Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов - вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.
Основное компоновочное преимущество каркасных систем в свободе планировочных решений, в связи с редко расставленными колоннами, имеющие укрупненные шаги в продольном и поперечном направлениях. Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски перекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждающих конструкций, иногда воспринимая только собственный вес ( самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие - для несущих элементов каркаса, и тепло - звукоизоляционные материалы - для ограждающих. Использование высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что положительно сказывается на статических свойствах здания.
Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:
- рамные - с жестким соединением несущих элементов (колонны, ригели) в узлах в ортогональных направлениях плана здания. Каркас воспринимает все вертикальные и горизонтальные нагрузки.
- рамно-связевые - с жестким соединением в узлах колонн и ригелей в одном направлении плана здания (создание рамных конструкций) и вертикальными связями, расставленными в перпендикулярном направлении рамам каркаса. Связями служат стержневые элементы (крестовые, портальные) или стеновые диафрагмы., соединяющие соседние ряды колонн. Вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами каркаса и вертикальными пилонами жестких связей.
- связевые - отличаются простотой конструктивного решения соединений колонн с ригелями, дающее подвижное (шарнирное) закрепление. Каркас (колонны, ригели) воспринимает только вертикальные нагрузки. Горизонтальные усилия передают на связи жесткости - ядра жесткости, вертикальные пилоны, стержневые элементы.
- железобетонный каркас, выполняемый в сборном, монолитном или сборномонолитном вариантах.;
- металлический каркас, часто применяемый при строительстве общественных и многоэтажных гражданских зданий, возводимых по индивидуальным проектам ;
- деревянный каркас в зданиях не выше двух этажей.
- с продольным, поперечным, перекрестным или безригелъным решением.
Рамная система
Рамная система каркасных зданий обладает большой жесткостью, устойчивостью и создает максимальную свободу планировочных решений. Система обеспечивает надежность в восприятии нагрузок и равномерность деформаций рам, расположенных в здании в продольном и поперечном направлениях. Недостаток (при сборном железобетонном каркасе) - сложность в унификации узловых соединений из-за разных величин усилий в них по высоте здания. Такое решение железобетонного каркаса наряду со стальным находит применение в сложных грунтовых условиях и в сейсмических районах.
При изготовлении рамного каркаса из сборного железобетона применяется разрезка его несущих элементов на Г-Т-Н — образные элементы, позволяющая перенести узловые соединения в наименее напряженные участки - места нулевых изгибающих моментов от вертикальных нагрузок.
Рамно-связевая система
Рамно-связевая система обеспечивает пространственную жесткость за счет совместной работы поперечных рам, вертикальных диафрагм жесткости и перекрытий, выполняющих функцию жестких горизонтальных дисков. Вертикальные нагрузки передают на каркас как на рамную систему. Горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно плоскости рам, воспринимают вертикальные диафрагмы жесткости и диски перекрытий, а нагрузки, действующие в плоскости рам, воспринимает рамно-связевой блок, состоящий из вертикальных диафрагм жесткости и рам каркаса.
В результате проведенных теоретических исследований доказано, что рамно-связевая система удовлетворяет условию минимального расхода материала в несущих вертикальных конструкциях при нулевой жесткости поперечных рам, то есть когда система превращается в чисто связевую.
Связевая система
Связевая система все вертикальные нагрузки передает на стержневые элементы каркаса (колонны и ригели), а горизонтальные усилия воспринимают жесткие вертикальные связевые элементы (стеновые диафрагмы и ядра жесткости), объединенные между собой дисками перекрытий. В связевом каркасе ограничена прочность и жесткость стыков ригелей с колоннами. Узлы конструируют податливами с помощью стальных связей («рыбок»), ограничивающих защемление.
Разработана номенклатура индустриальных железобетонных изделий серии 1.020-1 (рис. 16.2), позволяющая возводить как гражданские, так и промышленные каркасно-панельные здания любой конфигурации и этажности.
В состав номенклатуры серии помимо колонн и ригелей, включены панели перекрытий, диафрагм жесткости и наружных стен.
Из унифицированных элементов могут быть запроектированы каркасы с продольным и поперечным расположением ригелей.
Габаритные схемы
Габаритные схемы компонуются на следующих условиях:
- оси колонн, ригелей и панелей диафрагм жесткости совмещены с модульными осями здания;
- шаг колонн в направлении пролета плит перекрытий равен 3,0; 6,0; 7,2, 9,0 и 12,0 м.
- шаг колонн в направлении пролета ригелей соответствует 3,0; 6,0; 7,2 и 9,0м,
- высота этажей в соответствии с назначением и укрупненным модулем ЗМ составляет 3,3; 3,6; 4,2; 6,0 и 7,2 м.
Компоновка диафрагм жесткости может быть разнообразной, но предпочтительнее устройство пространственных связевых систем открытого или замкнутого сечений.
Конструктивные элементы
Колонны имеют высоту в 2-4 этажа, что позволяет в зданиях, с соответствующей этажностью, применять бесстыковые колонны. Наряду с бесстыковыми колоннами в номенклатуру включены следующие типы колонн: - нижние высотой в два этажа и расположением низа колонны ниже нулевой отметки на 1,1м.; средние - высотой в три-четыре и верхние в один-три этажа. Предусмотрены колонны сечением 30x30 см для зданий высотой до 5-ти этажей и колонны сечением 40x40см для всех остальных. Колонны выпускаются двухконсольнымии и одноконсольными. Двухконсольные колонны устанавливают по средним и крайним рядам при навесных панелях наружных стен. Одноконсольные колонны располагают по крайним рядам при самонесущих наружных стенах и по средним рядам при одностороннем примыкании стен-диафрагм жесткости в лестничных клетках. Стык осуществляется на сварке выпусков арматуры с последующим омоноличиванием и расположением его выше плоскости консоли на 1050 мм.
Ригели - таврового сечения с полкой понизу для опирания плит перекрытия, что уменьшает его конструктивную высоту. Стык ригеля с колонной выполняет со скрытой консолью и приваркой к закладным деталям консоли и колонны (частичное защемление).
Перекрытия - многопустотные плиты высотой 220 мм и пролетом до 9,0м,. Плиты типа 2Т применяют для пролетов 9 и 12м. Элементы перекрытий разделяют на рядовые и связевые (плиты распорки). Связевые плиты перекрытия устанавливают между колоннами в направлении перпендикулярном ригелям, обеспечивая их устойчивость,
Перекрытия испытывают поперечный изгиб от вертикальных нагрузок и изгиб в своей плоскости от горизонтальных (ветровых, динамических) воздействий.
Необходимая жесткость горизонтального диска перекрытия, собираемого из сборных железобетонных элементов, достигается установкой связевых плит-распорок между колоннами, сваркой закладных соединительных элементов и устройством шпоночных швов из цементного раствора между отдельными плитами. Полученный жесткий горизонтальный диск, воспринимая все нагрузки, включает в совместную работу вертикальные диафрагмы жесткости.
Стены - диафрагмы жесткости монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, толщиной 140мм. и длиной, соответствующей расстоянию между колоннами в пределах, которых они установлены. При шаге колонн 7,2 и 9,0м стены-диафрагмы проектируют составными из двух-трех панелей, с координационными размерами по ширине 1,2, 3,0 и 6,0 м. Они могут быть глухими или с одним дверным проемом. Элементы диафрагм жесткости между собой и элементами каркаса соединяют сваркой закладных деталей, не менее чем в двух местах по каждой стороне панели с последующим замоноличиванием.
Панели наружных стен могут быть запроектированы самонесущими или ненесущими (навесными) конструкциями, (рис. 16.3). Разрезка стен на панели - двухрядная. В номенклатуру входят поясные простеночные, под карнизные, парапетные, цокольные панели.
Панели самонесущих стен устанавливают по цементно-песчаному раствору на цокольные или простеночные панели и крепят поверху к закладным деталям колонн. Панели ненесущих стен навешивают на ригели, консоли или опорные металлические столики колонн и закрепляют в плоскости перекрытия.
Привязка панелей самонесущих и несущих стен к каркасу единая - с зазором 20 мм между наружной гранью колонны и внутренней гранью панели наружной стены.
Изоляция стыков панелей решена по принципу закрытого стыка.
Московская строительная индустрия создала серию КМС-К1, также основанную по принципу работы связевой системы.
Компактные в плане отапливаемые здания длиной до 150 м проектируют без температурных швов. Здания с изрезанным очертанием плана, приводящее к ослаблению горизонтальных дисков перекрытий, расчленяют на температурные блоки, длина которых увязана с членением объемной формы здания, но не превышает 60 м.
Как и в серии 1.020.1 каркас KMC-KI собирают из колонн, ригелей, плит перекрытий, панелей жесткости и навесных панелей наружных стен.
Колонны - выполняют одно- и двух-этажными, единого сечения 400x400 мм, а их несущая способность меняется с изменением марок бетона и процента армирования переходом от гибкой (стержни) к жесткой (стальные профили) арматуре. В серии предусмотрены колонны рядовые, фасадные и колонны с вылетом консолей до 1,2 или 1,8 м., служащие опорами для плит балконов и лоджий.
Стык колонны располагают на 710 мм выше плиты перекрытия, что упрощает монтаж. При монтаже колонн применяют специальные кондукторы, обеспечивающие соосность. Соединение осуществляется ванной сваркой плоских торцов колонн, с последующей инъекцией цементного раствора.
Ригели - таврового сечения высотой 450, 600 и 900 мм (последний для пролетов в 12,0 м). Колонну соединяют с ригелем при помощи его опирания на скрытую (в высоте ригеля) консоль и с частичным защемлением установленной по верхней полки ригеля специальной фасонки - «рыбки », а также сваркой с закладными элементами консоли колонны. Значения воспринимаемых таким узлом изгибающих моментов и растягивающих усилий ограничены пределом текучести « рыбки». Поэтому в расчетах при восприятии вертикальных нагрузок защемление ригеля на опоре не учитывают, рассматривая его как шарнирное соединение.
Различают ригели рядовые и фасадные. Ригель фасадный имеет Z-образную форму, которая диктуется особенностью его работы - опирание плит перекрытий на нижнюю полку с одной стороны и навеской наружных стеновых панелей на верхнею полку с другой стороны.
Перекрытия - выполняют из многопустотных настилов высотой в 220 мм. Настилы различают в соответствии с размещением в плане - рядовые, фасадные, настилы-распорки, сантехнические и доборные.
Для создания единого диска перекрытия боковые поверхности настилов имеют шпоночные углубления, которые (после их раскладки) замоноличивают, создавая шпоночные швы, воспринимающие сдвигающие усилия.
Стены жесткости - проектируют из железобетонных панелей высотой на этаж и толщиной в 180 мм. Они имеют одну или две полки для опирания настилов перекрытий. Соединение с несущими элементами каркаса осуществляют при помощи стальных сварных связей числом не менее двух по каждой стороне.
При двухрядной (горизонтальной) разрезки панели наружных стен подразделяют на поясные (ленточные), простеночные и угловые.
Координационные размеры панелей наружных стен горизонтальной разрезки по длине соответствуют шагу колонн, а по высоте составляют - 1,2; 1,5; 1,8 и 3,0 м. Простеночные панели могут быть высотой в - 1,5; 1,8 и 2,1 м, а шириной кратны модулю 300 мм.
При вертикальной разрезке - все размеры панелей по длине и высоте кратны модулю 300 мм.
Узел опирания панелей наружных стен унифицирован для разных систем разре-зок на панели фасадных плоскостей. Панели опирают на несущую конструкцию перекрытия (ригель, или настил) на глубину в 100 мм и приваривают при помощи закладных и соединительных элементов на расстоянии 600 мм в плане от оси колонны. Верх панели крепят к колонне, так же с помощью сварки соединительных элементов.
Горизонтальные стыки панелей наружных стен осуществляются в четверть с нахлесткой в 75 мм. Изоляция вертикальных и горизонтальных сопряжений панелей выполняется по принципу закрытого стыка.
Система позволяет создать многовариантные объемно-планировочные решения за счет применения колонн с консолями больших вылетов (1,2-1,8 м) для создания лоджий, консольных ригелей с вылетом до 3,0 м, образуюипгх выступающие объемы. Возможно устройство зальных помещений с пролетами в 18,0-24,0 м. Разнообразие архитектурных композиций зданий достигается применением двухрядной (горизонтальной) и вертикальной разрезки , так же различных вариантов защитно-отделочных слоев наружных стеновых панелей.