Конструктивная система зданий
Чтобы свободно творчески компоновать различные здания необходимо в совершенстве знать современные инженерные конструкции и умело применять их в соответствии с их возможностями и экономикой.
Конструктивное решение здания в целом определяется на первом этапе проектирования выбором конструктивной системы и конструктивной схемы.
Выбор конструктивной системы влияет на планировочное решение, архитектурную композицию и экономическую целесообразность проекта.
В свою очередь на выбор конструктивной системы оказывают влияние типологические особенности проектируемого здания, его этажность и инженерно-геологические условия строительства.
1.Основные положения
Конструктивной системой здания называется совокупность взаимосвязанных конструкций здания, обеспечивающих его прочность, жесткость и устойчивость. Принятая конструктивная система здания должна обеспечивать прочность, жесткость и устойчивость здания на стадии возведения и в период эксплуатации при действии всех расчетных нагрузок и воздействий.
Выбор конструктивной системы здания определяет статическую роль каждой из его конструкций. Материал конструкций и технику их возведения определяют при выборе строительной системы здания.
Конструктивная система может быть однородной (основной) или комбинированной.
2.Основные (однородные) конструктивные системы
В зависимости от внешнего вида несущей конструкции (ее похожесть на стойку, пластину, оболочку и объемный элемент) различают пять классических (основных) конструктивных систем:
каркасную (вертикальная несущая конструкция колонна),
стеновую (диафрагмовую, бескаркасную) (вертикальная несущая конструкция стена),
объемно-блочную (несущая конструкция блок),
ствольную (объемно-пространственная внутренняя несущая конструкция стволы жесткости (ядро жесткости));
оболочковую (переферийную) (объемно-пространственная внешняя несущая конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого профиля, образующей одновременно и наружную ограждающую конструкцию здания).
Внедрение в строительство двух последних видов конструктивных систем (ствольной и оболочковой) началось с 60годов прошлого столетия. Их изобретение запатентовано американским инженером Ф.Каном в 1961г.
рис. …. Планы основных конструктивных систем жилых зданий: а - каркасная; б - бескаркасная; в - объемно-блочная (столбчатая); г - ствольная; д - оболочковая.
Стоечно-балочная конструкция и каркасные системы
Самой древней конструктивной системой, действующей в наши дни, является стоечно-балочная система. Она возникла ещё в эпоху неолита.
Стоечно-балочная конструкция состоит из вертикальных и горизонтальных стержневых несущих элементов. Вертикальный элемент – стойка (колонна, столб) – представляет собой прямолинейный стержень, который воспринимает все вертикальные нагрузки от горизонтального элемента (балки); горизонтальные нагрузки, приходящиеся на стойку, и передает усилия от этих воздействий на фундамент. При этом сама стойка работает на сжатие и изгиб. Горизонтальный элемент стоечно-балочной системы – балка (брус) – прямолинейный стержень, работающий на поперечный изгиб под действием вертикальных нагрузок.
Стоечно-балочная система перекрытий (Греци стойки — колонны, балки — архитравы
Сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов могут иметь различную жесткость, что отражается на характере их совместной работы.
При шарнирном опирании балки обладают свободой горизонтальных перемещений и поворота на опоре, в связи с этим они передают на стойки только вертикальные усилия.
При жестком сопряжении балки со стойкой обеспечивается совместность их деформаций и перемещений в узле сопряжения и возможность передачи изгибающего момента от балки на стойку. Такой вариант стоечно-балочной системы носит название рамы или рамной конструкции, а жесткий узел сопряжения балки со стойкой – рамного узла.
Стоечно-балочные конструкции выполняют с различным числом пролетов и ярусов (этажей). Система несущих конструкций здания в виде многопролетной и многоэтажной стоечно-балочной конструкции называется каркасной системой.
Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов – вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.
Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски перекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждающих конструкций, иногда воспринимая собственный вес (самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие – для несущих элементов каркаса, и тепло – звукоизоляционные материалы – для ограждающих. Использование высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что положительно сказывается на статических свойствах здания.
Каркасная система с пространственным рамным каркасом применяется преимущественно в строительстве многоэтажных сейсмостойких зданий, высотой более девяти этажей, а также в обычных условиях строительства при наличии соответствующей производственной базы.
Каркасная система - основная в строительстве общественных и промышленных зданий. В жилищном строительстве объем ее применения до недавнего времени был ограничен. Основа противопожарных требований при проектировании жилых зданий – последовательное создание вертикальных преград огню – брандмауэров. В сооружении каркасного типа создание брандмауэров велось по встраиванию между колоннами несгораемых вертикальных диафрагм жесткости. Таким образом, заранее ограничивались возможности пространственной планировки, основного преимущества каркасных систем.
Системы перекрытий с древности проектировались из стереотипного подхода к компоновке балочной клетки, т.е. состояли из балок (ригелей) и настила, так конструктивно решаются и деревянные перекрытия. Затем появляются железобетонные ребристые плиты перекрытия, в которых этот подход уже слит в один конструктивный элемент. Появившиеся позднее плоские пустотные плиты перекрытий – являются значительным шагом в проектировании систем зданий нового типа.
В индустриальных жилых зданиях, в сравнении с традиционными сооружениями, имевшими смешанные покрытия, включавшие фрагменты деревянных перекрытий, горизонтальные несущие конструкции впервые начинают выполнять роль «диафрагм жесткости», кроме того, перекрытия воспринимают горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические и др.) и передают усилия от этих воздействий на вертикальные конструкции.
Передача горизонтальных нагрузок и воздействий осуществляется двояко: либо с распределением их на все вертикальные конструкции здания, либо на отдельные специальные вертикальные элементы жесткости (стены, диафрагмы жесткости, решетчатые ветровые связи или стволы жесткости). Индустриальный тип зданий предоставляет и промежуточные решения – передача нагрузки возможна с распределением горизонтальных нагрузок в различных пропорциях между элементами жесткости и конструкциями, работающими на восприятие вертикальных нагрузок.
Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:
По характеру статической работы:
- рамные – с жестким соединением несущих элементов (колонны, ригели) в узлах в ортогональных направлениях плана здания. Каркас воспринимает все вертикальные и все горизонтальные нагрузки. Каркас, состоящий из поперечных и продольных рам (рамный каркас), обладает пространственной жесткостью: его деформации под влиянием силовых воздействий минимальны и не нарушают эксплуатационных качеств здания.Рамные каркасные системы рекомендуется применять для малоэтажных зданий.
Жесткое соединение – это….
- рамно-связевые – с жестким соединением в узлах колонн и ригелей в одном направлении плана здания (создание рамных конструкций) и вертикальными связями, расставленными в перпендикулярном направлении рамам каркаса. Связями служат стержневые элементы (крестовые, портальные) или стеновые диафрагмы, соединяющие соседние ряды колонн. Вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами каркаса и вертикальными пилонами жестких связей.Рамно-связевые каркасные системы рекомендуется применять, если необходимо сократить количество диафрагм жесткости, требуемых для восприятия горизонтальных нагрузок.
- связевые – отличаются простотой конструктивного решения соединений колонн с ригелями, дающее подвижное (шарнирное) закрепление. Каркас (колонны, ригели) воспринимает только вертикальные нагрузки. Горизонтальные усилия передают на связи жесткости – ядра жесткости, вертикальные пилоны, стержневые элементы. Каркас с шарнирными сопряжениями пространственной жесткостью не обладает. Для ее обеспечения вводятся специальные конструкции вертикальных связей. В качестве связей могут быть использованы отдельные стены (диафрагмы жесткости), рамы, раскосы и др. В рамных и связевых каркасах горизонтальными диафрагмами жесткости служат конструкции перекрытий.
Шарнирное соединение – это…..
Рис. …. Каркасные конструктивные системы
а, б — связевые с вертикальными диафрагмами жесткости; в — то же, с распределительным ростверком в плоскости вертикальной диафрагмы жесткости; г — рамная; д — рамно-связевая с вертикальными диафрагмами жесткости; е — то же, с жесткими вставками
1 — вертикальная диафрагма жесткости; 2 — каркас с шарнирными узлами; 3 — распределительный ростверк; 4 — рамный каркас; 5 — жесткие вставки
По материалам:
- железобетонный каркас, выполняемый в сборном, монолитном или сборно-монолитном вариантах. Шаг колонн, как правило принимают 6*6м.
- металлический каркас, часто применяемый при строительстве общественных и многоэтажных зданий, возводимых по индивидуальным проектам.
- деревянный каркас в зданиях не выше 2-х этажей.
Примеры устройства металлического каркаса:
рис…..
Соединение элементов рам между собой – фланцевое, на высокопрочных болтах с предварительной затяжкой
Жесткость каркаса здания в целом обеспечивается системой гибких вертикальных и горизонтальных связей, устанавливаемых с предварительным натяжением, и распорок
В жилищное и офисное строительство технологии строительства из металла массово вошли благодаря разработке металлокаркасных технологий и усилиям американских строителей. Первое здание с металлическим каркасом высотой всего 11 этажей появилось в самом начале ХХ века в Нью-Йорке. Настоящий расцвет строительства из них начался, когда в Америке взметнулись ввысь небоскребы. В России великолепным примером здания с металлическим каркасом является заложенный в 1949году 36-этажного здания МГУ на Воробьевых горах.
Следует отметить, что до ненавнего времени в России строительные металлоконструкции так и оставалась уделом уникальных сооружений. Лед тронулся после перестроечных 90гожов прошлого столетия, но востребованность таких зданий до недавнего времени была невысокой (для сравнения, доля домов из МК в странах Скандинавии достигает 80% - против 5% в России). Перелом наступил, когда на отечественном рынке появились недорогие и качественные коммерческие сооружения из металла для сельского хозяйства, логистики и спорта. Сегодня востребованность их растет с каждым годом, а появление подобных технологий в жилищном строительстве обещает настоящую революцию в ценах и качестве квартир.
Пример решения металлического каркаса для многоэтажного жилого здания.
Стеновая (бескаркасная) конструктивная система
Бескаркасная система - самая распространенная в жилищном строительстве, ее используют в зданиях различных планировочных типов высотой от одного до30 этажей.
При этом различают несколько конструктивных схем:
- с поперечным расположением несущих стен,
- с продольным расположением несущих стен,
- с продольно-поперечным расположением несущих стенами.
Стены, в зависимости от воспринимаемых ими вертикальных нагрузок, подразделяются на несущие, самонесущие и ненесущие.
Несущей называется стена, которая помимо вертикальной нагрузки от собственного веса, воспринимает и передает фундаментам нагрузки от перекрытий, крыши, ненесущих наружных стен, перегородок в т.д.
Самонесущей называется стена, которая воспринимает и передает фундаментам вертикальную нагрузку только от собственного веса (включая нагрузку от балконов, лоджий, эркеров, парапетов и других элементов стены). Самонесущие стены могут применяться также внутри здания в виде вентиляционных блоков, лифтовых шахт и тому подобных элементов с инженерным оборудованием.
Ненесущей (навесной) называется стена, которая поэтажно или через несколько этажей передает вертикальную нагрузку от собственного веса на смежные конструкции (перекрытия, несущие стены, каркас).
Внутренняя ненесущая стена называется перегородкой.
Объемно-блочная система
Объемно-блочная система зданий в виде группы отдельных несущих и установленных друг на друга объемных блоков (столбов) применялась для жилых домов высотой до 12 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях. Столбы объединялись друг с другом гибкими или жесткими связями.
Здание может быть решено в следующих конструктивных системах: объемно-блочной, каркасно-блочной, с монолитным ядром жесткости.
Не отредактирвоанный рис. Из рис только под литерой б нужно оставить. Под литерой а – в лекции строит системы
4- по конструктивной схеме – блочные
5- по конструктивной схеме – панельно-блочные
6- по конструктивной схеме – каркасно-блочные
Ствольная система
Ствольная система представляет собой наиболее специфичную для высотного строительства несущую конструкцию.
В ствольных конструктивных системах вертикальными несущими конструкциями являются внутренние стволы, образуемые преимущественно стенами лестнично-лифтовых шахт (а также вентиляционными шахтами и с возможным пропуском в стволе других коммуникаций), на которые непосредственно или через распределительные ростверки опираются перекрытия. Поскольку ствол (в оптимальном соотношении занимает ок. 20% площади плана здания) чаще всего располагается в геометрическом центре плана, возник термин «ядро жесткости». Сечение ядра жесткости часто ограничено сечением лестнично-лифтовых узлов, располагаемых внутри ядра.
Ствол жесткости обычно располагают в центральной части здания. В зданиях большой протяженности предусматривают несколько стволов жесткости или переходят к комбинации стволы жесткости +плоские диафрагмы или рамы. Ствол представляет собой объемно-пространственную внутреннюю несущую конструкцию на высоту зданий в виде тонкостенных стержней открытого или замкнутого профиля. Открытая форма профиля (например, крестообразная) удачна в отношении объемно-планировочного решения здания, но редко применяемая. Она исключает трубоемкое и металлоемкое устройство многочисленных надпроемных перемычек, необходимых в стволах закрытого сечения и упрощает установку лифтов. Ограничение в их применении оправдано только в особо высоких сооружениях, когжа жесткость ствола открытого сечения может оказаться недостаточной.
По способу опирания (связи с несущим стволом) междуэтажных перекрытий различают ствольные системы с консольным (с поэтажным опиранием перекрытий на защемленные в стволе консольные балки), этажерочным и подвесным (на гибких тросах или жестких подвесах) опиранием этажей, в т.ч. подвешенными к горизонтальным ростверкам и мостовые («висячий дом»), а так же смешанная с опиранием и подвеской на один (или несколько) из жестких консольных ростверков, которые воспринимают нагрузки от несущих и ограждающих конструкций нескольких этажей здания(рис. …).
Рис. …. Ствольные конструктивные системы (с одним несущим стволом)
а, б — консольные; в, г — этажерочные; д, е — подвесные мостовые
1 — несущий ствол; 2 — консольное перекрытие; 3 — консоль высотой в этаж; 4 — консольный мост (аутригер-ростверк); 5 — ростверк; 6 — подвеска
Несущие конструкции ствольных зданий преимущественно железобетонные. Сечение стен монолитного ствола в зависимости от этажности меняется от 40-100см (класс бетона В50 и В60), в нижних этажах до 20-30см в верхних (В30).
Реже ствол представляет собой стоечно-балочную стальную обетонированную решетчатую клетку.
Ствольные конструктивные системы рекомендуется применять при строительстве зданий, в которых необходимо свободное пространство под зданием, в зданиях высотой более 16 этажей, а также при сложных инженерно-геологических условиях. 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.). Ствольные системы обеспечивают свободу планировочных решений, поскольку пространство между стволом и наружными ограждающими конструкциями может быть свободно от опор.
Эта система наиболее широко и полно позволяет применять развитую пластику фасадов (например, 260м здание коммерц-банка г.Франкфурт-на-Майне, где светопрозрачные ограждения зимних садов заглублены во внутрь здания).
Конструктивная схема с монолитным стволом, поддерживающим ан консолях ………..конструкции
рис. …. Так может выглядеть здание, возведенной с использованием ствольной системы. Дом-кактус в Роттердаме
Дом пивоваренной компании «Астра»
Оболочковая система
Эта система отличается максимальной жесткостью среди рассмотренных в связи с тем, что несущие конструкции расположены по внешнему контуру. Поэтому она наиболее часто применяется при проектировании самых высоких зданий – свыше 200м. Оболочковая система присуща уникальным высотным зданиям жилого, административного (офисного) или многофункционального назначения.
В зависимости от архитектурного решения внешняя несущая оболочка может иметь призматическую, цилиндрическую, пирамидальную или другую форму).
Иногда оболочковая система мало отличима от оболочково-ствольной системы. Различие заключается в предусмотренном проектом распределении горизонтальной нагрузки: только на оболочку (ствол работает только на вертикальные нагрузки от перекрытия) либо на оболочку и ствол. В последнем варианте несколько утяжеляются конструкции перекрытия в связи с их включением в работу на горизонтальные воздействия. Большинство зданий все же построено по оболочково-ствольной системе. По основной оболочковой системе были построены, например, здания-близнецы WTC в Нью-Йорке.
Несущая часть оболочкового здания (когда оболочка выполняет только несущую функцию) монолитную железобетонную оболочку с регулярно расположенными проемами, сборно-монолитную железобетонную решетку. Чаще всего в Европе последние годы выполняются оболочки монолитные из тяжелого бетона (перфорированная стена) с последующим утеплением и внешней облицовкой. В случае выполнения оболочки, совмещающей несущие и теплоизолирующие функции стены, конструкция выполняется из конструктивного легкого бетона.
Индивидуальной специфической задачей проектирования оболочковых зданий стало решение конструкции несущей наружной оболочки, совмещающей несущие и ограждающие функции. В этом случае она представляет собой раскосную или безраскосную стальную многоярусную пространственную ферму. Вариативность таких ферм, в течение последних десятилетий прошедших внедрение, велика:
- пространственная бескаркасная многоэтажная и многопролетная решетка с частым шагом колонн и поэтажными ригелями-перемычками;
- пространственная решетчатая макроферма крупного модуля, раскосы которой охватывают 10-15 этажей, с редким шагом колонн;
- пространственная безраскосная решетка, жесткость которой повышает глухое заполнение диагонально расположенных проемов;
- решетки из диагональных стержней;
- решетки из диагональных и горизонтальных стержней;
- решетки из диагональных и ортогональных стержней.
При возрастании высоты здания свыше 200м жесткость рассмотренных конструктивных решений недостаточна и переходят к пространственным перекрестно-стержневым структурам с обязательными горизонтальными аутригерами-ростверками.
Также средством повышения жесткости оболочки может служить переход от оболочковой системы к оболочково-диафрагмовой конструкции («пучку в трубе»).
Конструкции высотных зданий непрерывно совершенствуются и становятся все более разнообразными. В последние десятилетия получают активное внедрение трубобетонные конструкции железобетонного каркаса. Их высокая несущая способность способствовала пересмотру сложившегося за последние 30лет подхода к назначению зданий выше 300м только оболочковой системы (например, 1998г две башни Петронас-Тауэр в Куала-Лумпуре высотой 452м).
Мах разм в плане зд. США иГермании отв. Треб. Естест. освещен