Конструктивные схемы и элементы зданий

Многоэтажные каркасные здания с применением ж/бетонных несущих конструкций могут иметь промышленное и гражданское назначение. Промышленные здания служат для размещения различных производств, в основном, легкой промышленности, приборостроения, электронной, сборочной промышленности и т.п. Гражданские каркасные здания – это здания для торговли, общественного и офисного назначения.

Высоту многоэтажных каркасных зданий назначают из соображений экономической целесообразности, обычно – 5-12 этажей, высотные здания – 20 этажей и выше с высотой этажа 3,3-4,5м, т.е. здания высотой 25-80м.

Многоэтажные промышленные здания проектируют в основном с полным каркасом, при котором стены наружные и внутренние являются самонесущими или навесными и выполняют только ограждающую функцию. В зданиях с неполным каркасом крайние ряды стоек заменяют несущими стенами.

Многоэтажные каркасные здания в конструктивном отношении представляют собой систему поперечных рам, связанных в продольном направлении жесткими дисками междуэтажных перекрытий. Конструкции поперечных рам – ж/бетонные колонны и ригели. Перекрытия – монолитные или сборные ж/бетонные плиты, опирающиеся на ригели. Для сборных ж/бетонных конструкций многоэтажных зданий получила распространение типовая модульная сетка колонн 6х6м или 6х9м. Длина и ширина таких зданий кратны 6м и могут быть назначены, например: 60х18м, 60х24м, 72х18м и т.д.

Пример схемы расположения колонн, ригелей, плит перекрытия для модульной сетки колонн многоэтажного каркасного здания с применением сборных ж/бетонных конструкций показан на рис.12.1. Вдоль цифровых осей расположены поперечные рамы здания, в данном примере 4-пролетные. Вдоль буквенных осей – плиты междуэтажных перекрытий.

Рисунок 12.1 Конструктивная схема многоэтажного каркасного здания

 

Пространственная жесткость каркаса здания в поперечном направлении (вдоль цифровых осей) обеспечивается жесткостью поперечных рам, т.е. за счет рамной каркасной системы. В продольном направлении (вдоль буквенных осей)  - работой вертикальных связей из стальных прокатных профилей или вертикальных ж/бетонных диафрагм, т.е. за счет связевой системы.

Далее ж/бетонные конструктивные элементы многоэтажных каркасных зданий будем рассматривать для их решения в сборном исполнении.

Колонны нижних этажей жестко закрепляются в стаканах фундаментов. Стыки колонн смежных ярусов так же являются жесткими, рис. 12.2 а,б. Стыки ригелей с колоннами жесткие и расчетной схемой ригелей является многопролетная неразрезная балка. Колонны оснащаются консолями для закрепления на них ригелей монтажной сваркой и сваркой арматурных выпусков. Пример такого закрепления для колонны крайнего ряда и ригеля трапециевидного сечения показан на рис. 12.3. Полки ригеля предназначены для опирания на них плит междуэтажных перекрытий.

 

Рисунок 12.2 Закрепление колонны в  стакане фундамента (а), стык

колонн (б)

 

 

Рисунок 12.3 Стык ригеля с колонной крайнего ряда

Рисунок 12.4 Стык ригелей с колонной, скрывающий консоли

 

Для уменьшения строительной высоты перекрытия и скрытия узловых сопряжений ригелей с колоннами проектируют колонны с короткими жесткими консолями и ригели с подрезкой на опорах, скрывающей консоль. Ригель, при этом, проектируют таврового профиля с полкой внизу, как показано на рис. 12.4. Жесткость стыка достигается сваркой закладных деталей ригелей с консолями колонн и приваркой листовых накладок в стык к колоннам и ригелям в уровне их верхних отметок.

Для устройства междуэтажных перекрытий применяются ребристые предварительно напряженные плиты шириной 1500мм, закрепляемые на полках ригелей. Возможным так же является применение пустотных ж/бетонных плит перекрытий шириной 900-1600мм. Конструкции плит рассмотрены в п. 5.2 настоящего пособия. Плиты, укладываемые по линии колонн вдоль буквенных осей (рис. 12.1), называют плитами-распорками, участвующими в обеспечении продольной жесткости каркаса здания.

 

 

О расчете многоэтажных рам

а) Подбор сечений стоек и ригелей многоэтажных рам. Каркас многоэтажного здания состоит из плоских многопролетных и многоярусных рам, соединенных между собой плоскими перекрытиями в горизонтальных плоскостях и вертикальными связями, образуя жесткую пространственную стержневую систему, как показано в п. 12.1.

Вертикальные нагрузки на все междуэтажные перекрытия и покрытие здания, а так же горизонтальные ветровые нагрузки, как правило, одновременно действуют на все поперечные рамы каркаса здания, находящиеся в одинаковых условиях. Значит каждую рядовую поперечную раму можно в расчетном отношении рассматривать отдельно и определять внутренние усилия в ее элементах от внешних нагрузок методами строительной механики как для плоской рамной конструкции.

Многоэтажная рама с жесткими узлами является многократно статически неопределимой конструкцией. Для ее расчета необходимо предварительно назначить размеры сечений стоек и ригелей для определеия их изгибных жесткостей EI , EI . Для этого используют опыт проектирования многоярусных ж/бетонных каркасов. В частности, высота сечения ригеля =1,8 , где ,  как для простой балки на двух опорах пролетом . Ширину сечения ригелей  задают из условий опирания плит перекрытий на полки ригелей. Из опыта проектирования = 300-450мм. Площадь сечении колонн определяют по приближенной формуле . Обычно в сборных ж/бетонных каркасах зданий применяют колонны квадратного сечения размерами 300х300, 400х400, 500х500мм.

 

 

б) Определение усилий в ригелях и стойках рам от вертикальных

Нагрузок.

Регулярная структура многоэтажных рам (равные пролеты и равные высоты ярусов) дает основание расчленить многоэтажную раму на ряд одноэтажных рам с высотой стоек (колонн), равной половине высоты этажа с шарнирами на концах стоек, кроме 1-гоэтажа (см. рис.12.5).

Рисунок 12.5 Расчетная схема многоэтажной рамы, схемы рядового

и нижнего этажей

 

Если число пролетов рамы больше 3-х, то достаточно рассматривать 3-пролетную раму, т.к. изгибающие моменты в средних пролетах одинаковы. Раму рассчитывают методами сил или перемещений. В результате применения этих методов и с учетом заданных ранее изгибных жесткостей стоек и ригелей рам EI , EI получены табличные коэффициенты для определения опорных изгибающих моментов ригелей в пределах одного этажа рамы, приведенные в справочной литературе: . Здесь - табличные коэффициенты, зависящие от схем загружения пролетов ригелей рамы, - постоянная и временная нагрузки на ригели рамы.

Пролетные изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях ригелей определяют, рассматривая ригели как однопролетные свободно опертые балки, загруженные нагрузкой q и опорными моментами .

Изгибающие моменты в стойках рам  определяют по разности опорных моментов ригелей в узлах пропорционально жесткостям стоек, исходя изравновесного состояния узлов, рис. 12.5.

 

 

в) Определение усилий в стойках рам от горизонтальных нагрузок.

Метод определения усилий в стойках многоэтажных рам от горизонтальных (ветровых) нагрузок является приближенным. Ветровую нагрузку, распределенную по высоте здания по определенному закону, приводят к узловой  и прикладывают в уровне ригелей рамы, как показано на рис.12.6.

Рисунок 12.6 К расчету многоэтажной рамы на горизонтальные

нагрузки

 

Поперечную силу для каждого яруса определяют как сумму узловых нагрузок данного и вышерасположенных ярусов: , . В свою очередь, ярусные поперечные силы  распределяются между стойками яруса пропорционально их изгибным жесткостям:  для n- числа стоек в ярусе. По найденным поперечным силам стоек определяют изгибающие моменты в нижнем и верхнем сечениях стоек для всех ярусов, кроме нижнего: . Для нижнего яруса: в верхнем сечении стойки , в нижнем - . Характер эпюр «М» в стойках и ригелях рам на рис.12.6.

Современные методы расчетов многократно статически неопределимых стержневых систем предполагают использование эффективных компьютерных программ, основанных на применении метода конечных элементов.

 

13 ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ МЕЖДУЭТАЖНЫХ
ПЕРЕКРЫТИЙ

Общие сведения

Железобетонные междуэтажные перекрытия – наиболее распространенные конструкции, применяемые в практике промышленного и гражданского строительства. Их широкому распространению способствует высокая прочность, жесткость, огнестойкость, долговечность, индустриальность, технологичность, т.е. все лучшие качества железобетона.

По конструктивной схеме конструкции междуэтажных перекрытий разделяют на балочные и безбалочные, рис.13.1.

 

 

Рисунок 13.1 Конструктивные схемы перекрытий: а)-балочное, б)- без-

балочное, в)-опорный контур плиты

 

В балочных перекрытиях балки, являющиеся опорами для плит, расположены в одном или двух направлениях. В безбалочных перекрытиях плиты опираются непосредственно на колонны. При этом колонны в области верхних отметок уширены капителями.

Характер работы плит перекрытий зависит от соотношения размеров сторон их опорного контура , рис.13.1. При - плита балочная (работает на изгиб как балка в направлении короткой стороны), при <2плита работает как опертая по контуру в направлении двух сторон.

Балочные и безбалочные ж/бетонные перекрытия в конструктивном исполнении могут быть решены в сборном, монолитном и сборно-монолитном (комбинированном) вариантах. Поэтому различают ж/бетонные перекрытия:

- балочные сборные;

- балочные монолитные с ребристыми плитами и с плитами, опертыми по

контуру;

- балочные сборно-монолитные;

- безбалочные сборные;

- безбалочные монолитные.

Конструкции сборных и монолитных балочных ж/бетонных перекрытий, применяемых в практике проектирования и строительства чаще других, рассмотрены ниже.