Конструктивные схемы зданий

Гражданские здания всегда являлись одним из наиболее массовых объектов строительства. К 2000г. в России построено и эксплуатируются 3,3 млрд. м² гражданских зданий, из которых жилье составляет 2,5 млрд. м² (из них около 2 млрд. м² – в городах), а общественные – 0,8 млрд. м² [10].

Основными несущими конструкциями многоэтажного каркасного здания в гражданском строительстве являются железобетонные рамы, вертикальные связевые диафрагмы (пилоны) и связывающие их междуэтажные перекрытия. К вертикальным несущим конструкциям каркаса относятся колонны и пилоны (глухие диафрагмы и простенки диафрагм с проемами), к горизонтальным - ригели рам, плиты перекрытия и покрытия (рис.11). Конструктивные схемы таких зданий могут быть с поперечными или продольными рамами, а также каркасные с безбалочными перекрытиями.

Рис.11. Основные вертикальные конструкции многоэтажных зданий:

а – многоэтажные регулярные рамы; б – связевые комбинированные диафрагмы; в – связевые диафрагмы с проемами

В панельных зданиях основными несущими конструкциями служат вертикальные диафрагмы (внутренние несущие стены) и связывающие их междуэтажные перекрытия. Как в поперечном, так и в продольном направлении панельное здание воспринимает горизонтальную нагрузку по связевой системе.

Рис.12. Конструктивные схемы зданий с консольными (А) и подвешенными (Б) этажами:

а – с консольным поясом в одном уровне, опирающимся на центральный ствол; б – с консольным поясом в двух уровнях; в – с консольными перекрытиями в уровне каждого этажа; г – с консольным поясом в одном уровне, опирающимся на два ствола; д – контурные подвески прикреплены к консольному оголовку центрального ствола; е – то же, к консольному оголовку и к консольному промежуточному поясу; ж – то же, к консольному оголовку двух стволов

Ядра жесткости могут воспринимать всю вертикальную и горизонтальную нагрузки полностью или в совокупности с другими элементами несущей системы. Стволы снижают расход стали до 15%, цемента до 10% и стоимость конструкции до 10%. Каркасное здание с относительно небольшим компактным планом может быть с одним центральным ядром жесткости, внутри которого располагаются вертикальные транспортные и инженерные коммуникации.

Возможны варианты с двумя ядрами жесткости. В таких зданиях сложной конфигурации в плане перекрытия выполняют монолитными в виде безбалочной бескапительной плиты. Возводят такие здания методом подъема перекрытий или подъема этажей (рис.13) [13]. Ядра жесткости чаще выполняют монолитными в скользящей опалубке. Толщина стенок 200÷400мм. Стены и перемычки ядер жесткости могут быть предварительно напряженными. Класс бетона B15, В25.

Рис.13. Схема конструкций монолитных и сборно-монолитных зданий:

а – монолитные стволы жесткости; б – схема конструкций здания, возводимого методом подъема перекрытия; в – то же, методом подъема этажей; 1 – ствол жесткости; 2 – скользящая опалубка; 3 - пакет монолитных плит перекрытий размером на здание; 4 – перекрытие в проектном положении; 5 – этаж перед подъемом; 6 – этаж в проектном положении

В несущей системе зданий повышенной этажности выделяют пять основных конструктивных схем, принципиально отличающихся по типу вертикальных элементов: каркасные, стеновые (плоскостенные), ствольные, оболочковые и объемно-блочные. Вертикальными элементами жесткости в каркасной схеме являются рамы с жесткими узлами, а также рамы с шарнирными узлами соединения ригеля с колонной, усиленные связями – металлическими раскосами или железобетонными стенами жесткости.

В стеновых схемах вертикальными элементами являются стены во взаимно-перпендикулярных направлениях.

В ствольных схемах ядра жесткости (стволы) расположены в средней зоне здания и на них опираются перекрытия.

Оболочковые схемы имеют высокую пространственную жесткость, которая обеспечивается расположением несущих конструкций по контуру здания и объединением их в единую статическую систему (рис.14).

Рис.14. Основные конструктивные схемы высотных зданий: *⁾

I – стеновая; II – каркасные; III – ствольная; IV – оболочковая; V – объемно-блочная; 1 – несущая наружная ограждающая конструкция; 2 – то же, ненесущая; 3 – внутренняя несущая конструкция; 4 – несущий объемный блок

Комбинированными являются схемы, основанные на комбинации двух видов вертикальных несущих конструкций: с неполным каркасом (колонны и стены), каркасно-связевые с вертикальными связями в виде стен жесткости (каркасно-диафрагмовая), каркасно-ствольные, каркасно-объемно-блочные, объемно-блочно-стеновые, ствольно-стеновые, каркасно-оболочковые и др. В соответствии с особенностями объемно-планировочного решения здания и требования экономичности конструктивная система может иметь и большее число типов вертикальных несущих элементов, например стены-диафрагмы, колонны и стволы жесткости [13,16].

По способу восприятия внешних нагрузок и по конструктивному решению основных узлов каркасы многоэтажных зданий делятся на три группы: рамные, связевые и рамно-связевые. В гражданском строительстве наиболее широкое применение нашли здания со связевым каркасом. В нем горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными диафрагмами или ядрами жесткости, а сам каркас работает только на вертикальные нагрузки. В тех случаях, когда горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются совместно рамами каркаса с жесткими узлами в поперечном и продольном направлениях и диафрагмами или ядрами жесткости каркас работает как рамно-связевый. Диафрагмы жесткости выполняют преимущественно сборными, а для высоких зданий – монолитными.

*) Данная классификация не противоречит принятому разделению конструктивных схем на рамные, рамно-связевые и связевые, а расширяет его в соответствии с появлением новых, не применявшихся ранее, схем.