1 Основная конструктивная система здания

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость.

По виду вертикальной несущей конструкции различают пять основных и семь комбинированных конструктивных систем, которые можно представить в виде таблицы.

Таблица 1‒ Классификация конструктивных систем

Каркасная система с пространственным рамным каркасом применяется преимущественно в строительстве многоэтажных общественных зданий в 9 и более этажей.

Бескаркасная система самая распространённая в жилищном строительстве, ее используют в зданиях различных планировочных типов высотой от одного до 16 этажей и более.

Объемно-блочная система зданий в виде установленных друг на друга объемных блоков применяется для жилых домов высотой до 12 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях.

Ствольную систему применяют в зданиях высотой более 16 этажей.

Наиболее целесообразно применение ствольной системы для компактных в плане многоэтажных зданий, особенно в сейсмостойком строительстве, а также в условиях неравномерных деформаций основания (на просадочных грунтах, над горными выработками и т.п.)

Оболочковая система присуща уникальным высотным зданиям жилого административного или многофункционального назначения.

1.1 Применение основных конструктивных систем зданий

Горизонтальные конструкции - перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции. Последние в свою очередь передают эти нагрузки и воздействия через фундаменты основанию.

Горизонтальные несущие конструкции массовых капитальных гражданских зданий, как правило, однотипны и обычно представляют собой железобетонный диск (сборный, монолитный или сборно-монолитный).

Вертикальные несущие конструкции разнообразны. Различают стержневые (стойки каркаса) несущие конструкции, плоскостные (стены, диафрагмы), внутренние объемно-пространственные стержни полого сечения на высоту здания (стволы жесткости), объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения. Соответственно примененному виду вертикальных несущих конструкций различают четыре основные конструктивные системы гражданских зданий - каркасную (рамную), стеновую (бескаркасную), ствольную и оболочковую (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 ‒ Основные конструктивные системы здания: 1 ‒ каркасная; 2 ‒ бескаркасная (стеновая); 3 ‒ ствольная; 4 ‒ оболочковая

Наряду с основными широко применяют и комбинированные конструктивные системы (рис. 1.2). В этих системах вертикальные несущие конструкции компонуют, сочетая разные виды несущих элементов. К их числу относятся системы: каркасно-связевая со связями в виде стен - диафрагм жесткости (каркасно-диафрагмовая), с неполным каркасом (несущие наружные стены и внутренний каркас), каркасно-ствольная, ствольно-стеновая, ствольно-оболочковая.

Рисунок 1.2 ‒ Комбинированные конструктивные системы: 1 ‒ наружные несущие стены; 2 и 4 ‒ несущие стены; 3 ‒ несущие внутренние стены

Области применения основных и комбинированных систем различны. Бескаркасная система является основной в массовом жилищном строительстве домов различной этажности, каркасная и каркасно-диафрагмовая - в строительстве жилых и массовых общественных зданий, ствольную, ствольно-стеновую, каркасноствольную применяют для жилых и общественных зданий высотой более 20 этажей, оболочковую, ствольно-оболочковую, оболочково-дафрагмовую - для многофункциональных зданий выше 40 этажей. Конструкции семейств ствольных и ствольно-оболочковых систем применяют преимущественно в уникальных высотных зданиях. Массовые объекты строительства проектируют преимущественно на базе разнообразных вариантов каркасных и бескаркасных систем. Варианты бескаркасных систем различают по признаку размещения вертикальных несущих конструкций в здании и расстояния между ними. Так, например, в зависимости от расположения несущих стен в бескаркасном здании различают перекресно-стеновой, поперечно-стеновой и продольно-стеновой варианты конструктивной системы (рис. 5.23). Конструкции перекрытий, применяемые в массовом строительстве, в зависимости от величины перекрываемого пролета условно делят на перекрытия малого (2,4 - 4,5 м) и большого (6,0 - 7,2м) пролета. 

Рисунок 1.3 ‒ Варианты бескарскасной системы

Соответственно для перекрестно- и поперечно-стенового вариантов бескаркасной системы в технической литературе получили широкое распространение термины — бескаркасная система с малым, смешанным и большим шагом поперечных стен, которые будут использованы в дальнейшем изложении.

Системы малого и смешанного шага получили массовое применение в жилищном строительстве, системы продольно-стеновая и поперечно-стеновая большого шага - в массовых общественных зданиях школ, поликлиник. Каркасные здания различают в первую очередь по расчетной схеме каркаса ‒ рамной или связевой.

Несмотря на то, что рамный каркас (благодаря отсутствию вертикальных связевых конструкций) обеспечивает максимальную свободу планировочных решений, преимущественное применение в практике массового строительства получил связевый каркас. Здесь решающую роль сыграли его производственные преимущества (максимальная унификация конструкций и простота узловых сопряжений). 

В семействе каркасных конструктивных систем в зависимости от расположения и наличия ригелей различают варианты системы с поперечным, продольным расположением ригелей, неполным и безригельным каркасом (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 ‒ Варианты каркасной конструктивной системы: а ‒ с продольным расположением ригелей; б ‒ с поперечным расположением ригелей; в ‒ безригельный каркас

Основная область применения каркасных систем — проектирование общественных и промышленных зданий. При выборе варианта конструктивной системы каркасных зданий учитывают объемнопланировочные требования: она не должна связывать планировочные решения, ригели каркаса не должны пересекать плоскость потолков помещений, а проходить по их границам и т.п. Поэтому каркас с поперечным расположением ригелей применяют преимущественно в зданиях с регулярной планировочной структурой (гостиниц, общежития, пансионаты и т.п.), совмещая шаг поперечных перегородок с шагом ригелей. Каркас с продольным расположением ригелей применяют, проектируя общественные здания сложной планировочной структуры (школы, лечебно-профилактические учреждения и др.).

Неполный каркас применяют в зависимости от местных условий строительства, диктующих, например, применение несущих наружных стен.

Безригельный каркас в течение длительного времени применялся, главным образом, в проектировании многоэтажных промышленных зданий. С конца 1980-х гг. в облегченном конструктивном варианте он получил распространение в строительстве жилых и общественных зданий.

В промышленном строительстве основной является каркасная система. При этом в многоэтажных промышленных зданиях применяют как полный каркас (с ригелями), так и безригельный.