Конструирование каркасно-панельных зданий

Каркас предназначен для восприятия всех нагрузок, действующих от здания, и передаче их через фундаменты основанию.

Несущие элементы сборного железобетонного каркаса включают: колонны высотой на Один-два этажа с одной консолью для крайнего ряда и двумя консолями для среднего ряда; ригели таврового сечения с полкой для опирания плит перекрытий; стены диафрагмы из бетон­ных панелей, имеющие одно- или двусторонние консольные полки в верхней зоне для опирания перекрытий. Кроме того, в номенклатуру элементов системы входят фундаменты, панели стен-диафрагм, связевые балки, элементы лестниц и др.

К преимуществам каркасно-панельной системы перед другими системами относят фиксированную передачу нагрузки, возможность возведения многоэтажных и высотных зданий, обеспечение надеж­ного контроля качества изделий, стыков и производства работ; отно­сительно небольшое влияние случайных эксцентриситетов; возможность применения больших шагов и пролетов (до 18 м), унифициро­ванных конструктивных элементов; возможность размещения в пер­вых этажах зданий предприятий общественного обслуживания без изменения конструктивной схемы зданий; возможность включения в здание помещений больших площадей и, при необходимости, после­дующей перепланировки.

К недостаткам каркасно-панельной системы можно отнести по­вышенный по сравнению с бескаркасными зданиями расход стали (до 20-30 %}, увеличение числа монтируемых элементов с разницей в их массе, увеличение стоимости (на 5-10%) и трудоемкости (на 10-15%).

Объемы строительства многоэтажных каркасных зданий различ­ного назначения в сейсмоопасных районах составляют значительную долю от общих объемов. В каркасных конструкциях проектируется подавляющая часть общественных зданий и некоторые высотные жилые дома в крупных городах. Значительны масштабы строитель­ства каркасных зданий в сейсмически активных районах многих за­рубежных стран.

Здания могут проектироваться с полным и неполным каркасом. При полном каркасе колонны устанавливают как внутри, так и по периметру здания. Они воспринимают нагрузки от покрытий, пере­крытий и навесных стен.

При неполном каркасе колонны размешают только внутри здания, а наружные стены являются не только ограждающими, но и несущи­ми. В каркасных остовах зданий возможна конструктивная схема без ригелей (безригельный каркас) с опорой перекрытий и покрытий не­посредственно на колонны.

Каркасы могут быть одноэтажными и многоэтажными, однопролетными и многопролетными с консолями и без консолей.

Однопролетные одноэтажные каркасы используют для обществен­ных зданий с крупными помещениями. Каркасы жилых зданий обычно проектируются двухпролетными.

В высотных зданиях (как правило из зарубежной практики) высо­та может достигать нескольких сот метров. В этих случаях требуют­ся специальные мероприятия, обеспечивающие малую деформативность и необходимую жесткость против воздействия горизонтальных сил. Необходимую жесткость и устойчивость каркасов достигают при­менением рамной, связевой или рамно-связевой конструктивных си­стем

При рамной системе действующие на здание вертикальные и го­ризонтальные нагрузки воспринимают поперечные и продольные рамы, образованные жестким соединением колонн и ригелей. При­менение рамной системы целесообразно при небольшой этажности зданий, т.к. с повышением этажности трудно обеспечить унифика­цию колонн. Рамные каркасные схемы использованы в строительстве ряда многоэтажных зданий Москвы и Киева.

Связевая система позволяет унифицировать основные элемен­ты каркаса - колонн и ригелей. Диафрагмы жесткости при этом мо­гут быть сквозными в виде стальных диагональных или портальных конструкций или сплошными в виде железобетонных стенок.

В связевых каркасах, кроме вертикальных диафрагм, располагае­мых с интервалом 24-36 м, предусматриваются (через несколько эта­жей) горизонтальные диафрагмы жесткости. Их роль обычно выпол­няют замоноличенные железобетонные перекрытия.

Связевой системе в каркасно-панельном строительстве в после­днее время отводится ведущее место.

Рамно-связевая система каркаса сочетает в себе рамы и диафраг­мы жесткости. Горизонтальные и вертикальные нагрузки восприни­мают и те и другие, а распределение усилий между ними происходит в зависимости от соотношения жесткостей. Такую систему целесо­образно применять при металлических и монолитных железобетон­ных каркасах. Рамно-связевой каркас более целесообразно использо­вать в сейсмических районах.

Применение безригельного каркаса дает свободу планировки и перепланировки внутреннего пространства при изменении демографического состава семьи.

Сборные фундаменты по сравнению с монолитными имеют значительно меньшую трудоемкость.

Колонна - вертикальный стержневой элемент каркаса, служащий для восприятия в основном вертикальной нагрузки. В колонне разли­чают нижнюю часть (базу), ствол (фуст) и верхнюю венчающую часть (капитель). Колонны воспринимают нагрузку от прикрепленных к ним или опирающихся на них других элементов - ригелей, балок, плит перекрытий и т.д.

Колонны бывают каменные, бетонные, железобетонные и метал­лические.

Каменные колонны выполняются из кирпича, естественных и бе­тонных камней. По форме различают колонны квадратные, прямоу­гольные и круглые.

Колонны подразделяют: по местоположению - на рядовые, фасад­ные, торцевые, связевые и т.д.; по несущей способности - 2000,3000, 4000, 5000 и 6000 кН; по этажности - на одно-, двух- и многоэтаж­ные; по виду поперечного сечения - на прямоугольные, квадратные и круглые; по типу стыка колонн - с плоскими металлическими торца­ми, с центрирующими прокладками, с выпусками свариваемой при монтаже арматуры и т.д.; по условиям опирания ригелей - на колон­ны с консолями, бесконсольные, со скрытыми консолями и т.д.; по классу бетона - В15, В25, ВЗО, В40, В50; по способу армирования ствола колонн - колонны с периферийным армированием, с цент­ральным армированием, со спиральной арматурой, с металличес­кими сердечниками и т.д.; по способу изготовления - центрофугированные и т.д.

Металлические колонны применяются в каркасах производствен­ных зданий, в путепроводах, эстакадах, в многоэтажных зданиях и в других случаях, когда нужно обеспечить минимальные размеры се­чения колонны в целях увеличения полезной площади, либо при боль­ших динамических нагрузках, передаваемых на колонны. При боль­ших нагрузках на колонну более рационально применение железобе­тонных сборных колонн.

Железобетонные колонны подразделяются на три основные типа: с продольной арматурой и хомутами или поперечными стержня­ми, с косвенной арматурой в виде спиралей или сварных колец с жесткой арматурой. При одной и той же нагрузке колонны первого типа имеют наибольшее поперечное сечение, второго - наимень­шее.

Колонны каркаса могут быть одно-, двух- и многоэтажными.

Колонны сборного железобетонного каркаса изготовляют из тя­желого бетона и армируют согласно расчету гибкой арматурой (рис. 1).

Рис. 1. Деталь соединения колонны с фундаментом: I - колонна; 2 - сборный железобетонный фундамент стаканного типа; 3 — заделка бетоном стыка колонны и фундаментного блока

Сечение колонн принимают обычно одинаковое по всей высоте здания.

Колонны нижних этажей выполняют с увеличением класса бетона и процента армирования.

Колонна снизу опирается на фундамент, как правило, стаканного типа. Для соединения с ригелями колонны имеют обычные скрытые консоли или могут быть бесконсольными, при котором соединение с ригелем осуществляется с помощью выпусков арматурных стержней их сварки и замоноличивания узла сопряжения.

Колонны предусматриваются бесстыковыми и стыковыми. Бесстыковые колонны имеют предельную высоту 13,75 м. Их применяют в зданиях малой и средней этажности.

В унифицированном каркасе стандартные сечения колонны приняты 300 х 300 мм для зданий высотой до 5 этажей, включительно 400 х 400 мм для всех остальных случаев.

Колонны применяются в зданиях с высотой этажа 3,0; 3,3; 3,6; 4,2 4,8; 6,0 и 7,2 м при шаге колонн в плоскости рам каркаса 3,0;.4,5; 6,1 и 7,2 м.

Стык колонн выполняется с помощью стальных оголовников или стыкованием бетонных торцов. В унифицированном каркасе приняты бетонные стыки с ванной сваркой арматуры. Стыки колонн располагают на 60-80 см выше уровня перекрытия, чтобы обеспечить доступ к месту стыкования. Колонны армируются пространственными каркасами.

Стыки колонн располагаются на высоте 1 м от поверхности перекрытий и выполняются жесткими. Выпуски продольной арматуры колонн соединяются в стык с помощью ванной сварки и последующим замоноличиванием стыка.

Ригели - горизонтальные элементы остова здания, воспринимаю­щие вертикальные нагрузки, передаваемые преимущественно плита­ми перекрытий, распорками и передающие эти нагрузки на колонны. Кроме того, ригели участвуют в работе диска перекрытия по воспри­ятию растягивающих и сжимающих усилий, возникающих в диске при его изгибе в своей плоскости.

Ригели различают: по местоположению - рядовые, фасадные, тор­цевые, коридорные, лестничные и т.д.; по несущей способности - в кН/м ригеля; по перекрываемому пролету - однопролетные, двухпро-летные, консольные и т.д.; по виду поперечного сечения - прямоу­гольные, тавровые с полкой понизу, с одно- или двусторонним опи-ранием настилов; по типу стыка с колонной - с подрезкой на опоре, с выпусками продольной арматуры; по классу бетона; по способу ар­мирования; по способу производства - на предварительно напряжен­ные с механическим натяжением арматуры, с электротермическим способом натяжения арматуры и т.д.

Ригели каркаса, как правило, имеют Т-образную форму с полкой понизу для опирания на нее настилов перекрытий. Такая конструк­ция ригеля позволяет уменьшить на толщину перекрытия размер вы­ступающей в интерьер части ригеля. В опертой части ригели имеют подрезки, соответствующие размеру консоли колонн, в результате чего сопряжение ригеля с колонной осуществляется без выступающих в интерьер консолей или их частей. Ригели, как правило, имеют шири­ну понизу, равную ширине колонн.

Рис.2. Узлы соединения колонн и ригелей.

Ригели изготавливают из бетона классов В25, ВЗО и В40 и армиру­ют пространственными каркасами, в которые входят плоские карка­сы, сетки и закладные детали, соединяемые с помощью дуговой или контактной сварки.

Ригели выполняют с подрезкой на опоре. Высота ригелей при лег­ком каркасе принимается 300 мм при пролетах до 9 м включительно и 600 мм - при пролетах 12 м, а при тяжелом каркасе высота ригеля на опоре принимается не менее 600 мм.

Ригели монтируют к консолям колонн с приваркой их закладным деталям, что обеспечивает защемление концов ригелей и передачу растягивающих усилий, возникающих в диске перекрытий. Ригели легкого каркаса предназначены для связевых каркасов; ригели тяже­лого каркаса - для использования, как в связевых, так и в рамных кар­касах.

Рис.3. Железобетонные ригели.

Стык ригеля с колонной осуществляется приваркой его к консоли колонны в двух уровнях (частичное защемление); или в одном, ниж­нем, уровне (шарнирное опирание).

Диафрагмы жесткости представляют собой вертикальные элемен­ты несущей системы, выполняющие функции по восприятию гори­зонтальных нагрузок и передаче их фундаментам. Диафрагмы жесткости выполняются из сборных железобетонных элементов, монолитных конструкций, образующих ядра жесткости, а также из решетчатых металлических конструкций.

Перекрытия выполняются из железобетонных настилов много­пустотного сечения высотой 220 мм и ребристых сантехнических панелей.

Наружные стены монтируют из панелей, позволяющих со­здать горизонтальную или вертикальную разрезку фасадной плоскости. При двухряд­ной (горизонтальной) разрезке панели делятся на поясные (полосовые) и простеночные.

При вертикальной разрезке - на вертикальные высотой на этаж, вертикальные с верхним или нижним выпуском и межоконные панели.

Изоляция вертикальных и горизонтальных сопряжение панелей наружных стен вы­полнена по принципу дренированного стыка.