4.2. Объемно-планировочные и конструктивные решения многоэтажных зданий

Объемно-планировочное решение здания должно удовлетворять функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям, для чего необходимо определить состав, размеры и взаимное расположение основных, обслуживающих, коммуникационных и технических помещений. Помещения, близкие по назначению и размерам, размещают в типовых этажах здания; входные узлы, большие залы - в нетиповых. Инженерное оборудование устанавливают в специально предусматриваемых технических этажах. Обычно на 8...12 типовых этажей приходится один технический. Инженерные коммуникации прокладывают в вертикальных шахтах и горизонтальных каналах, под которые используют свободное пространство в пределах габаритов колонн и межбалочное пространство перекрытий.

Применяемые планировочные решения должны вписываться в модульную сетку разбивочных осей и высоты этажей. Для общественных зданий рекомендуются следующие сетки колонн: 6 × 6; 6 × 9; 6 × 12; 9 × 9; 12 × 12 м, допускаются размеры 3,0, 4,5 и 7,5 м. Высоту этажей принимают равной 3,3; 3,6; 4,2 м и более с модулем 0,6 м. Форма плана, общая пространственная композиция и высота здания взаимосвязаны, они зависят от градостроительных факторов, природно-климатических условий, а также технологических, экономических и эксплуатационных возможностей применяемых конструкций. Возможные планы многоэтажных зданий приведены на рис. 4.3. Здания с компактными планами (рис. 4.3, а) обычно нуждаются лишь в опорах вдоль наружных стен и центральном ядре жесткости. Протяженные узкие здания имеют, как правило, ряд колонн у наружных стен и один или два дополнительных ряда внутри здания (рис. 4.3, б).

Конструктивное решение многоэтажного здания непосредственно связано с планировочными решениями и решением систем инженерного обслуживания здания и должно удовлетворять требованиям прочности, устойчивости и жесткости, что обеспечивает долговечность сооружения.

219

Рис. 4.3. Формы планов многоэтажных зданий:
а - здания с компактными планами; б - то же, с протяженными

Рис. 4.4. Относительная стоимость несущих конструкций многоэтажных зданий в зависимости от количества этажей:
1 - традиционная конструктивная схема; 2 - оптимальная конструктивная схема

Значимость рационального конструктивного решения здания возрастает с увеличением его высоты (рис. 4.4) [8]. Из рис. 4.4 (где ось абсцисс характеризует этажность, а ось ординат - стоимость несущих конструкций, отнесенная к суммарной площади здания в %) следует, что при использовании традиционных каркасных схем стоимость несущих конструкций, например, 60-этажного здания по сравнению с 20-этажным возрастает на 75 %. При оптимальных конструктивных схемах соответствующее увеличение стоимости зданий составляет всего 27 %.

Любое каркасное здание состоит из отдельных элементов, выполняющих в общей системе определенные функции. В систему высотного каркаса к этим элементам относят вертикальные элементы (колонны, рамы, диафрагмы и стволы жесткости) и горизонтальные элементы (плиты и балки перекрытий, горизонтальные связи). Вертикальные элементы выполняют в системе главные несущие функции, воспринимая все действующие на здание нагрузки с передачей их на фундамент. Горизонтальные элементы обеспечивают неизменяемость системы в плане, передают прилагаемые к ним нагрузки на вертикальные элементы, обеспечивают пространственную работу всей системы, выступая в качестве распределительных горизонтальных дисков. Некоторые из наиболее распространенных конструктивных схем каркасов представлены на рис. 4.5.

В зависимости от их вида конструктивной схемы многоэтажные здания подразделяют на:

220

Рис. 4.5. Конструктивные схемы высотных зданий:
а - бескаркасная с параллельными несущими стенами; б - ствольная с несущими стенами; в - коробчатая; г - с консольными перекрытиями в уровне каждого этажа; д - каркасная с безбалочными плитами перекрытия; е - с консолями высотой на этаж в уровне каждого второго этажа; ж - с подвешенными этажами; з - с фермами высотой на этаж, расположенными в шахматном порядке; и - рамно-каркасная; к - каркасно-ствольная; л - каркасная с решетчатыми диафрагмами жесткости; м - каркасная с решетчатыми горизонтальными поясами и решетчатым стволом; н - коробчато-ствольная (труба в трубе); р - многосекционная коробчатая

• бескаркасные системы, состоящие из пластинок-стен, оболочек открытого или замкнутого профиля, объемных тонкостенных блоков (рис. 4.5, а - г);
• каркасные системы, состоящие из стержней (рис. 4.5, и, л, м);
• смешанные системы, состоящие из элементов, присущих как каркасным, так и бескаркасным системам (рис. 4.5, к, н, р).

Стальные несущие конструкции рационально применять в каркасных и смешанных системах. Такие системы являются наиболее перспективными, так как обеспечивают свободу для архитектурной планировки и возможность ее изменения при эксплуатации здания.

Каркасные и смешанные системы в зависимости от распределения функций между элементами каркаса для обеспечения пространственной

221

Рис. 4.6 Схемы основных рамных систем:
а - обычная; б - с внешней пространственной рамой; в - рамно-секционная; 1 - колонна; 2 - ригель; 3 - плоскость одного из перекрытии

жесткости и устойчивости подразделяют на рамные (рис. 4.6), связевые (см. рис. 4.8) и рамно-связевые (см. рис. 4.9).

Рамные системы. Рамные каркасы обычно состоят из прямоугольной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами.

В обычной рамной системе (рис. 4.6, а) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6, 9 м. Жесткие рамы при горизонтальных нагрузках работают за счет изгиба колонн и балок. Горизонтальный прогиб рамного каркаса определяется двумя факторами:

• прогибом от изгиба каркаса как консоли (рис. 4.7, б), при этом удлинение и укорочение колонн приводит к горизонтальным перемещениям, составляющим около 20 % общего прогиба;
• прогибом за счет работы балок и колонн на изгиб (рис. 4.7, в).

На последний вид деформирования приходится около 80 % общего перемещения здания, из которых 65 % из-за изгиба балок и 15 % из-за изгиба

Рис. 4.7. Схемы деформирования каркаса с рамными узлами при действии горизонтальной нагрузки:
а - общая схема деформаций; б - прогиб консоли; в - прогиб за счет работы колонн и балок на изгиб; г - схема деформации ячейки жесткой рамы

222

колонн. Поэтому подобные системы экономичны в зданиях высотой не более 30 этажей.

Системы с внешней пространственной рамой (см. рис. 4.6, б) обладают повышенной изгибной жесткостью, так как при расположении колонн по контуру увеличивается момент инерции горизонтального сечения каркаса. Система отличается высокой жесткостью на кручение. Кроме того, при частом расположении колонн конструктивные элементы внешней рамы выполняют функции фахверка наружной стены и для ее устройства не требуется дополнительных элементов. При большой ширине здания система может быть дополнена внутренними колоннами, воспринимающими только вертикальные нагрузки от шарнирно примыкающих ригелей перекрытий.

Дальнейшим развитием рамных систем является рамно-секционная система (см. рис. 4.6, в). Благодаря дополнительной жесткости внутренних рам и более равномерному включению граней внешней рамы в работу на изгиб, общая жесткость этой системы по сравнению с предыдущей повышается. Рамно-секционная система позволяет завершать различные секции на разной высоте без существенного усложнения конструкций, придавая зданию ступенчатый объем. Ригели перекрытий в пределах отдельных секций обычно опирают на колонны шарнирно.

Связевые системы. В связевых системах (рис. 4.8) горизонтальная жесткость обеспечивается за счет работы диагональных элементов и колонн при шарнирном примыкании ригелей. Связевая система работает на горизонтальные нагрузки как консоль, защемленная в фундаменте, нагрузки на которую передаются посредством жестких дисков перекрытий.

Рис. 4.8. Схемы основных связевых систем:
а - с диафрагмами жесткости; б - с внутренним решетчатым стволом; в - с внутренним железобетонным стволом; г - с внешним стволом; 1 - диафрагмы; 2 - колонны; 3 - ригели; 4 - внутренний железобетонный ствол; 5 - внешний ствол \ 6 - наружные диафрагмы

223

Связевая конструкция может быть решена в виде плоских диафрагм (рис. 4.8, а) или в виде пространственных стволов жесткости (рис. 4.8, б, в, г), которые могут располагаться как внутри здания (рис. 4.8, б, в), так и снаружи, образуя внешний ствол (рис. 4.8, г). Внутренний ствол жесткости может быть решен в виде стальной пространственной решетчатой системы или в виде замкнутой железобетонной конструкции. Такой ствол целесообразно совмещать с лифтовыми или коммуникационными шахтами.

Связевая система отвечает принципу концентрации материала и позволяет проектировать большинство элементов каркаса и их сопряжения более легкими, простой конструктивной формы и в максимальной степени типизировать. По расходу стали связевые системы более эффективны, чем рамные, так как большая часть колонн освобождена от внутренних усилий изгиба.

Рамно-связевые системы (рис. 4.9) имеют вертикальные связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, расположенными в одной или разных плоскостях со связями. Обратите внимание на несколько иное определение рамно-связевых систем по сравнению с одноэтажными зданиями, что обычно не вносит путаницы и понятно из контекста. Функции обеспечения жесткости распределены в системе между связевой и рамной частями не одинаково, в большинстве случаев связевая часть воспринимает 70...90 % горизонтальных нагрузок. В качестве примера на рис. 4.10 показан каркас 16-этажного жилого дома [9], выполненного по рамно-связевой схеме. В продольном направлении жесткость обеспечивается за счет рамных узлов примыкания ригелей к колоннам, а в поперечном - за счет связевых диафрагм по торцам здания. Ветровые нагрузки в поперечном направлении передаются через горизонтальные диски перекрытий на торцовые диафрагмы. Жесткость перекрытии

Рис. 4.9. Схемы рамно-связевых систем:
а - рамно-связевые системы с жесткими включениями; б - то же, с поясами жесткости; в - то же, с поясами жесткости и ростверками

224

Рис. 4.10. Рамно-связевой каркас жилого 16-этажного здания:
а - конструктивная схема продольной и торцовой стен; б - план типового этажа; в - общий вид монтажа каркаса

Рис. 4.11. Примеры сочетаний различных систем по высоте каркаса

в горизонтальной плоскости увеличена постановкой крестовых связей.

При проектировании каркасов многоэтажных зданий не всегда сохраняется регулярность системы и единый принцип ее построения. Это вызвано, как правило, нерегулярностью в объемно-планировочных решениях этажей, что требует смещения осей колонн и ригелей как в плане, так и по высоте. На рис. 4.11 показаны примеры сочетания различных схем по высоте здания. В схемах рис. 4.11, а, б в верхней части каркаса использована менее жесткая рамная система, а в схеме рис. 4.11, в использована идея концентрации усилий от горизонтальных нагрузок в меньшем числе узлов и с более конструктивно простым примыканием ригелей в остальных узлах. Но для обеспечения горизонтальной жесткости каркаса по схеме в в верхнем этаже поставлена вертикальная связь (ростверк), которая способствует более полному включению в работу на горизонтальные нагрузки вертикальных элементов каркаса.

Системы со стволами жесткости. Стволы жесткости, которые являются составной частью связевых систем, могут быть использованы для создания каркасов с консольными и подвесными этажами (рис. 4.12). Конструктивно стволы жесткости можно выполнять из стали, железобетона или из их комбинаций. Преимущество стальных стволов заключается в возможности сравнительно быстрого монтажа элементов. Стволы жесткости можно рассматривать как замкнутый тонкостенный консольный брус, защемленный в основании и воспринимающий вертикальные и горизонтальные нагрузки. Реакция ствола на горизонтальные нагрузки

225

Рис. 4.12. Схемы систем со стволами жесткости:
а, б - с подвесными этажами; в - д - с консольными этажами; е - з - комбинированные системы (ж, з - с предварительно напряженными подвесками); 1 - ростверк; 2, 3 - варианты очертания вант

зависит от его формы, степени однородности и жесткости, а также от направления действия нагрузок. Так как в уровне каждого этажа в стенках ствола жесткости предусматривают проемы, то степень изменения жесткости характеризует схему деформирования системы в целом. Ствол может работать как открытое сечение и испытывать депланацию сечений в верхней части, где отсутствует заделка, особенно при асимметричной нагрузке, вызывающей закручивание.

Области применения различных систем. Каждая из рассмотренных конструктивных схем экономически целесообразна для зданий определенной высоты. На рис. 4.13 приведены данные, характеризующие области целесообразного применения разных конструктивных схем [3]. Эти данные следует считать ориентировочными, так как они основаны на анализе конкретных объектов и учитывают их технико-экономические показатели. Показателем экономической эффективности при построении данной схемы принят расход стали в кг на м² полезной площади зданий.

226

Рис. 4.13. Области применения разных конструктивных систем:
а - обычная рамная система; б - связевая или рамно-связевая с диафрагмами жесткости или внутренним стволом; в - то же, с ростверками; г - рамная система с внешней пространственной рамой; д - секционно-рамная система; е - связевая система с внешним стволом в виде пространственной фермы

227