Строительные системы и конструкции

                                                                  Введение

При проектировании каркасного здания необходим комплексный учет технологических, технических, эстетических и экономических требований и условий.

Конструктивное решение каркаса должно отвечать монтажным требованиям - простоте, удобству, высокой скорости и безопасности монтажа, обеспечивая беспрепятственный подъем и установку в проектное положение, быструю выверку и закрепление монтажных элементов. Членение конструкций на монтажные элементы и блоки должно быть приспособлено к проектируемому методу монтажа и техническим возможностям монтажных механизмов.

Одним из основных технических требований к каркасному зданию является обеспечение его необходимой жесткости (геометрической неизменяемости). При недостаточной жесткости многоэтажного (высотного) каркаса может нарушаться целостность внутренних перегородок и отделочных покрытий, осложняться нормальная работа лифтов, колебания здания могут быть чувствительны для людей. Необходимая жесткость обеспечивается, если горизонтальное смещение верха высотного здания от нормативной ветровой нагрузки не превышает 1/500 высоты здания.

 

 

 

 

 

 

 

 
1. Каркасные системы.  Общие положения.  Основные понятия и определения.

 

Каркасы (каркасные конструктивные системы) применяют для всех видов гражданских и промышленных зданий - жилых, административных, учебных, торговых, лечебных, производственных и т.д. Каркас является практически единственной конструктивной системой, на основе которой проектируются многоэтажные здания со значительными свободными пространствами (крупными помещениями), а также с возможностью изменения со временем внутренней планировочной структуры.

Отличительная черта каркасного здания - строгое деление элементов  на несущие и ограждающие - позволяет применять для них наиболее соответствующие назначению материалы: жесткие и прочные - для несущих; легкие, тепло- и звукоизоляционные - для ограждающих. Эффективное использование свойств различных материалов снижает массу зданий, затраты на строительство.

Каркас - несущая конструкция, представляющая собой систему соединенных между собой стержневых вертикальных (стойки, колонны) и горизонтальных (балки, ригели, фермы, плиты) элементов, воспринимающую силовые нагрузки и обеспечивающую прочность, жесткость и устойчивость здания в целом. Дополнительными элементами каркаса могут быть стержневые элементы - связи и плоскостные элементы - диафрагмы жесткости.

Колонна (стойка) - вертикальный стержневой элемент несущей системы, воспринимающий нормальные силы, а в многоэтажных зданиях, кроме того, - местные изгибающие моменты.

Ригель (балка) - горизонтальный стержневой элемент несущей системы, воспринимающий приложенные к перекрытиям вертикальные нагрузки и передающий их вертикальным элементам несущей системы.

Рама - плоская или пространственная стержневая часть несущей системы, элементы которой соединяются жесткими, шарнирными или улругоподатлизими узлами,

Диафрагма - плоская несущая конструкция, составляющая часть несущей системы. Диафрагмы могут быть вертикальными в виде стен и горизонтальными в виде дисков.

Стена-диафрагма (диафрагма жесткости) - стена многоэтажного здания, воспринимающая горизонтальные и вертикальные нагрузки и передающая их через фундамент основанию.

Ядро  жесткости - пространственная часть несущей системы, состоящая из диафрагм и имеющая поперечное сечение в виде открытого или замкнутого профиля.

Связь стержневая - наклонный несущий стержневой элемент (элементы), соединяющий вертикальный и горизонтальный элементы несущей системы и обеспечивающий ее жесткость.(геометрическую неизменяемость).

Диск  перекрытия - горизонтальная диафрагма, способная воспринимать усилия, действующие в горизонтальной плоскости, и объединяющая вертикальные несущие конструкции в единую пространственную систему.

Стык - соединение сборных элементов здания.

Замоноличивание стыков сборных элементов - заполнение швов, ниш, пространств между монтируемыми изделиями цементным раствором или бетоном.

Рамный  каркас - вид каркаса, состоящего из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями.

Связевый  каркас - вид каркаса, состоящего из колонн, шарнирно присоединенных к ним ригелей и системы связей, в которые входят стержневые связи, диафрагмы жесткости и диски перекрытий.

Рамно-связевый каркас - вид каркаса, состоящего из жестких рам и связей в виде вертикальных (наклонных) конструкций и дисков перекрытий, объединяющих рамы в единую пространственную конструкцию.

Безригельный каркас - вид каркаса, в котором отсутствуют ригели, а перекрытия в общем случае работают как плиты, опертые на отдельные опоры в виде колонн.

 

1.2. Требования  к элементам каркаса

К элементам каркаса предъявляются следующие основные требования:

• высокая прочность материала элементов;
• технологичность  индустриального   производства  изделий при их высо-кой тиражности;
• унификация элементов   каркаса, позволяющая   снизить трудоемкость изготовления и монтажа конструкций и стоимость строительства;
• универсальность узлов соединений конструктивных элементов;
• высокие технико-экономические показатели (по материалоемкости, стоимости, трудоемкости);
• высокие эстетические качества.

 

2.  Классификация каркасов

По материалу основных элементов различают каркасы: деревянные, металлические, железобетонные, комбинированные.

По этажности: одноэтажные, малоэтажные, многоэтажные.

По величине пролетов: с малыми пролетами (до 6 м), с пролетами средней величины (6-12 м), большепролетные {более 12 м).

По типу горизонтальных несущих  конструкций каркасы бывают: ригельные (балочные), безригельные (без- балочные), с фермами высотой в этаж .

По  расположению ригелей: поперек здания, вдоль здания, с перекрестным расположением .

По способу обеспечения пространственной жесткости каркасы подразделяются на следующие конструктивно-статические типы: рамные, связевые, рамно-связе- вые .

По схеме расположения рам каркаса: каркасы с плоскими рамами, каркасы с пространственными рамами (в двух или трех вертикальных плоскостях).

По технологии возведения: каркасы сборные (деревянные, стальные, железобетонные), монолитные (железобетонные) и сборно-монолитные.

 

 

3. Характеристика  каркасов по материалам основных  элементов и типу возведения._Типы_каркасов. 
      По материалу основных элементов различают каркасы: деревянные, металлические, железобетонные, комбинированные.

 

3.1.  Деревянные каркасы

 

Здания с каркасом из древесины обладают следующими важными преимуществами:

• разнообразием архитектурно-конструктивных решений;
• простотой их перестройки (надстройки, расширения, перепланировки);

« высокой степенью индустриального  изготовления элементов конструкций;

• простотой транспортировки и монтажа элементов;
• незначительным весом.

 

На рис. 2 показаны различия каркасных деревянных зданий по форме, конструкции и назначению.

 

 

 

 

 

Рис . 2  Здания с деревянными каркасами: а - жилой дом на рельефе; б - г - общественные здания

 

 

В отличие от стальных и  железобетонных конструкций в деревянных строениях не возникает мостиков холода, поэтому вынос элементов  каркаса (консолей) изнутри наружу не вызывает проблем.

Деревянные каркасы отличаются разнообразием расположения несущих  элементов с различным исполнением конструктивных узлов. Способ сопряжения элементов в конструктивный узел определяет тип каркаса. По взаимному расположению несущих вертикальных и горизонтальных элементов различают восемь основных типов конструкций деревянных каркасов .

Тип А - Каркас состоит из стоек, главных балок (обвязок) и лежащих на них вспомогательных балок. Стойки соединены с балками и нижними обвязками шипами или врубками. Вся конструкция опирается на основную нижнюю обвязку; нижняя обвязка повторяется на втором этаже.

Тип Б - Конструкция этого типа состоит из стоек высотой в один этаж, на которые в одном направлении опираются главные балки, в другом - вспомогательные. Особым преимуществом такой одноэтажной конструкции является то, что применением решетчатых балок (ферм) можно обеспечить достаточно большие пролеты.

Тип В - Нераэрезные балки укладываются на стойки. Соединение стойки с главной балкой может быть выполнено различными способами. Усилие верхней стойки обычно передается нижней стойке не только через балку, чтобы не превысить допускаемое напряжение на смятие поперек волокон. Для передачи этого усилия рекомендуется использовать стальные или деревянные подкладки и боковые накладки.

Тип Г - Главные балки (ригели) соединяются с нераэрезными стойками одинаково в двух направлениях. Между главными балками расположены в разных направлениях (в шахматном порядке) вспомогательные балки. Таким образом, ригели обоих направлений одинаково нагружены. Устройство консолей становится невозможным. Конструкция особенно подходит при многосерийном индустриальном строительстве.

Тип Д - Парные главные балки как схватки прикрепляются с двух сторон к ряду стоек. В другом направлении уложены сверху вспомогательные балки. Преимущество такой конструкции заключается в использовании неразрезных стоек и возможности устройства консолей.

Тип Е - Неразрезные главные балки пропущены между неразрезными составными стойками. Составные стойки из четырех элементов позволяют располагать балки в двух направлениях. Область применения этого вида конструкции ограничена по противопожарным требованиям (малое сечение стоек).

Типы Ж и 3 - Эти конструкции распространены в жилищном строительстве за рубежом под названиями «оболочка» и «платформа». В России их называют «обшивной каркас». Несущие элементы каркаса состоят из стандартных досок с основным сечением 100 х 50 мм. Особенность данной конструкции - малое расстояние между стойками и между балками перекрытий (500-600 мм). Элементы соединяются гвоздями. При конструкции типа «оболочка» стеновые ребра проходят через два этажа. Доски, поставленные на ребро, проходят через стойки в качестве обвязок. Уложенные на них балки прибиваются сбоку к стойкам гвоздями.

При конструкции «платформа» на стойки высотой в этаж установлены неразрезные доски в качестве обвязок, на них уложены балки, а затем неразрезная обрешетка в виде «платформы».

Стойки деревянных каркасов, в зависимости от грунтовых условий, назначения здания и его конструктивных особенностей, опирают шарнирно на столбчатые, ленточные или сплошные фундаменты непосредственно или через опорный обвязочный брус. В последнем случае брус должен быть защищен от капиллярной влаги гидроизоляцией. Выполнение опор стоек по периметру здания должно соответствовать виду стеновой конструкции.

Балки. В качестве несущих горизонтальных элементов в деревянных каркасах применяют цельнодеревянные балки (в том числе спаренные), клеедеревянные балки, шпренгельные балки и невысокие фермы

Обеспечение жесткости каркасов. Поскольку главные элементы деревянных каркасов (балки и стойки) между собой соединяются шарнирно, необходимо обеспечивать пространственную жесткость специальными связями. Деревянные каркасы таким образом становятся связевыми.

Элементы жесткости каркаса  должны воспринимать горизонтальные усилия от ветра - давление и отсос, которые воздействуют на наружные поверхности здания (стены и крышу).

Задача устройства связей заключается в том, чтобы обеспечить каркасу общую пространственную жесткость, предотвратить опрокидывание при потере устойчивости отдельных элементов при продольном изгибе.

 

     3.2. Рамные каркасы

Рамный стальной каркас состоит из жестко соединенных между собой колонн и балок (ригелей), образующих плоские и пространственные рамы в двух или трех направлениях (в плане).

Жесткие рамы работают при  горизонтальных нагрузках за счет изгиба балок и колонн. Жесткость рам зависит от прочности и жесткости узловых сопряжений при изгибе, которые не допускают податливости узлов. Функции обеспечения жесткости распределены равномерно между элементами системы. Несущая способность рамы во многом зависит от несущей способности отдельных балок и колонн, снижается с повышением высоты этажа и увеличением расстояния между колоннами.

В обычной рамной системе  на прямоугольной модульной сетке с расположением рам по каждому ряду колонн с их регулярным расположением по всему плану здания с шагом 6-9 м сечения колонн имеют небольшие габариты. В такой системе учет горизонтальных нагрузок приводит к заметному увеличению расхода стали, поэтому в зданиях высотой более рамные каркасы в их чистом виде применяются редко.

В каркасах зданий средней  этажности, где влияние горизонтальных нагрузок меньше, рамы с жесткими узловыми соединениями могут располагаться через шаг, а в малоэтажных каркасах - только по контуру здания

     3.3. 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. 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

      3.4.  Каркасы железобетонные