Компоновка элементов каркаса во многом зависит от архитектурно-планировочных требований и определяется формой здания. Характерные для стальных каркасов типы компоновок представлены на рис. 6.5.
В каркасных зданиях компоновка колонн определяет систему горизонтальных элементов каркаса - балок. Главные балки совместно с колоннами образуют основную систему, выполняя функции несущих элементов вертикальных рам. Пролеты главных балок могут достигать 15 м. В зависимости от размеров основной планировочной ячейки каркаса она может быть разделена второстепенными балками с образованием балочной клетки. Эти балки имеют пролеты 6-12 м и располагаются с шагом 2-3 м. При этом, чем больше их пролет, тем меньше шаг, и наоборот.
Конструкции несущих систем каркасных зданий выбираются в соответствии со схемой передачи усилий в виде поперечных, продольных и пространственных рам (в двух или трех направлениях).
В системах с поперечными рамами (одно-, двух-, трехпролетными) вертикальные нагрузки передаются этим рамам, которые одновременно воспринимают и основную часть горизонтальных нагрузок (рис. 6.5 а). По мере увеличения шага рам необходимо переходить на балочные клетки (рис. 6.5 б-г), в которых второстепенные балки передают вертикальные нагрузки на главные балки - ригели рам. Такой подход характерен для жестких (рамных) каркасов. Второстепенные балки чаще всего располагают в третях или четвертях основного пролета.
Рис. 6.5. Схемы компоновки стальных каркасов: а-г - с поперечными основными рамами
В несущих системах с продольными рамами (рис. 6.5 д-з) вертикальные нагрузки передаются рамам, параллельным длинной стороне здания, а поперечные рамы работают, в основном, на горизонтальные нагрузки.
Рис. 6.5. Схемы компоновки стальных каркасов: д-з - с продольными рамами
Если сетка колонн и форма плана здания близки к квадрату, то обычно применяют несущие системы, работающие в двух направлениях (рис. 6.5 и-м). В целях распределения вертикальных нагрузок по обоим направлениям расположение главных и второстепенных балок можно менять поэтажно.
Рис. 6.5. Схемы компоновки стальных каркасов и-м - с рамами в двух направлениях.
В треугольном по плану здании главные балки могут располагаться в двух или трех направлениях параллельно каждой из наружных стен, а второстепенные - перпендикулярно им или под углами в 30° и 60° (рис. 6.5 н-р, ч).
Рис. 6.5. Схемы компоновки стальных каркасов: н-р - с рамами в трех направлениях (на треугольной сетке колонн)
Рис. 6.5. Схемы компоновки стальных каркасов: с-ц - с комбинированными расположением и пролетами рам.
Каркасное здание усеченной элиптической формы (рис. 6.5 ш) требует устройства необычного веерообразного расположения главных балок и рам, которые воспринимают вертикальные нагрузки и основную часть горизонтальных нагрузок.
Естественно стремление в зданиях, близких к форме круга (рис. 6.5 э), создать систему радиальных рам и связывающих их балок по кольцевым направлениям или, наоборот, кольцевых рам и радиальных балок.
Рис. 6.5. Схемы компоновки стальных каркасов: ч - с рамами в трех направлениях (для треугольного в плане здания); ш - с веерообразным расположением рам; э - с рамами по радиальным и кольцевым направлениям
В современной практике строительства зданий из стали применяются рамные, связевые и рамно-связевые типы каркасов (рис. 6.6 а-в). При проектировании стального каркаса в силу различных причин не всегда сохраняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В высоких зданиях возможны нарушения регулярности в виде выступов и углублений в плане, уступов и консольных выносов по высоте, смещений осей некоторых колонн и ригелей, изменения схемы работы системы по высоте здания, по поперечному или продольному направлению и т.д. (рис. 6.6 г-ж).
Рис. 6.6. Конструктивно-статические схемы стальных каркасов и их возможные сочетания: а - рамный; б - связевый; в - рамно-связевый; г, д - разделение каркаса на крупные зоны с разными системами по высоте; е, ж -местные изменения в системе
В некоторых архитектурно-конструктивных решениях применяют стальные каркасы с наклонными колоннами. В этих случаях необходим учет передачи горизонтальных усилий на каркас от наклонных колонн. Горизонтальные усилия тем больше, чем сильнее колонны отклоняются от вертикали. В зданиях с симметричными каркасами (рис. 6.7 а, б) горизонтальные усилия от нагрузки взаимно погашаются. В несимметричных каркасах (рис. 6.7 в) требуется мощная жесткая несущая конструкция, способная воспринять горизонтальные усилия. Парные наклонные колонны, например, для образования проезда (рис. 6.7 г) эффективно увеличивают жесткость здания против ветровых горизонтальных нагрузок; V-образные опорные колонны (рис. 6.7 д) также хорошо сопротивляются горизонтальным усилиям. В зданиях воронкообразной формы с наклонными колоннами создаются значительные горизонтальные силы, которые при симметричном решении каркаса могут быть, в основном, восприняты мощными затяжками (рис. 6.7 е).
Рис. 6.7. Каркасы с наклонными колоннами: а, б - симметричные; в - несимметричный; г - с парными симметричными внутриконтурными колоннами; д - с V-образными парными опорными колоннами; е - с наклонными симметричными колоннами в верхней части каркаса
Огнестойкость открытых стальных конструкций каркасов, как правило, не соответствует требованиям, установленным для многоэтажных зданий.
Защита стальных элементов от огня обычно выполняется:
• напылением (окраской) или оштукатуриванием специальными красками, пастами, растворами с толщиной слоя от нескольких долей миллиметра до 2-3 см;
• облицовкой плитами из гипса, асбестоцемента, вермикулита, кремневермикулита, базальтовой минеральной ваты и т.п.
Огнезащитные покрытия, выполненные современными штукатурными растворами, способны повысить огнестойкость конструкций до 3 часов (Я180). К достоинствам таких покрытий относится их способность в обычных («непожарных») условиях выполнять роль тепло- и звукоизоляции.
Коррозионный износ стальных каркасов многоэтажных зданий незначителен и не оказывает существенного влияния на прочность и долговечность. Стальные элементы конструкций преимущественно имеют достаточно мощные сечения из толстой стали, находятся внутри здания в неагрессивной среде и требуют лишь грунтовки. Кроме того, противопожарный защитный слой, нанесенный на поверхность элементов, обеспечивает одновременно и их защиту от коррозии.
Рамные каркасы
Рамный стальной каркас состоит из жестко соединенных между собой колонн и балок (ригелей), образующих плоские и пространственные рамы в двух или трех направлениях (в плане).
Жесткие рамы работают при горизонтальных нагрузках за счет изгиба балок и колонн. Жесткость рам зависит от прочности и жесткости узловых сопряжений при изгибе, которые не допускают податливости узлов. Функции обеспечения жесткости распределены равномерно между элементами системы. Несущая способность рамы во многом зависит от несущей способности отдельных балок и колонн, снижается с повышением высоты этажа и увеличением расстояния между колоннами.
В обычной рамной системе (рис. 6.8) на прямоугольной модульной сетке с расположением рам по каждому ряду колонн с их регулярным расположением по всему плану здания с шагом 6-9 м сечения колонн имеют небольшие габариты. В такой системе учет горизонтальных нагрузок приводит к заметному увеличению расхода стали, поэтому в зданиях высотой более 30 этажей рамные каркасы в их чистом виде применяются редко.
В каркасах зданий средней этажности, где влияние горизонтальных нагрузок меньше, рамы с жесткими узловыми соединениями могут располагаться через шаг, а в малоэтажных каркасах - только по контуру здания (см. рис. 6.8).
Рис. 6.8. Схемы компоновки рамных каркасов