Загальні принципи проектування несучого кістяка і його елементів
Загальні принципи проектування несучого кістяка і його елементів Найважливіше призначення несучого кістяка - конструктивної основи будинку - полягає в сприйнятті навантажень, діючих 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 та інші види навантажень. До тимчасових відносять: корисні, тобто функціонально необхідні - навантаження від періодично перебувають у приміщеннях людей, стаціонарного або пересувного обладнання і т. п.; навантаження, пов'язані з природними чинниками району будівництва (снігові, вітрові, сейсмічні; температурні впливу), та ін Тимчасові навантаження поділяють на довготривалі, короткочасні і особливі; при розрахунках їх враховують у 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.). За направленням 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 залежно 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 будівель може відрізнятися від тих же навантажень виробничих у 10 ... 20 разів і більше (1,5 ... 30 кН/м2), що істотно при встановленні параметрів і типів перекриттів. Нормативні снігові навантаження залежно від району будівництва відрізняються 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 зі збиранням і т. п.). Значна різниця і у величині швидкісних напорів вітру (0,27 ... 1,0 кН/м2), особливо несприятливих у 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 насамперед для роботи при дії на них різноманітних 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 у 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 (рис. II.I): стрижневі - колони або стояка каркаса; площинні - стіни; (можна також, віднести до несучих опор об'ємні, тіла типу пілонів і т. п.. Тобто такі елементи, у яких усі три генеральні 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 за 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 поєднань 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, які застосовуються в будівництві складів, ангарів і т. п., називають шатровими.
Вся сукупність конструктивних елементів несучого кістяка багатоповерхових будинків у кожному окремому випадку об'єднана між собою цілком певним чином, утворюючи в просторі єдність закономірно розташованих частин, тобто 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 стіновому несучому кістяку (рис. 11,2). 1. Системи з подовжньо 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 Системи з поперечно розташованими (з поперечними) несучими стінами. Різновиди: з широким кроком {більш 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 подовжнім; з перехресним розташуванням ригелів; з безригельних каркасом, при якому ригелі відсутні, а гладкі або кесонований плити перекриттів (так звані безбалочним спираються або на капітелі колон, або безпосередньо на колони. При комбінованому несучому кістяку (рис. II.4), Серед великого розмаїття 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 кількох центрально розташованих стовбурах, які забудовані по периферії стійками каркаса в один або кілька рядів і т. д. Вибір конструктивних систем - одне 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 у житловому будівництві. Розміри житлових осередків, необхідність членувань стінами і перегородками із 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 будинків з великими, не розгороджених перегородками приміщеннями. Каркасний остов є основним для виробничих будівель, незалежно від їхньої 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 у двох напрямках характерно для багатоповерхових каркасних будинків при будівництві в сейсмічних районах. Безригельний каркас застосовується зазвичай в багатоповерхових будинках виробничого призначення зі значними навантаженнями на перекриття, у 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, у 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., тобто будинків, у яких функціонально використовують перші поверхи. Просторова жорсткість і стійкість будівель. 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 (мал. II.5). Просторова жорсткість несучого кістяка - це характеристика 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 (рис. 11.6, а), до якого прикладена невелика горизонтальна сила, і, навпаки, шарнірний трикутник (рис. 11.6,6) - геометрично незмінна система. Перетворення чотирикутника в геометрично незмінну систему можна здійснити двома способами: ввести один діагональний стрижень (мал. П.6, в) або замінити вузол шарнірного з'єднання стрижнів на жорсткий, незмінний, здатний сприймати вузлові моменти (так званий рамний, рис. П.б.г).
Систему (схему), отриману першим способом, називають в'язевий по найменуванню діагонального стрижня, іменованого зв'язком. Другу - рамної, За допомогою кожного з цих способів можна надати геометричну незмінність будь багатопролітної системі, що складається з ряду стійок, шарнірно пов'язаних з ригелями і з землею. При цьому досить надати геометричну незмінність тільки одному з прольотів, щоб система стала геометрично незмінної. Для доказу в один з прольотів вводиться діагональний стрижень (мал. II .7, с).
Отриманий геометрично незмінний чотирикутник можна вважати землею, розглядаючи її як нерухому опору для шарнірно опертих на неї двох стрижнів вузла 2 (рис. 11.7,6), тобто розглядаючи отримане як знову утворений трикутник - нову неизменяемую систему: Подібні міркування можна повторити, по черзі приєднуючи кожен новий вузол з двома стрижнями (рис. 11.7, в). Висновок: доведено, що в багатопролітної системі досить встановити зв'язки в одному з прольотів, щоб система стала геометрично незмінної. Якщо розглянути багатоповерхову систему (рис. II.7, г), то кожен нижележащий 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 іменують зв'язками жорсткості. Цей термін отримав різні тлумачення, які необхідно обмовити. 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, тобто виконувати обов'язки жорсткого диска, то її роль рівносильна ролі діагонального стрижня; діафрагму жорсткості відносять до варіанту зв'язків жорсткості (рис. 11.8,6). 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 (рис. II .8). Таким чином, існують два способи забезпечення жорсткості плоских систем - по рамної і по в'язевий схемами-Комбінуючи ними при розташуванні елементів несучого кістяка в обох напрямках будівлі, можна отримати три варіанти просторових конструктивних схем будівлі: рамну, рамно-в'язевих, в'язевих. У третьому напрямку - горизонтальному - перекриття зазвичай розглядаються як жорсткі діафрагми. Всі ці варіанти зустрічаються при проектуванні каркасного несучого кістяка (рис. II.9). Рамна схема являє собою систему плоских рам (одно-і багато-пролітних; одно-та багатоповерхових), розташованих у двох взаємно перпендикулярних (або під іншим кутом) напрямках - систему стійок і ригелів, з'єднаних жорсткими вузлами при їх сполученнях у будь-якому з напрямів. Рамно-в'язева 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. Гратчасті 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 із забезпечення жорсткості вузлів, підвищена витрата сталі 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 більшою простотою будівельних робіт, меншими затратами праці і матеріалів і т. п. При стіновому несучому кістяку і при різних системах кістяків з неповним каркасом зазвичай застосовують в'язевих схему; при цьому зовнішні чи внутрішні стіни виконують функції діафрагми або ядер жорсткості, тобто не потрібна установка додаткових стін. На рис.2 II.2, в показана схема передачі зусиль від вітрових навантажень через перекриття на такі стіни.
