Колони та балки багатоповерхових будівель

Багатоповерхові будівлі (20-30 поверхів і вище) додають міському ансамблю архітектурну вирозність. У одній такий будівлі можна розмістити великі державні адміністративні установи, комунальні підприємства, навчальні заклади та ін.

При великій етажності будівель раціональне розділення конструкцій на несучі та огороджувальні. Функції несучих конструкцій виконує каркас з високоміцних матеріалів, функції огороджувальних конструкцій — легкі стенові панелі із ефективними теплоізоляційними матеріалами.

Такі конструкцій високоіндустріальні, що різко скорочує термін   зведення будівель. Будівельний майданчик при цьому мінімальний. Матеріали для каркаса вибирають на основі техніко-економічного аналізу з урахуванням конкретних
умов будівництва. Каркаси можуть бути стальними, залізобетонними (з гнучкою і жорсткою арматурою) і змішаними: колони нижніх поверхів із сталі, верхніх — із залізобетону. З повишенням поверхості будівлі доцільність застосування сталевого каркаса збільшується.

Головною перевагою сталевого каркаса є висока міцність матеріалу, що дозволяє приймати мінімальні розміри перерізу колоні і тим самим збільшувати корисну площу приміщень. Тому в нижніх поверхах будівель доцільно проектувати колони з низьколугованої стали.

Щоб захищати сталевий каркас від пожежі і корозії, елементи каркаса бетонують, облицьовають керамічними блоками, спеціальними плитами і покривают  захисними шарами.

Каркас багатоповерхової будівлі сприймає значні навантаження: вертикальні — власна вага будівлі, корисні навантаження приміщень і горизонтальні — вітрові, сейсмічні (у відповідних районах) і температурної дії.

Основними конструктивними елементами каркаса є колони та балки.

Приблизний розподіл витрати стали по елементам каркаса, %:

— колони…………………………………………………………. 40-60

— балки перекриття та фахверхи ……………………………… 30-50

— сходи та ліфтові шахти ………………………………………    3-6

Орієнтована витрата металу G на стальний каркас на м3 будівлі, кН/м3:

G = (0,12 + n/200),

де n – кількість етажів.

Залежно від планування приміщень і висоти будівлі використовуються три типи несучих систем багатоповерхових будівель: каркасні, безкаркасні (у вигляді пластинок або оболонок) та змішані.

Найбільш розповсюдженими є каркасні системі, котрі підрозділяються на зв’язкові, рамні та рамно-зв’язконі.

Основні елементи каркаса — колони і балки утворюють систему, що сприймає як вертикальні, так і горизонтальні навантаження, що передає їх дії на фундамент. Крім того, система повинна мати необхідну жорсткість в горизонтальному напрямі, щоб переміщення будівлі від вітрових навантажень не перевищували допустимих норм.

 Фундамент звичайно проектують у вигляді суцільної залізобетонною плити, такої, що найкращим чином розподіляє нерівномірно прикладену до фундаменту навантаження за всією площею основи будівлі.

Вертикальні навантаження через балки перекриття передаються на колони, а потім на фундамент. Для сприйняття і передачі горизонтальних навантажень на фундамент потрібно створити в каркасі жорсткість по висоті системи в горизонтальному напрямі.

    Зв’язневі системі проектують у вигляді вертикальних зв’язків, расташованих на деякій відстані одна від одної і з’єднаних між собою горизонтальними жорсткими дисками (рис. 1, а), рамні системі  у вигляді рамних конструкцій, розташованих по кожному ряду колони, також зв’язаними  горизонтальними дисками (мал. 1,6) .

    У першому випадку горизонтальна жорсткість каркаса забезпечується системою вертикальних і горизонтальних дисків, що приймають на себе все вітрове навантаження. Інші елементи каркаса — колонні і балки, що не входять в систему дисків, конструюються як звичайна балочна система з шарнірнім сполученням у вузлах; вони сприймають лише вертикальне навантаження.

    У другому випадку горизонтальна жорсткість каркаса забезпечується рамними системами, разташованими по кожному ряду колони із жорсткими сполученнями балок з колонами.

Рамно-зв’язкова системи мають вертикальні зв’язки, які сприймають горизонтальні навантаження спільно з рамами, разташованими в одній або різних площинах із зв’язками. Зв’язкова система відповідає принципу концентрації матеріалу і дозволяє проектувати більшість елементів каркаса і їх сполучення більш легкими, простою конструктивною формою і в максимальному ступені типизувати; тому зв’язкова система переважає. Рамна система, складніша в конструктивному оформленні і менш жорстка, може виявитися раціональною для порівняно невисоких будівель. Горизонтальні диски проектуються через декілька етажів і представляють собою монолітну залізобетонну плиту перекриття, іноді з додатковими системами горизонтальних зв’язків.

Рис.1. Схеми стального каркаса

а – із зв’язками  у вигляді вертикальних ферм; б – рамна система; в – з підвісними перекриттями; 1 – горизонтальні диски перекриття; 2 – вертикальні диски-зв’язки; 3 – рами; 4 – траверси; 5 – тяги; 6 – вертикальна ферма.

Жорсткі перекриття потрібні для перерозподілу вітрового навантаження між вертикальними зв’язками або рамами і забезпечення загальної жорсткості каркаса.

   Вертикальні зв’язки проектують у вигляді консольних ферм, защемлених у фундамент. У місцях защемлення ферм фундамент значні  місцеві силові дії, що виникають при вітрових навантаженнях (див. рис. 1, а). У рамній системі зусилля від вітрових навантажень передаються на  фундамент більш рівномірно.

    Іноді вертикальні зв’язки проектують у вигляді монолітних залізобетонних стінок або вертикальних просторових систем-оболонок, разміщенних усередині каркаса або по периметру будівлі.

    Можна передавати не тільки горизонтальне, але і вертикальне навантаження на міцні вертикальні ферми (мал. 1, в). В такому випадку міжетажні перекриття підвішуються до тяги, закріпленних на горизонтальних траверсах. Відсутність колоні полегшує вага каркаса.

    Щоб збільшити поперечну жорсткість, тягу можна закріплювати у фундаменті, створюючи в них попередню напругу, і таким образом включати, їх в роботу на горизонтальне навантаження.

     Конфігурація будівлі в плані залежить від його функціонального призначення і архітектурного задуму.

    Найбільш просте конструктивне рішення каркаса виходять при квадратному або прямокутному плані будівлі. При розбитті сітки колон треба прагнути, щоб колони в плані створили стандартні ніши або щоб відстані між ними підкорялися єдиному модулю. У такому випадку можна добитися максимальної типизації елементів каркаса — колон і балок, а також елементів огороджуючих конструкцій, стін і перекриття. Крім того, відстані між колонами визначають витрату стали на каркас: із збільшенням кроку загальна вага колоні зменшується, а вага балок зростає, із зменшенням кроку колоні — навпаки. Отже, існує оптимальній крок колоні, при якому загальна витрата сталі буде мінімальною. Величина оптимального кроку колони залежить від висоти будівлі: вона зменшується із зменшенням висоти будівлі.

У будівлях висотою 30-40 етажів оптимальній крок колони лежить в межах 4-6 м. Проте за архітектурно-планувальними вимогами крок колони може бути прийнятий більше оптимального. Якщо будівля має складну конфігурацію в плані, то потрібно його розчленувати на окремі прямокутні контури, всередині якихх крок колоні повинен бути стандартним або підпорядкованим загальному модулю. По висоті будівлі колони повинні йти, не перериваючись. При необходності влаштування в будівлі приміщень великого об’єму приходиться переривать колони. Тоді колони, разміщенні више цих приміщень, опираються на перекриття, несучими конструкціями яких є тяжкі фермі висотою в один етаж або міцні монолітні балки. Така компоновка значно ускладнює  конструкцію.

    Вітрове навантаження може діяти на будівлю в будь-якому напрямку, отже, розташування зв’язків повинне забезпечувати просторову жорсткість будівлі і здатність чинити опір скручуванню. У рамних системах рами розміщенні по всіх осях в подовжньому і поперечному напрямів, тому просторова жорсткість забезпечуєтся найпростіше.

Зв’язкові ферми для забезпечення жорсткості слід розміщувати як в подовжньому, так і в поперечному напрямів, по можливості симетрично відносно головної осі будівлі. При несиметричному розташуванні вертикальних зв’язків ветрові навантаження закручуватимуть будівлю і визивають додоткові зусилля в зв’язках .

    Зв’язки поперечного направлення сприймають велике вітрове навантаження і грають головну роль в забезпеченні жорсткості будівлі. Значення зв’язків подовжнього направлення менше, оскільки велика кількість колон, протяжність стін, заповнення і т.п. забезпечують будівлі додаткову жорсткість.

    При складному контурі плану потрібно звернути увагу на правильне розміщення зв’язків. Прикладом такого розміщення зв’язків може служити будівля на Котельничеської набережної в Москві, що має три осі симетрії . У середній частині будівлі поперечні зв’язки-стінки з’єднані трьома внутрішніми стінами, внаслідок чого отримана центральна жорстка просторова система. Прямокутні открили будівлі мають додаткові поперечні зв’язки. Спільна робота всіх зв’язків забезпечується жорсткими міжетажними перекриттями — дисками. Отримана просторова система каркаса надійно забезпечує жорсткість будівлі у всіх направленнях.

    Зв’язкові ферми звичайно йдуть на всю висоту будівлі. У деяких випадках зв’язки доводиться зміщувати в сусідні панелі, тоді нижні зв’язки довинні заходити на верхні на висоту поверха.

Вертикальні зв’язні ферми можуть мати різні системі решіток. Найбільшого поширення набули грати (рис.2, а) напіврозкосу, які допускають пристрій в панелях із зв’язками дверних і віконних отворів, і витримують невеликі додаткові зусилля стиснення із-за укорочення колони під навантаженням. Хрестова решетка (рис. 20.5, б) — найбільш жостка — можлива лише в глухих стінових панелях, розкоси якою отримують значним додатковим зусиллям від стиснення колони.

Рис.2. Конструктивні схеми вертикальних зв’язків.

    В окремих випадках при відповідних вимогах до влаштування отворів можливі ромбічні грати (рис.2, в) і неповні (рис.2, г) розкоси, котрі працюють гірше піврозкосних. Ромбічні решітки мають багато вузлів і при роботі системі під навантаженням визивают прогін колони. Зв’язки з неповними розкосами менш жорсткі, оскільки по суті вони утворюють рамну систему, викликаючі додаткові моменті, що виникають, в ригелях і колонах.

    Типи розрізів. При компоновці розрізів колони багатоповерхових будівель потрібно добиватися їх максимальної компактності, оскільки це дозволяє збільшити корисну площу приміщень. При невеликій вільній довжини колони (в межах поверха 3-4 м) і значною площею розрізу (навантаження в нижніх поверхах досягає декілька тисяч тонн) коефіцієнти подовжнього вигину виходять близькими до одиниці (гнучкість 20-30) і, отже, по умові стійкості розрізу не вимагають розвитку.

    Двотавровий зварний розріз  з товстими полицями і стінками (40-60 мм) завдяки технологічності його виготовлення (автоматична зварка) і зручності примикання балок набув широке поширення в практиці багатоповерхового будівництва. Однак при великих навантаженнях в нижніх поверхах знайшли застосування монолітний (квадратний або прямокутний) розріз колоні.

    У колонах з невеликими зусиллями (до 4000—5000 кН) застосовується розріз з двох кутників, зварених пір’ям , і з двох швелерів, котрі можна підсилити вставленням всередину листа. У зовсім легких колонах застосовується наскрізний розріз з двох швелерів .

    Розміщення і конструкція стиків. Колони стикуються на монтажі через два поверхи. Для зручності монтажу стики розміщують на 0,5-1 м вище рівня міжповерхових перекриттів.

    У рамному каркасі таке розміщення дозволяє спростити стік, що забезпечує простоту і швидкість монтажу.

    В межах довжини однієї відправної марки розрізу колони не міняються. Для спрощення стика вони проектуються з фрезеруванням торців (рис. 3, а).

    Стяжними болтами, закріпленими в діафрагмах або в з’єднувальних  куточках, фіксується взаємне положення монтажніх елементів і закріплення колони в процесі монтажу. При різкій зміні розрізів стикуємих відправних марок стік можна здійснювати через строгану плиту (рис.3, б).

    Якщо в колонах з рамними зв’язками в місці стика можливо появлення розтягуючої напруги, то одних стяжних болтів недостатьно, і для сприйняття розтягуючої напруги потрібно стік перекривати накладками , котрі можуть прикріплятися зваркою або високоміцними болтами.

Рис.3. Стики колон з фрезеруванням  торців та стяжними болтами.

    Бази колони, як і стики, проектують з фрезерованими торцями. Фрезерований торець колони передає тиск на стругану плиту. У найбільш міцних колонах суцільного розрізу з пакету листів опорний розріз колони розширюється приварюванням допоміжних листів, а замість однієї опорної плити укладається дві товщиной до 215 мм. При монтажі торець колони приварюють до плити. Опорні плити встановлюють на фундаменті точно в проектне положення за допомогою трьох установчих гвинтів. Потім закріпляють анкерними болтами і підливають цементнім розчином. У рамних системах при передачі моменту на фундамент необхідно влаштовувати траверси і спеціальні анкерні кріплення .

      Балки перекриття багатоповерхових будівель утворюють балочну сітку.

    Балки, розміщенні по осях колон, при рамннх зв’язках являються ригелями рам і працюють на момент не тільки від вертикального, але і від горизонтального навантаження.

    Звичайно в багатоповерхових будівлях балки проектують   двотаврового  розрізу — прокатні або зварні. Оскільки будівельна висота міжповерхового перекриття приймається невеликою (350-400 мм), то часто приходиться проектувати міцні зварні балки невеликої висоти рівних по потужності прокатних балок (якщо висота їх виходить за межі будівельної). При невеликих навантаженнях і значних прольотах для балок, що підтримують настил, можливо застосування легких решітчастих розрізів з перфорированою стінкою або за типом пруткових прогонів.

Залежно від характера работи балок сполучення їх з колонами може бути свободним або жорстким. При свободному сполученні балки передають на колони тільки вертикальні реакції, при жорсткому сполученні — вертикальні реакції і момент. Жорстке сполучення робиться в каркасах з рамними зв’язками.

      При приєднанні балок до колон збоку між торцем балки з колоною залишають зазор 10—20 мм, що спрощую збірку каркаса і виготовлення балок. При вільному сполученні опорна реакція передається на монтажний столик і балки закріплюється в проектному положенні установочними болтами , а при жорсткому спряженням — на опорній столик або через вертикальне ребро, приварене до колон. Опорній момент передається через горизонтальні накладки, приварюємо на монтажі стиковими швами до колон і фланговими швами до полиць балок. Залежно від типу колони і потужності балок міняється конфігурація накладок, але основна конструктивна схема сполучення залишається незмінною.

    У стінках колоні двотаврового перетину у вузлі жорсткого сполучення з балками виникає складний напружений стан. Згинаючий момент з балки передається горизонтальними накладками на колону у вигляді сил Fл і Fп сприймається діафрагмами колоні (див. рис.4). Від цих горизонтальних сил в стінці колони виникає напруга. У цих же перетинах в стінці колон виникають нормальні напруги від рамних моментів Мв і Мн в колоні і подовжній силі.

Рис.4. Напружений стан в стінці колони рамного вузла.

Напруга, що допускається, для сталі значно більше допустимої напруги на бетон. Тому зусилля, що діють в стальніх колонах, що мають порівняно невеликі перетини, повинні бути переросподілені на такій площі, щоб напруга під колоною не перевищувала того, що допускається на залізобетонний фундамент. Для токої колони мають стальні опорні плити.

1. Стиснення бетону під сталевою опорною плитою, незначне по краях, збільшується до максимального під колоною (а). При розрахунку розподіл тиску на бетон під опорною плитою вважається  равномірним  (б).

2. В опорній плиті з’являються згинні моменти. Для сприйняття цих моментів вона винна бути або достатньої товщини,  або  мати  ребра  жорсткості.

3. При жорсткому закріпленні колона окрім вертикального навантаження передає момент, що ще вигинає .

а) Вплив моменту, що вигинає, малий в порівнянні з впливом вертикального зусилля (напруги під плитою одного знаку).

б) При великих моментах, що вигинають, на краю плити з’являються розтягуючі зусилля, котрі повинні бути сприйняті  відповідним  анкеруванням.

З матеріалів реферату

на тему:

«Колони та балки багатоповерхових  будівель »

Автор: Богданець Володимир Миколайович

Список використаної літератури.

1.Бабич В.І., Огороднік В.І., Романюк В.В. Таблиці для проектування будівельних конструкцій. Довідник. – Рівне 1999.

2.Металлические конструкции. Общий курс / Е. И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Веденников и др. Под ред. Е.И.Беленя. – М.: Стройиздат, 1986 – 560с.

3.СниП II – 23 – 81*. Стальные конструкции. – М.: Стройиздат, 

1991 – 96с.

4.СниП 2.01.07 – ь85. Нагрузки и воздействия. – М.: Стройиздат, 

1986 – 34с.