Типы каркасов многоэтажных зданий

1. Конструктивные схемы зданий

Многоэтажные промышленные здания служат для размещения различных производств — легкого машино­строения, приборостроения, цехов химической, электро­технической, радиотехнической, легкой промышлен­ности и др., а также — базисных складов, холодильни­ков, гаражей и т. п. Их проектируют, как правило, каркасными с навесными панелями стен.

Высоту промышленных зданий обычно принимают по условиям технологического процесса в пределах от 3 до 7 этажей (при общей высоте до 40 м), а для неко­торых видов производств с нетяжелым оборудованием, устанавливаемым на перекрытиях, до 12—14 этажей. Ширина промышленных зданий может быть равной 18— 36 м и более. Высоту этажей и сетку колонн каркаса назначают в соответствии с требованиями типизации эле­ментов конструкций и унификации габаритных парамет­ров. Высоту этажей принимают кратной модулю 1,2 м, т. е. 3,6; 4,8; 6 м, а для первого этажа иногда 7,2 м. Наи­более распространенная сетка колонн каркаса 6X6, 9Х6 реже 12X6 м. Такие ограниченные размеры сетки колонн каркаса обусловлены большими временными на­грузками на перекрытиях, которые могут достигать 15 кН/м², а в некоторых производствах—25 кН/м² и более. Для промышленного строительства наиболее удобны многоэтажные каркасные здания без специальных вер­тикальных диафрагм, поскольку они ограничивают свободное размещение технологического оборудования и производственных коммуникаций. Основные несущие конструкции многоэтажного каркасного здания — же­лезобетонные рамы и связывающие их междуэтажные перекрытия. Пространственная жесткость здания обес­печивается в поперечном направлении работой много­этажных рам с жесткими узлами—- по рамной системе, а в продольном — работой вертикальных стальных свя­зей или же вертикальных железобетонных диафрагм, располагаемых по рядам колонн и в плоскости наруж­ных стен, — по связевой системе (рис. XV.1). Если в продольном направлении связи или диафрагмы по технологическим условиям не могут быть поставлены, их заменяют продольными ригелями. В этом случае пространственная жесткость и в продольном направлении обеспечивается по рамной системе.

Пример решения конструкции многоэтажных про­мышленных зданий с балочными перекрытиями приве­ден на рис. XV.2. Верхний этаж здания при наличии мостовых кранов (здания химической промышленности) компонуют из колонн, ригелей и подкрановых балок, ана­логичных по конструкции применяемым для одноэтаж­ных промышленных зданий.

 

Рис. XV. I. Конструк­тивный план много-этажного каркасного промышленного зда­ния

1— поперечные рамы;

2— продольные вер­тикальные связи;

3 —панели перекрытий

 

Рис. XV.2. Конструкции многоэтажных промышленных зданий

а — регулярных; б —-с мостовыми кранами в верхнем этаже

 

Рис. XV.3. Детали соединений ригелей с колоннами

а — в крайнем узле; б — в среднем узле; / — выпуски арматуры; 2 — монтаж» ная сварка выпусков арматуры; 3 — монтажная сварка закладных деталей; 4 — вставки арматуры

Рис. XV.4. Конструкции много­этажных промышленных зданий с безбалочными перекрытиями

 

 

Ригели соединяют с колоннами (стойками) на консо­лях, с применением ванной сварки выпусков арматуры и обетонированием полости стыка на монтаже (рис. XV.3). Для междуэтажных перекрытий применя­ют ребристые панели (шириной 1500 мм). Панели пере­крытий, укладываемые по линии колонн, служат ригеля­ми — распорками, что обеспечивает продольную устойчи­вость здания на монтаже. В таких зданиях возможно опирание панелей перекрытий двух типов: на полки ри­гелей таврового сечения (для производств со станочным оборудованием, нагрузки от которого близки к равномерно распределенным) и по верху ригелей прямо­угольного сечения (главным образом, для зданий хими­ческой промышленности с оборудованием, провисающим из этажа в этаж и передающим большую сосредоточен­ную нагрузку на одну опору). В обоих типах опирания панелей типовые ригели при пролетах 6 или 9 м имеют Одинаковое сечение 800 мм и ширину ребра 300 мм. Типовые конструкции многоэтажных промышленных зданий с балочными перекрытиями разработаны для сетки колонн 6X6 и 9Х6 м под различные временные нагрузки — от 5 до 25 кН/м².

Пример решения кон­струкции многоэтажного промышленного зда­ния с безбалочными пе­рекрытиями приведен на рис. XV.4. Ригелем многоэтажной рамы в попе­речном и продольном на­правлениях служит без­балочная плита, жестко связанная с колоннами при помощи капителей. Пространственная жест­кость каркасного здания в обоих направлениях обеспечивается по рамной си­стеме. Унификация размеров плит и капителей средних и крайних пролетов безбалочного перекрытия достига­ется смещением наружных самонесущих стен с оси крайнего ряда колонн на расстояние, равное половине ширины надкапительной плиты.

Многоэтажные промышленные здания с часто распо­ложенными опорами при сетке колонн 6X6 или 9X6 м не всегда удовлетворяют требованиям гибкой планировки цехов, модернизации оборудования и усовершенствова­ния производства без дорогостоящих переустройств. По­этому применять их следует в случае больших временных нагрузок на перекрытиях — более 10 кН/м².

Особенность конструктивного решения универсаль­ных промышленных зданий с этажами в межфермен­ном пространстве в том, что они имеют крупную сетку колон 18X6, 18X12, 24X6 м. Большие пролеты здания перекрывают безраскосными фермами. При этом в пре­делах конструктивной высоты этих ферм устраивают до­полнительные этажи, в которых размещают инженерное оборудование и коммуникации, бытовые, складские н. другие вспомогательные помещения. Высота межфер­менных этажей может быть 2,4; 3 и 3,6 м.

Пример решения конструкций универсального про­мышленного здания приведен на рис. XV.5. Здание имеет шесть этажей — три основных и три межферменных. Безраскосные фермы, жёстко связанные с колон­нами, являются составной частью многоэтажного кар­каса и работают как ригели рам. Крайние стойки ферм вверху и внизу снабжены выступами для соединения с колоннами ниже- и вышележащих этажей. Панели перекрытий в основных этажах ребристые; их уклады­вают на верхний пояс ферм. Панели перекрытий вспо­могательных этажей пустотные или ребристые; опира­ются они на полки нижнего пояса ферм (рис. XV.6).

 

Рис. XV.S. Конструкция мно­гоэтажного промышленного здания с межферменными этажами

1 — основные этажи; 2 — междуферменные этажи; 3 — соединения колонн сбезраскосными фермами

 

Рис. XV.7. Конструктивные схемы членения многоэтаж­ных рам на сборные элементы

2. Конструкции многоэтажных рам

Многоэтажные сборные рамы членят на отдельные элементы, изготовляемые на заводах и полигонах, с со­блюдением требований технологичности изготовления и монтажа конструкций. Ригели рамы членят преимущест­венно на отдельные прямолинейные элементы, стыкуе­мые по грани колонны скрытым или консольным стыком (рис. XV.7, а, б). Колонны также членят на прямолиней­ные элементы, стыкуемые через один - два этажа — выше уровня перекрытия. Чтобы сохранить монолитность уз­лов и уменьшить число типов сборных элементов, много­этажные рамы в некоторых случаях членят на отдельные однопролетные одноэтажные рамы (рис. XV.7, в). Стыки многоэтажных сборных рам, как правило, выполняют жесткими. При шарнирных стыках уменьшается общая жесткость здания и снижается сопротивление деформиро­ванию при горизонтальных нагрузках. Этот недостаток становится особенно существенным с увеличением числа этажей каркасного здания, работающего по рамной си­стеме.

Типовые ригели пролетом 6 м армируют ненапрягаемой арматурой, пролетом 9 м — напрягаемой арматурой в пролете (рис. XV.8). Колонны высотой в два этажа ар­мируют продольной арматурой и поперечными стержня­ми — как внецентренно-сжатые элементы (рис. XV.9)

Жесткие стыки колонн многоэтажных рам, восприни­мающие продольную силу N и изгибающий момент М через закладные детали, арматуру и бетон, имеют не­сколько конструктивных решений.

Сварной стык с закладными обоймами из уголков и листов в торце колонн с обетонированием приведен на рис. XV. 10. Для удобства рихтовки колонн к стальной обойме приварена центрирующая прокладка толщиной 30—40 мм. Продольные рабочие стержни колонн прива­ривают к обойме снаружи заводским швом. Стыковые стержни в промежутках между рабочими стержнями приваривают к обойме на монтаже. В зазор между тор­цами колонн зачеканивают жесткий раствор, а стык обетонируют по сетке. Этот стык равнопрочен сечению колон­ны вне стыка, однако требует сравнительно большого рас­хода металла и трудоемких работ.

 

Рис. XV.8. Армирование ригеля поперечной рамы пролетом 9 м

 

Рис. XV.9. Армирование колонн поперечной рамы

Сварной стык с торцовы­ми стальными листами и цент­рирующей прокладкой изобра­жен на рис. XV.11. К стальным листам толщиной 10—20 мм приваривают четыре анкерных стержня из арматуры пе­риодического профиля и центрирующую прокладку тол­щиной 3—4 мм. Стальные листы стыкуемых колонн соединяют по периметру сварными швами на монтаже.

 

 

Рис. XV.10. Сварной обетонированный стык с закладными обоймами

а - стык до замоноличивания; б — стык после замоноличивания; / — стыковые накладки; 2 —продольная арматура; 3 —стальная центрирующая прокладка; 4 — стальная обойма, сварная из уголков и листов; 5 — полость стыка, зачеканиваемая жестким раствором; 6 — сетка; 7 — слой бетона

 

Рис. XV.1I. Сварной стык с торцовыми сварными листами и центрирующей про­кладкой

/ — стальные листы; 2 — центрирующая прокладка; 3 — сварные швы

 

Рис. XV. 13. Армирование узлов монолитной многоэтажной рамы

 

Рис. XV.12. К расчету стыка с торцовыми стальными листами

 

С этой це­лью по кромкам сталь­ных листов устраива­ют фаски, размеры которых назначают с учетом высоты сварно­го шва. Прочность концов колонн в мес­тах обрыва продоль­ной арматуры обеспе­чивается дополнитель­ными поперечными сетками, которые рас­считывают по форму­лам, приведенным в гл. X, при этом следу­ет принимать площадь смятия F_0м=F_K. Стык обладает повышен­ной деформативно-стью и может приме­няться при малом экс­центрицитете продольной силы e_o ≤ O,2h.

Многоэтажные монолитные и сборно-монолитные ра­мы. Армирование ригеля многоэтажной монолитной ра­мы аналогично армированию главной балки монолитно го ребристого перекрытия, за исключением крайней опоры, где ригель жестко соединен с колонной (рис. XV. 13, а).

При конструировании рамы предусматривают устройство швов бетонирования, вызванных вре­менными перерывами в укладке бетона. Швы бетониро­вания в колоннах устраивают в уровне верха перекры­тия. В этих местах из колонн нижележащего этажа выпускают концы арматуры для соединения с арматурой колонн вышележащего этажа (рис. XV. 13, б).

 

Рис. XV.15. Конструкция узлов сборно-монолитной многоэтажной рамы а — до замоноличивания; б — после замоноличивания

 

Монолитные рамы больших пролетов и с большой высотой этажей целесообразно армировать несущими арматурными каркасами. На рис. XV. 14 приведена схе­ма несущего арматурного каркаса многоэтажной рамы главного корпуса электростанции.

Сварные каркасы для каждого пролета ригеля изготовляют в виде плоских раскосных ферм и собирают в один пространственный каркас, связанный поверху и по­низу горизонтальными связями. Арматурный каркас колонны изготовляют в виде пространственного каркаса, образованного из продольных стержней, хомутов и попе­речных связей, расположенных по боковым граням.

Сборно-монолитные рамы также выполняют с жест­кими узлами. Ригель таврового сечения имеет высту­пающие кверху хомуты и открыто расположенную верх­нюю опорную арматуру (рис. XV.15, а). Поверх ригеля уложены ребристые панели с зазором между их торца­ми 12 см. Жесткость узлового сопряжения ригеля с ко­лонной обеспечивается соединением на опоре верхней, арматуры ригеля. Для этой цели в колонне предусмот­рено отверстие, через которое пропускают опорные стержни стыка. Для укладки панелей в ригелях могут быть выступающие полочки (рис. XV. 15,б). После мон­тажа сборных элементов, укладки и сварки опорной арматуры ригеля полости между панелями и зазоры между торцами ригеля и колонной заполняют бетоном, чем достигается замоноличивание рамы. При этом риге­ли благодаря совместной работе с панелями рассматри­вают как тавровые.

КОНСТРУКЦИИ МНОГОЭТАЖНЫХ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИИ

1. Конструктивные схемы зданий

Каркасные конструкции применяют для различных административных, общественных и других зданий с большими помещениями, редко расположенными пере­городками, а в некоторых случаях и для жилых домов высотой более 25 этажей. Основными несущими

конструкциями многоэтажного каркасного здания в граж­данском строительстве являются железобетонные рамы, вертикальные связевые диафрагмы и связывающие их междуэтажные перекрытия.

При действии горизонтальных нагрузок обеспечение совместной работы разнотипных вертикальных конструк­ций в многоэтажном здании достигается благодаря вы­сокой жесткости при изгибе в своей плоскости между­этажных перекрытий, работающих как горизонтальные диафрагмы. Сборные перекрытия благодаря сварке за­кладных деталей и замоноличиванию швов между от­дельными панелями также обладают высокой жестко­стью при изгибе в своей плоскости.

Важнейшим условием достижения высоких эксплуа­тационных качеств многоэтажного здания является обеспечение его надежного сопротивления горизонталь­ным нагрузкам и воздействиям. Необходимая простран­ственная жесткость такого здания достигается различ­ными вариантами компоновки конструктивной схемы, в основном отличающимися способами восприятия гори­зонтальных нагрузок.

Например, при поперечных многоэтажных рамах и поперечных вертикальных связевых диафрагмах гори­зонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными конструкциями совместно и каркасное здание в попереч­ном направлении работает по рамно-связевой системе, при этом в продольном направлении при наличии только вертикальных связевых диафрагм здание работает по связевой системе (рис. XV. 16,а).

При поперечном расположении вертикальных связе­вых диафрагм и продольном расположении многоэтаж­ных рам здание в поперечном направлении работает по связевой системе, а в продольном направлении — по рамной системе (рис. XV.16,б). Конструктивная схема каркаса при шарнирном соединении ригелей с колонна­ми будет связевой в обоих направлениях.

Конструктивные схемы многоэтажных каркасных зда­ний, воспринимающих горизонтальные нагрузки по рам­но-связевой системе, как имеющие лучшие технико-эко­номические показатели, нашли широкое применение в строительстве.

Панельные конструкции применяют для жилых домов, гостиниц, пансионатов и тому подобных зданий с часто расположенными перегородками и стенами. В панельных зданиях основными несущими конструкциями служат вертикальные диафрагмы, образованные панеля­ми внутренних несущих стен, расположенными в попереч­ном, иногда в продольном направлении, и связывающие их междуэтажные перекрытия. Панели наружных стен навешивают на торцы панелей несущих поперечных стен. Многоэтажное панельное здание как в поперечном, так и в продольном направлении- воспринимает горизон­тальную нагрузку по связевой системе (рис. XV.16,в). Некоторые другие конструктивные схемы многоэтаж­ных зданий приведены на рис. XV. 17. К ним относятся, например, схемы каркасных зданий с центральным ядром жесткости, в которых в качестве вертикальных связевых диафрагм ис­пользуются внутренние стены сблокированных лифтовых и вентиляцион­ных шахт, лестничных клеток (рис. XV.17,а); с двумя ядрами жесткости открытого профиля — в виде швеллеров, двутавров (рис. XV.17,б); с двумя яд­рами жесткости и сложной конфигурацией в плане, поз­воляющей индивидуализировать архитектурное реше­ние (рис. XV.17, в). В описанных конструктивных схе­мах многоэтажных зданий горизонтальные воздействия воспринимаются по рамно-связевой или связевой си­стеме.

Рис. XV.16. Конструктивные планы многоэтажных гражданских зданий

а — каркасных с поперечными ра­мами; б — каркасных с продольны­ми рамами; в — панельных; 1 — ри­гели рам; 2 — связевые диафрагмы; 3 — панели перекрытий

 

 

 

 

Рис. XV.17. Конструктивные планы многоэтажных каркасных зданий

а — с центральным ядром жестко­сти; 6 — с двумя ядрами жесткости; в — с двумя ядрами жесткости сложной конфигурации, возво­димые методом подъема перекры­тий; / — ригели рам; 2 — замкнутое ядро жесткости; 3 —ядро жесткости двутаврового профиля; 4 — связевые диафрагмы;.5 — панель пере­крытия; 6 — монолитное безбалоч­ное перекрытие

 

 

В зданиях с центральным ядром жесткости в целях обеспечения удобной свободной планировки сетку колонн укрупняют, в ряде решений внутренние колонны исклю­чают и элементы перекрытий опирают на наружные ко­лонны и внутреннее ядро жесткости. Ригели перекрытий пролетом 12—15 м проектируют предварительно-напря­женными, шарнирно-связанными с колоннами, панели перекрытий — пустотными или коробчатыми. Горизон­тальное воздействие на здание воспринимается по свя­зевой системе.

В зданиях с двумя ядрами жесткости и сложной кон­фигурацией в плане перекрытия выполняются монолит­ными в виде безбалочной бескапительной плиты. Возво­дят такие здания методом подъема перекрытий (или подъема этажей). Конструктивно-технологическая сущ­ность этого метода состоит в том, что полигоном для изготовления перекрытий служит перекрытие над подва­лом. Перекрытия бетонируют одно над другим в виде пакета с разделяющими прослойками. В местах, где про­ходят колонны, в перекрытии оставляют отверстия, окай­мленные стальными воротниками, заделанными в бето­не. В проектное положение перекрытие поднимают при помощи стальных тяжей и гидравлических домкратов, установленных на колоннах верхнего яруса. После подъ­ема перекрытия в проектное положение стальные ворот­ники крепят к стальным деталям колонн на сварке. При этой конструктивной схеме восприятие горизонтального воздействия на здание осуществляется по связевой си­стеме, а при обеспечении конструктивной связи плит перекрытий с колоннами — по рамно-связевой системе, в которой ригелями служат безбалочные плиты.

2. Основные вертикальные конструкции

Многоэтажные рамы высотой до 16 этажей имеют ко­лонны постоянного сечения по всей высоте здания (рис. XV.18, а). Увеличение несущей способности колонн нижних этажей достигается повышением проектной мар­ки бетона, процента армирования, применением жесткой арматуры. Элементы сборных колонн в целях снижения трудоемкости на монтаже выполняют размером на 2—4 этажа.

Комбинированные вертикальные связевые диафрагмы, состоящие из сплошной и рамной частей, сохраняют регулярную структуру — размеры элементов и пролетов ригелей — по всей высоте здания (рис. XV.18, б). Верти­кальные связевые диафрагмы с проемами имеют железо­бетонные перемычки, жестко связанные на опорах с простенками, и также сохраняют регулярную структу­ру по всей высоте здания (рис. XV.18, в).

 

Стыки ригелей с колоннами выполняют шарнирными или жесткими на скрытых консолях и бесконсольными (см. гл. XI). При жестком соединении ригелей с колон­нами существенно повышается общая жесткость много­этажного здания и достигается экономия металла в ар­мировании ригелей (по условиям прочности, трещиностойкости и предельных прогибов).

Рис. XV.18. Основные верти­кальные конструкции много­этажных зданий

а — многоэтажные регулярные рамы; 6 — связевые комбиниро­ванные диафрагмы; в — связе­вые диафрагмы с проемами

 

Рис. XV.19. Стыки колонн с ванной свар­кой выпусков арматуры

/ — выпуски арматуры; 2 — монтажная сварка; 3 — бетонный центрирующий выс­туп; 4 —бетон замоноличивания; 5 — попе­речные сетки; 6 — дополнительный хомут; 7 — пазы в колонне

 

Стыки колонн выполняют с ванной сваркой выпусков стержней диаметром до 40 мм (рис. XV. 19). Концы ко­лонн усиливают поперечными сетками и заканчивают бетонным центрирующим выступом толщиной 25 мм (для удобства рихтовки на монтаже). Размер угловой подрезки бетона 150 мм назначают из условия удобства сварки выпусков арматуры. После установки и выверки элементов колонн выпуски арматуры последовательно по диагонали сваривают и в зоне стыка устанавливают дополнительный монтажный хомут диаметром 10—12 мм. Полости стыка (узкий шов между торцами элементов колонн и угловые подрезки) замоноличивают в инвен­тарной опалубке под давлением. Исследования показали достаточно высокую прочность и надежность стыка. В сравнении с другими конструкциями описанный стык экономичнее по расходу стали и трудоемкости. Стык колонн со сферической поверхностью стыкуемых элемен­тов и ванной сваркой выпусков арматуры (сферический стык) требует при изготовлении более- сложных форм, поэтому применение этого стыка в конструкциях много­этажных зданий прекратилось.

Элементами сборных вертикальных связевых диафрагм являются колонны каркаса и панели с полками для опирания плит перекрытий (рис. XV.20) Элементы сое­диняют сваркой закладных деталей и замоноличиванием. Применяют также монолитные панели, бетонируемые на месте возведения после приварки к закладным дета­лям колонн арматурных сеток.

Вертикальные связевые диафрагмы в виде ядер жесткости чаще выполняют монолитными в скользящей опалубке. В сборных ядрах жесткости элементы стенок малоповторяемы; кроме того, из-за значительных сдви­гающих усилий, возникающих в углах стенок, на монта­же увеличивается объем сварочных работ.

Панели внутренних несущих стен по условиям требу­емой звукоизоляции выполняют из тяжелого бетона толщиной 14—16 см. При такой толщине обеспечивается несущая способность этих панелей в зданиях высотой до 16 этажей. Увеличение несущей способности панелей стен зданий большей высоты достигается в нижних этажах повышением проектной марки бетона, переходом на железобетонные панели, увеличением их толщины.

Бетонные панели несущих стен армируют конструк­тивной вертикальной арматурой у каждой поверхности панели в количестве 0,3 см² на 1 м длины горизонталь­ного сечения панели. Площадь сечения горизонтальной распределительной арматуры у каждой грани должна составлять не менее 0,3 см² на 1 м вертикального сечения. Железобетонные панели несущих стен армируют двой­ной вертикальной арматурой так, чтобы у каждой по­верхности минимальный процент армирования горизонтальных сечений при бетоне марки 200 составлял 0,1, а при бетоне марки 300 или 400—0,15. Чтобы повысить сопротивление опорных сечений железобетонных пане­лей (с целью компенсации обрываемой продольной арматуры), применяют косвенное армирование приопорных участков сетками.

 

Рис. XV.20. Соединение элементов вертикальной связевой диафрагмы

I — панели диафрагмы; 2 —полки для опирания панелей перекрытий; 3 — ко­лонны каркаса здания; 4 — закладные детали колонн; 5—.закладные детали панелей диафрагмы; 6 — стыковые стержни; 7—монтажная сварка