Применение конструктивных систем.

Прежде чем выбрать вид несущих конструкций здания, следует определить, что собой будет представлять кон­структивная система здания, т. е. его материальная оболочка, воспринимающая все действующие на здание нагрузки и соот­ветствующая его объемно-планировочному решению.

Конструктивной системой Называют геометрически неизменя­емую совокупность несущих конструкций здания (несущий ос­тов), которые обеспечат в дальнейшем надежность здания в тече­ние всего периода его эксплуатации. По сути, конструктивная система — это статическая схема сооружения, не зависящая от способа его возведения и материала несущих конструкций. Вы­брав конструктивную систему и предварительно определив раз­меры и материалы составляющих ее элементов, можно подсчи­тать действующие нагрузки и определить усилия в элементах, произвести детальные расчеты, уточнить размеры сечений и т. д.

В зданиях массового строительства конструктивные систе­мы, как правило, объединяют горизонтальные и вертикальные несущие конструкции.

Горизонтальные несущие конструкции Представляют собой пе­рекрытия и покрытие, воспринимающие все действующие на них нагрузки и поэтажно передающие их вертикальным кон­струкциям, которые, в свою очередь, через промежуточную кон­струкцию — фундаменты — передают их на основание. Зачастую горизонтальные несущие конструкции играют роль жестких дис­ков, перераспределяющих горизонтальные нагрузки (ветровые, сейсмические) между вертикальными нагрузками.

Различают следующие виды Вертикальных несущих кон­Струкций:

• стержневые (стойки каркаса, отдельные стволы — полые стержни открытого или закрытого сечения);

• плоскостные (стены, диафрагмы);

• пространственные (объемные элементы, тонкостенные обо­лочки, расположенные по контуру здания замкнутые обо­лочки из стержневых конструкций и др.).

В соответствии с видом вертикальной несущей конструкции различают первичные (основные), вторичные (смешанного типа) и комбинированные конструктивные системы.

К первичным Конструктивным системам относят: стеновые (бескаркасные), каркасные, объемно-блочные, ствольные, обо­лочковые (коробчатые).

К вторичным (смешанным) конструктивным системам отно­сят системы, в которых в уровне каждого этажа применено не­сколько типов вертикальных конструкций, например: каркасно-стеновые (системы с неполным каркасом), каркасно-ствольные, каркасно-блочные, панельно-блочные, оболочково-ствольные.

При изменении конструктивной системы здания по его вы­соте (например, в нижних этажах — каркасная, в верхних — сте­новая) конструктивная система называется Комбинированной.

Каждая система может иметь свои особенности конструк­тивного решения. Эти особенности называют Схемой Данной конструктивной системы.

Система с несущими стенами (бескаркасная). В Этих системах вертикальные несущие конструкции решаются в виде стен, вос­принимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Стены объединяются в пространственную систему с помощью вертикальных диафрагм жесткости и горизонтальных дисков перекрытий.

Различают три основные схемы системы с несущими стена­ми: продольно-стеновая (несущие стены ориентированы вдоль продольной оси здания); поперечно-стеновая (несущие стены расположены поперек продольной оси здания); перекрестно-стеновая (с продольными и поперечными несущими стенами).

Схема с продольными несущими стенами Представляет собой ряд параллельно ориентированных вдоль здания стен, рассто­яние между которыми называют Пролетом (в этом направлении ориентирован пролет перекрытий, опирающихся на стены). Соответственно различают одно-, двух - и трехпролетные зда­ния. Все пролеты могут быть одной или разной величины. Устойчивость продольных стен в их плоскости обеспечивается постановкой в перпендикулярном направлении диафрагм жест­кости (отдельные стены, стены лестничных клеток). Расстояние между поперечными диафрагмами жесткости зависит от тол­щины стены, ее материала и расстояния по вертикали между горизонтальными опорами (перекрытиями) и регламентируется СНиП «Каменные и армокаменные конструкции».

Схема с продольными несущими стенами применяется в зданиях высотой до 17 этажей. Достоинством этой схемы является возможность изменения планировки этажей при рекон­струкции зданий, а также использование местных стеновых ма­териалов. Основной недостаток — толщина стен назначается не только расчетом на прочность, но и по требованиям теплоза­щиты помещений, что может привести к значительному расхо­ду материалов.

Поперечно-стеновая схема Применяется в зданиях высотой до 70 этажей. Расстояние между поперечными стенами называ­ют Шагом, Соответственно различают Узкий (до 3,6 м) и Широкий (свыше 3,6 м) шаг поперечных стен. Толщина стен определя­ется только расчетом на прочность и может быть незначитель­ной. Наружные стены выполняют только ограждающие функ­ции и могут быть выполнены из легких эффективных матери­алов, в том числе небетонных. Их толщина определяется прежде всего необходимостью теплозащиты помещений. Продольная устойчивость здания обеспечивается диафрагмами жесткости (это, как правило, ориентированные по продольной оси здания стены лестничных клеток) и дисками перекрытий.

Достоинство этой схемы — применение легких огражда­ющих конструкций, возможность устройства в них значитель­ных по площади проемов. Основной недостаток — трудности при модернизациизданий из-за относительно часто располо­женных поперечных капитальных стен.

Перекрестно-стеновая схема Применяется в зданиях ячейковой планировочной структуры, особенно в сейсмоопасных районах.

Каркасная конструктивная система. В каркасной конструктив­ной системе вертикальные несущие конструкции выполняют в виде стержней — Колонн, На которые передаются нагрузки от пе­рекрытий или непосредственно (безригельный каркас), или че­рез систему горизонтальных балок (ригельный каркас). В безри-гельных каркасах перекрытия выполнены в виде плоских плас­тин, выполняющих одновременно роль ригелей и межбалочного заполнения; в остальных случаях наколонны опираются главные балки — ригели, воспринимающие в свою очередь нагрузки от перекрытий. Ригели могут быть расположены вдоль продольной оси здания, поперек или одновременно в двух направлениях.

В зависимости от способа распределения горизонтальных нагрузок между элементами каркаса и соответственно вида со­пряжения ригелей с колоннами различают три схемы каркаса: связевая, рамная и рамно-связевая.

В каркасах Связевой схемы Колонны и ригели воспринимают только вертикальные нагрузки; горизонтальные (в основном ветровые) передаются на специальные элементы — связи, или диафрагмы жесткости, с примыкающими к ним колоннами, от­сюда и название этой схемы. Сопряжение ригелей с колоннами шарнирное, за счет этого упрощается устройство стыков и воз­можно постоянство сечений колонн и ригелей по всей высоте здания. Последнее обстоятельство очень важно при сборных железобетонных каркасах. Недостатком этой схемы является определенное ограничение планировки этажей из-за наличия вертикальных связей.

При Рамной схеме Сопряжение ригелей с колоннами жест­кое, ригели и колонны образуют плоские или пространствен­ные рамы, воспринимающие как вертикальные, так и горизон­тальные нагрузки. Устройство стыков ригелей с колоннами ус­ложняется, размеры сечений колонн и ригелей по вертикали здания различаются между собой. Поскольку вертикальных связей нет, проектировщик менее ограничен при размещении перегородок в плане этажа, чем при связевой схеме.

Каркас Рамно-связевой схемы Состоит из плоских рам и вер­тикальных связей. Рамы объединяют дисками перекрытий в единую пространственную конструкцию. Степень участия каж­дого элементав восприятии нагрузок определяется соотноше­нием жесткостей колонн, ригелей и диафрагм жесткости.

Объемно-блочная конструктивная система. Вертикальные не­сущие элементы представляют собой столбы из поставленных друг на друга объемных элементов размером с комнату. Несу­щие блоки имеют линейное или точечное опирание. Частным случаем является консольная схема, при которой блоки крепят­ся в виде консолей к несущему стволу, как в здании вычисли­тельного центра в Пятигорске.

Ствольная конструктивная система. Вертикальными несущи­ми конструкциями служат пространственные замкнутой формы в плане элементы — стволы, воспринимающие все действующие на здание вертикальные и горизонтальные нагрузки. Перекры­тия опираются непосредственно на стволы и могут быть одно-и многоствольными.

В зависимости от способа опирания перекрытий на ствол различают две основные схемы: с консольными и подвешенны­ми перекрытиями. В соответствии с этим здания ствольной

Конструктивной системы классифицируют как здания с кон­сольными и подвешенными этажами.

В зданиях с Консольными этажами Наружные стены не дохо­дят до уровня фундамента, а поддерживаются либо консольными конструкциями опертых на ствол перекрытий, либо консольны­ми поясами. Размеры консольных этажей в плане превышают размеры нижнего этажа, который обычно остается открытым.

В зданиях с Подвешенными этажами Конструкции перекры­тий опирают с одной стороны на центральный лестнично-лиф-товый ствол, а с другой — на вертикальные подвески (стальные или железобетонные). Подвески закрепляют или к вершине ствола, или к консольному оголовку.

По типу главных опор, воспринимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки, конструктивные схемы зданий с подвешенными этажами условно делят на три основные груп­пы: со ствольными опорами; со стоечными опорами; с арочны­ми опорами. Особую группу представляют здания с комбиниро­ванными опорами, например в виде ствола и стоек.

Рассматриваемая конструктивная схема открывает широкий простор для поиска интересных композиционных решений зда­ний. Подвески в зданиях таких типов могут быть из стальных полос, прокатных профилей, канатов, стержней, монолитные железобетонные предварительно напряженные, сборные пред­варительно напряженные, сталежелезобетонные.

Оболочковая (коробчатая) Конструктивная система основа­на на принципе восприятия всех горизонтальных нагрузок только наружной стеновой коробкой, которая решается обыч­но в виде жесткой пространственной решетки (безраскосной или раскосной).

По сути, решетка представляет собой элементы каркаса, вы­несенные на периметр здания. Стойки каркаса служат простен­ками, ригели каркаса — надоконными перемычками. Внутрен­ние опоры (чаще всего центрально расположенный ствол) рабо­тают только на вертикальные нагрузки. В пределах центрального ствола располагаются лифты, лестничные клетки, все основные инженерные коммуникации. При такой системе можно проекти­ровать широкие в плане здания и глубокие рабочие помещения с искусственным освещением и микроклиматом.

Поскольку основная масса несущих конструкций располо­жена по контуру здания, то это повышает сопротивляемость

Здания горизонтальным нагрузкам и дает оболочковой системе преимущество перед другими системами, прежде всего при строительстве высотных зданий. Кроме того, возможно облег­чение конструкции перекрытий, поскольку они освобождаются от передачи горизонтальных нагрузок на ствол.

Каркасно-стеновая система (с неполным каркасом). Наружные или внутренние стены в этой системе заменяются отдельными стойками каркаса, что придает гибкость планировочному реше­нию, возможность создания относительно больших по площади помещений, внутри которых размещаются только колонны. Переставить или убрать перегородки при изменении назначения помещений относительно несложно. Недостатком этой системы является значительная материалоемкость наружных стен.

Каркасно-ствольная система. Плоские диафрагмы жесткости каркаса объединяют в пространственную опору — ствол, обла­дающий значительно более высокой жесткостью, чем отдель­ные диафрагмы, и поэтому способный воспринимать более вы­сокие горизонтальные нагрузки. Ствол воспринимает все гори­зонтальные нагрузки на здание и часть вертикальных. Стены ствола выполняют или из монолитного железобетона или из стали. При этой системе возможно шарнирное соединение эле­ментов каркаса. Ствол, как правило, располагают в централь­ной части здания и его объем используют для размещения лиф­тов, лестниц и инженерных коммуникаций. Пространство меж­ду центральным стволом и наружными стенами свободно от опор. Каркас в этой системе стальной или железобетонный.

Каркасно-блочная система Решена с дифференциацией несу­щих и ограждающих конструкций. Несущие функции может выполнять обычный каркас или жесткий ствол из железобетона или металла. Объемные элементы проектируют самонесущими и устанавливают или на ригели каркаса, или крепят консольно к центральному стволу (ядру жесткости).

Панельно-блочная система Является вариантом блочной сис­темы и характеризуется чередованием объемных элементов с плоскими панелями в самых разнообразных сочетаниях. Напри­мер, объемные элементы устанавливают с разрывом, простран­ство между ними перекрывают плоскими панелями перекрытий, а с торцов ограждают стеновыми панелями.

Оболочково-ствольная конструктивная система В отличие от оболочковой характерна тем, что в восприятии горизонтальных И вертикальных нагрузок совместно с внутренним стволом участ­вует замкнутая наружная оболочка-коробка, образованная кон­струкциями наружных стен здания и способная благодаря соот­ветствующим связям работать под действием горизонтальных нагрузок как одно целое.

Совместная работа наружной оболочки и внутреннего ство­ла обеспечивается вертикальными связями (ростверками) в пределах технических этажей, а также жесткими дисками пере­крытий. За счет совместной работы наружной оболочки и ство­ла при применении оболочково-ствольной системы жесткость всего сооружения повышается на 30—50% по сравнению с кар-касно-ствольной конструктивной системой и, соответственно, уменьшаются прогибы от горизонтальных нагрузок.

Эта система получила название «Tube-A-Tube» («труба в тру­бе»). Наружную оболочку обычно выполняют в виде жесткой пространственной безраскосной решетки, элементами которой являются стальные или железобетонные колонны и поэтажные обвязочные балки. Колонныустанавливают, как правило, с ма­лым шагом. При большом шаге колонн решетку усиливают рас­косами или раскосными поясами, размещаемыми в два и более яруса по высоте здания. Иногда наружная оболочка образуется монолитными железобетонными стенами с проемами.

Впервые оболочково-ствольная конструктивная система была применена в 38-этажном зданииBrunswick Building В Чика­го (США), построенном в 1962 г.