- •1. Введение в дисциплину, общие положения
- •1.1. Краткий исторический обзор
- •1.2. Области применения железобетонных и каменных конструкций
- •1.3. Перспективы развития
- •1.4 Сущность железобетона
- •2. Условия существования железобетона
- •1.5 Достоинства и недостатки железобетонных конструкций
- •1.6 Виды железобетонных конструкций
- •2. Бетон и его свойства
- •2.2. Классификация бетонов
- •2.3. Структура бетона
- •2.4. Кубиковая и призменная прочность
- •Размеров испытываемого образца
- •2.5. Прочность бетона на осевое растяжение
- •2.6. Прочность бетона на срез и скалывание
- •2.7. Классы и марки бетона
- •3.5.6. Прочность бетона при длительном действии нагрузки
- •3.5.7. Прочность бетона при многократно повторяемых нагрузках
- •3.5.8. Динамическая прочность бетона
- •2.8. Деформативность бетона
- •Деформации бетона.
- •3.6. Деформативность бетона
- •3.6.1. Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой
- •При сжатии и растяжении:
- •3.6.2. Деформации при длительном действии нагрузки
- •Различной длительности загружения.
- •3.6.3. Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки
- •При многократном повторном загружении бетонного образца:
- •3.6.4. Предельные деформации бетона перед разрушением
- •2.9 Реологические свойства бетона
- •Начального загружения
- •Загружении бетонного образца
- •2.10 Предельные деформации бетона
- •3. Арматура как материал железобетонных конструкций
- •3.2. Виды и классы
- •3.3. Стыкование ненапрягаемой арматуры
- •3.4. Арматурные изделия
- •4.4. Применение арматуры в конструкциях
- •4.5. Арматурные сварные изделия
- •4.6. Арматурные проволочные изделия
- •4.7. Соединения арматуры
- •4.8. Неметаллическая арматура
- •3.5. Деформативность.
- •3.6. Реологические свойства арматуры
- •3.7. Нормативные и расчётные сопротивления
- •4. Свойства железобетона
- •Условия совместной работы бетона и арматуры
- •5.3. Анкеровка арматуры в бетоне
- •5.4. Защитный слой бетона в железобетонных элементах
- •5.5. Собственные напряжения в железобетоне
- •4.2. Усадка железобетона
- •4.3. Ползучесть железобетона
- •4.4. Влияние высоких температур на железобетон
- •4.5. Коррозия железобетона и меры защиты
- •5. Предварительное напряжение железобетонных конструкций
- •5.2 Расчетные подходы
- •5.3. Потери предварительного напряжения
- •5.4. Коэффициент точности натяжения
- •5.5. Усилие предварительного обжатия бетона. Напряжения в бетоне при обжатии.
- •В поперечном сечении железобетонного элемента
- •5.6 Стадии деформирования предварительно напряженного элемента при центральном растяжении
- •5.7. Стадии деформирования предварительно напряженного элемента при изгибе
- •6. Основы теории сопротивления железобетона
- •6.2. Развитие методов расчета по предельным состояниям
- •1. Метод расчета по допускаемым напряжениям
- •2. Гипотеза о предельном равновесии
- •3. Метод расчета сечений по разрушающим усилиям
- •6.3. Метод расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям
- •Нормальной эксплуатации
- •6.2.1. Две группы предельных состояний
- •6.2.2. Классификация нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки.
- •6.2.3. Нормативные и расчетные сопротивления бетона
- •6.2.4. Нормативные и расчетные сопротивления арматуры
- •6.2.5. Коэффициенты метода предельных состояний
- •II группа – нагрузки и воздействия.
- •III группа – сопротивление материалов.
- •7. Изгибаемые элементы
- •1. Расчет прочности нормальных сечений
- •2. Общий случай расчета нормальных сечений
- •В арматуре и высотой сжатой зоны в стадии III
- •7.2 Изгибаемые элементы. Расчет прочности по нормальным сечениям
- •1. Конструктивные особенности изгибаемых элементов
- •С балочными плитами
- •2. Расчет прямоугольных сечений с одиночной арматурой (без предварительного напряжения)
- •1 Тип расчета
- •2 Тип расчета.
- •3. Расчет прямоугольных сечений с двойной арматурой
- •1 Тип расчета
- •2 Тип расчета
- •4. Расчет тавровых сечений с одиночной арматурой
- •5. Расчет тавровых сечений с двойной арматурой
- •7.3 Изгибаемые элементы. Расчет прочности по наклонным сечениям
- •1. Основные расчетные положения
- •2. Определение положения расчетного наклонного сечения
- •3. Расчет по наклонным сечениям для случая разрушения между наклонными трещинами
- •4. Расчет по наклонным сечениям для случая разрушения от действия поперечной силы
- •От действия поперечной силы
- •5. Расчет наклонных стержней при комбинированном армировании
- •(Для объяснения установки отгибов)
- •6. Частные случаи
- •7. Расчет наклонных сечений на действие изгибающего момента
- •На действие изгибающего момента
- •8. Построение эпюры материалов
- •7.4 Изгибаемые элементы, армированные жесткой арматурой
- •8. Внецентренно-сжатые и растянутые элементы
- •При случайном эксцентриситете еа
- •8.2. Основные расчетные положения внецентренно сжатых элементов
- •8.3. Расчет внецентренно сжатых элементов с учетом продольного изгиба
- •8.4. Армирование сжатых элементов
- •2. Учет косвенного армирования
- •3. Каркасы для сжатых элементов
- •4. Расчет закладных деталей
- •8.5. Расчет кольцевых сечений
- •8.6. Центрально-растянутые элементы
- •Центрально-растянутых элементов
- •8.7. Внецентренно-растянутые элементы
- •Внецентренно растянутого элемента для случая 1
- •Внецентренно растянутого элемента для случая 2
- •9.5. Типизация сборных элементов
Внецентренно растянутого элемента для случая 1
Условие прочности:
Как и при внецентренном сжатии, внецентренно растянутые элементы, работающие на знакопеременные изгибающие моменты, армируют симметричной арматурой (). Симметричное армирование принимают во всех случаях, когда оно приводит к увеличению суммарного сечения рабочей арматуры не более чем на 5 % по сравнению с несимметричным армированием.
Случай 2 (; )
В этом случае все сечение элемента растянуто. В предельном состоянии по прочности по длине элемента образуются сквозные поперечные трещины, поэтому бетон в деформировании не участвует. Считают, что предельные усилия в нормальных сечениях, совпадающих с трещинами, воспринимает одна арматура. Разрушение элемента наступает, когда напряжения в продольной арматуре достигают предельного значения.
Рис. 13.11. Схема усилий в расчетном нормальном сечении
Внецентренно растянутого элемента для случая 2
Условие прочности:
либо
8.8. Обобщение
В расчетах по нормальным сечениям используются следующие гипотезы:
расчет производят по стадии III НДС;
растянутый бетон в работе (деформировании) не учитывают;
принята гипотеза о предельном равновесии, т.е.
Случай 1 – случай больших эксцентриситетов
Изгиб
Рис. 13.12. Схема усилий в расчетном нормальном сечении я
изгибаемого элемента для случая больших эксцентриситетов
Внецентренное сжатие
Рис. 13.13. Расчетная схема внецентренно сжатого элемента (случай 1)
Внецентренное растяжение
Рис. 13.14. Схема усилий в расчетном нормальном сечении
внецентренно растянутого элемента для случая 1
Таким образом
Условие несущей способности:
Случай 2 – случай малых эксцентриситетов
Внецентренное сжатие
Уравнение прочности для случая малых эксцентриситетов такое же, как и для случая больших эксцентриситетов.
Рис. 13.15. Расчетная схема внецентренно сжатого элемента (случай 2)
Внецентренное растяжение
Рис. 13.16. Схема усилий в расчетном нормальном сечении
внецентренно растянутого элемента для случая 2
Для случая малых эксцентриситетов при внецентренном растяжении характерна упрощенная схема:
9. Основы проектирования многоэтажных промышленных зданий
9.1 Общие сведения
9.2 Конструктивные схемы многоэтажных производственных зданий
9.3 Расчетные схемы
9.4. Деформационные швы
9.5. Типизация сборных элементов
Лит-ра:
1. Байков Сигалов
2. Бондаренко Суворов
3. 52 – 101 – 2003 Железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры (Пособие)
4. 52 – 102 – 2004 Предварительно напряженные железобетонные конструкции (Пособие)
5. Бондаренко Римшин
9.1 Общие сведения
Конструктивной основой многоэтажного здания служит пространственная несущая система из стержневых и панельных железобетонных элементов, взаимосвязанных между собой в порядке, обеспечивающем прочность, устойчивость и долговечность системы в целом, а также ее отдельных элементов. Пространственная работа системы проявляется в том, что при загружении одного из ее элементов в работу включаются и другие элементы.
По конструктивной схеме многоэтажные здания разделяют на каркасные, бескаркасные и комбинированной системы, а по назначению – на промышленные и гражданские.
Каркасным называют здание, в котором несущими вертикальными элементами системы являются железобетонные колонны. Бескаркасным (панельным или крупноблочным) называют здание, в котором вертикальные элементы компонуют из поставленных одну на другую стеновых панелей (блоков). В зданиях комбинированной системы несущими вертикальными элементами являются колонны и панельные стены.
Различают каркасные схемы с полным и неполным каркасом. При полном каркасе наружные стены самонесущие, а при неполном – несущие.
Каркасную систему используют в основном для зданий промышленного, административного и общественного назначения, где требуются большие неперегороженные помещения. Бескаркасную и комбинированную системы применяют для жилых домов, в которых несущие и внутренние стены являются межквартирными и межкомнатными перегородками. В зданиях комбинированной системы нижние этажи каркасные, а остальные панельные.
Объемно-блочные здания выполняют из объемных блоков жестких пространственных элементов, устанавливаемых друг на друге; в случае применения каркаса объемные блоки служат его заполнением, и каждый блок несет только собственную массу и полезную нагрузку.
В многоэтажных каркасных зданиях горизонтальные нагрузки воспринимают системой рам или вертикальных диафрагм-стенок жесткости, специальными связями или ядром жесткости, консольно защемленными в фундаменте (связевые системы). Ядром жесткости называют жесткую пространственную систему, образованную сопряженными между собой стенками. Более часто ядро жесткости выполняют монолитным. Каркас здания с ядром жесткости рассчитывают только на вертикальные нагрузки, что позволяет провести унификацию конструктивных элементов по высоте здания.
В последнее время при строительстве общественных и жилых зданий получили широкое распространение системы многоэтажных зданий с подвесными этажами. Такое здание состоит из основной опорной конструкции – железобетонного монолитного ствола, двухконсольных балок или ферм и тяжей, к которым подвешиваются этажи (рис. 7.1). Всю вертикальную нагрузку передают на жесткий вертикальный ствол, в котором размещают лифты, лестницы, инженерные коммуникации, а также поднимаемых этажей.
Рис. 7.1. Здание с подвешенными этажами
а — внешний вид; 6 — поперечный разрез; в — план расположения подвесок; 1 — железобетонные стены ствола; 2 — перекрытия; 3 — промежуточные подвески; 4 — угловые подвески; 5 — диагональные арки
Продольность и устойчивость каркаса в продольном направлении в период монтажа обеспечивают постановкой постоянных вертикальных связей или устройством жестких продольных рам (рис. 7.2).
Каркасы зданий в период возведения рассчитывают на сочетание следующих нагрузок: собственного веса конструкции (включая вес навесных панелей), скоростного напора ветра и монтажной нормативной нагрузки, равной 2,5 кН/м2.
9.2 Конструктивные схемы многоэтажных производственных зданий
Многоэтажные производственные здания по конструкции разделяют на:
1) здания с полным железобетонным каркасом и навесными наружными стенами;
2) здания с полным железобетонным каркасом и наружными самонесущими стенами;
3) здания с внутренним железобетонным каркасом (без пристенных колонн) и несущими стенами (здания с неполным каркасом).
Высоту надземной части многоэтажных производственных зданий определяют технологическими требованиями. Ширина многоэтажных промышленных зданий по условиям технологического процесса может достигать 36 м и более. Сетку колонн каркаса и высоту этажей назначают по технологическим требованиям в соответствии с требованиями Единой модульной системы, унификацией габаритных параметров, типизацией и стандартизацией элементов конструкций.
Рис. 7.2. Многоэтажное здание, возводимое методом подъема этажей
1 - фундамент; 2 - пол 1-го этажа; 3 - воротник; 4 - разделительная прокладка; 5 - изготовленная плита; 6 — обойма колонны; 7 — отверстие 120 х 80 мм для закладного стержня; 8 — колонна; 9 — оголовок; 10 — винтовая тяга диаметром 50 мм; 11 — система монтажных связей; 12 — габаритная схема гидроподъемника
Многоэтажные каркасные здания обычно проектируют по связевой, рамно-связевой или рамной (жесткой) конструктивным системам, обеспечивающим пространственную жесткость зданий.
Связевая система
Под связевой системой многоэтажного промышленного здания понимают такую компоновку его железобетонного каркаса, когда ветровые и любые другие горизонтальные нагрузки воспринимают междуэтажные перекрытия и передают их на жесткие поперечные вертикальные связи (диафрагмы жесткости): лестничные клетки, лифтовые шахты, поперечные стены толщиной не менее 120 мм или железобетонные стены толщиной не менее 60 мм. Вертикальные нагрузки воспринимают элементы каркаса.
Передачу горизонтальных сил перекрытием на жесткие поперечные вертикальные связи обеспечивают надежным соединением стен стальными анкерами с перекрытиями или с крайними колоннами каркаса на уровне перекрытий. В зданиях с несущими стенами предусматривают поэтажную анкеровку стен к конструкциям перекрытий.
Работа конструктивных элементов здания, решенного по связевой системе на действие ветровых нагрузок, происходит в определенной последовательности:
1) ветровую нагрузку , в первую очередь воспринимают наружные стены; они работают как простые балки пролетом, равным высоте этажа (рис. 7.3а);
2) опорные реакции от наружных стен воспринимают перекрытия; они работают как простые балки, равно мерно загруженные распределенной нагрузкой пролетом , равным расстоянию между диафрагмами жесткости (рис. 7.3б);
3) опорные реакции F от перекрытий воспринимают диафрагмы жесткости, которые работают как консольные балки, защемленные в фундаменте.
Рис. 7.3. Схема передачи ветровых нагрузок
а — расчетная схема наружной стены; б — расчетная схема перекрытия; 1 — поперечная диафрагма жесткости; 2 — перекрытие; 3 — колонны
Конструкции лестничных клеток и шахт рассчитывают как консольные балки коробчатого сечения. При расчете вертикальной поперечной диафрагмы жесткости на продольную силу и изгибающий момент М от горизонтальных сил растягивающие напряжения в бетоне принимают не более расчетного сопротивления на осевое растяжение.
В связевой системе многоэтажных зданий шарнирное соединение сборных элементов выполняют сваркой стальных закладных деталей или выпусков арматуры, чтобы обеспечить устойчивость каркаса здания при монтаже и общую жесткость здания после замоноличивания швов между элементами бетоном или раствором. Шарнирное соединение упрощает и удешевляет монтаж каркаса, особенно зимой. Однако вследствие разрезности конструкций общее количество стали, расходуемой на каркас с шарнирными стыками, оказывается большим, чем в каркасах с частично защемленными или жесткими соединениями.
Рамно-связевая система
Под рамно-связевой схемой многоэтажных зданий понимают систему, в которой колонны каркаса жестко заделаны в перекрытие, а ригели - в колонны. Она часто оказывается рациональной для высотных многоэтажных зданий и для зданий, несущих тяжелую полезную нагрузку. Вертикальные нагрузки в многоэтажных зданиях рамно-связевой системы воспринимает поперечная рама с жесткими узлами. Ветровые и другие горизонтальные нагрузки воспринимают каркас и поперечные вертикальные связи (диафрагмы жесткости) пропорционально их жесткости.
Сборный железобетонный каркас, выполняемый по рамно-связевой системе, при всех прочих равных условиях оказывается дешевле на 25 % по сравнению с каркасом связевой системы. На его изготовление расходуется меньше стали (на 6 -10%) и бетона (на 33,5%).
Рамная система
Под рамной системой понимают систему, в которой все соединения элементов принимают жесткими, позволяющими рассчитывать конструктивные элементы, как статически неопределимые. При этом предполагают, что при отсутствии вертикальных диафрагм не только вертикальные, но и все горизонтальные нагрузки полностью воспринимает жесткий железобетонный каркас (поперечные рамы). Обычно жесткие соединения проектируют так, чтобы растягивающие усилия полностью воспринимались стальными закладными деталями или надежно сваренной основной арматурой элементов, а сжимающие усилия – бетоном, заполняющим соединение.
При устройстве жестких соединений (стыков) следует, кроме основных закладных деталей предусматривать конструктивные закладные детали в сжатой зоне, чтобы создать необходимую устойчивость каркаса в процессе монтажа. В рамных зданиях узловые моменты от горизонтальных нагрузок возрастают к низу здания, вследствие чего при большой этажности не удается сохранить одни и те же сечения колонн в верхних и нижних этажах здания. Именно поэтому в зданиях повышенной этажности чаще применяют рамно-связевый каркас.
Решение каркаса по рамной системе приводит к увеличению сечений сборных элементов и усложняет узлы сопряжений, поэтому его принимают лишь в тех случаях, когда устройство поперечных диафрагм жесткости, воспринимающих горизонтальные нагрузки, технически или экономически нецелесообразно или когда передача горизонтальных сил затруднена из-за отверстий в перекрытиях и пр.
При каждом конструктивном решении можно выполнять междуэтажные перекрытия многоэтажных производственных зданий по балочной и безбалочной схемам из монолитного, сборного или сборно-монолитного железобетона.
Основные несущие конструкции многоэтажного каркасного здания – железобетонные рамы и связывающие их междуэтажные перекрытия (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Конструктивный план многоэтажного каркасного промышленного здания
1 – поперечные рамы; 2 – продольные вертикальные связи; 3 – панели перекрытий
Пространственная жесткость здания обеспечивается в поперечном направлении работой многоэтажных рам с жесткими узлами – по рамной системе, а в продольном – работой вертикальных стальных связей вертикальных железобетонных диафрагм, располагаемых по рядам колонн и в плоскости наружных стен, — по связевой системе (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Вертикальные связи многоэтажного каркаса в продольном направлении
Пример решения конструкции зданий с балочными перекрытиями приведен на рис. 8.З. Верхний этаж здания при наличии мостовых кранов (здания химической промышленности) компонуют из колонн, ригелей и подкрановых балок, аналогичных по конструкции применяемых для одноэтажных промышленных зданий.
Рис. 8.3. Конструкции многоэтажных промышленных зданий
а – регулярных; б – с мостовыми кранами в верхнем этаже
Типовые конструкции многоэтажных промышленных зданий с балочными перекрытиями разработаны под различные временные нагрузки – от 5 до 25 кН/м2.
Пример решения конструкции здания с безбалочными перекрытиями приведен на рис. 8.4. Ригелем многоэтажной рамы в поперечном и продольном направлениях служит безбалочная плита, жестко связанная с колоннами с помощью капителей. Пространственная жесткость здания в обоих направлениях обеспечивается по рамной системе. Унификация размеров плит и капителей средних и крайних пролетов безбалочного перекрытия достигается смещением наружных самонесущих стен с оси крайнего ряда колонн на расстояние, равное половине ширины надкапительной плиты.
Рис.8.4. Конструкции многоэтажных промышленных зданий с безбалочными перекрытиями
Многоэтажные промышленные здания с часто расположенными опорами при сетке колонн 6х6 или 9х6 м не всегда удовлетворяют требованиям гибкой планировки цехов, модернизации оборудования и усовершенствования производства без дорогостоящих переустройств. Поэтому применять их следует в случае больших временных нагрузок на перекрытия более 10 кН/м2.
Особенность конструктивного решения универсальных промышленных зданий с этажами в межферменном пространстве состоит в том, что они имеют крупную сетку колонн 18х6, 18х12, 24x6 м. Большие пролеты здания перекрывают безраскосными фермами. При этом в пределах конструктивной высоты этих ферм устраивают дополнительные этажи, в которых размещают инженерное оборудование и коммуникации, бытовые, складские и другие вспомогательные помещения. Высота межферменных этажей может быть 2,4; 3 и 3,6 м.
Пример решения конструкций универсального промышленного здания приведен на рис. 8.5.
Здание имеет 6 этажей – три основных и три межферменных. Безраскосные фермы, жестко связанные с колоннами, являются составной частью многоэтажного каркаса и работают как ригели рам. Крайние стойки ферм вверху и внизу снабжены выступами для соединения с колоннами ниже- и вышележащих этажей. Плиты перекрытий в основных этажах ребристые; их укладывают на верхний пояс ферм. Панели перекрытий вспомогательных этажей пустотные или ребристые; опираются они на полки нижнего пояса ферм (рис. 8.6).
Рис. 8.5. Конструкции многоэтажного промышленного здания с межферменными этажами
1 –основные этажи; 2 – межферменные этажи; 3 – соединения колонн с безраскосными фермами
Рис. 8.6. Деталь опирания безраскосных ферм
Многоэтажные сборные рамы членят на отдельные элементы, изготовляемые на заводах и полигонах, с соблюдением требований технологичности изготовления и монтажа конструкций. Ригели рамы членят преимущественно на отдельные прямолинейные элементы, стыкуемые по грани колонны скрытым или консольным стыком (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Конструктивные схемы членения многоэтажных рам на сборные элементы
Колонны также членят на прямолинейные элементы, стыкуемые через два этажа – выше уровня перекрытия. Чтобы сохранить монолитность узлов и уменьшить число типов сборных элементов, многоэтажные рамы в некоторых случаях членят на отдельные од-нопролетные одноэтажные рамы.
Стыки многоэтажных сборных рам, как правило, выполняют жесткими. При шарнирных стыках уменьшается общая жесткость здания и снижается сопротивление деформированию при горизонтальных нагрузках. Этот недостаток становится особенно существенным с увеличением числа этажей каркасного здания.
Типовые ригели пролетом 6 м армируют ненапрягаемой арматурой, пролетом 9м –напрягаемой арматурой в пролете (рис.8.8).
Рис. 8.8. Армирование ригеля поперечной рамы пролетом 9 м
Колонны высотой в два этажа армируют продольной арматурой и поперечными стержнями как внецентренно сжатые элементы (рис. 8.9).
Рис. 8.9. Армирование колонны поперечной рамы
Армирование ригеля многоэтажной монолитной рамы аналогично армированию главной балки монолитного ребристого перекрытия, за исключением крайней опоры, где ригель соединен с колонн жестко (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Армирование узлов монолитной многоэтажной рамы
При конструировании рамы предусматривают устройство швов бетонирования, что связано с временными перерывами в укладке бетона. Швы бетонирования в колоннах устраивают в уровне верха перекрытия. В этих местах из колонн нижележащего этажа выпускают концы арматуры для соединения с арматурой колонн вышележащего этажа.
Монолитные рамы больших пролетов и с большой высотой этажей целесообразно армировать несущими арматурными каркасами. На рис. 8.11 приведена схема несущего арматурного каркаса многоэтажной рамы.
Сварные каркасы для каждого пролета ригеля изготовляют в виде плоских раскосных ферм и собирают в один пространственный каркас, связанный поверху и понизу горизонтальными связями. Арматурный каркас колонны изготовляют в виде пространственного каркаса, образованного из продольных стержней, хомутов и поперечных связей, расположенных по боковым граням.
Рис. 8.11. Схема несущего арматурного каркаса монолитной многоэтажной рамы
Сборно-монолитные рамы также выполняют с жесткими узлами. Ригель таврового сечения имеет выступающие кверху хомуты и открыто расположенную верхнюю опорную арматуру (рис.8.12, а). По верх ригеля уложены ребристые панели с зазором между их торцами 12 см. Жесткость узлового сопряжения ригеля с колонной обеспечивается соединением на опоре верхней арматуры ригеля. Для этой цели в колонне предусмотрено отверстие, через которое пропускают опорные стержни стыка. Для укладки панелей в ригелях могут быть выступающие полочки (рис. 8.12, б). После монтажа сборных элементов, укладки и сварки опорной арматуры ригеля полости между панелями и зазоры между торцами ригеля и колонной заполняют бетоном, чем достигается замоноличивание рамы. При этом ригели благодаря совместной работе с панелями работают как тавровые сечения.
Рис. 8.12. Конструкция узлов сборно-монолиной многоэтажной рамы
а – до замоноличивания; б – после замоноличивания
Каркасные конструкции применяют для различных административных и общественных зданий с большими помещениями, редко расположенными перегородками, а в некоторых случаях для жилых домов высотой более 25 этажей. Основными несущими конструкциями многоэтажного каркасного здания в гражданском строительстве, являются железобетонные рамы, вертикальные связевые диафрагмы и связывающие их междуэтажные перекрытия.
При действии горизонтальных нагрузок обеспечение совместной работы разнотипных вертикальных конструкций в многоэтажном здании достигается благодаря высокой жесткости при изгибе в своей плоскости междуэтажных перекрытий, работающих как горизонтальные диафрагмы. Сборные перекрытия благодаря сварке закладных деталей и замоноличиванию швов между отдельными плитами также обладают высокой жесткостью при изгибе в своей плоскости.
При поперечных многоэтажных рамах и поперечных вертикальных связевых диафрагмах горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными конструкциями совместно и каркасное здание в поперечном направлении работает по рамно-связевой системе, при этом в продольном направлении при наличии только вертикальных связевых диафрагм здание работает по связевой системе (рис. 8.13, а).
При поперечном расположении вертикальных связевых диафрагм и продольном расположении многоэтажных рам здание в поперечном направлении работает по связевой системе, а в продольном направлении — по рамной системе (рис. 8.13,б). Конструктивная схема каркаса при шарнирном соединении ригелей с колоннами будет связевой в обоих направлениях.
Рис. 8.13. Конструктивные планы каркасных многоэтажных гражданских зданий
а – с поперечными рамами; б – с продольными рамами; 1 – связевые диафрагмы; 2 – панели перекрытии; 3 – ригели рам
Конструктивные схемы многоэтажных каркасных зданий воспринимающих горизонтальные нагрузки по рамно-связевой системе, как имеющие лучшие технико-экономические показатели, нашли широкое применение в строительстве, особенно в сейсмических районах.
Многоэтажное панельное здание, как в поперечном, так и в продольном направлении воспринимает горизонтальную нагрузку по связевой системе (рис. 8. 14).
Рис. 8.14. Конструктивный план панельного здания
1 – поперечные несущие панели стен; 2 – продольные несущие панели стен; 3 – плиты перекрытия; 4 – навесные панели ограждающих стен
Возможны другие конструктивные схемы многоэтажных зданий. К ним относятся, например, каркасное здание с центральным ядром жесткости, в котором в качестве вертикальных связевых диафрагм используются внутренние стены сблокированных лифтовых и вентиляционных шахт, лестничных клеток (рис. 8.15); здание с двумя ядрами жесткости открытого профиля – в виде двутавров (рис. 8.16,а); здание с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане, позволяющей индивидуализировать архитектурное решение (рис. 8.17, б). В описанных конструктивных схемах зданий горизонтальные воздействия воспринимаются по рамно-связевой или связевой системе.
Рис. 8.15. Конструктивный план многоэтажного каркасного здания с центральным ядром жесткости
1 – ригели рам; 2 – плиты перекрытия; 3 –ядро жесткости
Рис. 8.16. Конструктивные планы многоэтажных каркасных зданий
а – с двумя ядрами жесткости; б – с двумя ядрами жесткости, сложной конфигурации; 1 – плиты перекрытий; 2 – ригели рам; 3 – ядро жесткости двутаврового профиля; 4 – связевые диафрагмы; 5 – замкнутое ядро жесткости; 6 – монолитное безбалочное перекрытие
В зданиях с центральным ядром жесткости в целях обеспечения удобной свободной планировки сотку колонн укрупняют, в ряде решений внутренние колонны исключают и элементы перекрытий опирают на наружные колонны и внутреннее ядро жесткости. Ригели перекрытий пролетом 12–15 м проектируют предварительно напряженными, шарнирно связанными с колоннами, панели перекрытий — пустотными или коробчатыми. Горизонтальное воздействие на здание воспринимается по связевой системе.
В зданиях с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане перекрытия выполняются монолитными в виде безбалочной бескапительной плиты. Возводят такие здания методом подъема перекрытий (или подъема этажей). Конструктивно-технологическая сущность этого метода состоит в том, что полигоном для изготовления перекрытий служит перекрытие над подвалом. Перекрытия бетонируют одно над другим в виде пакета с разделяющими прослойками. В местах, где проходят колонны, в перекрытии оставляют отверстия, окаймленные стальными воротниками, заделанными в бетоне.
Многоэтажные рамы высотой до 16 этажей имеют колонны постоянного сечения по всей высоте здания. Увеличение несущей способности колонн нижних этажей достигается повышением класса бетона, процента армирования, применением жесткой арматуры. Элементы сборных колонн в целях снижения трудоемкости на монтаже выполняют размером на 2 – 4 этажа.
Комбинированные вертикальные связевые диафрагмы, состоящие из сплошной и рамной частей, сохраняют регулярную структуру – размеры элементов и пролетов ригелей – по всей высоте здания. Вертикальные связевые диафрагмы с проемами и ядра жесткости имеют железобетонные перемычки, жестко связанные на опорах с простенками, и также сохраняют регулярную структуру по всей высоте здания.
Стыки ригелей с колоннами выполняют жесткими на консолях, бесконсольными и шарнирными. При жестком соединении ригелей с колоннами существенно повышается общая жесткость многоэтажного здания и достигается экономия металла на армирование ригелей (по условиям прочности, трещиностойкости и предельных прогибов).
Элементами сборных вертикальных связевых диафрагм являются колонны каркаса и панели с полками для опирания плит перекрытий. Элементы соединяют сваркой закладных деталей и замоноличиванием. Применяют также монолитные панели, бетонируемые на месте возведения после приварки к закладным деталям колонн арматурных сеток.
Монолитные ядра жесткости армируют вертикальными пространственными каркасами, которые на монтаже стыкуются соединительными стержнями (рис. 8.17). Перемычки над проемами армируют горизонтальными каркасами. Продольная и поперечная арматура ядер жесткости и перемычек назначается по расчету. Толщина стенок ядер жесткости устанавливается по расчету, обычно 200 – 400 мм.
Рис. 8.17. Схема конструирования арматуры монолитного ядра жесткости
а – сечение в плане; б – вид сбоку; 1 – арматурный пространсвенный каркас; 2 – соединительные стержни; 3 – продольная арматура перемычки; 4 – поперечная арматура перемычки
Панели внутренних несущих стен в панельных зданиях по условиям требуемой звукоизоляции выполняют из тяжелого бетона толщиной 14 –16 см. При такой толщине обеспечивается несущая способность этих панелей в зданиях высотой до 16 этажей. Увеличение несущей способности панелей стен зданий большей высоты достигается применением в нижних этажах бетона более высокого класса, увеличением толщины железобетонных панелей.
9.3 Расчетные схемы
Расчетные схемы многоэтажных каркасных и панельных гражданских зданий устанавливают в зависимости от их конструктивных схем и способа восприятия горизонтальных нагрузок – по рамной, рамно-связевой, связевой системам.
Междуэтажные перекрытия рассматриваются как жесткие, недеформирующиеся при изгибе в своей плоскости горизонтальные связевые диафрагмы. Расчетные схемы рамно-связевых систем отражают совместную работу многоэтажных рам и различных вертикальных диафрагм: сплошных, комбинированных и с проемами (рис. 7.5). Вертикальные конструкции, расположенные в здании параллельно друг другу, условно изображают стоящими рядом в одной плоскости и соединенными стержнями-связями, поскольку горизонтальные перемещения их в каждом уровне равны. Роль стержней-связей между многоэтажной рамой и вертикальной диафрагмой выполняют междуэтажные перекрытия. Эти стержни-связи условно считают несжимаемыми и нерастяжимыми. Жесткость вертикальной диафрагмы в расчетной схеме принимают равной суммарной жесткости соответствующих вертикальных диафрагм блока здания.
Рис. 7.5. Расчетные схемы рамно-связевых систем а – со сплошной диафрагмой; б – со сплошной и комбинированной диафрагмами;
в – с проемной
Расчетные схемы связевых систем отражают совместную работу вертикальных диафрагм многоэтажных каркасных или панельных гражданских зданий в различных сочетаниях: сплошных и с проемами, с одним и несколькими рядами проемов (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Расчетные схемы связевых систем
а – с проемными диафрагмами; б – с проемными и сплошными диафрагмами;
в – с разнотипными диафрагмами
В этих расчетных схемах вертикальные диафрагмы, расположенные в здании параллельно друг другу, условно также изображают стоящими рядом в одной плоскости и соединенными стержнями-связями. Влиянием продольных деформаций ригелей, перемычек и стержней-связей между вертикальными конструкциями можно пренебречь. Также не учитывают деформации сдвига стоек рам и вертикальных диафрагм. Отношение высоты сечения вертикальной диафрагмы к ее длине обычно составляет . Влияниеподатливости стыков стоек и ригелей учитывают в расчетах снижением их погонной жесткости, а влияние податливости стыков вертикальных диафрагм снижением их изгибной жесткости на 30%.
В расчетных схемах многоэтажных зданий регулярной структуры с постоянными по высоте значениями жесткости элементов дискретное расположение ригелей, перемычек, стержней-связей заменяют непрерывным расположением.
Горизонтальную ветровую нагрузку (увеличивающуюся кверху) при расчете многоэтажных зданий заменяют эквивалентной равномерно распределенной или же эквивалентной нагрузкой, распределенной по трапеции. При равномерно распределенной нагрузке получают более компактные расчетные формулы и практически точные значения перемещений и усилий в расчетных сечениях. Эквивалентную равномерно распределенную ветровую нагрузку определяют по моменту в основании.
Многоэтажные рамы высотой до 16 этажей имеют колонны постоянного сечения по всей длине здания (рис. 7.4, а). Увеличения несущей способности колонн нижних этажей достигают повышением класса бетона, процента армирования, применением жесткой арматуры. Элементы сборных колонн в целях снижения трудоемкости на монтаже выполняют размером на 3 – 5 этажа. Комбинированные вертикальные связевые диафрагмы, состоящие из сплошной и рамной частей, сохраняют регулярную структуру (постоянные размеры элементов и пролетов ригелей) по всей высоте здания (рис. 7.4, 6). Вертикальные связевые диафрагмы с проемами имеют железобетонные перемычки, жестко связанные на опорах с простенками, и также сохраняют регулярную структуру по всей высоте здания (рис. 174, в). Стыки ригелей с колоннами выполняют шарнирными на скрытых консолях и бес-консольными.
При жестком соединении ригелей с колоннами существенно повышается общая жесткость многоэтажного здания и достигается экономия металла в армировании ригелей (по условиям прочности, трещиностойкости и предельных прогибов). Стыки колонн выполняют посредством ванной сварки выпусков стержней диаметром до 40 мм.
Элементами сборных вертикальных связевых диафрагм являются колонны каркаса и панели с полками для опирания плит перекрытий (рис. 7.7).
Элементы соединяют сваркой закладных деталей и замоноличиванием. Применяют также монолитные панели, бетонируемые на месте возведения после приварки к закладным деталям колонн арматурных сеток. Вертикальные связевые диафрагмы в виде ядер жесткости чаще выполняют монолитными в скользящей опалубке. В сборных ядрах жесткости элементы стенок малоповторяемы, а из-за значительных сдвигающих усилий, возникающих в узлах стенок, при монтаже увеличивают объем сварочных работ.
9.4. Деформационные швы
В железобетонных и каменных конструкциях значительной протяженности появляются опасные собственные напряжения от усадки и температурных воздействий, а также вследствие неравномерной осадки фундаментов. Примером могут служить наружные стены зданий, которые при сезонном перепаде температуры периодически получают нарастающие деформации растяжения или сжатия. Вследствие этого стены здания могут разорваться на две и более частей в зависимости от протяженности здания. Дополнительные напряжения в конструкциях от неравномерной осадки опор возникают при размещении фундаментов зданий на разнородных грунтах или при неодинаковых давлениях фундаментов на основания.
В целях уменьшения собственных напряжений от перепада температуры, усадки бетона и осадки опор железобетонные и каменные конструкции зданий разделяют по длине и ширине на отдельные части (деформационные блоки) температурно-усадочными и осадочными швами. Температурно-усадочными швами разрезают здания до верха фундамента, а осадочными — включая фундамент. Это обусловлено тем, что температурно-влаж-ностный режим фундаментов колеблется незначительно, поэтому в нем возникают небольшие собственные напряжения от усадки и перепада температуры. В зданиях из монолитного бетона деформационные швы одновременно являются рабочими швами, т. е. местами для перерыва работ по укладке бетона на продолжительное время.
Суммарная ширина деформационных швов зависит от размеров деформационных блоков здания и возможных колебаний температуры. Расчеты показывают, что при возведении зданий в условиях средней температуры их деформационные блоки можно разделять швами шириной 0,5 см; они могут даже соприкасаться вплотную, так как вследствие усадки бетона швы сами раскроются и образуют зазор, достаточный для удлинения продольных конструкций блоков при повышении температуры. Если же сооружения возводят при сравнительно низкой температуре, то ширину шва обычно принимают 2–3 см.
Здания или сооружения, прямоугольные в плане, обычно разделяют швами на равные части. В зданиях с пристройками деформационные швы удобно располагать во входящих углах; при разной этажности – в сопряжении низкой части с высокой (рис. 7.8), а при примыкании новых зданий или сооружений к старым – в местах примыкания. В сейсмических районах деформационные швы используют и как антисейсмические.
Рис. 7.8. Схема расположения деформационных швов в зданиях сложной формы и разной этажности
1 – деформационные швы; 2 – деформационные блоки
Деформационные швы в каркасных зданиях чаще всего образуют установкой сдвоенных колонн и парных балок (рис. 7.9, а). Такие швы являются наиболее дорогими и рекомендуются для зданий повышенной этажности при тяжелых или динамических нагрузках. В панельных зданиях швы выполняют постановкой парных поперечных стен. При опирании балок перекрытия на стены целесообразно деформационный шов устраивать с помощью скользящей опоры (рис. 7.9, б).
Рис. 7.9. Основные конструктивные схемы температурно-усадочных швов
1 — парные колонны; 2 — парные балки; 3 — температурно-усадочные швы;
4 — балки перекрытия; 5 — поверхность скольжения (прокладки)
В монолитных железобетонных конструкциях деформационные швы устраивают путем свободного опирания конца балки одной части зданий на консоль балки другой части здания (рис. 7.9, в); в консольных деформационных швах соприкасающиеся части необходимо выполнять строго горизонтальными, так как в противном случае вследствие заклинивания шва можно повредить как консоль, так и лежащую на ней часть балки (рис. 7.10, а). Особенно опасен обратный уклон опорной поверхности консоли. Примерные конструкции деформационных швов в стенах и перекрытиях приведены на рис.7.10, в, г.
Рис. 7.10. Конструкция температурно-усадочных швов
а — схема усилий от температурных и усадочных деформаций; б — схема шва в перекрытиях; в — деталь шва в стенах; г — деталь шва в покрытии; 1 — полимерный герметик (толь, просмоленная пакля, картон); 2 — крышка из кровельной стали; 3 — рулонный ковер; 4 — асфальтная (цементная! стяжка; 5 — утеплитель; б — плита покрытия; 7 — деревянное обрамление; 5 — конус из кровельной стали; 9 — термоизоляция
Осадочные швы (при примыкании новых зданий к старым, в местах сопряжения высоких частей здания с низкими, при возведении зданий на неоднородных и просадочных грунтах) устраивают посредством парных колонн, опирающихся на независимые фундаменты, или устанавливают в промежутке между двумя частями здания (с самостоятельными фундаментами) свободно опертые плиты-вкладыши или балочные конструкции (рис. 7.10,6). Последнее решение чаще всего применяют при сборных конструкциях.