Основные положения проектирования стальных конструкций многоэтажных зданий

Проектирование несущих конструкций многоэтажного здания.

• на основании анализа проектов-аналогов зданий, соответствующих по своим параметрам техническому заданию на проектирование, выберите конструктивную схему здания, назначьте материалы несущих и ограждающих конструкций;

• выполните компоновку конструктивной схемы, назначьте типы сечений основных несущих элементов каркаса, определитесь с узлами и монтажными соединениями;

• назначьте расчетную схему, определите нагрузки и воздействия, задайтесь в первом приближении (на основе аналогов или грубых приближенных расчетов) сечениями элементов каркаса и их жесткостями или, по крайней мере, соотношением жесткостей;

• выполните статические расчеты на все нагрузки, найдите расчетные сочетания усилий и определите внутренние усилия в элементах каркаса, а также найдите перемещения от нормативных нагрузок и оцените работу здания по второй группе предельных состояний;

• подберите сечения элементов несущих конструкций, проверьте их прочность и устойчивость, проверьте соответствие жесткостей элементов изначально заданным и при необходимости повторите расчеты;

• выполните конструирование и расчет узлов, соединений.

Выбор конструктивной схемы многоэтажного здания определяется не только обилием аналогов и пониманием особенностей работы каркаса. При проектировании следует обращать внимание на целый ряд факторов, оказывающих влияние на прочность, устойчивость и экономичность сооружения, среди которых можно отметить следующие:

Грунтовые условия. Работа здания зависит от несущей способности грунтов основания. Фундаменты связывают верхнюю часть сооружения с грунтом и распределяют нагрузки таким образом, чтобы грунт мог их вы держать.

Фундаменты многоэтажных зданий, как правило, устраивают в виде плоских, ребристых или коробчатых плит (рис. 4.14). Глубина заложения фундамента определяется геологическими условиями площадки строи­тельства и составляет при этом 4...6 м или архитектурно- планировочны­ми решениями подземной части здания, достигая 15...20 м.

В случае устройства свайного фундамента обычно используют забивные сваи, а при больших нагрузках — буронабивные с уширенной пятой или заглубленные в материковый грунт.

Требования к системам инженерного оборудования.Системы инже­нерного оборудования здания, включающие теплоснабжение, вентиля­цию и кондиционирование воздуха, электроснабжение, лифты, водоснаб­жение и водоотведение, мусороочистку составляют более одной трети общей стоимости высотных зданий. Такое значительное влияние указан­ных систем требует их учета при выборе конструктивных решений зда­ний. Общие экономические соображения. При проектировании конкретного сооружения следует рассматривать несколько различных решений, учитывая при технико-экономическом анализе не только первоначальную стоимость проекта, но и затраты на эксплуатацию здания и его систем. Требования к огнестойкости конструкций здания. Для высотных зданий огнестойкость конструкций становится важным фактором проекти­рования по двум причинам. Во-первых, большинство этажей находится вне зоны действия пожарных машин и, во-вторых, полная эвакуация людей из здания за короткий период практически невозможна и поэтому основной упор по борьбе с пожарами переносится внутрь здания.

виды фундаментов на сплошном основании для многоэтажных зданий: а- плитный плоский; б—плнтный ребристый; в—коробчатый; г—плитный с вырезом; д—плит­ный переменной толщины; I,—колонны: 2—ствол жесткости

48 Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают заданную геометрию конструкций покрытия и удобство монтажа, закрепляют сжатые элементы из плоскости ригеля, перераспределяют на соседние рамы местные нагрузки, приложенные к одной раме.

Система связей покрытия (рис. 1.19) состоит из горизонтальных и вер­тикальных. Горизонтальные связи располагают в плоскостях нижних и верхних поясов ферм, вертикальные — в плоскостях опорных и некоторых других стоек ферм.

Горизонтальные поперечные связи по нижним поясам ферм 1 разме­щают в торцах температурных блоков, а при длинах этих блоков более 144 м дополнительно предусматривают поперечные связи в середине блока. Горизонтальные поперечные связи образуют путем объединения нижних поясов двух соседних стропильных ферм с помощью решетки. Полученные в результате такого объединения горизонтальные фермы выполняют две основные функции. Во-первых, они воспринимают от стоек торцового фахверка ветровую нагрузку и передают ее на связи меж­ду колоннами и далее с их помощью — на фундаменты. Во-вторых, они закрепляют от смещений вертикальные связи и растяжки между нижни­ми поясами ферм.

Распорки (растяжки) между нижними поясами ферм закрепляют эти пояса от смещений и тем самым сокращают их расчетную длину из плоскости фермы. Это способствует уменьшению вибрации нижних поя­сов ферм.

Горизонтальные продольные связи по нижним поясам ферм 3 служат опорами для верхних концов стоек продольного фахверка. Кроме того, эти связи при действии сосредоточенных крановых нагрузок, приложен­ных к одной раме, вовлекают в работу соседние рамы, что уменьшает ме­стные поперечные деформации каркаса. Это позволяет избежать закли­нивания мостовых кранов и расстройства ограждающих конструкций. Вот почему в однопролетных зданиях большой высоты, в зданиях с ин­тенсивно работающими и тяжелыми мостовыми кранами, а также при на­личии стоек продольного фахверка установка таких связей обязательна. В иных случаях эти связи можно не предусматривать.

Распорки 6 обеспечивают проектное положение ферм в процессе монтажа и ограничивают гибкость верхних поясов ферм из их плоско­стей. Роль распорок могут выполнять прогоны, но только те из них, кото­рые закреплены от смещений с помощью горизонтальных поперечных связей.

Рис. 1.19. Связи покрытия: а — связи по нижним поясам ферм; б — связи по верхним поясам ферм; 1 — поперечные горизонталь­ные связи по нижним поясам ферм (ветровая ферма); 2 — растяжки по нижним поясам; 3 — продольные горизонтальные связи по нижним поясам ферм; 4 — вертикальные связи покрытия; 5 — поперечные го­ризонтальные связи по верхним поясам ферм; б—распорки по верхним поясам ферм

Рис. 15.8. Тормозные балки а, б, в—по крайним рядам; г, д—по средним рядам; /—листовой шарнир; 2 — ребро жесткости; 3 — вспомогатель­ная ферма; 4—связевая ферма

Рис. 16.9. Схемы тормозных и связевых ферм а—тормозная ферма по крайнему ряду; б—то же, по среднему ряду; в — связевая ферма по нижним поясам балок

При пролете балок 6 м и кранах легкого и среднего режимов рабо­ты грузоподъемностью до 50 т для восприятия горизонтальных попереч­ных сил достаточно развить сечение верхнего пояса (см. рис. 15.7, а, б). При больших пролетах балок и для кранов грузоподъемностью 50 т и больше устраивают специальные тормозные конструкции — тормозные балки или фермы, фермы экономичнее по расходу стали, но сложнее в изготовлении и монтаже, поэтому при ширине тормозных конструкций (расстоянии от оси балки до наружной грани тормозной конструкции на крайних рядах или до оси смежной балки на средних рядах) до 1,25 м обычно применяются тормозные балки со стенкой из рифленого листа толщиной 6—8 мм (рис. 15.8, а). Применяются также тормозные балки, выполненные из гнутого листа (рис. 15.8,6). Для крайних рядов поя­сами тормозной балки являются верхний пояс подкрановой балки и окай­мляющий швеллер или пояс вспомогательной фермы. При пролете балок 12 м наружный пояс крепится к стойке фахверка. Для того чтобы го­ризонтальные смещения балок не передавались на стену здания, это крепление выполняется с помощью листового шарнира (рис. 15.8, а). По средним рядам поясами тормозной балки являются верхние пояса ба­лок смежных пролетов (рис. 15.8, г, д).

Листы тормозных балок приваривают к поясам сплошным швом с подваркой с нижней стороны. Для обеспечения местной устойчивости и предотвращения случайных погибов тормозные листы снизу укрепля­ют ребрами жесткости сечением не менее 65х6; шаг ребер 1,5—2 м.

При ширине тормозных конструкций свыше 1,25 м целесообразно применение тормозных ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойками (рис. 15.9, а, б). Для обеспечения большей компактности уз­лов допускается центрировать элементы решетки на кромку пояса балки.

В зданиях с кранами особого режима работы независимо от ширины тормозных конструкций обычно применяют тормозные балки, используе­мые как площадки для прохода и обслуживания путей и кранов. Чтобы избежать чрезмерных колебаний нижних поясов подкрановых балок, их свободная длина не должна превышать 12 м. Для этого между нижни­ми поясами балки и вспомогательной фермы устанавливают легкие свя-зевые фермы, все элементы которых подбирают по предельной гибкости [л] ==200 (рис. 15.9, в). При кранах особого режима работы гибкость поясов должна быть не более 150.

Рис. 15.1. К расчету подкрановых балок а—сечение балки и эпюра нормальных напряжений в тонкостенном стержне; 6 — эпюра напряжений в условной рас­четной схеме

Рис. 4.6 Схемы основных рамных систем: а—обычная; б—с внешней пространственной рамой; в—рамно-секционная; 1-колонна; 2—ригель; 3—плос­кость одного из перекрытий

Рамные системы. Рамные каркасы обычно состоят из прямоугольной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами.

В обычной рамной системе (рис. 4.6, а) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6, 9 м. Жесткие рамы при горизонтальных нагрузках работают за счет изгиба колонн и балок.

Связевые системы. В связ системах горизонтальная жесткость обеспечивается за счет за счет работы диогональных элементов и колонн при шарнирном примыкании примыкании ригеля. Связ система работает на горизонт нагрузки как консоль, защемленная в фундаменте, нагрузки на которую передаются посредством жестких дисков перекрытий.

Рис. 4.8. Схемы основных связевых систем: а - с диафрагмами жесткости; 6 — с внутренним решетчатым стволом; в—с внутренним железобетон-стволом; г — с внешним стволом; / — диафрагмы; 2 — колонны; 3 — ригели; 4 — внутренний же­лезобетонный ствол; 5— внешний ствол; 6—наружные диафрагмы

Рамно-связевые системы (рис. 4.9) имеют вертикальные связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, расположенными в одной или разных плоскостях со связями.

Рис. 4.9. Схемы рамно-связевых систем: а — рамно-связевые системы с жесткими включениями; б — то же, с поясами жесткости; в — то же,' поясами жесткости и ростверками

18 Объемно-планировочные и конструктивные решения многоэтажных зданий

Объемно-планировочное решение здания должно удовлетворять функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям, для чего необходимо определить состав, размеры и взаимное расположение основ­ах, обслуживающих, коммуникационных и технических помещений. Помещения, близкие по назначению и размерам, размещают в типовых этажах здания; входные узлы, большие залы — в нетиповых. Инженерное оборудование устанавливают в специально предусматриваемых тех­нических этажах. Обычно на 8... 12 типовых этажей приходится один тех­нический. Инженерные коммуникации прокладывают в вертикальных шахтах и горизонтальных каналах, под которые используют свободное пространство в пределах габаритов колонн и межбалочное пространство перекрытий.

Применяемые планировочные решения должны вписываться в мо­дульную сетку разбивочных осей и высоты этажей. Для общественных здании рекомендуются следующие сетки колонн: 6 х 6; 6 х 9; 6 х 12; 9 х 9;

12х12м, допускаются размеры 3,0,4,5 и 7,5 м. Высоту этажей принимают равной 3,3; 3,6; 4,2 м и более с модулем 0,6 м. Форма плана, общая прост|ранственная композиция и высота здания взаимосвязаны, они зависят от градостроительных факторов, природно-климатических условий, а также технологических, экономических и эксплуатационных возможностей применяемых конструкций. Здания с компактными планами (рис. 4.3, а) обычно нуждаются лишь в опорах вдоль наружных стен и центральном ядре жесткости. Протяженные узкие здания имеют, как правило, ряд колонн у наружных стен и один или два дополнительных ряда внутри зда­ния (рис. 4.3, б).

Конструктивное решение многоэтажного здания непосредственно связано с планировочными решениями и решением систем инженерного обслуживания здания и должно удовлетворять требованиям прочности, устойчивости и жесткости, что обеспечивает долговечность сооружений. Значимость рационального конструктивного решения здания возрастает с увеличением его высоты, при использовании традиционных каркасных схем стоимость несущих конструкций, например, 60-этажного здания по сравнению с 20-этажным воз­растает на 75 %. При оптимальных конструктивных схемах соответствующее увеличение стоимости зданий составляет всего 27 %.

Любое каркасное здание состоит из отдельных элементов, выполняю­щих в общей системе определенные функции. В систему высотного кар­каса к этим элементам относят вертикальные элементы (колонны, рамы, диафрагмы и стволы жесткости) и горизонтальные элементы (плиты и балки перекрытий, горизонтальные связи). Вертикальные элементы вы­полняют в системе главные несущие функции, воспринимая все дейст­вующие на здание нагрузки с передачей их на фундамент. Горизонталь­ные элементы обеспечивают неизменяемость системы в плане, передают прилагаемые к ним нагрузки на вертикальные элементы, обеспечивают пространственую работу всей системы, выступая в качестве распредели­тельных горизонтальных дисков. В зависимости от их вида конструктивной схемы многоэтажные зда­ния подразделяют на: бескаркасные системы, состоящие из пластинок-стен, оболочек от­крытого или замкнутого профиля, объемных тонкостенных блоков (рис. 4.5, а-г); каркасные системы, состоящиеиз стержней (рис. 4.5, и, л,м);смешанные системы, состоящие из элементов, присущих как каркас­ным, так и бескаркасным системам (рис. 4.5, к, н, р).

Стальные несущие конструкции рационально применять в каркасных и смешанных системах. Такие системы являются наиболее перспектив­ными, так как обеспечивают свободу для архитектурной планировки и возможность ее изменения при эксплуатации здания.

Рис. 4.5 Конструктивные схемы высотных зданий: а — бескаркасная с параллельными несущими стенами; б — ствольная с несущими стенами; в — короб­чатая; г — с консольными перекрытиями в уровне каждого этажа; д — каркасная с безбалочными плитами перекрытия; е — с консолями высотой на этаж в уровне каждого второго этажа; ж — с подвешенными этажами; з — с фермами высотой на этаж, расположенными в шахматном порядке; и — рамно-каркасная; л - каркасно-ствольная; л — каркасная с решетчатыми диафрагмами жесткости; м — каркасная с решетчатами горизонтальными поясами и решетчатым стволом; н — коробчато-ствольная (труба в трубе); р — многосекционная коробчатая

Гис. 4.20. Типы сечений колонн многоэтажных зданий:

а—двутавровые; б—замкнутые; в—крестовые; г—полые прокатные; д—сквозные

Двутавровые профили (рис. 4.20, а) — самая распространенная форма| сечения колонн в многоэтажных зданиях. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок перекрытий в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для организации опорных узлов. В зависимости от действующих усилий используют как прокатные двутавры с параллельными гранями полок, так и сварные двутавры из листовой стали толщиной до 60мм. Применение колонн двутаврового поперечного сечения позволяет использовать их внутригабаритное пространство для проводки инженер-коммуникаций (рис. 4.21).

Прямоугольные коробчатые профили (рис. 4.20, б) применяют при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонны, имеющей ограниченное поперечное сечение. Площадь поперечного сечения в этих профилях можно регулировать путем изменения толщины листа. Благодаря ровным наружным плоскостям возможно использование таких колонн без облицовки. При больших нагрузках иногда рационально применять сплошной квадратный профиль (сляб), который обладает высокой степенью огнестойкоcти при небольших габаритных размерах. Сечение из двух спаренных швейлеров пригодно только при относительно небольших нагрузках.

Крестообразные профили (рис. 4.20, в) благодаря полной симметрии поперечного сечения рационально применять для колонн при наличии в них изгибающих моментов в обоих направлениях. Крестовые сеченияиспользованы в каркасе высотной части МГУ, что позволило одинаково решать узлы примыкания ригелей разного направления в плане.

Полые прокатные профили (рис. 4.20, г). Круглые трубы выгодна с расчетной точки зрения, так как они имеют во всех направлениях одинаковые моменты инерции. Трубы с одинаковыми внешними размерами могут воспринимать различные нагрузки благодаря изменению толщины стенки. Так как стоимость труб в 3...5 раз выше стоимости листового проката и двутавров, то их применение в большинстве случаев оказывается дороже, чем колонн из коробчатых профилей. Использование полых прокатных профилей может стать эффективным при заполнении их бетоном

Сквозные колонны в современном строительстве многоэтажных зданий практически не применяют, так как они менее компактны и более трудоемки в изготовлении и монтаже. Однако они могут быть с успехом использованы при строительстве каркаса многоэтажного здания, если предполагается прокладка инженерных коммуникаций между ветвями колонны (рис. 4.21, в).

45 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ПОКРЫТИИ

Большие пролеты, перекрываемые металлическими конструкциями, применяются в зданиях общественного и специального назначения и производственных зданиях.

Системы, перекрывающие большие пролеты, проектируют, как пра­вило, однопролетными, что вытекает из основного эксплуатационного требования — отсутствия промежуточных опор.

Различия в назначении большепролетных сооружений, условиях их эксплуатации и предъявляемых к ним архитектурных требованиях оп­ределяют применение весьма разнообразных конструктивных реше­ний — балочных, рамных, арочных, пространственных и висячих — вантовых. Балочные (рис. 17.1) и рамные (рис. 17.2) системы чаще ис­пользуются в большепролетных перекрытиях зданий с прямоугольным планом. Арочные системы имеют преимущества в архитектурном отно­шении: они экономичны при пролетах 80 м и более (рис. 17.3). Наибо­лее экономичны по затрате металла пространственные системы в виде сетчатых или сплошных оболочек и складок, плоских структурных кон­струкций, куполов или шатров—при круглом или многоугольном пла­не здания (см.гл. 18).

Конструкции висячих систем (см. гл. 19), в которых основными не­сущими элементами являются ванты из высокопрочных материалов, работающих на растяжение (стальные канаты, пучки высокопрочной проволоки и т. п.), получаются наиболее легкими, что является их су­щественным преимуществом. Они просты в изготовлении и монтаже.

В основном большепролетные перекрытия имеют прямоугольное очертание в плане. Однако здания общественного назначения могут иметь также прямоугольную, круглую или овальную форму. Отступле­ние от обычной прямоугольной планировки (кроме круга) усложняет компоновку конструкций перекрытия и затрудняет применение типовых конструктивных элементов. Сооружения с большими пролетами (за редким исключением) не являются объектами массового строительства. Большепролетные конструкции работают в основном на нагрузку от собственного веса, поэтому уменьшение собственного веса конструкции является главной задачей инженера. С этой точки зрения рационально применять в большепролетных конструкциях стали повышенной проч­ности или легкие алюминиевые сплавы. Малая плотность алюминиевых сплавов при большой прочности делает их весьма перспективными ма­териалами для несущих конструкций большепролетных зданий. Большой собственный вес большепролетных конструкций стимули­рует также применение предварительно напряженных несущих конструкций и вантовых систем, в которых весьма эффективно используются высокопрочная проволока, канаты и т. п.

Особенно эффективно с точки зрения экономии стали применение в большепролетных покрытиях облегченных кровельных конструкций и материалов. В качестве несущего настила кровли следует применять стальной профилированный настил, армоцементные, армопенобетонные и армопеносиликатные плиты, а в качестве утеплителей—минеральную вату, оргалит и другие эффективные материалы. Весьма легкими, ин­дустриальными в изготовлении и монтаже являются стальные или алюминиевые кровельные панели пролетом 6 и 12 м, в которых можно эффективно использовать предварительное напряжение. Широкое при­менение могут получить различные пластмассы. Легкими, долговечны­ми и дешевыми в эксплуатации получаются кровельные настилы из алюминиевых сплавов. Кровли большепролетных производственных зданий часто устраивают теплыми. Это дает возможность принимать для них небольшие уклоны, что весьма упрощает несущую конструк­цию. По технологическим соображениям в зданиях с большими про­летами иногда требуется верхнее освещение. Наиболее удобным в кон­структивном отношении является поперечное расположение фонарей, при котором несущие и фонарные конструкции могут быть объединены в единую несущую систему покрытия (рис. 17.4).