Конструкции многоэтажных зданий

Лекция 13 КОНСТРУКЦИИ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ Основная область применения многоэтажных зданий – жилые дома и общественные здания различного назначения (для учреждений управления, коммунального хозяйства, науки и просвещения, проектных организаций, учреждений связи и др.). Стальные каркасы многоэтажных зданий в зависимости от распределения функций в системе обеспечения их пространственной жесткости и устойчивости, а также от способа восприятия основными элементами каркаса вертикальных и горизонтальных нагрузок и температурных воздействий подразделяются на каркасы рамного, связевого, рамно-связевого и ствольного (с подвешенными перекрытиями или консольными этажами) типов. Рисунок 1 – Основные рамные системы: а – обычная; б – с внешней пространственной рамой; в – секционно-рамная; 1 – колонна; 2 – ригель; 3 – плоскость одного из перекрытий; 4 – горизонтальные перемещения рамы; 5 – плоскость внешней грани; 6 – плоскость внутренней рамной стенки Рамные системы (рис. 1) состоят из жестко соединенных между собой колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные междуэтажными перекрытиями. Жесткость рамной системы определяется сопротивлением всех ее элементов, воспринимающих вертикальные и горизонтальные нагрузки. Рамная система обеспечивает равномерную передачу нагрузок на фундамент, однако ее элементы и узлы трудно поддаются унифицированию из-за значительного изменения внутренних усилий по высоте каркаса. В обычной рамной системе (рис. 1, а) колонны расположены регулярно по всему плану здания с шагом 4-9 м. В такой системе учет горизонтальных нагрузок приводит к заметному увеличению расхода стали, поэтому применение этой системы ограничено высотой 30 этажей. В горизонтальном прогибе верха рамы сдвиговые смещения составляют 70 -90 %. В высотных зданиях (высотой 300-400 м) колонны размещаются только по контуру здания и образуют внешнюю пространственную раму (рамную оболочку) (рис. 1, б). Преимущество этой системы состоит в повышении ее общей изгибной жесткости, так как увеличивается момент инерции горизонтального сечения каркаса и снижается до 30 - 40 % относительная доля сдвиговых смещений в общем прогибе каркаса. Система обладает повышенной жесткостью при кручении. Конструктивные элементы внешней рамы могут выполнять функции наружной стены, для устройства которой не нужен дополнительный каркас. Рисунок 2 – Основные связевые системы: а – с диафрагмами; б – с внутренним стволом; в – с внешним стволом; г – сочетания основных связевых систем (планы) с диафрагмами и с внутренним и внешним стволами; 1 – диафрагмы; 2 – колонны; 3 – колонны пояса диафрагмы; 4 – ригели; 5 – плоскость одного из перекрытий; 6 – фрагмент расчетной схемы по внутреннему ряду колонн; 7– горизонтальные перемещения диафрагмы; 8 – внутренний ствол; 9 – внешний ствол; 10 – колонны, воспринимающие вертикальные нагрузки Связевые системы проектируют в виде вертикальных связей, расположенных на некотором расстоянии одна от другой и соединенных между собой горизонтальными жесткими дисками (рис. 2). Горизонтальная жесткость каркаса обеспечивается системой вертикальных и горизонтальных дисков, принимающих на себя всю ветровую нагрузку. Остальные элементы каркаса: колонны и балки, не входящие в систему дисков, конструируются с шарнирным сопряжением в узлах и воспринимают лишь вертикальную нагрузку. Перемещения связевой системы от горизонтальных нагрузок определяются деформациями связевой конструкции и в основном носят изгибный характер. Связевая система работает на горизонтальную нагрузку эффективнее рамной, так как большая часть колонн, освобожденная от работы на изгиб, требует меньшего расхода стали. Связевая система отвечает принципу концентрации материала, в ней проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию. Рисунок 3 – Рамно-связевые системы с горизонтальными поясами жесткости: а – пояса жесткости в обычной рамной системе; б – фермыригели через этаж; 1 – системы с одинаковым расположением связей в соседних рамах Рамно-связевые системы аналогичны по своей схеме связевым, но отличаются от них жесткими соединениями колонн и ригелей, не входящих в связевую конструкцию. Соотношение жесткостей в системе таково, что ее связевая часть воспринимает 70 – 90% горизонтальных нагрузок. В ствольных системах (рис. 4) главные опоры-стволы опираются на фундамент, а остальные конструкции (кроме предварительно напряженных вант в схемах на рис. 4, ж, з) прерываются. В системах с подвешенными перекрытиями часть вертикальных нагрузок передается на ствол поэтажно через подвески и ростверки, создавая в стволе значительные усилия по высоте. Эффективность такой системы достигается заменой сжатых колонн растянутыми подвесками, выполненными из высокопрочных марок стали, и устройством железобетонного ствола. В системе с консольными этажами (схемы на рис. 4, в, г, д) продольные силы в стволе меньше, но повышается расход стали на консольные балки. Рисунок 4 – Ствольные системы: а, б – с подвешенными перекрытиями; в–д – с консольными этажами; е– и – комбинированные системы; ж, з – с предварительным напряжением; 1 – вариант с попарным объединением смежных перекрытий в одну консольную конструкцию; 2, 3 – варианты очертания вант Конструктивные элементы каркаса Колонны Колонны являются основными конструктивными элементами каркаса многоэтажного здания и воспринимают преимущественно сжимающие усилия с изгибом в одной или двух плоскостях. В ствольных системах вместо колонн применяют испытывающие растягивающие усилия подвески из стальных канатов (ванты) или полосовой стали. Применяемые типы сечений сплошных колонн показаны на рис. 5 Большинство сечений – составные и образуются автоматической и полуавтоматической сваркой. Наиболее целесообразно применение сечений типов, изображенных на рис. 5, а, б, и (с учетом изгиба в плоскости наибольшей жесткости), рис. 5, г – при больших усилиях и относительно малых расчетных длинах, рис. 5, ж – при значительных усилиях и расчетных длинах. Отношение габаритов сечения к расчетным длинам h/ 1Х, h /1У должно быть не менее 1/15, чему соответствуют гибкости 40 – 60 (в зависимости от типа сечения). Рисунок 5 – Типы сечений колонн: а и м – из прокатных двутавров; б – составной двутавр; в, к и л – крестовые сечения; г – сплошное сечение; д и е – из прокатных уголков; ж и з – трубчатые сечения; и, н, о и п – комбинированные сечения Ригели междуэтажных перекрытий Такие ригели работают преимущественно на изгиб. Продольные силы в ригелях, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных (ветровых и сейсмических) нагрузок. Рисунок 6 – Типы сечений ригелей, балок и ферм перекрытий: а – из прокатного двутавра; б – сварной двутавр; в – сталежелезобетонное сечение; г – гнутое; д – коробчатое; е – двутавр с перфорированной стенкой; ж, з, и, к, л – фермы с различными прокатными сечениями поясов При пролетах до 12 м ригели проектируют сплошными из обычных или широкополочных двутавров (рис. 6, а) либо из сварных двутавров (рис. 6, б, в). Сплошные ригели коробчатого сечения (рис. 6, д) применяются при больших поперечных силах или при необходимости увеличения их боковой жесткости. При необходимости размещения различных коммуникаций в пределах высоты междуэтажных перекрытий применяют балки-ригели из широкополочных двутавров с перфорированной стенкой (рис. 6, е), а при пролетах более 12 м – фермы (рис. 6, ж, з). Тяжелые фермы (рис. 6, и, к, л) используются для перекрытий над залами и большими холлами. Элементы связевых конструкций Эти элементы проектируют из парных уголков, прямоугольных и круглых труб, а при больших продольных усилиях — двутаврового коробчатого сечения (рис. 7). Рисунок 7 – Типы сечений связевых конструкций: а, б и в – трубчатые, соответственно прокатное, гнутосварное и из уголков; г – тавровое из уголков Список литературы 1. Металлические конструкции: учебник /под ред. Ю.И. Кудишина. – М. : Академия, 2014. – 688с. 2. Мандрикров А.П. Примеры расчета металлических конструкций. Учебное пособие /А.П. Мандрикров. – СПб. : Лань, 2012. – 432с. 3. Доркин В.В. Металлические конструкции: учебник / В.В. Доркин, М.П. Рябцева – М. : Инфра-М, 2017. – 457с. 4. SCAD office. Версия 21.Вычислительный комплекс SCAD++ / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов [и др.] – М. : СКАД СОФТ, 2015г. – 848с. 5. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений: учеб. пособие / И.А. Шерешевский, Архитектура-С, 2012. – 168с. 6. СНиП РК 5.04-23-2012. Стальные конструкции. Астана: «КазГОР». – 120с. 7. НТП РК 01-01-3.1 (4.1)-2017 «Нагрузки и воздействия на здания». Астана: Комитет по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства Министерства по инвестициям и развитию Республики Казахстан, 2017. – 181с. 8. СП РК EN 1993-1-1:2005/2011 «Проектирование стальных конструкций». Астана: Комитет по делам строительства и жилищнокоммунального хозяйства Министерства национальной экономики Республики Казахстан, 2016. – 116с.