Каркасы стальные

Общие положения

Основная область применения стальных каркасов - многоэтажные жилые и общественные здания различно­го назначения. Если для зданий высотой до 30 этажей чаще применяют железобетонные каркасы, то для зданий с большей этажностью целесообразно применять сталь­ные каркасы. По мере увеличения высоты здания влияние горизонтальных нагрузок возрастает и решающими ста­новятся требования по обеспечению жесткости несущих конструкций.

Стальные каркасы имеют некоторые преимущества в сравнении с железобетонными, к которым относятся:

- относительно меньший вес, в связи с чем уменьшаются усилия в конструктивных элементах, снижа­ются масса и стоимость фундаментов, имеется возмож­ность членения конструкций на монтажные элементы (блоки) более крупных размеров;

- конструктивные удобства крепления огражда­ющих конструкций и инженерных коммуникаций; возмож­ность размещения в пределах габаритов колонн верти­кальных коммуникаций, а в пределах высоты перекры­тий - горизонтальных;

- малые размеры сечений колонн, что в некото­рых случаях позволяет скрыть их в стене (перегородке);

- возможность создания (без резкого увеличе­ния материалоемкости) большепролетных перекрытий, допускающих гибкость планировочных решений.

Основная проблема применения стальных каркасов - малая огнестойкость и подверженность коррозии стали - обуславливает необходимость дополнительных затрат на защиту конструкций. Применение огнезащитных покры­тий, использование спринклерных установок может не­сколько снизить эти затраты.

Конструктивные элементы каркасов.

Колонна - основной элемент каркаса здания, воспринимающий преимущественно сжимающие усилия, иногда с изгибом. Колонны оказывают решающее влияние на конструирова­ние несущей системы и на ее показатели, поэтому при выборе типа колонн нужно учитывать технологические и экономические требования.

Применяемые типы сечений сплошных и сквозных колонн показаны на рис. 12.17. Сплошные колонны могут быть прокатными или составными, когда они образуются из нескольких прокатных профилей или листов. Большин­ство сечений - сплошные составные, образуемые авто­матической сваркой.

Рис. 12.17. Типы сечений стальных колонн: а-г - сплошные из прокатных профилей; д-к - сплошные свар­ные из листов; л-п - сплошные сварные из профилей; р-т - сплошные сварные из листов и профилей; у-ш - сквозные из профилей и накладок (вставок)

Сквозные колонны (рис. 12.17 у-ш) - как менее ком­пактные и более трудоемкие - используются в современ­ных каркасах реже, преимущественно в уникальных зда­ниях небольшой этажности.

Выбор типа сечения зависит от вида и соотношения внутренних усилий (продольная сила, изгибающий мо­мент), от значения расчетных длин, удобства крепления ригелей. Если изгибающие моменты отсутствуют или малы, а расчетные длины не превышают обычной высоты этажа (3-4 м), выбирают компактные сечения с небольшой гибкостью (30-50). Толщину листов в составных сечениях принимают обычно не более 60 мм, а отношение габари­тов сечения к расчетной длине не менее 1/15, чему соот­ветствуют гибкости 40-60 (в зависимости от типа сечения).

Двутавровый профиль - самая распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необ­ходимости крепления к колоннам балок в двух направле­ниях, так как все элементы двутавра доступны для поста­новки болтов.

Прямоугольные коробчатые профили применяются для колонн при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонн.

Сплошной квадратный профиль, позволяющий де­лать колонны с наименьшими габаритами сечения, обла­дает высокой степенью огнестойкости при ограниченной защите.

Крестообразные профили, благодаря полной сим­метрии и своеобразной форме поперечного сечения, часто применяются из эстетических соображений, особен­но для колонн, которые размещены на пересечении пе­регородок и должны быть скрыты в них.

Профили круглого полого сечения (трубы) выгодны с расчетной точки зрения, так как во всех направлениях они имеют одинаковые геометрические характеристики.

Сквозные сечения применяются для колонн каркасов высотных зданий, если балки должны проходить между ветвями колонн или предусматривается прокладка техни­ческого оборудования внутри колонн.

Базы колонн. База является опорной частью колон­ны и служит для распределения сосредоточенного давле­ния от стержня колонны по площади фундамента, обес­печивая закрепление нижнего конца колонны в соответ­ствии с принятой расчетной схемой.

В зависимости от типа и высоты сечения колонны применяют базы: без траверс, с общими или раздельны­ми траверсами, с одностенчатыми или двухстенчатыми траверсами (рис. 12.18).

Рис. 12.18. Схемы баз колонн: а, б - без траверс; в - одностенчатая; г - двухстенчатая с раз­дельными траверсами; д - двухстенчатая с общими траверсами

Конструктивное решение базы зависит от способа ее сопряжения с фундаментом и принятого метода монтажа колонн. С помощью базы осуществляется шарнирное или жесткое сопряжение колонн с фундаментами.

Базы колонн при шарнирном сопряжении с фунда­ментом имеют наиболее простую конструкцию (рис. 12.19 а-в). Для центрально сжатых колонн со значитель­ным усилием может быть применена база, состоящая из толстой стальной опорной плиты. Ребра жесткости и со­единительные траверсы создают более равномерную передачу силового потока от колонны к плите. Особенность всех шарнирных баз состоит в том, что анкерные болты (их обычно два) крепят базу к фундаменту непосред­ственно за опорную плиту.

Рис. 12.19. Типы баз колонн: а - при шарнирном сопряжении с фундаментом с толстой опор­ной плитой; б - с плитой и ребрами жесткости; в - с боковыми траверсами; г - при жестком сопряжении с фундаментом, с бо­ковыми траверсами; 1 - отверстия для анкерных болтов; 2 - опорная плита; 3 - траверса; 4 - ребро жесткости; 5 - прижим­ная планка; 6 - анкерный болт

Базы колонн при жестком сопряжении с фундамен­том крепятся с помощью не менее четырех анкерных бол­тов и прижимных планок (рис. 12.19 г). Жесткое сопряже­ние устраивают для внецентренно сжатых колонн, кото­рые могут передавать изгибающие моменты. С этой це­лью траверсы приходится развивать в направлении дей­ствия момента. При относительно небольших опорных моментах траверсы делают из листов толщиной 10-12 мм или швеллеров.

Толщину опорной плиты базы определяют расчетом, однако из конструктивных соображений ее не принимают менее 20 мм. Обычно базы колонн устанавливают на 0, 5-1 м ниже отметки пола первого этажа и обетонируют для защиты от коррозии.

Анкерные болты. При шарнирном сопряжении ко­лонн с фундаментом анкерные болты выполняют устано­вочную функцию, фиксируя положение базы относитель­но фундамента. Размеры таких болтов назначают кон­структивно, принимая диаметр 20-30 мм. Отверстия или вырезы для болтов в опорной плите базы делают в 1, 5 раза больше диаметра болтов. Глубину заделки бол­тов в бетоне принимают равной 15-20 диаметрам болта. Способы заделки анкерных болтов в фундаменте пред­ставлены на рис. 12.20.

Рис. 12.20. Тип анкерных болтов: а - с заделкой анкера с отогнутым нижним концом через сцепле­ние; б, в - с заделкой анкера с помощью шайб; г - с помощью приваренных стержней

Стыки колонн делают из-за ограниченной длины прокатной стали (заводские стыки) и для деления колон­ны на отправочные элементы длиной не более 18 м по условиям перевозки (монтажные стыки).

Заводские стыки осуществляют сварными с прямым стыковым швом с полным проваром.

Монтажные стыки колонн, по условиям унификации и удобства монтажа, размещают, как правило, на одном горизонтальном уровне выше ригеля на 0, 6-1, 0 м. Стыки, где не возникают растягивающие напряжения, выполня­ются болтовыми или сварными.

Балки представляют собой простейшую конструктив­ную форму, используемую как несущий элемент перекры­тий (покрытий). В каркасах балки служат ригелями рам, образуемых совместно с колоннами. Балки работают пре­имущественно на изгиб. Продольные силы в балках, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных ветровых нагрузок, передаваемых от наружных стен че­рез колонны.

Система несущих балок в перекрытии называется балочной клеткой, которая бывает нормальной или ус­ложненной. В балочной клетке нормального типа верти­кальная нагрузка на ригели рам передается через второ­степенные балки. Ригели рам в перекрытии такого типа называются главными балками. В балочной клетке ус­ложненного типа применяют балки трех видов с соответ­ствующей передачей нагрузок: балки настила, второсте­пенные и главные.

Балки классифицируют следующим образом:

- по типу сечения: прокатные, составные (рис. 12.22);

- по высоте поперечного сечения: постоянной вы­соты, переменной высоты;

- по виду стенки: со сплошной, с перфорирован­ной стенкой, с отверстиями;

- по статическому признаку: разрезные, неразрез­ные, консольные.

Рис. 12.22. Балки стальных каркасов: а-е - формы балок из прокатных профилей; ж - сварные перфо­рированные балки; з - типы сечений балок из прокатных профи­лей; и - сечения сварных балок из листов; к - балка из швелле­ров и листов

При пролетах до 12 м балки проектируют сплошными из обычных и широкополочных двутавров, одиночных или спаренных швеллеров (рис. 12.22 з). Балочные двутавры с уклоном внутренних граней полок имеют ограниченные возможности по величине пролета. Широкополочные дву­тавры с параллельными гранями полок лишены такого недостатка, так как имеют высоту сечения до 1 м.

На предварительной стадии проектирования высоту прокатных балок для междуэтажных перекрытий назнача­ют в зависимости от величины перекрываемого пролета: главных балок - 1/10-1/15 от пролета, второстепенных балок - 1/20-1/24 от пролета.

При недостаточной несущей способности и жестко­сти прокатных балок изготавливают составные сварные балки. Простейшая составная балка состоит из трех лис­тов: вертикального (стенки) и двух горизонтальных по­ясов; более сложная замкнутого сечения - из четырех листов (рис. 12.22 и).

При больших пролетах и малых нагрузках, размеще­нии инженерных коммуникаций в пределах высоты пере­крытия целесообразны перфорированные балки из ши­рокополочных двутавров (рис. 12.22 ж). Их получают пу­тем разрезания стенки горячекатаного профиля в про­дольном направлении по ломаной линии. Затем обе ча­сти сдвигают относительно друг друга до соединения гребней впритык, после чего они свариваются. В зависи­мости от формы линии, по которой производится разрез­ка стенки, можно получать различные формы отверстий (перфораций) и различную высоту балки. Оптимальная высота составляет полуторную высоту исходной балки. Для увеличения высоты сечения перфорированной балки между гребнями вставляются прямоугольные пластины.

Сопряжение главных и второстепенных балок мо­жет быть этажным, когда вспомогательные балки распо­лагаются над главными (рис. 12.23 е, л); в одном уров­не, когда верхние пояса вспомогательных и главных ба­лок находятся в одной плоскости (рис. 12.23 з-к, н-р); пониженным, когда пояс вспомогательной балки располагается ниже пояса главной балки (рис. 12.23 ж, м). Этажное сопряжение балок отличается простотой испол­нения, но вызывает увеличение строительной высоты пе­рекрытия и, соответственно, здания.

Рис. 12.23. Сопряжения вспомогательных балок с главными. Приемы креплений: а - болтовое с помощью уголков; б - болто­вое односрезное с помощью приваренного вертикального лис­та; в - болтовое двухсрезное; г - болтовое через торцовый лист вспомогательной балки; д - сварное крепление к стенке главной балки. Шарнирные сопряжения: е - этажное опирание с фикса­цией болтами; ж - пониженное болтовое; з-к - одноуровневые болтовые. Жесткие сопряжения: л - этажное опирание неразрез­ной второстепенной балки; м - пониженное опирание с верхним накладным листом; н - одноуровневое болтовое с верхним на­кладным листом; о - то же, с верхним и нижним листами; п, р - одноуровневые сварные

В месте сопряжения двух балок поперечная сила при­крепляемой второстепенной балки должна быть переда­на на главную балку. Для балок с шарнирным опиранием наиболее распространены следующие приемы сопря­жений: болтовые с помощью уголков или приваренных вертикальных листов и сварные (рис. 12.23 а-к).

Жесткие сопряжения, передающие поперечные силы и изгибающие моменты, изображены на рис. 12.23 л-р.

При необходимости получения больших внутренних безопорных пространств (помещений) в качестве ригелей рам каркасов применяют фермы (рис. 12.24). Безраскос­ные фермы на высоту этажа изготавливают из прокатно­го профиля (двутавра) с помощью сварки. При работе под нагрузкой пояса и стойки таких ферм испытывают про­дольные усилия и изгибающие моменты, что необходимо учитывать при проектировании каркаса. Для перекрытия больших пролетов и прокладки горизонтальных коммуни­каций в пределах высоты перекрытия применяются рас­косные фермы, высоту которых принимают в пределах 1/8-1/10 пролета (рис. 12.24 г, д).

Рис. 12.24. Фермы стальных каркасов:

а - безраскосная ферма (балка Виренделя), сварная из прокат­ного двутавра; б - узлы безраскосной фермы при необходимо­сти увеличения жесткости и несущей способности; в - безрас­косная ферма под большие нагрузки (сварная из листовой и широкополосной стали); г - ферма с нисходящими раскосами; д - ферма с треугольной решеткой; е-м - типы сечений ферм; н-р - варианты узлов ферм

Компоновка элементов каркаса во многом зависит от архитектурно-планировочных требований и определя­ется формой здания. Характерные для стальных каркасов типы компоновок представлены на рис. 12.25.

Рис. 12.25. Схемы компоновки стальных каркасов:

а-г - с поперечными основными рамами; д-з - с продольными рамами; и-м - с рамами в двух направлениях; н-р - с рамами в трех направлениях (на треугольной сетке колонн); с-ц - с комбинированными расположением и пролетами рам; ч - с рамами в трех на­правлениях (для треугольного в плане здания); ш - с веерообразным расположением рам; э - с рамами по радиальным и кольцевым направлениям

В каркасных зданиях компоновка колонн определяет систему горизонтальных элементов каркаса - балок. Глав­ные балки совместно с колоннами образуют основную си­стему, выполняя функции несущих элементов вертикаль­ных рам. Пролеты главных балок могут достигать 15 м. В зависимости от размеров основной планировочной ячей­ки каркаса она может быть разделена второстепенными балками с образованием балочной клетки. Эти балки имеют пролеты 6-12 м и располагаются с шагом 2-3 м. При этом чем больше их пролет, тем меньше шаг, и наоборот.

Конструкции несущих систем каркасных зданий вы­бираются в соответствии со схемой передачи усилий в виде поперечных, продольных и пространственных рам (в двух или трех направлениях).

В системах с поперечными рамами (одно-, двух-, трехпролетными) вертикальные нагрузки передаются этим рамам, которые одновременно воспринимают и основную часть горизонтальных нагрузок (рис. 12.25 а). По мере уве­личения шага рам необходимо переходить на балочные клетки (рис. 12.25 б-г), в которых второстепенные балки передают вертикальные нагрузки на главные балки - риге­ли рам. Такой подход характерен для жестких (рамных) каркасов. Второстепенные балки чаще всего располагают в третях или четвертях основного пролета.

В несущих системах с продольными рамами (рис. 12.25 д-з) вертикальные нагрузки передаются рамам, параллельным длинной стороне здания, а поперечные рамы работают, в основном, на горизонтальные нагрузки.

Если сетка колонн и форма плана здания близки к квадрату, то обычно применяют несущие системы, рабо­тающие в двух направлениях (рис. 12.25 и-м). В целях распределения вертикальных нагрузок по обоим направ­лениям расположение главных и второстепенных балок можно менять поэтажно.

В треугольном по плану здании главные балки могут располагаться в двух или трех направлениях параллельно каждой из наружных стен, а второстепенные - перпенди­кулярно им или под углами в 30° и 60° (рис. 12.25 н-р, ч).

Каркасное здание усеченной элиптической формы (рис. 12.25 ш) требует устройства необычного веерооб­разного расположения главных балок и рам, которые вос­принимают вертикальные нагрузки и основную часть го­ризонтальных нагрузок.

Естественно стремление в зданиях, близких к форме круга (рис. 12.25 э), создать систему радиальных рам и связывающих их балок по кольцевым направлениям или, наоборот, кольцевых рам и радиальных балок.

Членение конструкций каркаса на отправочные эле­менты (рис. 12.26) при ограничении веса и габаритов должно обеспечивать максимальную степень их заводс­кой готовности. При определении габаритов отправочных элементов принимают во внимание особенности транс­портировки и монтажа конструкций конкретного объекта строительства. Наиболее часто используют схему с ли­нейными отправочными элементами (рис. 12.26 а), име­ющую преимущество транспортировки и складирования. Другие схемы членения каркаса уступают линейной, но имеют свои преимущества.

Рис. 12.26. Схемы членения стальных каркасов на отправочные элементы

Для ускорения и повышения качества монтажа отпра­вочные элементы на строительной площадке укрупняют в монтажные блоки массой до 15-20 т в специальных стендах и кондукторах, обеспечивающих высокую точ­ность укрупнительной сборки. Монтажные блоки могут быть плоскостными и пространственными (рис. 12.27).

Рис. 12.27. Членение каркаса на монтажные блоки и элементы

В современной практике строительства зданий из стали применяются рамные, связевые и рамно-связевые типы каркасов (рис. 12.28 а-в). При проектировании стального каркаса в силу различных причин не всегда со­храняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В высоких зданиях возможны нарушения ре­гулярности в виде выступов и углублений в плане, усту­пов и консольных выносов по высоте, смещений осей и некоторых колонн и ригелей, изменения схемы работы системы по высоте здания, по поперечному или продоль­ному направлению и т.д. (рис. 12.28 г-ж).

Рис. 12.28. Конструктивно-статические схемы стальных каркасов и их возможные сочетания: а - рамный; б - связевый; в - рамно-связевый; г, д - разделение каркаса на крупные зоны с разными системами по высоте; е, ж - местные изменения в системе

В некоторых архитектурно-конструктивных решениях применяют стальные каркасы с наклонными колонна­ми. В этих случаях необходим учет передачи горизон­тальных усилий на каркас от наклонных колонн. Горизонтальные усилия тем больше, чем сильнее колонны откло­няются от вертикали. В зданиях с симметричными карка­сами (рис. 12.29 а, б) горизонтальные усилия от нагрузки взаимно погашаются. В несимметричных каркасах (рис. 12.29 в) требуется мощная жесткая несущая конструкция, способная воспринять горизонтальные усилия. Парные наклонные колонны, например, для образования проезда (рис. 12.29 г) эффективно увеличивают жесткость здания против ветровых горизонтальных нагрузок; V-образные опорные колонны (рис. 12.29 д) также хорошо сопротив­ляются горизонтальным усилиям. В зданиях воронкооб­разной формы с наклонными колоннами создаются зна­чительные горизонтальные силы, которые при симмет­ричном решении каркаса могут быть, в основном, воспри­няты мощными затяжками (рис. 12.29 е).

Рис. 12.29. Каркасы с наклонными колоннами: а, б - симметричные; в - несимметричный; г - с парными сим­метричными внутриконтурными колоннами; д - с V-образными парными опорными колоннами; е - с наклонными симметричны­ми колоннами в верхней части каркаса

Огнестойкость открытых стальных конструкций кар­касов, как правило, не соответствует требованиям, уста­новленным для многоэтажных зданий.

Защита стальных элементов от огня обычно выпол­няется:

- напылением (окраской) или оштукатуривани­ем специальными красками, пастами, растворами с тол­щиной слоя от нескольких долей миллиметра до 2-3 см (Приложение 8);

- облицовкой плитами из гипса, асбестоцемен­та, вермикулита, кремневермикулита, базальтовой мине­ральной ваты и т.п.

Огнезащитные покрытия, выполненные современными штукатурными растворами, способны повысить огнестой­кость конструкций до 3 часов (R180). К достоинствам таких покрытий относится их способность в обычных («непожар­ных») условиях выполнять роль тепло- и звукоизоляции.

Одними из принципиально новых огнезащитных плит­ных материалов являются вермикулитово-силикатные плиты «Минпласт», обладающие малым весом, низким коэффициентом теплопроводности, высокой прочностью и морозостойкостью. Материал имеет отделочное покры­тие (пластик, полимерные пленки, металлические листы и др.). При толщине 50 мм плиты «Минпласт» придают стальным элементам огнестойкость в 2, 5 часа. Техноло­гия облицовки предусматривает раскрой плит по размерам, заделку стыков специальным клеевым составом, крепление плит между собой с помощью саморезов.

В исключительных случаях применяется способ повы­шения огнестойкости, при котором полости стальных ко­лонн трубчатого (коробчатого) сечения заполняются во­дой, начинающей автоматически циркулировать при по­жаре. Способ позволяет повысить предел огнестойкости стальных конструкций до 1, 5 часов без применения до­полнительных мероприятий по огнезащите.

Коррозионный износ стальных каркасов многоэтаж­ных зданий незначителен и не оказывает существенного влияния на прочность и долговечность. Стальные элемен­ты конструкций преимущественно имеют достаточно мощные сечения из толстой стали, находятся внутри зда­ния в неагрессивной среде и требуют лишь грунтовки. Кроме того, противопожарный защитный слой, нанесен­ный на поверхность элементов, обеспечивает одновре­менно и их защиту от коррозии.

Стальные элементы зданий, которые по нормам не требуют специальной огнезащиты, необходимо защи­щать от коррозии.

Способы защиты металлических конструкций от коррозии приведены в Приложении 9.