Войти  |  Регистрация
Авторизация

Типы конструктивно-статических систем высотных зданий



Основные и комбинированные конструктивно-статические системы. Путем различного сочетания принятых основных двух конструктивных и двух статических схем можно получить четыре основных конструктивностатических решения (рис. 4.16):
А — (1a х 2а) - открытая система со стержневыми конструкциями; открытая каркасная система;
Б — (1б х 2а) - открытая система с плоскими конструкциями; открытая система с несущими стенами;
В — (1a х 2б) - замкнутая система со стержневыми конструкциями, оболочковая система (коробчатая система);.
Г - (1б х 2б) - замкнутая система с плоскими конструкциями, система с ядром (ствольная система).
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Рассмотренные конструктивно-статические системы наиболее часто встречаются на практике. Под открытой каркасной системой подразумевают систему, состоящую из стержневых (рамных, решетчатых, их сочетания) конструкций. В качестве открытой системы с несущими стенами можно представить систему, состоящую например, из несущих поперечных и внутренних продольных стен, в то время как стены фасадов являются ненесущими (они могут быть выполнены в виде сплошного остекления или из легкого бетона, или из навесных панелей). Пространственную замкнутую систему со стержневыми конструкциями, которые обычно образуют конструкции наружных стен, называют оболочковой системой, а замкнутую систему с несущими стенами, которая обычно представляет собой замкнутую конструкцию из сплошных стен, размещенных внутри здания (ствол здания), — системой с ядром.
Конструктивно-статическую систему здания выбирают как в виде основной системы, так и в виде комбинации основных систем. С позиций технико-экономического анализа сначала следует рассмотреть различные их комбинации.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

На рис. 4.17 изображена схема четырех основных (первичных) систем и шести вторичных систем, которые образуют путем комбинации двух основных систем. Можно составлять различные комбинации из двух, трех и даже четырех основных систем. В табл. 4.4 приведены комбинации конструктивно-статических систем. Порядок расположения букв в обозначении комбинированной системы выражает одновременно долю участия соответствующей основной системы в восприятии горизонтальной нагрузки и в обеспечении общей жесткости (устойчивости) сооружения. Первая буква обозначает, что данная основная система является доминирующей, поэтому можно сказать, что комбинированная система зависит от порядка расположения букв, например, система БВ ≠ ВБ. Исходя из этого предположения получаем 4 основные системы, 12 двухкомпонентные, 24 трехкомпонентные и 24 четырехкомпонентные системы, всего 64 типовые системы. Если не принимать во внимание порядка расположения букв в обозначении системы, то их число уменьшается до 15 типовых систем. Этим подчеркивается множество существующих решений. Проектировщик-конструктор прежде всего использует чистые, конструктивные системы. Однако при проектировании он должен одновременно учитывать требования функционального назначения здания, объемно-планировочного решения, технологии строительства, экономики, архитектурной эстетики и т.п. Все рассмотренные типы систем не могут применяться в одинаковом количестве, поскольку они адекватны определенному назначению здания, применяемым материалам, строительным технологиям. Системы с несущими стенами и их комбинации наиболее типичны при строительстве крупнопанельных зданий и зданий с кирпичными конструкциями, системы с внутренним железобетонным ядром приемлемы для строительства административных зданий высотой до 100 м и т.п.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Каркасные системы. Характерные признаки. Термин ’’каркас” начали применять при строительстве зданий с увеличенным числом этажей, когда вместо массивных кирпичных конструкций начали применять стальные и железобетонные конструкции; это название тесно связано с разделением конструкций на несущие и на заполнение. Под термином ’’каркас” обозначают пространственную стержневую конструкцию, способную воспринимать все действующие на нее и произвольно направленные в пространстве нагрузки. Под первичной каркасной системой подразумевают открытый каркас, означающий, что поперечная и продольная жесткость, а также жесткость при кручении обеспечиваются плоскими диафрагмами жесткости, а возникающие моменты кручения относительно вертикальной оси разложатся на касательные усилия в плоскостях стен-диафрагм, которые вследствие этого будут работать на изгиб. Размещение диафрагм жесткости в плане здания может быть весьма разнообразным.
В каркасных системах четко различают несущие и ненесущие конструкции, что является основным их достоинством, так как вертикальные конструкции минимально ограничивают свободу планировки и тем самым обеспечивают универсальность зданий. В каркасах зданий, особенно рамных, легко выполняется стеновое заполнение из кирпичной кладки и в них свободно устраивают проемы окон, дверей и размещение коммуникаций. Поэтому каркасные конструкции применяют при строительстве зданий различного назначения - жилых, административных, торговых, гостиниц и т.д. В некоторых случаях стеновое заполнение рам, например из кирпичной кладки на цементном растворе или из железобетонных панелей, может обладать сопротивляемостью сдвигу, благодаря чему заполнение можно рассматривать как сжатые диагонали, что в значительной мере повышает общую жесткость здания. Более подробно этот вопрос рассмотрен в работе.
Здания могут иметь различную форму в плане; наиболее часто встречается прямоугольная. Существуют различные комбинации каркасных систем с другими системами, например со стенами или ядрами.
Размещение рам в поперечном направлении здания. При проектировании высотных зданий прямоугольной формы в плане (у которых длина значительно превышает ширину) целесообразно с точки зрения статической работы конструкций размещать рамы в поперечном направлении, поскольку ветровая нагрузка в этом направлении значительно больше (больше площадь наветренной стены, меньше длина воспринимающих нагрузку конструкций), чем на торцевые стены (меньше площадь наветренной стены, больше длина воспринимающих нагрузку конструкций). Если при компоновке здания использована гравитационная подсистема с поперечным расположением балок или рам (рис. 4.18, а), то эта подсистема обеспечит жесткость здания в поперечном направлении. Жесткость (устойчивость) здания в продольном направлении обеспечивают продольные диафрагмы жесткости (рис. 4.18, б). Возможным решением в данном случае является применение поперечных диафрагм жесткости (рис. 4.18, в), тогда расчет рам на гравитационную нагрузку ведется с предположением неподвижности узлов рам.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

В направлении, перпендикулярном ригелям рам, при работе на горизонтальные нагрузки дополнительные усилия получают конструкции перекрытий. Ригели рам одновременно выполняют здесь функции главных балок, а это значит, что при определении их сечений следует учитывать вертикальные и горизонтальные нагрузки. Если напряжения от вертикальных нагрузок в ригелях всех этажей могут быть одинаковыми, то влияние горизонтальных нагрузок особенно сильно проявляется в уровне нижних этажей. Из этого вытекает, что в высотных зданиях трудно обеспечить одинаковую высоту ригелей в уровнях перекрытий всех этажей.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Размещение рам в продольном направлении здания. При небольшом числе этажей рамы можно размещать в продольном направлении здания; в качестве продольных рам можно использовать наружные стены по фасадам здания (ригели, например, могут размещаться в уровне надоконных перемычек); внутренние продольные рамы могут быть установлены в плоскостях стен, образующих коридоры (рис. 4.19, а). Это решение целесообразно применять, когда основные коммуникации для оборудования здания располагают в продольном направлении здания (например, размещены в коридоре, расположенном в середине здания), при этом высокие поперечные ригели не будут мешать размещению коммуникаций, как это имело место в системах с поперечными рамами. Конструкции перекрытий в этом случае работают на горизонтальные нагрузки в поперечном направлении здания. При малом числе этажей и при большом числе пролетов конструкции перекрытий могут выполнять функции ригелей поперечных рам. При большом числе этажей для обеспечения жесткости в поперечном направлении здания необходимо предусмотреть специальные связи или диафрагмы жесткости (рис. 4.19, б) которые размещают там, где это удобнее согласно планировочным решениям (рис. 4.19, в).
Размещение рам в двух направлениях здания. Если здание имеет в плане форму квадрата, то можно применить так называемое крестообразное расположение рам, при котором они расположены в поперечном и продольном направлениях здания и имеют общие стойки, обладающие изгибной жесткостью в обоих направлениях (рис. 4,20, а). Такое решение редко применяют при проектировании стальных каркасов из-за сложности сечения стоек ригелей (замкнутые сечения, крестообразные сечения) и рамных узлов. Для железобетонных монолитных конструкций (опоры прямоугольного сечения, обладающие жесткостью в двух направлениях, простые конструкции стыков, армирование плит в двух направлениях) такое решение является типичным.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Применение перекрестно-балочной системы в перекрытиях со стальными конструкциями нежелательно в основном из-за сложности узлов пересечения балок, поэтому вместо устройства перекрестно-балочной стальной системы применяют железобетонные плиты, уложенные по ригелям рам, или балки перекрытий укладывают в двух направлениях в шахматном порядке (рис. 4.20, б).
В некоторых случаях целесообразнее располагать одни рамы в поперечном направлении, другие в продольном (рис. 4.20, в). Такое решение позволяет применять для стоек двутавровые профили и исключает сложные решения узлов. Это решение рекомендуется применять при частой сетке колонн в тех случаях, когда необходимо избежать мощных вертикальных конструкций в плоскости наружных фасадных стен, концентрировать вертикальные связи и диафрагмы в определенных местах, при этом остальные вертикальные опоры будут воспринимать только вертикальные нагрузки. Вертикальные связи и диафрагмы всегда в какой-то степени ограничивают свободу планировки, поэтому применение меньшего числа мощных диафрагм, необходимых для обеспечения пространственной жесткости здания, экономически более эффективно, чем применение большего числа диафрагм меньшей жесткости.
Системы с несущими стенами, каркасы со стенами-диафрагмами. Открытые, замкнутые или комбинированные системы с несущими стенами типичны для массивных конструкций из кладки или железобетона. Применительно к железобетонным конструкциям существует большое число систем с несущими стенами, которые разработаны с учетом строительной технологии: из сборного железобетона (панельные дома), из монолитного железобетона, возводимых с применением опалубки определенного типа (щитовой, переставной, скользящей или так называемой оставляемой), из сборно-монолитного железобетона (часть конструкций из элементов заводского изготовления, часть — из монолитного железобетона) и т.п. В последнее время наблюдается тенденция достижения максимальной степени заводской готовности и снижения трудоемкости на строительной площадке, а также тенденция перехода на пространственные элементы заводского изготовления. Интересны опыты с применением листовых конструкций для систем со стальными стенами. Широкие эксперименты, в которых применялись трехслойные панели с обшивками из стальных профилированных листов (с трапецеидальной формой волны) и средним слоем из легкого бетона, были проведены в Чехии. Стальные каркасы усиливают железобетонными стенами, которые размещают в тех местах, где должны находиться решетчатые диафрагмы или рамы жесткости. При таком решении железобетонные стены не только заменяют кирпичное или другое стеновое заполнение, но и принимают на себя статическую функцию. Железобетонная стена при надежном соединении с оконтуривающими ее стальными колоннами может выполнять функцию элементов, воспринимающих сдвиговые нагрузки (при этом колонны становятся как бы поясами вертикальных диафрагм). Кроме того, железобетонная стена кроме сил сдвига воспринимает изгибающие моменты и вертикальные нагрузки.
Стены-диафрагмы также выполняют из усиленных ребрами стальных листов, которые с одной стороны бетонируют тяжелым или легким бетоном. Такая стальная стена выполняет функции: статическую и односторонней оставляемой опалубки; при хорошей обработке поверхностей не нужна дополнительная отделка стен.
Оболочковая система. В конструктивной оболочковой системе воспринимает все боковые нагрузки и обеспечивает жесткость и устойчивость всего сооружения вертикальная, пространственная, замкнутая конструкция, т.е. оболочка, жестко заделанная в фундамент или в конструкции подземных этажей. Поперечную жесткость оболочки обеспечивают конструкции перекрытий, жесткие в своей плоскости. Стены оболочки выполняют из рам решетчатых конструкций или стен с проемами (перфорированных стен). Стены оболочки располагают по контуру здания или по контуру внутреннего дворика, в некоторых случаях они могут образовывать секции (соты) и т.п. Оболочки, размещенные внутри здания и одновременно используемые для размещения коммуникаций, обычно выполняемые со сплошными стенами, называются ядрами.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Форма поперечного сечения оболочки различна и зависит от формы здания в плане. С точки зрения статического расчета и ориентации стен можно выделить несколько типов этой системы, которые располагают по порядку в соответствии с их назначением, из которого вытекает возможность их применения для низких и высотных зданий, в том числе ’’гибких”: внутренние оболочки, размещенные по внутреннему фасаду, если здание имеет внутренний дворик - атриум (рис. 4.21); наружные оболочки по контуру здания, по наружному фасаду (рис. 4.22); оболочка в оболочке (труба в трубе) ; комбинация внутренней и наружной оболочек (рис. 4.23); многосекционная оболочка (рис. 4.24).
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Конструкция оболочки здания может быть (рис. 4.25) рамная решетчатая, решетчатая с мелкими ячейками, стеновая (сплошные стены с проемами).
В рамных конструкциях стен силы сдвига вызывают изгибающие моменты в стойках и особенно в ригелях, вследствие чего уменьшается несущая способность и жесткость конструкции. Поскольку в рамных конструкциях стен оболочковых систем возникают большие поперечные силы, то расстояние между стойками должно быть небольшим, обычно в пределах 1,5—3 м; сечения стоек и особенно ригелей должны быть высокими. Расстояние между стойками и ригелями определяют в зависимости от изгибающих моментов в элементах рам и податливостью при сдвиге соединений в углах (такие рамы напоминают стену с проемами). Соединения рамных стен друг с другом обладают большой жесткостью при сдвиге, в результате стены, расположенные в направлении, перпендикулярном направлению горизонтального воздействия, увеличивают несущую способность и жесткость всей конструкции и оболочковая система работает как единое целое при действии горизонтальной нагрузки в произвольном направлении.
В решетчатых (ветровых) конструкциях стен оболочковых систем горизонтальные силы проявляются в форме нормальных сил без влияния изгибающих моментов; при этом в опорах, размещенных в углах здания, - от внешнего изгибающего момента, а в элементах заполнения - от сил сдвига. Эта система очень жесткая и экономически эффективная. Решетчатая система может быть решена в виде суперсистемы. Это значит, что стержни стенового заполнения (раскосы) могут проходить через несколько этажей, в результате конструкции промежуточных этажей являются второстепенными (см. рис. 4.25, б)
Диагональные решетчатые стены с ячейками небольших размеров по характеру статической работы приближаются к конструкциям в виде сплошных стен (см. рис. 4.25, в).
Наибольшей жесткостью обладают оболочковые системы со сплошными стенами, в которых предусмотрены отдельные проемы. Чтобы эти конструкции действительно работали эффективно, необходимо в них предусмотреть минимальное число проемов, поэтому в качестве фасадных стен они обычно не,применяются - чаще всего для устройства внутренних ядер.
Оболочковые системы очень эффективны, особенно если используется вся площадь поперечного сечения, в этом случае сечение, сопротивляющееся горизонтальным воздействиям, достигает максимальных размеров. Эта система применима для высотных зданий, у которых отношение меньшего размера в плане к высоте находится в пределах 1:6 - 1:7. За последние 20 лет эта система нашла широкое применение в США при строительстве небоскребов.
Недостатком оболочковой системы является то, что наружные стены (фасады) загромождены несущими конструкциями, в результате чего ограничиваются возможности вариантных решений окон. Еще одна проблема, которая возникает при возведении зданий оболочковой системы, особенно в районах плотной застройки, - это возможность освобождения от несущих массивных конструкций на уровне первых этажей.
Системы с ядрами и их комбинации с другими системами. Здания с внутренним ядром. При разработке объемно-планировочных решений высотных зданий (административных, торговых, производственных) вертикальные коммуникации (лифты, лестницы, шахты для электропроводки, сантехническая арматура и т.д.) целесообразно размещать в середине здания, в тех местах, где предусматривают ядра. Эти пространственные конструкции со сплошными стенами необходимо учитывать в статическом расчете. Поскольку стены могут одновременно выполнять две функции — функцию несущих и функцию ограждающих конструкций, - в зданиях со стальными конструкциями применяют ядра с железобетонными стенами; кроме того, при таком конструктивном решении обеспечивается противопожарная безопасность.
Ядро в виде призматического ствола, проходящего через все здание, является основной несущей конструкцией, воспринимающей горизонтальные нагрузки. Остальные вертикальные конструкции являются частью гравитационной подсистемы и воспринимают только вертикальные нагрузки; их выполняют относительно гибкими (с поперечным сечением небольших размеров), в результате чего они занимают мало площади в плане и не мешают свободной планировке. Размещение таких гибких вертикальных конструкций в плоскости наружных стен позволяет создать улучшенное естественное освещение помещений. С точки зрения статической работы ядро ведет себя как тонкостенный (толстостенный) стержень открытого или замкнутого сечения, жестко заделанный в фундамент, в котором по высоте здания расположены горизонтальные жесткие диски, выполняющие функции диафрагм и обеспечивающие неизменяемость сечения стержня. Ядро способно воспринимать все виды воздействий: нормальные силы, силы сдвига в любом направлении, изгибающие моменты при действии горизонтальной нагрузки в любом направлении, а также горизонтальные нагрузки, которые не проходят через центр жесткости сечения и вызывают кручение ядра.
Площадь ядра в плане, внутри которого размещено инженерное оборудование здания, в среднем составляет 15-35% площади здания в плане; размещение оборудования внутри ядра является благоприятным фактором с точки зрения статической работы системы, так как с увеличением высоты здания требуются большие площади для размещения оборудования, а это в свою очередь приводит к увеличению площади ядра в плане. Обычно ширина ядра составляет 1/3-1/2 ширины здания, таким образом ядро имеет относительно небольшую высоту сечения. Это может привести к тому, что в зданиях значительной высоты ядра становятся гибкими и не могут обеспечить достаточную жесткость, поэтому в высоких зданиях возникает необходимость дополнить систему с ядром другой системой.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Форма ядра в плане и его размещение в плане здания могут быть различными. На рис. 4.26 приведено несколько возможных форм в плане односекционных ядер, к которым симметрично подсоединены стальные конструкции здания. В одном здании может быть размещено несколько ядер, как это приведено на рис. 4.27. Ядра желательно размещать в плане здания симметрично, чтобы нагрузки на них распределялись равномерно и не возникали большие моменты кручения. При несимметричном расположении ядер в их стенах возникают значительные напряжения от кручения, что крайне неблагоприятно, особенно при сейсмических воздействиях. Ядра редко бывают односекционными, обычно в результате размещения в них различных коммуникаций, шахт инженерного оборудования ядра разделяют стенами на несколько секций (рис. 4.28). Эти разделяющие стены могут быть выполнены как часть несущих конструкций или в виде заполнения.
Классификация различных систем с ядрами. Ядро и остальные вертикальные и горизонтальные конструкции могут находиться в различной зависимости друг от друга с точки зрения их статической работы и могут образовать различные пространственные системы. Можно произвести анализ конструктивных систем с помощью разложения их на подсистемы: гравитационную, воспринимающую вертикальные нагрузки) и стабилизирующую (воспринимающую горизонтальные нагрузки). Допустим также, что в процессе возведения здания конструктивная система может превращаться в различные системы, которым соответствуют расчетные схемы, отличающиеся от расчетной схемы окончательной системы.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Для большей наглядности и простоты анализ проведен на простом примере здания квадратной формы в плане размером ЗахЗа с внутренним ядром размером в плане аха; все остальные вертикальные конструкции здания размещены по контуру здания (рис. 4.29). Малые размеры площади ядра в плане в рассматриваемом примере не принимают во внимание. Eo всех рассматриваемых конструктивных вариантах предполагаются одинаковое число этажей, одинаковая высота и одинаковые нагрузки.
Вертикальная нагрузка на целый один этаж
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Соответствующая равномерно распределенная нагрузка на один этаж
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Нагрузка N1 распределяется следующим образом:
- на стены ядра приходится
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

- на наружные колонны
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Одной из основных характеристик конструктивных систем является их поведение при различных нагрузках (вертикальных, горизонтальных, вследствие температурных деформаций и т.п.). Для сравнения реакций конструкций на вертикальную нагрузку вводят эквивалентную равномерно распределенную нагрузку q, которую получают из отношения суммы всех вертикальных постоянных и временных нагрузок, приходящихся на один этаж (ядро, перекрытия внутри и вокруг ядра, перегородки, наружные навесные стены, коммуникации и т.д.), к площади всего этажа (площади застройки). Правда, собственный вес стен ствола составляет значительную часть всей вертикальной нагрузки и воспринимается только конструкциями ядра, но, как правило, внутри ядра много места занимают шахты, поэтому введение такой эквивалентной равномерно распределенной нагрузки может допускаться. Для высотных зданий допускается, что нормальные силы возрастают по линейному закону (вместо ступенчатого). Можно предположить, что и горизонтальные нагрузки во всех рассматриваемых вариантах одинаковы, хотя динамическая составляющая ветровой нагрузки зависит от частоты собственных колебаний здания. Исходя из вышесказанного системы с ядрами можно разделить на следующие группы (рис. 4.30).
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Чистые системы с ядром (ствольные). В этих системах ядро является единственной конструкцией, воспринимающей горизонтальные нагрузки и обеспечивающей пространственную жесткость здания. Здесь можно выделить несколько типов: а) ядро с консольными конструкциями перекрытий (с консольными этажами); б) ядро с колоннами по контуру здания (ствольная с колоннами); в) ядро с консольной платформой на уровне нижних этажей, на которую опираются наружные колонны вышерасположенных этажей; г) ядро с перекрытиями, подвешенными к консольному поясу в уровне верхних этажей (с подвешенными этажами).
Система с ядром, комбинированная с другими системами. Горизонтальные нагрузки воспринимаются как конструкциями ядра, так и конструкциями других систем. При сочетании двух систем могут быть получены следующие типы систем: д) ядро в сочетании с каркасом (каркасно-ствольная); е) ядро в сочетании с отдельными несущими стенами или диафрагмами жесткости (ствольная с диафрагмами жесткости); ж) ядро в сочетании с наружной оболочкой ( коробчато-ствольная).
На рис. 4.31 показана схема принципа статической работы различных систем с ядрами, которую характеризуют эпюры нормальных сил А/ от вертикальных нагрузок, эпюры изгибающих моментов M от горизонтальных нагрузок и изменения горизонтальных прогибов f, Каждый из приведенных вариантов обладает достоинствами и, однако, имеет границы целесообразного применения. При выборе конструктивной системы, материалов и строительной технологии необходимо учитывать функциональное назначение здания, требования к объемно-планировочному решению, архитектурное решение, высоту здания, грунтовые условия, конструктивно-статические требования, производственно-монтажные возможности и экономические соображения.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Чистые системы с ядрами. Чистые системы с ядрами с точки зрения их статической работы являются наиболее четкими: гравитационную систему образуют конструкции перекрытий с ядром и остальные вертикальные конструкции; стабилизирующая система — это конструкция самого ядра. Напряжения в опорах возникают вследствие совместного действия вертикальных и горизонтальных нагрузок.
а) Система с консольными перекрытиями. В ней ядро образует единую вертикальную конструкцию, в которой вертикальная нагрузка линейно возрастает в направлении к фундаменту. В этой системе достигается максимальная свобода решения фасадных стен, однако из-за гибкости консольных конструкций размеры перекрытий ограничены. Эта система применялась, например, при строительстве радиотрансляционных башен, на открытых площадках которых размещают переносные параболические антенны, а в некоторых случаях — крытые радиорубки.
б) Ядро и колонны. Эта система характеризуется тем, что в колоннах возникают только осевые силы от вертикальной нагрузки, поэтому их выполняют относительно тонкими. Однако на уровне первых этажей располагают слишком много вертикальных конструкций, поэтому иногда часть колонн не доводят до низа, их устанавливают на балки перекрытий, в результате внизу уменьшается число вертикальных конструкций.
в) Система с консольной платформой в уровне нижних этажей. В ней колонны опираются на консольную платформу, ниже которой ядро является единственной вертикальной конструкцией; пространство в уровне первых этажей свободно, в нем нет колонн. Верхняя часть здания, расположенная выше консольной платформы, аналогична системе, описанной в предыдущем пункте.
г) Система с подвешенными перекрытиями. В системах с подвешенными этажами нагрузки от перекрытий передаются через подвески на консольный пояс, расположенный вверху здания (этот пояс называют консольным оголовком). Силы растяжения в подвесках возрастают в направлении к верху здания, нагрузка с помощью консольного оголовка передается на вершину ядра, в результате в стенах ядра действует сжимающая сила. Распределение нормальных сил в этой системе максимальное, так как путь нормальных сил от подвесок до фундамента очень длинный, однако это не значит, что в этой системе расход материала (стали) на вертикальные конструкции будет наибольшим. Подвески работают на растяжение, поэтому не возникает проблемы продольного изгиба и потерь устойчивости при изгибе. Стены ядра чаще всего выполняют из железобетона и появление больших нормальных сил можно рассматривать как благоприятный фактор, поскольку возникающие большие сжимающие напряжения могут перекрывать напряжения растяжения, возникающие от изгибающих моментов при действии горизонтальных сил.
Все системы с ядрами, в которых ядро на уровне первых этажей является единственной вертикальной конструкцией, обладают тем преимуществом, что их можно применять для возведения зданий в плотной городской застройке, так как фундамент под ядром имеет размеры в плане меньше размеров здания и может быть размещен на достаточном расстоянии от фундаментов соседних зданий. Однако здания с такой конструктивной схемой возводят на основаниях с достаточной несущей способностью.
Система с подвешенными этажами позволяет применять интересные архитектурные решения, нижние этажи могут быть свободны от застройки, фасадные стены разделяют лишь тонкими подвесками, консольный оголовок также способствует созданию выразительного архитектурного решения. С конструктивной точки зрения и с точки зрения возведения эта система самая сложная. Обычно при возведении зданий необходимо придерживаться следующего порядка работ: ядро — консольный оголовок — подвешивание этажей в направлении сверху вниз. При такой технологии трудно организовать одновременность выполнения строительно-монтажных работ. Определенных успехов можно достичь тогда, когда есть возможность установить монтажные механизмы на вершине ядра (прежде всего проблемой является подъем тяжелых элементов консольного оголовка), а конструкции перекрытий собрать в секции на уровне земли и поднять их целиком в проектное положение. Проблемы возникают и в связи с деформациями подвесок, особенно тогда, когда для них применяется некачественный материал. Из-за возникновения упругих деформаций подвесок необходимо конструкции перекрытий монтировать с определенным допуском по высоте, учитывающим последующее опускание перекрытий.
С точки зрения расхода материалов экономия стали на подвесках (поскольку они находятся под действием растяжения и в них не может возникнуть продольный изгиб, как это имеет место в колоннах) сводится на нет из-за большого расхода стали на консольные оголовки, которые, кроме того, сложно изготовлять и монтировать.
Из расчетных конструктивных и практических соображений необходимо очень точно определять число этажей, подвешенных к одному горизонтальному консольному поясу (оголовку). При большом числе подвешенных этажей сказывается влияние перемещений подвесок (вследствие прогиба консольного пояса и удлинения подвесок под действием нагрузки) и влияние температурных перепадов, поэтому число этажей, подвешенных к одному поясу, не должно превышать 15. При большем числе этажей целесообразно устраивать промежуточные консольные пояса. При нескольких промежуточных консольных поясах можно добиться определенной архитектурной выразительности, а также этапности строительно-монтажных работ.
При проектировании консольных поясов можно добиться большого разнообразия с точки зрения выбора статической системы, выбора конструктивной высоты, а также материала и технологии производства работ.
Чистые системы с ядрами являются простыми с точки зрения статического расчета, однако их недостатком является то, что при большой высоте здания (примерно от 80 м) или при большой гибкости ядер (начиная от отношения высоты к ширине ~ 8:1) эти системы не являются рациональным решением, особенно с точки зрения обеспечения достаточной жесткости в горизонтальном направлении, поэтому возникает необходимость усиления системы с ядром какой-нибудь другой системой, чтобы пространственная жесткость здания обеспечивалась сочетанием нескольких первичных систем.
Ядро в сочетании с каркасом. При сочетании ядра с каркасом может возникнуть много решений, главной целью которых является включение вертикальных конструкций в систему, воспринимающую горизонтальные нагрузки.
Если исходить из системы ”б” (ядро + колонны), то колонны можно включить в стабилизирующую систему следующими способами (рис. 4.32): устройством жестких горизонтальных диафрагм-ростверков на одном или нескольких уровнях (а); соединением колонн с помощью балок в уровне каждого этажа (б); устройством вертикальных диафрагм (рамных, решетчатых) между стойками в плоскостях наружных стен (в).
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Влияние горизонтальной диафрагмы-ростверка, размещенного вверху здания, на деформации ядра при действии горизонтальных нагрузок представлено в виде схемы на рис. 4.33. При шарнирном соединении колонн с ядром оно ведет себя как консоль, а колонны с балками повторяют эти деформации, при этом вершины колонн перемещаются по горизонтальной прямой. В системе с жесткой диафрагмой-ростверком вверху здания произойдет определенный поворот этой диафрагмы, при этом вершины колонн не смогут перемещаться по прямой и с одной стороны колонны удлинятся, а с другой укоротятся. Осевые силы в колоннах по всей их высоте постоянны. И разгружающий момент Af4 будет постоянным по всей высоте ядра, он разгружает ядро и уменьшает деформации, особенно поворот вершины. Величина разгружающего момента Ма зависит от многих парам: от геометрии системы, положения горизонтальной диафрагмы, от жесткостных характеристик системы, характера нагрузки. Основное в этих системах то, что горизонтальный сдвиг воспринимают стены ядра. Вертикальный сдвиг диафрагма передает на ствол, а колонны находятся под действием осевых сил.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Поперечная жесткость здания в значительной степени зависит от изгиб-ной жесткости поперечных диафрагм и от их положения относительно вершины ядра. Жесткие поперечные диафрагмы ограничивают температурные деформации системы, а при больших перепадах температур между наружными колоннами и внутренним ядром (как это бывает в случае массивных колонн, установленных с наружной стороны перед фасадом), предотвращая температурные деформации, способствуют возникновению в конструкциях значительных напряжений. Подобные последствия имеют место и при изменении объема (вследствие усадки, ползучести) вертикальных конструкций, особенно если конструкции выполнены из разных материалов. Задача проектировщика - определить оптимальные жесткости и размещение поперечных диафрагм, которые, с одной стороны, воспринимали горизонтальные нагрузки, с другой - обладали относительной податливостью при температурных изменениях. Это требование выполняют при применении диафрагм, высота которых меньше высоты ядра или которые континуально соединены с помощью балок перекрытий.
Горизонтальные диафрагмы размещают в одном, иногда в двух уровнях в тех местах, где дополнительные конструкции могут прерваться, например в уровне покрытия, в уровне технического этажа. На выбор месторасположения горизонтальной диафрагмы может повлиять и принятая технология производства работ.
Систему с горизонтальной диафрагмой, размещенной в уровне верхнего этажа, можно рассматривать как объединенную систему (ядро объединено с колоннами с помощью горизонтальной диафрагмы). Здесь можно провести аналогию с комбинированной сталежелезобетонной балкой (стальная балка работает совместно с железобетонной плитой; совместность их работы обеспечивается шпонками, предусмотренными на верхней полке балки), статическая работа которой на разных этапах возведения здания зависит от выбранного метода и порядка монтажа.
Типы конструктивно-статических систем высотных зданий

Статическая расчетная схема системы с ядром также может изменяться в процессе возведения несущих конструкций (рис. 4.34). Пока колонны вверху не соединены с верхней горизонтальной диафрагмой, конструкции работают по схеме чистой системы с ядром (ядро и колонны); как только конструкции перекрытий будут подвешены к горизонтальной диафрагме, система превращается в систему с подвешенными этажами. На этих этапах работает основная необъединенная система, она воспринимает одну часть постоянных нагрузок, в то же время происходят основные деформации от усадки и ползучести бетона ядра. После замыкания (соединения наружных колонн с верхней горизонтальной диафрагмой или фундаментами) возникает объединенная система. Все остальные вертикальные нагрузки (другая часть постоянной нагрузки, эксплуатационные нагрузки), горизонтальные воздействия, температурные воздействия и воздействия вследствие изменения объема материала теперь воспринимаются объединенной системой. Часть вертикальной нагрузки передается колоннами как на фундаменты (сжатие), так и на горизонтальную диафрагму (растяжение).
Установка вертикальных диафрагм в плоскости наружных стен оказывает на систему воздействие, подобное воздействию при установке отдельных стен, поэтому эти сочетания можно рассмотреть подробно.
Ядро в сочетании с отдельными вертикальными диафрагмами. Ядро и плоские вертикальные диафрагмы соединяются при помощи большого числа перекрытий, которые являются жесткими в горизонтальной плоскости, но не способны передавать касательные сдвиговые усилия на вертикальные конструкции. При горизонтальных нагрузках ядро и диафрагма жесткости совместно перемещаются как консоли, заделанные в фундамент, и горизонтальная нагрузка распределяется между ними пропорционально их жесткостям. Диафрагмы жесткости воспринимают нагрузки, действующие в их плоскости; они не могут воспринимать нагрузки, перпендикулярные их плоскости. Диафрагмы жесткости размещают так, чтобы у здания увеличилась жесткость при кручении.
Ядро в сочетании с наружной оболочкой. Внутреннее (обычно со сплошными стенами) ядро совместно работает с наружной оболочкой рамной или решетчатой конструкции. Высокую несущую способность и жесткость при изгибе и при кручении внешней оболочки дополняют высокой несущей способностью при сдвиге ядра, в результате чего возникает новая система с повышенными прочностью и жесткостью. Если бы ядро имело стержневую конструкцию, то по сравнению с наружной оболочкой оно не так эффективно участвовало бы в восприятии горизонтальных сил. Эту систему целесообразно применять в высоких зданиях башенного типа.
Конструкции ядер, технология возведения. Ядра выполняют со стальными конструкциями и стеновым заполнением из кирпичной кладки, с железобетонными конструкциями, с комбинированными конструкциями, т. е. при соединении стальных конструкций с железобетонными.
Стальные конструкции выполняют в виде рам, решетчатых конструкций, сочетания рам с решетчатыми конструкциями и т.п. Цельнометаллическая конструкция обладает преимуществами с точки зрения статической работы, конструктивного решения, монтажно-строительных работ; недостатками ее являются большой объем работ по ведению кладки, а также высокая стоимость в связи с большим расходом стали, поэтому ядро проектируют из железобетонных конструкций, которые совмещают функции несущих и ограждающих конструкций. Эта конструкция очень жесткая и в ней исключается проблема защиты конструкции ядра от коррозии и от пожара.
Чтобы ядро работало как замкнутая оболочка, необходимо внимательно подходить к вопросу размещения в стенах проемов для коммуникаций и инженерного оборудования. Трудности возникают при устройстве системы кондиционирования воздуха, для которой требуется разводка из труб большого сечения. Наличие больших проемов в стенах ядра снижает их несущую способность и жесткость, способствует концентрации местных напряжений. При размещении проемов в стенах ствола необходимо следить, чтобы они не ослабляли стены в наиболее нагруженных местах (например, в уровне нижних этажей, в углах ядра), а также, чтобы перемычки, соединяющие две стены, были одинаковой высоты и т.п. Необходимо, чтобы на ядро действовала вертикальная нагрузка, которая создает в нем предварительное обжатие, что повышает сопротивление ядра при действии изгибающих моментов, поэтому имеет смысл передавать на ядро вертикальные нагрузки с большой части площади перекрытий (в случае когда колонны расположены близко от ядра, как это бывает в зданиях, возводимых методом подъема перекрытий, такое размещение колонн вызвано технологической необходимостью). Подобные требования предъявляют и к железобетонным стенам жесткости. Стены, воспринимающие горизонтальные нагрузки, должны воспринимать максимально возможные вертикальные нагрузки, которые следует сконцентрировать в местах, где возникают растягивающие напряжения при действии горизонтальных нагрузок.
При соединении стальных конструкций с железобетонными возникают проблемы конструктивного характера, вызванные ползучестью и усадкой бетона, а также различными производственными и монтажными неточностями.
При возведении железобетонных стен ядер могут быть использованы следующие технологии с применением скользящей опалубки — опалубка перемещается на забетонированных и наращиваемых стальных направляющих; процесс бетонирования непрерывный; переставной опалубки — элементы опалубки (чаще всего высотой на один этаж) целиком переставляются после затвердения бетона; опалубки из проволочной сетки (система ”В” без опалубки) — частая сетка, непропускающая бетонную смесь и заменяющая опалубку; элементов заводского изготовления.
При применении скользящей опалубки ядра высотных зданий возводят до начала монтажа остальных конструкций. Эту технологию целесообразно применять при возведении ядер постоянного замкнутого сечения, простой формы в плане и при большой высоте. Из технологических соображений (удобоукладываемости бетонной смеси, ее уплотнения, непрерывного перемещения опалубки) в большинстве случаев требуется, чтобы размеры сечения и толщина стен на всю высоту здания были постоянными (минимальная толщина стен 15-18 см), при перпендикулярном соединении стен необходимо предусмотреть небольшие скосы углов. В связи с непрерывностью процесса и ограниченностью времени на стенах ядра необходимо выполнить минимальное число проемов для прохода коммуникаций и инженерного оборудования, для опирания конструкций перекрытий, крепления направляющих лифтов и т.п. Во время возведения стен ядра не производят другие строительно-монтажные работы как внутри, так и снаружи ядра.
Главным условием бетонирования в скользящей опалубке является обеспечение скорости процесса; необходимо, чтобы бетонная смесь не твердела быстро и не увеличила бы тем самым трение между опалубкой и твердеющим бетоном. Поэтому работать нужно очень быстро, в процессе возведения необходимо не только уложить арматуру и бетонную смесь, но и обеспечить устройство проемов, закладных деталей, стыковку арматурных стержней и т.д. Одновременно необходимо постоянно контролировать размеры и не превышать максимально допустимые отклонения (при скользящей опалубке существует опасность искривления ядра). Трудности возникают при выполнении верхней части ядра в случае необходимости усиления стен, на которые впоследствии укладывают горизонтальные диафрагмы, консольные оголовки и т.п.; для бетонирования таких стен необходимо применять традиционную опалубку.
К монтажу стальных конструкций приступают только после возведения ядра. Обычно на вершину ядра устанавливают монтажный механизм (кран-деррик) для подъема стальных элементов или монтаж производится с помощью подъемных кранов, установленных на земле за пределами площади застройки здания, а в исключительных случаях установленных внутри ядра.
Некоторые недостатки этой системы устраняют при применении переставной опалубки; в этом случае строительство ведется на всей площади здания; одинаковую технологию применяют для возведения стен ядра и колонн. Можно получить отделанную поверхность конструкции, например, рельефную или офактуренную.
В зданиях со стальным каркасом обычно не применяют сборные железобетонные конструкции ядер; их применяют в зданиях со сборными железобетонными каркасами.
Все рассмотренные технологии относят к специальным работам, поэтому при выборе технологии решающее слово будет принадлежать подрядчику в зависимости от того, по какой технологии он специализируется.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent