Требования к каркасам и их элементам
ЛЕКЦИЯ 4
КАРКАСНЫЕ СИСТЕМЫ
Общие положения
Каркасы (каркасные конструктивные системы) применяют для всех видов гражданских и промышленных зданий — жилых, административных, учебных, торговых, лечебных, производственных и т. д.
Каркас является практически единственной конструктивной системой, на основе которой проектируются многоэтажные здания со значительными свободными пространствами (крупными помещениями), а также с возможностью изменения со временем внутренней планировочной структуры.
Отличительная черта каркасного здания — строгое деление элементов на несущие и ограждающие — позволяет применять для них наиболее соответствующие назначению материалы: жесткие и прочные — для несущих; легкие, тепло- и звукоизоляционные — для ограждающих. Эффективное использование свойств различных материалов снижает массу зданий, затраты на строительство.
Понятия и определения
Каркас— несущая конструкция, представляющая собой систему соединенных между собой стержневых вертикальных (стойки, колонны) и горизонтальных (балки, ригели, фермы, плиты) элементов, воспринимающую силовые нагрузки и обеспечивающую прочность, жесткость и устойчивость здания в целом.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КАРКАСА
Колонна(стойка) — вертикальный стержневой элемент несущей системы, воспринимающий нормальные силы, а в многоэтажных зданиях, кроме того, — местные изгибающие моменты.
Ригель(балка) — горизонтальный стержневой элемент несущей системы, воспринимающий приложенные к перекрытиям вертикальные нагрузки и передающий их вертикальным элементам несущей системы.
Рама— плоская или пространственная стержневая часть несущей системы, элементы которой соединяются жесткими, шарнирными или упругоподатливыми узлами.
Диафрагма— плоская несущая конструкция, составляющая часть несущей системы. Диафрагмы могут быть вертикальными в виде стен и горизонтальными в виде дисков.
Стена-диафрагма(диафрагма жесткости) — стена многоэтажного здания, воспринимающая горизонтальные и вертикальные нагрузки и передающая их через фундамент основанию.
Ядро жесткости— пространственная часть несущей системы, состоящая из диафрагм и имеющая поперечное сечение в виде открытого или замкнутого профиля.
Связь стержневая— наклонный несущий стержневой элемент (элементы), соединяющий вертикальный и горизонтальный элементы несущей системы и обеспечивающий ее жесткость (геометрическую неизменяемость).
Диск перекрытия— горизонтальная диафрагма, способная воспринимать усилия, действующие в горизонтальной плоскости, и объединяющая вертикальные несущие конструкции в единую пространственную систему.
Стык— соединение сборных элементов здания.
Замоноличиваниестыков сборных элементов — заполнение швов, ниш, пространств между монтируемыми изделиями цементным раствором или бетоном.
Рамный каркас— вид каркаса, состоящего из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями.
Связевый каркас— вид каркаса, состоящего из колонн, шарнирно присоединенных к ним ригелей и системы связей, в которые входят стержневые связи, диафрагмы жесткости и диски перекрытий.
Рамно-связевый каркас— вид каркаса, состоящего из жестких рам и связей в виде вертикальных (наклонных) конструкций и дисков перекрытий, объединяющих рамы в единую пространственную конструкцию.
Безригельный каркас— вид каркаса, в котором отсутствуют ригели, а перекрытия в общем случае работают как плиты, опертые на отдельные опоры в виде колонн.
Классификация каркасов
По материалу основных элементов различают каркасы: деревянные, металлические, железобетонные, комбинированные.
По этажности: одноэтажные, малоэтажные, многоэтажные.
По величине пролетов: с малыми пролетами(до 6 м), с пролетами средней величины(6-12 м), большепролетные(более 12м).
По типу горизонтальных несущих конструкций каркасы бывают: ригельные(балочные), безригельные(безбалочные), с фермами высотой в этаж(рис. 4.1).
| колонна |
| ригель |
| РАЗРЕЗ |
| колонна |
| ригель |
| ПЛАН |
| РИГЕЛЬНЫЙ (БАЛОЧНЫЙ) КАРКАС |
| колонна (пилон) |
| колонна (пилон) |
| плита |
| РАЗРЕЗ |
| ПЛАН |
| БЕЗРИГЕЛЬНЫЙ (БЕЗБАЛОЧНЫЙ) КАРКАС |
 |
| ферма |
| колонна |
| колонна |
| ферма |
| ПЛАН |
| РАЗРЕЗ |
| КАРКАС С ФЕРМАМИ НА ВЫСОТУ ЭТАЖА |
 |
Рис. 4.1. Виды каркасов по типу горизонтальных несущих конструкций.
По расположению ригелей: поперек здания, вдоль здания, с перекрестным расположением (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Расположение ригелей каркасов: а — поперек здания; б — вдоль здания; в — перекрестное
По способу обеспечения пространственной жесткости каркасы подразделяются на следующие конструктивно-статические типы: рамные, связевые, рамно-связевые(рис.4.3).
Рис. 4.3. Конструктивно-статические типы каркасов (схемы планов и разрезов): а — рамный; б — связевый; в — рамно-связевый.
По схеме расположения рам каркаса: каркасы с плоскими рамами, каркасы с пространственными рамами(в двух или трех вертикальных плоскостях).
По технологии возведения: каркасы сборные(деревянные, стальные, железобетонные), монолитные(железобетонные) и сборно-монолитные.
Требования к каркасам и их элементам
При проектировании каркасного здания необходим комплексный учет технологических, технических, эстетических и экономических требований и условий.
Конструктивное решение каркаса должно отвечать монтажным требованиям — простоте, удобству, высокой скорости и безопасности монтажа, обеспечивая беспрепятственный подъем и установку в проектное положение, быструю выверку и закрепление монтажных элементов. Членение конструкций на монтажные элементы и блоки должно быть приспособлено к проектируемому методу монтажа и техническим возможностям монтажных механизмов.
Одним из основных технических требований к каркасному зданию является обеспечение его необходимой жесткости (геометрической неизменяемости). При недостаточной жесткости многоэтажного (высотного) каркаса может нарушаться целостность внутренних перегородок и отделочных покрытий, осложняться нормальная работа лифтов, колебания здания могут быть чувствительны для людей. Необходимая жесткость обеспечивается, если горизонтальное смещение верха высотного здания от нормативной ветровой нагрузки не превышает 1/500 высоты здания.
К элементам каркаса предъявляются следующие основные требования:
• высокая прочность материала элементов;
• технологичность индустриального производства изделий при их высокой тиражности;
• унификация элементов каркаса, позволяющая снизить трудоемкость изготовления и монтажа конструкций и стоимость строительства;
• универсальность узлов соединений конструктивных элементов;
• высокие технико-экономические показатели (по материалоемкости, стоимости, трудоемкости);
• высокие эстетические качества.
Каркасы железобетонные
Железобетонные каркасы предназначены для строительства малоэтажных и многоэтажных гражданских (в том числе жилых) и промышленных зданий с нормативными нагрузками на 1 м 2 перекрытия от 3 до 30 кПа. Величина нагрузки зависит от пролета ригеля, шага колонн, плит перекрытий, способа строительства, конструктивных особенностей каркасов.
Железобетонные каркасы подразделяются:
• по способу обеспечения пространственной жесткости на конструктивно-статические типы: рамные, связевые, рамно-связевые;
• по технологии возведения: сборные, монолитные, сборно-монолитные;
• по типу горизонтальных несущих конструкции: с балочными перекрытиями, безригельные, с перекрытиями по фермам (в том числе высотой в этаж).
Рис. 4.4.. Рамно-связевые каркасы с горизонтальными поясами жесткости: а — пояс и ростверк жесткости в обычной рамной системе; б — то же, с вертикальной диафрагмой или ядром жесткости; в — фермы-ригели через два этажа; г — фермы-ригели через этаж
Источник
Каркасы зданий в гражданском строительстве
Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов — вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.
Основное компоновочное преимущество каркасных систем в свободе планировочных решений, в связи с редко расставленными колоннами, имеющие укрупненные шаги в продольном и поперечном направлениях. Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски перекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждающих конструкций, иногда воспринимая только собственный вес ( самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие — для несущих элементов каркаса, и тепло — звукоизоляционные материалы — для ограждающих. Использование высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что положительно сказывается на статических свойствах здания.
Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:
Рис. 16.1. Конструктивные схемы каркасных зданий 1. По характеру статической работы: (рис. 16.1)
- рамные — с жестким соединением несущих элементов (колонны, ригели) в узлах в ортогональных направлениях плана здания. Каркас воспринимает все вертикальные и горизонтальные нагрузки.
- рамно-связевые — с жестким соединением в узлах колонн и ригелей в одном направлении плана здания (создание рамных конструкций) и вертикальными связями, расставленными в перпендикулярном направлении рамам каркаса. Связями служат стержневые элементы (крестовые, портальные) или стеновые диафрагмы., соединяющие соседние ряды колонн. Вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами каркаса и вертикальными пилонами жестких связей.
- связевые — отличаются простотой конструктивного решения соединений колонн с ригелями, дающее подвижное (шарнирное) закрепление. Каркас (колонны, ригели) воспринимает только вертикальные нагрузки. Горизонтальные усилия передают на связи жесткости — ядра жесткости, вертикальные пилоны, стержневые элементы.
2. По материалам:
- железобетонный каркас, выполняемый в сборном, монолитном или сборномонолитном вариантах.;
- металлический каркас, часто применяемый при строительстве общественных и многоэтажных гражданских зданий, возводимых по индивидуальным проектам ;
- деревянный каркас в зданиях не выше двух этажей.
3. По составу и расположению ригелей в плане здания:
- с продольным, поперечным, перекрестным или безригелъным решением.
Рамная система
Рамная система каркасных зданий обладает большой жесткостью, устойчивостью и создает максимальную свободу планировочных решений. Система обеспечивает надежность в восприятии нагрузок и равномерность деформаций рам, расположенных в здании в продольном и поперечном направлениях. Недостаток (при сборном железобетонном каркасе) — сложность в унификации узловых соединений из-за разных величин усилий в них по высоте здания. Такое решение железобетонного каркаса наряду со стальным находит применение в сложных грунтовых условиях и в сейсмических районах.
При изготовлении рамного каркаса из сборного железобетона применяется разрезка его несущих элементов на Г-Т-Н — образные элементы, позволяющая перенести узловые соединения в наименее напряженные участки — места нулевых изгибающих моментов от вертикальных нагрузок.
Рамно-связевая система
Рамно-связевая система обеспечивает пространственную жесткость за счет совместной работы поперечных рам, вертикальных диафрагм жесткости и перекрытий, выполняющих функцию жестких горизонтальных дисков. Вертикальные нагрузки передают на каркас как на рамную систему. Горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно плоскости рам, воспринимают вертикальные диафрагмы жесткости и диски перекрытий, а нагрузки, действующие в плоскости рам, воспринимает рамно-связевой блок, состоящий из вертикальных диафрагм жесткости и рам каркаса.
В результате проведенных теоретических исследований доказано, что рамно-связевая система удовлетворяет условию минимального расхода материала в несущих вертикальных конструкциях при нулевой жесткости поперечных рам, то есть когда система превращается в чисто связевую.
Связевая система
Связевая система все вертикальные нагрузки передает на стержневые элементы каркаса (колонны и ригели), а горизонтальные усилия воспринимают жесткие вертикальные связевые элементы (стеновые диафрагмы и ядра жесткости), объединенные между собой дисками перекрытий. В связевом каркасе ограничена прочность и жесткость стыков ригелей с колоннами. Узлы конструируют податливами с помощью стальных связей («рыбок»), ограничивающих защемление.
Рис. 16.2. Каркасное здание серии 1.020 Внедрение связевой системы в производство элементов сборного железобетонного каркаса позволило провести широкую унификацию его основных элементов (колонн и ригелей) и их узловых соединений.
Разработана номенклатура индустриальных железобетонных изделий серии 1.020-1 (рис. 16.2), позволяющая возводить как гражданские, так и промышленные каркасно-панельные здания любой конфигурации и этажности.
В состав номенклатуры серии помимо колонн и ригелей, включены панели перекрытий, диафрагм жесткости и наружных стен.
Из унифицированных элементов могут быть запроектированы каркасы с продольным и поперечным расположением ригелей.
Габаритные схемы
Габаритные схемы компонуются на следующих условиях:
- оси колонн, ригелей и панелей диафрагм жесткости совмещены с модульными осями здания;
- шаг колонн в направлении пролета плит перекрытий равен 3,0; 6,0; 7,2, 9,0 и 12,0 м.
- шаг колонн в направлении пролета ригелей соответствует 3,0; 6,0; 7,2 и 9,0м,
- высота этажей в соответствии с назначением и укрупненным модулем ЗМ составляет 3,3; 3,6; 4,2; 6,0 и 7,2 м.
Кроме того для квартирных и специализированных жилых домов (пансионаты, гостиницы, общежития и т.п.) высота этажей принимается равной 2,8 м.
Компоновка диафрагм жесткости может быть разнообразной, но предпочтительнее устройство пространственных связевых систем открытого или замкнутого сечений.
Конструктивные элементы
Колонны имеют высоту в 2-4 этажа, что позволяет в зданиях, с соответствующей этажностью, применять бесстыковые колонны. Наряду с бесстыковыми колоннами в номенклатуру включены следующие типы колонн: — нижние высотой в два этажа и расположением низа колонны ниже нулевой отметки на 1,1м.; средние — высотой в три-четыре и верхние в один-три этажа. Предусмотрены колонны сечением 30×30 см для зданий высотой до 5-ти этажей и колонны сечением 40×40см для всех остальных. Колонны выпускаются двухконсольнымии и одноконсольными. Двухконсольные колонны устанавливают по средним и крайним рядам при навесных панелях наружных стен. Одноконсольные колонны располагают по крайним рядам при самонесущих наружных стенах и по средним рядам при одностороннем примыкании стен-диафрагм жесткости в лестничных клетках. Стык осуществляется на сварке выпусков арматуры с последующим омоноличиванием и расположением его выше плоскости консоли на 1050 мм.
Ригели — таврового сечения с полкой понизу для опирания плит перекрытия, что уменьшает его конструктивную высоту. Стык ригеля с колонной выполняет со скрытой консолью и приваркой к закладным деталям консоли и колонны (частичное защемление).
Перекрытия — многопустотные плиты высотой 220 мм и пролетом до 9,0м,. Плиты типа 2Т применяют для пролетов 9 и 12м. Элементы перекрытий разделяют на рядовые и связевые (плиты распорки). Связевые плиты перекрытия устанавливают между колоннами в направлении перпендикулярном ригелям, обеспечивая их устойчивость,
Перекрытия испытывают поперечный изгиб от вертикальных нагрузок и изгиб в своей плоскости от горизонтальных (ветровых, динамических) воздействий.
Необходимая жесткость горизонтального диска перекрытия, собираемого из сборных железобетонных элементов, достигается установкой связевых плит-распорок между колоннами, сваркой закладных соединительных элементов и устройством шпоночных швов из цементного раствора между отдельными плитами. Полученный жесткий горизонтальный диск, воспринимая все нагрузки, включает в совместную работу вертикальные диафрагмы жесткости.
Стены — диафрагмы жесткости монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, толщиной 140мм. и длиной, соответствующей расстоянию между колоннами в пределах, которых они установлены. При шаге колонн 7,2 и 9,0м стены-диафрагмы проектируют составными из двух-трех панелей, с координационными размерами по ширине 1,2, 3,0 и 6,0 м. Они могут быть глухими или с одним дверным проемом. Элементы диафрагм жесткости между собой и элементами каркаса соединяют сваркой закладных деталей, не менее чем в двух местах по каждой стороне панели с последующим замоноличиванием.
Рис. 16.3. Фрагмент фасада каркасного здания серии 1.020-1 Шаг диафрагм определяется расчетом, но не превышает 36,0 м.
Панели наружных стен могут быть запроектированы самонесущими или ненесущими (навесными) конструкциями, (рис. 16.3). Разрезка стен на панели — двухрядная. В номенклатуру входят поясные простеночные, под карнизные, парапетные, цокольные панели.
Панели самонесущих стен устанавливают по цементно-песчаному раствору на цокольные или простеночные панели и крепят поверху к закладным деталям колонн. Панели ненесущих стен навешивают на ригели, консоли или опорные металлические столики колонн и закрепляют в плоскости перекрытия.
Привязка панелей самонесущих и несущих стен к каркасу единая — с зазором 20 мм между наружной гранью колонны и внутренней гранью панели наружной стены.
Изоляция стыков панелей решена по принципу закрытого стыка.
Московская строительная индустрия создала серию КМС-К1, также основанную по принципу работы связевой системы.
Рис. 16.4. Каркас серии KMC-К1 Компоновка каркаса здания может осуществляться как с продольным, так и поперечным расположением ригелей (рис. 16.4).
Компактные в плане отапливаемые здания длиной до 150 м проектируют без температурных швов. Здания с изрезанным очертанием плана, приводящее к ослаблению горизонтальных дисков перекрытий, расчленяют на температурные блоки, длина которых увязана с членением объемной формы здания, но не превышает 60 м.
Как и в серии 1.020.1 каркас KMC-KI собирают из колонн, ригелей, плит перекрытий, панелей жесткости и навесных панелей наружных стен.
Колонны — выполняют одно- и двух-этажными, единого сечения 400×400 мм, а их несущая способность меняется с изменением марок бетона и процента армирования переходом от гибкой (стержни) к жесткой (стальные профили) арматуре. В серии предусмотрены колонны рядовые, фасадные и колонны с вылетом консолей до 1,2 или 1,8 м., служащие опорами для плит балконов и лоджий.
Стык колонны располагают на 710 мм выше плиты перекрытия, что упрощает монтаж. При монтаже колонн применяют специальные кондукторы, обеспечивающие соосность. Соединение осуществляется ванной сваркой плоских торцов колонн, с последующей инъекцией цементного раствора.
Ригели — таврового сечения высотой 450, 600 и 900 мм (последний для пролетов в 12,0 м). Колонну соединяют с ригелем при помощи его опирания на скрытую (в высоте ригеля) консоль и с частичным защемлением установленной по верхней полки ригеля специальной фасонки — «рыбки », а также сваркой с закладными элементами консоли колонны. Значения воспринимаемых таким узлом изгибающих моментов и растягивающих усилий ограничены пределом текучести « рыбки». Поэтому в расчетах при восприятии вертикальных нагрузок защемление ригеля на опоре не учитывают, рассматривая его как шарнирное соединение.
Различают ригели рядовые и фасадные. Ригель фасадный имеет Z-образную форму, которая диктуется особенностью его работы — опирание плит перекрытий на нижнюю полку с одной стороны и навеской наружных стеновых панелей на верхнею полку с другой стороны.
Перекрытия — выполняют из многопустотных настилов высотой в 220 мм. Настилы различают в соответствии с размещением в плане — рядовые, фасадные, настилы-распорки, сантехнические и доборные.
Для создания единого диска перекрытия боковые поверхности настилов имеют шпоночные углубления, которые (после их раскладки) замоноличивают, создавая шпоночные швы, воспринимающие сдвигающие усилия.
Стены жесткости — проектируют из железобетонных панелей высотой на этаж и толщиной в 180 мм. Они имеют одну или две полки для опирания настилов перекрытий. Соединение с несущими элементами каркаса осуществляют при помощи стальных сварных связей числом не менее двух по каждой стороне.
Рис. 16.5. Фрагменты фасадных плоскостей каркаса КМС-1 Панели наружных стен — могут иметь горизонтальную или вертикальную разрезку по фасадной плоскости здания (рис. 16.5).
При двухрядной (горизонтальной) разрезки панели наружных стен подразделяют на поясные (ленточные), простеночные и угловые.
Координационные размеры панелей наружных стен горизонтальной разрезки по длине соответствуют шагу колонн, а по высоте составляют — 1,2; 1,5; 1,8 и 3,0 м. Простеночные панели могут быть высотой в — 1,5; 1,8 и 2,1 м, а шириной кратны модулю 300 мм.
При вертикальной разрезке — все размеры панелей по длине и высоте кратны модулю 300 мм.
Узел опирания панелей наружных стен унифицирован для разных систем разре-зок на панели фасадных плоскостей. Панели опирают на несущую конструкцию перекрытия (ригель, или настил) на глубину в 100 мм и приваривают при помощи закладных и соединительных элементов на расстоянии 600 мм в плане от оси колонны. Верх панели крепят к колонне, так же с помощью сварки соединительных элементов.
Горизонтальные стыки панелей наружных стен осуществляются в четверть с нахлесткой в 75 мм. Изоляция вертикальных и горизонтальных сопряжений панелей выполняется по принципу закрытого стыка.
Система позволяет создать многовариантные объемно-планировочные решения за счет применения колонн с консолями больших вылетов (1,2-1,8 м) для создания лоджий, консольных ригелей с вылетом до 3,0 м, образуюипгх выступающие объемы. Возможно устройство зальных помещений с пролетами в 18,0-24,0 м. Разнообразие архитектурных композиций зданий достигается применением двухрядной (горизонтальной) и вертикальной разрезки , так же различных вариантов защитно-отделочных слоев наружных стеновых панелей.
Источник
