Каркасний остов

Каркасний остов Зведення будинків каркасної конструкції почалося в кінці минулого століття і досить швидко поширилося по країнах Америки і Європи. Конструкції каркасних будинків за цей час пройшли значну еволюцію. Узагальнення та аналіз досвіду зарубіжного та вітчизняного каркасного будівництва дозволив виявити певні тенденції його розвитку і вибрати найбільш раціональні конструктивні схеми для застосування у вітчизняному багатоповерховому будівництві. Першим будівлею каркасної конструкції у США слід вважати побудоване архітектором Дженнеем в 1883 р. 10-поверховий будинок з чавунними внутрішніми і зовнішніми колонами, що підтримують перекриття. У цій будівлі зовнішня стіна самонесуча - несе тільки власну вагу і не підтримує перекриття. У зв'язку з таким, новим тоді зміною функції стін виникла необхідність в конструкціях, які повинні були забезпечувати просторову жорсткість і стійкість багатоповерхових будівель.

Ними стали жорсткі вертикальні площині каркаса, призначені створювати спільно з горизонтальними жорсткими площинами-перекриттями необхідну просторову жорсткість і стійкість будівлі. Стіни ж стали застосовувати навісними. У роки, що передують другій світовій війні, ведеться інтенсивне будівництво хмарочосів із застосуванням сталевого каркаса. На початку XX ст., Після наукового обгрунтування методів розрахунку залізобетонних конструкцій, залізобетон знаходить застосування і для каркасів багатоповерхових будівель. При проектуванні залізобетонних каркасів схеми сталевих каркасів були повторені без істотних змін. Однак залізобетонні каркаси отримали в американській практиці багатоповерхового будівництва значно менше поширення, ніж сталеві. Аналіз практики будівництва багатоповерхових будинків у США до 1945 р. показує, що конструктивні рішення каркасів не об'єднані спільною ідеєю і напрямком проектування, в більшості своїй досить складні і неекономічні. Ускладнені об'ємно-планнровочние рішення призводили відповідно до ускладнення конструкції каркасу.

Для європейської практики багатоповерхового будівництва характерно широке використання монолітних залізобетонних каркасів. В останні роки в будівництві багатоповерхових будівель в країнах Європи починають застосовуватися і збірні залізобетонні конструкції. Найбільш характерні особливості сучасного багатоповерхового каркасного будівництва в Європі: використання конструктивних схем каркасів в'язевий системи з виконанням діафрагм жорсткості у вигляді монолітних стінок; прагнення до збільшення розмірів модульних осередків каркаса заради отримання широкої свободи в планувальних рішеннях, навіть на шкоду витраті матеріалів - сталі та бетону. У сучасній американській практиці будівництва багатоповерхових будинків поряд з традиційними останнім часом з'явився ряд нових рішень. В окремих висотних спорудах звичний тип каржаса з цегляним заповненням зовнішніх огороджень між колонами замінюється конструкцією, що складається а плані з двох концентричних, що входять одна в іншу, стін, які утворюють спільно працює внутрішнє ядро ??і зовнішню оболонку - каркасну стіну - з спиралися б на них міжповерховими перекриттями . Ця система отримала назву труба в трубі (рис. XV. 12).

Декілька будівель такий ядрооболочковой конструкції вже зведено. Таким чином, еволюція конструктивної системи зовнішніх огороджень - несучі і самонесучі важкі кам'яні стіни, потім перетворення їх в навісні огорожі-знову привела до повернення їм функції несучої конструкції, але вже в новій якості. Розвиток конструктивних систем каркасних будинків в Радянському Союзі і особливості їх роботи. Значну роль у розвитку будівельної техніки в багатоповерховому будівництві відіграло зведення перших висотних будівель в Москві в 1950-1953 рр.. У перших московських висотних будівлях знайшли застосування каркаси всіх трьох схем: рамної, рамно-в'язевий і в'язевий. Можна простежити чітку спрямованість у розвитку конструктивних схем каркасів перших московських висотних будівель: від рамної до зв'язевим. Переваги каркасів рамної схеми - щодо вільна плакіровка - досягаються на шкоду вимогам економії стали, забезпечення високої жорсткості каркаса і зменшення трудомісткості виконання. Більш раціональні для більшості об'ємно-планувальних рішень будівель каркаси в'язевий схеми, застосування яких забезпечує необхідну жорсткість каркаса при одночасному зниженні витрат сталі.

Якісно новою конструктивною формою каркаса в'язевий схеми став каркас з просторовою системою зв'язків (рис. XV. 13). Раціональність застосування таких систем зростає із збільшенням поверховості будівлі. Другий за ступенем важливості проблемою з вишукування раціонального рішення каркасу є вибір матеріалу. У перших московських висотних будівлях знайшли застосування два різних за матеріалом типу каркасу: сталева і залізобетонний з жорсткою арматурою. Зіставлення залізобетонних і сталевих каркасів показує, що переваги з точки зору економії сталі і жорсткості мають залізобетонні. Конструктивні рішення в багатоповерховому кармасном будівництві 70-х років. Пошуки найбільш раціональних конструктивних схем багатоповерхових будівель, що відповідають сучасному рівню індустріалізації та розвитку будівельної техніки, призвели до появи принципово нових у світовій практиці будівництва конструктивних рішень. Головною особливістю багатоповерхового будівництва стало широке використання збірного залізобетону, вперше застосовується для такого роду споруд, Застосування збірного залізобетону зажадало насамперед уніфікації основних параметрів будинків, з тим щоб одержати найменшу номенклатуру виробів.

Визначилися наступні принципи уніфікації: по висоті поверхів: 1) для житлових каркасно-панельних будинків - 3 м, для будівель адміністративного призначення, лікувальних установ, будинків торгового призначення, навчальних закладів і т. п. - 3,3 і 3,6 м з додаткової заввишки, в основному для перших поверхів - 4,2 м; 2) для будівель спеціального призначення - конструкторських бюро, науково-дослідних інститутів, лабораторних корпусів, великих торговельних підприємств і т. п. - 3,6; 4,2; 4 , 8; б м; за розмірами осередку в плані: 1) для будівель першої групи, тобто з висотою поверхів 3; 3,3; 3,6 м-6x6 м, з додатковим кроком 8 м і зі збільшеним кроком 9 м, 2) для будівель другої групи, тобто, будівель спеціального призначення, в яких технологічні вимоги диктують необхідність застосування збільшених прольотів і визначають підвищені величини навантажень на перекриття, прийняті збільшені осередку 9X9, 9X6, 6X6 м з додатковим кроком 3 м. Оптимальним рішенням при проектуванні каркасів в'язевий системи є просторова компоновка зв'язків у вигляді зв'язевого ядра жорсткості (рис. XV.13). Якщо з архітектурно-планувальним міркувань така компоновка зв'язків неможлива, зв'язевим діафрагми можуть бути виконані плоскими за обов'язкової умови проектування їх наскрізними на всю ширину будинку. Завдяки високій жорсткості таких систем відстань між зв'язевим стінками може бути збільшена до 48 м, що забезпечує необхідну гнучкість планування (особливо цінну в громадських спорудах). Надалі буде послідовно і наполегливо розширюватися номенклатура уніфікованого каркаса. Освоєння всього набору виробів номенклатури, тобто виробів для повного модульного ряду прольотів, створює високу варіабельність і гнучкість каркаса (що є основною перевагою каркасного кістяка в порівнянні зі стіновим - панельним блоковим і т. п.). Проектні опрацювання останнього часу показали, що в цій номенклатурі виробів каркаса вдається отримати широке різноманітність об'ємно-планувальних рішень для будинків різного призначення, конфігурації і висоти.

Створення набору виробів фасадів для освіти лоджії, еркерів, ризалітів, пілястр і т. п. дозволить створити виразні пластичні архітектурні рішення. Таким чином, при створенні уніфікованого каркаса вдалося отримати каталог виробів, з яких можуть збиратися різноманітні будівлі та споруди (тобто тут значною мірою долаються протиріччя між архітектурною творчістю і індустріальних конструкцій). У відношенні варіабельності збірний залізобетонний каркас при цих умовах перестає поступатися традиційному сталевому, володіючи значними економічними перевагами й високою індустріальну. Перспективним напрямом, який значно розширює можливості збірного уніфікованого каркаса, є його поєднання з монолітним залізобетоном, виконуваних найбільш індустріальними методами, наприклад у рухомій опалубці (рис. XV. 14). Застосування індустріального монолітного залізобетону для таких елементів каркаса, як просторові ядра жорсткості, дозволяє не тільки найбільш раціональним шляхом забезпечити жорсткість (що стає складніше зі зростанням висоту будівлі), але й відкриває нові можливості для створення цікавих архітектурних рішень. Проведені проектні пропрацювання показують, що така конструкція каркаса може застосовуватися для будинків вусотой до 40 ... 50 поверхів. Принципова конструктивне рішення уніфікованого сборногожелезобетонного каркаса з монолітними ядрами жорсткості, виконуваними індустріальними методами, дозволило використовувати каркас в умовах високої сейсмічності.

Розроблено уніфіковані рішення монолітних ядер жорсткості різних розмірів і конфігурації з використанням індустріальної металевої опалубки. Збірний залізобетонний каркас уніфікований (рис, XV.I5) колони. Колони каркаса прийняті перетином 400x400 мм, висотою на два-три поверхи. Такі колони по своїй несучій здатності при звичайному армуванні можуть застосовуватися в будівлях заввишки не більше 16 поверхів. Серйозну інженерну задачу представляє виконання колон для нижніх поверхів, навантаження на які досягають 15 000 ... 20 000 кН. Для збільшення несучої здатності колон під великі навантаження є кілька шляхів: розвиток перерізів колон до розмірів 60x60, 80x80 см і т. д.; підвищення марки бетону; застосування в колонах жорсткої несучої арматури. При великих навантаженнях доцільно перетин зі сталевим сердечником. Вузол сполучення ригеля з колоною. Традиційним вирішенням вузла, загальноприйнятим у каркасах промислових і цивільних будинків, служить спирає ригеля на виступаючу консоль. Така конструкція вузла мало прийнятна в цивільних спорудах, так як значно погіршує інтер'єри приміщень.

На відміну від традиційного вузла в уніфікованому каркасі сполучення ригеля з колоною вирішено з прихованою консоллю (рис. XV. 16). Ригелі каркаса - попередньо напружені висотою 45 см, таврового перерізу, що визначається прагненням здійснити надійне обпирання плит перекриттів і одночасно забезпечити найменшу можливу висоту виступаючої частини ригеля. Ширина ригеля низом прийнята за архітектурними міркувань рівній ширині колон (завдяки цьому в інтер'єрі ригель з колоною сприймається як єдина рама). Ригель шірокомодульного каркаса з підвищеними навантаженнями на перекриття виконується аналогічної конструкції, але заввишки 60 н 90 см (см, рис. ХХН.4). Стінки жорсткості представляють собою поверхові залізобетонні стіни товщиною 18 см, з полицями, які заміняють полиці ригелів, і без них, жорстко пов'язані з колонами. Така діафрагма жорсткості працює на сприйняття як вертикальних, так і горизонтальних вітрових навантажень за схемою консольної складовою балки, затисненої у фундаменті. Навантаження передаються на них перекриттями, що представляють собою жорсткі горизонтальні диски. Конструкції міжповерхових перекриттів. Перекриття в будівлях з уніфікованим каркасом виконуються з багатопустотних настилів. Висота настилу 22 см, порожнечі діаметром 16 см (див. рис. XXII.2). Перекриття повинні забезпечувати жорсткість і незмінність будівлі в горизонтальній площині і здійснювати передачу і розподіл зусиль від вітрових навантажень на стінки жорсткості. Для перетворення збірного перекриття в жорсткий горизонтальний диск закладні деталі зварюються, шви заливаються бетоном. Замонолічених розчином шпонки сприймають зсувні дотичні зусилля, що виникають між настилами при роботі жорсткого диска перекриття. При такому замонолічування перекриття міцність і жорсткість його достатні для передачі горизонтальних навантажень на зв'язевим діафрагми при відстані між ними в межах до 30,., 36 м і більше. Важливою складовою частиною перекриття служать плити, розташовані по осях колон у напрямку, перпендикулярному ригелям, і є розпірками між колонами. Ці елементи забезпечують жорсткість та стійкість колон в монтажний період і разом з тим, завдяки з'єднанню з колонами беруть участь у роботі перекриття як жорсткого диска виконуючи роль поясів горизонтальної балки-диска перекриття. Розпірки виконуються у вигляді ребристого коритоподібного елемента (см, рис. XXII.2), який своїми ребрами спирається на полиці ригеля і кріпиться до нього за допомогою зварювання закладних деталей. Коритоподібних форма настилу-розпірки з тонкою (товщиною всього 3 см) плитою між ребрами дозволяє, видаляючи плиту, розташовувати на цих ділянках вертикальні санітарно-технічні комунікації (розміщення яких у будівлях підвищеної поверховості, особливо зі збірного залізобетону, завжди представляє складну задачу). У важкому каркасі перекриття виконуються з ребристих настилів протягнутої 6 і 9 м. Таке рішення обумовлене підвищеними корисними навантаженнями на перекриття до 20 кН/м2, що зажадало розвинути висоту ребер настилів до 400 мм. Застосування ребристих настилів спрощує розміщення вертикальних і горизонтальних санітарно і електротехнічних комунікацій, що дуже важливо у виробничих будівлях зі складним технологічним устаткуванням. Конструктивна форма настилів для прольоту 9 м обрана у вигляді 2Т (див. рис. XXII.3), Ширина настилів 3 м. Зіставлення показали, що по витраті бетону і сталі такий тип настилу приблизно на 15% вигідніше, ніж коробчатий настил. Компонування каркаса. Практика багатоповерхового будівництва показує, що питанням раціонального компонування каркасів часто не приділяється достатньої уваги. Можна спостерігати значну різнотипність осередків і відносно велика різноманітність прийнятих кроків, що перешкоджає типізації елементів каркаса: відхилень від оптимального з економічної доцільності кроку - 6 м, що приводили до збільшення витрати сталі і до ускладнення конструктивних форм елементів каркаса; недостатньо чітку компонування кістяка по вертикалі, що виражається в зміщення осей колон по вертикалі, в пристрої так званих підвісних колон, що також призводить до невиправданого збільшення витрати сталі (рис. XV. 17). Разом з тим навіть-прі досить складних технологічних вимогах, при складній об'ємно-планувальної компонуванні вдається досягти чіткості, знайти органічне поєднання їх з конструктивним рішенням, скоротити кількість модульних осередків каркаса до трьох-чотирьох, обмежитися двома-трьома висотами поверхів і-т. п . Про це говорять, зокрема, приклади вирішення таких складних споруд, як Загальносоюзний телецентр, лікарняні комплекси, навчальні інститути, лабораторні корпуси та інші, розглянуті нижче. На рис. XV. 18 показані умовні приклади компонування каркасів будівель і перекриттів, а також можливі варіанти розміщення сходових клітин. Діафрагми жорсткості слід розподілити рівномірно по плану будівлі. Приклади раціонального компонування діафрагм жорсткості наведено на рис. XV. 13. Діафрагми застосовують однієї висоти зі збереженням основних геометричних розмірів поперечних перерізів по всій висоті. Дозволяється не доводити на один-два поверхи діафрагми жорсткості до покриття.

Перебивання в розміщенні діафрагм по поверхах не рекомендується. Також не рекомендується розташовувати діафрагми в торцях будинку у зв'язку зі значними труднощами влаштування зовнішніх панельних стін. Деформаційні шви. Будинки проектують у вигляді одного або декількох температурних блоків, поділюваних деформаційними швами. Кожен блок розглядається як окрема споруда зі своєю системою діафрагм жорсткості. Відповідно до вимог СНіПа відстані між температурними швами визначаються розрахунком. Однак накопичений досвід дозволяє рекомендувати проектування опалювальних будівель з уніфікованим збірним залізобетонним каркасом довжиною до 150 ... 200 м без температурних швів (пристрій яких значно ускладнює конструкцію, погіршує експлуатаційні якості будівлі). Температурні шви слід виконувати між спареними рядами колон З метою зменшення впливу температурних деформацій на зусилля в дисках перекриттів і діафрагмах жорсткості слід прагнути розміщувати діафрагми жорсткості ближче до центра будинку. Улаштування консольних звисів, У ряді випадків за архітектурно-планувальним вимогам виникає необхідність влаштування в каркасних будівлях консольних звисів, що представляють досить складну інженерну задачу. Для цих цілей в номенклатурі уніфікованого каркаса передбачені відповідні вироби: колони з виступаючими з них консолями (виліт 1,9 м від осі колон) або одноконсольние ригелі (рис, XV. 19) з вильотом консолей 1.55; 2,15 і 2,75 м від осі колон. Приклади формування багатоповерхових будинків на основі уніфікованого каркаса. Можливості уніфікованого каркаса у формуванні об'ємно-планувальних рішень багатоповерхових будівель різного призначення, а також принципи компонування елементів каркаса можна простежити на прикладах здійснення на його основі будівель - житлових, адміністративних, навчальних, лікарняних комплексів, великих готелів.

Житлові будинки. У центральній частині Москви на вул. Марксистської із застосуванням уніфікованого каркаса побудований великий комплекс 16-поверхових житлових будинків (рис. XV.20). У перших поверхах розміщуються вбудовано-прибудовані магазини, підприємства обслуговування. Над магазинами передбачений технічний поверх, що дозволяє зібрати воєдино всі інженерні системи (опалення, водопостачання, каналізація). Каркас будівлі запроектований у вигляді поперечних рам з основними кроками 6 і 6,6 м. Для поперечного напряму прийняті прольоти від 1,8 до 6,6 м, що дозволили створити необхідний за демографічними вимогам набір квартир і пластично виразний силует будинку. Діафрагми жорсткості утворені збірними стінами сходового вузла (просторові діафрагми жорсткості) і міжквартирними стінами на ширину будинку (плоскі діафрагми жорсткості). Односекційний каркасний 25-поверховий будинок у Хорошево-Мневниках (рис. XV.21) побудований з центральним монолітним ядром жорсткості. У монолітному стовбурі розміром в плані 9x9 м розміщені ліфти та інженерні комунікації - сміттєпроводи, вентблокі, система димовидалення та ін У порівнянні зі збірними елементами, необхідними для вирішення тієї ж технічної задачі, монолітне ядро дало економію сталі на 25% і знизив сумарну трудомісткість конструкції на 15%. Вертикальний стовбур будівлі, що має в плані розміри 26X26 м, забудований колонами з виробів уніфікованого збірного каркаса; з метою підвищення рівня індустріального застосовані укрупнені елементи перекриттів - настили розміром 3x6, 6 м. Укрупненная модульна осередок каркаса дозволила отримати раціональну, економічно вигідну планування квартир. Адміністративні будівлі. Будинок Будинку Рад РРФСР на Краснопресненській набережній (рис. XV.22) може служити прикладом підходу до проектування великих унікальних споруд на основі уніфікованого збірного залізобетонного каркаса в поєднанні з панельними індивідуальними зовнішніми огородженнями. Цей принцип дозволив корінним чином змінити характер будівництва унікальних будівель - здійснювати їх на високому індустріальному рівні і водночас створювати індивідуальний, притаманний тільки даному спорудження архітектурно-художній образ. Каркас висотній частині сформований з поперечних рам з кроком 6,6 м. Прольоти ригелів 7,8 і 5,4 м. Торці будинку вирішені округленими, з використанням індивідуальних елементів перекриттів при уніфікованих збірних колонах і ригелях каркаса. Будівля висотою 25 поверхів виконано в індустріальних конструкціях з монолітними просторовими ядрами жорсткості і з навісними індивідуальними керамзитобетонні панелями, облицьованими в заводських умовах каменем. Таке рішення стін є не відходом від принципу Єдиного каталогу, а, навпаки, його розвитком. Для практичної реалізації такого спрямування на заводах будівельної промисловості створюються відповідні виробництва, спеціалізовані на виготовленні індивідуальних виробів фасадів і архітектурних деталей. Поширення цього принципу на будівництво подібних споруд в Москві дозволило у порівнянні з рішеннями висотних будівель 50-х років отримати значну економію сталі, витрат праці, вартості. Лікувальні установи. Домінантою всієї композиції будівель ВНІонкоцентра АМН СРСР у Москві є 22-поверхова вежа, в якій розміщені палатні відділення. Вона вирішена у вигляді трьох зчленованих обсягів і має дві осі симетрії в плануванні і в конструкціях (рис. XV.23).

Округленій крил будівлі досягається оригінальним прийомом - послідовним збільшенням прольоту ригелів двох-і трипрольотних рам від 2,4 до 6,6 м. Загальна стійкість будівлі забезпечується центральним ядром жорсткості розміром 16,2 X10, 8 м, у якому укладено вертикальний транспортно-комунікаційний та інженерно-технічний вузол, і додаткових стін жорсткості в крилах - у місцях сходових клітин. Всі несучі конструкції будівлі - типові збірні залізобетонні з номенклатури уніфікованого каркаса. Готелі. Центральний Будинок туриста (див. рис. XV.24) - 35-поверхова будівля готелю на 1300 місць-складається з двох об'ємів, пов'язаних між собою ліфтовим холом. У їх конструкції використана уніфікована каркас з сіткою 6x6 м. Стійкість будівлі надають монолітні ядра жорсткості, розташовані в ліфтовому холі і по краях в торцях, де знаходяться евакуаційні сходи. Аналогічні конструктивні принципи застосовані в 32-поверховому готельному комплексі в Ізмайлово і ряді інших великих готелів останніх років. Великі комплекси виробничого призначення. У 1980 р. в Москві збудовано олімпійський телерадіокомплекс. Несучі конструкції споруди повністю вирішені у збірних елементах уніфікованого каркаса. Крок колон будівлі прийнятий 6x6 м і 6x7, 2 м, висота поверху - 3,6 і 4,2 ??м. Зовнішні огорожі виконані у вигляді навісних керамзитобетонних панелей, облицьованих на заводі травертином.