КАРКАСНЫЕ КРУПНОПАНЕЛЬНЫЕ ЗДАНИЯ

Общие сведения

Несущий остов каркасного здания представляет собой систему, состоящую из следующих элементов:

а) фундаментов;

б) вертикальных опор – стоек или колонн;

в) горизонтальных элементов – ригелей, балок, настилов, перекрытий и покрытий;

г) связей, обеспечивающих неизменяемость пространственной геометри-ческой формы и устойчивость здания.

Применение каркасного несущего остова дает возможность:

а) свободно планировать помещения;

б) резко снизить массу здания благодаря замене тяжелых несущих стен редко расставленными колоннами с легкими навесными стенами и перегородками;

в) применять высокие классы бетонов и стали, эффективные современные материалы для навесных ограждающих конструкций;

г) надежно контролировать качество изделий, стыков и производства работ;

д) возводить здания большой этажности (железобетонные монолитные или сборные – от 16 до 25÷З0 этажей, стальные – без ограничения этажности);

е) легко унифицировать сборные детали и изделия.

В каркасном несущем остове возможны следующие конструктивные схемы (рис. 3.1):

а) с поперечным каркасом;

б) с продольным каркасом;

в) с пространственным каркасом;

г) с внутренним каркасом и несущими наружными стенами;

д) с безригельным внутренним каркасом;

е) с безригельным внутренним каркасом и несущими наружными стенами.

Выбор конструктивной схемы зависит от архитектурно-планировочно-го решения, способа обеспечения устойчивости здания, инженерного оборудования и других факторов.

При проектировании и строительстве каркасных зданий важное значение имеет обеспечение жесткости и устойчивости зданий, которые достигаются за счет той или иной статической схемы работы конструкции каркаса.

По характеру статической работы различают три вида каркасов: рамный, связевый и рамно-связевый (рис. 5.1).

Рамный каркас представляет собой систему колонн, ригелей и перекрытий, соединенных в конструктивных узлах в жесткую и устойчивую пространственную систему, воспринимающую как вертикальные, так и горизонтальные (ветровые и др.) усилия (рис. 5.1, а).

а)                                б)                          в)

Рис. 5.1. Схемы несущих остовов каркасных зданий:

а – рамный каркас; б – рамно-связевый; в – связевый; 1 – колонна; 2 – ригель

Этим требованиям отвечает конструктивная схема с пространствен-ным (в двух направлениях) расположением ригелей.

Рамный каркас может быть выполнен как в железобетоне (монолитном или сборном), так и в металле. Стальные конструкции металлического каркаса для пожарной безопасности должны быть обетонированы.

Рамный каркас трудоемок в изготовлении и требует повышенного расхода стали. В нашей практике он применяется обычно при строительстве зданий, в которых не допускается установка поперечных и продольных связей (диафрагм жесткости) на протяжении до 48 ÷ 54 м по всей высоте здания. Кроме того, стальной рамный каркас применяется при строительстве очень высоких зданий.

В связевых каркасах колонны и ригели каркаса рассчитаны только на вертикальные нагрузки при шарнирных соединениях в узлах, а ветровые и другие горизонтальные нагрузки через перекрытия передаются на жесткие поперечные вертикальные связи (диафрагмы жесткости) – стенки или ядра жесткости (рис. 5.1, в).

В связевой схеме каркасного здания жесткие связи (диафрагмы) обычно располагаются с интервалами в несколько конструктивных шагов на расстоянии не более 48 м при сборных перекрытиях или 54 м при монолитном каркасе. Поэтому связевая система каркаса позволяет во всех этажах здания получить достаточно большие зальные помещения между связевыми стенами, что необходимо для зданий универмагов, торговых центров, проектных организаций, научных учреждений и др.

Каркасный остов связевой системы в настоящее время имеет наибольшее распространение в нашей стране в массовом строительстве общественных зданий, зданий повышенной этажности и в высотных зданиях любого назначения.

В связевых каркасах могут использоваться как ригельные конструктивные схемы, так и безригельные.

Практически в связевых схемах узлы сопряжений между ригелями и колоннами все же получаются жесткими и обычно принимают на себя до 15% горизонтальных нагрузок на здание, искажая идеальную теоретическую схему связевых каркасов. В чистом виде связевая схема воплощается в конструкциях безбалочных перекрытий, не имеющих ригелей или ребер в обоих направлениях.

При пролетах между колоннами до 9 м перекрытие выполняется в виде сплошной плиты толщиной в 1/30 ÷ 1/35 от пролета, а при пролетах от 9 до 12 м – в виде кессонированной плиты с тем же соотношением к пролету. В месте присоединения к колоннам плита утолщается, образуя, так называемые, грибовидные капители, или же усиливается внутренним металлическим воротником или дополнительными арматурными пространственными каркасами. Такие перекрытия с усилением опорных зон применяются также при возведении зданий по методу поднимающихся этажей.

Рамно-связевый каркас состоит из плоских рам, расположенных поперек здания (рис. 5.1, б), и жестких связей или железобетонных перегородок в продольном направлении. Плоские рамы обеспечивают только поперечную жесткость и устойчивость здания. Продольная устойчивость здания обеспечивается жесткими связями или стенками жесткости. Каркасный остов рамно-связевого типа применяется при строительстве жилых зданий гостиничного типа, административных зданий и других высотой до 20 ÷ 22 этажей.

Поперечные рамы могут формироваться как из отдельных ригелей и колонн (одноэтажных и многоэтажных), так и из П- или Н-образных элементов.

Связи для обеспечения жесткости и устойчивости зданий могут выполняться в виде сборных или монолитных железобетонных стенок диафрагм и пространственных ядер жесткости.

Сборные стенки жесткости устраиваются из железобетонных панелей, вставляемых в просветы между колоннами и ригелями с жестким креплением к ним со сваркой закладных деталей не менее чем по два крепления по каждой стороне панели (рис. 5.2, б). Швы сопряжения после монтажа вставной панели замоноличиваются цементно-песчаным раствором. Этот тип жестких связей наиболее индустриален и широко применяется в массовом строительстве каркасных зданий высотой до 16 этажей (рис 5.2, а).

Монолитные железобетонные стенки жесткости возводятся на месте в инвентарной опалубке с приваркой арматурных сеток стенки жесткости к выпускам арматуры ригелей и колонн. Иногда внутрь монолитной жесткой стенки для повышения ее прочности вставляют крестовые или треугольные связи, выполненные из круглой стали (рис. 5.2, в) или из стальных прокатных профилей – швеллеров или уголков (рис. 5.2, г), расположенных по диагоналям просвета или в виде подкосов.

Металлические связи стягиваются стальными сетками и бетонируются с использованием переставной поэтажной опалубки и уплотнением бетона вибраторами. Толщина стенок жесткости обычно составляет 200 ÷ 300 мм, но в высотных зданиях она может доходить до 600 мм и более.

а)

                                                                                                                               б)                                            в)                             г)

Рис. 5.2. Связи жесткости:

а – расположенные в плане пространственных диафрагм жесткости; б, в, г – конструкции диафрагм жесткости: б – сборные плоские диафрагмы жесткости; в – крестовые связи жесткости с диагональными растяжками; г – монолитная диафрагма жесткости с жесткими полураскосными металлическими связями; 1 – колонна; 2 – панель жесткости; 3 – ригель; 4 – сварные крепления панели жесткости к колоннам и ригелям; 5 – жесткие связи, образующие каркас монолитной стены жесткости; 6 – стальные тяжи с натяжными муфтами

В зданиях башенного типа диафрагмы жесткости располагают в центре здания в виде жесткого двутавра, квадрата, креста и т.п., образуя устойчивое пространственное ядро жесткости (рис. 5.3). Размеры ядра в плане проверяются расчетом на устойчивость с учетом габаритов дома и расчетных ветровых нагрузок в районе строительства. В отдельных случаях в протяженных зданиях устраивают в одном доме два или более пространственных ядра жесткости. В пределах ядер жесткости обычно размещаются шахты лифтов и вентиляции, лестничные клетки и другие помещения вспомогательного типа. Ядра жесткости выполняются на всю высоту здания.

При большей этажности каркасного здания пространственное ядро жесткости работает как консоль, заделанная в жестком незыблемом фундаменте. При больших горизонтальных усилиях (ветровые и др.) эта консоль может подвергаться некоторому изгибу, увлекая и примыкающие к ней каркасные этажи, что сопровождается нарушением горизонтальности перекрытий верхних этажей с переломами уклонов (рис. 5.3, г). Значительного уменьшения подобных деформаций можно достигнуть устройством в зоне верхнего технического этажа жесткой плоскости пространственной рамы (рис. 5.3, д).

Наружный каркас башенного дома большой этажности, имеющего пространственное ядро жесткости, при порывах ветра испытывает усилие, придающее зданию вращательные колебания вокруг вертикальной оси. Для повышения сопротивляемости здания этим колебаниям, приводящим к деформации и расстройству навесных стеновых панелей и витражей, целесообразно решать наружный каркас стен в виде рам, рассчитанных на восприятие вращающих усилий (рис. 5.3, е). Такие рамы связаны с пространственным ядром жесткости в единую жесткую и устойчивую конструктивную систему.

а)                                       б)                                    в)

г)                                       д)                                 е)

Рис. 5.3. Схемы несущего остова высотных зданий с монолитным ядром жесткости:

а, б, в – варианты планировочных решений ядра жесткости; г, д – схемы деформаций перекрытий в зданиях с ядром жесткости при отсутствии и наличии жесткой горизонтальной рамы в зоне верхнего (технического) этажа; е – схема остова высотного здания с пространственной системой жесткости, обеспечиваемой центральным ядром жесткости, внешней жесткой рамой и дисками перекрытий

Материалы каркасных зданий

Каркасы многоэтажных зданий могут выполняться из железобетона (сборного или монолитного) и металла (стали). Стоимость стального каркаса превышает стоимость железобетонного каркаса в среднем на 20 %. Для изготовления стального каркаса требуется примерно в 1,5 раза больше стали, чем для железобетонного, а продолжительность монтажа здания со стальным каркасом, включая обетонирование стальных элементов, будет в 1,3 ÷ 1,8 раза больше, чем в зданиях, выполненных в сборном железобетоне.

Противопожарная защита стальных конструкций может осуществляться путем нанесения на поверхность методом торкретирования огнезащитного состава из вермикулита и асбеста. Вермикулита и асбеста требуется в четыре раза меньше, чем бетона для обетонирования стального каркаса.

Применение сборного железобетонного каркаса наиболее целесообразно при строительстве жилых и общественных зданий высотой 16 ÷ 30 этажей.

При большей этажности может оказаться наиболее выгодным использование стального каркаса со сборными железобетонными перекрытиями при условии применения индустриальной эффективной противопожарной защиты стальных несущих конструкций.

В практике отечественного строительства каркасных зданий в последние годы стали широко применяться сборные унифицированные железобетонные каркасы. Для этого пришлось унифицировать высоты и сетки колонн жилых и общественных зданий. В зависимости от назначения здания были приняты унифицированные высоты этажей: 3,0; 3,3; 3,6; 4,2; 4,8; 6,0 м. Сетка колонн была ограничена следующими размерами: 3 х 6; 6 х 6; 6 х 9; 9 х 9 м.

Унификация основных объемно-планировочных параметров привела к созданию сборного унифицированного железобетонного каркаса, успешно применяемого в нашей стране.

Примером применения сборного унифицированного железобетонного каркаса могут быть такие сооружения, как 26-этажные административные и 25-этажные жилые здания на проспекте Калинина в Москве, здание Совета Экономической Взаимопомощи в Москве, 20-этажное здание гостиницы "Белград" на Смоленской площади в Москве, 12-этажное здание проектного института "Краснодаргражданпроект" в Краснодаре и многие другие.

Опыт строительства каркасных зданий в РФ с использованием сборного унифицированного каркаса показал его экономическую целесообразность (по стоимости, расходу стали, трудовым затратам и продолжительности строительства) при строительстве общественных зданий высотой до 20 ÷ 30 этажей.