Конструктивные схемы многоэтажных зданий

МНОГОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ

Общие сведения

Последние годы характеризуются бурным ростом населения городов. Если в 1897 г. городское население России составляло 15 % от общей численности, то в 1977 г. городское население нашей страны равнялось 60%, а к 2000 г. достигнет 80 %. Отсюда возникает потребность в расширении строительства жилых и общественных зданий. Перед градостроителями стоит проблема: как развивать наши города — ввысь или вширь?

В настоящее время во всех развитых странах наметилась тенденция к росту этажности жилых и общественных зданий. Это вызвано желанием ограничить территорию города и сократить протяженность коммуникаций и проездов. Аналогичная тенденция намечается и для производственных зданий ряда отраслей промышленности. Этажность должна назначаться на основе технико-экономического анализа с учетом перспективного развития города. По этажности здания принято разделять на мало- и многоэтажные. В свою очередь, многоэтажные здания делятся на следующие категории: I—9...16 этажей (H<50 м); II—17...25 этажей (50<H<75 м), III—26...40 этажей (75<H<100 м) и высотные — более 40 этажей (H>100 м). В условиях Москвы и других крупных городов строительство малоэтажных зданий нецелесообразно, так как приводит к чрезмерному росту городской застройки. Для небольших городов строительство таких зданий может быть оправданным.

В крупных городах начиная с середины 60-х годов приступили к массовому строительству зданий повышенной этажности, и объемы такого строительства постоянно расширяются. Так, в ближайшие годы в Москве предполагается построить около 75 % зданий в 16 и более этажей, в том числе 15%—25 и более. В перспективе намечено возведений зданий в 40...50 этажей.

До недавнего времени самым высоким считалось здание, сооруженное в Чикаго (110 этажей, H = 442 м), вмещающее 16 500 человек. Разработан проект 528-этажного здания для Чикаго высотой 1609 м, и там же намечено построить 15 жилых зданий высотой 150 этажей. В таких зданиях нижние этажи используются под автостоянки, далее располагаются учреждения, а выше — жилые помещения. Строительство высотных зданий обходится очень дорого, например здание в 100 этажей дороже 8-этажного той же вместимости в 7... 10 раз. Это объясняется усложнением конструктивных решений, большими площадями, занимаемыми лифтовым оборудованием, дороговизной и сложностью эксплуатации (водоснабжение, вентиляция, вертикальный транспорт, энергообеспечение и т.п.). Так, для обслуживания упомянутого 110-этажного здания в Чикаго требуется столько же электроэнергии, сколько для обычного города с населе­нием в 47 тыс. человек. Помимо этого такие здания создают дополнительные неудобства и для жителей города: плохое проветривание улиц, высотобоязнь находящихся в помещении людей, повышенная пожароопасность и т. д.

На западе в качестве основных материалов для несущих конструкций высотных зданий применяют металл, монолитный и реже сборный железобетон. Стремление к чрезмерному росту этажности в ряде западных стран во многом обусловлено высокими ценами на землю.

В России имеется собственная школа проектирования и возведения многоэтажных зданий, основанная на применении сборных конструкций заводского изготовления. Создана мощная заводская база, обеспечившая потребности страны в строительстве многоэтажных жилых, общественных и промышленных зданий. В последние годы намечается тенденция к более широкому применению многоэтажных зданий из монолитного железобетона с использованием индустриальных способов возведения (скользящая, объемно-переставная опалубка, подача бетона бетононасосами и др.). Такие здания во многих случаях более экономичны по стоимости и расходу стали и могут быть рекомендованы в качестве жилых и общественных, выполняемых по индивидуальным проектам, при строительстве в сейсмических районах, на просадочных грунтах и т. п. Для широкого их применения необходимо создание специализированных строительных организаций.

При назначении этажности здания следует учитывать стоимость земли, которая в крупнейших городах СССР достигает 1,5 млн. руб. за га, а в больших и средних — 0,5...0,8 млн. руб. за га.

Конструктивные схемы многоэтажных зданий

Все многоэтажные здания можно разделить на: каркасные, панельные, объемно-блочные и комбинированные. Тот или иной тип выбирают из соображений функционального назначения здания, наличия индустриальной базы, этажности, экономики, условий строительства (вечная мерзлота, сейсмика).

■ Каркасные здания. Эти здания применяют при необходимости создания больших помещений, наличии технологических проемов в перекрытиях. Это прежде всего производственные, административные и общественные здания. В каркасных зданиях все нагрузки передаются на каркас, который обеспечивает прочность и устойчивость здания при всех видах воздействий. Основными элементами каркасных зданий являются железобетонные колонны, ригели, вертикальные элементы жесткости (в виде диафрагм, связей и т.п.), плиты перекрытий (рис. 12.1, а).

■ Панельные здания. В жилых домах, гостиницах, общежитиях необходимо частое расположение внутренних стен и обеспечение звукоизоляции. Для необходимой звукоизоляции внутренние стены должны иметь плотность не менее 0,3 т/м², что соответствует толщине бетона 16 см. Такие стены, обладая достаточной прочностью, не нуждаются в каркасе. Они связываются между собой, замоноличиваются и образуют пространственную систему, способную воспринимать горизонтальные и вертикальные нагрузки. Здания такой конструкции называются панельными (рис. 12.1, б). Расчеты показывают, что многоэтажные жилые дома панельной конструкции высотой примерно до 20 этажей более экономичны, чем каркасные (стоимость ниже на 5...10%, построечная трудоемкость ниже на 10... 15 %. расход арматуры ниже на 30...50 %). При большей высоте панельные здания не могут (без специального усиления) воспринять горизонтальную ветровую нагрузку; в этом случае предусматриваются дополнительные конструктивные мероприятия (установка монолитных диафрагм, ядер жесткости) или применяют здания каркасной системы.

Рис. 12.1. Конструктивные схемы многоэтажных зданий;

1 — колонна; 2 — ригель; 3 — плиты перекрытия; 4 — поперечная диафрагма; 5 — продольная диафрагма; 6 — рама с жесткими узлами; 7 — рама с шарнирными узлами

Преимущества панельных (бескаркасных) зданий снижаются в случае необходимости изменения планировочной структуры по вертикали, при использовании нижних этажей для помещений общественного назначения, например магазинов. В последнем случае торговые поме­щения могут устраивать в пристройках к основному объему здания, используя объем нижних этажей основного здания под подсобные помещения.

■ Объемно-блочные здания. Дальнейшим усовершенствованием панельных конструкций являются объемные блоки, изготовляемые на комнату или квартиру. Объемно-блочная схема отличается наибольшей заводской готовностью. Затраты труда на изготовление блоков составляют 75...80 % от общих трудозатрат. Применяют «блок-стакан», «блок-колпак», «блок-стакан лежащий» (рис. 12.1, в...д). Блоки изготовляют монолитными или из плоских панелей путем сварки закладных деталей. Затем блоки поступают на специальный конвейер, на котором выполняются отделочные и санитарно-технические работы. Масса блока до 10 т. Блоки опираются друг на друга в углах или по линиям сопряжения стен. В первом случае этажность объемно-блочных зданий обычно ограничивается пятью этажами. Недостатком этого типа зданий является ограниченность планировочных решений, небольшая вариантность размещения блоков в плане здания.

■ Комбинированные здания.В многоэтажных зданиях, возводимых в больших городах на основных магистралях, целесообразно по санитарно-гигиеническим условиям (шум, запыленность, загазованность) располагать жилые помещения, начиная с высоты двух-трех этажей, используя первые этажи под магазины, проезды, гаражи. В этом случае панельная конструкция здания располагается на монолитной или сборной железобетонной раме. Такая конструкция называется комбинированной (рис. 12.1, е).

■ Разработка конструктивной части проекта многоэтажного каркасного здания состоит в выборе конструктивной схемы каркаса и его компоновки, расчете здания, отдельных его элементов и узлов сопряжений и конструирования.

Выбор схемы каркаса и его компоновку производят с учетом назначения и объемно-планировочного решения здания, технологических решений, производственной базы и технико-экономического анализа. Он включает в себя выбор способа обеспечения пространственной жесткости здания, сетки колонн, направления ригелей, схемы членения несущей системы на сборные элементы и т.д. Сетка колонн обычно задается архитекторами с учетом требований технологов и Единой модульной системы. Направление ригелей может быть продольным и поперечным. Разрезка на сборные элементы производится с учетом требований технологичности изготовления и монтажа. Важнейшим при выборе схемы каркаса многоэтажного здания является вопрос о воспринятии горизонтальных нагрузок, т.е. об обеспечении пространственной жесткости. Он может быть решен путем соответствующего конструирования узлов каркаса или установкой специальных вертикальных элементов жесткости. По этому признаку несущие системы каркаса делят на рамные, рамно-связевые и смешанные.

■ Рамная система (рис. 12.1, ж). В рамной системе каркаса несущие функции выполняют колонны и ригели. Ригели жестко связываются с колоннами, в результате чего образуется пространственная система, состоящая из плоских рам. Рамы воспринимают все действующие на здание вертикальные и горизонтальные нагрузки и передают их фундаментам.

С увеличением этажности здания изгибающие моменты от ветровой нагрузки в колоннах и ригелях нижних этажей возрастают, что требует увеличения сечения колонн, а следовательно, изменения длин и сечений ригелей. Это затрудняет унификацию конструкций зданий, поэтому рамные системы применяют в зданиях не более 8 этажей, при недопустимости устройства диафрагм в помещениях, при наличии проемов в перекрытиях зданий и т. п.

■ Рамно-связевая система (рис. 12.2, з). В зданиях более 8 этажей горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами с жесткими узлами и вертикальными элементами жесткости, а вертикальные нагрузки — рамами и частично — элементами жесткости. В качестве таких элементов обычно используют железобетонные стенки — диафрагмы, а также металлические связи и другие конструкции. Диафрагмы могут быть с проемами и без проемов, а по конфигурации в плане — плоскими, уголковыми, двутавровыми и т. п. Часто в качестве диафрагм используют торцовые и внутренние стены, стены лестничных клеток и др. Следует стремиться, чтобы диафрагмы были по возможности равномерно распределены по плану здания и увязаны с его объемно-планировочным решением. Все элементы каркаса связаны в пространственную систему перекрытиями, которые помимо основной работы на вертикальные нагрузки воспринимают горизонтальные нагрузки и перераспределяют их между рамами и диафрагмами. Доля горизонтальных нагрузок, воспринимаемых рамами и диафрагмами, зависит от их жесткостей. Если перекрытие в своей плоскости работает как жесткое, то сооружение может рассматриваться как единый пространственный блок, т. е. прогибы рам и диафрагм связаны линейной зависимостью, а при отсутствии кручения в плане — одинаковы. При больших расстояниях между диафрагмами необходимо учитывать податливость перекрытия, рассматривая его как балку на упругом основании.

Опыт проектирования рамно-связевых систем показал, что диафрагмы воспринимают 80...90 % горизонтальных нагрузок и при очень небольшом усилении могут воспринять на себя все горизонтальные силы. Устройство же жестких стыков в рамах из сборного железобетона требует больших затрат труда и металла. В связи с этим в последние годы при строительстве жилых и общественных зданий было предложено упростить конструкции стыков и передавать всю горизонтальную нагрузку на диафрагмы. Такая система получила название связевой.

■ Связевая система(рис. 12.2, и). Вертикальная нагрузка воспринимается рамами и частично диафрагмами. Стык ригеля с колонной решается таким образом, чтобы он мог воспринять заранее заданный небольшой опорный момент (55 кН·м), необходимый для обеспечения пространственной жесткости здания в период его монтажа. Постоянство моментов позволяет полностью унифицировать узловые соединения и соответственно ригели и колонны каркаса. В последнее время разработаны и внедряются чисто шарнирные стыки ригелей с колоннами, позволяющие дополнительно сократить расход металла. Пространственная жесткость в период монтажа здания в этом случае обеспечивается временными связями.

В многоэтажных жилых и общественных зданиях из сборного железобетона наибольшее распространение получила связевая система. Рамно-связевая система рекомендуется для применения при строительстве в сейсмических районах.

В зданиях высотой более 20 этажей во многих случаях вертикальные конструкции лифтовых шахт, вентиляционных камер, лестничных клеток объединяют в ядра жесткости (рис. 12.2, а). Такое решение удобно в планировке и технологично. Стенки ядер жесткости выполняют из монолитного железобетона. Ядро воспринимает все действующие на здание горизонтальные нагрузки и ту часть вертикальных, которая приходится собственно на ядро; остальные вертикальные нагрузки воспринимаются каркасом.

Рис. 12.2. Конструктивные схемы высотных зданий:

1 — плиты перекрытия; 2 — колонны; 3 — ригель;

4 — ядро жесткости; 5 — ростверк; 6 — высокопрочные канаты

В зданиях высотой более 50 этажей ядра жесткости не в состоянии воспринять ветровую нагрузку. В этом случае наружные колонны здания с помощью горизонтальных диафрагм (ростверков) объединяются с ядром жесткости и работают совместно с ним (рис. 12.2, б).

В последние годы проводят обширные исследования по разработке новых рациональных конструктивных схем многоэтажных зданий. К их числу можно отнести конструктивную схему, представляющую собой железобетонное ядро жесткости с консолями (рис. 12.2, в), к которым подвешены на тросах междуэтажные перекрытия и стены здания. Тросы выполняют из высокопрочной стали с предварительным напряжением, а стены — из эффективных теплоизоляционных материалов. Все коммуникации устраивают в ядре, которое воспринимает вертикальные и горизонтальные нагрузки. Такое решение позволяет уменьшить площадь застройки.

К связевым системам могут также быть отнесены здания с неполным каркасом, в которых роль диафрагм выполняют наружные продольные и поперечные несущие стены. Внутренний каркас, состоящий из колонн и ригелей, опирающихся по наружным осям на стены, работает только на вертикальные нагрузки.

■ Смешанная система.Такая система в одном направлении (обычно поперечном) представляет собой раму с жесткими узлами, а в другом — связевую систему обычно с металлическими связями. Она широко распространена в многоэтажных промышленных зданиях, в которых связи в поперечном направлении препятствуют технологическому процессу.