Основные вертикальные конструкции

Вопрос 7-1

Конструкции многоэтажных гражданских зданий

Конструктивные схемы зданий

Общие сведения.Многоэтажные гражданские каркасные и панельные (бескаркасные) здания для массового строительства проектируют высотой 12…16 этажей, а в ряде случаев — 20 этажей и более. Сетка колонн, шаг несущих стен и высоту этажей выбирают в соответствии с требованиями типизации элементов конструкций и унификации габаритных параметров. Конструктивные схемы зданий, возводимых из сборных элементов, характерны постоянством геометрических размеров по высоте, регулярностью типовых элементов конструкций, четким решением плана.

Каркасные конструкции. Их применяют для различных административных и общественных зданий с большими помещениями, редко расположенными перегородками, а в некоторых случаях и для жилых домов высотой более 25 этажей. Основными несущими конструкциями многоэтажного каркасного здания в гражданском строительстве являются железобетонные рамы, вертикальные связевые диафрагмы и связывающие их междуэтажные перекрытия.

При действии горизонтальных нагрузок совместная работа разнотипных вертикальных конструкций в многоэтажном здании достигается благодаря высокой жесткости при изгибе в своей плоскости междуэтажных перекрытий, работающих как горизонтальные диафрагмы. Сборные перекрытия в результате сопряжения с помощью закладных деталей и замоноличивания швов между отдельными плитами также обладают высокой жесткостью при изгибе в своей плоскости.

Важнейшим условием достижения высоких эксплуатационных качеств многоэтажного здания является обеспечение его надежного сопротивления горизонтальным нагрузкам и воздействиям. Необходимую пространственную жесткость такого здания достигают различными вариантами компоновки конструктивной схемы, в основном отличающимися способами восприятия горизонтальных нагрузок.

Например, при поперечных многоэтажных рамах и поперечных вертикальных связевых диафрагмах горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными конструкциями совместно и каркасное здание в поперечном направлении работает по рамно-связевой системе, при этом в продольном направлении при наличии только вертикальных связевых диафрагм здание работает по связевой системе (рис. 16,а).

При поперечном расположении вертикальных связевых диафрагм и продольном расположении многоэтажных рам здание в поперечном направлении работает по связевой системе, а в продольном направлении — по рамной системе (рис. 16,б).Конструктивная схема каркаса при шарнирном соединении ригелей с колоннами будет связевой в обоих направлениях.

В строительстве многоэтажных каркасных зданий применяют различные конструктивные схемы; связевые в обоих направлениях или же рамно-связевые в одном направлении и связевые в другом. Для возведения в сейсмических районах страны зданий в монолитном железобетоне применяют системы рамно-связевые и рамные.

Панельные конструкции. Их применяют для жилых домов, гостиниц, пансионатов и других аналогичных зданий с часто расположенными перегородками и стенами. В панельных зданиях основными несущими конструкциями служат вертикальные диафрагмы, образованные панелями внутренних несущих стен, расположенными в поперечном или продольном направлении, и связывающие их междуэтажные перекрытия. Панели наружных стен навешивают на торцы панелей несущих стен. Многоэтажное панельное здание как в поперечном, так и в продольном направлениях воспринимает горизонтальную нагрузку по связевой системе (рис. 17). Возможны другие конструктивные схемы многоэтажных зданий. К ним относятся, например, каркасное здание с центральным ядром жесткости, в котором в качестве вертикальных связевых диафрагм используют внутренние стены сблокированных лифтовых и вентиляционных шахт, лестничных клеток (рис. 18); здание с двумя ядрами жесткости открытого профиля — в виде двутавров (рис. 19,а); здание с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане, позволяющей индивидуализировать архитектурное решение (рис. 19,б).В описанных конструктивных схемах зданий горизонтальные воздействия воспринимаются по рамно-связевой или связевой системе.

В зданиях с центральным ядром жесткости в целях обеспечения удобной свободной планировки сетку колонн укрупняют, в ряде решений внутренние колонны исключают и элементы перекрытий опирают на наружные колонны и внутреннее ядро жесткости. Ригели перекрытий пролетом 12...15.м проектируют предварительно напряженными, шарнирно связанными с колоннами, панели перекрытий — пустотными или коробчатыми. Горизонтальное воздействие на здание воспринимается по связевой системе.

В зданиях с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане перекрытия выполняют монолитными в виде безбалочной бескапительной плиты. Возводят такие здания методом подъема (перекрытий или этажей). При этом методе полигоном для изготовления перекрытий поднимаемых элементов служит перекрытие над подвалом. Перекрытия бетонируют одно над другим в виде пакета с разделяющими прослойками. В местах, где проходят колонны, в них оставляют отверстия, окаймлённые стальными воротниками, заделанными в бетоне. В проектное положение перекрытие поднимают с помощью стальных тяжей и гидравлических домкратов, установленных на колоннах верхнего яруса. После подъёма перекрытия в проектное положение стальные воротники крепят к стальным деталям колонн на сварке. При этой конструктивной схеме восприятие горизонтального воздействия на здание осуществляется по связевой системе, а при обеспечении конструктивной связи на опорах плит перекрытий с колоннами — по рамно-связевой системе, в которой ригелями служат безбалочные плиты. Весьма перспективной является конструктивная схема многоэтажного каркасного здания, в которой горизонтальные нагрузки воспринимаются внешней железобетонной коробкой рамной конструкции (рис..20), внутренние ядра жесткости и вертикальные связевые диафрагмы исключены. Перенос вертикальных несущих конструкций на внешний контур

Рис. 20 Многоэтажное здание с внешней коробкой рамной конструкции

1 — колонна; 2 — ригели

здания и восприятие горизонтальной нагрузки внешней пространственной рамой существенно повышает боковую жесткость высокого здания, обеспечивает снижение материалоемкости и трудоёмкости конструкции.

Основные вертикальные конструкции

Многоэтажные рамы высотой до 16 этажей имеют колонны постоянного сечения по всей высоте здания (рис. 21,а). Увеличение несущей способности колонн нижних этажей достигают повышением класса бетона, процента армирования, применением жесткой арматуры. Элементы сборных колонн в целях снижения трудоемкости на монтаже выполняют размером на 2...4 этажа.

Комбинированные вертикальные связевые диафрагмы, состоящие из сплошной и рамной частей, сохраняют регулярную структуру – размеры элементов и пролетов ригелей – по всей высоте здания (рис. 21,б). Вертикальные связевые диафрагмы с проемами и ядра жесткости имеют железобетонные перемычки, жестко связанные на опорах с простенками, и также сохраняют регулярную структуру по всей высоте здания (рис. 21,в).

Стыки ригелей с колоннами выполняют жесткими на консолях, бесконсольными и шарнирными (см. предыдущую лекцию). При жестком соединении ригелей с колоннами существенно повышается общая жесткость многоэтажного здания и достигается экономия металла на армирование ригелей (по условиям прочности, трещиностойкости и предельных прогибов).

Элементами сборных вертикальных связевых диафрагм в одном из возможных решений являются колонны каркаса и панели с полками для опирания плит перекрытий (рис. 22). Элементы соединяют сваркой закладных деталей и замоноличиванием. Горизонтальные стыки панелей, если не возникают растягивающие напряжения, осуществляют на растворных швах.

Вертикальные связевые конструкции в виде ядер жесткости чаще выполняют монолитными в скользящей опалубке, так как в сборных ядрах жесткости элементы стенок малоповторяемы; кроме того, из-за значительных сдвигающих усилий, возникающих в углах стенок, на монтаже увеличивается объем сварочных работ.

Монолитные ядра жесткости армируют вертикальными пространственными каркасами, которые на монтаже стыкуют соединительными стержнями (рис. 23). Перемычки над проемами армируют горизонтальными каркасами. Продольную и поперечную арматуру ядер жесткости и перемычек назначают по расчету. Толщину стенок ядер жесткости также устанавливают по расчету (обычно 200...400 мм), По условиям технологии возведения в скользящей опалубке наименьшая толщина стенок – 200 мм. Стены и перемычки ядер жесткости могут быть предварительно напряженными. Для монолитных ядер жесткости применяют бетон классов В15, В25.

Панели внутренних несущих стен в панельных зданиях по условиям требуемой звукоизоляции выполняют толщиной 140...180 мм из тяжелого бетона. При такой толщине обеспечивается несущая способность этих панелей в зданиях высотой до 16 этажей. Несущую способность панелей стен зданий большей высоты увеличивают, применяя в нижних этажах бетон более высокого класса и увеличивая толщину железобетонных панелей.

Панели несущих стен армируют конструктивной вертикальной арматурой у каждой поверхности панели в количестве 30 мм² на 1 м длины горизонтального сечения панели. Площадь сечения горизонтальной распределительной арматуры у каждой грани должна составлять не менее 3 мм² на 1 м вертикального сечения железобетонные панели несущих стен армируют двойной вертикальной арматурой так, чтобы у каждой поверхности минимальный процент армирования горизонтальных сечений при бетоне класса В15 составлял 0,1, а при бетоне класса В25 или В30 – 0,15. Чтобы повысить сопротивление опорных сечений железобетонных панелей (с целью компенсации обрываемой продольной арматуры), применяют косвенное армирование приопорных участков сетками.

Дальнейшим усовершенствованием конструкции панельного здания является конструкция из железобетонных объемных блоков с полной внутренней отделкой на комнату или на квартиру, изготовленных на заводе. Такая конструкция имеет самую высокую заводскую законченность и требует минимальных трудовых затрат на монтаже. В зависимости от технологии изготовления различают объёмные блоки трех типов: блок-стакан с отдельной панелью потолка, блок-колпак с отдельной панелью пола и блок-труба (рис..24). Объемные блоки перечисленных типов изготовляют на заводах монолитными или сборными из отдельных панелей. Способ опирания блоков

один на другой предопределяет характер работы конструкции здания под нагрузкой. При полосовом опирании блоков на растворный шов создается конструктивная схема панельного здания с несущими стенами, работающими на сжатие; при точечном опирании на углы или внутренние пилястры – конструктивная схема здания с несущими стенами, работающими в своей плоскости на изгиб.

Расчетные схемы и нагрузки

Расчетные схемы

Расчетные схемы многоэтажных каркасных и панельных зданий устанавливают в зависимости от их конструктивных схем и способа восприятия горизонтальных нагрузок — по рамной, рамно-связевой или связевой системе. Междуэтажные перекрытия рассматривают как жесткие, не деформирующие при изгибе в своей плоскости горизонтальные связевые диафрагмы.

Расчетной схемой многоэтажного многопролетного каркасного здания, работающего по рамной системе, является многоэтажная рама, жесткости ригелей и стоек которой равны соответствующим суммарным жесткостям всех рам здания (рис. 25,а).

Рис. 25. Расчетные схемы (а, б) и перемещения многоэтажной рамы (в)

Расчетные схемы рамно-связевых систем отражают совместную работу многоэтажных рам и различных вертикальных диафрагм: сплошных комбинированных и c проемами (рис. 26). Вертикальные конструкции, в действительности расположенные в здании параллельно друг другу, изображают стоящими рядом в одной плоскости и соединенными стержнями-связями, поскольку горизонтальные перемещения их в каждом уровне равны. Роль стержней-связей между многоэтажной рамой и вертикальной диафрагмой выполняют междуэтажные перекрытия. Эти стержни-связи считаются несжимаемыми и нерастяжимыми. Жесткость вертикальной диафрагмы в расчетной схеме принимают равной суммарной жесткости соответствующих вертикальных диафрагм блока здания.

Рис. 26. Расчетные схемы рамно-связевых систем с диафрагмами

а — сплошной; б — сплошной и комбинированной; в — с проёмами

Расчетные схемы связевых систем отражают совместную работу вертикальных диафрагм многоэтажных каркасных или панельных зданий в различных сочетаниях: сплошных и с проемами, с одним и несколькими рядами проемов (рис. 27). В этих расчетных схемах вертикальные диафрагмы, в действительности расположенные в здании параллельно друг другу, изображаются стоящими рядом в одной плоскости и соединенными стержнями-связями.

Влиянием продольных деформаций ригелей и перемычек ввиду малости значений пренебрегают. Также пренебрегают деформацией сдвига стоек рам и вертикальных диафрагм. Отношение высоты сечения вертикальной диафрагмы к её длине обычно составляет h/H₀<1/4.

В расчетных схемах многоэтажных зданий регулярной структуры с постоянными по высоте значениями жёсткости элементов дискретное расположение ригелей, перемычек, стержней-связей заменяют непрерывным

Рис. 27. Расчетные схемы связевых систем

а — с проёмами; б — с проёмами и сплошными диафрагмами;

в — с разнотипными диафрагмами

(континуальным) расположением, сохраняя дискретное расположение простенков диафрагм. В этой системе сосредоточенные в уровне перекрытий горизонтальные силы заменяют распределенной нагрузкой и расчётную высоту зданий принимают

H = Н₀п/(п — 0,5), (5)

где Н₀ — высота здания от заделки в основании до оси ригеля верхнего этажа; п — число этажей (при п >16 можно принять Н₀=Н).

Расчётные нагрузки

Расчётную ветровую нагрузку для зданий высотой 12 этажей и более (40 м и более) при расчёте прочности определяют с учетом динамического воздействия пульсаций скоростного напора, вызванных порывами ветра. Кроме того, должна быть выполнена проверка ускорения колебаний многоэтажного здания при порывах ветра, которое ограничивается а<150 мм/с².

Прогибы многоэтажного здания определяют от действия нормативной ветровой нагрузки. Прогиб верхнего яруса каркасного здания ограничивается по нормам значением, равным f<H/500.

Горизонтальную ветровую нагрузку (увеличивающуюся кверху) при расчете многоэтажных зданий заменяют эквивалентной, равномерно распределенной, или же эквивалентной нагрузкой, распределенной по трапеции. При равномерно распределенной нагрузке получают более компактные расчетные формулы и практически точные значения перемещений и усилий в расчетных сечениях. Эквивалентную, равномерно распределенную ветровую нагрузку определяют по моменту в основании

р = 2M_act /H², (6)

где M_act — момент в основании от фактической ветровой нагрузки.

Обозначения

Обозначения жесткости, усилий и перемещений при изложении теории расчета многоэтажных зданий содержат индексы на основе латинских корней в соответствии с международным стандартом «Обозначения и основные символы»: bт— балка, ригель; cm— комбинированная; dg— диафрагма; fl — перекрытие; fr— рама; ft— фундамент; jn— стык; lt— перемычка; рс— сборный; st— система; col— колонна.

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 2677; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!