2.18. Конструктивные схемы зданий с несущими железобетонными конструкциями. Способы обеспечения пространственной жесткости зданий.

Фундаменты, стены, отдельные опоры и перекрытия являются основными несущими элементами здания. Они образуют несущий остов - пространственную систему, обеспечивающую прочность и устойчивость здания.

В состав несущего остова могут входить различные конструктивные элементы, которые определяют конст­руктивную схему здания.

По характеру конструктивной схемы различают сле­дующие основные типы зданий: с несущими наружными и внутренними стенами (бескаркасные), с полным кар­касом, с несущими наружными стенами и внутренним каркасом.

В зданиях с несущими стенами все нагрузки воспри­нимают продольные и поперечные стены. Пространст­венную жесткость здания обеспечивают перекрытия, внутренние стены и лестничные клетки.

В зданиях с продольными несущими стенами плиты перекрытий располагают поперек здания. Устойчивость такой конструктивной схемы в поперечном направлении обеспечивается специально устраиваемыми поперечны­ми стенами, которые не несут нагрузки от перекрытий (рис. 1, а). Такие поперечные стены возводятся лишь для ограждения лестничных клеток и в местах, где они нужны для придания устойчивости наружным стенам. Применение этой конструктивной схемы дает большие возможности для решения планировки помещений.

Рис. 1. Здание с продольными (а) и поперечными (б) несущими сте­нами: 1 - поперечная стена; 2 - продольная стена; 3 - перекрытие.  В зданиях с поперечными несущими стенами плиты перекрытий располагают вдоль здания (рис. 1,б). В та­ких зданиях обеспечена большая жесткость системы, од­нако увеличивается общая протяженность несущих внутренних стен. Но такое решение часто является ра­циональным, так как к конструкциям наружных ненесу­щих продольных стенпредъявляются только теплоза­щитные требования и для их устройства можно приме­нить легкие эффективные материалы.

Иногда применяется смешанный вариант, при кото­ром опорами для перекрытий служат как продольные, так и поперечные стены.

 Рис. 2. Гражданское здание с полным каркасом: 1 - колонна; 2 - ригель; 3 - навесная стена.

  В каркасных зданиях (рис. 2 и 3) несущий остов со­стоит из колонн, размещаемых по периметру и внутри здания, и горизонтальных связей (балок, ригелей), на которые опираются перекрытия. Такой каркас на­зывается полным. В этом случае наружные и внут­ренние стены выполняют только ограждающие функции и могут быть самонесущими или навесными.

 Рис. 3. Одноэтажное промыш­ленное здание: 1 -колонна; 2-ферма покрытия; 3 -плита покрытия; 4 - самонесу­щая стена; 5 - фундаментная балка

По характеру работы каркасы бывают трех типов: рамные, связевые и рамно-связевые. Стойки и ригели рамного каркаса (рис. 4,а) соединяются между собой жесткими узлами и образуют поперечные и про­дольные рамы, воспринимающие все действующие на каркас вертикальные и горизонтальные нагрузки.

В зданиях со связевым каркасом (рис. 4,б) узлы между стойками и ригелями нежесткие, поэтому для восприятия горизонтальных нагрузок (например, ветровых) необходимы дополнительные связи. Роль этих связей в многоэтажных зданиях выполняют чаще всего перекрытия, образующие горизонтальные диафрагмы и передающие горизонтальные нагрузки на жесткие вертикальные диафрагмы (стены лестничных клеток, шахты лифтов, железобетонные перегородки и др.).

  Рис. 4. Схемы рамного (а) и связевого (б) каркасов: 1 - элементы каркаса; 2 - жесткий узел; 3 - горизонтальная диафраг­ма; 4 - вертикальные поперечная и продольная диафрагмы

В практике строительства часто применяют здания с комбинированным типом каркаса, который называется рамно-связевым. В нем в одном направлении ста­вят рамы, в другом связи.

 Рис. 5. Здание с неполным кар­касом: 1-несущая стена; 2-внутренняя колонна; 3- ригель; 4 - перекрытие

Если стойки (колонны) расположены только внутри здания с несущими наружными стенами, каркас на­зывается неполным (рис.5).

В гражданском строительстве применяются все пере­численные конструктивные схемы зданий.

При проектировании промышленных зданий приме­няют, как правило, каркасную схему. Конструктивными элементами этих зданий являются колонны, подкрано­вые балки, стропильные балки или фермы, плиты по­крытий. Стойки (колонны) и несущие элементы покры­тий (балки или фермы) образуют поперечные рамы кар­касов, которые в продольном направлении связаны плитами покрытия, подкрановыми балками и связями.

Конструктивной основой многоэтажного здания служит пространственная несущая система из стержневых и панельных железобетонных элементов, взаимосвязанных между собой в порядке, обеспечивающем прочность, устойчивость и долговечность системы в целом, а также ее отдельных элементов. Пространственная работа системы проявляется в том, что при загружении одного элемента в работу включаются и другие.

Каркасным называют здание, в котором несущими вертикальными элементами системы являются железобетонные колонны. Бескаркасным (панельным или крупноблочным) называют здание, в котором несущие вертикальные элементы компонуют из поставленных одну на другую стеновых панелей (блоков). В зданиях комбинированной системы несущими вертикальными элементами являются колонны и панельные стены. Различают каркасные схемы с полным и неполным каркасом. При полном каркасе наружные стены самонесущие, а при неполном — несущие. Каркасную систему используют в основном для зданий промышленного, административного и общественного назначения, где требуются большие неперегороженные помещения. Бескаркасную и комбинированную системы применяют для жилых домов, в которых несущие и внутренние стены являются межквартирными и межкомнатными перегородками. В зданиях комбинированной системы нижние этажи каркасные, а остальные панельные.

Объемно-блочные здания выполняют из объемных блоков жестких пространственных элементов, устанавливаемых друг на друге; в случае применения каркаса объемные блоки служат его заполнением, и каждый блок несет только собственную массу и полезную нагрузку.

В многоэтажных каркасных зданиях горизонтальные нагрузки воспринимают системой рам или вертикальных диафрагм-стенок жесткости, специальными связями или ядром жесткости, консольно защемленными в фундаменте (связевые системы). Ядром жесткости называют жесткую пространственную систему, образованную сопряженными между собой стенками. Более часто ядро жесткости выполняют монолитным. Каркас здания с ядром жесткости рассчитывают только на вертикальные нагрузки, что позволяет провести унификацию конструктивных элементов по высоте здания.

2.19. Основные требования к армированию железобетонных конструкций: оптимальные коэффициенты армирования для плит, балок, колонн; толщина защитного слоя; анкеровка и стыки арматуры; минимально допустимые арматуры в сжатых железобетонных элементах.

7.3.1 Защитный слой бетона должен обеспечивать:

- совместную работу арматуры с бетоном;

- анкеровку арматуры в бетоне и возможность устройства стыков арматурных элементов;

- сохранность арматуры от воздействий окружающей среды (в том числе при наличии агрессивных воздействий);

- огнестойкость и огнесохранность конструкций.

7.3.2 Толщину защитного слоя бетона следует принимать исходя из требований 7.3.1 с учетом роли арматуры в конструкциях (рабочая или конструктивная), типа конструкций (колонны, плиты, балки, элементы фундаментов, стены и т.п.), диаметра и вида арматуры.

Толщину защитного слоя бетона для арматуры принимают не менее диаметра арматуры и не менее 10 мм.

Минимальное расстояние между стержнями арматуры

7.3.3 Расстояние между стержнями арматуры следует принимать не менее величины, обеспечивающей:

- совместную работу арматуры с бетоном;

- возможность анкеровки и стыкования арматуры;

- возможность качественного бетонирования конструкции.

7.3.4 Минимальное расстояние между стержнями арматуры в свету следует принимать в зависимости от диаметра арматуры, размера крупного заполнителя бетона, расположения арматуры в элементе по отношению к направлению бетонирования, способа укладки и уплотнения бетона.

Расстояние между стержнями арматуры следует принимать не менее диаметра арматуры и не менее 25 мм.

При стесненных условиях допускается располагать стержни арматуры группами-пучками (без зазора между стержнями). При этом расстояние в свету между пучками следует принимать не менее приведенного диаметра условного стержня, площадь которого равна площади сечения пучка арматуры.

Продольная арматура

7.3.5 Относительное содержание расчетной продольной арматуры в железобетонном элементе (отношение площади сечения арматуры к рабочей площади поперечного сечения элемента) следует принимать не менее величины, при которой элемент можно рассматривать и рассчитывать как железобетонный.

Минимальное относительное содержание рабочей продольной арматуры в железобетонном элементе определяют в зависимости от характера работы арматуры (сжатая, растянутая), характера работы элемента (изгибаемый, внецентренно сжатый, внецентренно растянутый) и гибкости внецентренно сжатого элемента, но не менее 0,1 %. Для массивных гидротехнических сооружений меньшие значения относительного содержания арматуры устанавливаются по специальным нормативным документам.

7.3.6 Расстояние между стержнями продольной рабочей арматуры следует принимать с учетом типа железобетонного элемента (колонны, балки, плиты, стены), ширины и высоты сечения элемента и не более величины, обеспечивающей эффективное вовлечение в работу бетона, равномерное распределение напряжений и деформаций по ширине сечения элемента, а также ограничение ширины раскрытия трещин между стержнями арматуры. При этом расстояние между стержнями продольной рабочей арматуры следует принимать не более двукратной высоты сечения элемента и не более 400 мм, а в линейных внецентренно сжатых элементах в направлении плоскости изгиба - не более 500 мм. Для массивных гидротехнических сооружений большие значения расстояния между стержнями устанавливаются по специальным нормативным документам.

Поперечное армирование

7.3.7 В железобетонных элементах, в которых поперечная сила по расчету не может быть воспринята только бетоном, следует устанавливать поперечную арматуру с шагом не более величины, обеспечивающей включение в работу поперечной арматуры при образовании и развитии наклонных трещин. При этом шаг поперечной арматуры следует принимать не более половины рабочей высоты сечения элемента и не более 300 мм.

7.3.8 В железобетонных элементах, содержащих расчетную сжатую продольную арматуру, следует устанавливать поперечную арматуру с шагом не более величины, обеспечивающей закрепление от выпучивания продольной сжатой арматуры. При этом шаг поперечной арматуры следует принимать не более пятнадцати диаметров сжатой продольной арматуры и не более 500 мм, а конструкция поперечной арматуры должна обеспечивать отсутствие выпучивания продольной арматуры в любом направлении.

Анкеровка и соединения арматуры

7.3.9 В железобетонных конструкциях должна быть предусмотрена анкеровка арматуры, обеспечивающая восприятие расчетных усилий в арматуре в рассматриваемом сечении. Длину анкеровки определяют из условия, по которому усилие, действующее в арматуре, должно быть воспринято силами сцепления арматуры с бетоном, действующими по длине анкеровки, и силами сопротивления анкерующих устройств в зависимости от диаметра и профиля арматуры, прочности бетона на растяжение, толщины защитного слоя бетона, вида анкерующих устройств (загиб стержня, приварка поперечных стержней), поперечного армирования в зоне анкеровки, характера усилия в арматуре (сжимающее или растягивающее) и напряженного состояния бетона на длине анкеровки.

7.3.10 Анкеровку поперечной арматуры следует осуществлять путем ее загиба и охвата продольной арматуры или приваркой к продольной арматуре. При этом диаметр продольной арматуры должен быть не менее половины диаметра поперечной арматуры.

7.3.11 Соединение арматуры внахлестку (без сварки) должно быть осуществлено на длину, обеспечивающую передачу расчетных усилий от одного стыкуемого стержня к другому. Длину нахлестки определяют по базовой длине анкеровки с дополнительным учетом относительного количества стыкуемых в одном месте стержней, поперечной арматуры в зоне стыка внахлестку, расстояния между стыкуемыми стержнями и между стыковыми соединениями.

7.3.12 Сварные соединения арматуры следует выполнять по соответствующим нормативным документам (ГОСТ 14098, ГОСТ 10922).

Конструирование и расчет плит

Общие положения:

1. Класс (марка) бетона - не менее В30 (М400).

2. Защитный слой - 25 мм (для подземных конструкций - 40 мм).

3. Продольная арматура - А III. Минимальный диаметр d12мм. Шаг не более 200 х 200 мм

4. Процент армирования (для растянутой арматуры) µ=0,5...2 (при больших процентах армирования требуется устройство балочного (кессонного) перекрытия).

5. Поперечная арматура - d8А I (ставится при необходимости по расчету), конструктивная поперечная арматура - в виде шпилек в узлах сетки в шахматном порядке;

расчетная поперечная арматура (в местах сосредоточенных нагрузок) в виде специально разработанных арматурных изделий.

Указания по конструированию:

- Минимальный толщина плиты h > 200 (160) мм;

- Отношение пролета плиты к толщине L/h не более 30;

- Плиту армировать сетками в виде основного (фонового) и дополнительного армирования (в местах значительных изгибающих моментов). Верхнюю и нижнюю фоновую арматуру рекомендуется назначать равной. Под нижней расчетной арматурой рекомендуется располагать сетку 4ВрII - 100/100 (в толщине защитного слоя), сетку крепить вязальной проволокой к основному армированию;

- Необходимо учитывать взаимное расположение стержней разных направлений одной сетки – стержни рабочего направления следует устанавливать наиболее ближе к грани плиты («Симметричная» схема армирования);

Если затруднительно выбрать рабочее направление плиты применяется «кососимметричная» схема армирования;

- Схемы взаимного расположения стержней следует указывать на рабочих чертежах.

Указания по расчету:

- Коэффициент запаса (в дополнении к СНиП) назначать: для плит работающих одном направлении [k]=1,25, для плит работающих в двух направлениях [k]=1,15;

- Консольные участки плит (балконы) рассчитывать с коэффициентом запаса [k]=1,6.

Конструирование и расчет колонн

Общие положения:

1. Класс (марка) бетона - не менее В30 (М400).

2. Защитный слой - 35 мм (для подземных конструкций - 40 мм).

3. Продольная арматура - А III. Минимальный диаметр d16мм.

4. Процент армирования - µ=1...4 (при больших процентах армирования требуется установка "жесткой" арматуры).

5. Поперечная арматура - d8А I. Шаг хомутов s=h/2, но не более 15 d (с учащением s=100 мм в приопорных зонах).

Указания по конструированию:

- Минимальный размер сторон (h1;h2) > 300 мм;

- Отношение длины колонны к ширине (гибкость) L/h не более 20;

- При соотношении сторон сечения h1/h2=1...1,5 применять схемы армирования «К1», «К2»,«К3».

- При соотношении сторон сечения h1/h2=1,5...2 применять схемы армирования «К4», при большем соотношении применять схему армирования пилонов;

- По высоте здания схему армирования колонн рекомендуется принимать постоянной. Схему армирования колонн крайнего ряда рекомендуется принимать аналогично армированию колонн среднего ряда.

Указания по расчету:

- Коэффициент запаса (вдополнению к СНиП) на совместное действие продольной силы (N) и изгибающего момента (M) принимать [k]=1,4; на действие одной продольной силы принимать [k]=2;

- При назначении размеров сечения продольную силу рекомендуется воспринимать полностью телом бетона;

- При действии на колонну продольной силы с малым эксцентриситетом e (e=M/N) сечение колонны допускается рассчитывать только на действие продольной силы с учетом коэффициента продольного изгиба (табл. ниже).

Насыщение поперечного сечения продольной арматурой оценивают коэффициентом армирования μ по формуле: .

Конструирование и расчет балок

1. Класс (марка) бетона - не менее В30 (М400).

2. Защитный слой - 35 мм (для подземных конструкций - 40 мм).

3. Продольная арматура - А III. Минимальный диаметр d20мм.

4. Процент армирования (для растянутой арматуры) µ=0,8...1,8 (при больших процентах армирования требуется установка "жесткой" арматуры).

5. Поперечная арматура - d10А I, в виде замкнутых хомутов. Шаг s=1/4 h на расстоянии 1/4 L от опоры и s=3/4 h в пролете. Применяются 2-х и 4-х срезная компоновка хомутов (при необходимости 6-и срезная).

Указания по конструированию:

- Минимальная высота сечения h > 350 мм;

- Минимальная ширина сечения b>250 (200) мм;

- Отношение длины балки к высоте сечения (гибкость) L/h не более 15 (для балок с гибкой арматурой);

- Для балок ребром вниз (подбалок) применять схемы армирования "Б1", "Б2", с количество рядов арматуры не более 3-х (в отдельных случаях не более 4-х). Для балок ребром вверх (надбалок) применять схему армирования "Б3";

- Количество сжатой арматуры принимать не менее 50% от растянутой арматуры (для надбалок - 100 % растянутой). Допускается 30% растянутой (нижней) арматуры не доводить до опоры на 1/6 L;

- Для балок высотой более 500 мм необходимо устанавливать дополнительно в середине сечения стрежни d16 А-III;

- Балки пролетом более 6м (без предварительно напряженной арматуры) рекомендуется выполнять со строительным подъемом f>1/300 L.

Указания по расчету:

- Коэффициент запаса (в дополнению к СНиП) на действие изгибающего момента [k]=1,4;

для балок воспринимающих нагрузку от каменных стен [k]=1,6;

- При расчете неразрезных балок пролетную (нижнюю) арматуру рекомендуется подбирать на балочный изгибающий момент.