Рамные системы многоэтажных промышленных зданий

+ 16. Связевые системы

Рамная схема

каркасного несущего остова зданий представляет собой систему колонн, ригелей и перекрытий, соединенных в конструктивных узлах в жесткую и устойчивую пространственную систему, воспринимающую горизонтальные (ветровые и другие) усилия.

Рамно-связевая

схема каркасного здания аналогична рамной схеме с тем лишь дополнением, что горизонтальная жесткость здания увеличивается за счет диагональных связей, выполняемых, как правило, из металла. При этом часть горизонтальных усилий передается с колонн на эти связи. Особенностью рамно-связевой схемы является ограничение перемещений каркаса.

Связевая схема

каркасного несущего остова зданий отличается от рамной тем, что все горизонтальные усилия в ней в обоих направлениях через сплошные междуэтажные перекрытия передаются на жесткие диафрагмы — стенки или ядра жесткости. Рамы в этом случае рассчитываются только на вертикальные нагрузки. При этом сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов конструкций могут иметь не только жесткое, но и шарнирное решение.

В несущем остове каркасного здания при связевой схеме жесткие связи можно располагать с интервалами в несколько конструктивных шагов на расстоянии не больше 48 м при сборных перекрытиях или 54 м при монолитном каркасе. Таким образом, связевая система каркаса позволяет во всех этажах здания получить достаточно большие зальные помещения между связевыми стенами.

Каркасный остов связевой системы в настоящее время имеет наибольшее распространение в массовом строительстве общественных зданий, зданий повышенной этажности и в высотных зданиях любого назначения.

Для повышения сопротивления внешним воздействиям несущей системы зданий высотой более 250 м применяют преимущественно ствольные конструктивные системы: “труба в трубе” и “труба в ферме”. Их компоновочная схема включает центральный ствол, воспринимающий основную долю всех нагрузок, и расположенные по периметру здания несущие элементы в виде отдельных стоек (колонн), решетчатых систем (ферм, составных стержней и др.), пилонов, которые также могут быть объединены в единую конструкцию. Жесткость ствольной системы, ее устойчивость и способность к гашению вынужденных колебаний обеспечиваются заделкой центрального ствола в фундамент.

В случаях, когда жесткости стеновой, каркасной или ствольной системы недостаточно, прибегают к комбинированным решениям, сочетающим в себе признаки разных конструктивных решений. В частности, для повышения сопротивления несущего остова здания возрастающим с высотой над уровнем земли ветровым нагрузкам применяют комбинацию ствольной и стеновой систем. В этом случае горизонтальные нагрузки воспринимаются не только внешней оболочкой и центральным стволом, но и внутренними несущими стенами. Комбинированная конструктивная система обладает большей конструктивной гибкостью в части возможности распределения доли воспринимаемых усилий за счет варьирования жесткости несущих элементов остова.

Рис.5. Схема каркасных зданий:

a — рамная; б — рамно-связевая; в — рамная с диафрагмами

жесткости; 1 — рама; 2 — смет; 3 — диафрагма; 4 — крепления

Рамно-связевые системы многоэтажных промышленных зданий

В рамно-связевом каркасе вертикальные нагрузки передаются на каркас, а горизонтальные — как на каркас, так и на вертикальные диафрагмы (пилоны) и распределяются пропорционально их жесткости. В этом случае узлы рам также жесткие.

Рамно-связевые системы

Основные рамно-связевые системы аналогичны по своей схеме связевым , но отличаются от них рамным соединением колонн и ригелей, не входящих в связевую конструкцию.
Функции обеспечения жесткости системы распределены между ее связевой и рамной частями, однако в большинстве случаев соотношение жесткостей в системе таково, что ее связевая часть воспринимает 70—90% горизонтальных нагрузок.

Большинство высотных зданий, построенных в Москве в начале 50-х гг., имеют каркас рамно-связевой системы с жестким соединением ригелей и колонн. Моменты от горизонтальной нагрузки в узлах такого каркаса намного меньше, чем в чисто рамной системе, что облегчает унификацию узлов и ригелей. Однако узлы довольно сложны и трудоемки в изготовлении и монтаже. Поэтому в дальнейшем были разработаны рамно-связевые системы с примыканием ригеля к колонне, рассчитанным на восприятие 1/10—1/5 части полного балочного момента ригеля и допускающим образование шарнира пластичности. Переход к таким примыканиям облегчил унификацию узлов и ригелей и способствовал широкому распространению рамно-связевой системы в строительстве московских 20—30-этажных зданий.
Известны и другие рамно-связевые системы: 1) с жесткими включениями в виде сплошных панелей или связевых ячеек; 2) с горизонтальными поясами жесткости в виде связевых ферм, решетчатых ригелей, балок-стенок; 3) с пространственными ростверками из решетчатых или сплошных элементов. Они могут быть образованы на основе любой из рассмотренных выше систем.
На рис. 20.4 показаны рамно-связевые системы с жесткими включениями. Отдельно расположенные жесткие включения слабо влияют на общий характер работы системы, но способствуют снижению сдвиговых смещений. Если жесткие включения составляют геометрически неизменяемую конфигурацию, то жесткость системы в целом существенно повышается.

Возможные варианты рамно-связевых систем с горизонтальными поясами жесткости приведены на рис. 20.5. Пояса жесткости, дополняющие обычную рамную систему, снижают ее горизонтальные перемещения в результате повышения сопротивления относительному сдвигу смежных колонн и перекосу ячеек рамы и приближают эпюру осевых деформаций при общем изгибе системы к линейной. В производственных и общественных зданиях с увеличенными пролетами поясами жесткости являются решетчатые ригели высотой в этаж (рис. 20.5,б), имеющие в местах проемов рамные вставки. При одинаковом расположении ригелей в соседних рамах (схема I) чередуются этажи с большой свободной площадью и стесненными условиями. Этот недостаток устраняется при шахматном расположении ригелей (схема II), которое обеспечивает на всех этажах достаточно крупные по размерам помещения в результате поочередного опирания плит перекрытия на верхние и нижние пояса ригелей и удвоения их шага. Если схема I близка по работе к рамной системе, то схема II образует в продольном сечении здания пространственную конструкцию ячеистой структуры. В условном блоке, выделенном на схеме II, смещенные ригели разных этажей объединены жесткими перекрытиями в непрерывную связевую конструкцию, хорошо сопротивляющуюся горизонтальным нагрузкам, перпендикулярным к продольному сечению здания.
При высоком насыщении помещений техническими средствами и сильно развитом инженерном оборудовании, требующем осмотра, ремонта или замены, решетчатые пояса-ригели размещают в пределах технических этажей пониженной высоты, следующих через два обычных этажа (рис. 20.5, в). Это дает возможность подвести все необходимые коммуникации к каждому этажу, сверху или снизу.
Пояса жесткости и ростверки, объединенные с вертикальными несущими конструкциями связевых систем, образуют новый вид рамно-связевых систем (рис. 20.6). Особенность их состоит в том, что колонны, обычно не участвующие в работе связевой системы на горизонтальную нагрузку (рис. 20.6, в), с помощью пояса или ростверка включаются в работу всей системы. Испытывая только продольные усилия растяжения и сжатия, подобно волокнам каркасной консоли, но не усилия изгиба, как в раме, колонны уравновешивают значительную часть общего момента от горизонтальных нагрузок и разгружают основную связевую конструкцию. При этом горизонтальные перемещения системы уменьшаются на 30—40% и резко снижаются перекосы ячеек в верхней части здания (рис. 20.6, г), неблагоприятно влияющие на ограждающие конструкции. Подобные пояса жесткости и ростверки целесообразны и в системах с несколькими диафрагмами или стволами, в том числе в системе с внутренним и внешним стволами, обеспечивая их взаимодействие, более рациональное распределение внутренних усилий и повышение жесткости системы в целом.