Рекомендуемое число этажей высотных зданий при использовании разных систем стальных каркасов

3.1. Основные рамные системы

Они состоят из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями.

Перемещения рамной системы от горизонтальных нагрузок суммируются от перемещений общего изгиба всей рамы как пространственной консоли и перемещений сдвигового типа в форме относительных смещений ярусов рамы между технологическими этажами или этажами жесткости, вызванных местным изгибом колонн и ригелей. Как показывают исследования, вклад сдвиговых смещений преобладает.

Рамная система может иметь следующие основные типы:

– пространственная рама из плоских перекрестных рам;

– рамная система с внешней пространственной рамой;

– секционно-рамная пространственная система.

а) Пространственная рама из плоских перекрестных рам (рис. 3.1.1) состоит из регулярно расположенных по всему плану здания колонн с шагом 6…9 м, которые имеют небольшие габариты поперечных сечений. В таких рамах влияние горизонтальных нагрузок существенно увеличивает расход стали на колонны из-за их неравномерной нагруженности. Такие системы экономически оправданы [1, 4] в зданиях в 30 этажей для стальных каркасов и в 20 этажей в зданиях с железобетонным каркасом. В горизонтальных перемещениях таких рам сдвиговые смещения составляют 70…90% от полных перемещений рамы.

б) Стальной каркас с внешней пространственной рамой (рис. 3.1.2) имеет повышенную изгибную жесткость за счет размещения основных колонн только по контуру здания. Она впервые была применена в США в нескольких зданиях с прямоугольным и треугольным планами высотой 350…400 мм. При этом из-за больших габаритов зданий в плане система

была дополнена внутренними центрально сжатыми колоннами с шарнирными узловыми соединениями для восприятия только вертикальных нагрузок. В таких рамах относительная доля сдвиговых смещений составила 30…40% от полных перемещений рамы. Такая система имеет также высокую жесткость на кручение. Конструктивные элементы внешней рамы (при определенных условиях) могут выполнять функции несущих конструкций наружных стен.

в) Секционно-рамная система структурно в плане напоминает обычную рамную, объединенную с внешней пространственной рамой. Жесткость такой системы существенно выше каждой из двух предыдущих благодаря дополнительному сопротивлению смещения внутренних рам и более равномерному включению граней внешней рамы в работу на общий изгиб. В такой системе конструкции перекрытий в пределах отдельных секций могут иметь пролеты в пределах 15…20 м с шарнирными опорами. Конструктивная схема секционно-рамной системы приведена на рис. 3.1.3.

 

 

 

 

Рис. 3.1.1. Пространственная рама из плоских перекрестных рам

 

Рис. 3.1.2. Стальной каркас с внешней пространственной рамой

 

 

Рис. 3.1.3. Секционно-рамная система

3.2. Связевые системы

Они состоят из связевых конструкций и колонн, шарнирно присоединенных к связевым конструкциям ригелями. В данной системе функции обеспечения жесткости распределены резко неравномерно:

– на горизонтальные нагрузки фактически работают только связи и связевые колонны;

– на вертикальные нагрузки работают колонны, не вошедшие в состав связевой конструкции;

– ригели работают в основном на поперечные усилия от вертикальных нагрузок и немного на продольные усилия от горизонтальных воздействий.

Перемещения связевой системы в основном имеют изгибный характер и определяются ее деформациями. Внутренние колонны как бы освобождены от усилий изгиба и требуют меньшего расхода стали.

В такой системе проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию.

Связевые системы имеют следующие разновидности:

– с диафрагмами;

– с внутренним стволом;

– с внешним стволом.

а) Связевая система с диафрагмами состоит из колонн, диафрагм и ригелей. Диафрагмы выполняют или в виде плоских вертикальных ферм, или в виде сплошных стенок жесткости (обычно железобетонных), или в виде мощных рам. Диафрагмы из вертикальных ферм устанавливают в 2-х перпендикулярных направлениях в разных осях, создавая вертикальные диски с внутренними колоннами, которые воспринимают всю ветровую нагрузку. При этом колонны, вошедшие в состав вертикальных диафрагм, работают совместно с решеткой ферм как пояса диафрагм, а колонны, не вошедшие в состав диафрагм, воспринимают только вертикальные нагрузки. Конструктивная схема связевой системы с диафрагмами приведена на рис. 3.2.1.

 

 

 

Рис. 3.2.1. Связевая система с диафрагмами

 

 

б) Связевые системы с внутренним стволом выполняются в 2-х вариантах:

– с открытым поперечным сечением;

– с замкнутым поперечным сечением.

Если в стволе совмещаются функции жесткости и ограждения лифтовых и коммуникационных шахт, то стенки ствола делают замкнутыми несущими из железобетона, воспринимающими вертикальные и горизонтальные нагрузки. Но возможно решение ствола открытым в виде стальной

пространственной фермы или жесткой рамы. Конструктивная схема связевой системы с внутренним стволом приведена на рис. 3.2.2.

в) Связевая система с внешним стволом наиболее эффективна в обеспечении жесткости на горизонтальные нагрузки. В этой системе внешний ствол в форме пространственной стальной фермы выведен на фасады, а внутренний каркас из центрально сжатых колонн и шарнирно опирающихся на них ригелей поддерживает перекрытия и стенки лифтовых шахт. Конструктивная схема связевой системы с внешним стволом приведена на рис. 3.2.3. Разновидности сочетаний в одной связевой системе внутренних и внешних стволов приведены в [2, c. 425]. При проектировании подобных систем важно выявить целесообразное перераспределение материала между связевыми конструкциями, обеспечив нормативные требования как по жесткости на горизонтальные нагрузки каркаса, так и на вертикальные нагрузки ригелей, увеличивая их пролеты при необходимости (особенно в каркасах общественных зданий). В [1] отмечено, что имеется практика строительства общественных зданий с такими связевыми системами высотой в пределах 40…70 этажей.

3.3. Рамно-связевые системы

Отличаются от связевых рамными жесткими соединениями ригелей с колоннами, не входящими в связевую систему. В этих системах функции обеспечения жесткости распределены между связевой и рамной частями. При этом на связевую часть приходится до 70% горизонтальных нагрузок.

 

Рис. 3.2.2. Связевая система с внутренним стволом

 

 

 Рис. 3.2.3. Связевая система с внешним стволом

 

 

Большинство высотных зданий, построенных в Москве в начале 50-х годов XX в. (1945 – 1955 гг.) имеют каркасы из рамно-связевых систем, в которых рамные моменты в ригелях воспринимают и разгружают до 0,1– 0,07 полного балочного момента.

Современные рамно-связевые системы имеют следующие варианты:

– с жесткими включениями в виде сплошных панелей или связевых ячеек (рис. 3.3.1 а, б). Здесь отдельно расположенные жесткие включения слабо влияют на общий характер работы системы, но способствуют снижению сдвиговых смещений. Если же жесткие включения составляют геометрически неизменяемую конфигурацию, то жесткость системы в целом существенно повышается;

– с горизонтальными поясами жесткости в виде связевых ферм (рис. 3.3.2). Здесь пояса жесткости, дополняющие рамную систему, снижают ее горизонтальные перемещения благодаря повышению сопротивления относительному сдвигу смежных колонн между поясами жесткости и приближают эпюру осевых деформаций общего изгиба системы к линейной;

– с горизонтальными поясами жесткости и вертикальными пространственными сквозными или сплошностенчатыми стволами (рис. 3.3.3). Особенность такой системы в том, что колонны, не входящие в связевую систему, с помощью поясов и ростверка включаются в работу всей системы, уравновешивая значительную часть общего момента от горизонтальных нагрузок. При этом на 30…40% уменьшаются горизонтальные перемещения, снижаются перекосы ячеек в верхней части здания.

3.4. Ствольные системы

В таких каркасах главные опоры – стволы и диафрагмы опираются на фундамент, а остальные конструкции этажей прерываются выше, кроме тяг в предварительно напряженных ствольных системах. Таким образом, здесь часть вертикальных нагрузок передается на ствол поэтажно через подвески и ростверки. Эффективность ствольных систем – в замене сжатых колонн растянутыми подвесками из высокопрочной стали. В стволь-

Рис. 3.3.1а. Рамно-связевая система с жесткими включениями, отдельно расположенными

  Рис. 3.3.1б. Рамно-связевая система с жесткими включениями, объединенными в геометрически неизменяемую систему

Рис. 3.3.2. Рамно-связевая система с горизонтальными поясами жесткости в виде связевых в двух перпендикулярных направлениях

Рис. 3.3.3. Рамно-связевая система с горизонтальными поясами жесткости на 1 этаж и вертикальным пространственным стволом сквозного сечения

ных системах с предварительным напряжением гибкие нити воспринимают и вертикальные, и горизонтальные нагрузки и в целом обеспечивают повышение жесткости всей системы. В пособии [1] приведены разные варианты ствольных систем. Рассмотрим некоторые из них:

– с подвешенными этажами (рис. 3.4.1);

– с консольными этажами (рис. 3.4.2);

– с предварительно напряженными гибкими нитями (рис. 3.4.3).

На основе анализа опыта строительства и технико-экономических оценок [1] предлагается следующая этажность для разных конструктивных схем:

– обычные рамные системы на 20…30 этажей;

– связевые или рамно-связевые с диафрагмами или внутренним стволом на 20…45 этажей;

– связевые или рамно-связевые с ростверками, диафрагмами и внутренним стволом на 30…60 этажей;

– рамная система, дополненная внешней пространственной рамой на 50…90 этажей;

– секционно-рамная система или связевая система с внешним стволом в виде пространственной фермы на 80…100 этажей.

Следует заметить, что конкретные условия строительства крайне разнообразны, а конструктивные системы могут иметь свои особенности. Поэтому рекомендуемые этажности при повышении взаимодействия конструкций могут быть увеличены на 10…20 этажей.