Загальні принципи проектування несучого кістяка і його елементів
Найважливіше призначення несучого кістяка-конструктивної основи будівлі - складається в сприйнятті навантажень, що діють на будівлю, «роботі» на зусилля від цих навантажень із забезпеченням конструкціям необхідних експлуатаційних якостей протягом всього терміну їх служби.
Навантаження ділять на дві групи: постійні і тимчасові. Постійні це власна вага всіх без винятку елементів будівель і інші види навантажень. До тимчасових відносять корисні, т. Е. Функціонально необхідні - навантаження від періодично перебувають у приміщеннях _людей, стаціонарного або пересувного обладнання та т. Pj навантаження, пов'язані з природними факторами району будівництва (снігові, вітрові, сейсмічні; температурні впливу), і ін. тимчасові навантаження поділяють на довготривалі, короткочасні і особливі; при розрахунках їх враховують в різних поєднаннях.
За характером дії навантаження можуть бути статичними (наприклад, від власної маси) або динамічними (пориви вітру, вібрації та ін.). За місцем докладання зусиль розрізняють навантаження, зосереджені (вага обладнання) і рівномірно розподілені (від снігового покриву і т. П.). У напрямку навантаження можуть бути горизонтальними (вітрової натиск, гальмівні сили рухомого обладнання, сейсмічні навантаження) і вертикальними (вага).
Навантаження важливо враховувати не тільки в розрахунках, а й на всіх стадіях проектування як кількісних критеріїв оцінки прийнятих рішень. Справа в тому, що в залежності від умов, для одних і тих же видів навантажень може бути значною різниця їх нормованих (нормативних) значень. Так, величина рівномірно розподілених корисних навантажень на перекриття житлових будинків може відрізнятися від тих же навантажень виробничих в 10. 20 разів і більше (1,5. 30 кН / м2), що істотно при встановленні параметрів і типів перекриттів.
Нормативні снігові навантаження в залежності від району будівництва різняться в 5 разів (0,5. 2,5 кН / м2). Тому для снігових районів істотна форма дахів: наприклад, при перепадах висот елементів будівель утворюються замети снігу - «снігові мішки» (зайва маса, труднощі з прибиранням і т. П.). Значна різниця і у величині швидкісних напорів вітру (0,27. 1,0 кНУм2), особливо несприятливих в гірських районах і на узбережжях морів. Ці нормативні значення зростають і в міру зростання поверховості будівель - до двох разів і більше; тому в міру зростання висоти будівлі стають все більш складними інженерними спорудами.
Типи несучих кістяків. Горизонтальні несучі елементи перекриттів (покриттів) призначені перш за все для роботи при дії на них різного роду вертикальних навантажень, які у вигляді опорних реакцій передаються на вертикальні опори. Крім того, ці ж перекриття є горизонтальними діафрагмами, що сприймають у своїй площині згинальні і зсувні зусилля від горизонтальних навантажень, забезпечуючи геометричну незмінність будівлі в кожному з горизонтальних рівнів, спільну роботу вертикальних опор при таких навантаженнях, перерозподіл зусиль між ними і т. П.
Вертикальні несучі конструкції сприймають всі види впливів і навантажень, що виникають в процесі експлуатації будівлі, і через фундаменти передають їх на грунт. Вертикальні опори є визначальною ознакою для класифікації несучих кістяків за типами. Відомі два типи вертикальних опор: стрижневі - колони або стояка каркасу; площинні - стіни; (Можна також віднести до несучих опор об'ємні тіла типу пілонів і т. П. Т. Е. Такі елементи, у яких всі три генеральних розміру приблизно одного порядку, але подібні опори зустрічаються вкрай рідко).
Так, стіна незалежно від того, складена вона з колод, чи виконана з цегли або зі збірних панелей, завжди розглядається як площинний елемент, один розмір якого (товщина) значно менше інших генеральних розмірів.
Виходячи з такого визначення розрізняють два основних типи несучого кістяка будівель: каркасний і стіновий (безкаркасний), Третій - комбінований "(або змішаний) - складається з різних поєднанні стрижневих і площинних вертикальних елементів (стійок каркаса і стін). Необхідно відзначити й існування таких несучих кістяків, в яких вертикальні опори взагалі відсутні, а похила конструкція покриття спирається безпосередньо на фундамент (арки, трикутні рами і т. П.). Такі споруди, що застосовуються в будівництві складів, ангарів і т. П. Називають шатровими.
Вся сукупність конструктивних елементів несучого кістяка багатоповерхових будівель в кожному окремому випадку об'єднана між собою цілком певним чином, утворюючи в просторі єдність закономірно расположенних- частин, т. Е. Систему, яку називають конструктивною. Так називають спосіб розміщення несучих горизонтальних і вертикальних конструкцій в просторі, їх взаємне розташування, спосіб передачі зусиль і т. П.
Види конструктивних систем при стеновом несучому кістяку
1. Системи з поздовжньо розташованими несучими стінами або, як прийнято говорити, з поздовжніми несучими стінами (розташовані вздовж довгої, фасадної сторони будівлі і паралельно їй). Таких паралельно розташованих стін може бути дві, три, чотири. Відповідно побутують спрощені назви таких стінових кістяків: «двухстенка», «трехстенка» і т. П.
2. Система з поперечно розташованими (з поперечними) несучими
стінами. Різновиди: з широким кроком (більше 4,8 м); вузьким кроком (4,2. 4,8 м); зі змішаними кроками.
3.Системи з перехресним розташуванням несучих стін (перехресно-стінова система). При каркасному несучому кістяку. Визначальною ознакою в цьому випадку є розташування ригелів каркасу. Ригелем називається стрижневою горизонтальний елемент несучого кістяка (головна балка, ферма і т. П.), Що передає навантаження від перекриттів безпосередньо на стійки каркаса. Розрізняють чотири типи конструктивних каркасних систем (рис. П.З): з поперечним розташуванням ригелів .; з поздовжнім; з перехресним розташуванням ригелів; з безрігельной каркасом, при якому ригелі відсутні, а гладкі або кессонірованний-ні плити перекриттів (так звані безбалкові) спираються або на капітелі колон, або безпосередньо на колони.
При комбінованому несучому кістяку. Серед великої різноманітності поєднань стрижневих і площинних вертикальних опор найбільш часто зустрічаються:
Системи, в яких каркас розташований в межах нижніх 1. 3 поверхів, а вище безкаркасний несучий кістяк. Розташування стін - по периферії, а стійок каркаса - всередині будівлі ( «неповний каркас»). Системи зі стіновим остовом - в одному або в декількох центрально розташованих стовбурах, які будуть забудовані по периферії стійками каркаса в один або кілька рядів і т. Д.
Вибір конструктивних систем - один з основних питань, що вирішуються при проектуванні будинків. Для орієнтації наводяться загальні відомості про зразкових областях застосування несучих кістяків і конструктивних схем.
Стіновий (безкаркасний) несучий кістяк - найпоширеніший в житловому будівництві. Розміри житлових осередків, необхідність членувань стінами і перегородками е забезпеченням звукоізоляції квартир та інші особливості обумовлюють технічну доцільність і економічну виправданість застосування безкаркасних будівель при будівництві житла, а також тих цивільних будівель, в яких переважає многоячейковая планувальна структура (готелі, санаторії, лікарні і т. п.).
Каркасний несучий кістяк застосовується для будівель з великими, що не розгороджених перегородками приміщеннями. Каркасний остов є основним для виробничих будівель, незалежно від їх поверховості для багатьох типів громадських будівель і споруд. У житловому будівництві обсяг застосування каркасного кістяка обмежений.
Застосовуються здебільшого системи з поперечним розташуванням ригелів. Розташування ригелів в двох напрямках характерно для багатоповерхових каркасних будинків при будівництві в сейсмічних районах. Без-ригеля каркас застосовується зазвичай в багатоповерхових будівлях виробничого призначення зі значними навантаженнями на перекриття, в багатоповерхових цивільних будівлях з оригінальними компонувальними рішеннями планів і т. Д.
Комбінований несучий кістяк частіше застосовується при будівництві цивільних багатоповерхових будівель; в промисловому ж будівництві значно рідше. Системи, в яких перші два-три поверхи каркасні, а решта безкаркасні, характерні для будівництва багатоповерхових житлових будинків на магістральних вулицях, а також готелів, санаторіїв і т. П. Т. Е. Будівель, в яких функціонально використовують перші поверхи.
Просторова жорсткість і стійкість будівлі. Стійкістю будівлі називають його здатність протидіяти зусиллям, які прагнуть вивести будинок з вихідного стану статичного чи динамічного рівноваги. Наприклад, при дії вітру, рівнодіюча сил повинна знаходитися в межах підошви фундаменту. Просторова жорсткість несучого кістяка - це ха-рактерТкгпГка системи, що відображає її здатність чинити опір деформаціям або, що те ж, здатність зберігати геометричну незмінність форми. У будівельній механіці споруда називається геометрично змінним в просторі, якщо воно втрачає форму при дії навантаження; наприклад, шарнірний чотирикутник, до якого прикладена невелика горизонтальна сила; і, навпаки, шарнірний трикутник - геометрично незмінна система. Перетворення чотирикутника в геометрично незмінну систему можна здійснити двома способами: ввести один діагональний стрижень (ріс.П.6, в) або замінити вузол шарнірного з'єднання стрижнів на жорсткий, 'незмінний, здатний сприймати вузлові моменти
Систему (схему), отриману першим способом, називають связевой по найменуванню діагонального стрижня, іменованого зв'язком. Зторую - рамної.
За допомогою кожного з цих способів можна надати геометричну незмінність будь-хто, багатопролітної системі, що складається «з ряду стійок, шарнірно пов'язаних з ригелями і з« землею ». При цьому досить надати геометричну. незмінюваність тільки одному з прольотів, щоб система стала геометрично незмінної. Для доказу в один з прольотів вводиться діагональний стрижень. Отриманий геометрично незмінний чотирикутник можна вважати «землею», розглядаючи її як нерухому опору для шарнірно опертих на неї двох стрижнів вузла 2, т. Е. Розглядаючи отримане як новостворений трикутник - нову незмінну систему. Подібні міркування можна повторити, по черзі приєднуючи кожен новий вузол з двома стрижнями. Висновок: доведено, що в багатопролітної системі досить встановити зв'язки в одному з прольотів, щоб система стала геометрично незмінної. Якщо розглянути багатоповерхову систему, то кожен нижній поверх зі зв'язками можна прийняти за «землю», а незмінюваність елементів наступного поверху досягається установкою зв'язків в одному з прольотів.
Розглянуті стрижневі схеми моделюють (як це прийнято в будівельній механіці) або плоскі каркаси, або проекції стін і перекриттів на площину креслення. Відповідно наведені докази відносяться до всіх типів несучих кістяків. Поняття ж «геометрична незмінність» тотожне поняттю «просторова жорсткість», прийнятому в будівельній практиці. Відповідно зв'язку називають «зв'язками жорсткості». Цей термін отримав різні тлумачення, які необхідно обумовити.
Так, крім діагонального стрижня геометрична незмінність систем забезпечується і іншими способами: введенням діафрагми жорсткості, ядер жорсткості і т. П. Наприклад, якщо в шарнірний чотирикутник вставити без зазорів панель - діафрагму - так, що вона буде здатна сприймати зсувні зусилля і моменти в своїй площині, т. е. «виконувати обов'язки» жорсткого диска, то її роль рівносильна ролі діагонального стрижня; діафрагму жорсткості відносять до варіанту зв'язків жорсткості. Такий же ефект виходить, якщо шарнірна система з'єднана з плоскою стінкою пілоном і т. П. Вони в даному випадку «виконують обов'язки» зв'язків жорсткості; або, що те ж, діафрагм, стінок, ядер жорсткості. Неважко бачити, що в даному випадку термін «зв'язку жорсткості» носить узагальнений характер. Разом з тим, коли кажуть «зв'язку», то в першу чергу мають на увазі стрижневі або гратчасті.
Таким чином, існують два способи забезпечення жорсткості плоских систем - по рамної і по связевой схемами. Комбінуючи ними при розташуванні елементів несучого кістяка в обох напрямках будівлі, можна отримати три варіанти просторових конструктивних схем будівлі: рамну, раЛносвязевую, в'язевих. У третьому напрямку - горизонтальному - перекриття зазвичай розглядаються як жорсткі діафрагми. Всі ці варіанти зустрічаються при проектуванні каркасного несучого кістяка
Рамна схема являє собою систему плоских рам (одно- і багатопрогонових; одно- та багатоповерхових), розташованих в двох взаємно перпендикулярних (або під іншим кутом) напрямках - систему стійок і ригелів, з'єднаних жорсткими вузлами при їх сполученнях в будь-якому з напрямів.
Рамно-связевая схема вирішується у вигляді системи плоских рам, шарнірно з'єднаних в іншому напрямку елементами міжповерхових перекриттів. Для забезпечення жорсткості в цьому напрямку ставляться гратчасті зв'язку або стінки (діафрагми) жорсткості. Плоскі рами зручніше встановлювати поперек будівлі.
В'язева схема рішення каркаса будівлі найбільш проста в здійсненні. Ґратчасті зв'язку, або діафрагми жорсткості, що вставляються між колонами, встановлюються через 24. 30 м, але не більше 48 м і в поздовжньому, і в поперечному напрямках; зазвичай ці місця збігаються зі стінами сходових клітин.
Рамна схема застосовується порівняно рідко. Трудомісткість будівельних робіт по забезпеченню жорсткості вузлів, підвищена витрата стали і т. П. Обмежують їх застосування в сейсмічних районах, будівлях, в яких на великому протязі (48. 54 м) не допускається установка стін, перегородок та інших перешкод і т. П. найчастіше, особливо у виробничих будівлях, застосовують рамно-в'язевих схему.
В'язева схема виправдовує своє широке застосування більшої простотою будівельних робіт, меншими витратами праці і матеріалів і т. П.
При стеновом несучому кістяку і при різних системах кістяків з неповним каркасом зазвичай застосовують в'язевих схему; при цьому зовнішні або внутрішні стіни виконують функції діафрагми або ядер жорсткості, т. е. не потрібна установка додаткових стін.