Схемы каркасных зданий

Каркасные системы выполняют из отдельностоящих вертикальных элементов (стоек, колонн) и горизонтальных (балок, ригелей, прогонов). В зависимости от расположения ригелей различают следующие варианты каркасной системы: с продольным (рисунок 1, а), поперечным (рисунок 1, б), перекрестным (рисунок 1, в) расположением ригелей; с безригельным (рисунок 1, г) каркасом, при котором ригели отсутствуют, а гладкие или кессонированные плиты перекрытий опираются на капители колонн.

а – с продольным расположением ригелей; б – с поперечным расположением ригелей; в – с перекрестным расположением ригелей; г – безригельная

Рисунок 1 – Конструктивные системы каркасных зданий

При комбинированном несущем остове каркасных зданий различают: системы, в которых каркас расположен в пределах нижних этажей, а выше бескаркасный остов; расположение стен – по периферии, а стоек каркаса внутри здания («неполный каркас»). Выбор конструктивной схемы зависит от назначения здания и предъявляемых архитектурно-эстетических требований.

Основным требованием, предъявляемым к несущему остову здания любой из вышеперечисленных систем, является обеспечение пространственной жесткости и устойчивости здания.

Устойчивостью здания называют его способность противодействовать усилиям, стремящимся вывести здание из исходного состояния статического или динамического равновесия.

Пространственная жесткость несущего остова – это характеристика системы, отражающая ее способность сопротивляться деформациям, или способность сохранять геометрическую неизменяемость формы. В строительной механике сооружение называется геометрически изменяемым в пространстве, если оно теряет форму при действии нагрузки; например шарнирный четырехугольник (рисунок 2, а), к которому приложена небольшая горизонтальная сила; и, наоборот, шарнирный треугольник (рисунок 2, б) – геометрически неизменяемая система. Превращение четырехугольника в геометрическую неизменяемую систему можно осуществить двумя способами: ввести один диагональный стержень (рисунок 2, в) или заменить узел шарнирного соединения стержней на жесткий, неизменяемый, способный воспринимать узловые моменты – рамный (рисунок 2, г)

а – изменяемая; б – неизменяемая; в – превра­щение изменяемой в неизменяемую; г – рамные конструкции;

1 – диагональный стержень 2 – стойка (колонна), 3 – ригель.

Рисунок 2 – Геометрически изменяемые и не­изменяемые стержневые системы

Помимо диагонального стержня геометрическая неизменяемость система может быть обеспечена введением диафрагмы жесткости или ядра жесткости. Например, если в шарнирный четырехугольник вставить без зазоров панель-диафрагму так, что она будет способна воспринимать сдвиговые усилия и моменты в своей плоскости, то ее роль равносильна роли диагонального стержня; диафрагму относят к связям жесткости.

Каркасную систему, полученную таким способом, называют связевой. Рамная система получается заменой шарнирных узлов сопряжения на жесткие.

Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости плоскостных систем - по рамной и связевой схемам. Комбинируя ими при расположении элементов несущего остова в обоих направлениях можно получить три варианта конструктивных схем: рамную, рамно-связевую и связевую.

Рамная схема представляет собой систему плоских рам, воспринимающих вертикальные и горизонтальные нагрузки (одно- и многопролетных, одно- и многоэтажных), расположенных в двух взаимно-перпендикулярных направлениях – систему стоек и ригелей, соединенных жесткими узлами при их сопряжении в любом из направлений (рисунок 3).

1 – колонна; 2 – ригель

Рисунок 3 – Рамная схема каркаса

Рамно-связевая схема решается в виде системы плоских рам, шарнирно соединенных в другом направлении. Для обеспечения жесткости в этом направлении ставятся связи (рисунок 4).

1 – колонна; 2 – ригель; 3 – жесткий диск перекрытия; 4 – диафрагма жесткости

Рисунок 4 – Рамно-связевая схема каркаса

В связевой схеме рамы каркаса рассчитаны только на вертикальные нагрузки, а вся горизонтальная (ветровая и др.) нагрузка передается на систему продольных и поперечных связей (рисунок 5).

1 – колонна; 2 – диафрагма жесткости; 3 – жесткий диск перекрытия;

Рисунок 5 – Связевая схема каркаса

Каждая конструктивная схема имеет свои положительные и отрицательные стороны. Преимущества рамной схемы: четкое разграничение работы элементов каркаса, равномерность деформации рам в общей системе каркаса, возможность более свободной планировки.

Недостатки в виде трудоемкости работ по обеспечению жесткости узлов, повышенный расход стали ограничивают применение этой схемы каркаса.

Рамно-связевая схема чаще принимается в производственных зданиях.

Связевая схема оправдывает свое широкое применение большей простотой построечных работ, меньшими затратами труда, материалов.

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.

Рамная схема применяется сравнительно редко, чаще в промышленных зданиях.