3. Общие принципы проектирования несущих конструкций зданий
3.1. Конструктивные системы зданий
Конструктивное решение здания, также как и объемно-планировочное, должно быть функционально и технически целесообразным, экономичным в строительстве и эксплуатации. Кроме того, как отмечалось, конструктивное решение должно отвечать всем многообразным требованиям прочности, устойчивости, долговечности, пожарной безопасности и благоустройства.
Конструктивные элементы, из которых состоит остов здания, т.е. несущие конструкции, размещаются в строго определенном порядке, образуя конструктивную систему, способную воспринимать все внешние силовые воздействия и передавать их на основание здания.
Т.о. конструктивная система представляет собой совокупность взаимосвязанных несущих конструкций здания, обеспечивающих его прочность, жесткость и устойчивость.
Конструктивные системы различаются по форме, устройству и характеру работы, т.е. по способу распределения и передачи усилий, возникающих от внешних воздействий.
Известны три конструктивные системы зданий:
- стоечно-балочная;
- арочная (сводчатая);
- висячая (вантовая).
Простейшая и вместе с тем наиболее распространенная в строительстве – стоечно-балочная конструктивная система (рис. 3.1.).
Рис. 3.1. Элементы стоечно-балочных конструктивных систем: а – балка на двух опорах; б – плита (горизонтальная панель); в – плита, опирающаяся по контуру; г – стойка (колонна, столб); д – плита (вертикальная панель); е – рама с шарнирным опиранием ригеля; ж – рама с жесткими соединениями; з – каркас с элементами жесткости; и – стеновой конструктивный тип; 1 – шарнирное сопряжение; 2 – жесткое сопряжение; элементы жесткости; 3 – рама; 4 – стена; 5 – связи; 6 – каркас с шарнирным сопряжением; 7 – перекрытие (горизонтальные связи).
Элементами этой системы являются балка и стойка (рис. 3.1.. а, г).
Балка – прямой брус, опирающийся на одну или несколько опор и загруженный в основном вертикальной нагрузкой.
Балка свободно лежащая на двух опорах и перекрывающая один пролет называется разрезной, несколько пролетов – неразрезной, многопролетной (рис. 3.1. а, е).
Стойка (столб, колонна) – прямой брус, используемый в качестве вертикальной опоры (рис. 3.1. г).
Балка работает на изгиб, свайно передает нагрузку на фундамент, при этом в ней возникают сжимающие и часто изгибающие усилия.
Ряд балок или стоек, как бы расположенных вплотную друг к другу и жестко связанных между собой образуют стену (рис. 3.1. д) и плиту (рис. 3.1. б).
Стоечно-балочная конструктивная система может быть плоскостной (все элементы расположены в одной плоскости) и пространственной (каркас здания).
Деление на плоскостные и пространственные условно, поскольку конструктивные элементы здания всегда образуют пространственную систему. Однако для упрощения конструирования и расчета конструкция условно расчленяется на плоскостные системы или элементы.
Стоечно-балочная конструктивная система из плоских элементов наиболее распространена. Основные преимущества этой системы:
- простота расчленения на сборные элементы;
- облегчение типизации заводского изготовления;
- удобство транспортирования и монтажа.
Но в связи с тем, что элементы этой системы, прежде всего горизонтальные, работают на изгиб, неэффективно используется материал конструкций. Например, отношение высоты элементов перекрытий к их пролету для обеспечения требуемой жесткости для железобетонных плит перекрытий, опертых по всему контуру, должно быть не менее 1/301/40, а для балочных 1/201/30.
Вторая конструктивная система зданий – арочная (сводчатая). Простейшая криволинейная плоская система – арка – брус, имеющий в продольном направлении криволинейное очертание (окружности, параболы и т.п.) (рис. 3.2. а). В арке возникают сжимающие и только при определенных условиях изгибающие усилия. Поэтому в арках материал работает более эффективно и ими можно перекрывать значительно большие пролеты, чем балками.
Арка передает на опоры не только вертикальные силы, но и горизонтальные, так называемый распор, который может быть погашен устройством затяжки – элемента, затягивающего пяты арки и работающего на растяжение.
Рис. 3.2. Арочная (сводчатая) конструктивная система: а – арка; б – цилиндрический свод; г – сомкнутый свод; д – купол; е – парусный свод; ж – пологая оболочка; з – бочарный свод; и – лотковый свод; к – поверхность в форме гиперболического параболоида; л – покрытие из четырех оболочек в форме гиперболического параболоида; 1 – затяжка; 2 - распалубка; 3 – щека.
Помимо арочной (плоскостной) применяется сводчатая (пространственная) конструктивная система (рис. 3.2. в-л).
Особенность статистической работы ее состоит в том, что восприятие внешних нагрузок, прочность и устойчивость конструкции обеспечивается за счет работы материала в двух направлениях и пространственной формой конструкции, без подразделения характерного для плоских систем на основные и встроенные несущие конструкции и без последовательной передачи усилий от второстепенных элементов к основным. Благодаря этому в пространственных конструкциях материал работает более эффективно. Несущая способность пространственной конструкции определяется не величиной поперечного сечения несущих плоских элементов, а главным образом, пространственной формой конструкции. Так для купольных железобетонных покрытий толщина сечения составляет всего 1/5001/750 пролета.
К основным недостаткам этих систем относится:
- монтаж, пространственных конструкций требует, как правило, устройства лесов, которые при большой высоте требуют дополнительных затрат материалов и времени (до 40%);
- для пространственных металлических стержневых систем не требуется возведения лесов, но значительные затраты металла.
Третьей, возникшей уже в ХХ веке, конструктивной системой зданий является висячая (вантовая) (рис. 3.3.). Основным несущим элементом для висячих конструкций могут служить металлические канаты, тросы или, как обычно их называют, ванты, металлические полосы и целые листы из стали и алюминия (мембраны), металлический прокат, синтетические и другие материалы. Они закрепляются по концам на опоры, провисают, образуя линию гибкой нити и работают на растяжение. Прочность материала в висячих конструкциях используется наиболее полно: стальной лист толщиной 1мм позволяет покрыть круглое здание диаметром 100 м; толщиной 2 мм – 200 м и 3 мм – 300 м при расчетной нагрузке 200 Н/м2. 1 мм толщины листа на 0,785 d2 квадратных метров перекрываемой площади: 7850, 31400 и 70650м2 соответственно. Ребристым, работающим на изгиб настилом, штампованным из листа той же (1 мм) толщины, можно перекрыть пролет не более 3 м, или 1,5-3 м2. Для выпуклой и потому противоестественной конструкции оболочек, в которых материал работает преимущественно на сжатие, их толщину приходится увеличивать в десятки раз из расчетов на устойчивость против требуемой из расчета на прочность. Стрела провисания меньше стрелы подъема и поэтому строительная высота вогнутых висячих конструкций меньше, чем выпуклых. И все же. Все же подъемистая и торжественная, свободная взгляду и привычная как небо над головой парящая форма будь то иракского свода Так и Кесра, куполов римского Пантеона и константинопольской св. Софии или оболочки парижского выставочного дворца всегда будут соперничать с висячими покрытиями, сама форма которых хоть и естественная, но ассоциируется с едва ли не аварийным ее провисанием от нагрузки. Красота и целесообразность дополнительны, но иногда все же противоположны.
Рис. 3.3. Схема висячей конструктивной системы: 1 – висячее покрытие; 2 – опорные железобетонные балки; 3 – наклонная оттяжка; 4 – тарельчатый анкер; 5 – стойка; 6 – вертикальная оттяжка; 7 – железобетонная распорка; 8 – анкерная балка; 9 – фундамент
Висячие конструкции передают на опоры не только вертикальные, но и горизонтальные усилия, направленные внутрь сооружения. Для их восприятия необходимо устройство оттяжки, надежно заанкеренных в грунте (рис. 3.3., рис. 3.4.) или мощного жесткого опорного контура (рис. 3.5.).
Рис. 3.4. Схема висячего покрытия с плоскими несущими элементами
Рис. 3.5. Схема однопоясного висячего покрытия: а – разрез; б – аксонометрия; 1 – стальные тросы; 2 – железобетонный опорный кольцевой контур; 3 – центральное стальное опорное кольцо; 4 – фонарь (световой или аэрационный); 5 – колонны; 6 – ограждающая конструкция; 7 – внутренний водосток
Опорные контуры висячих покрытий могут быть двух видов незамкнутые и замкнутые.
Незамкнутый опорный контур характерен для висячих покрытий прямоугольных зданий с опорами в виде колонн, расположенных по двум сторонам этот вид покрытий носит название «палаточный». Замкнутый опорный контур может иметь прямоугольную, круглую, эллиптическую и овальную форму с устройством опорного кольца по всему периметру здания.
В висячих покрытиях по тросам укладывается ограждающая конструкция из железобетонных плит, деревянных щитов, легких гибких листов (волнистого алюминия, стали, пластмасс и др.).
По ограждающей конструкции устраивается кровля при необходимости по пароизоляции и утеплителя.
Кроме уже отмеченных к достоинствам висячей конструктивной системы относятся:
- стрела прогиба 1/151/25 пролета по сравнению с пологими выпуклыми поверхностями (1/51/18 пролета) значительно уменьшает строительный объем здания;
- широкие возможности для разнообразных архитектурно-пластических решений;
- поверхность способствует рассеиванию звуковой энергии;
- возможность возведения без лесов и подмостей.
Выбор конструктивных систем – один из основных вопросов, решаемых при проектировании зданий. Конструктивные элементы зданий, строительные конструкции, их архитектурная форма и конструктивная сущность находятся в тесной зависимости от материала, из которого они выполнены, а также от нагрузок, которые на них воздействуют, размера перекрываемых пролетов, если рассматривать пролетные конструкции. Зависят от уровня знаний в области строительной механики и ее разделов сопротивления материалов и теории упругости, от доступности тех или иных методов их возведения. Зависят и от моды.