10.4. Стальные каркасы сверхвысотных зданий

Для зданий с количеством этажей более 100 и высотой свыше 300 м системы каркасов разделить на 3 основных типа:

- каркасы, в которых колонны, соединенные между собой и вертикальными связями, размещены с наружной стороны стен здания. Образованные таким образом внешние вертикальные фермы хорошо воспринимают как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. Материал каркаса используется эффективнее, чем при расположении связей в центральном ядре. Недостатком является то, что раскосы решетки и узловые листы пересекают окна помещений и затемняют их. Основные колонны могут располагаться вертикально и наклонно.

- здание 2-ого типа представляет собой жесткую трубу - коробку, образованную наружными стенами и способную выдерживать значительные горизонтальные силы при минимальном горизонтальном прогибе. При этом центральное ядро работает только на осевые вертикальные нагрузки. Горизонтальная жесткость трубы - коробки достигается частым расположением колонн и устройством мощных ригелей и превращающих наружные стены в безраскосные фермы.

- в здании 3-ого типа каркасом может служить двухслойная пространственная стержневая оболочка (структура) из стальных труб большого диаметра (до 2-х м), охватывающая здание с внешней стороны. Здания, расположенные внутри оболочки, состоят из многоэтажных блоков, каждый из крепится к специальным решетчатым фермам - диафрагмам каркаса оболочки. По такому типу построено в Чикаго здание, имеющее 150 этажей и высоту 505 м.

На рис 10.5...10.6 представлены каркасы некоторых сверхвысотных зданий и сечения.

10.5. Основы компоновки, конструирования и расчета стальных каркасов

Выбор системы каркаса, размещение колонн и балок в плане, расположение связей зависят от архитектурно-планировочного решения здания. В зданиях высотой 20...40 этажей шаг колон рекомендуется принимать равным 4...6 м, строительная высота междуэтажных перекрытий рекомендуется не более 350...600 мм.

Ориентировочные затраты металла по элементам каркаса следующие: на колонны расходуется 40 ...60% стали, на ригеля и балки перекрытий - 30..40%, на все прочие элементы – 10…15%.

Чаще всего применяются следующие типы сечений колонн:

1) для зданий высотой 20...40 этажей коробчатого сечения, сваренные из 4 листов (рис. 10.6.a). Толщина листов составляет 40...60 мм, а размеры квадрата 400x400…500x500 мм.

В зданиях с количеством этажей более 60 могут применять колонны коробчатого с толщиной листов до 100 мм, а размеры сечений могут превышать 700x700 мм.

2) сварные двутавры с толстыми поясами и стенками (рис. 10.6.б). Недостаток – неравноустойчивость в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях. Дня зданий средней высоты используют широкополочные двутавры, полки которых могут быть усилены приваркой листов (рис.10.6.в).

3) для верхних этажей применяют сечения из уголков и швеллеров (рис.10.6.г), а такие сечения могут быть усилены приваркой центрального листа (рис.10.6.д)

4) крестовое сечение и крестовое сечение, усиленное листом (рис.10.6.е) применяются реже, т.к. они сложны в изготовлении и требуют больших затрат металла.

5) используются и другие профили, например, трубчатые (рис.10.6.ж), .также сечения в пакета сваренных листов (рис.10.6.з) при больших осевых усилиях.

Ригели каркасов представляют собой прокатные или сварные балки двутаврового или фермы с пролетом на ширину здания. Связи каркасов представляют собой фермы, поясами которых являются колонны каркаса, а стойки - ригели. Между колоннами и ригелями устанавливаются раскосы из уголков. В зданиях большой этажности решетки внешних связевых каркасов и центральных стволов могут выполняться из двутавров.

Стальной каркас рассчитывается на прочность и жесткость. При расчете на прочность на прочность несущую способность каркаса проверяют на действие постоянных вертикальных нагрузок от веса конструкций, временных вертикальных нагрузок на перекрытиях и горизонтальных сил от ветра.

Ветровая нагрузка состоит из статической и динамической составляющих. Статическая составляющая учитывается всегда и представляет собой скоростной напор ветра. Динамическая составляющая, вызывается пульсациями скоростного напора, зачитывается при высоте здания более 40 м.

Расчет каркаса на жесткость сводится к определению отклонения верха каркаса от вертикали (горизонтальный прогиб каркаса) под влиянием горизонтальных сил от действия ветра. Такой прогиб каркаса не должен превышать 1/500 его высоты.