Связевые и рамно-связевые каркасы

Связевый тип каркаса состоит из связевой плоской или пространственной конструкции и колонн, шарнирно присоединенных к ней ригелями. Связевая конструкция представляет собой вертикальную диафрагму, образо­ванную колоннами, ригелями и связями - диагональны­ми элементами (рис. 12.35). Функции обеспечения жест­кости распределены в связевом каркасе неравномерно: при действии горизонтальных нагрузок практически вся жесткость сосредоточена в связевой конструкции, рабо­тающей по схеме защемленной в фундаменте консоли. Колонны при условии шарнирного их присоединения к связевой конструкции настолько слабо сопротивляются горизонтальным перемещениям, что их вкладом в жест­кость каркаса можно пренебречь. Эти колонны сжаты от вертикальных нагрузок перекрытий, наружных стен и пе­регородок. Колонны, входящие в состав связевой кон­струкции, воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, работая в качестве ее поясов. Ригели несут не­посредственно действующие на них вертикальные на­грузки и испытывают небольшие продольные усилия от горизонтальных нагрузок.

Рис. 12.35. Принципиальная схема расположения связевых кон­струкций - вертикальных диафрагм жесткости

Связевый тип каркаса работает на горизонтальные нагрузки эффективнее рамного, так как в работе участву­ют диагональные элементы (связи). Бóльшая часть ко­лонн освобождена от внутренних усилий изгиба и требу­ет меньшего расхода стали. Поэтому в связевом каркасе проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию.

Связевым каркасам соответствует свободное (шар­нирное) крепление балок к колоннам (рис. 12.36). По сравнению с другими свободное крепление на болтах нормальной точности проще в изготовлении и монтаже, не требует высокой точности изготовления, обеспечива­ет податливость узла и практически свободный поворот балки относительно колонны. Основные усилия для рас­чета крепления - поперечная сила в опорном сечении балки (Q) и продольная сила (N), возникающая в балке при работе связевой системы. Для удобства монтажа и частичной передачи поперечных сил в большинстве слу­чаев предусматриваются опорные столики в виде угол­ков, кронштейнов, толстых листов стали.

Рис. 12.36. Свободное (шарнирное) болтовое крепление балок к колоннам: а - с помощью соединительных уголков и уголковых столиков; б - через опорное ребро фланцевого типа; в - через приваренную к колонне пластину с опиранием на столик; г - с помощью пропу­щенного через колонну стального листа и боковых накладок

Основные типы вертикальных связей и их компонов­ки для стальных каркасов показаны на рис. 12.37 - начи­ная от самой жесткой конструкции (крестовидная связь) и заканчивая наименее жесткой конструкцией (неполные подкосы). Выбор типа связей определяется не только требуемой жесткостью, но и необходимыми размерами оконных и дверных проемов в местах установки связей - на рис. 12.37 проемы показаны пунктиром.

Рис. 12.37. Типы вертикальных связей и схемы их компоновки

Поясами вертикальных связевых ферм являются, как правило, колонны, стойками - балки перекрытий. В ка­честве раскосов и подкосов чаще всего применяют са­мостоятельные элементы связей, поскольку использо­вать для этого др. наклонно расположенные элементы (косоуры лестниц, балки пандусов и т.п.) удается очень редко.

При действии горизонтальной (ветровой) нагрузки в зависимости от ее направления в раскосах (подкосах) возникают усилия либо сжатия, либо растяжения. Для того, чтобы раскосы были всегда растянуты, применяют крестовидную решетку связей, в которой всегда один из раскосов растянут, а другой остается ненапряженным.

Крепление раскосов в большинстве случаев выполня­ется на болтах (рис. 12.38). Узкие вертикальные связевые фермы могут быть сварены на заводе и доставлены на строительство в готовом виде. Во всех случаях оси рас­косов должны проходить через точки пересечения осей колонн и ригелей. Примыкание с эксцентриситетом свя­зано с возникновением изгибающих моментов в стержнях решетки.

Рис. 12.38. Крепление элементов вертикальных связей на болтах: а, б - к приваренной узловой фасонке; в - к фасонке на болтах; г - соединение фланцевого типа

Различие форм зданий в плане предполагает раз­нообразие возможных компоновок связевых каркасов (рис. 12.39), которые характеризуются следующими особенностями:

- расположением диафрагм и ядер жесткости: внутри здания, в зоне контура здания, комбинированным, симметричным, несимметричным;

- количеством диафрагм и ядер жесткости (обыч­но не менее трех диафрагм или двух ядер);

- формой ядер жесткости: незамкнутые (откры­тые) - Г-, П-, Т-, Z-образные; замкнутые - прямоугольной, треугольной и других форм.

Рис. 12.39. Компоновочные схемы связевых каркасов

Рамно-связевые каркасы аналогичны по своей схеме связевым, но отличаются от них рамным (жест­ким) соединением ригелей и колонн, 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 до 80% гори­зонтальных нагрузок.

Моменты от горизонтальной нагрузки в узлах рамно-связевого каркаса намного меньше, чем в чисто рамной системе, что обеспечивает унификацию ригелей и узлов. Однако узлы довольно сложны и трудоемки в изготовле­нии и монтаже.

В современной практике применяют рамно-связевые системы с примыканием ригеля к колонне, расчитанным на восприятие 0,1-0,2 части полного балочного момента риге­ля и допускающим образование шарнира пластичности (рис. 12.40). Такие примыкания облегчают унификацию узлов и ригелей и способствуют широкому применению рам­но-связевых стальных каркасов в многоэтажных зданиях.

Рис. 12.40. Компоновочные схемы рамно-связевых каркасов

Применяются и другие рамно-связевые каркасы (рис. 12.41). Эффективность каркаса может быть повышена за счет использования горизонтальных жестких решетчатых поясов и ростверков. Пояс или ростверк жесткости пред­ставляют собой связевую решетчатую конструкцию высо­той в этаж, предназначенную для увеличения жесткости здания. Пояс размещается в средней части здания, а ро­стверк - конструкция, венчающая здание. По высоте зда­ния устраивается один или несколько горизонтальных поясов жесткости - чем больше поясов, тем лучше совме­стная работа ядра жесткости и наружных колонн, выше жесткость всего каркаса. Пояса размещаются в тех мес­тах здания, где их диагональные связи не ограничивают функциональный процесс в здании (например, в уровне технических этажей).

Рис. 12.41. Рамно-связевые каркасы с горизонтальными пояса­ми жесткости: а - пояс и ростверк жесткости в обычной рамной системе; б - то же, с вертикальной диафрагмой или ядром жесткости; в - фер­мы-ригели через два этажа; г - фермы-ригели через этаж

Размещение горизонтальных поясов жесткости ввер­ху (ростверк) и посередине здания (рис. 12.41 а, б) целе­сообразно для зданий высотой до 60 этажей.

В производственных и общественных зданиях с уве­личенными пролетами поясами жесткости являются ре­шетчатые ригели высотой в этаж (рис. 12.41 г), имеющие в местах проемов (проходов) 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 перекрытий на верхние и нижние пояса ферм и удвоения их шага.

а

г

Рис. 12.42. Примеры зданий со стальными каркасами: а - трубчатые колонны снаружи соединены криволинейными ригеля­ми; б - устройство балконов, крыши и наклонного остекления с помо­щью дополнительных элементов каркаса; в - цилиндрические объе­мы с консольными выступами; г - колонны каркаса нижних этажей вынесены наружу; д - трубчатые колонны крайнего ряда вынесены наружу