Многоэтажные гражданские здания. Конструктивные системы. Элементы каркаса и узлы сопряжений.

Многоэтажные здания (20-30 этажей и выше) используют главным образом в гражданском строительстве, в условиях плотной застройки больших городов. И обычно проектируют с четким разделением конструкций на несущие и ограждающие. Функции несущих выполняют стальной каркас, а ограждающих – легкие стеновые панели из эффективных теплоизоляционных материалов, в том числе панели с обшивками из стали или алюминиевых сплавов.

Главным преимуществом стального каркаса является высокая прочность материала, позволяющая принимать минимальные размеры сечений колонн и тем самым увеличивать полезную площадь помещений. Поэтому в нижних этажах целесообразно проектировать колонны из низколегированной стали.

В каркасных конструктивных системах основными вертикальными несущими конструкциями являются колонны, на которые нагрузка от перекрытия (покрытий) передается через ригель (ригельный каркас) или непосредственно (безригельный каркас). В зависимости от типа конструкций, используемых для обеспечения пространственной жесткости, различают связевые, рамные и рамно-связевые каркасные системы. В связевых системах колонны практически не участвуют в восприятии горизонтальных нагрузок. Горизонтальные нагрузки воспринимаются и передаются на фундамент вертикальными диафрагмами жесткости в виде сквозных раскосных элементов или сплошных дисков. В рамных системах вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимает и передает на основание каркас с жесткими узлами сопряжения ригелей с колоннами. В рамно-связевой каркасной системе горизонтальные нагрузки воспринимают и передают на основание совместно вертикальные диафрагмы жесткости с рамным каркасом.

В стеновых системах (бескаркасные) вертикальными несущими элементами являются стены. Стены подразделяются на:

Несущая стена, которые, помимо нагрузки от собственного веса, воспринимает и передает на фундамент вертикальные нагрузки от перекрытий, кровли, ненесущих стен, перегородок и т.п.

Самонесущие стены, которая воспринимает и передает на фундамент вертикальную нагрузку от балконов, лоджий и других элементов стены.

Ненесущей называется стена, которая поэтажно или через несколько этажей передает вертикальную от собственного веса на смежные конструкции (перекрытия, несущие стены, каркас).

В ствольных конструктивных системах вертикальными несущими конструкциями являются стволы, образуемые преимущественно стенами лестнично-лифтовых шахт, на которые непосредственно или через распределительные ростверки опираются перекрытия. Стволы воспринимают как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки.

Объемно-блочные системы (основная и комбинированная со стеновой) применяются в проектировании жилых зданий различных типов высотой до 20 этажей

Оболочковая система (основная и комбинированные – с каркасом или диафрагмами) целесообразна для уникальных высотных (более 40 этажей) зданий, поскольку существенно увеличивает жесткость сооружения.

Конструктивные элементы каркаса:

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. Большинство сечений – составные и образуются автоматической или полуавтоматической сваркой

Ригели междуэтажных перекрытий. Работают на изгиб. Продольные силы в ригелях, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных (ветровых и сейсмических) нагрузок. До 12 м – сплошные из обычных или широкополочных сталей, а при пролетах более 12 м – фермы. Отношение высоты сечения балки-ригеля или фермы к их пролету h/l=1/10/…1/15

Узлы сопряжений ригелей с колоннами. Типы узлов сопряжения ригелей с колоннами определяются конструктивной схемой каркаса здания. Связевым схемам соответствует шарнирное, рамным – жесткое прикрепление ригелей к колоннам, рамно-связевым – смешанное. Шарнирное прикрепление ригелей к колоннам на болтах нормальной точности по сравнению с другими типами проще в изготовлении и монтаже и обеспечивает свободный поворот ригеля относительно колонны. Прикрепление ригеля к колонне с помощью опорного ребра несколько сложнее на монтаже, однако в этом случае осуществляется более четкая передача на колонну значительных опорных давлений от балок-ригелей междуэтажных перекрытий. В некоторых случаях жесткие прикрепления балок-ригелей к колоннам осуществляется на монтажной сварке, но они более трудоемки на монтаже по сравнению с болтовыми из-за повышенных требований к точности изготовления и монтажу конструкций. Полужесткое сопряжение балок-ригелей с колонной обычно применяются для рамно-связевых систем. Для элементов полужестких (гибких) прикреплений допускается работа в упругопластической стадии, поэтому их следует выполнять из марок стали с выраженной площадкой текучести.