Краткий курс лекций (учебно-методическое пособие для студентов строительных специальностей) Харьков 2003 (стр. 7 из 9)

Рамная система более сложная в конструктивном оформлении и менее жёсткая, она может оказаться рациональной для сравнительно невысоких зданий (до 30 этажей).

Горизонтальные диски проектируются на каждом, или через несколько этажей и представляют собой замоноличенные железобетонные плиты перекрытия иногда с дополнительными системами горизонтальных связей. Жёсткие горизонтальные диски (перекрытия) нужны для перераспределения ветровой нагрузки между вертикальными связями или рамами и обеспечения общей жёсткости каркаса.

Вертикальные связи проектируется в виде консольных ферм (с различным типом решётки), защемлённых в фундаменте. В местах защемления связевых ферм, фундамент испытывает весьма значительные местные воздействия.

В рамной схеме усилия передаются на фундаменты более равномерно, однако такая система более податливая. Иногда связи проектируют в виде сплошных железобетонных стенок (диафрагм).

3.2 Каркас здания

Конфигурация здания в плане зависит от его функционального назначения и архитектурного замысла.

Наиболее простые конструктивные решения каркаса получаются при квадратном или прямоугольном плане здания. При разбивке сетки колонн, надо стремиться к тому, чтобы расстояние между ними подчинялось единому модулю и образовывались ячейки. В этом случае можно добиться максимальной типизации элементов каркаса (колонн, балок, а также элементов ограждающих конструкций, стен и перекрытий).

Расстояние между колоннами определяет расход стали на каркас: с увеличением шага вес колонн уменьшается, а вес балок возрастает; с уменьшением шага колонн — всё происходит наоборот. В 30—60 этажных зданиях оптимальный шаг колонн лежит в пределах 4—6 метров.

3.3 Компоновка связей

Ветровая нагрузка может действовать в любом направлении, следовательно, расположение связей должно обеспечивать пространственную жёсткость здания и обеспечивать сопротивляемость скручиванию.

В рамных системах рамы расположены по всем осям в продольном и поперечном направлении, поэтому пространственная жёсткость обеспечивается наиболее просто.

Связевые фермы следует размещать как в продольном, так и в поперечном направлении по возможности симметрично относительно главных осей здания. При несимметричном расположении вертикальных связей, ветровые нагрузки будут закручивать здание и вызывать дополнительные усилия в связях.

Поперечные сечения играют главную роль в обеспечении жёсткости здания и воспринимают большую ветровую нагрузку. Значение связей продольного направления меньше, так как большое количество колонн, протяжённость стен обеспечивает зданию дополнительную жёсткость.

Связевые фермы обычно идут на всю высоту здания. В некоторых случаях связи приходится смещать в соседние панели, тогда нижние связи должны заходить на верхние на высоту этажа.

Конструктивные схемы связей могут иметь различные схемы решётки:

Рис. 33 - Компоновка связей

а) наибольшее распространение получила полураскосная решётка (а), которая допускает устройство дверей и окон и испытывает относительно небольшие дополнительные усилия от обжатия колонн под нагрузкой.

б) крестовая решётка (б) более жёсткая, но возможна только в глухих стенах. Раскосы получают значительные дополнительные усилия от упругого обжатия колонн, которые определяются по формуле:

Gд.с.в.= Gколcos² α , где Gк — напряжение сжатия в колонне;

или Nad= α N(Ad/A), α = al ²(a³ +2b³ );

или Nad= α Nk (Ad/Ak), α =al (a³ +2b ³).

в) ромбическая решётка (в) и не полные раскосы (г) (которые работают хуже полураскосных) возможны только в отдельных случаях, при соответствующих требованиях к устройству проёмов.

Ромбические "в" раскосы имеют много узлов и, при работе системы под нагрузкой, вызывают изгиб колонны.

Связи с неполными раскосами менее жёсткие, так как они по сути образуют рамную систему, вызывая дополнительные изгибные моменты в ригелях и колоннах.

3.4 Конструкции элементов каркасов

Колонны должны быть компактными:

Рис.34 - Типы сечений колонн.

Размещение и конструкция стыков — колонны стыкуют на монтаже через два этажа. Для удобства монтажа стыки размещают на 0,5—1м выше уровня междуэтажных перекрытий. В пределах одной отправочной марки сечения колонн не меняются. Для упрощения стыка они проектируются с фрезеровкой торцов.

Рис. 35 - Стыки колонн ( а и б—с фрезеровкой торцов и стяжными болтами;

в—с накладками )

Базы колонн, как и стыки, проектируются с фрезерованными торцами самых различных типов в зависимости от поперечного сечения колонны, наличия поперечных сил и отрыва (см. рис. 36).

Рис.36 - Базы колонн.

Балки и ригели — шарнирные и рамные узлы сопряжений.

Рис. 37 - Сопряжение балок с колоннами: а — шарнирное; б — рамное.

3.5 Особенности расчёта стального каркаса многоэтажного здания

Каркас здания рассчитывают на несущую способность и устойчивость (жёсткость). Проверка жёсткости при действии ветровой нагрузки сводится к определению максимального прогиба каркаса, который не должен превышать 1/500 высоты, и при проверке перекоса каркаса не должен превышать 1/1000 в зависимости от материала стен и перегородок.

Проверка прогиба, по существу, условная, так как не учитывается жёсткость стен, динамические порывы ветра заменяются статической ветровой нагрузкой и т.д.

Расчёт на вертикальную и горизонтальную нагрузку:

— при шарнирно-связевой схеме каркаса здания расчёт ведётся как в обычной этажерке с учётом момента от эксцентриситета приложения нагрузки балок на колонны;

— при рамном решении каркаса здания в одном или в двух направлениях расчёт ведут методами строительной механики.

4. Высотные сооружения

Высотными сооружениями принято называть сооружения, высота которых намного превышает их размеры в поперечном сечении. К высотным сооружениям относятся опоры антенных сооружений связи (радио, телевидение), опоры воздушных линий электропередачи и открытых распредустройств, вытяжные башни, вентиляционные и вытяжные трубы, осветительные и метрологические вышки, маяки, водонапорные башни и т.д.

По конструктивным элементам все высотные сооружения можно разделить на два вида:

— башни — это сооружения жёстко закрепленные в основании, что достигается анкеровкой ствола к фундаменту;

— мачты — это сооружения, устойчивость положения которых обеспечивается системой оттяжек.

Рассмотрим башни:

В целях обеспечения и более равномерного распределения усилий в поясах, башни проектируют уширенными к основанию в соответствии с возрастанием изгибных моментов от вершины к основанию. Устройство переломов в поясах усложняет конструкцию, поэтому башни чаще проектируют пирамидальной формы.

Ширина в основании В=1/12—1/6Н, исходя из необходимости обеспечения требуемой жёсткости и экономичных соображений.

С увеличением ширины снижают усилия в поясах от моментов ветровой нагрузки, что уменьшает расход металла на пояса и диаметр анкерных болтов, но приводит к дополнительному расходу металла на решётку и диафрагмы.

Ширину верхней части башни рекомендуется делать по возможности меньше (1—2м), так как это способствует снижению ветровой нагрузки, а следовательно снижает расчётные усилия по всей высоте башни (уклон граней 1/20—1/40).

В верхней части башни целесообразно применять треугольную или раскосную систему решётки, а также ромбическую или полураскосную.

Когда ширину ствола желательно иметь небольшую, то ствол делают сплошностенчатым.

Рассмотрим мачты:

Мачты состоят из ствола, опирающегося на центральный фундамент и оттяжек, закреплённых в анкерных фундаментах. Число ярусов креплений оттяжек к стволу и расстояние между ними принимается в зависимости от высоты и назначения сооружения.

Ствол проектируют (обычно) решётчатым, в виде трёх- или четырёхгранной призмы с размерами поперечного сечения в пределах габаритов железнодорожного транспорта.

Решётка — крестовая или, при небольшой ширине ствола, треугольная. В некоторых случаях ствол мачты делают сплошным — цилиндрической формы (в виде трубы).

По расходу металла лучшей является мачта со стволом трёхгранного очертания и тремя оттяжками в ярусе.

По расходу металла и стоимости мачты выгоднее башен, при Н~150м, стоимость мачт на 20—30% ниже чем башни. Этот разрыв возрастает с увеличением высоты сооружения.

Недостатки мачт — необходимость постоянного контроля за натяжением оттяжек; требуется значительно большая площадь застройки, чем для башен, поэтому мачты на территории городов или в непосредственной близости от них строят крайне редко. Не строят мачты также вблизи аэродромов, так как оттяжки представляют опасность для самолётов.

4.1 Вытяжные башни

Вытяжные башни представляют собой высотные сооружения, с помощью которых отходы производства с остаточным после очистки содержанием вредных веществ выбрасываются на значительной высоте от поверхности земли.

К несущему каркасу вытяжной башни прикреплены один или несколько газоотводящих стволов, выполненных из материалов, свойства которых определяются высокой коррозионной стойкостью в условиях воздействия агрессивных сред и высоких температур (нержавеющие и жаростойкие стали, титановые сплавы, синтетические материалы).