Так, стена независимо от того, сложена ли она из бревен, выполнена ли из кирпича или из сборных панелей, всегда рассматривается как плоскостной элемент, один размер которого (толщина) значительно меньше других генеральных размеров.

Исходя из такого определения различают два основных типа несущего остова зданий: каркасный и стеновой (бескаркасный), Третий — комбинированный „(или смешанный) — состоит из различных сочетании стержневых и плоскостных вертикальных элементов (стоек каркаса и стен). Необходимо отметить и существование таких несущих остовов, в которых вертикальные опоры вообще отсутствуют, а наклонная конструкция покрытия опирается непосредственно на фундамент (арки, треугольные рамы и т. п.). Такие сооружения, применяемые в строительстве складов, ангаров и т. п., называют шатровыми.

Вся совокупность конструктивных элементов несущего остова многоэтажных зданий в каждом отдельном случае объединена между собой вполне определенным образом, образуя в пространстве единство закономерно расположенных- частей, т. е. систему, которую называют конструктивной. Так называют способ размещения несущих горизонтальных и вертикальных конструкций в пространстве, их взаимное расположение, способ передачи усилий и т. п.

Виды конструктивных систем при стеновом несущем остове

1. Системы с продольно расположенными несущими стенами или, как принято говорить, с продольными несущими стенами (расположены вдоль длинной, фасадной стороны здания и параллельно ей). Таких параллельно расположенных стен может быть две, три, четыре. Соответственно бытуют упрощенные названия таких стеновых остовов: «двухстенка», «трехстенка» и т. п.

2.Системы   с поперечно    расположенными (с поперечными) несущими

стенами. Разновидности:      с широким шагом    (более 4,8 м);   узким шагом (4,2 ... 4,8 м); со смешанными шагами.

3.Системы с перекрестным расположением несущих стен (перекрестно-стеновая система). При каркасном несущем остове. Определяющим признаком в этом случае является расположение ригелей каркаса. Ригелем называется стержневой горизонтальный элемент несущего остова (главная балка, ферма и т. п.), передающий нагрузки от перекрытий непосредственно на стойки каркаса. Различают четыре типа конструктивных каркасных систем (рис. П.З): с поперечным расположением ригелей.; с продольным; с перекрестным расположением ригелей; с безригельным каркасом, при котором ригели отсутствуют, а гладкие или кессонирован-ные плиты перекрытий (так называемые безбалочные) опираются или на капители колонн, или непосредственно на колонны.

При комбинированном несущем остове. Среди большого разнообразия сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных опор наиболее часто встречаются:

Системы, в которых каркас расположен в пределах нижних 1 ... 3 этажей, а выше бескаркасный несущий остов. Расположение стен — по периферии, а стоек каркаса — внутри здания («неполный каркас»). Системы со стеновым остовом — в одном или в нескольких центрально расположенных стволах, которые обстроены по периферии стойками каркаса в один или несколько рядов и т. д.

Выбор конструктивных систем — один из основных вопросов, решаемых при проектировании зданий. Для ориентации приводятся общие сведения о примерных областях применения несущих остовов и конструктивных схем.

Стеновой (бескаркасный) несущий остов — самый распространенный в жилищном строительстве. Размеры жилых ячеек, необходимость членений стенами и перегородками е обеспечением звукоизоляции квартир и другие особенности обусловливают техническую целесообразность и экономическую оправданность применения бескаркасных зданий при строительстве жилища, а также тех гражданских зданий, в которых преобладает многоячейковая планировочная структура (гостиницы, санатории, больницы и т. п.).

Каркасный несущий остов применяется для зданий с большими, не разгороженными перегородками помещениями. Каркасный остов является основным для производственных зданий, независимо от их этажности для многих типов общественных зданий и сооружений. В жилищном строительстве объем применения каркасного остова ограничен.

Применяются большей частью системы с поперечным расположением ригелей. Расположение ригелей в двух направлениях характерно для многоэтажных каркасных зданий при строительстве в сейсмических районах. Без-ригельный каркас применяется обычно в многоэтажных зданиях производственного назначения со значительными нагрузками на перекрытия, в многоэтажных гражданских зданиях с оригинальными компоновочными решениями планов и т. д.

Комбинированный несущий остов чаще применяется при строительстве гражданских многоэтажных зданий; в промышленном же строительстве значительно реже. Системы, в которых первые два-три этажа каркасные, а остальные бескаркасные, характерны для строительства многоэтажных жилых зданий на магистральных улицах, а также гостиниц, санаториев и т. п., т. е. зданий, в которых функционально используют первые этажи.

Пространственная  жесткость и устойчивость здания. Устойчивостью здания называют его способность   противодействовать усилиям,   стремящимся вывести здание из исходного состояния статического или динамического   равновесия. Например, при действии ветра, равнодействующая сил должна находиться в пределах   подошвы фундамента.    Пространственная жесткость несущего остова — это ха-рактерТкгпГка   системы,  отражающая ее способность сопротивляться деформациям    или, что то же,   способность сохранять геометрическую  неизменяемость формы. В строительной механике сооружение называется геометрически изменяемым в пространстве,   если оно теряет форму    при    действии нагрузки; например, шарнирный четырехугольник,   к   которому приложена небольшая горизонтальная сила; и, наоборот, шарнирный треугольник - геометрически   неизменяемая система. Превращение четырехугольника в геометрически неизменяемую систему можно осуществить двумя способами: ввести   один диагональный стержень (рис.П.6, в) или заменить узел шарнирного соединения стержней на жесткий, 'неизменяемый, способный воспринимать узловые моменты

Систему (схему), полученную первым способом, называют связевой по наименованию диагонального стержня, именуемого связью. Зторую — рамной.

С помощью каждого из этих способов можно придать геометрическую неизменяемость любой, многопролетной системе, состоящей «из ряда стоек, шарнирно связанных с ригелями и с «землей». При этом достаточно придать геометрическую , неизменяемость только одному из пролетов, чтобы система стала геометрически неизменяемой. Для доказательства в один из пролетов вводится диагональный стержень. Полученный геометрически неизменяемый четырехугольник можно считать «землей», рассматривая ее как неподвижную опору для шарнирно опертых на нее двух стержней узла 2, т. е. рассматривая полученное как вновь образованный треугольник — новую неизменяемую систему. Подобные рассуждения можно повторить, поочередно присоединяя каждый новый узел с двумя стержнями. Вывод: доказано, что в многопролетной системе достаточно установить связи в одном из пролетов, чтобы система стала геометрически неизменяемой. Если рассмотреть многоэтажную систему, то каждый нижележащий этаж со связями можно принять за «землю», а неизменяемость элементов следующего этажа достигается установкой связей в одном из пролетов.

Рассмотренные стержневые схемы моделируют (как это принято в строительной механике) или плоские каркасы, или проекции стен и перекрытий на плоскость чертежа. Соответственно приведенные доказательства относятся ко всем типам несущих остовов. Понятие же «геометрическая неизменяемость» тождественно понятию «пространственная жесткость», принятому в строительной практике. Соответственно связи именуют «связями жесткости». Этот термин получил различные толкования, которые необходимо оговорить.

Так, помимо диагонального стержня геометрическая неизменяемость систем обеспечивается и другими способами: введением диафрагмы жесткости, ядер жесткости и т. п. Например, если в шарнирный четырехугольник вставить без зазоров панель — диафрагму — так, что она будет способна воспринимать сдвиговые усилия и моменты в своей плоскости, т. е. «исполнять обязанности» жесткого диска, то ее роль равносильна роли диагонального стержня; диафрагму жесткости относят к варианту связей жесткости. Такой же эффект получается, если шарнирная система соединена с плоской стенкой пилоном и т. п. Они в данном случае «исполняют обязанности» связей жесткости; или, что то же, диафрагм, стенок, ядер жесткости. Нетрудно видеть, что в данном случае термин «связи жесткости» носит обобщенный характер. Вместе с тем, когда говорят «связи», то в первую очередь имеют в виду стержневые или решетчатые.

Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости плоских систем — по рамной и по связевой схемам. Комбинируя ими при расположении элементов несущего остова в обоих направлениях здания, можно получить три варианта пространственных конструктивных схем здания: рамную, раЛносвязевую, связевую. В третьем направлении — горизонтальном — перекрытия обычно рассматриваются как жесткие диафрагмы. Все эти варианты встречаются при проектировании каркасного несущего остова

Рамная схема представляет собой систему плоских рам (одно- и многопролетных; одно- и многоэтажных), расположенных в двух взаимно перпендикулярных (или под другим углом) направлениях — систему стоек и ригелей, соединенных жесткими узлами при их сопряжениях в любом из направлений.

Рамно-связевая схема решается в виде системы плоских рам, шарнирно соединённых в другом направлении элементами междуэтажных перекрытий. Для обеспечения жесткости в этом направлении ставятся решетчатые связи или стенки (диафрагмы) жесткости. Плоские рамы удобнее устанавливать поперек здания.

Связевая схема решения каркаса здания наиболее проста в осуществлении. Решетчатые связи, или диафрагмы жесткости, вставляемые между колоннами, устанавливаются через 24 ... 30 м, но не более 48 м и в продольном, и в поперечном направлениях; обычно эти места совпадают со стенами лестничных клеток.

Рамная схема применяется сравнительно редко. Трудоемкость построечных работ по обеспечению жесткости узлов, повышенный расход стали и т. п. ограничивают их применение в сейсмических районах, зданиях, в которых на большом протяжении (48... 54 м) не допускается установка стен, перегородок и других преград и т. п. Чаще, особенно в производственных зданиях, применяют рамно-связевую схему.

Связевая схема оправдывает свое широкое применение большей простотой построечных работ, меньшими затратами труда и материалов и т. п.

При стеновом несущем остове и при различных системах остовов с неполным каркасом обычно применяют связевую схему; при этом наружные или внутренние стены выполняют функции диафрагмы или ядер жесткости, т. е. не требуется установка дополнительных стен.