5.4. Расчетные схемы каркасных зданий

5.4.1. Железобетонные каркасные гражданские здания

В каркасных конструктивных системах основными вертикальными несущими конструкциями являются колонны каркаса, на которые передается нагрузка от перекрытий (непосредственно или через ригели). Прочность, устойчивость и пространственная жесткость каркасных зданий обеспечивается совместной работой перекрытий и вертикальных конструкций. В зависимости от типа вертикальных конструкций, используемые для обеспечения прочности, устойчивости и жесткости, различают связевые, рамные и рамно-связевые каркасные системы (рис. 12).

Рисунок 12. Виды каркасных конструктивных систем: а – связевая с вертикальными диафрагмами жесткости; б – рамная; в – рамно-связевая с вертикальными диафрагмами жесткости:

1 — вертикальная диафрагма жесткости; 2 — каркас с шарнирными узлами; 3 — рамный каркас.

При связевой каркасной системе применяется безригельный каркас или ригельный каркас с нежесткими узлами ригелей с колоннами. При нежестких узлах каркас практически не участвует в восприятии горизонтальных нагрузок, что позволяет упростить конструктивные решения узлов каркаса, применять однотипные ригели по всей высоте здания, а колонны проектировать как элементы, работающие преимущественно на сжатие. Горизонтальные нагрузки от перекрытий воспринимаются вертикальными диафрагмами жесткости.

В рамной каркасной системе вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимает каркас с жесткими узлами ригелей с колоннами. Рамные каркасные системы рекомендуется применять для малоэтажных зданий.

В рамно-связевой каркасной системе вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимают совместно вертикальные диафрагмы жесткости и рамный каркас с жесткими узлами ригелей с колоннами. Вместо сквозных вертикальных диафрагм жесткости могут применяться жесткие вставки, заполняющие отдельные ячейки между ригелями и колоннами. Рамно-связевые каркасные системы применяются для сокращения количества диафрагм жесткости, требуемых для восприятия горизонтальных нагрузок.

5.4.2. Промышленные здания с железобетонным каркасом

При проектировании железобетонных каркасных зданий выбор типа соединения элементов поперечной рамы зависит от числа пролетов, этажности здания, действующих нагрузок, грунтовых условий и пр. Для одноэтажного каркасного здания из сборного железобетона в расчетной схеме поперечной рамы соединение ригелей с колоннами принимают шарнирным, а защемление колонн в фундаментах – жестким.

Жесткое соединение ригелей и колонн железобетонной одноэтажной поперечной рамы приводит к уменьшению изгибающих моментов в элементах. Однако при этом нагрузка, приложенная к ригелю, вызывает изгибающие моменты и в колоннах, а нагрузка, действующая на колонну, вызывает изгибающие моменты в ригеле. Это затрудняет независимую типизацию сборных элементов.

В качестве типового решения принято шарнирное соединение ригелей с колоннами. При этом нагрузки, приложенные к одному элементу, не вызывают изгибающих моментов в другом. Шарнирное соединение ригелей с колоннами упрощает конструкцию стыка. Соединение выполняется сваркой стального опорного листа ригеля с закладной деталью в торце колонны.

В одноэтажных каркасных зданиях из монолитного железобетона соединение колонн с фундаментами может быть жестким и шарнирным.

В жестком соединении арматуру колонн сваривают или стыкуют внахлест с выпусками арматуры фундамента.

Шарнирное соединение применяют, если в заделке колонны возникает значительный изгибающий момент, а грунты основания имеют малую несущую способность [9]. Шарнирное соединение уменьшает изгибающий момент в заделке, но увеличивает момент в пролете, что приводит к увеличению размеров ригеля (рис. 13).

Рисунок 13. Эпюры моментов в элементах рамы при шарнирном и жестком соединении стоек с фундаментами.

Шарнирное соединение монолитных колонн с фундаментами создается устройством несовершенного шарнира. В месте шарнира размеры сечения колонны уменьшаются до 30-50% от размеров основного сечения, устанавливаются вертикальные или перекрещивающиеся арматурные стержни.

Ригель монолитной рамы работает как балка, заделанная на опорах. При конструировании монолитной рамы особое внимание уделяется сопряжению элементов.

Стыки элементов железобетонных многоэтажных сборных рам, как правило, выполняют с замоноличиванием, т.е. жесткими. При шарнирных стыках уменьшается общая жесткость здания и снижается сопротивление деформированию при горизонтальных нагрузках. Шарнирные стыки ригелей на консолях колонн считаются неэкономичными, особенно в сравнении с жесткими бесконсольными стыками [9].

Для обеспечения пространственной жесткости каркасного здания необходимо жесткое защемление колонн в фундаментах. Сборные колонны заделывают в специальные гнезда (стаканы) фундаментов на расчетную высоту. Для соединения монолитной колонны с фундаментом предусматриваются выпуски арматуры, соединяемые с продольной арматурой колонны с последующим замоноличиванием стыка.