Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элемен­тов — вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жест­кими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.

Основное компоновочное преимущество каркасных систем в свободе планиро­вочных решений, в связи с редко расставленными колоннами, имеющие укрупненные шаги в продольном и поперечном направлениях. Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски пе­рекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждаю­щих конструкций, иногда воспринимая только собственный вес ( самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие — для несущих элемен­тов каркаса, и тепло— звукоизоляционные материалы — для ограждающих. Использова­ние высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что по­ложительно сказывается на статических свойствах здания.

Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:

1. По характеру статической работы: (рис. 16.1)

— рамные — с жестким соединением несущих элементов (колонны, ригели) в уз­лах в ортогональных направлениях плана здания. Каркас воспринимает все вертикаль­ные и горизонтальные нагрузки.

— рамно-связевые — с жестким соединением в узлах колонн и ригелей в одном на­правлении плана здания (создание рамных конструкций) и вертикальными связями, рас­ставленными в перпендикулярном направлении рамам каркаса. Связями служат стерж­невые элементы (крестовые, портальные) или стеновые диафрагмы., соединяющие со­седние ряды колонн. Вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются рама­ми каркаса и вертикальными пилонами жестких связей.

— связевые — отличаются простотой конструктивного решения соединении ко­лонн с ригелями, дающее подвижное (шарнирное) закрепление. Каркас (колонны, ри­гели) воспринимает только вертикальные нагрузки. Горизонтальные усилия передают на связи жесткости — ядра жесткости, вертикальные пилоны, стержневые элементы.

2. По материалам;

— жепезобетонный каркас, выполняемый в сборном, монолитном или сборно — монолитном вариантах.;

-металлический каркас, часто применяемый при строительстве общественных и многоэтажных гражданских зданий, возводимых по индивидуальным проектам ;

— деревянный каркас в зданиях не выше двух этажей.

3. По составу и расположению ригелей в плане здания:

— с продольным, поперечным, перекрестным win безригельным решением.

Рамная система каркасных зданий обладает большой жесткостью, устойчивос­тью и создает максимальную свободу планировочных решений. Система обеспечивает надежность в восприятии нагрузок и равномерность деформаций рам, расположенных в здании в продольном и поперечном направлениях. Недостаток (при сборном железобе­тонном каркасе) — сложность в унификации узловых соединений из-за разных величин усилий в них по высоте здания. Такое решение железобетонного каркаса наряду со стальным находит применение в сложных грунтовых условиях и в сейсмических районах.

275

1 -1

5-5

Рис. 16.1. Конструктивные схемы каркасных зданий: а — рамная; б — рамно — связевая; в — связе — вая; 1 — колонна; 2 — ригель; 3 — рамный узел; 4 — плоскость перекрытия; 5 — стенка (диафрагма) жесткости; 6 — шарнирный узел

При изготовлении рамного каркаса из сборного железобетона применяется раз­резка его несущих элементов на Г — Т — Н — образные элементы, позволяющая перене­сти узловые соединения в наименее напряженные участки — места нулевых изгибаю­щих моментов от вертикальных нагрузок.

Рамно-связевая система обеспечивает пространственную жесткость за счет сов­местной работы поперечных рам, вертикальных диафрагм жесткости и перекрытий, вы­полняющих функцию жестких горизонтальных дисков. Вертикальные нагрузки переда­ют на каркас как на рамную систему. Горизонтальные нагрузки, действующие перпен­дикулярно плоскости рам, воспринимают вертикальные диафрагмы жесткости и диски перекрытий, а нагрузки, действующие в плоскости рам, воспринимает рамно-связевой блок, состоящий из вертикальных диафрагм жесткости и рам каркаса.

В результате проведенных теоретических исследований доказано, что рамно-свя­зевая система удовлетворяет условию минимального расхода материала в несущих вер­тикальных конструкциях при нулевой жесткости поперечных рам, то есть когда систе­ма превращается в чисто связевую,

Связевая система все вертикальные нагрузки передает на стержневые элементы каркаса (колонны и ригели), а горизонтальные усилия воспринимают жесткие верти­кальные связевые элементы (стеновые диафрагмы и ядра жесткости), объединенные между собой дисками перекрытий. В связевом каркасе ограничена прочность и жест­кость стыков ригелей с колоннами. Узлы конструируют податливами с помощью сталь­ных связей («рыбок»), ограничивающих защемление.

Внедрение связевой системы в производство элементов сборного железобетон­ного каркаса позволило провести широкую унификацию его основных элементов (ко­лонн и ригелей) и их узловых соединений.

Разработана номенклатура индустриальных железобетонных изделий серии 1.020-1 (рис. 16.2), позволяющая возводить как гражданские, так и промышленные кар — касно-панельные здания любой конфигурации и этажности.

В состав номенклатуры серии помимо колонн и ригелей, включены панели пере­крытий, диафрагм жесткости и наружных стен.

Из унифицированных элементов могут быть запроектированы каркасы с про­дольным и поперечным расположением ригелей.

Габаритные схе. чы компонуются на следующих условиях:

— оси колонн, ригелей и панелей диафрагм жесткости совмещены с модульными ося­ми здания;

— шаг колонн в направлении пролета плит перекрытий равен 3,0; 6,0; 7,2, 9,0 и 12,0 м.

— шаг колонн в направлении пролета ригелей соответствует 3,0; 6,0; 7,2 и 9,0м.

— высота этажей в соответствии с назначением и укрупненным модулем ЗМ состав­ляет 3,3; 3,6; 4,2; 6,0 и 7,2м.

Кроме того для квартирных и специализированных жилых домов (пансионаты, гостиницы, общежития и т. п.) высота этажей принимается равной 2,8 м.

Компоновка диафрагм жесткости может быть разнообразной, но предпочтитель­нее устройство пространственных связевых систем открытого или замкнутого сечений.

Конструктивные элементы:

— колонны имеют высоту в 2 — 4 этажа, что позволяет в зданиях, с соответствую­щей этажностью, применять бесстыковые колонны. Наряду с бесстыковыми колоннами в номенклатуру включены следующие типы колонн: — нижние высотой в два этажа и

Рис. 16.2, Каркасное здание серии 1.020 — 1: а — аксонометрическая схема конструкций здания; б — узел сборки перекрытия около колонны; в — узел стыковки колонны; 1.2 — колонны одно­этажные (1) и двухэтажные (2); 3 — ригель; 4 — плиты перекрытия; 5 — стенки диафрагмы жест­кости; 6, 7, S — стеновые панели поясные(б), угловые (7) и простеночные (8); 9 — фундаментные конструкции; 10 — выпуски арматуры колонны; 11 — стальной хомут; 12 — бетон замоноличива — ния; 13 — панель — распорка перекрытия; 14 — стальные соединительные детали 278

Расположением низа колонны ниже нулевой отметки на 1,1м.; средние — высотой в три — четыре и верхние в один-три этажа. Предусмотрены колонны сечением 30×30 см для зданий высотой до 5-ти этажей и колонны сечением 40×40см для всех остальных. Ко­лонны выпускаются двухконсольнымии и одноконсольными. Двухконсольные колонны устанавливают по средним и крайним рядам при навесных панелях наружных стен. Од — нэконсольные колонны располагают по крайним рядам при самонесущих наружных стенах и по средним рядам при одностороннем примыкании стен-диафрагм жесткости в лестничных клетках. Стык осуществляется на сварке выпусков арматуры с последу­ющим омоноличиванием и расположением его выше плоскости консоли на 1050 мм.

-Ригели — таврового сечения с полкой понизу для опирания плит перекрытия, что уменьшает его конструктивную высоту. Стык ригеля с колонной выполняет со скры­той консолью и приваркой к закладным деталям консоли и колонны (частичное защем­ление).

— Перекрытия — многопустотные плиты высотой 220 мм и пролетом до 9,0м.. Плиты типа 2Т применяют для пролетов 9 и 12м. Элементы перекрытий разделяют на рядовые и связевые (плиты распорки). Связевые плиты перекрытия устанавлива­ют между колоннами в направлении перпендикулярном ригелям, обеспечивая их ус­тойчивость.

Перекрытия испытывают поперечный изгиб от вертикальных нагрузок и изгиб в своей плоскости от горизонтальных (ветровых, динамических) воздействий.

Необходимая жесткость горизонтального диска перекрытия, собираемого из сборных железобетонных элементов, достигается установкой связевых плит-распорок между колоннами, сваркой закладных соединительных элементов и устройством шпо­ночных швов из цементного раствора между отдельными плитами. Полученный жест­кий горизонтальный диск, воспринимая все нагрузки, включает в совместную работу вертикальные диафрагмы жесткости.

Стены — диафрагмы жесткости монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, толщиной 140мм. и длиной, соответствующей расстоянию между колоннами в преде­лах, которых они установлены. При шаге колонн 7,2 и 9,0м стены-диафрагмы проекти­руют составными из двух-трех панелей, с координационными размерами по ширине 1,2, 3,0 и 6,0 м. Они могут быть глухими или с одним дверным проемом. Элементы диа­фрагм жесткости между собой и элементами каркаса соединяют сваркой закладных де­талей, не менее чем в двух местах по каждой стороне панели с последующим замоно — личиванием.

Шаг диафрагм определяется расчетом, но не превышает 36,0 м.

Панели наружных стен могут быть запроектированы самонесущими или нене­сущими (навесными) конструкциями, (рис. 16.3). Разрезка стен на панели — двухрядная. В номенклатуру входят поясные простеночные, под карнизные, парапетные, цокольные панели.

Панели самонесущих стен устанавливают по цементно-песчаному раствору на цокольные или простеночные панели и крепят поверху к закладным деталям колонн. Панели ненесущих стен навешивают на ригели, консоли или опорные металлические столики колонн и закрепляют в плоскости перекрытия.

Привязка панелей самонесущих и несущих стен к каркасу единая — с зазором 20 мм между наружной гранью колонны и внутренней гранью панели наружной стены.

Изоляция стыков панелей решена по принципу закрытого стыка.

Рис. 16.3. Фрагмент фасада каркасного здания серии 1.020-1: А — схема разрезки наружной сте­ны на панели; а — герметизация вертикальных стыков; б — крепление верха панели к колонне; 1 — защитный слой; 2 — эластичная мастика; 3 — упругий шнур (гернит); 4 — колонна; 5 — кирпич­ная кладка; 6 — цементный раствор; 7 — наружная стеновая панель; 8 — стальные закладные дета­ли; 9 — стальные соединительные элементы 280

Московская строительная индустрия создала серию KMC — К 1, также основан­ную по принципу работы связевой системы.

Компоновка каркаса здания может осуществляться как с продольным, так и попе­речным расположением ригелей (рис. 16.4).

FOCD ; 7700 19000)

6000; ISSO. ; (№03}

Схема инъектировани цементного раствора

Рис. 16.4. Каркас серии KMC — К1. Основные планировочные ситуации стен жесткостей и несу­щих конструкций перекрытий: Р — ригель рядовой; РФ — ригель фасадный; НВ — настил; НРБ — настил-распорка; НРФ — настил-распорка фасадная; МФ — фасадная стеновая панель; СЖ — стен­ка жесткости; 1 — колонна с плоскими стальными торцами; 2 — полуавтоматическая сварка под слоем флюса; 3 — стальная центрирующая прокладка; 4 — закладная деталь; 5 — соединительная планка; 6 — цементный раствор; 7 — соединительная пластина; 8 — монолитный армированный бе­тон; 9 — закладная деталь

1 -1

Компактные в плане отапливаемые здания длиной до 150 м проектируют без температурных швов. Здания с изрезанным очертанием плана, приводящее к ослабле­нию горизонтальных дисков перекрытий, расчленяют на температурные блоки, длина которых увязана с членением объемной формы здания, но не превышает 60 м.

Как и в серии 1.020.1 каркас КМС-К1 собирают из колонн, ригелей, плит пере­крытий, панелей жесткости и навесных панелей наружных стен.

Колонны — выполняют одно — и двух-этажными, единого сечения 400×400 мм, а их несущая способность меняется с изменением марок бетона и процента армирования пе­реходом от гибкой (стержни) к жесткой (стальные профили) арматуре. В серии преду­смотрены колонны рядовые, фасадные и колонны с вылетом консолей до 1,2 или 1,8 м., служащие опорами для плит балконов и лоджий.

Стык колонны располагают на 710 мм выше плиты перекрытия, что упрощает монтаж. При монтаже колонн применяют специальные кондукторы, обеспечивающие соосность. Соединение осуществляется ванной сваркой плоских торцов колонн, с по­следующей инъекцией цементного раствора.

Ригели — таврового сечения высотой 450, 600 и 900 мм (последний для пролетов в 12,0м). Колонну соединяют с ригелем при помощи его опирания на скрытую (в высо­те ригеля) консоль и с частичным защемлением установленной по верхней полки риге­ля специальной фасонки — « рыбки », а также сваркой с закладными элементами кон­соли колонны. Значения воспринимаемых таким узлом изгибающих моментов и растя­гивающих усилий ограничены пределом текучести « рыбки». Поэтому в расчетах при восприятии вертикальных нагрузок защемление ригеля на опоре не учитывают, рас­сматривая его как шарнирное соединение.

Различают ригели рядовые и фасадные. Ригель фасадный имеет Z — образную форму, которая диктуется особенностью его работы — опирание плит перекрытий на нижнюю полку с одной стороны и навеской наружных стеновых панелей на верхнею полку с другой стороны.

Перекрытия — выполняют из многопустотных настилов высотой в 220 мм. На­стилы различают в соответствии с размещением в плане — рядовые, фасадные, настилы — распорки, сантехнические и доборные.

Для создания единого диска перекрытия боковые поверхности настилов имеют шпоночные углубления, которые (после их раскладки) замоноличивают, создавая шпо­ночные швы, воспринимающие сдвигающие усилия..

Стены жесткости — проектируют из железобетонных панелей высотой на этаж и толщиной в 180 мм. Они имеют одну или две полки для опирания настилов перекры­тий. Соединение с несущими элементами каркаса осуществляют при помощи стальных сварных связей числом не менее двух по каждой стороне.

Панели наружных стен — могут иметь горизонтальную или вертикальную разрез­ку по фасадной плоскости здания (рис. 16.5).

При двухрядной (горизонтальной) разрезки панели наружных стен подразделя­ют на поясные (ленточные), простеночные и угловые,

Координационные размеры панелей наружных стен горизонтальной разрезки по длине соответствуют шагу колонн, а по высоте составляют — 1,2; 1,5; 1,8 и 3,0 м. Простеночные панели могут быть высотой в — 1,5; 1,8 и 2,1м, а шириной кратны моду­лю 300 мм.

При вертикальной разрезке — все размеры панелей по длине и высоте кратны мо­дулю 300 мм. 282

Ч

Рис. 16.5. Фрагменты фасадных плоскостей каркаса КМС-1: А, Б — разрезка наружных стеновых панелей: горизонтальная (А) и вертикальная (Б); 1,2,3,4 — стеновые панели: — поясная (1), простеночная (2), угловая (3) и подоконная (4); 5 — металлическая стойка; 6, 7, 8, 9 — панели верти­кальной разрезки фасадной плоскости: панель на этаж (6), панель с нижним выпуском (7), панель с верхним выпуском (8) и простеночная па — ^ нель (9); 10 — опорные элементы; 11 — цементный раствор; 12 — настил перекрытия; 13 — фасадный ригель; 14 — стальная соединительная план — 2 ка; 15 уплотнительный шнур; 16 — герметизирующая лента; 17 — мастика; !8 — гернит; 19 — защитная краска; 20 — затирка

Узел опирания панелей наружных стен унифицирован для разных систем разре — зок на панели фасадных плоскостей. Панели опирают на несущую конструкцию пере­крытия (ригель, или настил) на глубину в 100 мм и приваривают при помощи закладных и соединительных элементов на расстоянии 600 мм в плане от оси колонны. Верх па­нели крепят к колонне, так же с помощью сварки соединительных элементов.

Горизонтальные стыки панелей наружных стен осуществляются в четверть с на­хлесткой в 75мм. Изоляция вертикальных и горизонтальных сопряжений панелей вы­полняется по принципу закрытого стыка

Система позволяет создать многовариантные объемно-планировочные решения за счет применения колонн с консолями больших вылетов (1,2 — 1,8 м) для создания ло­джий, консольных ригелей с вылетом до 3,0 м, образующих выступающие объемы. Воз­можно устройство зальных помещений с пролетами в 18,0 — 24,0 м, Разнообразие ар­хитектурных композиций зданий достигается применением двухрядной (горизонталь­ной) и вертикальной разрезки, так же различных вариантов защитно-отделочных слоев наружных стеновых панелей.

Безригельный каркас

Основной архитектурный недостаток каркасных систем для применения их в гражданском строительстве являются выступающие в интерьер из плоскости перекры­тий балки-ригели. Существуют конструктивные схемы каркасов позволяющие исклю­чить этот недостаток:

— Система, формирующаяся из сборных плит сплошного сечения, опираемых на колонны в угловых точках сетки колонн (система КУБ);

— Каркасная система с предварительно-напряженной арматурой в скрытых риге­лях, образуемых в построечных условиях (система КПНС)

Система безригельного каркаса КУБ (рис. 16. 6)-сборный безкапительный кар­кас, состоящий из колонн квадратного сечения и плоских плит перекрытий.

Сетки колонн 6×3 и 6×6 метров при необходимости могут увеличиваться до размеров 6 х 9 и 9 х 12 метров. Сечение колони 30×30 см и 40×40 см высотой в один или несколько этажей с максимальной высотой до 15,3 м.

Плиты перекрытия в плане размером 2,8×2,8 м толщиной от 16 до20 см. В зависи­мости от расположения, подразделяются на:

— надколонные, межколонные и плиты — вставки. Членение перекрытия на сбор­ные элементы сделано с таким расчетом, чтобы стыки плит располагались в зонах с на­именьшей величиной (приближаемая к нулю) изгибающих моментов от вертикальных нагрузок.

Последовательность монтажа перекрытия на смонтируемые колонны ведется в следующем порядке: — устанавливаются и привариваются к арматуре колонн надколон­ные плиты, затем межколонные и, наконец, плиты-вставки. Межколонные и плиты — вставки имеют шпонки, позволяющие легко осуществить их соединения на сварке. По­сле замоноличивания стыков создается пространственная жесткая конструкция.

Преимущество системы в отсутствии выступающих элементов в потолочной пло­скости и в простоте монтажа, с помощью легких мобильных кранов.

Безригельная рамная или рамно-связевая каркасная система гражданских зданий высотой до 16 этажей рассчитана на вертикальные нагрузки на перекрытие в 1250 кг/м2. При больших нагрузках (2000 кг/м2) ограничивают этажность здания — 9-тыо этажами. 284

Монтажа; в — схема разреза здания

Система обладает архитектурно — планировочными и конструктивными достоин­ствами. Гладкий потолок дает возможность гибко решать планировку внутреннего про­странства создавать трансформируемые помещения. Консольные вылеты перекрытий обеспечивают вариантность пластических решений фасадов.

Безригельный каркас универсален — он с успехом применим, как в жилых здани­ях, так и общественных (детских садах, школах, торговых предприятиях, спортивных и зрелищных) сооружениях и пр.

В

Система со скрытыми ригелями в плоскости перекрытия (КПНС) проектируется по связевой схеме из сборных элементов: колонн, плит, перекрытий и стен диафрагм же­сткости. Связь между сборными элементами перекрытия осуществляется в результа­те устройства в построечных условиях монолитного ригеля с канатной напряженной ар­матурой, пропущенной через сквозные отверстия в колонне в ортогональных направле­ниях. Предварительное напряжение арматуры осуществляется на уровне этажных пе­рекрытий, создавая двухосное обжатие плит перекрытия (рис. 16.7).

Плиты перекрытия имеют высоту в 30 см и состоят из верхней плиты, толщиной в 6 см, и нижней — 3 см и перекрещенных бортовых ребер. При монтаже плиты пере­крытий укладывают на временные капители колонн и опоры, которые устанавливают уже на смонтированный нижний уровень. Плиты перекрытия могут быть выполнены на ячейку с опиранием на колонны по 4 углам или разбиты на две плиты, соединенные монолитным армированным швом. Конструкция, собранная из сборных элементов ко­лонн и плит перекрытий — работает как единая статическая система, воспринимающая все силовые воздействия, за счет сил сцепления, возникающих между отдельными сбор­ными элементами, и напряжений стальных канатов.

4 .ОМ:’ !

Рнс.16.7. Каркас со скрытыми ригелями (КПНС): А — схема сборки ; Б — узел плана перекрытия у колонны; I — монолитный ригель; 2 — шов омоноличивания; 3 — канатная натяжная арматура: 4 — плита перекрытия; 5 — колонна