Каркасный остов. Возведение зданий каркасной конструкции

  Вся электронная библиотека >>>

 Архитектурные конструкции >>

 

Архитектура

Архитектурные конструкции


Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

 

Глава 15. Несущие остовы гражданских многоэтажных зданий

 

 

Каркасный остов

 

Возведение зданий каркасной конструкции началось в конце прошлого века и довольно быстро распространилось по странам Америки и Европы. Конструкции каркасных зданий за это время прошли значительную эволюцию. Обобщение и анализ опыта зарубежного и отечественного каркасного строительства позволил выявить определенные тенденции его развития и выбрать наиболее рациональные конструктивные схемы для применения в отечественном многоэтажном строительстве.

Первым зданием каркасной конструкции в США следует считать построенное архитектором Дженнеем в 1883 г. 10-этажное здание с чугунными внутренними и наружными колоннами, поддерживающими перекрытия. В этом здании наружная стена самонесущая — несет только собственный вес и не поддерживает перекрытия. В связи с таким, новым тогда изменением функции стен возникла необходимость в конструкциях, которые должны были обеспечивать пространственную жесткость и устойчивость многоэтажных зданий. Ими стали жесткие вертикальные плоскости каркаса, предназначенные создавать совместно с горизонтальными жесткими плоскостями-перекрытиями необходимую пространственную жесткость и устойчивость здания. Стены же стали применять навесными. В годы, предшествующие второй мировой войне, ведется интенсивное строительство небоскребов с применением стального каркаса.

В начале XX в., после научного обоснования методов расчета железобетонных конструкций, железобетон находит применение и для каркасов многоэтажных зданий.

При проектировании железобетонных каркасов схемы стальных каркасов были повторены без существенных изменений. Однако железобетонные каркасы получили в американской практике многоэтажного строительства значительно меньшее распространение, чем стальные. Анализ практики строительства многоэтажных зданий в США до 1945 г. показывает, что конструктивные решения каркасов не объединены общей идеей и направлением проектирования, в большинстве своем достаточно сложны и неэкономичны. Усложненные объемно-планировочные решения приводили соответственно к усложнению конструкции каркаса.

 

 

Для европейской практики многоэтажного строительства характерно широкое использование монолитных железобетонных каркасов. В последние годы в строительстве многоэтажных зданий в странах Европы начинают применяться и сборные железобетонные конструкции. Наиболее характерные особенности современного многоэтажного каркасного строительства в Европе: использование конструктивных схем каркасов связевой системы с выполнением диафрагм жесткости в виде монолитных стенок; стремление к увеличению размеров модульных ячеек каркаса ради получения широкой свободы в планировочных решениях, даже в ущерб расходу материалов — стали и бетона.

В современной американской практике строительства многоэтажных зданий наряду с традиционными в последнее время появился ряд новых решений. В отдельных высотных сооружениях привычный тип каркаса с кирпичным заполнением наружных ограждений между колоннами заменяется конструкцией, состоящей в плане из двух концентрических, входящих одна в другую, стен, которые образуют совместно работающее внутреннее ядро и наружную «оболочку» — «каркасную стену» — с опирающимися на них междуэтажными перекрытиями. Эта система получила название «труба в трубе». Несколько зданий такой ядрооболочковой конструкции уже возведено.

Таким образом, эволюция конструктивной системы наружных ограждений — несущие и самонесущие тяжелые каменные стены, затем превращение их в навесные ограждения—снова привела к возвращению им функции несущей конструкции, но уже в новом качестве.

Развитие конструктивных систем каркасных зданий в Советском Союзе и особенности их работы. Значительную роль в развитии строительной техники в многоэтажном строительстве сыграло возведение первых высотных зданий в Москве в 1950—1953 гг.

 

В первых московских высотных зданиях нашли применение каркасы всех трех схем; рамной, рамно-связевой и связевой. Можно проследить четкую направленность в развитии конструктивных схем каркасов первых московских высотных зданий: от рамной к связевым. Достоинства каркасов рамной схемы — относительно свободная планировка — достигаются в ущерб требованиям экономии стали, обеспечению высокой жесткости каркаса и уменьшению трудоемкости выполнения. Более рациональны для большинства объемно-планировочных решений зданий каркасы связевой схемы, применение которых обеспечивает необходимую жесткость каркаса при одновременном снижении расхода стали.

Качественно новой конструктивной формой каркаса связевой схемы стал каркас с пространственной системой связей. Рациональность применения таких систем возрастает с увеличением этажности здания.

Второй по степени важности проблемой по изысканию рационального решения каркаса является выбор материала. В первых московских высотных зданиях нашли применение два разных по материалу типа каркаса: стальной и железобетонный с жесткой арматурой. Сопоставление железобетонных и стальных каркасов показывает, что преимуществами с точки зрения экономии стали и жесткости обладают железобетонные.

Конструктивные решения в многоэтажном каркасном строительстве 70-х годов. Поиски наиболее рациональных конструктивных схем многоэтажных зданий, отвечающих современному уровню индустриализации и развития строительной техники, привели к появлению принципиально новых в мировой практике строительства конструктивных решений. Главной особенностью многоэтажного строительства стало широкое использование сборного железобетона, впервые применяемого для такого рода сооружений.

Применение сборного железобетона потребовало прежде всего унификации основных параметров здании, с тем чтобы получить наименьшую номенклатуру изделий.

Определились следующие принципы унификации: по высоте этажей: 1) для жилых каркасно-панельных зданий — Зм, для зданий административного назначения, лечебных учреждений, зданий торгового назначения, учебных заведений и т. п. — 3,3 и 3,6 м с дополнительной высотой, в основном для первых этажей — 4,2 м; 2) для зданий специального назначения — конструкторских бюро, научно-исследовательских институтов, лабораторных корпусов, крупных торговых предприятий и т. п. — 3,6; 4,2; 4,8; 6 м; по размерам ячейки в плане: 1) для зданий первой группы, т. е. с высотой этажей 3; 3,3; 3,6 м — 6X6 м, с дополнительным шагом 3 м и с увеличенным шагом 9 м; 2) для зданий второй группы, т, е. зданий специального назначения, в которых технологические требования диктуют необходимость применения увеличенных пролетов и определяют повышенные величины нагрузок на перекрытия, приняты увеличенные ячейки 9X9, 9X6, 6X6 м с дополнительным шагом 3 м.

Оптимальным решением при проектировании каркасов связевой системы является пространственная компоновка связей в виде связевого ядра жесткости. Если по архитектурно-планировочным соображениям такая компоновка связей невозможна, связевые диафрагмы могут быть выполнены плоскими при обязательном условии проектирования их сквозными на всю ширину здания. Благодаря высокой жесткости таких систем расстояние между связевыми стенками может быть увеличено до 48 м, что обеспечивает необходимую гибкость планировки (особенно ценную в общественных сооружениях).

В дальнейшем будет последовательно и настойчиво расширяться номенклатура унифицированного каркаса. Освоение всего набора изделий номенклатуры, т. е. изделий для полного модульного ряда пролетов, создает высокую вариабельность и гибкость каркаса (что является основным достоинством каркасного остова по сравнению со стеновым — панельным, блочным и т. п.).

Проектные проработки последнего времени показали, что на этой номенклатуре изделий каркаса удается получить широкое разнообразие объемно-планировочных решений для зданий различного назначения, конфигурации и высоты.

Создание набора изделий фасадов для образования лоджии, эркеров, ризалитов, пилястр и т. п. позволит создать выразительные пластические архитектурные решения. Таким образом, при создании унифицированного каркаса удалось получить каталог изделий, из которых могут собираться разнообразные здания и сооружения (т. е. здесь в значительной мере преодолеваются противоречия между архитектурным творчеством и индустриальностью конструкции).

В отношении вариабельности сборный железобетонный каркас при этих условиях перестает уступать традиционному стальному, обладая значительными экономическими преимуществами и высокой индустриальностью.

Перспективным направлением, которое значительно расширяет возможности сборного унифицированного каркаса, являются его сочетания с монолитным железобетоном, выполняемым наиболее индустриальными методами, например в подвижной опалубке. Применение индустриального монолитного железобетона для таких элементов каркаса, как пространственные ядра жесткости, позволяет не только наиболее рациональным путем обеспечить жесткость (что становится сложнее с возрастанием высоты здания), но и открывает новые возможности для создания интересных архитектурных решений.

Проведенные проектные проработки показывают, что такая конструкция каркаса может применяться для зданий высотой до 40 ... 50 этажей.

Принципиальное конструктивное решение унифицированного сборного железобетонного каркаса с монолитными ядрами жесткости, выполняемыми индустриальными методами, позволило использовать каркас в условиях высокой сейсмичности. Разработаны унифицированные решения монолитных ядер жесткости различных размеров и конфигурации с использованием индустриальной металлической опалубки.

Сборный железобетонный унифицированный каркас колонны. Колонны каркаса приняты сечением 400x400 мм, высотой на два-три этажа. Такие колонны по своей несущей способности при обычном армировании могут применяться в зданиях высотой не более 16 этажей.

Серьезную инженерную задачу представляет выполнение колонн для нижних этажей, нагрузки на которые достигают 15 000 ... 20 000 кН. Для увеличения несущей способности колонн под большие нагрузки есть несколько путей: развитие сечений колонн до размеров 60x60, 80X80 см и т. д.; повышение марки бетона; применение в колоннах жесткой несущей арматуры. При больших нагрузках целесообразно сечение со стальным сердечником.

Узел сопряжения ригеля с колонной. Традиционным решением узла, общепринятым в каркасах промышленных и гражданских зданий, служит опирание ригеля на выступающую консоль. Такая конструкция узла мало приемлема в гражданских сооружениях, так как значительно ухудшает интерьеры помещений.

В отличие от традиционного узла в унифицированном каркасе сопряжение ригеля с колонной решено со «скрытой консолью».

Ригели каркаса — предварительно напряженные высотой 45 см, таврового сечения, что определяется стремлением осуществить надежное опирание плит перекрытий и одновременно обеспечить наименьшую возможную высоту выступающей части ригеля. Ширина ригеля понизу принята по архитектурным соображениям равной ширине колонн (благодаря этому в интерьере ригель с колонной воспринимается как единая рама).

Ригель широкомодульного каркаса с повышенными нагрузками на перекрытие выполняется аналогичной конструкции, но высотой 60 и 90 см.

Стенки жесткости представляют собой поэтажные железобетонные стены толщиной 18 см, с полками, заменяющими полки ригелей, и без них, жестко связанные с колоннами. Такая диафрагма жесткости работает на восприятие как вертикальных, так и горизонтальных ветровых нагрузок по схеме консольной составной балки, защемленной в фундаменте. Нагрузки передаются на них перекрытиями, представляющими собой жесткие горизонтальные диски.

Конструкции междуэтажных перекрытий. Перекрытия в зданиях с унифицированным каркасом выполняются из многопустотных настилов. Высота настила 22 см, пустоты диаметром 16 см. Перекрытия должны обеспечивать жесткость и неизменяемость здания в горизонтальной плоскости и осуществлять передачу и распределение усилий от ветровых нагрузок на стенки жесткости. Для превращения сборного перекрытия в жесткий горизонтальный диск закладные детали свариваются, швы заливаются бетоном. Замоноличенные раствором шпонки воспринимают сдвигающие касательные усилия, возникающие между настилами при работе жесткого диска перекрытия. При таком замоноличивании перекрытия прочность и жесткость его достаточны для передачи горизонтальных нагрузок на связевые диафрагмы при расстоянии между ними в пределах до 30... 36 м и более. Важной составной частью перекрытия служат плиты, расположенные по осям колонн в направлении, перпендикулярном ригелям, и являющиеся распорками между колоннами. Эти элементы обеспечивают жесткость и устойчивость колонн в монтажный период и вместе с тем благодаря соединению с колоннами участвуют в работе перекрытия как жесткого диска, выполняя роль поясов горизонтальной балки-диска перекрытия.

Распорки выполняются в виде ребристого корытообразного элемента, который своими ребрами опирается на полки ригеля и крепится к нему с помощью сварки закладных деталей. Корытообразная форма настила-распорки с тонкой (толщиной всего 3 см) плитой между ребрами позволяет, удаляя плиту, располагать на этих участках вертикальные санитар-но-технические коммуникации (размещение которых в зданиях повышенной этажности, особенно из сборного железобетона, всегда представляет сложную задачу).

В тяжелом каркасе перекрытия выполняются из ребристых настилов пролетом 6 и 9 м. Такое решение обусловлено повышенными полезными нагрузками на перекрытия до 20 кН/м2, что потребовало развить высоту ребер настилов до 400 мм. Применение ребристых настилов упрощает размещение вертикальных и горизонтальных санитарно- и электротехнических коммуникаций, что весьма важно в производственных зданиях со сложным технологическим оборудованием.

Конструктивная форма настилов для пролета 9 м выбрана в виде 2Т. Ширина настилов 3 м. Сопоставления показали, что по расходу бетона и стали такой тип настила примерно на 15 % выгоднее, чем коробчатый настил.

Компоновка каркаса. Практика многоэтажного строительства показывает, что вопросам рациональной компоновки каркасов зачастую не уделяется достаточного внимания. Можно наблюдать значительную разнотипность ячеек и относительно большое разнообразие принятых шагов, препятствующее типизации элементов каркаса: отклонения от оптимального по экономической целесообразности шага — 6 м, приводившие к увеличению расхода стали и к усложнению конструктивных форм элементов каркаса; недостаточно четкую компоновку остова по вертикали, выражающуюся в смещении осей колонн по вертикали, в устройстве так называемых «подвесных» колонн, что также приводит к неоправданному увеличению расхода стали.

Вместе с тем даже -при достаточно сложных технологических требованиях, при сложной объемно-планировочной компоновке удается достичь четкости, найти органичное их сочетание с конструктивным решением, сократить количество модульных ячеек каркаса до трех-четырех, ограничиться двумя-тремя высотами этажей и т. п. Об этом говорят, в частности, примеры решения таких сложных сооружений, как Общесоюзный телецентр, больничные комплексы, учебные институты, лабораторные корпуса и др., рассмотренные ниже. Условные примеры компоновки каркасов зданий и перекрытий, а также возможные варианты размещения лестничных клеток.

Диафрагмы жесткости следует распределить равномерно по плану здания. Диафрагмы применяют одной высоты с сохранением основных геометрических размеров поперечных сечений по всей высоте. Допускается не доводить на один-два этажа диафрагмы жесткости до покрытия.

Перебивка в размещении диафрагм по этажам не рекомендуется.

Также не рекомендуется располагать диафрагмы в торцах здания в связи со значительными трудностями устройства наружных панельных стен.

Деформационные швы. Здания проектируют в виде одного или нескольких температурных блоков, разделяемых деформационными швами. Каждый блок рассматривается как отдельное сооружение со своей системой диафрагм жесткости.

В соответствии с требованиями СНиПа расстояния между температурными швами определяются расчетом. Однако накопленный опыт позволяет рекомендовать проектирование отапливаемых зданий с унифицированным сборным железобетонным каркасом длиной до 150 ... 200 м без температурных швов (устройство которых значительно усложняет конструкцию, ухудшает эксплуатационные качества здания). Температурные швы следует выполнять между спаренными рядами колонн.

В целях уменьшения влияния температурных деформаций на усилия в дисках перекрытий и диафрагмах жесткости следует стремиться размещать диафрагмы жесткости ближе к центру здания.

Устройство консольных свесов. В ряде случаев по архитектурно-планировочным требованиям возникает необходимость устройства в каркасных зданиях консольных свесов, представляющих достаточно сложную инженерную задачу. Для этих целей в номенклатуре унифицированного каркаса предусмотрены соответствующие изделия: колонны с выступающими из них консолями (вылет 1,9 м от оси колонн) или одноконсольные ригели с вылетом консолей 1,55; 2,15 и 2,75 м от оси колонн.

Примеры формирования многоэтажных зданий на основе унифицированного каркаса. Возможности унифицированного каркаса в формировании объемно-планировочных решений многоэтажных зданий различного назначения, а также принципы компоновки элементов каркаса можно проследить на примерах осуществления на его основе зданий — жилых, административных, учебных, больничных комплексов, крупных гостиниц.

Жилые дома. В центральной части Москвы на ул. Марксистской с применением унифицированного каркаса построен крупный комплекс 16-этажных жилых домов. В первых этажах размещаются встроенно-пристроенные магазины, предприятия обслуживания. Над магазинами предусмотрен технический этаж, позволяющий собрать воедино все инженерные системы (отопление, водоснабжение, канализация).

Каркас здания запроектирован в виде поперечных рам с основными шагами 6 и 6,6 м. Для поперечного направления приняты пролеты от 1,8 до 6,6 м, позволившие создать необходимый по демографическим требованиям набор квартир и пластически выразительный силуэт дома. Диафрагмы жесткости образованы сборными стенами лестничного узла (пространственные диафрагмы жесткости) и межквартирными стенами на ширину дома (плоские диафрагмы жесткости).

Односекционный каркасный 25-этажный дом в Хорошево-Мневниках построен с центральным монолитным ядром жесткости. В монолитном стволе размером в плане 9x9 м размещены лифты и инженерные коммуникации — мусоропроводы, вентблоки, система дымоудаления и др. По сравнению со сборными элементами, необходимыми для решения той же технической задачи, монолитное ядро дало экономию стали на 25 % и снизило суммарную трудоемкость конструкции на 15 %.

Вертикальный ствол здания, имеющего в плане размеры 26x26 м, обстроен колоннами из изделий унифицированного сборного каркаса; в целях повышения уровня индустриальное применены укрупненные элементы перекрытий — настилы размером 3X6,6 м. Укрупненная модульная ячейка каркаса позволила получить рациональную, экономически выгодную планировку квартир.

Административные здания. Здание Дома Советов РСФСР на Краснопресненской набережной может служить примером подхода к проектированию крупных уникальных сооружений на основе унифицированного сборного железобетонного каркаса в сочетании с панельными индивидуальными наружными ограждениями. Этот принцип позволил коренным образом изменить характер строительства уникальных зданий — осуществлять их на высоком индустриальном уровне и одновременно создавать индивидуальный, присущий только данному сооружению архитектурно-художественный образ. Каркас высотной части сформирован из поперечных рам с шагом 6,6 м. Пролеты ригелей 7,8 и 5,4 м. Торцы дома решены скругленными, с использованием индивидуальных элементов перекрытий при унифицированных сборных колоннах и ригелях каркаса.

Здание высотой 25 этажей выполнено в индустриальных конструкциях с монолитными пространственными ядрами жесткости и с навесными индивидуальными керамзитобетонными панелями, облицованными в заводских условиях камнем. Такое решение стен является не отходом от принципа Единого каталога, а, напротив, его развитием. Для практической реализации такого направления на заводах строительной промышленности создаются соответствующие производства, специализированные на изготовлении индивидуальных изделий фасадов и архитектурных деталей. Распространение этого принципа на строительство подобных сооружений в Москве позволило по сравнению с решениями высотных зданий 50-х годов получить значительную экономию стали, затрат труда, стоимости.

 

 

 Основные элементы и конструктивные схемы зданий

В последние годы строят также и каркасные многоэтажные жилые дома. В зданиях с полным каркасом (5, а) несущий остов состоит из колони и ригелей, ...
www.bibliotekar.ru/spravochnik-20/2.htm

 

 К основным конструктивным элементам гражданских зданий относятся ...

По конструктивной схеме несущего остова здания подразделяются на бескаркасные, каркасные и с неполным каркасом. В бескаркасных зданиях основными ...
bibliotekar.ru/spravochnik-30/2.htm

 

 Основные элементы и конструктивные схемы зданий

По особенностям пространственного расположения несущих элементов остова различают .... бескрановых одно- и многопролетных каркасных одноэтажных зданий. ...
bibliotekar.ru/spravochnik-35/15.htm

 

 ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ легкие пористые материалы, имеющие ...

Передача теплоты в легком бетоне происходит через каменный остов .... Мипору применяют в виде легкого заполнителя каркасных конструкций или пустот, ...
www.bibliotekar.ru/spravochnik-113-uteplenie/12.htm

 

 Конструкции сельскохозяйственных зданий. Фундаменты, стены, полы ...

План вытрамбованных котлованов для рамных и каркасных зданий разрабатывается с учетом ..... Остов здания со стенами такой конструкции называется срубом, ...
bibliotekar.ru/spravochnik-44/3.htm

 

К содержанию книги:  Архитектурные конструкции

 

Смотрите также: