Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Строительные конструкции для студентов специальности 1-70 01 01 - Производство строительных изделий и конструкций

Тема 4.2. Проектирование несущих конструкций каркасных зданий

Основные несущие конструкции каркасных зданий: диафрагмы, колонны, ригели

Многоэтажные сборные рамы членят на отдельные элементы, изготовляемые на заводах и полигонах, с соблюдением требований технологичности изготовления и монтажа конструкций. Ригели рамы членят преимущественно на отдельные прямолинейные элементы, стыкуемые по грани колонны скрытым или консольным стыком (рис. 4.13,а,б). Колонны также членят на прямолинейные элементы, стыкуемые через два этажа – выше уровня перекрытия. Чтобы сохранить монолитность узлов и уменьшить число типов сборных элементов, многоэтажные рамы в некоторых случаях членят на отдельные одонопролетные одноэтажные рамы (рис. 4.13,в).

Рис. 4.13. Конструктивные схемы членения многоэтажных рам на сборные элементы

Типовые ригели пролетом 6 м армируют ненапрягаемой арматурой, пролетом 9 м – напрягаемой арматурой в пролете (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Армирование ригеля поперечной рамы пролетом 9м

Стыки многоэтажных сборных рам, как правило, выполняют жесткими. При шарнирных стыках уменьшается общая жесткость здания и снижается сопротивление деформированию при горизонтальных нагрузках. Этот недостаток становится особенно существенным с увеличением числа этажей "каркасного здания. Шарнирные стыки ригелей на консолях колонн неэкономичны, особенно в сравнении с жесткими бесконсольными стыками ригелей.

181

Поверх ригеля уложены ребристые панели с зазором между их торцами 12 см. Жесткость узлового сопряжения ригеля с колонной обеспечивается соединением на опоре верхней арматуры ригеля. Для этой цели в колонне предусмотрено отверстие, через которое пропускают опорные стержни стыка. Для укладки панелей в ригелях могут быть выступающие полочки (рис. 4.15). После монтажа сборных элементов, укладки и сварки опорной арматуры ригеля полости между панелями и зазоры между торцами ригеля и колонной заполняют бетоном, чем достигается замоноличивание рамы. При этом ригели благодаря совместной работе с панелями работают как тавровые сечения.

Сборно-монолитные рамы также выполняют с жесткими узлами. Ригель таврового сечения имеет выступающие кверху хомуты и открыто расположенную верхнюю опорную арматуру (рис. 4.15,а).

Рис.4.15. Конструкция узлов сборно-монолитной рамы а – до замоноличивания; б – после замоноличивания

Колонны

Колонны зданий массового строительства при высоте до 16 этажей имеют унифицированное сечение 400400 мм (рис. 4.16,а). Увеличение их несущей способности в нижних этажах достигается повышением класса бетона (до C50/60) и процента армирования гибкой арматурой (до = 1 5 % ) .

182

тона при сжатии повышаются более чем в 2 раза и напряжения в сжатой высокопрочной арматуре достигают условного предела текучести. Наряду с этим появились предложения по усилению колонн нижних этажей, на груженных продольными силами с малыми эксцентриси тетами, сердечниками из высокопрочной гибкой армату ры (рис. 4.16,б).

Разрезка колонн линейная, на несколько этажей. Имеется тенденция к увеличению длины сборных элементов колонн до 4...5 этажей (до 15 м) в целях уменьшения числа стыков и исключения случайных эксцентриситетов, вызванных неточностями монтажа. Для таких гибких элементов существенное значение приобретает расчет прочности и трещиностойкости в стадиях транспортиро вания и монтажа. В целях повышения этих качеств целе сообразно предварительно напрягать продольную арма туру колонн. Стыкование колонн по высоте производится ванной сваркой выпусков рабочей арматуры или без сварки через тонкие растворные швы.

Особенностью стыков, выполняемых ванной сваркой арматуры больших диаметров 36...40 мм, является возникновение сжатия в бетоне и растяжения

варматуре из-за разогрева стержней при сварке. Растягивающие напряжения

варматуре могут привести к разрыву стержней. Во избежание этого сварку стержней выполняют по диагонали последовательно по одному стержню или попарно. Для уменьшения свободной длины сварных вы пусков продольной

арматуры колонны устраивают хомут = 12 мм, охватывающий продольные рабочие стержни и предохраняющий их от потери устойчивости.

Диафрагмы

Диафрагмы, воспринимающие главным образом горизонтальные нагрузки, обычно образуются из железобетонных панелей толщиной 14...18 см, располагаемых между колоннами и соединенных с ними с помощью связей, воспринимающих сдвигающие усилия. Панели диафрагм могут быть плоскими или двухконсольными (рис. 4.16,г,д). Плоские панели устанавливают по осям, параллельным направлению настилов перекрытий. Двухконсольные располагают в плоскостях, параллельных рамам каркаса, совмещая их с ригелями. Армируют панели контурными и промежуточными каркасами из стержней 12...16 мм или сетками из проволоки 5...6 мм с шагом 200 мм, располагаемым у обеих граней. Связи между панелями и колоннами осуществляют путем сварки закладных деталей: вертикальные швы заполняют цементно-песчаным раствором, горизонтальные швы – бетоном на мелком щебне. Горизонтальные стыки диафрагм могут быть шпоночными и плоскими. Практика показывает, что при таком соединении диафрагмы работают как сплошные монолитные столбы.

Количество и расстановка диафрагм в плане здания должны обеспечивать необходимую прочность и пространственную жесткость здания в обоих направлениях, препятствовать кручению его в плане, не создавать больших температурных усилий или неравномерных деформаций вертикальных элементов. Следует стремиться к сокращению общего числа диафрагм, увеличивая их размеры.

184

При больших горизонтальных нагрузках в диафрагмах, обычно работающих на сжатие, в части сечений могут возникать растягивающие усилия. В этом случае диафрагмы могут быть запроектированы предварительно напряженными (рис. 4.16,е).

Ригели

Ригели проектируют таврового сечения с полкой в нижней зоне, на которую опираются плиты перекрытий; такое решение позволяет снизить строительную высоту этажа, однако в этом случае необходимо исключить возможность откола полки в месте ее примыкания к ребру путем увеличения ее высоты или армирования. Соединение ригелей с колоннами в связевых системах осуществляют с помощью стыка со скрытой консолью (рис. 4.17,в), воспринимающего небольшой опорный момент.

Рис. 4.17. Стыки ригелей с колоннами:

1 – ванная сварка; 2 – стыковые стержни; 3 – вставка арматуры; 4 – бетон омоноличивания; 5 – монтажный сварной шов;

6 – закладные детали; 7 – накладка «рыбка»

Ограничение опорного момента заданной величиной (55 кНм) достигают с помощью специальной металли ческой накладки по верху ригеля – «рыбки», привариваемой к ригелю и колонне. «Рыбка» имеет суженный участок, поперечное сечение которого соответствует растягивающему усилию при заданном опорном моменте. Увеличение нагрузки вызывает в суженной

185

части накладки пластические деформации, обеспечивающие поворот сечения ригеля без увеличения опорного момента. Стык связевого каркаса может также решаться шарнирным. Конструкция его отличается от рассмотренной отсутствием «рыбки».

Врамно-связевых системах, где узлы воспринимают изгибающие моменты от эксплуатационных нагрузок, стык принципиально решается так же, как и в рамных системах (рис. 4.17,а).

Взданиях рамно-связевой системы роль продольных ригелей выполняют предварительно напряженные плоские панели-распорки, которые выступами опираются на полки ригелей.

Перекрытия зданий с ядрами жесткости, имеющих сложное очертание в плане, могут выполняться в виде монолитных безбалочных плит, возводимых методом подъема перекрытий.

Расчет и конструирование элементов многоэтажных зданий и их стыков

Расчет колонн

Колонны являются частью каркаса здания. Их расчет и конструирование зависит от конструктивной схемы здания. Проектирование колонн также зависит от их конструктивных особенностей:

1.стыков колонн с ригелями.

2.стыков колонн по высоте.

3.сопряжение колонны с фундаментом и так далее.

Расчет должен гарантировать, что даже при наиболее комбинации расчетных нагрузок не произойдёт потеря устойчивости колонны и соответственно всей системы. При этом прочность всех сечений колонны по высоте должна быть обеспечена. В упрощенном методе расчета допускается рассматривать работу каркасов раздельно в поперечном и продольном направлении, с учетом при необходимости продольного изгиба.

Методы расчета колонн:

–Нелинейный (по деформированной схеме). При определении схем нагрузок, эпюр и перемещений с использованием упрощенных зависимости кривизны от продольных сил и изгибающих моментов, то есть с учетом образования трещин.

–Линейный (по недеформированной схеме). Проверка выполняется для наиболее нагруженных сечений по усилиям, определяемым из линейного упругого статического расчета. При этом усилия корректируются учетом влияния эффектов второго порядка (продольного изгиба).

Колонны являются гибкими сжатыми элементами и поэтому согласно всем нормам необходим учет влияний гибкости и начальных эксцентриситетов.

Общая последовательность расчета и конструирования (проектирования) колонн:

Шаг 1. Назначение типа конструктивного решения колонны (зависящий от вида каркаса) и расчетной схемы колонны.

186

Шаг 2. Определение действующих нагрузок и усилий.

Шаг 3. Определение эффектов (моментов) первого порядка.

Эффекты первого порядка – эффекты от воздействия, которые рассчитываются без учета влияния деформации конструкции, но с учетом геометрических несовершенств. Моменты первого порядка в колоннах определяются без учета гибкости, при этом следует учитывать неблагоприятные эффекты от возможных отклонений в геометрии сечений и в расположении нагрузок (геометрических несовершенств).

Эффекты первого порядка могут учитываться в виде эксцентриситета, определяемого из следующих условий: минимальный эксцентриситет е0 = h/30, но не менее 20 мм, при этом h является высотой сечения; либо в виде геометрических несовершенств, которые могут быть представлены углом наклона стоек рамы согласно п. 5.2.(5) [7].

Шаг 4. Проверка и, при необходимости учет эффектов второго порядка

– дополнительных эффектов от воздействий, обусловленных деформацией конструкции. Для гибких сжатых элементов необходим анализ необходимости учета продольного изгиба.

Непосредственный учет эффектов второго порядка зависит от отношения фактической и предельной гибкости. Фактическая гибкость – отношения расчетной длины к радиусу инерции. Предельная гибкость λ lim – определяется с учетом специфики каждой страны.

Шаг 5. Определение области деформирования сечения колонны с помощью относительного момента сжатой зоны сечения

Шаг 6. Определение площади арматуры. Выполняется по значению изгибающего момента относительно центра тяжести, растянутой (или менее сжатой арматуры).

Шаг 7. Конструирование колонн. Конструктивные особенности сжатых элементов согласно требованиям п.9.5.2, 9.5.3 [7].

Стыки колонн

Жесткие стыки колонн многоэтажных рам воспринимают продольную силу N, изгибающий момент М и поперечную силу V. Арматурные выпуски стержней диаметром до 40 мм стыкуют ванной сваркой (рис. 4.18). При четырех арматурных выпусках для удобства сварки устраивают специальные угловые подрезки бетона длиной 150 мм, при арматурных же выпусках по периметру сечения подрезку бетона делают по всему периметру. Концы колонн, а также места подрезки бетона усиливают поперечными сетками и заканчивают стальной центрирующей прокладкой (для удобства рихтовки на монтаже). После установки и выверки стыкуемых элементов колонны и сварки арматурных выпусков устанавливают дополнительные монтажные хомуты диаметром 10…12 мм. Полости стыка – подрезки бетона и узкий шов между торцами элементов замоноличивают в инвентарной форме под давлением.

187

–с центрирующей прокладкой. В этом случае колонны стыкуют сваркой торцевых стальных листов, между которыми при монтаже устанавливается специальная центрирующая прокладка.

–со сферическими закладными деталями. При расчете шарнирных стыков учитывается нагрузка, определяемая для конструктивных схем по связевой системе каркаса.

Основные положения расчета стыка с центрирующей прокладкой:

1.Расчет на местное смятие (сжатие) элементов с косвенным армирова-

нием.

2.Расчет сварных швов.

Консоли колонн

Консоли колонн служат для опирания (сопряжения) ригелей с колоннами и являются одним из ответственных элементов конструкции колонн, так как от вида и варианта опирания ригеля на колонну зависит расчетная схема и соответственно весь расчет колонны.

Классификация консолей: 1. железобетонная консоль.

–прямоугольной формы с опиранием на них ригелей с подвеской (шарнирный стык), серия И.04, 1.020.

–консоль ломаного очертания, как правило с устройством жесткого стыка, со сваркой выпусков стержней, проходящих через тело колонны и верхних стержней ригеля, серия ИИ.20, 1.420.

2. металлическая консоль.

–пропускная консоль.

–шарнирный стык.

3. бесконсольный стык

Рис. 4.19. Армирование консоли колонн при шарнирном опирании ригеля

189