1

Тема 3. Каркасы гражданских зданий.

Рассматриваемые вопросы: Общие сведения. Классификация компоновочных и конструктивных

схем каркасов. Безригельный каркас. Сборный железобетонный унифицированный каркас.

3.1 Общие сведения Каркас предназначен для восприятия всех нагрузок, действующих от

здания, и передаче их через фундаменты основанию. В состав несущего кар-каса входят колонны, балки (ригели) и связи.

Прочность здания характеризуется прочностью применяемых материа-лов и конструкций, находящихся во взаимосвязи. Эти связи обеспечивают пространственную жесткость, т.е. неизменяемость конструктивной схемы под воздействием всех разновидностей нагрузок.

В массовом строительстве общественных зданий каркас, как правило, проектируют из сборного железобетона, реже из стали и в отдельных случаях деревянным (в малоэтажном сельском строительстве).

Значительно реже проектируют здания с монолитным железобетонным каркасом. Применение стального каркаса по экономическим расчетам наибо-лее оправдано для высотных зданий.

Из перечисленных выше конструктивных схем каркасного несущего ос-това наиболее простой в массовом применении для гражданских зданий явля-ется связевая.

Использование каркаса наиболее целесообразно при применении желе-зобетона – монолитного или сборного.

Стальной каркас представляет большие возможности при строительстве любого вида зданий, но приемлем только при соблюдении противопожарных требований, т.е. при защите стальных конструкций с помощью их обетониро-вания (железобетон с жесткой арматурой) или с применением других средств защиты.

Наиболее характерные особенности современного многоэтажного кар-касного строительства в Европе – это использование конструктивных схем каркасов связевой системы с выполнением диафрагм жесткости в виде моно-литных стенок; стремление к увеличению размеров модульных ячеек каркаса ради получения широкой свободы в планировочных решениях даже в ущерб расходу материалов – стали и бетона.

В производственных, общественных и жилых зданиях – особенно по-вышенной этажности (более 30 этажей) – предпочтительным типом несущего остова является каркасный. Существуют два типа каркаса: легкий и тяжелый каркас, которые применяются только в связевой конструктивной схеме, по-этому в состав каркаса входят также стены жесткости.

  2

Легкий каркас применяется в жилых и общественных зданиях, а тяжелый – в многоэтажных промышленных зданиях.

В большинстве случаев применяются как монолитные железобетонные каркасы, так и каркасы из унифицированных сборных изделий. Разработан ряд унифицированных каталогов. При этом, основываясь на методе открытой типизации, получены достаточно разнообразные решения каркасов, в которых принята одинаковая конструктивная система – ригельная, с расположением ригелей в одном направлении (предпочтительно в поперечном).

Таким образом, определяющим признаком при каркасном несущем ос-тове является расположение ригелей каркаса. Ригелем называется стержневой горизонтальный элемент несущего остова (главная балка, ферма и т.п.), пере-дающий нагрузки от перекрытий непосредственно на стойки каркаса.

3.2 Безригельный каркас. Основным недостатком каркасной системы для жилых зданий являются

выступающие в интерьере из плоскости перекрытия ригели. Конструктивные разработки, ведущие к устранению этого недостатка,

проявились в следующих решениях: – каркасная система со скрытыми ригелями, образуемыми в построеч-

ных условиях с предварительно-напряжённой арматурой (система КПНС); – безбалочное перекрытие, формируемое из сборных элементов плит

сплошного сечения с опорой на колонны, устанавливаемых по углам квадрат-ного (6x6 м) плана (система КУБ ).

Система со скрытыми ригелями в плоскости перекрытия (КПНС) проек-тируется по связевой схеме из сборных элементов: колонны, плиты перекры-тия, стены-диафрагмы жёсткости (рис.3. 1).

1 – консольная плита перекрытия; 2 – плита перекрытия с отверстием для лестницы;

3 – типовая плита перекрытия; 4 – напрягаемая канатная арматура; 5 – фасадная распорка; 6 – колонна; 7 – уголковый вкладыш перекрытия; 8 – контактный шов Рисунок 3.1– Безригельный каркас с натяжением арматуры в построечных условиях:

а) – схема компоновки несущих конструкций

б) компоновка узла примыкания плит перекрытий к колонне

  3

Ригели высотой в толщину плиты перекрытия создаются в пост-роечных условиях замоноличиванием перекрёстно расположенной канатной арматуры, пропущенной через сквозные отверстия в колонне. При натяжении арматуры в построечных условиях создаётся двухосное обжатие плит пере-крытия. Система позволяет воспринимать широкий диапазон нагрузок, габа-ритов пролётов и высот зданий.

По сравнению с рассмотренными выше конструктивными системами многоэтажных зданий несомненным достижением явился каркас системы КУБ – конструкция универсальная безбалочная. Эта система, разработанная в различных вариантах (КУБ-1, КУБ-2, КУБ-2М, КУБ-МК2, и КУБ-3), включает рамно-связевый несущий железобетонный каркас (КУБ-1, КУБ-2 с модифика-циями) или связевый каркас (КУБ-3).

Каркас в любой модификации имеет регулярную сетку колонн равную 6 м. Внутренние и наружные стены выполняют только ограждающие функции. Наружные ограждения могут быть выполнены в виде самонесущих стен. Пере-городки выполняют либо из кладочных материалов, либо каркасно-обшивными из листовых изделий на металлическом каркасе из гнутых профилей.

Безригельная система КУБ (рис.3.2) выполняется из сборных элементов: колонны с металлическими воротниками в плоскости перекрытий; трех ос-новных типов плит перекрытия толщиной в 16 см (надколонная, межколонная и средняя).

Каркас универсальный безригельный монтируется из колонн квадратно-го сечения 400х400 мм с длиной до 15 м и плоских панелей перекрытия, тол-щина которых 160 мм, а размеры в плане - 2,98х2,98 м.

Панели перекрытий, в зависимости от расположения, подразделяются на надколонные, межколонные и средние.

Пространственную жёсткость обеспечивают крестовые стальные связи между колоннами.

В безригельной системы каркаса наружные стены могут выполняться из сборных элементов (панелей) или местных материалов, выполняя роль нене-сущих или самонесущих стен.

1 – надколонные; 2 – межколонные; 3 – средние плиты; 4 – колонны Рисунок 3.2 – Конструктивная схема безригельного каркаса системы КУБ

  4

1 – надколонные; 2 – межколонные; 3 – средние плиты

Рисунок 3.3– Безригельный каркас системы КУБ - конструктивные элементы

1 - надколонные; 2 -межколонные; 3 - средние плиты; 4 – колонны Рисунок 3.4– узлы соединения колонн с плитой (а) и плиты с плитой (б): В - узлы

соединения колонн с плитой (а) и плиты с плитой (б):

  5

Диски перекрытий включают сборные надколонные железобетонные плиты 2800х2800 мм со сквозным проемом в их середине для насаживания на установленные в проектное вертикальное положение колонны. Сборные колон-ны сечением 400х400 мм, изготовленные высотой на 2…3 этажа (рис.1.5.), в в уровнях дисков перекрытий имеют утончения поперечных сечений. В этих мес-тах бетон по углам колонн удален, оставшаяся часть бетонного сечения выпол-нена прямоугольной формы, но повернута в плане относительно главных осей колонны на 900. Продольная сквозная арматура колонн по углам обнажена.

Вместе с тем, дома системы КУБ имеют и недостатки. Технология их возведения непростаяУзел соединения надколонной плиты с колонной отли-чается повышенной металлоемкостью, требуемой на устройство обечайки и приварку опорных пластин. Требуется большой объем сварных работ в этом узле для объединения колонны с надколонной плитой.  

 

 

 

  6

ОБЪЕКТЫ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ Ушинского ул.

 

 

 

  7

Софийская ул.

 

 

 

  8

 

 

 

 

  9

 

 

"НОВЫЙ ШЛИССЕЛЬБУРГ"  

 

 

 

  10

 

 

 

 

 

 

  11

3.3 Сборный железобетонный унифицированный каркас. Новый этап многоэтажного строительства в нашей стране относится к

1962-1963 гг., когда на основе технико-экономических исследований целесо-образной городской застройки было принято решение расширять в ряде круп-ных городов б.СССР строительство зданий высотой 9, 16 и более этажей.

Главной особенностью многоэтажного строительства стало широкое использование сборного железобетона, впервые применяемого для такого ро-да сооружений.

Применение сборного железобетона потребовало прежде всего унификации основных параметров зданий, с тем чтобы получить наименьшую номенклатуру за-водских изделий. На первом же этапе проектирования новых сооружений удалось достаточно четко провести унификацию параметров всего комплекса зданий граж-данского строительства, что позволило в итоге применить для широкой номенклату-ры сооружений минимальный набор сборных железобетонных конструкций.

Определились следующие принципы унификации: по высоте этажей: 1) для жилых каркасно-панельных зданий - 3 м; для зданий администра-

тивного назначения, лечебных учреждений, зданий торгового назначения, учебных заведений и т. п. - 3,3 и 3,6 м с дополнительной высотой, в основном для первых этажей, - 4,2 м;

2) для зданий специального назначения - конструкторских бюро, науч-но-исследовательских институтов, лабораторных корпусов, крупных торговых предприятий и т. п. - 3,6; 4,2; 4,8; 6 м;

по размерам ячейки в плане: 1) для зданий первой группы, т. е. с высотой этажей 3; 3,3 и 3,6 –

600х600 см с дополнительным шагом 300 см и с увеличенным шагом 900 см; 2) для зданий второй группы, т. е. зданий специального назначения, в

которых технологические требования диктуют необходимость применения увеличенных пролетов и определяют повышенные величины нагрузок на пере-крытия, приняты увеличенные ячейки 900х900, 900х600, 600х600 см с допол-нительным шагом 300 см.

В дальнейшем, в целях получения необходимого разнообразия объемно-планировочных решений жилых и общественных зданий был принят единый модуль для всех видов зданий - 60 см.

Таким образом, в основе номенклатуры, охватывающей по существу весь комплекс жилых и общественных зданий, лежит ряд модульных размеров – 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540, 600, 660, 720, 780, 900 см.

Следующей основной задачей является выбор конструктивной схемы сооружения.

Анализ конструктивных и технологических качеств различных схем до-казывает рациональность связевой системы каркаса.

При одинаковом объемно-планировочном решении здания высотой бо-лее 16 этажей на каркас связевой системы требуется на 20-30% меньше стали,

  12

чем на каркас рамной системы. При этом каркас связевой системы имеет зна-чительно более высокую жесткость.

К недостаткам рамных систем нужно отнести значительное усложнение конструкции узлов, которое существенно увеличивает трудоемкость изготов-ления и монтажа каркаса, особенно выполняемого в сборном железобетоне. Различные величины узловых моментов в ригелях на разных этажах приводят в рамных каркасах к резкому увеличению числа типоразмеров ригелей или же неоправданному перерасходу стали в целях унификации ригелей.

Рассмотренные принципиальные положения были приняты как основа конструктивного решения единого унифицированного каркаса многоэтажных зданий.

Проектирование связевых систем в виде отдельных, "разбросанных" в плане здания стенок нецелесообразно и может быть допущено только в каркас-ных зданиях относительно небольшой высоты - до 16 этажей. Недостатком первых каркасных зданий, например домов серии МГ-601Д, является именно неудачная компоновка связевой системы, принятой в виде отдельных узких стенок, обладающих малой изгибной жесткостью. Это привело к необходимо-сти выполнения большого количества связевых диафрагм, расположенных с шагом всего 12 м, что сделало конструкцию каркаса трудоемкой и неэконо-мичной по расходу материалов. Достаточно сказать, что если бы отдельные связевые диафрагмы были объединены в общую связевую систему с шириной, равной ширине здания, расстояние между связевыми стенками можно было бы увеличить с 12 до 30 м, получив при этом более высокую жесткость здания.

Не следует располагать сборные железобетонные стенки жесткости по торцам здания, так как это значительно усложняет конструкцию наружных торцовых навесных стен.

Таким образом, ориентация строительства в б.СССР на преимущест-венное применение в зданиях и сооружениях сборного железобетона привело к применению с 1962...67 г.г. в зданиях высотой до 30 этажей в качестве ос-новного вида несущей системы унифицированного связевого каркаса с шар-нирным объединением ригелей и колонн в узлах рам. При таком каркасе его рамы полностью исключены из работы на восприятие горизонтальных ветро-вых нагрузок. Для восприятия последних в несущей системе здания преду-смотрены различной формы в плане вертикальные диафрагмы и ядра жестко-сти.

Каркасно-панельные конструкции зданий серии 1.020-1 Серия унифицированных сборных железобетонных изделий 1.020-1

предназначь для строительства общественных и многоэтажных производст-венных каркасно-панельных зданий. Сборный железобетонный каркас серии запроектирован по связевой схеме, в которой роль горизонтальных диафрагм жёсткости выполняют диски сборных железобетонных перекрытий, а верти-кальных – поперечные и продольные панельные стены, шаг между которыми

  13

определяется расчётом. Габаритные схемы общественных и производственных зданий в серии

1.020-1 разработаны на основе следующих условий: – оси колонн, ригелей и стен диафрагм жёсткости совмещены с разби-вочными г дульными осями здания; – шаги колонн в направлении пролёта ригелей 3; 6; 7.2 и 9 м; – шаги колонн в направлении пролёта перекрытий 3; 6; 7.2; 9 и 12 м; – высоты этажей в соответствии с функцией здания и укрупнённым мо-дулем ЗМ составляет 3,3; 3,6; 4.2; 4,8; 6,0 и 7,2. Исключением из ряда модульных величин является введённая в серию высота этажа 2,8 м, что позволяет применять изделия серии в квартирных и в специализированных типах жилых зданий – пансионатах, гостиницах обще-житиях и пр. Серия позволяет устройство зданий с полами по грунту; с техни-ческим подпольем высотой 2,0 м с подвалом 2,8; 3,2 и 4,2 м; техническим верхним этажом в 2,4 м, а также возможность устройства первого повышен-ного этажа в 3,3 или 4,2 м при высоте последующих этажей здания в 2,8 м.

Габаритные схемы многоэтажных общественных и производствен-ных зданий на основе серии 1.020-1

Условные обозначения Высоты этажей, м

Конструктивные элементы серии 1.020-1

Колонны сечением 300×300 мм применяют для зданий высотой до 5 этажей, а сечением 400×400 мм для всех остальных случаев. Предельная высота колонн составляет 15,12 м, что позволяет в мало-этажных зданиях применять бесстыковые колонны, а в многоэтажных – обхо-диться минимальным числом стыков.

  14

Стыки колонн – контактные со сваркой выпусков продольной рабочей

арматуры, установкой хомутов и омоноличиванием стыка. В номенклатуру входят следующие типы колонн – нижние высотой в

два этажа с положением низа колонны ниже нулевой отметки на 1,1 м; сред-ние – высотой в три–четыре и верхние в один– три этажа. Колонны в пределах каждого этажа снабжены двумя (для средних ряд каркаса) или одной (при одностороннем примыкании диафрагм жесткости) консолью. Все типы колонн (одно– и двух консольные) центрируются по раз-бивочным осям зданий. Колонны двухконсольные располагаются по средним и крайним рядам при применении навесных панелей наружных стен. Колонны одноконсольные устанавливают по крайним рядам при самонесущих наруж-ных стенах и по средним рядам при одностороннем примыкании стен – диа-фрагм жёсткости в лестничных клетках. Стыки колонн по высоте контактные со сваркой выпусков продольной арматуры и с омоналичиванием узла сопряжения, (рисунок 3.5, 3.6).

Рисунок 3.5 – Схема компоновки каркаса

 

 

  15

Рисунок 3.6 – Стык колонны

1 – колонна; 2 – ригель, 3,4,5 – плиты фасадные (3), рядовые (4) и распорные (5); 6 – ригели двухполочные; 7 – ригели однополочные; 8 – арматуры колонны; 9 – сварка; 10 – стальные хомуты; 11 – цементный раствор; 12 – бетон замоноличивания

Ригели – таврового сечения с полкой по низу для опирания плит пере-крытий, что уменьшает их суммарную конструктивную высоту. Применяют два типа размера ригелей по высоте – 450 и 600 мм, а по ширине – 550 и 600 мм. Выбор типа ригеля обусловлен нагрузкой на перекрытие и типом плит его составляющих. Сопряжение ригеля с колонной – шарнирное со скрытой кон-солью и приваркой низа ригеля к закладной детали консоли колонны

Перекрытия решены с использованием трёх типов изделий: – многопустотных панелей высотой 220 и 300 мм, применяют для пере-

крытий пролётов до 9,0 м включительно; – плит типа 2Т (и 1Т - добор) высотой 600 мм для пролётов 9 и 12 м; – ребристые изделия высотой 220 мм - в качестве сантехнических пане-

лей в местах проводки вертикальных инженерных коммуникаций, ребристые панели высотой 300 мм - в промышленных зданиях, при тяжёлых нагрузках. Элементы перекрытий разделяют на рядовые и связевые (плиты - рас-порки), передающие горизонтальные усилия на колонны. Основные коорди-национные размеры элементов перекрытий по ширине:

– для рядовых многопустотных плит 1,2 и 1,5 м, – для пристенных и связевых 1,5 м, – для ребристых сантехнических 1,5 м, – для связевых плит типа 2Т - 3 м, – для доборных типа 1Т-1.3, 1.5 и 1.7 м.

Стены-диафрагмы жёсткости выполняются из железобетонных панелей высотой в этаж и толщиной в 140 мм с одно- или двухсторонними консоль-ными полками в верхней зоне для опирания перекрытий. При шаге колонн до 6.0 м ширина панели диафрагмы соответствует рас-стоянию в свету между колоннами; при шаге колонн 7.2 и 9.0 м стены диа-фрагмы проектируются составными из двух- трёх изделий с координацион-

  16

ными размерами по длине 1, 2; 3.0 и 5.6 м. Панели стен-диафрагм изготовляют глухими или с дверными проёма-ми. Элементы диафрагм жёсткости между собой и с колоннами по вертикаль-ным стыкам соединяют стальными шпоночными связями на сварке по заклад-ным деталям, не менее чем в двух уровнях по высоте этажа . Шаг вертикальных диафрагм жёсткости, определяемый расчётом и должен быть не более 36,0 м (с кратностью в 6,0 м) по длине здания и не больше 18 м от края здания или температурно-деформационного шва. Деформационные швы решены с применением парных колонн, вели-чину зазора между которыми назначают в зависимости от принятых толщина наружных стен и сечения колонн (по таблице на рисунке 3.7) с устройством шва скольжения (по прокладке из двух слоев рубероида) между монолитным участком перекрытия и одной из его опор. Максимальная длина температур-ного отсека каркасно-панельного здания составляет 60 м.

Таблица 1 – Ширина деформационного шва (размер А)

Ширина деформационного шва, мм, при сечении колонн 

Толщина стеновых па-нелей, м

300х300 400х400 1 2 3

250 860 960 300 960 1060 350 1060 1160 400 1160 1260

Рисунок 3.7 – Решение деформационного шва в плоскости перекрытия

1 – защитный слой; 2 – эластичная мастика; 3 – упругий шнур; 4 – колонна; 5 – кирпичная кладка; 6 – цементный раствор; 7 – ригель; 8 – плита перекрытия; 9 – бетон замоноличива-ния; 10 – два слоя рубероида; 11 – доска; 12 – просмолённая пакля; 13 – стальные уголки; 14 – штукатурка

  17

Рисунок 3.8 – Стыковка наружных стеновых панелей;

1 – защитный слой; 2 – эластичная мастика; 3 – упругий шнур; 4 – колонна; 5 – кирпичная кладка; 6 – цементный раствор; 7 – два слоя рубероида

Наружные стены решаются в двух конструктивных вариантах: – самонесущими; – ненесущими, с двухрядной разрезкой на простеночные и поясные панели. Конструкция панелей однослойная из лёгкого автоклавного ячеистого

бетона или трёхслойная железобетонная с эффективными утеплителями. Номенклатуру сборных элементов наружных стен составляют поясные, простеночные, подкарнизные, парапетные, цокольные панели. Толщина лег-кобетонных панелей равна 250, 300, 350 и 400 мм, а из ячеистого бетона -250 и 300 мм.

Панели самонесущих стен устанавливают по цементно-песчаному рас-твору на цокольные и простеночные и крепят поверху на сварке по закладным деталям к колоннам.

Панели ненесущих стен устанавливают на фасадные ригели, консоли колонн или опорные металлические столики колонн и закрепляются в трёх точках - к одной из опор и поверху к колоннам каркаса.

Привязка панелей наружных стен к каркасу единая – с зазором 20 мм между гранью колонны и внутренней плоскости стены. Фундаменты каркасно-панельных зданий серии 1.020-1 в зависимости от геологических условий площадки строительства могут быть решены сборны-ми железобетонными стаканного типа, свайными с монолитным ростверком на кустах свай или в виде монолитной плиты.

7