Связевые и рамно-связевые каркасы Связевый тип каркаса состоит из связевой плоской или пространственной конструкции и колонн, шарнирно присоединенных к ней ригелями. Связевая конструкция представляет собой вертикальную диафрагму, образованную колоннами, ригелями и связями - диагональными элементами (рис. 12.35). Функции обеспечения жесткости распределены в связевом каркасе неравномерно: при действии горизонтальных нагрузок практически вся жесткость сосредоточена в связевой конструкции, работающей по схеме защемленной в фундаменте консоли. Колонны при условии шарнирного их присоединения к связевой конструкции настолько слабо сопротивляются горизонтальным перемещениям, что их вкладом в жесткость каркаса можно пренебречь. Эти колонны сжаты от вертикальных нагрузок перекрытий, наружных стен и перегородок. Колонны, входящие в состав связевой конструкции, воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, работая в качестве ее поясов. Ригели несут непосредственно действующие на них вертикальные нагрузки и испытывают небольшие продольные усилия от горизонтальных нагрузок.
Рис. 12.35. Принципиальная схема расположения связевых конструкций - вертикальных диафрагм жесткости
Связевый тип каркаса работает на горизонтальные нагрузки эффективнее рамного, так как в работе участвуют диагональные элементы (связи). Бóльшая часть колонн освобождена от внутренних усилий изгиба и требует меньшего расхода стали. Поэтому в связевом каркасе проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию.
Связевым каркасам соответствует свободное (шарнирное) крепление балок к колоннам (рис. 12.36). По сравнению с другими свободное крепление на болтах нормальной точности проще в изготовлении и монтаже, не требует высокой точности изготовления, обеспечивает податливость узла и практически свободный поворот балки относительно колонны. Основные усилия для расчета крепления - поперечная сила в опорном сечении балки (Q) и продольная сила (N), возникающая в балке при работе связевой системы. Для удобства монтажа и частичной передачи поперечных сил в большинстве случаев предусматриваются опорные столики в виде уголков, кронштейнов, толстых листов стали.
Рис. 12.36. Свободное (шарнирное) болтовое крепление балок к колоннам: а - с помощью соединительных уголков и уголковых столиков; б - через опорное ребро фланцевого типа; в - через приваренную к колонне пластину с опиранием на столик; г - с помощью пропущенного через колонну стального листа и боковых накладок
Основные типы вертикальных связей и их компоновки для стальных каркасов показаны на рис. 12.37 - начиная от самой жесткой конструкции (крестовидная связь) и заканчивая наименее жесткой конструкцией (неполные подкосы). Выбор типа связей определяется не только требуемой жесткостью, но и необходимыми размерами оконных и дверных проемов в местах установки связей - на рис. 12.37 проемы показаны пунктиром.
Рис. 12.37. Типы вертикальных связей и схемы их компоновки
Поясами вертикальных связевых ферм являются, как правило, колонны, стойками - балки перекрытий. В качестве раскосов и подкосов чаще всего применяют самостоятельные элементы связей, поскольку использовать для этого др. наклонно расположенные элементы (косоуры лестниц, балки пандусов и т.п.) удается очень редко.
При действии горизонтальной (ветровой) нагрузки в зависимости от ее направления в раскосах (подкосах) возникают усилия либо сжатия, либо растяжения. Для того, чтобы раскосы были всегда растянуты, применяют крестовидную решетку связей, в которой всегда один из раскосов растянут, а другой остается ненапряженным.
Крепление раскосов в большинстве случаев выполняется на болтах (рис. 12.38). Узкие вертикальные связевые фермы могут быть сварены на заводе и доставлены на строительство в готовом виде. Во всех случаях оси раскосов должны проходить через точки пересечения осей колонн и ригелей. Примыкание с эксцентриситетом связано с возникновением изгибающих моментов в стержнях решетки.
Рис. 12.38. Крепление элементов вертикальных связей на болтах: а, б - к приваренной узловой фасонке; в - к фасонке на болтах; г - соединение фланцевого типа
Различие форм зданий в плане предполагает разнообразие возможных компоновок связевых каркасов (рис. 12.39), которые характеризуются следующими особенностями:
- расположением диафрагм и ядер жесткости: внутри здания, в зоне контура здания, комбинированным, симметричным, несимметричным;
- количеством диафрагм и ядер жесткости (обычно не менее трех диафрагм или двух ядер);
- формой ядер жесткости: незамкнутые (открытые) - Г-, П-, Т-, Z-образные; замкнутые - прямоугольной, треугольной и других форм.
Рис. 12.39. Компоновочные схемы связевых каркасов
Рамно-связевые каркасы аналогичны по своей схеме связевым, но отличаются от них рамным (жестким) соединением ригелей и колонн, не входящих в связевую конструкцию.
Функции обеспечения жесткости системы распределены между ее связевой и рамной частями, однако в большинстве случаев соотношение жесткостей в системе таково, что ее связевая часть воспринимает до 80% горизонтальных нагрузок.
Моменты от горизонтальной нагрузки в узлах рамно-связевого каркаса намного меньше, чем в чисто рамной системе, что обеспечивает унификацию ригелей и узлов. Однако узлы довольно сложны и трудоемки в изготовлении и монтаже.
В современной практике применяют рамно-связевые системы с примыканием ригеля к колонне, расчитанным на восприятие 0,1-0,2 части полного балочного момента ригеля и допускающим образование шарнира пластичности (рис. 12.40). Такие примыкания облегчают унификацию узлов и ригелей и способствуют широкому применению рамно-связевых стальных каркасов в многоэтажных зданиях.
Рис. 12.40. Компоновочные схемы рамно-связевых каркасов
Применяются и другие рамно-связевые каркасы (рис. 12.41). Эффективность каркаса может быть повышена за счет использования горизонтальных жестких решетчатых поясов и ростверков. Пояс или ростверк жесткости представляют собой связевую решетчатую конструкцию высотой в этаж, предназначенную для увеличения жесткости здания. Пояс размещается в средней части здания, а ростверк - конструкция, венчающая здание. По высоте здания устраивается один или несколько горизонтальных поясов жесткости - чем больше поясов, тем лучше совместная работа ядра жесткости и наружных колонн, выше жесткость всего каркаса. Пояса размещаются в тех местах здания, где их диагональные связи не ограничивают функциональный процесс в здании (например, в уровне технических этажей).
Рис. 12.41. Рамно-связевые каркасы с горизонтальными поясами жесткости: а - пояс и ростверк жесткости в обычной рамной системе; б - то же, с вертикальной диафрагмой или ядром жесткости; в - фермы-ригели через два этажа; г - фермы-ригели через этаж
Размещение горизонтальных поясов жесткости вверху (ростверк) и посередине здания (рис. 12.41 а, б) целесообразно для зданий высотой до 60 этажей.
В производственных и общественных зданиях с увеличенными пролетами поясами жесткости являются решетчатые ригели высотой в этаж (рис. 12.41 г), имеющие в местах проемов (проходов) рамные вставки. При одинаковом расположении ригелей в соседних рамах (схема I) чередуются этажи с большой свободной площадью и стесненными условиями. Этот недостаток устраняется при шахматном расположении ригелей (схема II), которое обеспечивает на всех этажах достаточно крупные по размерам помещения в результате поочередного опирания плит перекрытий на верхние и нижние пояса ферм и удвоения их шага.
а
г
Рис. 12.42. Примеры зданий со стальными каркасами: а - трубчатые колонны снаружи соединены криволинейными ригелями; б - устройство балконов, крыши и наклонного остекления с помощью дополнительных элементов каркаса; в - цилиндрические объемы с консольными выступами; г - колонны каркаса нижних этажей вынесены наружу; д - трубчатые колонны крайнего ряда вынесены наружу
|