Л13. Конструктивные схемы многоэтажных железобетонных зданий, классификация, расчетные модели, типы связей – 1 час.

Содержание:

12. Классификация многоэтажных зданий.

13. Конструктивная схема МЗ.

14. Основные вертикальные конструкции.

15. Расчетные модели, типы связей.

Литература

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ.

За последние десятилетия в строительстве жилых, общественных и административных зданий во всех технически развитых странах отчетливо выявилась тенденция к росту этажности. Это вызвано, с одной стороны, бурным ростом населения городов, с другой – ограниченностью их территории и стремлением сократить протяженность городских коммуникаций. Индустриальность возведения зданий требует максимальной повторяемости элементов, т. е. монотонности конструктивного решения по высоте здания (монотонностью является геометрическая тождественность одноименных железобетонных элементов во всех этажах здания или в его рассматриваемой части). Многоэтажные здания – это основной тип зданий при застройке городов. В зависимости от административного значения и населенности городов предельная этажность может быть различной. Классификация:

- здания средней этажности (до 5 этажей)

- здания многоэтажные (до 16-ти этажей)

- здания повышенной этажности (до 25 этажей)

- высотные здания (выше 25 этажей)

Общие требования ко всем типам – обеспечение надежности, огнестойкости и долговечности конструкций (при условии экономичности). Многоэтажные здания (кроме высотных): II класс капитальности, II степень долговечности, II степень огнестойкости. срок эксплуатации 50 лет. Высотные: I класс капитальности, I степень долговечности, I степень огнестойкости. Срок эксплуатации не менее 100 лет. Средней этажности: III класс капитальности, III степень долговечности, III степень огнестойкости. Срок эксплуатации не менее 25 лет. Для этих зданий применяются только каменные материалы (кирпич, мелкие и крупные блоки, бетон и железобетон). В планировке, конструкциях должно обеспечиваться выполнение требований НКРС (Национальная Комиссия Регулирования Связи). Требования целесообразности технических решений применительно к жилому строительству сводятся к разумному сочетанию массовой жилой застройки, основанной на применении типовых проектов и изделий, с доминирующими в городской застройке акцентными зданиями, возводимыми по индивидуальным проектам. Подобный подход осуществляется и в проектировании зданиях других типов в гражданском строительстве. По назначению различают здания управлений, конструкторских и проектных организаций, научно-исследовательских учреждений и многофункциональные здания. Многофункциональность характерна для наиболее крупных высотных объектов, которые затруднительно использовать только для одной функции (рис.1).

рис. 1. Классификация многоэтажных общественных зданий.

2. КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ.

Несущим остовом здания называется его конструктивная основа —пространственная система, состоящая из совокупности вертикальных и горизонтальных стержневых, плоскостных или объемных элементов —несущих конструкций и связей, соединяющих эти конструкции. Несущий остов – совокупность вертикальных и горизонтальных конструкций, объединенных в пространственную систему, обеспечивающую прочность и устойчивость зданий, т.е. восприятие всех силовых воздействий на него. Типы несущих остовов. Определяющим типом являются вертикальные несущие конструкции: стеновой (бескаркасный), каркасный, комбинированный (смешанный). 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 воздействия 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. К несущим опорам можно также отнести объемные тела типа пилонов и т.п. Конструктивная система – закономерное взаимное расположение и соединение несущих горизонтальных и вертикальных конструкций в единую пространственную систему. Конструктивные системы: стеновая (рис. 2), каркасная, стволовая, оболочная, объемно-блочная. Стеновая конструктивная система с поперечными несущими стенами (рис.2, 2):

− с узким шагом (2, 4-4, 2 м, 6 м);

− с широким шагом (4, 8-7, 2 м);

− со смешанным шагом;

− с большим или крупным шагом (9 и 12 м).

рис. 2.Стеновой несущий остов.

Каркасная система используется главным образом для зданий административного и общественного назначения, где нужны большие неперегораживаемые помещения. Определяющим признаком в каркасном несущем остове является расположение ригелейкаркаса. Ригелем называется стержневой горизонтальный элемент несущего остова, передающий нагрузки от перекрытий непосредственно на стойки каркаса. Различают четыре типа конструктивных каркасных систем (рис. 3): с поперечным расположением ригелей; с продольным; с перекрестным расположением ригелей; с безригельным каркасом, при котором ригели отсутствуют, а гладкие или кессонированные плиты перекрытий (безбалочные) опираются или на капители колонн, или непосредственно на колонны. Каркасная: с перекрестным расположением ригелей – рамная система; с поперечным – рамно-связевая и связевая системы; с продольным расположением ригелей – рамно-связевая и связевая системы; безригельный каркас – связевая система.

рис. 3. Конструктивные системы каркасных зданий.

рис. 4. Смешанные конструктивные системы.

Здания, в которых нижние 1 – 3 этажа каркасные, а остальные панельные, называются зданиями комбинированной системы(рис. 5). Такие здания находят все большее применение при застройке городских площадей и магистралей с интенсивным движением транспорта. Нижние этажи в них используются для размещения предприятий торговли и обслуживания либо для стоянок и проезда автомашин.

рис. 5. Сложная несущая система с разнотипными комбинированными и монотонными конструкциями.

Другим видом сочетания каркасной и панельной схем являются здания смешанной системы (рис. 6), в которых вертикальными несущими элементами во всех этажах служат колонны и панельные стены.

1 – колонны продольного каркаса; 2 – продольные несущие стены; 3 – диафрагмы жесткости; 4 – панели наружных стен, служащие ригелями продольного каркаса; 5 – торцовая навесная панельная стена.

рис. 6. Схема плана здания смешанной системы.

Бескаркасная система (рис. 7) применяется для жилых домов, в которых несущие внутренние панельные стены служат межквартирными и межкомнатными перегородками. В панельных зданиях основными несущими конструкциями служат вертикальные диафрагмы, образованные панелями внутренних поперечных или продольных несущих стен, и связывающие их междуэтажные перекрытия. Панели продольных наружных стен навешивают на торцы панелей несущих поперечных стен (навесные стены) или устанавливают на перекрытия (самонесущие стены). Конструктивные системы бескаркасных панельных зданий – это здания с продольными внутренними несущими стенами; с поперечными несущими стенами; с продольными и поперечными несущими стенами.

1 и 2 – продольные и поперечные несущие стены; 3 – плиты перекрытий.

рис. 7. Конструктивные схемы бескаркасных зданий.

В объемно-блочной системе (рис.8) зданий используются блочная, блочно-панельная, блочно-каркасная и блочно-ствольная конструктивные схемы. По блочной схеме возводятся здания, как правило, до 9 этажей и они собираются из жестких объемных блоков в пространственную систему, обладающую достаточной устойчивостью. В связи с тем, что узлы соединения гибкие, необходимо осуществлять монтаж горизонтальными ярусами. Блочно-панельная система применяется при строительстве общественных зданий, где требуются большие свободные пролеты. В этом случае между объемными блоками располагают элементы крупнопанельных зданий - стеновые панели и панели перекрытий - Для обеспечения устойчивости конструкций сначала монтируют объемные блоки, а затем элементы крупнопанельной системы, обеспечивая замоноличивание всех узлов сопряжения. Блочно-каркасная и блочно-ствольная конструктивные схемы применяются для возведения зданий большой этажности. В них каркас или ядро жесткости выполняют функции несущих конструкций, а объемные блоки - самонесущие. Ядра жесткости (стволы) могут возводиться из сборных, сборно-монолитных и монолитных конструкций. Основными факторами, влияющими на надежность статической работы полносборных зданий, являются правильный учет, обоснование и обеспечение устойчивости и геометрической неизменяемости строительных конструкций в процессе монтажа. Они зависят от последовательности сборки, точности установки и устройства стыковых соединений. Нарушение этих требований приводит к дополнительным напряжениям в узлах сопряжений и конструктивных элементах зданий. При определенных условиях возможно возникновение ситуаций, приводящих к снижению надежности зданий в процессе монтажа или эксплуатации. Обеспечение устойчивости монтируемых конструкций и пространственной жесткости элементов зданий является многофакторной задачей, решение которой зависит от объемно-планировочных, конструктивных и организационно-технологических факторов.

1 – вертикальные столбы блоков; 2 – панели перекрытий; 3 – панели стен; 4 – наружные ограждения.

рис. 8. Конструктивные схемы блочно – панельных зданий.

Сравнение технико–экономических показателей бескаркасных и каркасных многоэтажных жилых домов, близких по планировке, показывает, что при высоте до 25 этажей бескаркасные решения более выгодны, чем каркасные, так как требуют меньших затрат труда и материалов. Для зданий другого назначения может оказаться более выгодной каркасная система, в особенности при большой этажности, что должно выясняться сравнением вариантов. В многоэтажных зданиях каркасной системы горизонтальные нагрузки воспринимаются обычно системой вертикальных диафрагм – стенок жесткости или ядер жесткости, консольно-защемленных в фундаменте (рис.9). Ядром жесткости называется пространственная система сопряженных между собой стенок, образующая сложный контур (обычно прямоугольник). Ядро может быть сборным и монолитным. Каркас здания рассчитывается в этом случае только на вертикальные нагрузки, что позволяет унифицировать его элементы и обеспечить монотонность конструкции по высоте здания. Такого типа каркасы часто называют связевыми (рис.10, в), потому что диафрагмы жесткости работают аналогично металлическим вертикальным связям.

рис. 9. Схема восприятия ветровой нагрузки в здании со связевым каркасом.

2 – вертикальные связи жесткости; 3 – жесткий диск перекрытия.

рис. 10. Схема связевого каркаса.

В тех случаях, когда все горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются только каркасом, узлы которого выполняются как узлы жестких рам, каркас называется рамным (рис. 11). В рамных каркасах узловые моменты от горизонтальной нагрузки возрастают к низу здания, вследствие чего при большой этажности не удается сохранить постоянство сечений одноименных элементов в верхних и нижних этажах. На конструкцию рамных узлов в нижних этажах. На конструкцию рамных узлов в нижних этажах расходуется много металла. По этим причинам рамные каркасы в многоэтажных зданиях в обычных условиях применяются редко.

1 – ригели

рис. 11. Схема рамного каркаса.

Синтезом связевого и рамного каркасов является рамно-связевый каркас (рис. 12), в котором горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются совместно рамами каркаса и стенками (ядрами) жесткости, что облегчает всю систему. Усилия в элементах каркаса распределяются по высоте здания гораздо равномернее, чем в рамном каркасе, поэтому элементы легче унифицировать.

1 – ригели; 2 - вертикальные связи жесткости.

рис. 12. Схема рамно-связевого каркаса.

Размещение вертикальных диафрагм в многоэтажных зданиях должно обеспечивать нужную жесткость здания в обоих направлениях, препятствовать кручению в плане и не создавать больших температурных усилий или неравных осевых деформаций ее вертикальных элементов (рис.13).

I – заданная нагрузка; II – приведение к осевым нагрузкам и ; III – приведение к удельно-равным осевым нагрузкам и ; IV – преобразованная нагрузка.

рис. 13. Принцип действия вертикальной удельно-неравной осевой нагрузки на односвязную конструкцию.

рис. 14. Варианты расстановки вертикальных диафрагм в плане здания.

На рис. 14 показаны три различных варианта расстановки диафрагм в здании с прямоугольным планом. При расположении по варианту 1 система диафрагм не оказывает сопротивления кручению, по варианту 2 – создает большие температурные усилия в перекрытиях между продольными диафрагмами, по варианту 3 – удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям.

Панельные конструкции применяют для жилых домов, гостиниц, пансионатов и других аналогичных зданий с часто расположенными перегородками и стенами. В панельных зданиях основными несущими конструкциями служат вертикальные диафрагмы, образованные панелями внутренних несущих стен, расположенные в поперечном или продольном направлении, и связывающие их междуэтажные перекрытия. Панели наружных стен навешивают на торцы панелей несущих стен. Многоэтажное панельное здание как в поперечном, так и в продольном направлениях воспринимает горизонтальную нагрузку по связевой системе (рис.15).

1 – поперечные несущие панели стен; 2 – продольные несущие панели стен; 3 – плиты перекрытия; 4 – навесные панели ограждающих стен.

рис. 15. Конструктивный план панельного здания.

Возможны другие конструктивные схемы многоэтажных зданий. К ним относятся, например, каркасное здание с центральным ядром жесткости, в котором в качестве вертикальных связевых диафрагм используют внутренние стены сблокированных лифтовых и вентиляционных шахт, лестничных клеток (рис. 16); здание с двумя ядрами жесткости открытого профиля – в виде двутавров (рис. 17, а); здание с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане, позволяющей индивидуализировать архитектурное решение (рис. 17, б).

рис. 16. Конструктивный план многоэтажного каркасного здания с центральным ядром жесткости.

рис. 17. Конструктивные планы многоэтажных каркасных зданий.

В описанных конструктивных схемах зданий горизонтальные воздействия воспринимаются по рамно-связевой или связевой системе. В зданиях с центральным ядром жесткости в целях обеспечения удобной свободной планировки сетку колонн укрупняют, в ряде решений внутренние колонны исключают, и элементы перекрытий опирают на наружные колонны и внутреннее ядро жесткости. Ригели перекрытий пролетом 12…15 м проектируют предварительно напряженными, шарнирно связанными с колоннами, панели перекрытий – пустотными или коробчатыми. Горизонтальное воздействие на здание воспринимается по связевой системе. В зданиях с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане перекрытия выполняют монолитными в виде безбалочной бескапительной плиты. Возводят такие здания методом подъема (перекрытий или этажей). При этом методе полигоном для изготовления перекрытий поднимаемых элементов служит перекрытие над подвалом. Перекрытия бетонируют одно над другим в виде пакета с разделяющими прослойками. В местах, где проходят колонны, в них оставляют отверстия, окаймленные остальными воротниками, заделанными в бетоне. В проектное положение перекрытие поднимают с помощью стальных тяжей и гидравлических домкратов, установленных на колоннах верхнего яруса. После подъема перекрытия в проектное положение стальные воротники крепят к стальным деталям колонн на сварке. При этой конструктивной схеме восприятие горизонтального воздействия осуществляется по связевой системе, а при обеспечении конструктивной связи на опорах плит перекрытий с колоннами – по рамно-связевой системе, в которой ригелями служат безбалочные плиты.

Весьма перспективной является конструктивная схема многоэтажного каркасного здания, в которой горизонтальные нагрузки воспринимаются внешней железобетонной коробкой рамной конструкции (рис. 18), внутренние ядра жесткости и вертикальные связевые диафрагмы исключены. Перенос вертикальных несущих конструкций на внешний контур здания и восприятие горизонтальной нагрузки внешней пространственной рамой существенно повышает боковую жесткость высокого здания, обеспечивает снижение материалоемкости и трудоемкости конструкции.

1 – колонна; 2 – ригель.

рис. 18. Многоэтажное здание с внешней коробкой рамной конструкции.

3. ОСНОВНЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ.

Многоэтажные рамы высотой до 16 этажей имеют колонны постоянного сечения по всей высоте здания (рис.19, а). Увеличение несущей способности колонн нижних этажей достигают повышением класса бетона, процента армирования, применением жесткой арматуры. Элементы сборных колонн в целях снижения трудоемкости на монтаже выполняют размером на 2…4 этажа. Комбинированные вертикальные связевые диафрагмы, состоящие из сплошной и рамной частей, сохраняют регулярную структуру – размеры элементов и пролетов ригелей – по всей высоте здания (рис. 19, б). Вертикальные связевые диафрагмы с проемами и ядра жесткости имеют железобетонные перемычки, жестко связанные на опорах с простенками, и также сохраняют регулярную структуру по всей высоте здания (рис. 19, в). Стыки ригелей с колоннами выполняют жесткими на консолях, бесконсольными и шарнирными (рис. 20, в). При жестком соединении ригелей с колоннами (рис. 20) существенно повышается общая жесткость многоэтажного здания и достигается экономия металла на армирование ригелей (по условиям прочности, трещиностойкости и предельных прогибов).

рис. 19. основные вертикальные конструкции многоэтажных зданий.

1 – колонна; 2 – ригель; 3 – хомуты; 4 – спаренные выпуски ригеля и колонны; 5 – контур замоноличивания стыка; 6 – закладные детали ригеля; 7 – закладная деталь колонны; 8 – закладная деталь для соединения плиты перекрытия с ригелем; 9 – распорная межколонная плита; 10 – стальные накладки; 11 – плиты перекрытия; 12 – закладная деталь ригеля; 13 – соединительная планка.

рис. 20. Соединения ригеля с колонной в каркасе промышленного здания.

Элементами сборных вертикальных связевых диафрагм в одном из возможных решений являются колонны каркаса и панели с полками для опирания плит перекрытий (рис. 21, 22). Элементы соединяются сваркой закладных деталей и замоноличиванием. Горизонтальные стыки панелей, если не возникают растягивающие напряжения, осуществляют на растворных швах. Вертикальные связевые конструкции в виде ядер жесткости чаще выполняют монолитными в скользящей опалубке, так как в сборных ядрах жесткости элементы стенок малоповторяемы; кроме того, из – за значительных сдвигающих усилий, возникающих в углах стенок, на монтаже увеличивается объем сварочных работ.

рис. 21. Соединение элементов вертикальной связевой диафрагмы.

рис. 22. Узел А-А, узел Б-Б.

1 – колонны каркаса здания; 2 – панели диафрагмы; 3 – полки для опирания панелей перекрытий; 4 – монтажная сварка; 5 – закладные детали колонн; 6 – стыковые стержни; 7 – закладные детали панелей диафрагмы.

Монолитные ядра жесткости армируются вертикальными пространственными каркасами, которые на монтаже стыкуют соединительными стержнями (рис.23). Перемычки над проемами армируют горизонтальными каркасами. Продольную и поперечную арматуру ядер жесткости и перемычек назначают по расчету. Толщину стенок ядер жесткости также устанавливают по расчету (обычно 200…400 мм). По условиям технологии возведения в скользящей опалубке наименьшая толщина стенок – 200 мм. Стены и перемычки ядер жесткости могут быть предварительно напряженными. Для монолитных ядер жесткости применяют бетон классов В15, В25.

1 – арматурный пространственный каркас; 2 – соединительные стержни; 3 – продольная арматура перемычки; 4 - поперечная арматура перемычки.

рис. 23. Схема конструирования монолитного ядра жесткости.

4. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ, ТИПЫ СВЯЗЕЙ.

Несущая система многоэтажного здания образуется вертикальными несущими конструкциями, объединенными в единую пространственную систему с помощью горизонтальных несущих конструкций – перекрытий здания. Несущая система многоэтажного здания, образованная разнотипными вертикальными конструкциями, представлена в виде столбов из стеновых панелей (одного или нескольких, объединенных связями сдвига), диафрагмами; несущими конструкциями, состоящими из колонн, ригелей, - рам. А конструкции, сочетающие колонны, ригели и панельные столбы, называются рамодиафрагмами или каркасными диафрагмами (рис.24).

1 – рама; 2 – диафрагма; 3 – рамодиафрагма; 4 – ядро (ствол).

рис. 24. Схема несущей системы многоэтажного здания.

Термин «столб» применяется к сплошным вертикальным элементам, обладающим существенной изгибной (сдвиговой) жесткостью при работе в качестве консоли, защемленной в основании. Этот термин соответствует сложившейся терминологии, принятой в строительстве каменных зданий, где подобные вертикальные элементы издавна называются кирпичными столбами. Представляется логичным подобный же элемент, но сложенный не из кирпича, а из поставленных друг на друга панелей или выполненный в монолите, именовать панельным столбом, или просто столбом. Такое название полнее отвечает свойствам и признакам обозначаемого им конструктивного элемента, чем встречающиеся иногда в литературе названия: «полоса», «столбец», «ветвь», «пилон» и др. В отличие от столбов колоннами называются вертикальные элементы, изгибная жесткость которых недостаточна для того, чтобы рассматривать их как самостоятельные консоли, защемленные в основании. Ввиду этого колонны считаются воспринимающими только нормальные силы и местные моменты, передаваемые связями. На рис. 25 показаны основные типы наиболее часто встречающихся плоских вертикальных несущих конструкций.

а – г – односвязные конструкции; д – ж – двухсвязные; з, и – многосвязные; (а, б, д, з – диафрагмы; г, и – рамы; в, е, ж – рамодиафрагмы); 1 – столбы; 2 – связи; 3 – колонны.

рис. 25. Основные типы плоских вертикальных несущих конструкций многоэтажного здания.

В высоких зданиях плоские вертикальные конструкции объединяют в пространственные ядра – стволы (рис.24 и 26), возводимые обычно из монолитного бетона в скользящей или переставной опалубке. Вертикальные несущие конструкции состоят из вертикальных из вертикальных элементов – столбов, колонн – и связей, соединяющих эти элементы по вертикальным швам: сварных соединений закладных деталей или выпусков арматуры, бетонных шпонок и выступов перекрытий, ригелей рам с жесткими узлами, перемычек или участков перекрытий над проемами между столбами бескаркасного здания и т.п. Эти связи являются связями сдвига, так как она препятствуют взаимному сдвигу смежных элементов по вертикальным швам. Несущие конструкции, имеющие один вертикальный шов и, следовательно, один ряд связей сдвига, называются односвязными, два ряда связей – двухсвязными и т.д.

1 – пучок консольных вертикальных элементов (столбы и колонны) прямоугольного профиля; 2 – перекрытия; 3 – связи сдвига; 4 – ядро.

рис. 26. Дискретно – континуальная модель сложной пространственной несущей системы многоэтажного здания.

В зависимости от жесткости связи сдвига можно условно разделить на жесткие, гибкие (шарнирные) и податливые. При жестких связях соединенные ими столбы деформируются как единый сплошной консольный брус, а сами связи остаются прямыми и направлены по радиусу кривизны этого бруса (рис. 27, а). Если связи шарнирные, то каждый столб деформируется самостоятельно (рис.27, б), а связи проворачиваются, оставаясь горизонтальными. Эти два крайних случая в действительности не встречаются, так как реальные связи всегда обладают некоторой конечной податливостью, и тогда столбы деформируются так, как показано на рис. 27, в, при чем связи изгибаются и испытывают деформации сдвига. Рис. 27. Схемы связей сдвига.

Несущая система многоэтажного здания может быть схематизированная различными расчетными моделями (рис.28): дискретными, континуальными и дискретно – континуальными.

рис. 28. расчетные модели односвязевой несущей конструкции многоэтажного здания.

В дискретных моделях либо сохраняется дискретное расположение связей и вертикальных элементов, заданное в действительной несущей системе, либо углубляется дискретизация сплошных элементов членением их на более мелкие участки (метод конечных элементов) или заменой континуума стержневой решеткой развитию электронно-вычислительной техники. В простейшем виде (т.е. без дополнительной дискретизации сплошных элементов) дискретной моделью односвязевой вертикальной диафрагмы (рис.28, а) служит рама. В пределах столбов этой диафрагмы участки ригелей считаются абсолютно жесткими (на рис. 28, б эти участки обозначены утолщенными линиями).

Литература:

9. В. Н. Байков «Железобетонные конструкции. Специальный курс» М., Стройиздат 1981 г., стр. 766.

10. Заикин А.И. «Проектирование железобетонных конструкций многоэтажных промышленных зданий». М., издательство ассоциации строительных вузов, 2005 г., стр. 200.

11. А. П. Гусеница, П. П. Шандрук «Конструкции многоэтажных каркасных зданий (Ж/Б)» Киев, 2002 г., стр. 356.