19. Каркасы жилых зданий

19.1. Общие сведения о каркасах

В зданиях с каркасной конструктивной схемой несущий остов включает элементы каркаса. Каркас состоит из вертикальных несущих конструкций – колонн, горизонтальных несущих конструкций – балок или плит и конструкций связей. В каркасных зданиях вся нагрузка воспринимается элементами каркаса, что позволяет чётко разделить основные конструкции зданий на несущие и ограждающие. Вследствие этого появляется возможность более эффективно использовать свойства материалов, т. е. несущие конструкции изготавливать из высокопрочных материалов, а ограждающие – из материалов, менее теплопроводных, влаго-, морозо- и коррозиестойких и обладающих хорошей звукоизоляционной способностью. К тому же несущие элементы каркасов размещаются внутри зданий, что защищает их от неблагоприятных воздействий внешней среды.

В каркасных зданиях имеется возможность более свободной планировки помещений, так как при каркасной конструктивной схеме отсутствуют внутренние несущие стены. Каркасы многоэтажных жилых зданий устраивают преимущественно из железобетона. Такие каркасы более долговечны, огнестойки и более экономичны по расходу стали.

Железобетонные каркасы жилых зданий могут быть сборными и монолитными. По сравнению с бескаркасными зданиями устройство сборных каркасов требует на 20–30 % больше стали, включая стыки и закладные детали. К тому же стоимость зданий со сборными каркасами на 5–10 % выше. При устройстве монолитных каркасов стоимость зданий снижается на 15–20 %, расход бетона до 20 % и стали до 20–25 %. Монолитные каркасы целесообразно выполнять в унифицированной сборно-разборной опалубке, что существенно снижает трудозатраты и расход лесоматериалов на её устройство.

19.2. Классификация компоновочных и конструктивных схем каркасов

В зависимости от материала несущих конструкций каркасы бывают:

• деревянные – в зданиях до 2 этажей;

• железобетонные – до 30 этажей;

• стальные – без ограничения по высоте, но наиболее целесообразны для высотных зданий.

В зависимости от конструктивной схемы каркасы бывают полными и неполными (см. п. 10.2). При устройстве полных каркасов колонны устанавливают внутри и по наружному периметру зданий. Балки в полных каркасах располагают поперёк здания (чаще всего) или вдоль здания либо перекрёстно. При устройстве неполных каркасов колонны устанавливают только внутри здания, а роль вертикальных несущих конструкций вместо колонн крайних рядов выполняют наружные продольные несущие стены. Балки в таких каркасах располагают поперёк (неполный поперечный каркас) или вдоль здания (неполный продольный каркас).

Каркасы в зависимости от их компоновки бывают однопролётными и многопролётными, одноэтажными и многоэтажными (рис. 5.1), а в зависимости от способа обеспечения жёсткости и устойчивости каркасы бывают (рис. 19.1):

а) рамной конструктивной схемы;

б) связевой конструктивной схемы;

в) рамно-связевой конструктивной схемы.

Жёсткость и устойчивость каркасов рамной конструктивной схемы обеспечивается жёстким соединением вертикальных (колонн) и горизонтальных (балок или плит) элементов каркаса в узлах. Такие каркасы наиболее целесообразны в монолитном исполнении, но могут быть и сборными.

При связевой конструктивной схеме жёсткость и устойчивость каркаса достигается установкой продольных или поперечных связей или установкой связей в обоих направлениях. Связи могут быть в виде стальных диагональных или портальных конструкций, но чаще в виде сплошных железобетонных стенок (см. рис. 5.2), образующих в плане ломаные или замкнутые контуры (рис. 19.1).

Вертикальные связи каркасов называют вертикальными диафрагмами жёсткости и их устанавливают с шагом 24–36 м. В каркасах со связевой конструктивной схемой вертикальные нагрузки воспринимают в основном колонны каркаса, а горизонтальные – элементы связей.

Каркасы связевой конструктивной схемы целесообразны в сборном и монолитном вариантах, так как в этом случае форма и размеры сборных конструктивных элементов каркаса могут быть одинаковыми для всех этажей, т. е. балки одинаковой формы выполняют с одинаковым армированием и прочностью, а колонны нижних более нагруженных этажей устраивают с большим армированием и с более высокой прочностью бетона.

Рис. 19.1. Типы каркасов в зависи-мости от способа обеспечения жёст-кости и устойчи-вости: а – рамная; б – связевая; в – рамносвязевая; г – с ядром жёст-кости

В рамных и связевых каркасах многоэтажных зданий устраивают горизонтальные диафрагмы жёсткости, располагая их через несколько этажей в виде замоноличенных железобетонных перекрытий. Эти диафрагмы служат для перераспределения горизонтальных ветровых нагрузок между рамами или вертикальными связями.

В каркасах рамно-связевой конструктивной схемы жёсткость и устойчивость обеспечивается как элементами рам (жёсткими узлами), так и диафрагмами жёсткости (связями). Распределение усилий между элементами таких каркасов происходит в зависимости от жёсткости этих элементов. Рамно-связевая схема целесообразна в металлических и монолитных железобетонных каркасах, а сборные железобетонные каркасы такой схемы допускается применять при строительстве в сейсмоопасных районах или на просадочных территориях.