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).