10616

45

–для систем инженерного обслуживания – увеличивается;

–для несущих конструкций каркаса – резко возрастает.

Для зданий с числом этажей 40…80 стоимость каркаса возрастает на 50…70% от средней и составляет около 1/3 стоимости здания.

Поэтому рациональность конструктивной системы может оказать решающее влияние на экономичность здания в целом, особенно при большой высоте. При этом тип конструктивной системы, материал и конструктивные решения несущих элементов выбирают на основе технико-экономического сравнения сопоставимых вариантов с учетом условий строительства.

2.2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ, ПРИНЦИПЫ КОМПОНОВКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Стальные каркасы высотных зданий подразделяются на следующие системы:

–рамные;

–связевые;

–рамно-связевые;

–ствольные, - в зависимости от распределения функций по обеспечению их пространственной жесткости и устойчивости от воздействия всех видов возможных нагрузок.

Рассмотрим каждую из них более подробно.

Основные рамные системы

Они состоят из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями.

Перемещения рамной системы от горизонтальных нагрузок суммируются от перемещений общего изгиба всей рамы как пространственной консоли и перемещений сдвигового типа в форме относительных смещений ярусов рамы между технологическими этажами или этажами жесткости, вызванных местным изгибом колонн и ригелей. Как показывают исследования, вклад сдвиговых смещений преобладает.

Рамная система может иметь следующие основные типы:

–пространственная рама из плоских перекрестных рам;

–рамная система с внешней пространственной рамой;

–секционно-рамная пространственная система.

а) Пространственная рама из плоских перекрестных рам (рис. 3.1.1) состоит из регулярно расположенных по всему плану здания колонн с шагом 6…9 м, которые имеют небольшие габариты поперечных сечений. В таких рамах влияние горизонтальных нагрузок существенно увеличивает расход стали на колонны из-за их неравномерной нагружен-

46

ности. Такие системы экономически оправданы [1, 4] в зданиях в 30 этажей для стальных каркасов и в 20 этажей в зданиях с железобетонным каркасом. В горизонтальных перемещениях таких рам сдвиговые смещения составляют 70…90% от полных перемещений рамы.

б) Стальной каркас с внешней пространственной рамой (рис. 3.1.2) имеет повышенную изгибную жесткость за счет размещения основных колонн только по контуру здания. Она впервые была применена в США в нескольких зданиях с прямоугольным и треугольным планами высотой 350…400 мм. При этом из-за больших габаритов зданий в плане система была дополнена внутренними центрально сжатыми колоннами с шарнирными узловыми

соединениями для восприятия только вертикальных нагрузок. В таких рамах относительная доля сдвиговых смещений составила 30…40% от полных перемещений рамы. Такая система имеет также высокую жесткость на кручение. Конструктивные элементы внешней рамы (при определенных условиях) могут выполнять функции несущих конструкций наружных стен.

в) Секционно-рамная система структурно в плане напоминает обычную рамную, объединенную с внешней пространственной рамой. Жесткость такой системы существенно выше каждой из двух предыдущих благодаря дополнительному сопротивлению смещения внутренних рам и более равномерному включению граней внешней рамы в работу на общий изгиб. В такой системе конструкции перекрытий в пределах отдельных секций могут иметь пролеты в пределах 15…20 м с шарнирными опорами. Конструктивная схема секционно-рамной системы приведена на рис. 3.1.3.

47

Рис. 3.1.1. Пространственная рама из плоских перекрестных рам

48

Рис. 3.1.2. Стальной каркас с внешней пространственной рамой

49

Рис. 3.1.3. Секционно-рамная система

50

Связевые системы

Они состоят из связевых конструкций и колонн, шарнирно присоединенных к связевым конструкциям ригелями. В данной системе функции обеспечения жесткости распределены резко неравномерно:

–на горизонтальные нагрузки фактически работают только связи и связевые колонны;

–на вертикальные нагрузки работают колонны, не вошедшие в состав связевой конструкции;

–ригели работают в основном на поперечные усилия от вертикальных нагрузок и немного на продольные усилия от горизонтальных воздействий.

Перемещения связевой системы в основном имеют изгибный характер и определяются ее деформациями. Внутренние колонны как бы освобождены от усилий изгиба и требуют меньшего расхода стали.

В такой системе проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию.

Связевые системы имеют следующие разновидности:

–с диафрагмами;

–с внутренним стволом;

–с внешним стволом.

а) Связевая система с диафрагмами состоит из колонн, диафрагм и ригелей. Диафрагмы выполняют или в виде плоских вертикальных ферм, или в виде сплошных стенок жесткости (обычно железобетонных), или в виде мощных рам. Диафрагмы из вертикальных ферм устанавливают в 2-х перпендикулярных направлениях в разных осях, создавая вертикальные диски с внутренними колоннами, которые воспринимают всю ветровую нагрузку. При этом колонны, вошедшие в состав вертикальных диафрагм, работают совместно с решеткой ферм как пояса диафрагм, а колонны, не вошедшие в состав диафрагм, воспринимают только вертикальные нагрузки. Конструктивная схема связевой системы с диафрагмами приведена на рис. 3.2.1.

52

–с открытым поперечным сечением;

–с замкнутым поперечным сечением.

Если в стволе совмещаются функции жесткости и ограждения лифтовых и коммуникационных шахт, то стенки ствола делают замкнутыми несущими из железобетона, воспринимающими вертикальные и горизонтальные нагрузки. Но возможно решение ствола открытым в виде стальной пространственной фермы или жесткой рамы. Конструктивная схема связевой системы с внутренним стволом приведена на рис. 3.2.2.

в) Связевая система с внешним стволом наиболее эффективна в обеспечении жесткости на горизонтальные нагрузки. В этой системе внешний ствол в форме пространственной стальной фермы выведен на фасады, а внутренний каркас из центрально сжатых колонн и шарнирно опирающихся на них ригелей поддерживает перекрытия и стенки лифтовых шахт. Конструктивная схема связевой системы с внешним стволом приведена на рис. 3.2.3. Разновидности сочетаний в одной связевой системе внутренних и внешних стволов приведены в [2, c. 425]. При проектировании подобных систем важно выявить целесообразное перераспределение материала между связевыми конструкциями, обеспечив нормативные требования как по жесткости на горизонтальные нагрузки каркаса, так и на вертикальные нагрузки ригелей, увеличивая их пролеты при необходимости (особенно в каркасах общественных зданий). В [1] отмечено, что имеется практика строительства общественных зданий с такими связевыми системами высотой в пределах 40…70 этажей.

Рамно-связевые системы

Отличаются от связевых рамными жесткими соединениями ригелей с колоннами, не входящими в связевую систему. В этих системах функции обеспечения жесткости распределены между связевой и рамной частями. При этом на связевую часть приходится до 70% горизонтальных нагрузок.

53

Рис. 3.2.2. Связевая система с внутренним стволом

54

Рис. 3.2.3. Связевая система с внешним стволом