23.Высотные здания. Виды конструктивных схем, узловых соединений, особенности расчета

Проектирование высотного здания независимо от его целевого назна­чения (жилой дом, школа, больница, административный комплекс) тре­бует системного учета различных аспектов проектирования, изготовле­ния строительных конструкций и производства строительно-монтажных работ. Выбор конструктивной схемы здания, материалов для несущих и ограждающих конструкций, схем инженерных коммуникаций и обеспе­чение функционирования здания должно рассматриваться как единое це­лое. Поэтому при экономической оценке строительного материала, кото­рый будет использован для несущего каркаса здания, необходимо учи­тывать не только стоимость каркасов из разных материалов, а рассматри­вать все расходы на сооружение здания с учетом специфики эксплуатационных свойств этих материалов.

Стальные несущие конструкции можно применять для многоэтажны* зданий любой высоты, однако практика проектирования и строительства рекомендует использовать металлический каркас при количестве этажев 40 и более. Главным преимуществом стального каркаса является возмо*' ность использовать большой шаг колонн при их малом поперечном сече­нии и большие пролеты перекрьттий от 6 до 18 м. С применением сталь­ных ферм, имеющих высоту этажа, возможно перекрывать пролеты <я до 60 м. Большой шаг расположения колонн повышает гибкость лдав* ровки помещений здания.

Объемно-планировочные и конструктивные решения многоэтажных зданий

Объемно-планировочное решение здания должно удовлетворять функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям, для чего не­обходимо определить состав, размеры и взаимное расположение основ­ных, обслуживающих, коммуникационных и технических помещений. Помещения, близкие по назначению и размерам, размещают в типовых этажах здания; входные узлы, большие залы — в нетиповых. Инженер­ное оборудование устанавливают в специально предусматриваемых тех­нических этажах. Обычно на 8...12 типовых этажей приходится один тех­нический. Инженерные коммуникации прокладывают в вертикальных шахтах и горизонтальных каналах, под которые используют свободное пространство в пределах габаритов колонн и межбалочное пространство перекрытий.

Применяемые планировочные решения должны вписываться в мо­дульную сетку разбивочных осей и высоты этажей. Для общественных зданий рекомендуются следующие сетки колонн: 6 х 6; 6 х 9; 6 х 12; 9 х 9; 12 х 12 м, допускаются размеры 3,0,4,5 и 7,5 м. Высоту этажей принима-^травной 3,3; 3,6; 4,2 м и более с модулем 0,6 м. Форма плана, общая про­странственная композиция и высота здания взаимосвязаны, они зависят ^от градостроительных факторов, природно-климатических условий, а также технологических, экономических и эксплуатационных возможно­стей применяемых конструкций. Возможные планы многоэтажных зда­нии приведены на рис. 4.3. Здания с компактными планами (рис. 4.3, о) обычно нуждаются лишь в опорах вдоль наружных стен и центральном ядре жесткости. Протяженные узкие здания имеют, как правило, ряд ко­лонн у наружных стен и один или два донолшттельных ряда внутри зда-(рис. 4.3, б).

Конструктивное решение многоэтажного здания непосредственно связано с планировочными решениями и решением систехМ инженерного ^луживания здания и должно удовлетворять требованиям прочности, Устойчивости и жесткости, что обеспечивает долговечность сооружения. начимость рационального конструктивного решения здания возрастает с увеличением его высоты (рис 4.4) [8]. Из рис. 4.4 (где ось абсцисс ха­рактеризует этажность, а ось ординат — стоимость несущих конструк­ций, отнесенная к суммарной площади здания в %) следует, что при ис­пользовании традиционных каркасных схем стоимость несущих конст­рукций, например, 60-этажного здания по сравнению с 20-этажным воз­растает на 75 %. При оптимальных конструктивных схемах соответствующее увеличение стоимости зданий составляет всего 27 % -

Любое каркасное здание состоит из отдельных элементов, выполняю­щих в общей системе определенные функции. В систему высотного кар­каса к этим элементам относят вертикальные элементы (колонны, V^aH^ диафрагмы и стволы жесткости) и горизонтальные элементы (плиты балки перекрытий, горизонтальные связи). Вертикальные элементы полняют в системе главные несущие функции, воспринимая все деи# вующие на здание нагрузки с передачей их на фундамент. Горизонта^ ные элементы обеспечивают неизменяемость системы в плане, переде прилагаемые к ним нагрузки на вертикальные элементы, обеспечив пространственую работу всей системы, выступая в качестве рзспреД⁶-тельных горизонтальных дисков. Некоторые из наиболее распростри ных конструктивных схем каркасов представлены на рис. 4.5.

В зависимости от их вида конструктивной схемы многоэтажные зД³ ния подразделяют на:

бескаркасные системы, состоящие из пластинок-стен, оболочек от­крытого или замкнутого профиля, объемных тонкостенных блоков {рис. 4.5, а — г);

каркасные системы, состоящие из стержней (рис. 4.5, % л, м):

смешанные системы, состоящие из элементов, присущих как каркас­ным, так и бескаркасным системам (рис. 4.5, к н, р).

Стальные несущие конструкции рационально применять в каркасных ^и смешанных системах. Такие системы являются наиболее перспектив­ными, так как обеспечивают свободу для архш^ктурной планировки и яозможность ее изменения при эксплуатации здания.

Каркасные и смешанные системы в зависимости от распределения Функций между элементами каркаса для обеспечения пространственнойжесткости и устойчивости подразделяют на рамные (рис. 4,6), связевые (см. рис. 4.8) и рамно-связевые (см. рис. 4.9).

Рамные системы. Рамные каркасы обычно состоят из прямоуголь­ной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами.

В обычной рамной системе (рис. 4.6, а) колонны регулярно располо­жены по всему плану здания с шагом 6,9 м. Жесткие рамы при горизон­тальных нагрузках работают за счет изгиба колонн и балок. Горизонталь­ный прогиб рамного каркаса определяется двумя факторами:

прогибом от изгиба каркаса как консоли (рис. 4,7, б), при этом удли­нение и укорочение колонн приводит к горизонтальным перемещениям, составлпйощим около 20 % общего прогиба;

прогибом за счет работы балок и колонн на изгиб (рис. 4.7, в).

На последний вид деформирования приходится около 80 % обшег° перемещения здания, из которых 65 % из-за изгиба балок и 15 % из-за из-иба колонн, Поэтому подобные системы экономичны в зданиях высотой не более 30 этажей.

Системы с внешней пространственной рамой (см. рис. 4.6, б) обла­дают повышенной изгибной жесткостью, так как при расположении ко­лонн по контуру увеличивается момент инерции горизонтального сече­ния каркаса. Система отличается высокой жесткостью на кручение. Кро­ме того, при частом расположении колонн конструктивные элементы внешней рамы выполняют функции фахверка наружной стены и для ее устройства не требуется дополнительных элементов. При большой шири­не здания система может быть дополнена внутренними колоннами, вос-принимающими только вертикальные нагрузки от шарнирно примыкаю­щих ригелей перекрытий.

Дальнейшим развитием рамных систем является рамно-секционная система (см. рис. 4.6, в). Благодаря дополнительной жесткости внутрен­них рам и более равномерному включению граней внешней рамы в рабо­ту на изгиб, общая жесткость этой системы по сравнению с предыдущей повышается. Рамно-секционная система позволяет завершать различные секции на разной высоте без существенного усложнения конструкций, придавая зданию ступенчатый объем. Ригели пег^крытий в пределах от­дельных секций обычно опирают на колонны шарнирно.

Связевые системы. В связевых системах (рис. 4.8) горизонтальная жесткость обеспечивается за счет работы диагональных элементов и ко­лонн при шарнирном примыкании ригелей. Связевая система работает на горизонтальные нагрузки как консоль, защемленная в фундаменте, на­грузки на которую передаются посредством жестких дисков перекрытий.

Связевая конструющя может быть решена в виде плоских диафрагм (рис. 4.8, а) или в виде пространственных стволов жесткости (рис. 4.8, б, в, г), которые могут располагаться как внутри здания (рис. 4.8, б, в), так и снаружи, образуя внешний ствол (рис. 4.8, г). Внутренний ствол жестко­сти может быть решен в виде стальной пространственной решетчатой системы или в виде замкнутой железобетонной конструкции. Такой ствол целесообразно совмещать с лифтовыми или коммуникационными шахтами.

Связевая система отвечает принципу концентрации материала и по­зволяет проектировать большинство элементов каркаса и их сопряжения более легкими, простой конструктивной формы и в максимальной степе­ни типизировать. По расходу стали связевые системы более эффективны, чем рамные, так как большая часть колонн освобождена от внутренних усилий изгиба.

Рамно-связевые системы (рис. 4.9) имеют вертикальные связи, вос­принимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, располо­жёнными в одной или разных плоскостях со связями. Обратите внимание на несколько иное определение рамно-связевых систем по сравнению с одноэтажными зданиями, что обычно не вносит тгутаницы и понятно из контекста. Функции обеспечения жесткости распределены в системе ме­жду связевой и рамной частями не одинаково,, в большинстве случаев связевая часть воспринимает 70...90% горизонтальных нагрузок. В ка­честве примера на рис. 4.10 показан каркас 16-этажного жилого дома [9], выполненного по рамно-связевой схеме. В продольном направлении же­сткость обеспечивается за счет рамных узлов примыкания ригелей к ко­лоннам, а в поперечном — за счет связевых диафрагм по торцам зданий. Ветровые нагрузки в поперечном направлении передаются через гори­зонтальные диски перекрытий на торцовые диафрагмы. Жесткость пере*крытий в горизонтальной плоскости увеличена постановкой крестовых связей.

При проектировании каркасов многоэтажных зданий не всегда сохра­няется регулярность системы и единый принцип ее построения. Это вы­звано, как правило, нерегулярностью в объемно-планировочных решени­ях этажей, что требует смещения осей колонн и ригелей как в плане, так и по высоте. На рис. 4.11 показаны примеры сочетания различных схем по высоте здания. В схемах рис. 4.11, а, б в верхней части каркаса ис-йользована менее жесткая рамная система, а в схеме рис. 4.11, в исполь­зована идея концентрации усилий от горизонтальных нагрузок в мень­шем числе узлов и с более конструктивно гхростьгм примыканием ригелей в остальных узлах. Но для обеспечения горизонтальной жесткости карка­са до схеме в в верхнем этаже поставлена вертикальная связь (ростверк), которая способствует более полному включению в работу на горизон­тальные нагрузки вертикальных элементов каркаса.

Системы со стволами жесткости. Стволы жесткости, которые явля­ются составной частью связевых систем, могут быть использованы для издания каркасов с консольными и подвесными этажами (рис. 4Л2). Конструктивно стволы жесткости можно выполнять из стали, железобе­тона или из их комбинаций. Преимущество стальных стволов заключает-^Ся в возможности сравнительно быстрого монтажа элементов. Стволы Жесткости можно рассматривать как замкнутый тонкостенный консоль­ный брус, защемленный в оснований и воспринимающий вертикальные и горизонтальные нагрузки. Реакция ствола на горизонтальные нагрузкизависит от его формы, степени однородности и жесткости, а также от на­правления действия нагрузок. Так как в уровне каждого этажа в стенках ствола жесткости предусматривают проемы, то степень изменения жест­кости характеризует схему деформирования системы в целом. Ствол мо­жет работать как открытое сечение и испытывать депланацию сечений в верхней части, где отсутствует заделка, особенно при асимметричной на­грузке, вызывающей закручивание.

Основные положения проектирования стальных конструкций многоэтажных зданий

Проектирование несущих конструкций многоэтажного здания удоб­но выполнять по следующей схеме:

• на основании анализа проектов-аналогов зданий, соответствующих по своим параметрам техническому заданию на проектирование, выбери­те конструктивную схему здания, назначьте материалы несущих и отра­жающих конструкций;

• выполните компоновку конструктивной схемы, назначьте типы се­чений основных несущих элементов каркаса, определитесь с узлами и монтажными соединениями;

• назначьте расчетную схему, определите нагрузки и воздействия, задайтесь в первом приближении (на основе аналогов или грубых при­ближенных расчетов) сечениями элементов каркаса и их жесткостями ^или» по крайней мере, соотношением жесткостей;

• выполните статические расчеты на все нагрузки, найдите расчет­ные сочетания усилий и определите внутренние усилия в элементах кар­каса, а также найдите перемещения от нормативных нагрузок и оцените работу здания по второй группе предельных состоянии;

• подберите сечения элементов несущих конструкций, проверьте их йрочность и устойчивость, проверьте соответствие жесткостей элементов изначально заданным и при необходимости повторите расчеты; • выполните конструирование и расчет узлов, соединений и присту­пайте к разработке чертежей.

Особенности расчета конструкций

Стальной каркас многоэтажного здания рассчитывают по критерия^ и П групп предельных состояний (см. [1], разд. 3.2.1).

Каркас многоэтажного здания представляет собой многократно тически неопределимую систему, поэтому точный расчет можно вял⁰'¹нить только на ЭВМ с использованием стандартных программ. Это по­зволяет отказаться от упрощающих предпосылок и в полной мере учиты­вать в расчетах эффект пространственной работы каркаса здания. При компоновочных расчетах и при технико-экономическом анализе вариан­тов технических решений можно использовать приближенные методы ручных расчетов, хотя затрата времени при этом вряд ли будет меньше, чем на подготовку исходных данных для ЭВМ. Тем не менее, если об­стоятельства вынуждают вас остановить свой выбор на ручном счете, то следует обратить внимание на привтцгаиальное различие в работе систем рамных (см. рис. 4.6, д), с внешней пространственной рамой (см. рис. 4.6, б), связевых (см. рис. 4.8) и рамно-связевых (см. рис. 4.9). Это требует ис­пользования для расчета каждой из таких систем своего приближенного способа. Наиболее удобные методы щ)иблвженных расчетов можно най­ти в [3].

Для расчета каркаса многоэтажного здания как вручную, таки на ком­пьютере необходимо знать жесткости всех его элементов. Проще всего в первом приближении их можно принять по аналогам, а при отсутствии таковых назначить на основании грубых ориентировочных расчетов. Ес­ли после подбора сечений элементов каркаса окажется, что различие же­сткостей между заданными и полученными при расчете превысит 30%, то придется повторить все вычисления, приняв во втором приближении най­денные значения жесткостей.

Первоначальные значения жесткостей несущих элементов каркаса можно определить на основании ориентировочного подбора сечении на нескольких уровнях по высоте каркаса, В обычной рамной системе регу­лярной структуры (см. рис. 4.6, а) такой подбор можно выполнить: Дня ригелей средней рамы, параллельной осям х и у, соответственно по моментам:

для внутренних колонн—по более неблагоприятному из моментов (при выбранном типе и ориентации сечения)

Вычислив моменты инерции подобранных сечений средней рамы, для перехода к моментам инерции соответствующих элементов паралле­льной ей крайней рамы можно принять коэффициент 0,6...0,7, если типы и габариты сечений элементов при этом не изменяются. Такой же коэф­фициент сохраняется для отдельной плоской рамы при переходе от ее средней колонны к крайней.

В системе с внешней пространственной рамой с частым шагом.ко­лонн (см. рис. 4.6,6) для предварительного подбора сечений и оценки же-сткостей изгибающие моменты в ригелях и колоннах принимают: для граней, параллельных оси х,

\

для граней, параллельных оси у,

продольные силы в колоннах определяют в зависимости от их грузовой площади и действующих нагрузок вышерасположенных этажей.

Для многоэтажных зданий с металлическим каркасом большое значе­ние имеют проверки по второй группе предельных состояний, особенно для современных высотных зданий. При расчете конструкций по второй группе предельных состояний необходимо проверить: а) вертикальные статические прогабы элементов перекрытий; б) динамические колебания конструкций, возбуждаемые работой оборудования; в) общий горизон­тальный прогиб конструктивной системы и перекос отдельных ее ячеек при действии статической составляющей ветровой нагрузки; г) горизон­тальные ускорения колебаний; вызываемые порывами ветра.

Эти проверки выполняют с целью ограничить перемещения и колеба­ния каркаса, затрудняющие условия жизни и деятельности людей и нор­мальную эксплуатацию инженерных систем. Предельно допустимые, зна­чения перемещений и характеристик колебаний приведены в табл. 4.7.

Горизонтальные перемещения каркаса не должны нарушать целост­ность стен и перегородок, заполняющих ячейки. Поэтому кроме общей проверки каркаса на горизонтальную жесткость необходимо проверить перекос ячеек между соседними ригелями, колоннами и диафрагмами.

Конструкции элементов каркаса

Колонны. Колонны многоэтажного каркасного сооружения являют­ся основными конструктивными элементами каркаса. Они воспринима­ют и передают на фундамент в основном вертикальные нагрузки, но уча­ствуют также в восприятии моментов от ветровой нагрузки. В пределах этажа участок колонны работает на сжатие, иногда с изгибом в одной или двух плоскостях. По сравнению С продольным усилием вклад изгибаю­щих моментов в напряженное состояние колонны обычно мал, поэтому ее чаще всего рассчитывают на центральное сжатие.

Базы колонн. В каркасах многоэтажных зданий, как правило, приме­няют базы для безвьгверочного монтажа колонн (рис. 4.22, а). Плиту базы (обычно из слябов) с фрезерованной или строганной верхней поверхно­стью устанавливают на фундамент по разбивочным осям, ориентируясь на риски 2, выверяют с помощью установочных болтов 3 и подливают це­ментным раствором.

Балки и ригели. Балки и ригели перекрытий работают преимущест­венно на изгиб. Продольные силы в ригелях и балках, как правило, незна­чительны и появляются от горизонтальных нагрузок, передаваемых через балку от наружной стены к диафрагме, стволу жесткости, и от попереч­ных сил в колоннах, обусловленных начальным переломом или искрив­лением их оси.

Сопряжения ригелей с колоннами. Тип сопряжения зависит от кон­структивной схемы каркаса. В связевых системах применяют свободное (шарнирное) прикрепление балок к колоннам, в рамных—жесткое.