Конструктивные системы

Если объёмно-планировочные решения зданий должны отвечать требованиям функционального соответствия, архитектурно-художественной выразительности и экономичности, то конструктивные решения зданий, кроме соответствия вышеуказанным требованиям, должны обеспечивать прочность, устойчивость, долговечность, пожарную безопасность и благоустройство зданий. Конструктивные решения влияют на внешний вид и на интерьер здания, являясь важнейшим фактором, определяющим их архитектурную выразительность.

Конструктивные решения зданий определяются основными несущими и ограждающими конструкциями и материалами, из которых они выполнены.

Конструктивные элементы, из которых состоит несущий остов зданий, размещаются в определённом порядке, образуя конструктивные системы. Конструктивные системы – это сочетание несущих конструкций в остове здания, воспринимающих все нагрузки и воздействия и передающих их на основание. Устройство, форма и характер работы конструктивных систем различны и зависят от конструктивных элементов, входящих в состав систем. Простейшими конструктивными элементами и конструктивными системами является соответственно балка и стойка и стоечно-балочная конструктивная система.

Балка – это, как правило, прямой брус (стержень) любого поперечного сечения, опирающийся на две или более опоры. В зависимости от условий работы балки бывают разрезными и неразрезными. Разрезные балки опираются на две опоры, а неразрезные балки имеют большую длину и опираются на три и более опоры. Как правило, неразрезные балки более экономичны по расходу материалов, но чувствительны к осадкам опор. Балки работают в основном на изгиб и, воспринимая нагрузки, передают их на опоры. Свободный от опоры участок на конце балки называется консолью.

Стойка – это тоже прямой брус (стержень), имеющий прямоугольное, круглое или иной формы поперечное сечение. Стойки служат вертикальными опорами, т. е. воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки и передают их на фундаменты.

5.2. Стоечно - балочные конструктивные системы

Стоечно-балочные конструктивные системы состоят из вертикальных несущих элементов – стоек, столбов, колонн, и горизонтальных несущих элементов – балок, ферм, плит. Такие системы, состоящие из линейных вертикальных и горизонтальных несущих элементов, соединённых между собой в поперечном или продольном, или поперечном и продольном направлениях, образуют соответственно поперечные, продольные или пространственные конструкции, называемые рамами. Рамы в зависимости от компоновочного решения бывают одноярусными (одноэтажными) и многоярусными (многоэтажными); а также однопролётными и многопролётными (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Компоновочные схемы рамных каркасов: а – одноэтажная однопролётная схема; б, в, г – многоэтажная многопролётная схема

Соединение между вертикальными и горизонтальными элементами в узлах рам может быть жёстким или шарнирным. Каркасы из рам с жёстким соединением в узлах обладают необходимой пространственной жёсткостью (рис. 5.2 а), а для рам с шарнирным соединением в узлах необходимо вводить дополнительные вертикальные связи, придающие каркасу требуемую пространственную жёсткость.

Рис. 5.2. Связи рамных каркасов в виде: а – жёсткой рамы; б – жёсткой рамной вставки (1); в – панели-диафрагмы (2); г – стержневых кресто-вых (3); д, е – порталь-ных (4) и портальных ломанных (5)

Конструкции связей могут быть:

· в виде вставки из жёсткой рамы (рис. 5.2 б);

· в виде сплошной панели-диафрагмы, устанавливаемой в одном из отсеков рамы между вертикальными и горизонтальными элементами (рис. 5.2 в);

· стержневые связи в виде крестовых пересекающихся или портальных устройств (рис. 5.2 г, д, е).

Рис. 5.3. Варианты конструктивных решений вертикальных несущих элементов стоечно-балочных систем: а – прямоугольная; б – квадратная; в – круглая; г – овально-конусная; д – с опорными консолями; е – двухветвевая железобетонная; ж – двутавровая (железо-бетонная или металлическая); и – двухветвевая металлическая; к – с капителями; л – V-образная; м – T-образная

Установка связей исключает также геометрическую изменяемость каркасной системы. Роль горизонтальных связей в каркасах выполняют элементы перекрытий и покрытий.

Вертикальные элементы стоечно-балочных систем в зависимости от назначения, конструктивного исполнения и материала могут иметь самую разнообразную форму (рис. 5.3):

а) стойки прямоугольного, круглого, овального и др. вида поперечного сечения;

б) стойки с капителями;

в) стойки с консолями;

г) двухветвевые стойки и др.

Горизонтальные элементы стоечно-балочных систем бывают в виде балок (прямоугольного, таврового, двутаврового, прямоугольного с полками в средней части сечения и др.) и ферм, состоящих из нижнего и верхнего поясов и решётки – стоек и раскосов (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Варианты конструктивных решений горизонтальных элементов стоечно-балочных систем: а – балка таврового сечения; б – балка с полками в средней части; в – двутавровая двухскатная балка; г – ферма с криволинейным верхним поясом; д, ж – ферма с полигональным очертанием верхнего пояса; е – ферма с параллельными поясами

Каркасные рамные системы (рис. 5.5) при шарнирном соединении горизонтальных несущих элементов в виде балок или ферм с вертикальными несущими элементами-стойками перекрывают пролёты до 36 м. При жёстком соединении горизонтальных несущих элементов (балок и ферм) каркасные рамные системы перекрывают до 40 м и более (при деревянных рамах); до 50 м и более (при железобетонных рамах); до 70 м и более (при решетчатых рамах из стальных профилей).

Рис. 5.5. Рамные конструкции: а – железобетонная рама; б – стальная решетчатая рама; в – деревянная клеёная рама; 1 – решётчатая балка рамы; 2 – прогоны

Пространственная система, составленная из плоских вертикальных и горизонтальных элементов, называется коробчатой. Такие системы могут рассматриваться как ряд стоек и балок, расположенных вплотную друг к другу и жёстко связанных между собой. Коробочные системы применяются в зданиях с несущими стенами и перекрытиями или покрытиями из плоских элементов (рис. 5.6).

Рис.5.6. Коробчатая система.

Возможно комбинированное использование стоечно-балочных и коробчатых систем. Например, в зданиях с неполным каркасом несущие стены являются элементами коробчатой системы, а стойки, балки и плиты внутренних каркасов – элементами стоечно-балочной системы.

Разновидностью стоечно-балочной системы являются каркасы-этажерки, состоящие из вертикальных несущих конструкций в виде стоек-колонн и горизонтальных несущих конструкций в виде безбалочных плит перекрытий (каркасные системы с плоскими дисками перекрытий). Такие каркасы-этажерки выполняют из железобетона в монолитном, реже в сборном или сборно-монолитных вариантах. Монолитный вариант таких конструктивных систем более экономичен по расходу материалов, особенно металла.

5.3. Сетчатые (перекрёстные) конструктивные системы

Сетчатые конструкции представляют собой системы взаимно пересекающихся балок или ферм. В таких системах взаимно пересекающиеся конструкции работают совместно, что существенно снижает усилия и деформации элементов системы и соответственно позволяет уменьшить её конструктивную высоту (до 1/15–1/25 перекрываемого пролёта). Сетчатые конструктивные системы целесообразно применять для покрытий помещений, близких в плане к квадрату (соотношение сторон от 1:1 до 1:1,25) или имеющих в плане форму правильного многоугольника или круга (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Варианты планов сетчатых (перекрёстных) конструктивных систем: а–ж – схемы сетчатых систем; и–л – варианты положения опор под сетчатой системой; L – пролёт конструкции; L 1 – вылет консоли; 1 – опоры; 2 – бортовые (окаймляющие) элементы

Сетчатые конструкции могут опираться на несущие стены или колонны. При этом целесообразно устройство консольных свесов до 1/4 основного пролёта, что существенно разгружает межопорные части системы. Материалом для устройства сетчатых систем служат железобетон и металл, реже – дерево. Сетчатые конструкции из взаимно пересекающихся деревянных, железобетонных и металлических балок могут перекрывать пролёты до 40 м. Железобетонные сетчатые системы могут быть сборными или монолитными. В сборных конструкциях из балок жёсткое соединение в узлах достигается сваркой выпусков арматуры и закладных деталей с последующим замоноличиванием узлов.

На рис. 5.8 показан план сетчатой (перекрёстной) конструктивной системы, собранной из сборных железобетонных элементов-балок длиной 11,0 м (двухъячейковая балка) и 5,3 м (одноячейковая балка), и узел сопряжения балок этой системы, которая установлена в качестве несущего элемента покрытия над магазином «Дом мебели» в г. Минске.

а)

б)

Рис. 5.8. План перек-крёстной балочной системы (а) и узел сопряжения балок этой системы (б) в покрытии магазина «Дом мебели»

в г. Минске: а): 1 – колон-ны; 2 – балки железобетон-ные двухъячейковые; 3 – то же одноячейковые; 4 – бор-товые элементы (металли-ческие фермы); а = 4000 мм; б): 1 – сквозная двухъячей-ковая балка; 2 – примыка-ющая балка; 3, 4, 5, 6 и 7 – закладные детали и сое-динительные арматурные стержни узла сопряжения балок

Перспективным является сборно-монолитный вариант сетчатой системы, собираемой из сборных железобетонных коробчатых элементов, которые впоследствии омоноличиваются и превращаются в жёсткую конструкцию (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Вариант железобетонной сборно-монолитной сетчатой системы (перекрёстно-ребристое покрытие): а – перекрёстно-ребристое покрытие; б – коробчатый элемент сборно-монолитного сетчатого перекрёстно-ребристого покрытия; 1 – коробчатый элемент; 2 – арматура в швах между замоноличиваемыми коробчатыми элементами

Сетчатые конструктивные системы из металлических ферм, изготавливаемых из трубчатых или прокатных элементов (так называемые «структуры»), могут перекрывать пролёты до 100 м (рис. 5.10). По верху сетчатых конструкций укладывается беспрогонное покрытие из железобетонных или армоцементных плит либо прогонное покрытие из металлических панелей, плит или листов.

Рис. 5.10.1. План и разрез сетчатой перекрёстно-стержневой конструктивной системы и узел соединения элементов системы: 1 – опора; 2, 4 – стержни 3 – узел соединения

Рис. 5.10.2. Варианты опирания и типы опор перекрёстно-стержневых сетчатых систем: 1 – опора