Рамна система

Рамна система складається з колон і ригелів, з’єднаних жорстко у вузлах, і являє собою багатопролітні багатоповерхові рами, які здатні сприймати вертикальні і горизонтальні навантаження.

Для включення в роботу на горизонтальні навантаження одночасно всіх рам влаштовують горизонтальні жорсткі диски з замонолічених плит перекриття. Такі диски розміщують по висоті будинку через декілька поверхів (рис.16.1).

В рамній системі в’язі відсутні, що дуже зручно при розробці архітектурно-планувального рішення будинку, оскільки елементи каркасу не заважають організації будь-яких прорізів у стінах будівлі (вікон, дверей).

Недолік рамної системи – більша складність конструктивних рішень вузлів, оскільки вони повинні забезпечити необхідну жорсткість всьому каркасу, і більші витрати металу порівняно з іншими системами.

Рамна система раціональна для будинків середньої поверховості.

Рис. 16.1. Рамна система: 1-колони;

2-ригелі; 3-жорсткі вузли; 4-горизонтальні жорсткі диски

16.4 В’язева система

В цій системі між колонами влаштовуються вертикальні в’язі, які разом з колонами утворюють вертикальні ферми, що сприймають горизонтальні навантаження (вітер). У зв’язку з цим вузли з’єднань колон з ригелями рахуються шарнірними і за конструкцією є більш простішими. Витрати металу у в’язевій системі на 20…30% менші порівняно з рамною, а сама система виявляється більш жорсткою. Але планування будівлі при такій системі менш вільне, оскільки в’язі заважають прорізам в стінах будинку. Тому вертикальні в’язі розміщують в різних частинах будинків у місцях, зручних за умовами планування приміщень. Основні місця розміщення вертикальних вязів наведені на рис.16.2…16.5.

В’язеві ферми необхідно розміщувати як в поздовжньому, так і в поперечному напрямку, і по-можливості симетрично відносно головних осей будинку. При несиметричному розміщенні в’язів вітрові навантаження будуть закручувати будинок і викликати додаткові зусилля у в’язях.

В’язі поперечного напрямку сприймають більше вітрове навантаження і відіграють головну роль в забезпеченні жорсткості будинку.

Рис. 16.2. Розміщення вертикальних в’язів в кутах будинку по внутрішнім перегородкам: 1-вертикальні в’язі ферми;

2-жорсткі горизонтальні диски;

3-площини в’язевих ферм; 4-колони.

Рис. 16.3. Розміщення вертикальних в’язів навколо сходинкової клітки та ліфтової шахти

Рис. 16.4. Розміщення вертикальних в’язів по внутрішніх осях при стрічковому заскленні

Рис. 16.5. Розміщення вертикальних в’язів при глухих торцевих стінах

В’язеві ферми розміщуються по всій висоті будинку. В деяких випадках в’язі доводиться зміщувати в сусідні панелі, тоді нижні в’язі повинні заходити на верхні на висоту поверху (рис.16.6).

Рис. 16.6. Зміщення вертикальних в’язів по висоті будинку

Решітка в’язів може бути різною (рис.16.7), а саме:

а) б) в) г) д)

Рис. 16.7. Схеми решітки в’язів

а) хрестова – є жорсткою, але може використовуватись тільки в глухих панелях;

б) напіврозкісна – найбільш зручна для влаштування прорізів;

в) ромбічна – менш раціональна внаслідок більшої кількості вузлів;

г) підкісно-ригельна та д) неповна - менш жорсткі, але дають можливість організовувати прорізи.

Як і в рамній системі, для забезпечення загальної жорсткості будинку і включення в роботу на горизонтальні навантаження всіх вертикальних в’язевих ферм необхідне влаштування по висоті будинку горизонтальних в’язів або горизонтальних жорстких дисків (замонолічені залізобетонні плити перекриття).

16.5. Рамно–в’язева система

В’язі в рамно–в’язевій системі встановлюються в одній з площин будинку, а в іншій, їй перпендикулярній, в’язі відсутні. Тоді в площині в’язів каркас працює як в’язевий, а в перпендикулярному напрямку – як рамний (рис. 16.8).

Рис. 16.8. Рамно-в’язева система багатоповерхових будинків

Таке рішення каркаса може бути прийняте у зв’язку з вимогами архітектурно – планувального рішення будинку.

16.6. Каркасно–стовбурна система

При такій системі в середині будинку розміщується жорсткий стовбур - ядро, який сприймає крім вертикальних навантажень і всі горизонтальні сили. В такому стовбурі розміщуються, як правило, сходинкові клітки та ліфти.

Стовбур виконується як з металевих, так і з залізобетонних конструкцій. Оточуючі стовбур колони і ригелі приєднуються шарнірно до жорсткого стовбура і працюють тільки на вертикальні навантаження.

Стовбурна система поділяється на 4 типи:

1) з зовнішніми жорсткими колонами (рис.16.9).

Рис. 16.9. Стовбурна система з зовнішніми жорсткими колонами: 1- жорсткий стовбур;

2- колони зовнішні

Зовнішні колони передають горизонтальні навантаження через ригелі на жорсткий стовбур і працюють в основному тільки на центральний стиск, що значно їх полегшує;

2) з підвішуванням поверхів по периметру будинку до верхніх консольних балок на стальних полосах, круглих тягах або канатах (рис.16.10).

Рис. 16.10. Стовбурна система з підвішуванням поверхів по периметру будинку до верхніх консольних балок:

1- жорсткий стовбур; 2-підвіски; 3-верхня консольна балка

Такий тип дозволяє звільнити перший поверх від колон для пропуску тротуарів, що буває необхідним при щільній забудові великих міст, і дещо зменшує витрати сталі за рахунок використання розтягнутих елементів замість колон;

3) з підвішуванням поверхів до попередньо напружених канатів, які закріплені знизу в фундаментах (рис.16.11).

Рис. 16.11. Стовбурна система з підвішуванням поверхів до попередньо напружених канатів, які закріплені знизу в фундаментах: 1-жорсткий стовбур; 2-попередньо напружені канати; 3-верхня консольна балка; 4-фундамент

Такий тип дозволяє включати попередньо напружені канати в роботу на вітрове навантаження (за рахунок попереднього напруження) і тим самим полегшити роботу центрального стовбура на горизонтальні сили;

4) з консольними балками, які закріплені в стовбурі будинку і підтримують поверхи навколо стовбура (рис.16.12).

Рис. 16.12. Стовбурна система з консольними балками: 1-жорсткий ствол; 2- консольні балки; 3- стінове огородження
16.7. Коробчата і коробчато-стовбурна система

В коробчатій системі (рис.16.13) горизонтальні сили передаються не на центральний жорсткий стовбур, який тут виконується порівняно невеликих розмірів в плані, а на зовнішні стіни будинку. Будинок являє собою жорстку трубу-коробку, здатну витримати будь-які горизонтальні та вертикальні навантаження. При цьому центральний стовбур будинку, який необхідний для розміщення ліфтів та комунікацій, працює на осьові вертикальні навантаження, в сприйнятті горизонтальних сил участі не приймає і за конструкцією набагато простіший.

Зручність такої системи полягає в можливості більш гнучкого планування будинку, оскільки внутрішні колони між центральним стовбуром і зовнішніми стінами відсутні.

Зовнішні стіни повинні забезпечити можливість роботи на горизонтальні навантаження. Це досягається біль частим розташуванням колон і влаштуванням потужних ригелів, що перетворює зовнішню стіну будинку в безроскісну ферму Віренделя.

Рис. 16.13. Коробчата система: 1-центральний стовбур; 2- колони;

3- листові ригелі; 4- віконні прорізи

В коробчато-стовбурній системі горизонтальні сили сприймаються і центральним горизонтальним стовбуром, і зовнішнім контуром будівлі - коробкою, яка з’єднана з центральним стовбуром горизонтальними діафрагмами. Така система отримала назву,,труба в трубі’’. Вона складається нібито з двох труб, вставлених одна в одну і працюючих сумісно на сприйняття горизонтальних сил. ЇЇ жорсткість більша,а деформативність менша порівняно з іншими системами.

Система доцільна для будинків більше 60 поверхів, тобто при значних вітрових навантаженнях.

16.8. Система з зовнішніми в’язевими фермами

Як різновидність коробчатої системи є будинки, у яких колони з’єднані потужними в’язями з зовнішнього боку стін будинку (рис.16.14). В цьому випадку каркас являє собою ферми, які добре сприймають як горизонтальні, так і вертикальні навантаження, і така система працює значно краще, ніж з внутрішніми в’язями, і може дати суттєву економію сталі. Недоліком її є те, що розкоси решітки, які при великій висоті будинку мають значні розміри, перетинають вікна приміщень. При цьому зовнішні колони можуть розміщуватись як вертикально, так і похило.

Рис. 16.14. Система з зовнішніми в’язевими фермами: 1-зовнішні в’язеві ферми

16.9. Основи компоновки каркасів багатоповерхових будинків

Компоновка каркасу, тобто вибір системи каркасу, розміщення колон і балок в плані та місць розміщення в’язів (якщо вони є), може бути різною і залежить від архітектурно-планувального рішення будинку.

Колони на плані необхідно розміщувати таким чином, щоб вони утворювали стандартні комірки і щоб відстані між ними підпорядковувались єдиному модулю. В цьому випадку можна досягти максимальної типізації елементів каркасу - колон і балок, а також елементів огороджувальних конструкцій, стін і перекриттів.

Крім того, відстані між колонами визначають витрати сталі на каркас: зі збільшенням кроку загальна вага колон зменшується, а вага балок збільшується, і навпаки. Отже, існує оптимальний крок колон, при якому загальні витрати сталі будуть мінімальними. Величина оптимального кроку залежить від висоти будинку - вона зменшується зі зменшенням висоти будинку.

В будинках висотою 30…40 поверхів оптимальний крок колон становить 4…6 м. Але виходячи з архітектурно-планувальних вимог крок може прийматися і більшим від оптимального.

Відстані між ригелями по висоті будинку визначаються прийнятою висотою поверхів. Бажано, щоб будівельна висота міжповерхових перекриттів не перевищувала 350…400мм, в протилежному випадку загальна висота будинку може бути невиправдано завищеною.

16.10. Конструкції елементів каркасу

Орієнтовні витрати сталі на елементи каркасів наступні: на колони витрачається приблизно 40…60% сталі; на ригелі – 30..40%; на всі інші елементи (в’язі, сходи, фахверк, ліфтові шахти) – 10…15%.

Колони

Колони є найбільш навантаженими елементами, потребують більших витрат сталі, ніж інші елементи, а тому правильний вибір типу перерізу колони є дуже важливим.

Розглянемо основні типи перерізу колон.

1. Для будинків висотою 30…40 поверхів найбільш ефективними є квадратні перерізи, зварені з чотирьох листів (рис.16.15). Вони рівностійкі в обох площинах, мають значні моменти та радіуси інерції і при невеликій розрахунковій довжині (відстані між поверхами) гнучкість їх мала і коефіцієнт поздовжнього згину наближається до 1. Товщина листів 40…60 мм, а розміри квадрата приблизно 400×400мм і більше.

Рис. 16.15. Поперечний переріз колони з чотирьох листів

2. Для будинків висотою більше 40 поверхів в нижніх частинах колон виникають дуже великі зусилля. В цьому випадку використовуються квадратні колони, набрані з товстих листів, які зварені поздовжніми швами (рис.16.16).

Рис. 16.16. Поперечний переріз колони з пакету листів

3. Широке застосування мають зварні двотаврові перерізи з товстими поясами і стінками завдяки технологічності їх виготовлення (рис.16.17). Недоліком такого перерізу є нерівностійкість в двох взаємно перпендикулярних напрямках.

Рис. 16.17. Поперечний переріз колони зі зварного двотавра

4. Для будинків середньої висоти використовуються прокатні двотаври (рис.16.18) з широкими полицями (типу Ш), або колонні (типу К).

5. Для внутрішніх колон, до яких примикають перегородки, зручними є хрестоподібні перерізи (рис.16.19), які дозволяють сховати колону в товщині перегородок. Однак вони вимагають більших витрат сталі.

Рис. 16.18. Поперечний переріз колони з прокатного двотавра

Рис. 16.19. Поперечний переріз колони хрестового перерізу

6. Для верхніх поверхів, а також в будинках з невеликою висотою, використовуються колони, зварені з двох кутиків або швелерів, і трубчасті (рис.16.20).

Рис. 16.20. Поперечні перерізи колон для верхніх поверхів

По висоті будинку колони не повинні перериватись. Окремі відправні марки стикуються під час монтажу через два поверхи (рис.16.21). Для зручності монтажу стики розміщують на 500…1000 мм вище рівня міжповерхових перекриттів. В межах однієї відправної марки перерізи колон не змінюються. В місці стика торці колон фрезеруються і закріплюються за допомогою стяжних болтів.

Рис. 16.21. Розміщення стиків відправних марок колон

16.10.2. Балки – ригелі

Ригелі перекриттів утворюють балочну клітку, компоновка якої розглянута в розділі VI. Типи перерізів балок: прокатні двотаври (звичайні і типу Ш), складені зварні двотаври, коробчасті перерізи (рис.16.22).

Рис. 16.22. Типи перерізів балок-ригелів

Оскільки будівельна висота перекриття обмежується (350…400мм), то висота головних балок приймається меншою за оптимальну, задаючись відношенням h/l=1/10...1/18. Сполучення балок між собою приймається в одному рівні.

Приєднання балок до колон може бути шарнірним (у в’язевих каркасах) або жорстким (в рамних каркасах).

Рис.16.23. Шарнірне та жорстке з’єднання балок з колонами: 1-колона;

2-балка; 3-опорний столик; 4-горизонтальні накладки

При шарнірному опиранні балки передають на колони тільки вертикальні реакції F. При жорсткому сполученні – вертикальні реакції F і моменти M.

16.10.3. Вертикальні в’язеві ферми

В’язі конструюють як ферми, поясами яких служать колони, а стояками – балки перекриттів, і додатково встановлюються ще розкоси. Розкоси приєднуються до фасонок. Складання ведеться на болтах, а потім розкоси приварюються до фасонок.

16.11. Основи розрахунку каркасів

багатоповерхових будинків