Общие принципы проектирования несущего остова и его элементов.

Важнейшее назначение несущего остова — конструктивной основы здания — состоит в восприятии нагрузок, действующих на здание, работе на усилия от этих нагрузок с обеспечением конструкциям необходимых эксплуатационных качеств в течение всего срока их службы.Нагрузки делят на две группы: постоянные и временные. Постоянные — это собственный вес всех без исключения элементов зданий и другие виды нагрузок. К временным относят: полезные, т. е. функционально необходимые — нагрузки от периодически пребывающих в помещениях людей, стационарного или передвижного оборудования и т. п.; нагрузки, связанные с природными факторами района строительства (снеговые, ветровые, сейсмические; температурные воздействия), и др. Временные нагрузки подразделяют на длительно действующие, кратковременные и особые; при расчетах их учитывают в различных сочетаниях.По характеру действия нагрузки могут быть статическими (например, от собственной массы) или динамическими (порывы ветра, вибрации и др.). По месту приложения усилий различают нагрузки, сосредоточенные (вес оборудования) и равномерно распределенные (от снегового покрова и т. п.). По направлению нагрузки могут быть горизонтальными (ветровой напор, тормозные силы подвижного оборудования, сейсмические нагрузки) и вертикальными (вес).Нагрузки важно учитывать не только в расчетах, но и на всех стадиях проектирования в качестве количественных критериев оценки принимаемых решений.Типы несущих остовов. Горизонтальные несущие элементы перекрытий (покрытий) предназначены прежде всего для работы при действии на них разного рода вертикальных нагрузок, которые в виде опорных реакций передаются на вертикальные опоры.Кроме того, эти же перекрытия являются горизонтальными диафрагмами, воспринимающими в своей плоскости изгибающие и сдвигающие усилия от горизонтальных нагрузок, обеспечивая геометрическую неизменяемость здания в каждом из горизонтальных уровней, совместную работу вертикальных опор при таких нагрузках, перераспределение усилий между ними и т. п.Вертикальные несущие конструкции воспринимают все виды воздействий и нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации здания, и через фундаменты передают их на грунт. Вертикальные опоры являются определяющим признаком для классификации несущих остовов по типам. Известны два типа вертикальных опор (рис. II.I): стержневые — колонны или стойки каркаса; плоскостные — стены; (можно также, отнести к несущим опорам объемные, тела типа пилонов и т. п.. т. е. такие элементы, у которых все три генеральных размера примерно одного порядка, но подобные опоры встречаются крайне редко).Так, стена независимо от того, сложена ли она из бревен, выполнена ли из кирпича или из сборных панелей, всегда рассматривается как плоскостной элемент, один размер которого (толщина) значительно меньше других генеральных размеров.Исходя из такого определения различают два основных типа несущего остова зданий: каркасный и стеновой (бескаркасный). Третий — комбинированный (или смешанный) — состоит из различных сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных элементов (стоек каркаса и стен). Необходимо отметить и существование таких несущих остовов, в которых вертикальные опоры, вообще отсутствуют, а наклонная конструкция покрытия опирается непосредственно на фундамент (арки, треугольные рамы и т. п.). Такие сооружения, применяемые в строительстве складов, ангаров и т. п., называют шатровыми.Вся совокупность конструктивных элементов несущего остова многоэтажных зданий в каждом отдельном случае объединена между собой вполне определенным образом, образуя в пространстве единство закономерно расположенных частей, т. е. систему, которую называют конструктивной. Так называют способ размещения несущих .горизонтальных и вертикальных конструкций в пространстве, их взаимное расположение, способ передачи усилий и т. п.1. Системы с продольно расположенными несущими стенами или, как принято говорить, с продольными несущими стенами (расположены вдоль длинной, фасадной стороны здания и параллельно ей). Таких параллельно расположенных стен может быть две, три, четыре. Соответственно бытуют упрощенные названия таких стеновых остовов: двухстенка, трехстенка и т. п.2 Системы с поперечно расположенными (с поперечными) несущими стенами. Разновидности: с широким шагом {более 4,8 м); узким шагом (4,2 ... 4,8 м); со смешанными шагами.3. Системы с перекрестным расположением несущих стен (перекрестно-стеновая система).При каркасном несущем остове. Определяющим признаком в этом случае является расположение ригелей каркаса. Ригелем называется стержневой горизонтальный элемент несущего остова (главная балка, ферма и т. п.), передающий нагрузки от перекрытий непосредственно на стойки каркаса. Различают четыре типа конструктивных каркасных систем (рис. П.З): с поперечным расположением ригелей; с продольным; с перекрестным расположением ригелей; с безригельным каркасом, при котором ригели отсутствуют, а гладкие или кессонированные плиты перекрытий (так называемые безбалочные опираются или на капители колонн, или непосредственно на колонны.При комбинированном несущем остове (рис. II.4), Среди большого разнообразия сочетаний стержневых и плоскостных вертикальных опор наиболее часто встречаются;Выбор конструктивных систем — один из основных вопросов, решаемых при проектировании зданий. Для ориентации приводятся общие сведения о примерных областях применения несущих остовов и конструктивных схем.Стеновой (бескаркасный) несущий остов — самый распространенный в жилищном строительстве. Размеры жилых ячеек, необходимость членений стенами и перегородками с обеспечением звукоизоляции квартир и другие особенности обусловливают техническую целесообразность и экономическую оправданность применения бескаркасных зданий при строительстве жилища, а также тех гражданских зданий, в которых преобладает многоячейковая планировочная структура (гостиницы, санатории, больницы и т. п.).Каркасный несущий остов применяется для зданий с большими, не разгороженными перегородками помещениями. Каркасный остов является основным для производственных зданий, независимо от их этажности для многих типов общественных зданий и сооружений. В жилищном строительстве объем применения каркасного остова ограничен.Применяются большей частью системы с поперечным расположением ригелей. Расположение ригелей в двух направлениях характерно для многоэтажных каркасных зданий при строительстве в сейсмических районах. Безригельный каркас применяется обычно в многоэтажных зданиях производственного назначения со значительными нагрузками на перекрытия, в многоэтажных гражданских зданиях с оригинальными компоновочными решениями планов и т. д.Комбинированный несущий остов чаще применяется при строительстве гражданских многоэтажных зданий; в промышленном же строительстве значительно реже. Системы, в которых первые два-три этажа каркасные, а остальные бескаркасные, характерны для строительства многоэтажных жилых зданий на магистральных улицах, а также гостиниц, санаториев и т, п., т. е. зданий, в которых функционально используют первые этажи.Пространственная жесткость несущего остова — это характеристика системы, отражающая ее способность сопротивляться деформациям или, что то же, способность сохранять геометрическую неизменяемость формы. В строительной механике сооружение называется геометрически изменяемым в пространстве, если оно теряет форму при действии нагрузки; например, шарнирный четырехугольник (рис. 11.6, а), к которому приложена небольшая горизонтальная сила; и, наоборот, шарнирный треугольник (рис. 11.6,6) — геометрически неизменяемая система. Превращение четырехугольника в геометрически неизменяемую систему можно осуществить двумя способами: ввести один диагональный стержень (рис. П.6, в) или заменить узел шарнирного соединения стержней на жесткий, неизменяемый, способный воспринимать узловые моменты (так называемый рамный, рис. П.б.г).Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости плоских систем — по рамной и по связевой схемам- Комбинируя ими при расположении элементов несущего остова в обоих направлениях здания, можно получить три варианта пространственных конструктивных схем здания: рамную, рамно-связевую, связевую. В третьем направлении — горизонтальном — перекрытия обычно рассматриваются как жесткие диафрагмы. Все эти варианты встречаются при проектировании каркасного несущего остова (рис. II.9).Рамная схема представляет собой систему плоских рам (одно- и много-пролетных; одно- и многоэтажных), расположенных в двух взаимно перпендикулярных (или под другим углом) направлениях — систему стоек и ригелей, соединенных жесткими узлами при их сопряжениях в любом из направлений.Рамно-связевая схема решается в виде системы плоских рам, шарнирно соединенных в другом направлении элементами междуэтажных перекрытий. Для обеспечения жесткости в этом направлении ставятся решетчатые связи или стенки (диафрагмы) жесткости. Плоские рамы удобнее устанавливать поперек здания.Связевая схема решения каркаса здания наиболее проста в осуществлении. Решетчатые связи, или диафрагмы жесткости, вставляемые между колоннами, устанавливаются через 24 ... 30 м, но не более 48 м и в продольном, и в поперечном направлениях; обычно эти места совпадают со стенами лестничных клеток.При стеновом несущем остове и при различных системах остовов с неполным каркасом обычно применяют связевую схему; при этом наружные или внутренние стены выполняют функции диафрагмы или ядер жесткости, т. е. не требуется установка дополнительных стен. На рис. II.2, в показана схема передачи усилий от ветровых нагрузок через перекрытия на такие стены.