ЛЕКЦИЯ 6
КАРКАСЫСТАЛЬНЫЕ
Общие положения
Основная область применения стальных каркасов - многоэтажные жилые и общественные здания различного назначения. Если для зданий высотой до 30 этажей чаще применяют железобетонные каркасы, то для зданий с большей этажностью целесообразно применять стальные каркасы. По мере увеличения высоты здания влияние горизонтальных нагрузок возрастает и решающими становятся требования по обеспечению жесткости несущих конструкций.
Стальные каркасы имеют некоторые преимущества в сравнении с железобетонными, к которым относятся:
• относительно меньший вес, в связи с чем уменьшаются усилия в конструктивных элементах, снижаются масса и стоимость фундаментов, имеется возможность членения конструкций на монтажные элементы (блоки) более крупных размеров;
• конструктивные удобства крепления ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций; возможность размещения в пределах габаритов колонн вертикальных коммуникаций, а в пределах высоты перекрытий - горизонтальных;
• малые размеры сечений колонн, что в некоторых случаях позволяет скрыть их в стене (перегородке);
• возможность создания (без резкого увеличения материалоемкости) большепролетных перекрытий, допускающих гибкость планировочных решений.
Основная проблема применения стальных каркасов - малая огнестойкость и подверженность коррозии стали - обуславливает необходимость дополнительных затрат на защиту конструкций. Применение огнезащитных покрытий, использование спринклерных установок может несколько снизить эти затраты.
Конструктивные элементы каркасов.
Колонна - основной элемент каркаса здания, воспринимающий преимущественно сжимающие усилия, иногда с изгибом. Колонны оказывают решающее влияние на конструирование несущей системы и на ее показатели, поэтому при выборе типа колонн нужно учитывать технологические и экономические требования.
|
|
Применяемые типы сечений сплошных и сквозных колонн показаны на рис. 6.1. Сплошные колонны могут быть прокатными или составными, когда они образуются из нескольких прокатных профилей или листов. Большинство сечений - сплошные составные, образуемые автоматической сваркой.
Сквозные колонны (рис. 6.1 у-ш) - как менее компактные и более трудоемкие - используются в современных каркасах реже, преимущественно в уникальных зданиях небольшой этажности.
Выбор типа сечения зависит от вида и соотношения внутренних усилий (продольная сила, изгибающий момент), от значения расчетных длин, удобства крепления ригелей. Если изгибающие моменты отсутствуют или малы, а расчетные длины не превышают обычной высоты этажа (3-4 м), выбирают компактные сечения с небольшой гибкостью (30-50). Толщину листов в составных сечениях принимают обычно не более 60 мм, а отношение габаритов сечения к расчетной длине не менее 1/15, чему соответствуют гибкости 40-60 (в зависимости от типа сечения).
Двутавровый профиль - самая распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для постановки болтов.
Прямоугольные коробчатые профили применяются для колонн при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонн.
|
|
Сплошной квадратный профиль, позволяющий делать колонны с наименьшими габаритами сечения, обладает высокой степенью огнестойкости при ограниченной защите.
Рис. 6.1. Типы сечений стальных колонн: а-г - сплошные из прокатных профилей; д-к - сплошные сварные из листов; л-п - сплошные сварные из профилей; р-т - сплошные сварные из листов и профилей; у-ш - сквозные из профилей и накладок (вставок).
Крестообразные профили, благодаря полной симметрии и своеобразной форме поперечного сечения, часто применяются из эстетических соображений, особенно для колонн, которые размещены на пересечении перегородок и должны быть скрыты в них.
Профили круглого полого сечения (трубы) выгодны с расчетной точки зрения, так как во всех направлениях они имеют одинаковые геометрические характеристики.
Сквозные сечения применяются для колонн каркасов высотных зданий, если балки должны проходить между ветвями колонн или предусматривается прокладка технического оборудования внутри колонн.
Базы колонн. База является опорной частью колонны и служит для распределения сосредоточенного давления от стержня колонны по площади фундамента, обеспечивая закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчетной схемой.
В зависимости от типа и высоты сечения колонны применяют базы: без траверс, с общими или раздельными траверсами, с одностенчатыми или двухстенчатыми схемами (рис. 6.2).
Конструктивное решение базы зависит от способа ее сопряжения с фундаментом и принятого метода монтажа колонн. С помощью базы осуществляется шарнирное или жесткое сопряжение колонн с фундаментами.
|
|
Рис. 6.2. Типы баз колонн:
а - при шарнирном сопряжении с фундаментом с толстой опорной плитой; б - с плитой и ребрами жесткости; в - с боковыми траверсами; г - при жестком сопряжении с фундаментом, с боковыми траверсами; 1 - отверстия для анкерных болтов; 2 -опорная плита; 3 - траверса; 4 - ребро жесткости; 5 - прижимная планка; 6 - анкерный болт.
Стыки колонн делают из-за ограниченной длины прокатной стали (заводские стыки) и для деления колонны на отправочные элементы длиной не более 18 м по условиям перевозки (монтажные стыки).
Заводские стыки осуществляют сварными с прямым стыковым швом с полным проваром.
Монтажные стыки колонн, по условиям унификации и удобства монтажа, размещают, как правило, на одном горизонтальном уровне выше ригеля на 0,6-1,0м.
Балки представляют собой простейшую конструктивную форму, используемую как несущий элемент перекрытий (покрытий). В каркасах балки служат ригелями рам, образуемых совместно с колоннами. Балки работают преимущественно на изгиб. Продольные силы в балках, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных ветровых нагрузок, передаваемых от наружных стен через колонны.
Система несущих балок в перекрытии называется балочной клеткой, которая бывает нормальной или усложненной. В балочной клетке нормального типа вертикальная нагрузка на ригели рам передается через второстепенные балки. Ригели рам в перекрытии такого типа называются главными балками. В балочной клетке усложненного типа применяют балки трех видов с соответствующей передачей нагрузок: балки настила, второстепенные и главные.
| Второстепенные балки |
| Главные балки |
| Балки настила |
Балки классифицируют следующим образом:
• по типу сечения: прокатные, составные (рис. 6.3);
• по высоте поперечного сечения: постоянной высоты, переменной высоты;
• по виду стенки: со сплошной, с перфорированной стенкой, с отверстиями;
• по статическому признаку: разрезные, неразрезные, консольные.
При пролетах до 12 м балки проектируют сплошными из обычных и широкополочных двутавров, одиночных или спаренных швеллеров (рис. 6.3 з). Балочные двутавры с уклоном внутренних граней полок имеют ограниченные возможности по величине пролета. Широкополочные двутавры с параллельными гранями полок лишены такого недостатка, так как имеют высоту сечения до 1 м.
На предварительной стадии проектирования высоту прокатных балок для междуэтажных перекрытий назначают в зависимости от величины перекрываемого пролета: главных балок - 1/10-1/15 от пролета, второстепенных балок - 1/20-1/24 от пролета.
При недостаточной несущей способности и жесткости прокатных балок изготавливают составные сварные балки. Простейшая составная балка состоит из трех листов: вертикального (стенки) и двух горизонтальных поясов; более сложная замкнутого сечения - из четырех листов (рис. 6.3 и).
При больших пролетах и малых нагрузках, размещении инженерных коммуникаций в пределах высоты перекрытия целесообразны перфорированные балки из широкополочных двутавров (рис. 6.3 ж). Их получают путем разрезания стенки горячекатаного профиля в продольном направлении по ломаной линии. Затем обе части сдвигают относительно друг друга до соединения гребней впритык, после чего они свариваются. В зависимости от формы линии, по которой производится разрезка стенки, можно получать различные формы отверстий (перфораций) и различную высоту балки. Оптимальная высота составляет полуторную высоту исходной балки. Для увеличения высоты сечения перфорированной балки между гребнями вставляются прямоугольные пластины.
Рис. 6.3. Балки стальных каркасов: а-е - формы балок из прокатных профилей; ж - сварные перфорированные балки; з - типы сечений балок из прокатных профилей; и - сечения сварных балок из листов; к - балка из швеллеров и листов
Сопряжение главных и второстепенных балок может быть этажным, когда вспомогательные балки располагаются над главными (рис. 6.4 а); в одном уровне, когда верхние пояса вспомогательных и главных балок находятся в одной плоскости (рис. 6.4 б, в, г); пониженным, когда пояс вспомогательной балки располагается ниже пояса главной балки.Этажное сопряжение балок отличается простотой исполнения, но вызывает увеличение строительной высоты перекрытия и, соответственно, здания.
Рис. 6.4. Сопряжения вспомогательных балок с главными. а - этажное опирание неразрезной второстепенной балки; б - одноуровневое болтовое с верхним накладным листом; в, г - одноуровневые сварные
| Главная балка |
| Верх полок второстепенных балок продрезается, чтобы подогнать под уровень полочки главной балки |
| Болтовое соединение |