Несущие остовы зданий. Тема Несущие остовы зданий
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
1 Тема 2. Несущие остовы зданий. Рассматриваемые вопросы: Типы несущих остовов. Виды конструктивных систем. Понятие о пространственной жесткости и устойчивости зданий. 2.1 Типы несущих остовов. Несущим остовом здания называется его конструктивная основа – пространственная система, состоящая из совокупности вертикальных и гори- зонтальных стержневых, плоскостных или объемных элементов – несущих конструкций и связей, соединяющих эти конструкции. Важнейшее назначение несущего остова состоит в восприятии нагру- зок, действующих на здание, «работе» на усилия от этих нагрузок с обеспе- чением конструкциям необходимых эксплуатационных качеств в течение всего срока их службы. Типы несущих остовов. Горизонтальные несущие элементы перекры- тий (покрытий) предназначены, прежде всего, для работы при действии на них разного рода вертикальных нагрузок, которые в виде опорных реакций передаются на вертикальные опоры. Кроме того, эти же перекрытия являют- ся горизонтальными диафрагмами, воспринимающими в своей плоскости из- гибающие и сдвигающие усилия от горизонтальных нагрузок, обеспечивая геометрическую неизменяемость здания в каждом из горизонтальных уров- ней, совместную работу вертикальных опор при таких нагрузках, перерас- пределение усилий между ними и т.п. Вертикальные несущие конструкции воспринимают все виды воздейст- вия нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации здания, и через фунда- менты передают их на грунт. Вертикальные опоры являются определяющим признаком для классификации несущих остовов по типам. Известны два типа вертикальных опор: стержневые (элемент, у которого один генеральный размер – длина – неизмеримо больше двух других – ширины и толщины) – колонны или стой- ки каркаса; плоскостные – стены. Так, стена, не зависимо от того, сложена ли она из бревен, выполнена ли из кирпича или из сборных панелей, всегда рассматривается как плоско- стной элемент, один размер которого (толщина) значительно меньше других генеральных размеров. Исходя из такого определения, различают два основные типа несущего остова зданий: каркасный и стеновой (бескаркасный). Третий – комбиниро- ванный (или смешанный) – состоит из различных сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных элементов (стоек каркаса и стен). 2 Вся совокупность конструктивных элементов несущего остова много- этажных зданий в каждом отдельном случае объединена между собой вполне определенным образом, образуя в пространстве единство закономерно рас- положенных частей, т.е. систему, которую называют конструктивной. По существу, это способ размещения несущих горизонтальных и вертикальных конструкций в пространстве, их взаимное расположение, способ передачи усилий и т.п. 2.2 Виды конструктивных систем Стеновой несущий остов (бескаркасный с несущими стенами), кото- рый представляет собой жесткую и устойчивую коробку из взаимосвязанных стен и перекрытий (см. схемы ниже). Наружные и внутренние стены здания воспринимают нагрузки от междуэтажных перекрытий и покрытия. Этот конструктивный тип зданий широко распространен при возведении жилых домов, школ и других общественных зданий. Различают следующие основные конструктивные системы стенового несущего остова: • системы с продольно расположенными несущими стенами или, как принято говорить, с продольными несущими стенами (расположенными вдоль длинной, фасадной стороны здания и параллельно ей). Таких, парал- лельно расположенных стен, может быть две, три, четыре. Соответственно, бытуют упрощенные названия таких стеновых остовов: «двухстенка», «трехстенка» и т.п; Рисунок 2.1 – Система с продольным расположением стен 1 – фундаменты; 2 – внутренние несущие стены; 3 – то же, наружные; 4 – панели междуэтажного перекрытия; 3 • системы с поперечно расположенными (с поперечными) несущими стенами. Разновидности: с широким шагом (более 4,8 м); узким шагом (менее 4,2...4,8 м); со смешанными шагами; Рисунок 2.2 – Система с поперечным расположением стен 1 – фундаменты; 2 – внутренняя несущая стена; 3 – наружная самонесущая стена; 4 – па- нели междуэтажного перекрытия; 5 – торцовая наружная стена. • системы с перекрестным расположением несущих стен (перекрестно- стеновая система). Рисунок 2.3 – Перекрестно–стеновая система 1 – фундаменты; 2 – внутренние несущие стены; 3 – то же, наружные; 4 – панели междуэтажного перекрытия; Каркасный несущий остов представляет собой пространственную си- стему (каркас; см. схему ниже), образованную: (для производственных зда- ний) колоннами, подкрановыми балками, стропильными и подстропильными 2 3 5 4 фермами или же (для гражданских зданий) колоннами, ригелями и пли- тами междуэтажных перекрытий и покрытий, которая воспринимает все на- грузки, действующие на здание. Для зданий каркасного типа характерно чет- кое разделение конструкций по особенностям их работы (на несущие и огра- ждающие). Определяющим признаком в каркасном несущем остове является рас- положение ригелей каркаса. Ригелем называется стержневой горизонтальный элемент несущего остова (главная балка, ферма и т.п.), передающий нагрузки от перекрытий непосредственно на стойки каркаса. Различают четыре типа конструктивных каркасных систем: – с поперечным расположением ригелей; Рисунок 2.3 – Конструктивная система с поперечным расположением ригелей 1 – столбчатый фундамент; 2 – наружная самонесущая стена; 3 – колонны; 4 – ри- гели; 5 – панели перекрытия. – с продольным расположением ригелей; Рисунок 2.4 – Конструктивная система с продольным расположением ригелей 1 – столбчатый фундамент; 2 – наружная самонесущая стена; 3 – колонны; 4 – ри- гели; 5 – панели перекрытия. 4 5 – с перекрестным расположением ригелей; Рисунок 2.5 – Конструктивная система с перекрестным расположением ригелей 1 – столбчатый фундамент; 2 – наружная самонесущая стена; 3 – колонны; 4, 6 – ригели; 5 – панели перекрытия. – с безригельным каркасом, при котором ригели отсутствуют, а гладкие или кессонированные плиты перекрытий (так называемые безбалочные) опи- раются или на капители колонн, или непосредственно на колонны. Рисунок 2.6 – Конструктивная система с безригельным решением 1 – столбчатый фундамент; 2 – наружная самонесущая стена; 3 – колонны; 4 – па- нели перекрытия. 4 6 Комбинированный несущий остов. Среди большого разнообразия сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных опор наиболее часто встречаются: • системы расположения стен по периферии, а стоек каркаса – внутри здания («неполный каркас»); эту систему, учитывая осадку кладки при «не- осадочных» столбах, не рекомендуется применять выше 9-ти этажей (рису- нок 2.7, а); • системы, в которых каркас расположен в пределах нижних 1...3 эта- жей, а выше находится бескаркасный несущий остов; • системы со стеновым остовом – в одном или в нескольких центрально расположенных стволах, которые обстроены по периферии стойками каркаса в один или несколько рядов и т.д. Рисунок 2.7 – Конструктивные системы комбинированного остова: a – неполный каркас; б – с ядром жесткости; в – с каркасным остовом в первых этажах (I) и со стеновым в вышележащих этажах (II); 1 – колонна; 2 – несущая стена Выбор конструктивных систем – один из основных вопросов, решае- мых при проектировании зданий. Стеновой (бескаркасный) несущий остов – самый распространенный в жилищном строительстве. Размеры жилых ячеек, необходимость членений стенами и перегородками с обеспечением звукоизоляции квартир и другие особенности обуславливают техническую целесообразность и экономиче- скую оправданность применения бескаркасных зданий при строительстве жилища, а также тех гражданских зданий, в которых преобладает многоячей- ковая планировочная структура (гостиницы, санатории, больницы и т.п.). В зависимости от принятой строительной системы, высота зданий со стеновым остовом обычно ограничивается 25...30 этажами. Предпочтитель- ными строительными системами в этих случаях являются: стены из камней ручной кладки, из крупных блоков или панелей, стены из монолитного желе- зобетона. При этом крупнопанельные системы возводят, главным образом, с поперечными несущими стенами, тогда как применение наружных панелей с продольными несущими стенами рекомендуется ограничить 5...6 этажами. 7 При кирпичных несущих стенах и крупных блоках невыгодна высота здания выше 10... 14 этажей. В производственных, общественных и жилых зданиях – особенно повы- шенной этажности (более 30 этажей) – предпочтительным типом несущего ос- това является каркасный. Комбинированный несущий остов чаще применяется при строительстве гражданских многоэтажных зданий; в промышленном же строительстве он используется значительно реже. Системы, в которых первые два–три этажа каркасные, а остальные – бескаркасные, характерны для строительства много- этажных жилых зданий на магистральных улицах, а также гостиниц, санато- риев и т.п., т.е. зданий, в которых функционально используют первые этажи. Широкое распространение в последнее время получают системы с безри- гельным каркасом и монолитными безбалочными перекрытиями. Расположение ригелей в двух направлениях характерно для многоэтажных каркасных зданий при строительстве в сейсмических районах. Безригельный каркас применяется обычно в многоэтажных производственных зданиях со значительными нагруз- ками на перекрытия, а также в многоэтажных гражданских зданиях. 2.3 Понятие о пространственной жесткости и устойчивости зданий. Устойчивость обеспечивается целесообразным взаимным сочетанием и расположением составных элементов конструкций зданий в соответствии с величиной и направлением внешних усилий; она зависит также от надежно- сти основания. Устойчивостью здания называют его способность противодействовать усилиям, стремящимся вывести здание из исходного состояния статического или динамического равновесия. Например, при действии ветра равнодейст- вующая сил должна находиться в пределах подошвы фундамента (рисунок 2.8). Рисунок 2.8 – Схема устойчивой работы здания на ветровую нагрузку: W, Rw – давление ветра; Р – суммарная вертикальная нагрузка; R – равнодейст- вующая; е – эксцентриситет 8 Пространственная жесткость несущего остова – это характеристика системы, отражающая ее способность сопротивляться деформациям или, что то же, способность сохранять геометрическую неизменяемость формы. В строительной механике сооружение называется геометрически изменяе- мым в пространстве, если оно теряет форму при действии нагрузки; например, шарнирный четырехугольник (рисунок 2.9, а), к которому приложена небольшая горизонтальная сила; и, наоборот, шарнирный треугольник (рисунок 2.10, б) – геометрически неизменяемая система. а – изменяемая; б - неизменяемая; 1 –диагональный стержень Рисунок 2.9 – Геометрически изменяемые и неизменяемые стержневые системы Превращение четырехугольника в геометрически неизменяемую сис- тему можно осуществить двумя способами: – ввести один диагональный стержень 1 (рисунок 2.10, б) – или заменить узел шарнирного соединения стержней на «жесткий», неизменяемый, способный воспринимать узловые моменты (так называемый рамный, (рисунок 2.11). в Рисунок 2.10 – Рамные конструкции; Систему (схему), полученную первым способом, называют связевой –по наименованию диагонального стержня, именуемого связью. Вторую – рамной.. Понятие же «геометрическая неизменяемость» тождественно понятию «пространственная жесткость», принятому в строительной практике. Соот- ветственно, связи именуют «связями жесткости». Помимо диагонального стержня, геометрическая неизменяемость систем обеспечивается и другими способами: введением диафрагмы жесткости, ядер жесткости (рисунок 2.11, б )и т.п. Например, если в шарнирный четырех- угольник вставить без зазоров панель – диафрагму – так, что она будет способ- на воспринимать сдвиговые усилия и моменты в своей плоскости, т.е. «испол- нять обязанности» жесткого диска, то ее роль равносильна роли диагонального 9 стержня; диафрагму жесткости относят к варианту «связей жесткости» (рису- нок 2.11). Такой же эффект получается, если шарнирная система соединена с плоской стенкой пилоном и т.п. Вместе с тем, когда говорят «связи», то в первую очередь имеют в виду связи стержневые или решетчатые. 1 – стойка; 2 – ригель (плита) перекрытия; 3 – панель жесткости (диафрагма); 4 – стена жесткости; Рисунок 2.11. а – Вертикальные элементы жесткости (связи) – диа- фрагмы (панели жесткости) 1 – стойка; 2 – ригель (плита) перекрытия; 3 – панель жесткости (диафрагма); 4 – стена жесткости; 6 –места сварки панелей жесткости с элементами каркаса; 7 – скалывающие усилия Рисунок 2.11. б – Работа диафрагмы (панели жесткости) 2 2 2 2 3 3 4 2 2 2 2 3 3 3 3 6 10 Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости пло- ских систем – по рамной и по связевой схемам. Если все горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются только каркасом, узлы которого выполняют как узлы жестких рам, каркас на- зывается рамным. Когда же горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными диафрагмами или ядрами жесткости (стволами), то каркасы такого типа име- нуют связевыми. Сочетанием связевого и рамного каркасов является рамно-связевый, в котором горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются сов- местно рамами каркаса и стенками или ядрами жесткости. В третьем направлении – горизонтальном – перекрытия обычно рас- сматриваются как жесткие диафрагмы. Все эти варианты встречаются при проектировании каркасного несу- щего остова (рисунок 2.13, 2.14). Рамная схема наиболее целесообразна для проектирования неординар- ных зданий, отличающихся от рядовых. Рамная схема представляет собой систему плоских рам (одно- и мно- гопролетных; одно- и многоэтажных), расположенных в двух взаимно пер- пендикулярных (или под другим углом) направлениях – систему стоек и ри- гелей, соединенных жесткими узлами при их сопряжениях в любом из на- правлений (рисунок 2.13). Рамная схема применяется сравнительно редко. 1 — колонна; 2 — ригель Рисунок 2.12 – Рамная схема каркаса Из перечисленных выше конструктивных схем каркасного несущего остова наиболее простой в массовом применении для гражданских зданий является связевая. Связевая схема решения каркаса здания наиболее проста в осуществле- нии. Решетчатые связи, или диафрагмы жесткости, вставляемые между ко- лоннами, устанавливаются через 24…30 м, но не более 48 м, и в продольном, и в поперечном направлениях; обычно эти места совпадают со стенами лест- ничных клеток (рисунок 2.13). 11 Связевая схема оправдывает свое широкое применение большей простотой построечных работ, меньшими затратами труда и материалов и т.п. 1 – колонна; 2 – диафрагма жесткости; 3 – жесткий диск перекрытия; Рисунок 2.13 – Связевая схема каркаса При стеновом несущем остове и при различных системах остовов с не- полным каркасом обычно применяют связевую схему; при этом наружные или внутренние стены выполняют функции диафрагмы или ядер жесткости, т.е. в этом случае не требуется установка дополнительных стен Рамно-связевая целесообразнее для производственных зданий с боль- шими нагрузками и со свободными от связей пролетами в направлениях вдоль здания. Рамно-связевая схема решается в виде системы плоских рам, шарнирно соединенных в другом направлении элементами междуэтажных перекрытий. 1 – колонна; 2 – ригель; 3 – жесткий диск перекрытия; 4 – диафрагма жесткости Рисунок 2.14 – Рамно–связевая схема каркаса Для обеспечения жесткости в этом направлении ставятся решетчатые связи или стенки (диафрагмы) жесткости. Плоские рамы удобнее устанавли- вать поперек здания (рисунок 2.14). 12 Здание любого типа должно быть не только достаточно прочным: не разрушаться от действия нагрузок, но и обладать способностью сопротивлять- ся опрокидыванию при действии горизонтальных нагрузок, и иметь простран- ственную жесткость, т. е. способность как в целом, так и в отдельных его час- тях сохранять первоначальную форму при действии проложенных сил. Пространственная жесткость бескаркасных зданий (рисунок 2.15) обеспечивается несущими наружными и внутренними поперечными стенами, в том числе стенами лестничных клеток, связанными с наружными продоль- ными стенами, а также междуэтажными перекрытиями, связывающими сте- ны и разделяющими их по высоте здания на отдельные ярусы. Рисунок 2.15 – Элементы, обеспечивающие пространственную жесткость бескар- касных зданий 1-междуэтажное перекрытие 2- внутренние стены: 3 - стены лестничных клеток Пространственная жесткость каркасных зданий (рисунок 2.16) обеспе- чивается: – совместной работой колонн, связанных между собой ригелями и пе- рекрытиями и образующих геометрически не изменяемую систему; – установкой между колоннами стенок жесткости 1 или стальных вер- тикальных связей; – сопряжением стен лестничных клеток с конструкциями каркаса; – укладкой в междуэтажных перекрытиях (между колоннами) панелей- распорок 3. 13 Рисунок 2.15 – Элементы, обеспечивающие пространственную жесткость каркас зданий 1 - стенки жесткости; 2 - ригели; З - панели-распорки; 4 - колонны. 1 1 2 3 3 4 |