Принципы обеспечения прочности, жесткости и устойчивости жилых зданий

Конструктивной системой здания называется совокупность взаимосвязанных горизонтальных и вертикальных конструкций здания, обеспечивающих его прочность, жесткость и устойчивость.

Горизонтальные конструкции-перекрытия и покрытия зданий воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные конструкции, которые, в свою очередь передают эти нагрузки и воздействия на основание.

Вертикальные конструкции:

-стержневые (стойки каркаса)

-плоскостные (стены, диафрагмы)

-объемно-пространственные элементы:

а) высотой в этаж (объемные блоки),

б) внутренние объемно-пространственные полые стержни на высоту здания-стволы жесткости.

в) объемно-постранственные внешние несущие конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения.

Принятая конструктивная система здания должна обеспечивать прочность, жесткость и устойчивость здания на стадии возведения и в период эксплуатации при действии всех расчетных нагрузок и воздействий.

Конструктивные системы жилых зданий классифицируются по типу вертикальных несущих конструкций.

Различают 5 основных конструктивных систем:

-каркасную

-бескаркасную (стеновую)

-объемно-блочную

-ствольную

-оболочковую (периферийную)

Кроме того, широко используют комбинированные конструктивные системы.

Для жилых зданий применяются следующие типы вертикальных несущих конструкций: стены, каркас и стволы (ядра жесткости), которым соответствуют стеновые, каркасные и ствольные конструктивные системы. При применении в одном здании в каждом этаже нескольких типов вертикальных конструкций различаются каркасно-стеновые, каркасно-ствольные и ствольно-стеновые системы.

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

Жилые здания рекомендуется проектировать на основе стеновых конструктивных систем с поперечными и (или) продольными стенами.

Стены, в зависимости от воспринимаемых ими вертикальных нагрузок, подразделяются на несущие, самонесущие и ненесущие.

Несущей называется стена, которая помимо вертикальной нагрузки от собственного веса, воспринимает и передает фундаментам нагрузки от перекрытий, крыши, ненесущих наружных стен, перегородок в т.д.

Самонесущей называется стена, которая воспринимает и передает фундаментам вертикальную нагрузку только от собственного веса (включая нагрузку от балконов, лоджий, эркеров, парапетов и других элементов стены).

Ненесущей называется стена, которая поэтажно или через несколько этажей передает вертикальную нагрузку от собственного веса на смежные конструкции (перекрытия, несущие стены, каркас).

Внутренняя ненесущая стена называется перегородкой

В зависимости от схемы расположения несущих стен в плане здания и характера опирания на них перекрытий (рис. 3) различают следующие конструктивные системы:

перекрестно-стеновая с поперечными и продольными несущими стенами;

поперечно-стеновая — с поперечными несущими стенами;

продольно-стеновая — с продольными несущими стенами.

Рис. 3. Стеновые конструктивные системы

а — поперечно-стеновые; б — перекрестно-стеновые;

в — продольно-стеновые с перекрытиями

I — малопролетными; II — среднепролетными; III — крупнопролетными

1 — ненесущая стена; 2 — несущая стена

В зданиях перекрестно-стеновой конструктивной системы наружные стены проектируют несущими или ненесущими (навесными), а плиты перекрытий — как опертые по контуру или трем сторонам. Высокая пространственная жесткость многоячейковой системы, образованной перекрытиями, поперечными и продольными стенами, способствует перераспределению в ней усилий и уменьшению напряжений в отдельных элементах. Поэтому здания перекрестно-стеновой конструктивной системы могут проектироваться высотой до 25 этажей.

В зданиях поперечно-стеновой конструктивной системы вертикальные нагрузки от перекрытий и ненесущих стен передаются в основном на поперечные несущие стены, а плиты перекрытия работают преимущественно по балочной схеме с опиранием по двум противоположным сторонам. Горизонтальные нагрузки, действующие параллельно поперечным стенам, воспринимаются этими стенами. Горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно поперечным стенам, воспринимаются: продольными диафрагмами жесткости; плоской рамой за счет жесткого соединения поперечных стен и плит перекрытий; радиальными поперечными стенами при сложной форме плана здания.

Продольными диафрагмами жесткости могут служить продольные стены лестничных клеток, отдельные участки продольных наружных и внутренних стен. Примыкающие к ним плиты перекрытий рекомендуется опирать на продольные диафрагмы, что улучшает работу диафрагм на горизонтальные нагрузки и повышает жесткость перекрытий и здания в целом.

Здания с поперечными несущими стенами и продольными диафрагмами жесткости рекомендуется проектировать высотой до 17 этажей. При отсутствии продольных диафрагм жесткости в случае жесткого соединения монолитных стен и плит перекрытий рекомендуется проектировать здания высотой не более 10 этажей.

Здания с радиально расположенными поперечными стенами при монолитных перекрытиях можно проектировать высотой до 25 этажей. Температурно-усадочные швы между секциями протяженного здания с радиально расположенными стенами рекомендуется размещать так, чтобы горизонтальные нагрузки воспринимались стенами, расположенными в плоскости их действия или под некоторым углом. С этой целью в температурно-усадочных швах необходимо предусматривать специальные демпферы, работающие податливо при температурно-усадочных воздействиях и жестко — при ветровых нагрузках.

В зданиях продольно-стеновой конструктивной системы вертикальные нагрузки воспринимаются и передаются основанию продольными стенами, на которые опираются перекрытия, работающие преимущественно по балочной схеме. Для восприятия горизонтальных нагрузок, действующих перпендикулярно продольным стенам, необходимо предусматривать вертикальные диафрагмы жесткости. Такими диафрагмами жесткости в зданиях с продольными несущими стенами могут служить, поперечные стены лестничных клеток, торцевые, межсекционные и др. Примыкающие к вертикальным диафрагмам жесткости плиты перекрытий рекомендуется опирать на них. Такие здания рекомендуется проектировать высотой не более 17 этажей.

При проектировании зданий поперечно-стеновой и продольно-стеновой конструктивных систем необходимо учитывать, что параллельно расположенные несущие стены, объединенные между собой только дисками перекрытий, не могут перераспределять между собой вертикальные нагрузки. Для обеспечения устойчивости стен при аварийных воздействиях (пожаре, взрыве газа) рекомендуется предусматривать участие стен перпендикулярного направления. При наружных несущих стенах из небетонных материалов (например, из слоистых панелей с листовыми обшивками) рекомендуется продольные диафрагмы жесткости располагать так, чтобы они хотя бы попарно соединяли поперечные стены. В изолированно расположенных несущих стенах рекомендуется предусматривать вертикальные связи в горизонтальных соединениях и стыках.

В каркасных конструктивных системах основными вертикальными несущими конструкциями являются колонны каркаса, на которые передается нагрузка от перекрытий непосредственно (безригельный каркас) или через ригели (ригельный каркас). Прочность, устойчивость и пространственная жесткость каркасных зданий обеспечивается совместной работой перекрытий и вертикальных конструкций. В зависимости от типа вертикальных конструкций, используемые для обеспечения прочности, устойчивости и жесткости, различают связевые, рамные и рамно-связевые каркасные системы (рис. 4).

Рис. 4. Каркасные конструктивные системы

а, б — связевые с вертикальными диафрагмами жесткости;

в — то же, с распределительным ростверком в плоскости вертикальной диафрагмы жесткости; г — рамная; д — рамно-связевая с вертикальными диафрагмами жесткости; е — то же, с жесткими вставками

1 — вертикальная диафрагма жесткости; 2 — каркас с шарнирными узлами;

3 — распределительный ростверк; 4 — рамный каркас; 5 — жесткие вставки

При связевой каркасной системе применяется безригельный каркас или ригельный каркас с нежесткими узлами ригелей с колоннами. При нежестких узлах каркас практически не участвует в восприятии горизонтальных нагрузок (кроме колонн, примыкающих к вертикальным диафрагмам жесткости), что позволяет упростить конструктивные решения узлов каркаса, применять однотипные ригели по всей высоте здания, а колонны проектировать как элементы, работающие преимущественно на сжатие. Горизонтальные нагрузки от перекрытий воспринимаются и передаются основанию вертикальными диафрагмами жесткости в виде стен или сквозных раскосных элементов, поясами которых служат колонны (см. рис. 4). Для сокращения требуемого количества вертикальных диафрагм жесткости их рекомендуется проектировать непрямоугольной формы в плане (уголковой, швеллерной и т.п.). С той же целью колонны, расположенные в плоскости вертикальных диафрагм жесткости, могут объединяться распределительными ростверками, расположенными в верху здания, а также в промежуточных уровнях по высоте здания.

В рамной каркасной системе вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимает и передает основанию каркас с жесткими узлами ригелей с колоннами. Рамные каркасные системы рекомендуется применять для малоэтажных зданий.

В рамно-связевой каркасной системе вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимают и передают основанию совместно вертикальные диафрагмы жесткости и рамный каркас с жесткими узлами ригелей с колоннами. Вместо сквозных вертикальных диафрагм жесткости могут применяться жесткие вставки, заполняющие отдельные ячейки между ригелями и колоннами. Рамно-связевые каркасные системы рекомендуется применять, если необходимо сократить количество диафрагм жесткости, требуемых для восприятия горизонтальных нагрузок.

В каркасных зданиях связевой и рамно-связевой конструктивных систем наряду с диафрагмами жесткости могут применяться пространственные элементы замкнутой формы в плане, называемые стволами. Каркасные здания со стволами жесткости называют каркасно-ствольными.

Каркасные здания, вертикальными несущими конструкциями которых являются каркас и несущие стены (например, наружные, межсекционные, стены лестничных клеток), называются каркасно-стеновыми.

Здания каркасно-стеновой конструктивной системы рекомендуется проектировать с безригельным каркасом или с ригельным каркасом, имеющим нежесткие узлы соединения ригелей с колоннами.

В ствольных конструктивных системах вертикальными несущими конструкциями являются стволы, образуемые преимущественно стенами лестнично-лифтовых шахт, на которые непосредственно или через распределительные ростверки опираются перекрытия.

По способу опирания междуэтажных перекрытий различают ствольные системы с консольным, этажерочным и подвесным опиранием этажей (рис. 5).

Рис. 5. Ствольные конструктивные системы (с одним несущим стволом)

а, б — консольные; в, г — этажерочные; д, е — подвесные

1 — несущий ствол; 2 — консольное перекрытие; 3 — консоль высотой в этаж; 4 — консольный мост; 5 — ростверк; 6 — подвеска

Ствольные конструктивные системы рекомендуется применять при строительстве зданий, в которых необходимо свободное пространство под зданием, а также при сложных инженерно-геологических условиях.

Конструктивные типы и схемы гражданских зданий

Здания, выполняемые из заранее изготовленных крупнораз­мерных плоскостных элементов стен, перекрытий, покрытий и других элементов, называют крупнопанельными. Панели, про­изводимые в заводских условиях, имеют повышенную готовность: в них вмонтированы окна, двери, отопительные приборы. При­менение таких конструкций повышает производительность тру­да, сокращает сроки строительства.

Конструктивные элементы здания (фундаменты, стены, ко­лонны и перекрытия), соединяясь между собой в пространстве, об­разуют несущий остов.

По особенностям пространст­венного остова различают следующие конструктивные типы зданий: бескаркасный, каркасный и с неполным каркасом (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Конструктивные типы гражданских зданий:

а — бескаркасный;

б — каркасный;

в — с неполным каркасом;

1 — несу­щие стены;

2 — междуэтажные перекрытия;

3 — колонны; 4 — ригели;

5 — самонесущие стены

Бескаркасные здания (с несущими стенами) представляют со­бой системы ячеек, образованных стенами и перекрытиями. На­ружные и внутренние стены воспринимают нагрузки от между­этажных перекрытий. Бескаркасный тип получил широкое распространение при возведении жилых домов, школ и других общественных зданий.

Для пятиэтажных крупнопанельных домов наибольшее при­менение нашли следующие основные конструктивные бескар­касные типы:

1) с несущими продольными стенами (рис. 2.2, а);

2) с часто расположенными поперечными стенами и с пере­крытиями размером «на комнату» (рис. 2.2, 6);

3) с несущими поперечными стенами и опиранием перекры­тий на две или три стороны, с несущими редко расположенными стенами, с перекрытиями из предварительно напряженных много­пустотных железобетонных настилов, с поперечными несущими стенами, работающими на изгиб как балки-стенки (рис. 2.2, в);

4) с несущими продольными наружными и внутренними сте­нами, поперечными диафрагмами жесткости и перекрытиями из железобетонных предварительно напряженных многопустотных настилов, опирающихся на две стороны.

Рис. 2.2. Конструктивные типы бескаркасных крупнопанельных зданий

Крупнопанельные жилые дома повышенной этажности со­оружаются как бескаркасные здания с поперечными несущими стенами:

· с опиранием панели по контуру, с шагом поперечных стен 2, 6 и 3, 2 м и расстоянием между осями трех продольных стен зда­ния по 5, 75 м;

· с шагом 3, 2 м и расстоянием между осями трех продольных стен 5, 6 м;

· с шагом поперечных стен 2, 7 и 3, 3 м и расстоянием между осями трех продольных стен 6 м;

· с шагом 3, 2 м и расстоянием между осями трех продольных стен 5 м;

· со взаимосмешанным шагом 3, 0 и 3, 3 м и расстоянием меж­ду осями трех продольных стен 5, 7 и 4, 8 м;

· с поперечным шагом 6 м и расстоянием между осями трех продольных стен 5 м;

· с шагом поперечных несущих стен 2, 65 и 3, 4 м и расстояни­ем между осями трех продольных стен 5, 76 м;

· с продольными несущими стенами с двумя пролетами по 6 м каждый.

Каркасные крупнопанельные здания выполняют в виде мно­гоярусной пространственной системы, состоящей из колонн и ме­ждуэтажных перекрытий. Несущими элементами являются ко­лонны, ригели и перекрытия, а роль ограждающих элементов выполняют наружные стены. Такой конструктивный тип исполь­зуют для возведения высотных зданий, а также в тех случаях, ко­гда необходимы помещения значительных размеров, свободные от внутренних опор (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Конструктивные типы каркасных зданий:
а — с продольным расположением ригелей;

б — с поперечным расположе­нием ригелей;

в — безригельное решение;

г — с пространственным карка­сом;

д — с неполным поперечным каркасом и несущими наружными стенами;

е — с опиранием панелей на наружные панели и две стойки по внутреннему ряду;

1 — самонесущие стены; 2 — колонны; 3 — ригели; 4 — плиты междуэтажных перекрытий; 5 — надколонная плита перекрытия; 6 — межколонные плиты; 7 — панель-вставка

Пространственная жесткость в крупнопанельных зданиях достигается устройством:

· многоярусной рамы, которая образована пространствен­ным сочетанием колонн, ригелей, перекрытий и представляет собой геометрически неизменяемую систему;

· стенок жесткости, устанавливаемых между колоннами (на каждом этаже);

· плит-распорок, уложенных в междуэтажных перекрытиях (между колоннами);

· стен лестничных клеток и лифтовых шахт, связанных с кон­струкциями каркаса;

· надежного сопряжения элементов каркаса в стыках и узлах.

В зданиях с неполным каркасом наряду с внутренним рядом колонн нагрузку от междуэтажных перекрытий воспринимают наружные стены. В современном строительстве такой конструк­тивный тип имеет ограниченное применение (см. рис. 2.1, в).

Каждый конструктивный тип здания, в свою очередь, имеет несколько конструктивных схем, различающихся взаимным рас­положением несущих элементов.

Для бескаркасных типов зданий характерны следующие схемы:

· с продольным расположением несущих стен (в этом случае на них опираются междуэтажные перекрытия);

· с поперечным расположением несущих стен (в данном слу­чае наружные стены, за исключением торцовых, — самонесу­щие, на них не передаются нагрузки от перекрытий);

· перекрестная — с опиранием плит перекрытия (по контуру) на продольные и поперечные стены.

·

Для каркасного типа зданий могут применяться схемы с попе­речным расположением ригелей, с продольным расположением ригелей и безригельные.

Выбор конструктивной схемы влияет на объемно-планировоч­ное решение здания и определяет тип его основных конструкций.

Здание и его элементы, подвергающиеся воздействию верти­кальных и горизонтальных нагрузок, должны иметь достаточ­ную прочность (способность отдельных конструкций и всего здания воспринимать приложенные нагрузки), устойчивость (способность здания сопротивляться воздействию горизонталь­ных нагрузок) и пространственную жесткость (способность отдельных элементов и всего здания не деформироваться при действии приложенных сил.

При увеличением этажности здания возрастают различные на­грузки, действующие на него. С помощью специальных мер дос­тигаются необходимые устойчивость и пространственная жест­кость здания.

В бескаркасных зданиях пространственная жесткость обеспе­чивается устройством внутренних поперечных стен и стен лест­ничных клеток, связанных с продольными (наружными) стена­ми, а также междуэтажных перекрытий, связывающих стены между собой и расчленяющих их на отдельные ярусы по высоте.