Многоэтажные каркасные здания. Большая энциклопедия нефти и газа

В самом простом и общем случае схему многоэтажного каркаса здания из стальных или железобетонных конструкций можно представить как некоторую пространственную систему, образованную из ряда абсолютно жестких, параллельных друг другу вертикальных и горизонтальных плоскостей, причем вертикальные жесткие плоскости должны быть расположены в двух взаимно пересекающихся направлениях.
Вследствие этого система будет жесткой и неизменяемой (рис. 10.1).
Число горизонтальных и вертикальных плоскостей произвольно и теоретически ничем не ограничено. Пересекающиеся вертикальные плоскости в плане здания могут образовывать замкнутый или незамкнутый прямоугольник (квадрат), «Н» или «У» образуют пересечения, которые возводятся на всю высоту здания, обеспечивают его устойчивость и называются ядром жесткости.

Наружные и внутренние стены и перегородки при расчете каркасов зданий обычно не учитываются, являются лишь нагрузкой, но на самом деле способствуют увеличению жесткости и устойчивости каркаса. Вертикальные жесткие плоскости, помимо того, что они несут вертикальную нагрузку, служат для обеспечения неизменяемости и жесткости каркаса в продольном, поперечном и в произвольном косом направлениях, иначе, для обеспечения общей его устойчивости, а также работают на горизонтальную нагрузку от ветра. Горизонтальные смещения каркаса и колебания его от ветра всецело зависят от жесткости и от конструкции вертикальных плоскостей. Горизонтальные жесткие плоскости представляют собой перекрытия и, выполняя свои обычные функции как пространственная система, обеспечивают неизменяемость здания в плане; они связывают в горизонтальном направлении вертикальные плоскости, удерживая их в определенном положении и, кроме того, что очень важно, служат для распределения горизонтальных нагрузок любого направления между вертикальными плоскостями. Горизонтальные плоскости образованы из балок второстепенных, главных или только из главных с заполнением между ними железобетонными плитами (сборными, пустотелыми, монолитными).
Перекрытие должно быть прочным и надежным в смысле распределения ветровой нагрузки между вертикальными плоскостями и обеспечения неизменяемости каркаса в плане. Желательно, чтобы оно имело малую строительную высоту и было достаточно легким. Вертикальные плоскости образуются колоннами и балками перекрытий (ригелями) путем соединения их в жесткую и неизменяемую систему. Такое соединение может быть осуществлено таким прикреплением балок к колоннам, при котором узлы становятся жесткими и способными воспринимать изгибающие моменты. Эти соединения выполняют на сварке или высокопрочных болтах. При этом каждая вертикальная плоскость будет представлять собой многоэтажную раму с жесткими стыками. Жесткая и неизменяемая система может быть выполнена и с помощью дополнительных элементов, например раскосов, объединяющих две колонны и балки перекрытий (ригели) в простую решетчатую неизменяемую систему.
В несущих комбинированных каркасах зданий из сборно-монолитных, сборных железобетонных или полностью из стальных конструкций общая устойчивость каркаса обеспечивается также вертикальными плоскостями в виде сборных или монолитных стенок жесткости.

В других случаях в составе зданий, на всю его высоту предусматривается устройство замкнутой шахты из четырех взаимоперпендикулярных вертикальных жестких плоскостей из стальных (рис. 10.2) или железобетонных конструкций. Эта шахта воспринимает все горизонтальные нагрузки на здание и обеспечивает его общую устойчивость. Такая шахта называется шахтой жесткости или ядром жесткости.
Все остальные элементы каркаса должны крепиться к шахте (ядру) жесткости, а каждое перекрытие представлять единую жесткую и неизменяемую горизонтальную плоскость или жесткий плоский диск. Все примыкающие к ядру жесткости элементы несущего каркаса здания работают в этом случае только на вертикальную нагрузку (рис. 10.3).
Примером многоэтажного здания с несущим стальным каркасом, статическая схема и устойчивость которого решена в виде рамной системы с жесткими сварными узлами, может служить здание МГУ, а примером здания с монолитным ядром жесткости - здание на площади Восстания в Москве. Общая устойчивость, обеспеченная монолитными стыками жесткости, выполнена при сооружении высотных зданий на Новом Арбате.

Итак, общая устойчивость стальных или железобетонных, а также комбинированных многоэтажных каркасов зданий может быть обеспечена жесткими взаимно пересекающимися вертикальными стенками (ядрами жесткости), возведенными на всю высоту здания и пересекающимися с этими стенками жесткими дисками горизонтальных плоскостей (перекрытий).
Жесткие вертикальные стенки могут быть выполнены в виде рамных решений (многоэтажной рамы) с жесткими узлами сопряжения ригелей с колоннами); связевых решений (со связями между колоннами); рамно-связевых; сборных или монолитных железобетонных блоков (в комбинированных каркасах зданий). Из таких взаимно пересекающихся стенок могут образовываться ядра жесткости различной конфигурации в плане здания.
Конструктивные элементы стальных каркасов высотных зданий решаются следующим образом:
а) колонны закрытого сечения из четырех уголков крупных профилей (100x16-25) или из универсальной стали (σ = 30-40 мм), свариваемых в пакет, которые обетониваются или оштукатуриваются по сетке для защиты от огня (см. рис. 10.2);
б) стальные ригели двутаврового сечения, сварные, с уширенной нижней полкой, на которую укладываются плиты междуэтажного перекрытия.
Стыки стальных колонн выполняются с фрезерованными торцами. Во избежание возможной неточности совпадения торцов в плане (винтообразность и др.) в верхнем торце предусматривается строганая плита σ = 30-40 мм. Стыки колонн после закрепления болтами и выверки обвариваются по контуру (рис. 10.4).

Междуэтажные перекрытия каркаса могут компоноваться:
- из главных и второстепенных балок (при стальном каркасе здания) с укладкой по ним сборных или монолитных железобетонных плит;
- только из главных балок (ригелей) с уширенной полкой, на которую укладываются сборные железобетонные плиты перекрытий;
- из распорных железобетонных плит, укладываемых только по оси колонн, с закладными деталями для сопряжения сварными накладками плит смежных пролетов и ригелей;
- из унифицированных, облегченных, многопустотных плит, составляющих до 70% площади перекрытия, свободно укладываемых в пазы стальных или железобетонных ригелей, но не приваренных к ним из-за отсутствия закладных деталей. Это является серьезным недостатком таких плит, создающим высокую деформативность смонтированных (незамоноличенкых) ярусов каркаса здания, что крайне усложняет монтажные работы.

Обеспечение устойчивости каркаса в период монтажа

В процессе монтажа несущего каркаса здания должны приниматься меры по обеспечению его устойчивости на любом отрезке времени. Это технически сложная и весьма ответственная задача. Кроме того, в период монтажа каркаса здания следует обеспечивать не только прочность и устойчивость смонтированной части каркаса, но и устойчивость его отдельных конструктивных элементов. Всегда учитывается, что оформленные монтажные стыки и узлы в каркасе здания на болтовых (высокопрочных болтах) или сварных соединениях уже создают достаточную их прочность, а наличие установленных проектных связей в здании обеспечивает также жесткость и устойчивость смонтированной части каркаса.
Наиболее распространенной схемой комбинированного каркаса, решаемого из унифицированных конструкций в поперечном направлении, является плоская многоярусная жесткая рама, устойчивость которой создается жесткостью сварных узлов сопряжения ригелей с колоннами. Общая устойчивость частей каркаса, примыкающих к ядру жесткости или к связевым или рамным панелям здания, обеспечивается жесткостью дисков междуэтажных перекрытий каждого этажа, которая практически создается только после замоноличивания всех швов и сопряжений плит с ригелями и колоннами и между собой или после бетонирования сплошной плиты толщиной 60-80 мм, армированной сеткой поверху плит перекрытия,
Монтаж конструкций многоэтажных зданий требует неукоснительного соблюдения одного правила: не приступать к установке следующего яруса (высоту яруса определяет длина отправочного элемента колонны) до выверки и надежного закрепления конструкций нижележащего яруса. Это требование продиктовано необходимостью обеспечения прочности и устойчивости зданий на протяжении всего периода его возведения.
Для возможности опережения крановой сборки каркаса на 5-6 этажей (до трех ярусов) против одного яруса по нормам должны быть выполнены следующие требования:
- проверена устойчивость каркаса в процессе монтажа с учетом принятой в ППР очередности крановой сборки;
- предусмотрена установка временных монтажных связей между колоннами или горизонтальных над междуэтажными перекрытиями в открылках здания, обеспечивающих их устойчивость до набора прочности замоноличенных стыков в плитах перекрытий;
- проектно закреплены вертикальные связи, рамные узлы сопряжений ригелей с колоннами;
- выполнено устройство жестких междуэтажных перекрытий, обеспечивающих общую устойчивость здания; оно не должно отставать более чем на 5 этажей, если в проекте здания нет других указаний;
- произведена проверка прочности отдельных элементов и узлов на нагрузки от самоподъемных или приелонных кранов в местах их опирания.
Проектное закрепление монтажных соединений (стыки колонн, узлы крепления ригелей и связей к колоннам) возможно только после выверки геометрического положения колонн в плане и по высоте, так как отклонения от проектного положения, в первую очередь колонн, многократно повторенные в каждом ярусе, не позволяют смонтировать точно по вертикали направляющие устройства лифтов и наружные ограждающие конструкции здания.
Стальные конструкции каркасов многоэтажных зданий могут монтироваться следующими кранами:
- наземными - башенными, гусеничными (в башенностреловом исполнении), рельсовыми, пневмоколесными. Краны должны иметь достаточные грузовые характеристики (значительную высоту подъема при необходимой грузоподъемности);
- самоподъемными башенными, устанавливаемыми внутри контура здания и опираемыми на смонтированные конструкции. Краны передвигаются вверх по мере крановой сборки и крепятся к каркасу здания (рис. 10.5);
- стационарными прислонными башенными, устанавливаемыми на земле, вне контура здания, и подращиваемые по мере крановой сборки, с закреплением башни к каркасу здания распорками-обоймами;
- комбинированными передвижно-прислонными башенными кранами, используемыми до отметок 50-55 м как свободностоящие, двигающиеся по путям, а на более высоких отметках как стационарные прислонные.
Самоподъемные и прислонные краны могут быть оборудованы: горизонтальными стрелами с подвижной кареткой; подъемными стрелами с грузовым полиспастом на конце стрелы.

Краны с подъемными стрелами имеют большой минимальный вылет крюка грузового полиспаста. При длине стрелы 20-25 м он составляет 5-12 м от оси крана. При работе такого крана создается большая мертвая зона, что является большим недостатком. Поэтому предпочтение отдают кранам, оборудованным горизонтальными стрелами, где минимальный вылет крюка грузового полиспаста составляет 2,5-5 м от оси крана.
Для производства работ по монтажу каркаса здания наиболее удобно использование самоходных наземных кранов; они не связывают монтажников и их стоянки могут меняться по ходу работ. Применение же прислонного крана, имеющего стационарную стоянку, накладывает определенные условия на технологию ведения работ, которая не всегда отвечает требованиям монтажа.
Наземными кранами могут быть смонтированы здания высотой до 70 м. Для зданий большей высоты использовать более мощные краны практически нерационально. Прислонными кранами монтируются здания высотой до 150 м. Для самоподъемных кранов высота здания практически неограничивается.
Монтаж стального каркаса здания должен выполняться поэтажно - в первую очередь необходимо монтировать все элементы жесткого ядра здания и тщательно их выверять. Выверка производится зенит-приборами (теодолитами, позволяющими вертикальное визирование), для чего в перекрытии оставляются отверстия на все время монтажа (рис. 10.6).

Временное закрепление колонн при монтаже выполняют с помощью кондукторов или инвентарных расчалок, обеспечивающих устойчивость колонн до развязки их постоянными проектными элементами связей, которые уже обеспечивают устойчивость смонтированной части сооружения. Если проектных связей недостаточно, производят установку временных связей. Проектное закрепление колонн выполняют сразу после монтажа и выверки ячейки (четырех колонн, связанных ригелями).
Приступать к монтажу следующего яруса можно только после проектного закрепления всех элементов предыдущего яруса и, если это необходимо, установки временных связей, обеспечивающих устойчивость сооружения.
В случае, если для монтажа каркаса здания применяется прислонный кран, то каркас должен быть проверен на монтажные горизонтальные нагрузки, при необходимости может быть предусмотрена постановка временных монтажных связей.
Из применяемых прислонных кранов следует отметить: кран КП-10 грузоподъемностью 10 т с вылетом крюка до 20 м и 5 т - до 36 м, с высотой подъема крюка до 105 м; кран КП-16 грузоподъемностью 16 т с вылетом до 20 м и 8 т - до 37 м, с высотой подъема крюка до 120 м; краны КБ-573 и КБ-674 грузоподъемностью соответственно 8 и 12,5 т с вылетом крюка 16 и 8 м и 5,5 т с вылетом крюка 25 м.
По мере увеличения высоты здания и башни крана устанавливают горизонтальные рамки, закрепляющие кран к каркасу и передающие горизонтальные реакции от грузового момента на каркас здания.
Самоподъемные краны КП-10 и КП-16 разработаны в трех модификациях. Каждый кран может работать как башенный свободностоящий, прислонный и самоподъемный, в которых использованы без изменений основные конструктивные элементы, узлы и агрегаты привода. Завод-изготовитель (Раменский завод) поставляет башенные краны с дополнительными конструкциями, комплектующими все модификации, что дает возможность монтажной организации широко маневрировать с их использованием. При монтаже многоэтажных каркасов здания самоподъемные башенные краны располагают внутри каркаса в одной из ячеек здания и опирают на ригели, прочность которых должна быть проверена на восприятие монтажных нагрузок.
По схеме опирания освоены краны двух типов:
- с защемлением башни крана в горизонтальной плоскости путем опирания низа башни на опорную раму, закрепленную в четырех точках к ригелям каркаса здания, передающего на них вертикальные усилия (тип УБК);
- с защемлением башни крана в вертикальной плоскости путем опирания низа башни на опорную балку, а на высоте 3-4 этажей - на специальную опору, передающую на каркас здания вертикальные и горизонтальные усилия (тип СКБ),
Краны первого типа грузоподъемностью 5 и 15 т были использованы на монтаже первых высотных зданий в Москве (здание МГУ и др.). Краны типа СКБ грузоподъемностью 5 и 10 т были использованы при монтаже зданий СЭВ и Гидропроекта (рис. 10.7). В качестве примера на рис. 10.8 показаны организация и схема монтажа здания обогатительной фабрики в г. Асбесте высотой 75 м с объемом работ: стальных конструкций - 22 тыс. т., сборных железобетонных конструкций - 26 тыс. м3.

Монтировали здание двумя башенными кранами БК-406А грузоподъемностью по 25 т, расположение которых обеспечивало им максимальный фронт работ. Для сокращения сроков и уменьшения работ, выполняемых в наиболее опасных условиях на верху здания, четыре колонны и восемь ригелей укрупняли в пространственные блоки массой до 15 т (рис. 10.8,б). Первоначально в двух горизонтальных стендах две колонны и два ригеля собирали в плоские блоки, которые затем попарно вместе с четырьмя ригелями (рис. 10.8,а) укрупняли в вертикальном кондукторе. Как горизонтальные, так и вертикальные стенды обеспечивали точность геометрических размеров собираемых плоскостных и пространственных блоков.
Собранный блок грузили козловым краном, обслуживавшим площадку укрупнительной сборки, на самоходную рельсовую тележку, которая транспортировала блоки к одному из монтажных кранов. На другую тележку, пути которой были расположены за пределами зоны, обслуживаемой козловым краном, блоки грузили монтажной стрелой, установленной на одной из торцевых колонн здания.
Благодаря укрупнению конструкций число монтажных элементов стальных конструкций было уменьшено с 22 до 12 тыс. единиц, а выработка возросла в 4 раза и достигла 418 кг/чел дн.

Лекция №6

Каркасные технологии в многоэтажном

И малоэтажном строительстве

Опыт строительства и технико-экономические исследования последних лет определили тенденцию к увеличению высоты жилых и общественных зданий. Она нашла развитие в строительстве сначала наиболее крупных, а затем и многих других городов бывшего Советского Союза. Высокий уровень индустриализации отечественного строительства решающим образом повлиял на выбор основного материала, используемого в несущих элементах многоэтажных зданий. Сборные железобетонные конструкции, изготовляемые на механизированных заводах, в значительной мере вытеснили и продолжают вытеснять конструкции из других строительных материалов. Достаточно высокие прочность и.жесткость, огнестойкость, экономичность, позволили железобетону успешно конкурировать не только с каменными материалами, но и со стальными конструкциями.

Для сборного железобетона как основного строительного материала характерны две схемы несущих конструкций многоэтажных зданий, используемые в массовом строительстве - крупнопанельная (бескаркасная) и каркасная. Крупнопанельная схема несущих конструкций отлично зарекомендовала себя в зданиях с ячеистой планировочной структурой, однотипно повторяющейся по вертикали. Такая структура наиболее соответствует жилым зданиям и этим обусловлено широкое использование крупнопанельных конструкций в жилищном строительстве;

В лечебных учреждениях, зданиях для проектных и научно-исследовательских институтов, в лабораторных корпусах и других сооружениях общественного и производственного назначения, как правило, появляется необходимость изменить планировочную структуру по вертикали. В практике строительства для таких зданий утвердилась каркасная схема несущих конструкций.

Высокие темпы развития науки и техники неуклонно сокращают сроки морального старения зданий. Изменения технологии и оборудования требуют пересмотра планировки и технологических связей между помещениями.

Возникает ситуация, при которой полноценное, с точки зрения конструкций, здание оказывается неудобным для эксплуатации. Изменение планировки при каркасных несущих конструкциях, необходимое для продления срока службы здания, решается значительно легче, чем в крупнопанельных зданиях.

Технико-экономическими исследованиями установлено, что по ряду показателей при прочих равных условиях каркасные здания уступают крупнопанельным. Их стоимость на 5-10% выше, построечная трудоемкость на 10-15% больше, чем бескаркасных зданий. Кроме того, расход стали увеличивается на 30-50% Несмотря на это, по изложенным выше причинам планировочного и технологического характера, каркасные здания широко применяются во всех странах мира.

Каркасное строительство – это возможность быстро построить полноценный жилой дом всего за несколько месяцев, затратив при этом в несколько раз меньше денег, чем требуется на постройку кирпичного дома. Именно поэтому строительство панельно-каркасных домов развивается во всем мире бурными темпами.

Главное отличие технологии каркасного домостроения от других, где несущими являются стены, в том, что основой возводимого здания служит жесткая рамная конструкция (каркас), между элементами которой укладывается тот или иной «стеновой» материал. Каркас состоит из колонн и дисков (или панелей) перекрытий, набранных из пустотных плит. Существует несколько систем каркасно-монолитного домостроения («Куб-2,5», МВБ-01, «Аркос», «Рекон» и т. д.). Одно из основных различий между ними заключается в конструкции опирания пустотных плит перекрытия и размерах каркасной сетки. В системе «Аркос», например, допускаемая сетка колонн – 7,2 м х 7,2 м, в системе «Рекон» – до 9 м. Монолитно-каркасные «высотки» могут достигать 25 этажей и выдерживать сейсмическую активность до 8–10 баллов.

Изделия каркаса имеют простую геометрическую форму и ограниченное количество типоразмеров, что существенно облегчает их производство и освоение. По этой технологии можно строить не только жилые дома, но и торгово-развлекательные комплексы, промышленные многоэтажные здания, многоярусные паркинги. При этом свободно расположенная сетка колонн от 1,5 до 12 м позволяет создавать различные планировочные варианты квартир и нежилых помещений. Наружные и внутренние стены могут выполняться как из штучного материала, так и из крупноразмерных панелей.

В деревянном домостроении несущий каркас выполняется из сплошного или клееного бруса, от качества которого зависит срок эксплуатации дома. Каркас обшивается каким-либо материалом, а утеплителем прокладываются стены дома, межкомнатные перегородки и перекрытия. Обычно это минеральная вата из кварцевого или базальтового волокна. Аналогичные схемы строительства применяются и при использовании в качестве несущего каркаса легких металлических конструкций (ЛМК).

Серии 1.020-1/87 для гражданских зданий

Элементы каркасов (колонны, ригели, плиты перекрытия)

Рис. 3. Типы панелей перекрытий (разрезы)

Рис. 4. Перекрытие из ребристых панелей ребрами вниз

Рис. 5. Перекрытие по сборным железобетонным балкам

Рис. 6. Деревянные перекрытия

Деревянные балки; 2 - щиты дощатые, плиты гипсовые, фибролитовые, камышитовые; 3 - шлак, песок; 4 - штукатурка

Концы деревянных балок, укладываемых на наружные кирпичные стены, должны быть антисептированы и защищены кроме торцов от увлажнение гидроизоляцией на длину 20 см. Деревянные балки, укладываемые у дымоходов, защищаются против возгорания разделкой из кирпича.

Диафрагма жесткости

1. Диафрагмы жесткости предназначены для применения в многоэтажных жилых и общественных зданиях промышленных предприятий с высотами этажей 2,8м; 3,3м; 4,2м и техподпольем высотой 2 м.

2. Производство диафрагм осуществляется в соответствии с требованиями СТБ 1331-2002 «Диафрагмы жесткости железобетонные. Технические условия».

3. Диафрагмы жесткости изготавливаются из тяжелого бетона классов, морозостойкости и водонепроницаемости, указанных в проектной документации, но не ниже F 100 и W 2.

4. Маркировка диафрагм принята по ГОСТ 23009-78 «Обозначение типа конструкций»:

Д – диафрагма жесткости сплошная;

ДП – диафрагма жесткости с проемом;

1Д – диафрагма жесткости сплошная с одной полкой;

2Д – диафрагма жесткости сплошная с двумя полками:

1ДП (2ДП) – диафрагмы жесткости с одной (с двумя) полками с проемами,

расположенными по середине;

1ДПК (2ДПК) – диафрагмы жесткости с одной (с двумя) полками с

проемами, расположенными по краю.

Обозначение габаритов конструкций: первое число – округленная длина диафрагм в дециметрах; второе число – номинальное высота диафрагмы в дециметрах.

5. На верхней грани диафрагм жесткости предусмотрены петлевые выпуски для соединения диафрагм между собой и плитами перекрытия.

6. В диафрагмах жесткости предусмотрены вертикальные штрабы для пропуска электропроводки.

Сборный железобетонный каркас

Рис. 8. Основные конструктивные элементы зданий серии 1.420-4

а - колонны; б - капители; в - полукапители; г - пролетные плиты; д - надколенные плиты

Колонна в серии 1.420-4 квадратного сечения, размерами 400×400; 500×500 мм. В отдельных случаях для первого или подвального этажей могут применяться колонны сечением 600×600 мм, в серии 1.420-14 единое сечение - 450×450 мм. Колонны серии 1.420-4 имеют в месте опирания капителей четырехсторонние консоли и пазы по граням стволов, колонны серии 1.420-14 имеют металлические консоли, привариваемые во время монтажа.

Капители приняты двух типоразмеров: основная - 2700×2700×600 мм и полукапитель - 1950×2700×600 мм. Капитель имеет в центре квадратное отверстие, по граням которого устроены пазы.

Надколенные плиты имеют размеры в плане 3100×3540 и 2150×3540 мм. Толщина надколенных плит 180 мм. На торцах плит имеются выпуски рабочей арматуры. Размеры пролетных плит - 3080×3080×150 мм. По периметру плит имеются по два выпуска арматуры с каждой стороны. Здания с безбалочными конструкциями имеют самонесущие кирпичные стены, самонесущие стеновые вертикальные панели и навесные горизонтальные стеновые панели.

Стыки колонн расположены на высоте 1 м от верха перекрытия и запроектированы с применением стальных накладок, привариваемых к стальным оголовкам. В серии 1.420-14 применяется ванная сварка выпусков арматуры колонн. На четырехстороннюю консоль колонны опирается капитель, которая после выверки закрепляется сваркой закладных и приваркой накладных стальных деталей. Пазы капители и колонны после замоноличивания образуют бетонные шпонки. Консоли колонн и шпонки используются для передачи нагрузки с перекрытия на колонну. На полки капители опираются надколонные плиты. Их закладные детали и выпуски арматуры соединяют электросваркой с закладными деталями капителей и после этого замоноличивают стык.

Пролетные плиты опираются арматурными выпусками на надколонные плиты и соединяются с закладными деталями надколонных плит. Клиновидные пазы между плитами заполняют бетоном. Все сопряжения замоноличивают бетоном марки 300 на мелком щебне или гравии с применением вибрирования.

Продольный каркас во всех конструктивных решениях запроектирован по связевой схеме в двух вариантах конструктивного исполнения: с применением стальных связей или однопролетных рам с жесткими узлами. Продольная устойчивость каркаса в период монтажа и эксплуатации по первому варианту обеспечивается вертикальными связями по колоннам, устанавливаемым в середине каждого деформационного блока здания по каждому ряду или через несколько рядов колонн на всех этажах. Связи выполняют одноветвевыми из равнобоких уголков.

Рис. 9. Основные конструктивные элементы промышленных зданий серии ИИ 20/70, 1.420-6, 1-420-12

а - колонны; б - ригели; в - плиты перекрытий.

Колонны в каркасе прямоугольного сечения с размерами сторон 400×400 мм и 400×600 мм. Колонны первого этажа заделывают в стаканы фундаментов с заглублением на 600 мм - при опирании плит перекрытия по верху ригелей. Колонны для двух нижних этажей здания приняты двухэтажной разрезки, для последующих этажей высотой 3,6 и 4,8 м - двухэтажной разрезки, а для этажей высотой 6 м и более - поэтажной разрезки. Имеются трехэтажные колонны, устанавливаемые в стаканы фундаментов в зданиях с высотой этажа 3,6 м и двухэтажные в верхних этажах зданий с высотой этажа 6,0 м. Стыки колонн, расположенные на высоте 1,8 м от отметки верха консоли, запроектированы жесткими. Стыковые стержни приваривают к стальным оголовкам колонн с последующим замоноличиванием. Величина зазора между стыкуемыми колоннами 40 мм.

Для зданий с перекрытиями, опирающимися на полки ригелей (последние имеют высоту 800 мм и ширину 650 мм), и с перекрытиями, опирающимися по верху ригелей, приняты ригели прямоугольного сечения 800×300 мм. Сопряжение ригеля с колонной выполняют ванной сваркой выпусков арматуры из колонны и ригеля, сваркой закладных деталей ригеля и консоли колонны с последующим замоноличиванием стыка.

Соединение опорной арматуры ригеля с колонной в стыках, расположенных в уровне покрытия, выполняют с помощью стыковых стержней. Стержни укладывают по верху оголовков колонн, приваривают ванной сваркой к торцам арматуры ригелей и затем электродуговой сваркой к оголовку колонны.

Междуэтажные перекрытия запроектированы из плит двух типоразмеров: основной плиты шириной 1500 мм и доборной плиты шириной 750 мм. Доборные плиты размещают только по наружным рядам колонн. Основные межколонные плиты, располагаемые вдоль здания по осям колонн, приваривают к закладным деталям ригелей и соединяют между собой по верху продольных ребер стальными накладками. Доборные межколонные плиты устанавливают на стальные столики, привариваемые к закладным деталям колонн; приваривают к этим столикам и соединяют между собой накладными деталями по верху продольных ребер, расположенных с внутренней стороны здания. В торцах межколонных плит на уровне полки к плите приваривают опорный уголок; остальные плиты перекрытий приваривают к закладным деталям ригелей, за исключением одной плиты в каждом пролете. Швы между плитами, а также между торцами плит, ригелями и колоннами заполняют бетоном марки 200 на мелком гравии или на щебне. Покрытия в зданиях, сохраняющих в верхнем этаже сетку колонн нижележащих этажей, решены аналогично конструкции перекрытий.

Стены предусмотрены из панелей, включенных в каталог сборных железобетонных конструкций одноэтажных промышленных зданий.

В типовых сериях 1.420-12 и 1.420-6, разработанных как дополнение к серии ИИ 20/70, стык колонн выполнен с использованием ванной сварки выпусков продольной арматуры, что позволило отказаться от стальных оголовков колонн. Имеется еще ряд особенностей, касающихся расширения номенклатуры ригелей и плит перекрытий. Стены могут быть навесные и самонесущие. Стены навесные принимаются по серии 1.432-5. Конструкции серии ИИ-04, разработанные ЦНИИЭП торговых зданий и туристских комплексов, предназначены для строительства каркасно-панельных гражданских и административно-бытовых зданий (при промышленных предприятиях), высотой 4 - 12 этажей. Разработаны три варианта каркаса, отличающихся условиями статической работы: рамный, рамно-связевый и связевый (рис. 3).

Рамный вариант каркаса предназначен для строительства зданий высотой до 4 этажей (включительно), связевый и рамно-связевый варианты - для зданий высотой до 12 этажей. Модульная сетка колонн принята 6×6; 6×4,5 и 6×3 м, при высоте этажей - 3,3; 3,6 (связевый каркас) и 4,2 м. Унифицированные расчетные нагрузки на перекрытия приняты 450, 600, 800 и 1250 (в связевом варианте) кгс/м 2 .

Фундаменты - башмаки стаканного типа, рассчитанные на установку их на основания, определяемые проектом зданий.

Рис. 10. Основные конструктивные элементы зданий серии ИИ-04.

а - колонны; б - ригели; в - диафрагмы жесткости; г - плиты перекрытий.

Колонны - сечением 300×300 мм (для зданий высотой до 4 этажей) и 400×400 мм высотой на один - два этажа и многоэтажные. Стык колонн в рамном и рамно-связевом вариантах каркаса в уровне верха перекрытия. Колонны соединяют сваркой по периметру стальных оголовков. В связевом варианте каркаса стык колонн безметалльный и располагается выше уровня перекрытия. Колонны соединяют сваркой выпусков рабочей арматуры.

Ригели высотой 450 мм таврового сечения с полкой понизу с одним или двумя свесами для опирания плит перекрытия. Ригели имеют длину 5600, 4060 и 2560 мм; предназначаются для установки в пролетах соответственно 6; 4,5 и 3 м. Ригели на опорных участках имеют подрезку, соответствующую размерам консоли колонны, обеспечивающую скрытое положение консоли.

Плиты перекрытия запроектированы толщиной 22 см, длиной 5760 и 2760 мм и подразделяются на три основных типа:

Рядовые многопустотные плиты (с вертикальными и круглыми пустотами);

Связевые плиты, устанавливаемые у колонн в направлении, перпендикулярном ригелям каркаса, запроектированные с пустотами, сплошными и ребристыми (санитарно-технические);

Пристеночные плиты, укладываемые в крайних рядах перекрытий. Плиты имеют сплошное сечение, в них предусмотрены закладные детали для крепления панелей наружных стен.

Диафрагмы жесткости - плоские железобетонные панели толщиной 14 см. В связевом варианте каркаса предусмотрены диафрагмы жесткости с одной или двумя полками для опирания плит перекрытия. В ЦНИИЭП торговых зданий и бытовых комплексов разработаны диафрагмы жесткости с растворными стыками (без выпусков арматуры).

Панели наружных стен запроектированы в двух вариантах: с навеской на перекрытия и на колонны. Масса элементов во всех вариантах каркаса не превышает 5 т, в зданиях с многоэтажными колоннами - 8 т. В ЦНИИЭП торгово-бытовых зданий и туристских комплексов и ЦНИИпромзданий разработаны типовые конструкции серии 1.020-1, полностью обеспечивающие межвидовую унификацию конструктивных и объемно-планировочных решений и предназначенные для промышленных и гражданских зданий. Конструкции в основном базируются на опалубочных формах серии ИИ-04 (связевый вариант каркаса); дополнительно разработаны конструкции для сеток колонн от 7,2 до 12 м и высот этажей от 4,8 до 7,2 м; улучшены отдельные узлы сопряжений.

Панели перегородок серии 1.431-14 запроектированы однослойными из легкого, ячеистого, тяжелого железобетона и гипсобетона, максимальные размеры рядовых железобетонных панелей 5980×2860 мм, толщина 80 мм, масса от 1,1 до 3,42 т. Максимальные размеры доборных железобетонных панелей 5830×1810 мм, толщина 80 мм, масса от 0,63 до 1,98 т. Размеры гипсобетонных панелей совпадают с размерами железобетонных, максимальная масса 1,66 т.

Перегородки выполняют сборными, самонесущими с горизонтальным расположением панелей, устанавливаемые на высоту помещений. Перегородки устанавливают до монтажа перекрывающих их конструкций.

Панели перегородок при сетке колонн 6×6 м крепят непосредственно к колоннам; при сетке колонн 9×6 и 12×6 м крепление предусматривается к стальным стойкам фахверка, шарнирно прикрепленным к перекрытиям. Панели перегородок серии 1.431-15 выполнены однослойными и из тех же материалов, что и в серии 1.431-14. Максимальные размеры рядовых плит 5640×3040 мм, толщина 80 мм, масса от 1,1 до 3,42 т. Перегородки выполнены самонесущими, горизонтальной и вертикальной разрезки.

Лекция №6

МНОГОЭТАЖНЫЕ КАРКАСНЫЕ ЗДАНИЯ

Основная область применения стальных каркасов - многоэтажные жилые и общественные здания различно­го назначения. Если для зданий высотой до 30 этажей чаще применяют железобетонные каркасы, то для зданий с большей этажностью целесообразно применять сталь­ные каркасы. По мере увеличения высоты здания влияние горизонтальных нагрузок возрастает и решающими ста­новятся требования по обеспечению жесткости несущих конструкций.

Стальные каркасы имеют некоторые преимущества в сравнении с железобетонными, к которым относятся:

- относительно меньший вес , в связи с чем уменьшаются усилия в конструктивных элементах, снижа­ются масса и стоимость фундаментов, имеется возмож­ность членения конструкций на монтажные элементы (блоки) более крупных размеров;

- конструктивные удобства крепления огражда­ющих конструкций и инженерных коммуникаций; возмож­ность размещения в пределах габаритов колонн верти­кальных коммуникаций, а в пределах высоты перекры­тий - горизонтальных;

- малые размеры сечений колонн, что в некото­рых случаях позволяет скрыть их в стене (перегородке);

- возможность создания (без резкого увеличе­ния материалоемкости) большепролетных перекрытий, допускающих гибкость планировочных решений.

Основная проблема применения стальных каркасов - малая огнестойкость и подверженность коррозии стали - обуславливает необходимость дополнительных затрат на защиту конструкций. Применение огнезащитных покры­тий, использование спринклерных установок может не­сколько снизить эти затраты.

Конструктивные элементы каркасов .

Колонна - основной элемент каркаса здания, воспринимающий преимущественно сжимающие усилия, иногда с изгибом. Колонны оказывают решающее влияние на конструирова­ние несущей системы и на ее показатели, поэтому при выборе типа колонн нужно учитывать технологические и экономические требования.

Применяемые типы сечений сплошных и сквозных колонн показаны на рис. 12.17. Сплошные колонны могут быть прокатными или составными, когда они образуются из нескольких прокатных профилей или листов. Большин­ство сечений - сплошные составные, образуемые авто­матической сваркой.

Рис. 12.17. Типы сечений стальных колонн: а-г - сплошные из прокатных профилей; д-к - сплошные свар­ные из листов; л-п - сплошные сварные из профилей; р-т - сплошные сварные из листов и профилей; у-ш - сквозные из профилей и накладок (вставок)

Сквозные колонны (рис. 12.17 у-ш) - как менее ком­пактные и более трудоемкие - используются в современ­ных каркасах реже, преимущественно в уникальных зда­ниях небольшой этажности.

Выбор типа сечения зависит от вида и соотношения внутренних усилий (продольная сила, изгибающий мо­мент), от значения расчетных длин, удобства крепления ригелей. Если изгибающие моменты отсутствуют или малы, а расчетные длины не превышают обычной высоты этажа (3-4 м), выбирают компактные сечения с небольшой гибкостью (30-50). Толщину листов в составных сечениях принимают обычно не более 60 мм, а отношение габари­тов сечения к расчетной длине не менее 1/15, чему соот­ветствуют гибкости 40-60 (в зависимости от типа сечения).

Двутавровый профиль - самая распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необ­ходимости крепления к колоннам балок в двух направле­ниях, так как все элементы двутавра доступны для поста­новки болтов.

Прямоугольные коробчатые профили применяются для колонн при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонн.

Сплошной квадратный профиль, позволяющий де­лать колонны с наименьшими габаритами сечения, обла­дает высокой степенью огнестойкости при ограниченной защите.

Крестообразные профили, благодаря полной сим­метрии и своеобразной форме поперечного сечения, часто применяются из эстетических соображений, особен­но для колонн, которые размещены на пересечении пе­регородок и должны быть скрыты в них.

Профили круглого полого сечения (трубы) выгодны с расчетной точки зрения, так как во всех направлениях они имеют одинаковые геометрические характеристики.

Сквозные сечения применяются для колонн каркасов высотных зданий, если балки должны проходить между ветвями колонн или предусматривается прокладка техни­ческого оборудования внутри колонн.

Базы колонн . База является опорной частью колон­ны и служит для распределения сосредоточенного давле­ния от стержня колонны по площади фундамента, обес­печивая закрепление нижнего конца колонны в соответ­ствии с принятой расчетной схемой.

В зависимости от типа и высоты сечения колонны применяют базы: без траверс, с общими или раздельны­ми траверсами, с одностенчатыми или двухстенчатыми траверсами (рис. 12.18).

Рис. 12.18. Схемы баз колонн: а, б - без траверс; в - одностенчатая; г - двухстенчатая с раз­дельными траверсами; д - двухстенчатая с общими траверсами

Конструктивное решение базы зависит от способа ее сопряжения с фундаментом и принятого метода монтажа колонн. С помощью базы осуществляется шарнирное или жесткое сопряжение колонн с фундаментами.

Базы колонн при шарнирном сопряжении с фунда­ментом имеют наиболее простую конструкцию (рис. 12.19 а-в). Для центрально сжатых колонн со значитель­ным усилием может быть применена база, состоящая из толстой стальной опорной плиты. Ребра жесткости и со­единительные траверсы создают более равномерную передачу силового потока от колонны к плите. Особенность всех шарнирных баз состоит в том, что анкерные болты (их обычно два) крепят базу к фундаменту непосред­ственно за опорную плиту.

Рис. 12.19. Типы баз колонн: а - при шарнирном сопряжении с фундаментом с толстой опор­ной плитой; б - с плитой и ребрами жесткости; в - с боковыми траверсами; г - при жестком сопряжении с фундаментом, с бо­ковыми траверсами; 1 - отверстия для анкерных болтов; 2 - опорная плита; 3 - траверса; 4 - ребро жесткости; 5 - прижим­ная планка; 6 - анкерный болт

Базы колонн при жестком сопряжении с фундамен­том крепятся с помощью не менее четырех анкерных бол­тов и прижимных планок (рис. 12.19 г). Жесткое сопряже­ние устраивают для внецентренно сжатых колонн, кото­рые могут передавать изгибающие моменты. С этой це­лью траверсы приходится развивать в направлении дей­ствия момента. При относительно небольших опорных моментах траверсы делают из листов толщиной 10-12 мм или швеллеров.

Толщину опорной плиты базы определяют расчетом, однако из конструктивных соображений ее не принимают менее 20 мм. Обычно базы колонн устанавливают на 0,5-1 м ниже отметки пола первого этажа и обетонируют для защиты от коррозии.

Анкерные болты . При шарнирном сопряжении ко­лонн с фундаментом анкерные болты выполняют устано­вочную функцию, фиксируя положение базы относитель­но фундамента. Размеры таких болтов назначают кон­структивно, принимая диаметр 20-30 мм. Отверстия или вырезы для болтов в опорной плите базы делают в 1,5 раза больше диаметра болтов. Глубину заделки бол­тов в бетоне принимают равной 15-20 диаметрам болта. Способы заделки анкерных болтов в фундаменте пред­ставлены на рис. 12.20.

Рис. 12.20. Тип анкерных болтов: а - с заделкой анкера с отогнутым нижним концом через сцепле­ние; б, в - с заделкой анкера с помощью шайб; г - с помощью приваренных стержней

Стыки колонн делают из-за ограниченной длины прокатной стали (заводские стыки) и для деления колон­ны на отправочные элементы длиной не более 18 м по условиям перевозки (монтажные стыки).

Заводские стыки осуществляют сварными с прямым стыковым швом с полным проваром.

Монтажные стыки колонн, по условиям унификации и удобства монтажа, размещают, как правило, на одном горизонтальном уровне выше ригеля на 0,6-1,0 м. Стыки, где не возникают растягивающие напряжения, выполня­ются болтовыми или сварными.

Балки представляют собой простейшую конструктив­ную форму, используемую как несущий элемент перекры­тий (покрытий). В каркасах балки служат ригелями рам, образуемых совместно с колоннами. Балки работают пре­имущественно на изгиб. Продольные силы в балках, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных ветровых нагрузок, передаваемых от наружных стен че­рез колонны.

Система несущих балок в перекрытии называется балочной клеткой , которая бывает нормальной или ус­ложненной. В балочной клетке нормального типа верти­кальная нагрузка на ригели рам передается через второ­степенные балки . Ригели рам в перекрытии такого типа называются главными балками . В балочной клетке ус­ложненного типа применяют балки трех видов с соответ­ствующей передачей нагрузок: балки настила , второсте­пенные и главные.

Балки классифицируют следующим образом:

По типу сечения: прокатные, составные (рис. 12.22);

По высоте поперечного сечения: постоянной вы­соты, переменной высоты;

По виду стенки: со сплошной, с перфорирован­ной стенкой, с отверстиями;

По статическому признаку: разрезные, неразрез­ные, консольные.

Рис. 12.22. Балки стальных каркасов: а-е - формы балок из прокатных профилей; ж - сварные перфо­рированные балки; з - типы сечений балок из прокатных профи­лей; и - сечения сварных балок из листов; к - балка из швелле­ров и листов

При пролетах до 12 м балки проектируют сплошными из обычных и широкополочных двутавров, одиночных или спаренных швеллеров (рис. 12.22 з). Балочные двутавры с уклоном внутренних граней полок имеют ограниченные возможности по величине пролета. Широкополочные дву­тавры с параллельными гранями полок лишены такого недостатка, так как имеют высоту сечения до 1 м.

На предварительной стадии проектирования высоту прокатных балок для междуэтажных перекрытий назнача­ют в зависимости от величины перекрываемого пролета: главных балок - 1/10-1/15 от пролета, второстепенных балок - 1/20-1/24 от пролета.

При недостаточной несущей способности и жестко­сти прокатных балок изготавливают составные сварные балки. Простейшая составная балка состоит из трех лис­тов: вертикального (стенки) и двух горизонтальных по­ясов; более сложная замкнутого сечения - из четырех листов (рис. 12.22 и).

При больших пролетах и малых нагрузках, размеще­нии инженерных коммуникаций в пределах высоты пере­крытия целесообразны перфорированные балки из ши­рокополочных двутавров (рис. 12.22 ж). Их получают пу­тем разрезания стенки горячекатаного профиля в про­дольном направлении по ломаной линии. Затем обе ча­сти сдвигают относительно друг друга до соединения гребней впритык, после чего они свариваются. В зависи­мости от формы линии, по которой производится разрез­ка стенки, можно получать различные формы отверстий (перфораций) и различную высоту балки. Оптимальная высота составляет полуторную высоту исходной балки. Для увеличения высоты сечения перфорированной балки между гребнями вставляются прямоугольные пластины.

Сопряжение главных и второстепенных балок мо­жет быть этажным , когда вспомогательные балки распо­лагаются над главными (рис. 12.23 е, л); в одном уров­не , когда верхние пояса вспомогательных и главных ба­лок находятся в одной плоскости (рис. 12.23 з-к, н-р); пониженным , когда пояс вспомогательной балки располагается ниже пояса главной балки (рис. 12.23 ж, м). Этажное сопряжение балок отличается простотой испол­нения, но вызывает увеличение строительной высоты пе­рекрытия и, соответственно, здания.

Рис. 12.23. Сопряжения вспомогательных балок с главными. Приемы креплений: а - болтовое с помощью уголков; б - болто­вое односрезное с помощью приваренного вертикального лис­та; в - болтовое двухсрезное; г - болтовое через торцовый лист вспомогательной балки; д - сварное крепление к стенке главной балки. Шарнирные сопряжения: е - этажное опирание с фикса­цией болтами; ж - пониженное болтовое; з-к - одноуровневые болтовые. Жесткие сопряжения: л - этажное опирание неразрез­ной второстепенной балки; м - пониженное опирание с верхним накладным листом; н - одноуровневое болтовое с верхним на­кладным листом; о - то же, с верхним и нижним листами; п, р - одноуровневые сварные

В месте сопряжения двух балок поперечная сила при­крепляемой второстепенной балки должна быть переда­на на главную балку. Для балок с шарнирным опиранием наиболее распространены следующие приемы сопря­жений: болтовые с помощью уголков или приваренных вертикальных листов и сварные (рис. 12.23 а-к).

Жесткие сопряжения , передающие поперечные силы и изгибающие моменты, изображены на рис. 12.23 л-р.

При необходимости получения больших внутренних безопорных пространств (помещений) в качестве ригелей рам каркасов применяют фермы (рис. 12.24). Безраскос­ные фермы на высоту этажа изготавливают из прокатно­го профиля (двутавра) с помощью сварки. При работе под нагрузкой пояса и стойки таких ферм испытывают про­дольные усилия и изгибающие моменты, что необходимо учитывать при проектировании каркаса. Для перекрытия больших пролетов и прокладки горизонтальных коммуни­каций в пределах высоты перекрытия применяются рас­косные фермы, высоту которых принимают в пределах 1/8-1/10 пролета (рис. 12.24 г, д).

Рис. 12.24. Фермы стальных каркасов:

а - безраскосная ферма (балка Виренделя), сварная из прокат­ного двутавра; б - узлы безраскосной фермы при необходимо­сти увеличения жесткости и несущей способности; в - безрас­косная ферма под большие нагрузки (сварная из листовой и широкополосной стали); г - ферма с нисходящими раскосами; д - ферма с треугольной решеткой; е-м - типы сечений ферм; н-р - варианты узлов ферм

Компоновка элементов каркаса во многом зависит от архитектурно-планировочных требований и определя­ется формой здания. Характерные для стальных каркасов типы компоновок представлены на рис. 12.25.

Рис. 12.25. Схемы компоновки стальных каркасов:

а-г - с поперечными основными рамами; д-з - с продольными рамами; и-м - с рамами в двух направлениях; н-р - с рамами в трех направлениях (на треугольной сетке колонн); с-ц - с комбинированными расположением и пролетами рам; ч - с рамами в трех на­правлениях (для треугольного в плане здания); ш - с веерообразным расположением рам; э - с рамами по радиальным и кольцевым направлениям

В каркасных зданиях компоновка колонн определяет систему горизонтальных элементов каркаса - балок. Глав­ные балки совместно с колоннами образуют основную си­стему, выполняя функции несущих элементов вертикаль­ных рам. Пролеты главных балок могут достигать 15 м. В зависимости от размеров основной планировочной ячей­ки каркаса она может быть разделена второстепенными балками с образованием балочной клетки. Эти балки имеют пролеты 6-12 м и располагаются с шагом 2-3 м. При этом чем больше их пролет, тем меньше шаг, и наоборот.

Конструкции несущих систем каркасных зданий вы­бираются в соответствии со схемой передачи усилий в виде поперечных, продольных и пространственных рам (в двух или трех направлениях).

В системах с поперечными рамами (одно-, двух-, трехпролетными) вертикальные нагрузки передаются этим рамам, которые одновременно воспринимают и основную часть горизонтальных нагрузок (рис. 12.25 а). По мере уве­личения шага рам необходимо переходить на балочные клетки (рис. 12.25 б-г), в которых второстепенные балки передают вертикальные нагрузки на главные балки - риге­ли рам. Такой подход характерен для жестких (рамных) каркасов. Второстепенные балки чаще всего располагают в третях или четвертях основного пролета.

В несущих системах с продольными рамами (рис. 12.25 д-з) вертикальные нагрузки передаются рамам, параллельным длинной стороне здания, а поперечные рамы работают, в основном, на горизонтальные нагрузки.

Если сетка колонн и форма плана здания близки к квадрату, то обычно применяют несущие системы, рабо­тающие в двух направлениях (рис. 12.25 и-м). В целях распределения вертикальных нагрузок по обоим направ­лениям расположение главных и второстепенных балок можно менять поэтажно.

В треугольном по плану здании главные балки могут располагаться в двух или трех направлениях параллельно каждой из наружных стен, а второстепенные - перпенди­кулярно им или под углами в 30° и 60° (рис. 12.25 н-р, ч).

Каркасное здание усеченной элиптической формы (рис. 12.25 ш) требует устройства необычного веерооб­разного расположения главных балок и рам, которые вос­принимают вертикальные нагрузки и основную часть го­ризонтальных нагрузок.

Естественно стремление в зданиях, близких к форме круга (рис. 12.25 э), создать систему радиальных рам и связывающих их балок по кольцевым направлениям или, наоборот, кольцевых рам и радиальных балок.

Членение конструкций каркаса на отправочные эле­менты (рис. 12.26) при ограничении веса и габаритов должно обеспечивать максимальную степень их заводс­кой готовности. При определении габаритов отправочных элементов принимают во внимание особенности транс­портировки и монтажа конструкций конкретного объекта строительства. Наиболее часто используют схему с ли­нейными отправочными элементами (рис. 12.26 а), име­ющую преимущество транспортировки и складирования. Другие схемы членения каркаса уступают линейной, но имеют свои преимущества.

Рис. 12.26. Схемы членения стальных каркасов на отправочные элементы

Для ускорения и повышения качества монтажа отпра­вочные элементы на строительной площадке укрупняют в монтажные блоки массой до 15-20 т в специальных стендах и кондукторах, обеспечивающих высокую точ­ность укрупнительной сборки. Монтажные блоки могут быть плоскостными и пространственными (рис. 12.27).

Рис. 12.27. Членение каркаса на монтажные блоки и элементы

В современной практике строительства зданий из стали применяются рамные, связевые и рамно-связевые типы каркасов (рис. 12.28 а-в). При проектировании стального каркаса в силу различных причин не всегда со­храняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В высоких зданиях возможны нарушения ре­гулярности в виде выступов и углублений в плане, усту­пов и консольных выносов по высоте, смещений осей и некоторых колонн и ригелей, изменения схемы работы системы по высоте здания, по поперечному или продоль­ному направлению и т.д. (рис. 12.28 г-ж).

Рис. 12.28. Конструктивно-статические схемы стальных каркасов и их возможные сочетания: а - рамный; б - связевый; в - рамно-связевый; г, д - разделение каркаса на крупные зоны с разными системами по высоте; е, ж - местные изменения в системе

В некоторых архитектурно-конструктивных решениях применяют стальные каркасы с наклонными колонна­ми . В этих случаях необходим учет передачи горизон­тальных усилий на каркас от наклонных колонн. Горизонтальные усилия тем больше, чем сильнее колонны откло­няются от вертикали. В зданиях с симметричными карка­сами (рис. 12.29 а, б) горизонтальные усилия от нагрузки взаимно погашаются. В несимметричных каркасах (рис. 12.29 в) требуется мощная жесткая несущая конструкция, способная воспринять горизонтальные усилия. Парные наклонные колонны, например, для образования проезда (рис. 12.29 г) эффективно увеличивают жесткость здания против ветровых горизонтальных нагрузок; V-образные опорные колонны (рис. 12.29 д) также хорошо сопротив­ляются горизонтальным усилиям. В зданиях воронкооб­разной формы с наклонными колоннами создаются зна­чительные горизонтальные силы, которые при симмет­ричном решении каркаса могут быть, в основном, воспри­няты мощными затяжками (рис. 12.29 е).

Рис. 12.29. Каркасы с наклонными колоннами: а, б - симметричные; в - несимметричный; г - с парными сим­метричными внутриконтурными колоннами; д - с V-образными парными опорными колоннами; е - с наклонными симметричны­ми колоннами в верхней части каркаса

Огнестойкость открытых стальных конструкций кар­касов, как правило, не соответствует требованиям, уста­новленным для многоэтажных зданий.

Защита стальных элементов от огня обычно выпол­няется:

- напылением (окраской) или оштукатуривани­ем специальными красками, пастами, растворами с тол­щиной слоя от нескольких долей миллиметра до 2-3 см (Приложение 8);

- облицовкой плитами из гипса, асбестоцемен­та, вермикулита, кремневермикулита, базальтовой мине­ральной ваты и т.п.

Огнезащитные покрытия, выполненные современными штукатурными растворами, способны повысить огнестой­кость конструкций до 3 часов (R180). К достоинствам таких покрытий относится их способность в обычных («непожар­ных») условиях выполнять роль тепло- и звукоизоляции.

Одними из принципиально новых огнезащитных плит­ных материалов являются вермикулитово-силикатные плиты «Минпласт», обладающие малым весом, низким коэффициентом теплопроводности, высокой прочностью и морозостойкостью. Материал имеет отделочное покры­тие (пластик, полимерные пленки, металлические листы и др.). При толщине 50 мм плиты «Минпласт» придают стальным элементам огнестойкость в 2,5 часа. Техноло­гия облицовки предусматривает раскрой плит по размерам, заделку стыков специальным клеевым составом, крепление плит между собой с помощью саморезов.

В исключительных случаях применяется способ повы­шения огнестойкости, при котором полости стальных ко­лонн трубчатого (коробчатого) сечения заполняются во­дой, начинающей автоматически циркулировать при по­жаре. Способ позволяет повысить предел огнестойкости стальных конструкций до 1,5 часов без применения до­полнительных мероприятий по огнезащите.

Коррозионный износ стальных каркасов многоэтаж­ных зданий незначителен и не оказывает существенного влияния на прочность и долговечность. Стальные элемен­ты конструкций преимущественно имеют достаточно мощные сечения из толстой стали, находятся внутри зда­ния в неагрессивной среде и требуют лишь грунтовки. Кроме того, противопожарный защитный слой, нанесен­ный на поверхность элементов, обеспечивает одновре­менно и их защиту от коррозии.

Стальные элементы зданий, которые по нормам не требуют специальной огнезащиты, необходимо защи­щать от коррозии.

Способы защиты металлических конструкций от коррозии приведены в Приложении 9.

Строительство — сложный и долгий процесс. Есть много методик, материалов и техник, которые используются в таком виде работ. Они отличаются в зависимости от того, будет ли сооружение жилым помещением, или строением для промышленных целей. Среди них – использование железобетонных каркасов. Это не новый и распространенный вид строительства, особенно часто применяемый для сооружения многоэтажных конструкций. Правильная техника строительства и качественные материалы обеспечат максимально возможную стойкость. Прочность и надежность таких строений доказана годами.

Железобетонные каркасы применяется в строительстве как многоэтажных, в том числе высотных, конструкций, так и в сооружении небольших частных домов. В первом случае это техническая необходимость в силу прочности такого вида материала, во втором – экономично не обосновано, так как можно использовать более дешевые составляющие. К плюсам использования железобетонного каркаса в строительстве можно отнести:

• хорошие несущие данные;
• большой эксплуатационный период;
• большую длину пролетов (6 м);
• качественное изготовление составляющих каркаса полностью проводится на производствах, что обосновывает их надежность.

Из-за того, что железобетонными каркасами можно создавать большие площадки, расширяется возможность в планировании внутреннего пространства. Среди недостатков можно назвать только большой вес конструкций.

Виды. Где используется в строительстве?

Каркасные железобетонные конструкции можно разделить на:

• монолитные;
• сборно-монолитные;
• сборные.

Каждый из этих видов лучше всего подходит для своего типа строительства и схема их установки полностью разные. Использование сборного железобетонного каркаса (серия 1.020) раньше ограничивалось только сооружениями для промышленных или административных целей, сейчас этот материал широко применяется для жилых помещений, так как удалось ввести в такую конструкцию гибкую внутреннюю планировку. Использование этого вида имеет свои плюсы:

• применение небольшого количества материалов (как, например, в монолитном);
• возможность работать при низких температурах.

Особенностью этого вида является то, что таким железобетонным каркасом обеспечивается невысокая несущая способность и в нем используются жесткие узлы. К минусам этого вида относиться:

• рама каркаса не сопротивляется горизонтальному движению, отчего неизменяемость пространства зависит только от вертикальных элементов;
• ограниченность в выборе формы конструкции из-за заводских стандартов.

Сборный железобетонный каркас составляют три элемента:

• колоны;
• ригели;
• основы лестничных проемов.

Схема сборного железобетонного каркаса.

Эти элементы изготавливаются на производстве, после чего привозятся на строительство и собираются в единую конструкцию. Монолитные каркасы делают на строительной площадке путем заполнения опалубки конструкции бетонной смесью нужной марки. Преимущества использования:

• нет ограничения по форме, местонахождению элементов в конструкции, сечению колонн;
• прочность – способны выдержать любую нагрузку и количество этажей;
• нагрузки между элементами в железобетонном каркасе рассредоточиваются, что дает возможность экономить используемые материалы (жесткие составляющие часть нагрузки с колон переносят на балки и перекрытия);
• при возведении стен и перегородок используются материалы с высокими теплоизоляционными свойствами.

Для сооружения монолитной конструкции используют съемную опалубку, которая заливается бетоном. Это ускоряет строительные работы.

Технология строительства железобетонных каркасных конструкций

Есть разные типы сооружения помещений в зависимости от вида каркаса и этажности.

Сборные конструкции

При расчете каркаса многоэтажного сооружения используется расчетная схема с жесткими связями сдвига. Типы каркасов для высоких сооружений: рамные, связевые, комбинированные. Для перемещения составляющих каркаса при изготовлении в них закладывают монтажные петли или оставляют небольшие отверстия. Железобетонные каркасы сооружают, сваривая стальные детали.

Для сборных каркасов делают , в которые устанавливают колонны, расстояние между которыми 6 и 12 м. Балки для фундамента делают из бетонов марок 200-400. На укладываемые балки (длинна равняется шагу колонн) опираются . Балки укладывают на ступенчатый фундамент таким образом, чтоб верхний уровень на 3 см был ниже уровня пола. Проемы между балками и колонами заливают бетоном. Заполнение проводят бетоном марки 100.

Колонны серии 1.020-1/87.

После (защита пола от промерзания и влияния грунтов на балки фундамента). При сооружении больших конструкций необходимо использовать колонны 1.020. Они способны выдержать нагрузку до 500 т (примерно 10 этажей при усилении в стыке). Чтоб изготовить жесткий диск перекрытия, необходимо установить приваренные ригели в одну, которые направлены в одну сторону, и связанные плиты по колонных рядах.

Ячеисто-бетонные блоки лучше всего подходят для наружного стенового ограждения железобетонных каркасных сооружений. Их выкладывают одним рядом, с нулевой жесткостью, что помогает сохранить пластичность фасадов. Наружные стены устанавливают на плиту перекрытия или ригели. Таким образом, нет ограничения по количеству этажей здания.

Если внешние стены сооружаются из мелких блоков, то они могут выкладываться как в один слой, так и многослойно. При конструировании таких строений необходимо следить, чтоб кладка не была опорой для каркаса. Толщину стен выбирают, учитывая теплоизоляционные требования: для жилых домов толщина наружной стены должна быть 50 см (прочность В 2.5, морозостойкость F 25).

Для кладки внутренних стен и перегородок между квартирами и других внутренних элементов также используют ячеисто-бетонные блоки. Эти перегородки проектируются для каждого этажа самонесущими. При планировании толщины стен и перекрытий основным требованием является звукоизоляция (больше 50 дБ), которая определяется согласно нормативным документам. Этот параметр зависит от блоков, раствора, бетона и т. д. Для улучшения звукоизоляции могут использовать заполнение промежутков минплитой (плотность 80-100 кг /м3).

Перегородки между комнатами выполняют толщиной 12 см из (звукоизоляция не меньше 43 дБ).

При кладке стен в комнатах, где предполагаемая влажность повышена (например, ванная комната), необходимо использовать защиту для ячеистых блоков от влаги и пара. Отделочные наружные работы необходимо проводить после полного естественного высыхания здания, иначе влажность с блоков будет выходить внутрь помещения.

Расчетной схемой одноэтажного железобетонного каркасного промышленного здания является рама, в которой ригели и колонны скрепляются при помощи шарнирного соединения. При строительстве монолитного каркасного здания в первую очередь делают опалубку, потом делают необходимый раствор и делают заполнения опалубки бетононасосом.

Сборно-монолитные каркасы

Колонны ставятся в отверстие в . На плиту ставятся многопустотные панели, на них – пролетные панели. Арматурная сетка межколонных панелей сваривается с армопрутьями пролетных панелей, после чего происходит заполнение бетонной смесью.

Повышение эффективности монолитного каркасного жилья

Схема армирования перекрытий: 1 – колонны; 2 – плоская плита перекрытий; 3 – ограждение лестничной клетки (вертикальные диафрагмы жесткости); 4 – арматура колонн; 5 — консольная плита; 8,9 – нижняя арматура «условного» ригеля; 10 – нижняя арматура плиты; 11,12 – верхняя арматура ригеля и плиты.

Не смотря на то, что монолитный каркас уже широко используется в строительстве, его функциональные свойства стараются постоянно повысить. Строители пытаются сделать его более прочным, уменьшить расход материалов. Одним из способов достижения такой цели является использование бетона более высокой марки. Это уменьшает в каркасах, отчего расход на материалы уменьшается. Эффективность каркаса достигается, если армирование составляет больше 3%. Оптимизация монолитного железобетонного каркаса происходит по:

• марке бетона;
• сечению ж/б составляющих;
• количеству арматуры в бетоне.

В сооружении монолитных каркасных зданий используют метод, при котором коробку конструкции заглубляют в землю на глубину до 2 этажей. При этом все здание замоноличено. Такая техника позволяет упрочнить конструкцию, так как нагрузки передаются пластовым грунтам (они высокопрочные).

Стоимость такого здания очень большая (опалубка, техника и т. д.), отчего при строительстве одноэтажных (2-3) сооружений используется редко. Для таких конструкций чаще используют сборные железобетонные каркасы, что дешевле и они достаточно прочны для такой высоты.

Заключение

Железобетонные каркасы — наиболее подходящий материал для возведения многоэтажных зданий. Такая конструкция является прочной и выдерживает большой вес и этажность. Каркасы бывают сборными, сборно-монолитными и монолитными, каждый из них подходит для конкретного вида строительства. Не так давно сборные каркасы использовались только для промышленных или административных целей.

Использование такого материала для небольших, например, одноэтажных, сооружений нецелесообразно из-за большой стоимости материалов и работ. Техника конструирования железобетонных каркасных зданий проектируется до каждой мелочи, что обеспечивает надежность и стойкость таким сооружениям. При возведении таких зданий необходимо учитывать нормативы, которые законом установлены для разных помещений.

Каркасом одноэтажных промышленных зданий называют систему связанных между собой колонн (стоек), несущих элементов покрытия, подкрановых балок и связей. В каркас включаются также фундаментные и обвязочные балки, устанавливаемые в плоскости каркасных стен.

Каркасы, многоэтажных зданий образуют так называемую прост­ранственную этажерку, состоящую из системы соединенных между собой ригелей, колонн и плит перекрытий (горизонтальных диафрагм жесткости).

Материалом для устройства каркаса служат преимущественно железобетон, реже – сталь, различные сплавы и дерево. При выборе материала каркаса руководствуются характером силовых и несиловых воздействий, воспринимаемых каркасом, а также учитывают размеры пролетов, шага колонн, высоту здания, место строительства, требования огнестойкости и технико-экономические соображения.

3.3.1. Железобетонный каркас одноэтажных зданий

В современном индустриальном строительстве применяют в основном сборные железобетонные каркасы, конструктивные элементы которых типизованы. Железобетонный каркас устраивают из сборных или монолитных элементов; наиболее экономичными и распространенными считаются сборные конструкции каркаса.

Каркас является несущей основой здания и состоит из поперечных и продольных элементов. Поперечные элементы – рамы – воспринимают нагрузки от покрытия, снега, ветра, действующего на наружные стены и фонари, а также от навесных стен. Рамы сборного железобетонного каркаса состоят из колонн и несущих конструкций покрытия – балок или ферм. Эти элементы соединяют в узлах шарнирно при помощи металлических закладных деталей, анкерных болтов и небольшого количества сварных швов. Рамы собирают из типовых элементов заводского изготовления. Продольные конструкции здания обеспечивают устойчивость поперечных рам и воспринимают продольные нагрузки от ветра, действующего на торцевые стены здания и торцы фонарей, а также нагрузки от торможения кранов. К продольным элементам относятся подстропильные конструкции и связевые элементы, располагаемые в уровне опорных частей несущих конструкций покрытий. В зданиях, оборудованных кранами, связевыми элементами в продольном направлении служат подкрановые балки.

3.3.2. Основные элементы каркаса производственных зданий и их назначение

Основные элементы каркаса зданий подразделяются на 3 группы:

1) несущие – воспринимающие основные нагрузки в здании;

2) ограждающие – предназначенные для защиты внутреннего пространства здания от атмосферных воздействий, разделения здания на помещения и сохранения заданного температурно-влажностного режима;

3) выполняющие одновременно несущие и ограждающие функции.

Промышленные здания возводят из следующих архитектурно-кон­структивных элементов (частей): фундаментов, фундаментных балок, стен, вертикальных опор (колонн), несущих элементов покрытий и перекрытий – балок, ферм, ригелей, кровли, парапетов, перегородок, фонарей, лестниц, полов, окон и дверей (рис. 3.3.).

Фундаменты представляют собой подземную конструкцию, вос­принимающую нагрузки от веса здания и оборудования и передающую их основанию.

Перекрытия разделяют внутреннее пространство на этажи, выполняют функции ограждающих и несущих конструкций, а также обеспечивают пространственную жесткость здания.

Вертикальные опоры (колонны) предназначены для поддержания покрытий и перекрытий.

Покрытие здания защищает его от атмосферных воздействий. Верхнюю гидроизоляционную оболочку покрытия называют кровлей.

Перегородки служат для разделения внутреннего пространства в пределах одного этажа на отдельные помещения. Перегородки несут только собственную массу и опираются на перекрытия нижнего этажа.

Лестницы служат для сообщения между этажами.

3.3.3. Колонны, их классификация, виды и основные типоразмеры

Конструкция сборных железобетонных колонн зависит от объемно-планировочного решения промышленного здания и наличия в нем того или иного вида подъемно-транспортного оборудования и его грузоподъемности. В связи с этим сборные железобетонные колонны подразделяют на две группы:

1) предназначенные для бескрановых цехов и цехов, оснащенных подвесным подъемно-транспортным оборудованием;

2) для цехов, оборудованных мостовыми кранами.

По конструктивному решению колонны подразделяют на одноветвевые и двухветвевые, а по местоположению в здании – на колонны крайних рядов, средние и располагаемые у торцевых стен. В тех случаях, когда бескрановое здание должно иметь высоту более 9,6 м, можно использовать колонны для зданий с мостовыми кранами. Для зданий, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т, применяют одноветвевые колонны прямоугольного сечения (рис.3.4.).

Выбор сечения колонны зависит от размеров пролета и их числа, величины шага колонн, наличия и вида подстропильных конструкций, подвесного транспорта и конструктивного решения покрытия.

Высота колонн включает в себя расстояние от уровня чистого пола до низа стропильной конструкции плюс глубину заделки в стакане фундамента.

Высота этажа промышленных зданий принята равной: 3,6; 4,8; 6,0; 7,2; 8,4; 9,6; 10,8 (через 1,2 м), 12,6; 14,4; 16,2; 18,0 (через 1,8 м).

Для зданий без мостовых кранов, имеющих высоту от пола до низа несущих конструкций покрытия до 9,6 м, применяют колонны прямоугольного сечения 400x400, 500x500 и 560x600 мм. Средние колонны имеют в верхней части со стороны боковых граней двусторонние консоли для увеличения площади опирания под несущие конструкции покрытия.

Типовые колонны запроектированы под максимальную расчетную нагрузку от полного веса покрытия со светоаэрационными фонарями, снеговой нагрузки и подвесного транспорта грузоподъемностью до 5 т, а также от покрытия и мостовых кранов грузоподъемностью до 50 т.

Колонны в зданиях с мостовыми кранами должны иметь консоль, стойку или отдельную ветвь для опирания подкрановых балок. Средние колонны имеют две подкрановые консоли, крайние выполняют с односторонним расположением подкрановой консоли. Колонны для зданий с мостовыми кранами состоят из надкрановой части (от верха колонны до подкрановых консолей) и подкрановой части (от подкрановых консолей до фундамента). Надкрановая часть (надколонник) служит для опирания несущей конструкции покрытия, а подкрановая часть передает нагрузку от надколонника и подкрановых балок, опиравшихся на консоли колонн, на фундамент. Колонны крановых зданий бывают сплошные и двухветвевые (сквозные).

Двухветвевые (сквозные) колонны применяют для зданий, обору­дованных мостовыми кранами общего назначения грузоподъемностью от 10 до 50 т, а также для бескрановых зданий с высотой этажа 10,8; 12,6; 14,4; 16,2; 18,0 м при пролетах, равных 18, 24 и 30 м. Шаг колонн для крайних рядов 6 и 12 м, для средних рядов – 12 м. Двухветвевые колонны имеют в надкрановой части сплошное прямоугольное сечение, а в подкрановой части – две ветви также прямоугольного сечения, соединенных по высоте распорками через 1,5 – 2,0 м. Высота типовых двухветвевых колонн составляет 10.8 – 18 м. Сечения крайних и средних колонн при шаге
6 м составляют 400x600 и 400х800 мм, а при шаге 12 м – 500x800 мм. При кранах грузоподъемностью до 30 т и высоте здания более 10,8 м применяют ступенчатые (для крайних рядов) и ступенчато-консольные (для средних рядов) двухветвевые колонны.

Величина заглубления колонн ниже нулевой отметки зависит от вида и высоты колонн, грузоподъемности кранового оборудования и наличия помещений или приямков, располагаемых ниже уровня пола.

Выполняют колонны обычно в виде одного цельного элемента из тяжелого бетона марки 300, армируют сварными каркасами из горячекатаной стали класса АI. Средние колонны, испытывающие действия моментов двух знаков, армируют симметрично.

Просветы между распорками ветвей колонн используют для пропуска санитарно-технических и технологических коммуникаций.

В зданиях с сильноагрессивными средами нежелательно применять двухветвевые колонны, так как они имеют сложную геометрическую форму поперечного сечения, малодоступную для осмотра и окраски мест, где могут скапливаться влага и гигроскопическая пыль. В таких случаях рекомендуется применять сплошные колонны.

3.3.4. Фундаментные и подкрановые балки

Наружные и внутренние самонесущие стены здания устанавливаются на фундаментные балки, посредством которых нагрузка передается на фундаменты колонн каркаса. Фундаментные балки укладывают на специальные бетонные столбики, устанавливаемые на обрезы фундаментов. Балки укладывают под наружные стены вплотную к наружным граням колонн, под внутренние стены – между колоннами.

Фундаментные балки при шаге колонн 6 м применяются сборные железобетонные из бетона марок 300 – 350, при шаге колонн 12 м – с предварительно напряженной арматурой. Сечение фундаментных балок может быть тавровым, трапециевидным или прямоугольным. Основные фундаментные балки изготовляют высотой 450 мм (для шага колонн 6 м) и
600 мм (для шага колонн 12 м), а шириной 260, 300, 400 и 520 мм. Эти размеры соответствуют наиболее распространенной в промышленных зданиях толщине наружных стен. В местах устройства температурных швов укладывают балки, укороченные на 500 мм.

Для защиты пристенной полосы пола от промерзания и предотвращения деформации балок на пучинистых грунтах их снизу и с боков засыпают шлаком. Верхнюю грань фундаментной балки размешают на
30 – 50 мм ниже уровня чистого пола, который в свою очередь располагают на 150 мм выше отметки грунта. Поверх фундаментных балок укладывают гидроизоляцию из цементно-песчаного раствора или двух слоев рулонного материала на битумной мастике. На поверхности земли вдоль фундаментных балок по всему периметру здания устраивают асфальтобетонную отмостку для предотвращения подмокания фундаментов под наружные стены от атмосферных осадков.

Подкрановые балки предназначены для опирания рельсов мостовых кранов и обеспечения продольной пространственной жесткости каркаса здания.

Железобетонные подкрановые балки могут быть таврово-трапециевидного или двутаврового сечения; их применяют под краны легкого и среднего режима работы при шаге колонн 6 и 12 м и грузоподъемности кранов до 30 т. В торцах здания на подкрановых балках устанавливают упоры для мостовых кранов.

3.3.5. Железобетонный каркас многоэтажных промышленных зданий

Элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий должны обладать высокой прочностью, устойчивостью, долговечностью и огнестойкостью. Поэтому для этих зданий применяют железобетонные конструкции, которые могут быть монолитными, сборными или сборно-монолитными.

Стальной каркас применяют при больших нагрузках, при наличии динамических воздействий на несущие конструкции от работы оборудования или при строительстве зданий в труднодоступной местности.

Положительным качеством многоэтажных зданий является их компактность, в связи с чем заметно сокращается протяженность различных инженерных и транспортных коммуникаций. В многоэтажных зданиях размещают производства, в которых технологический процесс организуется по вертикали. В этом случае материалы поднимают на верхний этаж, откуда они самотеком перемещаются на нижележащие этажи для переработки. Так, например, на предприятиях пищевой, фармацевтической и химической промышленности многие цехи оборудуют вертикально расположенной аппаратурой большой высоты, и жидкие материалы перерабатываются при транспортировании их самотеком. Здесь также целесообразно применять многоэтажные здания или этажерки.

Этажерки представляют собой многоярусные сооружения без ог­раждающих конструкций и покрытия. На них размещают такое техноло­гическое оборудование, на которое атмосферные влияния не оказывают вредного воздействия.

Преобладающей конструктивной схемой многоэтажных зданий является каркасная с навесными стенами. Здания с несущими стенами и внутренним каркасом применяются в последние годы сравнительно редко.

Многоэтажные каркасные здания сооружают по рамной схеме с жесткими узлами. Каркас состоит из вертикальных стоек (колонн), соединенных жестко с балками (ригелями) междуэтажных перекрытий и покрытий. В совокупности они образуют поперечную многоярусную раму, жестко защемленную в фундаментах. В продольном направлении поперечные рамы связывают настилом перекрытий и покрытий, образующих жесткие диафрагмы. Продольная жесткость обеспечивается также дополнительными стальными связями, которые размешают посредине каждого температурного блока.

Высота этажей может быть 3,6; 4,8; 6,0; 7,2 и 10,8 м. Высоту,7,2 м применяют для первого и верхнего этажей, высоту 10,8 м – только для верхнего. Высота этажа считается между отметками чистого пола; высоту верхнего этажа при укрупненном пролете замеряют от уровня чистого пола этого этажа до низа строительной конструкции.

Для сооружения многоэтажных зданий применяют типовые сборные железобетонные колонны двух типов – крайние и средние. Для опирания ригелей у колонн предусмотрены консоли. По высоте колонны могут быть двухэтажной разрезки высотой на два этажа и поэтажной – высотой на один этаж (рис. 3.5.).

Для двух нижних этажей, как правило, применяют колонны только двухэтажной разрезки. Для третьего и четвертого этажей – высотой 3,6 м и 4,8 м – устанавливают колонны тоже двухэтажной разрезки. Колонны поэтажной разрезки используют при высоте третьего этажа и выше, равной 6 м.

На консоли многоэтажных зданий опираются ригели (балки) междуэтажных перекрытий и покрытия. Размер между консолями принимают равным высоте этажа. Расстояние от консоли до верхнего конца колонны равно 1780 мм у колонн средних этажей и 720 мм у колонн верхнего этажа. Таким образом, стыковку колонн производят на высоте 1,0 или 0,6 м от плоскости плит перекрытия, в зависимости от типа железобетонного ригеля. Это обеспечивает удобство производства работ при монтаже. Такое расположение стыка объясняется также наименьшими усилиями, возникающими в месте стыка, в стойке каркаса при эксплуатации здания.

Сечение колонн – прямоугольное 600x400 или 400x400 мм, причем у колонн нижних этажей сечение составляет 600x400 мм. Переход на сечение 400x400 мм обычно происходит на уровне верхней плоскости консоли второго этажа.

Ригели (балки междуэтажных перекрытий) изготавливают двух типов:

а) тип I – для опирания плит на полки;

б) тип II – для опирания плит на верхнюю плоскость ригеля.

Ригели типа II отличаются от ригелей типа I формой поперечного сечения. Они имеют прямоугольную форму высотой 800 и шириной 300 мм. Длина ригелей зависит от их расположения в здании (крайние, средние), а также от расположения по этажам, что связано с сечением колонн, и составляет 5000; 5300; 5500 для 6-метрового пролета и 8000; 8300; 8500 мм для 9-метрового пролета.

Для крепления ригелей по концам их в верхней части имеются выемки с выпусками стержней арматуры, которые сваривают с арматурой колонн, после чего стык замоноличивают бетоном М 100-150 на мелком щебне. Ригели для пролетов 6 м изготавливают из бетона М 200 без предварительного напряжения арматуры. Ригели для 9-метровых пролетов изготавливают с предварительным напряжением нижних стержней арматуры. Междуэтажные перекрытия в многоэтажных промышленных зданиях, как правило, делают сборными. Они состоят из ригелей и железобетонных ребристых плит.

Плиты подразделяют на две группы в зависимости от типа ригеля. Для опирания плит на полки ригелей типа I предусмотрено два типоразмера плит:

а) основные плиты, имеющие ребристую коробчатую конструкцию длиной 5500 и 5050 мм и шириной 1500 мм, а также укороченные плиты длиной 5050 мм, которые укладывают в торцах здания и в местах устройства деформационных швов;

б) доборные плиты, укладываемые у продольных стен и имеющие такую же длину, что и основные, шириной 740 мм и высотой 400 мм.

При использовании ригелей II. типа плиты укладывают по их верху. Плиты II типа имеют один типоразмер: 5950x1490 мм; в качестве доборной применяют плиту I типа. Эти плиты имеют также коробчатую конструкцию. Межколонные плиты, имеющие в торцах вырезы для колонны, служат распорками, передающими горизонтальные продольные нагрузки на каркас здания их укладывают поверх ригелей.

В случае устройства каркаса многоэтажного здания (или этажерки), для легкого оборудования или вспомогательных помещений строят здания с безбалочными (сборными железобетонными) перекрытиями, имеющими ряд преимуществ, таких как возможность создания гладких потолков, не имеющих ребер, что способствует лучшему проветриванию и препятствует застою воздуха, это особенно важно для помещений с взрывоопасными выделениями и необходимостью обеспечения высокой степени гигиеничности. Кроме того, помещения с гладкими потолками лучше освещаются.

В таких перекрытиях на колонны с консолями надевают квадратные в плане капители, служащие опорами надколонным панелям. Эти панели образуют замкнутый контур, на который и опираются пролетные панели, имеющие квадратную форму.

3.3.6. Условия применения стальных конструкций для каркасов одноэтажных промышленных зданий

Применение стальных конструкций для каркасов промышленных зданий в соответствии с "Техническими правилами по экономному расходованию основных строительных материалов" (ТП 101-81) допускается только в приведенных ниже случаях.

а) Для стропильных и подстропильных конструкций:

· в отапливаемых зданиях с пролетами 30 м и более;

· в неотапливаемых зданиях и навесах различного назначения с асбестоцементной кровлей с пролетами до 12 м включительно при грузоподъемности подвесного подъемно-транспортного оборудования более 2 т, с пролетом 18 м при грузоподъемности подвесного подъемно-транспортного оборудования более 3,2 т;

· в зданиях и навесах пролетом 24 м и более;

· в неотапливаемых однопролетных зданиях с рулонной кровлей с пролетами 30 м и более;

· в многопролетных зданиях с пролетами 18 м и более;

· в зданиях с подвесным подъемно-транспортным оборудованием грузоподъемностью более 5 т либо другими подвесными устройствами, создающими нагрузки, превышающие предусмотренные для типовых железобетонных конструкций;

· в зданиях на участках с развитой сетью подвесного конвейерного транспорта;

· в зданиях с расчетной сейсмичностью 8 баллов с пролетами 24 м и более;

· в зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллов с пролетами 18 м и более, а также в случаях:

· возведения зданий в труднодоступных районах строительства;

· в зданиях с большими динамическими нагрузками (копровые цехи, взрывные отделения и др.);

· над горячими участками цехов с интенсивным теплоизлучением при температуре нагрева поверхности конструкций более 100 °С (холодильники прокатных цехов, отделения нагревательных колодцев, печные и разливочные пролеты и т.п.).

б) Колонны:

· в зданиях при высоте их от пола до низа стропильных конструкций более 18 м;

· при наличии мостовых кранов общего назначения грузоподъемностью 50 т и более независимо от высоты колонн, а также при меньшей грузоподъемности кранов тяжелого режима работы;

· при шаге колонн более 12 м;

· при двухъярусном расположении мостовых кранов.

в) Для подкрановых балок, светоаэрационных фонарей, ригелей и стоек фахверка.

г) Для типовых легких несущих и ограждающих конструкций комплексной поставки.

Применение стальных конструкций для каркасов одноэтажных производственных зданий при использовании новых эффективных утеплителей по сравнению с аналогичными традиционными конструкциями из железобетона и обычных теплоизоляционных материалов позволяет значительно снизить массу (вес) здания в целом.

Стальной каркас промышленного здания имеет конструктивную схему, аналогичную железобетонному каркасу.

Стальные колонны и их виды

Стальные колонны в зависимости от их поперечного сечения подразделяют на следующие:

а) сплошные:

– постоянного;

– переменного сечения;

б) решетчатые (сквозные) переменного сечения;

в) раздельные переменного сечения.

Колонны устраивают для бескрановых зданий и для зданий, обо­рудованных кранами. Колонны воспринимают совместно нагрузки от покрытия и кранов; при большой грузоподъемности кранов колонны раздельно воспринимают нагрузки от покрытия и от кранов. Соединения элементов колонн выполняют сварными, а при особо тяжелых крановых нагрузках – клепаными.

В поперечном сечении стальные колонны чаще всего представляют собой комбинацию нескольких прокатных профилей (швеллеров, двутавров, уголков, стальных листов), связанных накладками. Подкрановые балки опирают на колонны постоянного сечения через специально устраиваемые для этой цели консоли, а в ступенчатых – на уступы колонн (рис.3.6.).

Сплошные колонны по сравнению со сквозными менее трудоемки в изготовлении, но требуют большего расхода стали. Их применяют в бескрановых зданиях, а также в цехах с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т. В остальных случаях применяют колонны переменного сечения, при этом надколонники могут быть сплошными или сквозными. Нижнюю подкрановую часть колонн при ширине ее до 800 мм делают сплошной, а в остальных случаях сквозной. Колонны раздельного типа в некоторых случаях бывают самыми экономичными, так как разделение передаваемых нагрузок от покрытия и кранов на две ветви дает наиболее полное использование материала. Сплошные колонны чаше всего выполняют из одного прокатного профиля или нескольких вертикальных листов, сваренных между собой по всей высоте колонны. Сквозные колонны состоят из нескольких отдельных ветвей, которые соединяют между собой решетками.

Нагрузку от колонн на фундаменты передают через башмаки, размеры которых определяют по расчету в зависимости от величины передаваемых нагрузок; башмаки располагают на 500 – 800 мм ниже уровня пола. Во избежание коррозии башмаки обетонивают.

Фундаментные балки при стальных каркасах выполняют железобетонными.

Стальные подкрановые балки

Стальные подкрановые балки могут быть разрезными и неразрезными, сплошными и решетчатыми . Наибольшее распространение получили разрезные подкрановые балки – из-за простоты конструктивного решения и индустриальности, хотя неразрезные подкрановые балки имеют лучшие условия эксплуатации подкрановых путей.

Решетчатые подкрановые балки следует применять при пролетах 12 м и более при использовании кранового оборудования легкого и среднего режимов работы с грузоподъемностью, не превышающей 50 т. Во всех остальных случаях применяют сплошные подкрановые балки.

Для восприятий горизонтальных сил от торможения тележки и перекосов крана, а также обеспечения общей устойчивости подкрановых балок необходимо предусматривать установку тормозных балок или ферм, которые крепятся сваркой к верхним поясам подкрановых балок. Ширина тормозных балок и ферм назначается с учетом необходимой жесткости и возможности прохода по подкрановым путям. При высоте подкрановых балок более 1200 мм необходимо дополнительно вводить диафрагмы.

Стальные несущие конструкции покрытий: балки, фермы, рамы и арки

В качестве стальных несущих конструкций покрытия применяют прокатные или составные балки, фермы, арки, пространственные и висячие системы.

Стальные прокатные и составные балки имеют чаше всего двутавровое сечение, их используют при пролетах 6 – 12 м.

Стальные фермы, применяемые в практике строительства, имеют различные типы, форму и очертания, выбор которых зависит от назначения и объемно-планировочного решения промышленного здания. Геометрические схемы типовых унифицированных стальных ферм приведены на рис.3.7.

Наиболее часто применяют фермы сегментные, параболические, с параллельными поясами, полигональные, треугольные, с параллельными поясами с затяжкой и др. Фермы с параллельными поясами предназначены для зданий с плоским покрытием, а также для устройства подстропильных конструкций; их пролет может достигать 60 м и более. Полигональные фермы используют для устройства покрытий с рулонной кровлей при пролетах до 36 м. Треугольные фермы дают возможность осуществить покрытия с крутыми кровлями из асбестоцементных или стальных листов, вследствие чего высота ферм в середине пролета достигает значительных размеров; это ограничивает перекрываемые ими пролеты до 36 – 48 м. В массовом промышленном строительстве применяют унифицированные полигональные фермы пролетом 24, 30 и 36 м с уклоном верхнего пояса 1:8 и высотой в опорном узле 2200 мм, плоские с параллельными поясами пролетом 24, 30 и 36 м и высотой в опорном узле 2550, 3750 и 3750 мм соответственно и уклоном верхнего пояса 1,5 %, по которым устраивают рулонные кровли. В отдельных случаях фермы такого типа применяют для перекрытия 18-метровых пролетов. Фермы с крутыми скатами используют для пролетов 18, 24, 30 и 36 м при кровлях из листовых материалов; их высота

на опорах принята 0,45 м, а в средней части 3000, 3860, 4730 и 5560 мм соответственно. Большепролетные фермы могут перекрывать пролеты до 90 м и иметь различные схемы решеток: треугольную, раскосную, крестовую и другие, выбор которых зависит от характера приложения нагрузки и высоты фермы.

В подавляющем большинстве случаев фермы имеют неподвижные опоры, однако в температурном шве на одной колонне (а не на спаренных колоннах) одну из колонн устанавливают на катках или сферических поверхностях.

Стальные рамы, предназначенные для устройства несущих конструкций покрытий при больших пролетах, выполняют одно- или многопролетными, с горизонтальными или ломаными поясами. Рамные конструкции эффективны при жесткости колонн, близкой к жесткости ригелей, высоту которых принимают: при сплошных сечениях 1/20 – 1/30 пролета, при решетчатых – 1/12 – 1/18 пролета.

Стальные арки применяют в промышленных зданиях для устройства покрытий со значительными – от 50 до 200 м – размерами пролетов. Распор арок передают через фундаменты на грунт; стрела подъема арок находится в пределах 1/2 – 1/15 пролета. Арки, как и рамы, могут иметь сплошное или сквозное сечение; высота сечения сквозных арок составляет 1/30 – 1/60 пролета и 1/50 – 1/80 сплошных арок.

Связи

Пространственную жесткость и устойчивость ферм, арок, рам и других плоскостных конструкций каркасов зданий обеспечивают системой связей, устанавливаемых между этими конструкциями.

В покрытиях устраивают горизонтальные (продольные и поперечные) и вертикальные связи, а между колоннами – продольные вертикальные связи.

Продольные горизонтальные связи располагают вдоль рядов колонн в плоскостях нижнего и верхнего поясов крайних панелей ферм. Они представляют собой продольные связевые фермы с параллельными поясами. Поперечные горизонтальные связи образуют поясами двух смежных стропильных ферм и расположенной между ними решеткой. Их устраивают у торцов здания, а также с обеих сторон каждого деформационного шва, а при большом расстоянии между деформационными швами – через каждые 60 м.

3.3.7. Железобетонные несущие конструкции покрытия, их виды и типы

Несущие конструкции покрытий промышленных зданий подразделяют на стропильные, подстропильные и несущие элементы ограждающей части покрытия. В промышленных зданиях применяют два типа стропильных несущих конструкций:

1) плоскостные – балки, фермы, арки и рамы;

2) пространственные – оболочки, складки, купола, своды и висячие системы.

В качестве подстропильных конструкций промышленных зданий широко используют балки и фермы, а в качестве несущих конструкций ограждающей части покрытия – крупноразмерные плиты. Соответственно унифицированным размерам объемно-планировочных элементов промышленных зданий величину поперечных пролетов и продольного шага несущих конструкций назначают кратной укрупненному модулю 6 м; в отдельных случаях допускается применение модуля 3 м.

Железобетонные балки применяют для устройства покрытий в промышленных зданиях, пролетами 6, 9, 12, 18 и в отдельных случаях 24 м. Необходимость балочных покрытий при пролетах 6, 9 и 12 м (пролеты таких размеров можно перекрыть и плитами) возникает в случае подвески к несущим конструкциям подъемно-транспортного оборудования. Железобетонные балки могут быть односкатными, двухскатными и с параллельными поясами (рис.3.8.).

Односкатные балки применяют в зданиях с шагом колонн 6 м и в зданиях с наружным водоотводом пролетами 6 и 9 м. Сечение балок тавровое, в опорных узлах имеются вертикальные ребра жесткости. Уклон верх-

него пояса односкатных балок пролетом 6 м составляет 1:10, пролетом 9 м – 1:15, пролетом 12 м – 1:20. Высота балок в опорном узле – 600 (для пролета 6 м) и 800 мм (для пролета 9 м). Для устройства скатных покрытий зданий пролетом 12 м применяют предварительно напряженные односкатные балки с высотой в опорном узле 1200 мм. Такие балки рассчитаны на подвесной транспорт в виде двух кран-балок грузоподъемностью по 1,5 т каждая и нагрузку от покрытия в пределах 350 ÷ 550 кг/м 2 ; сечение балок двутавровое.

Двускатные балки используют для устройства ломаных покрытий в зданиях пролетами 6, 9, 12 и 18 м. Балки пролетом 6 и 9 м имеют тавровое сечение и вертикальные ребра жесткости в опорных узлах. Высота в опорном узле 6-метровых балок составляет 400 мм, 9-метровых – 600 мм. Балки пролетом 6, 9, 12 м устанавливают только с шагом 6 м, а балки пролетом 18 м – с шагом 6 и 12 м. Сечение балок – двутавровое. Высота в средней части 12-метровой балки равна 1290 мм, 18-метровой – 1540 мм, высота в опорных узлах – 800 мм. Уклон верхнего пояса двухскатных балок 1:20.

Балки с параллельными поясами применяют для зданий с плоскими покрытиями и пролетами 12, 18 и 24 м. Сечение балок двутавровое, высота 1200 мм. В целях уменьшения массы балок в их вертикальной стенке устраивают сквозные отверстия для прокладки различных внутрицеховых коммуникаций, что позволяет более рационально использовать внутреннее пространство помещений.

Подстропильные балки предназначены в качестве опор для стропильных балок при шаге колонн 12м в зданиях с плоскими или скатными покрытиями. Длина балок соответствует пролету 12 м, высота их составляет 500 мм, сечение тавровое с полкой внизу.

Фермы, их виды

Железобетонные фермы применяют при пролетах 18, 24 и 30 м и шаге 6 и 12 м. При пролетах 36 м и больше используют, как правило, стальные фермы. Применение 18-метровых ферм целесообразно в том случае, когда в пределах покрытия необходимо разместить коммуникационные трубопроводы или использовать межферменное пространство для устройства технических этажей.

Различают следующие основные типы ферм:

а) сегментные, с верхним поясом ломаного очертания и прямолинейными участками между узлами;

б) арочные раскосные с редкой решеткой и верхним поясом плавного криволинейного очертания;

в) арочные безраскосные;

г) полигональные с параллельными поясами или трапециевидным очертанием верхнего пояса;

д) полигональные с ломаным нижним поясом.

Высоту ферм всех типов в середине пролета принимают равной
1/7 – 1/9 длины пролета. Выполняют фермы из бетонов высоких классов (В30 – В50) и армируют нижний пояс и растянутые раскосы предварительно напряженной арматурой класса AIV с натяжением на упоры. Ширину сечения поясов ферм при их шаге 6 м принимают 200 – 250 мм, а при шаге 12 м – 300 – 350 мм (рис.3.9.).

В современной практике промышленного строительства наибольшее распространение получили сегментные стропильные фермы. Их применяют для устройства скатных покрытий с фонарями или без них. Эти фермы применяют для перекрытия пролетов 18, 24 и 30 м. Сечения верхнего и нижнего поясов – прямоугольные одинаковой ширины. Фермы устанавливают на железобетонные колонны при шаге колонн 6 м или на подстропильные фермы при шаге колонн 12 м.

Фермы с параллельными поясами используют для устройства плоских покрытий зданий без фонарей. Длина ферм рассчитана на пролеты 18 и 24 м. Фермы, устанавливаемые через 6 м, рассчитаны на подвесной транспорт грузоподъемностью до 5 т.

Подстропильные конструкции

Подстропильные конструкции в виде железобетонных ферм и балок применяют в покрытиях одноэтажных промышленных зданий при шаге колонн 12 и 18 м и с пролетами, равными 18, 24 и 30 м для опирания на них стропильных конструкций, устанавливаемых с шагом 6 м, в случаях, когда технологический процесс требует широкого шага опор.

Подстропильные конструкции выполняют предварительно напряженными из бетона классов В30-В40 и армируют канатами класса К-7,
К-10, стержневой класса А1У или проволочной арматурой Вр-11 с натяжением на упоры.

Железобетонные подстропильные конструкции устраивают в виде балок высотой 1500 мм и ферм высотой 2200 и 3300 мм.

3.3.8. Несущие элементы ограждающей части покрытия

При плоских и скатных несущих конструкциях несущие элементы ограждающей части покрытий выполняются прогонными – с применением прогонов, по которым укладывают мелкоразмерные плиты, или беспрогонными – в виде крупноразмерных плит.

Настил беспрогонных покрытий промышленных зданий обычно устраивают из предварительно напряженных ребристых железобетонных плит размерами 3x12, 1,5x12, 3х6 и 1,5x6 м, а также из легкого армированного бетона размером 1,5x6 м. Плиты укладывают по верхнему поясу стропильных конструкций (балок или ферм) и приваривают к нему. Стыки между плитами замоноличивают цементным раствором или бетоном, и настил работает как единая жесткая диафрагма на восприятие горизонтальных и вертикальных нагрузок.

Основными плитами считаются плиты шириной 3 м, доборными – шириной 1,5 м, которые применяются в местах с большой нагрузкой на покрытие.

Наибольшее распространение получили ребристые плиты, выполняемые из тяжелого железобетона.

Плиты покрытий из легких и ячеистых бетонов, совмещающие функции настила и утеплителя, применяют для устройства теплых покрытий в зданиях с шагом несущих конструкций 6 м. Плиты изготавливают из керамзитобетона, из автоклавного армированного ячеистого бетона (пенобетона или пеносиликата с объемной массой от 700 до 1000 кг/м 2).

Основные плиты из легких бетонов имеют длину 6 м и ширину
1,5 м, доборные плиты – ширину 0,5 м при толщине 200, 240 мм. Опирание всех типов крупноразмерных плит на несущие конструкции осуществляют через стальные закладные детали, приваривая их к закладным деталям верхнего пояса несущих конструкций покрытия.

3.3.9. Легкосбрасываемые покрытия

Легкосбрасываемые покрытия устраивают на зданиях категорий А и Б (по пожарной опасности). Такие покрытия легко сбрасываются под действием повышенного давления в результате возможного взрыва газов или пыли; стены зданий и основные несущие конструкции в этом случае не разрушаются. Суммарная площадь легкосбрасываемых участков покрытия стен, а также окон и дверей должна быть не менее 0,05 м 2 на 1 м 3 взрывоопасного помещения.

Настил легкосбрасываемого покрытия делают из железобетонных специальных плит и асбоцементных волнистых листов.

Железобетонные плиты имеют длину 6 м, ширину 3 или 1,5, высоту 300 мм. Плиты имеют коробчатую форму с поперечными ребрами жесткости и отверстиями. Плиты шириной 3 м укладывают как обычные и прикрепляют к несущим конструкциям покрытия, а плиты шириной 1,5 м размешают с интервалами.

На железобетонные плиты настилают волнистые асбоцементные листы усиленного профиля. Плитный утеплитель укладывают по асбестоцементным листам, впадины заполняют насыпным утеплителем. По верху утеплителя делают выравнивающий слой, по которому расстилают рулонную кровлю.

©2015-2017 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.