Основные положения

Конструктивной системойздания называется совокупность взаимосвязанных конструкций здания, обеспечивающих его прочность, жесткость и устойчивость. Принятая конструктивная система здания должна обеспечивать прочность, жесткость и устойчивость здания на стадии возведения и в период эксплуатации при действии всех расчетных нагрузок и воздействий.

Выбор конструктивной системы здания определяет статическую роль каждой из его конструкций. Материал конструкций и технику их возведения определяют при выборе строительной системы здания.

Конструктивная система может быть однородной (основной) или комбинированной.

 

v 2.Основные (однородные) конструктивные системы

 

В зависимости от внешнего вида несущей конструкции (ее похожесть на стойку, пластину, оболочку и объемный элемент) различают пять классических (основных) конструктивных систем:

каркасную (вертикальная несущая конструкция колонна),

стеновую (диафрагмовую, бескаркасную) (вертикальная несущая конструкция стена),

объемно-блочную (несущая конструкция блок),

ствольную (объемно-пространственная внутренняя несущая конструкция стволы жесткости (ядро жесткости));

оболочковую (переферийную) (объемно-пространственная внешняя несущая конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого профиля, образующей одновременно и наружную ограждающую конструкцию здания).

 

Внедрение в строительство двух последних видов конструктивных систем (ствольной и оболочковой) началось с 60^годов прошлого столетия. Их изобретение запатентовано американским инженером Ф.Каном в 1961г.

 

рис. …. Планы основных конструктивных систем жилых зданий: а - каркасная; б - бескаркасная; в - объемно-блочная (столбчатая); г - ствольная; д - оболочковая.

 

Стоечно-балочная конструкция и каркасные системы

Самой древней конструктивной системой, действующей в наши дни, является стоечно-балочная система. Она возникла ещё в эпоху неолита.

Стоечно-балочная конструкциясостоит из вертикальных и горизонтальных стержневых несущих элементов. Вертикальный элемент – стойка(колонна, столб) – представляет собой прямолинейный стержень, который воспринимает все вертикальные нагрузки от горизонтального элемента (балки); горизонтальные нагрузки, приходящиеся на стойку, и передает усилия от этих воздействий на фундамент. При этом сама стойка работает на сжатие и изгиб. Горизонтальный элемент стоечно-балочной системы – балка (брус) – прямолинейный стержень, работающий на поперечный изгиб под действием вертикальных нагрузок.

 

Стоечно-балочная система перекрытий (Греци стойки — колонны, балки — архитравы

 

Сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов могут иметь различную жесткость, что отражается на характере их совместной работы.

ü При шарнирном опирании балки обладают свободой горизонтальных перемещений и поворота на опоре, в связи с этим они передают на стойки только вертикальные усилия.

ü При жестком сопряжении балки со стойкой обеспечивается совместность их деформаций и перемещений в узле сопряжения и возможность передачи изгибающего момента от балки на стойку. Такой вариант стоечно-балочной системы носит название рамыили рамной конструкции, а жесткий узел сопряжения балки со стойкой – рамного узла.

Стоечно-балочные конструкции выполняют с различным числом пролетов и ярусов (этажей). Система несущих конструкций здания в виде многопролетной и многоэтажной стоечно-балочной конструкции называется каркасной системой.

Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов – вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.

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 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.

Каркасная система с пространственным рамным каркасом применяется преимущественно в строительстве многоэтажных сейсмостойких зданий, высотой более девяти этажей, а также в обычных условиях строительства при наличии соответствующей производственной базы.

Каркасная система - основная в строительстве общественных и промышленных зданий. В жилищном строительстве объем ее применения до недавнего времени был ограничен. Основа противопожарных требований при проектировании жилых зданий – последовательное создание вертикальных преград огню – брандмауэров. В сооружении каркасного типа создание брандмауэров велось по встраиванию между колоннами несгораемых вертикальных диафрагм жесткости. Таким образом, заранее ограничивались возможности пространственной планировки, основного преимущества каркасных систем.

Системы перекрытий с древности проектировались из стереотипного подхода к компоновке балочной клетки, т.е. состояли из балок (ригелей) и настила, так конструктивно решаются и деревянные перекрытия. Затем появляются железобетонные ребристые плиты перекрытия, в которых этот подход уже слит в один конструктивный элемент. Появившиеся позднее плоские пустотные плиты перекрытий – являются значительным шагом в проектировании систем зданий нового типа.

В индустриальных жилых зданиях, в сравнении с традиционными сооружениями, имевшими смешанные покрытия, включавшие фрагменты деревянных перекрытий, горизонтальные несущие конструкции впервые начинают выполнять роль «диафрагм жесткости», кроме того, перекрытия воспринимают горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические и др.) и передают усилия от этих воздействий на вертикальные конструкции.

Передача горизонтальных нагрузок и воздействий осуществляется двояко: либо с распределением их на все вертикальные конструкции здания, либо на отдельные специальные вертикальные элементы жесткости (стены, диафрагмы жесткости, решетчатые ветровые связи или стволы жесткости). Индустриальный тип зданий предоставляет и промежуточные решения – передача нагрузки возможна с распределением горизонтальных нагрузок в различных пропорциях между элементами жесткости и конструкциями, работающими на восприятие вертикальных нагрузок.

 

Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:

 

1. По характеру статической работы:

- рамные– с жестким соединением несущих элементов (колонны, ригели) в узлах в ортогональных направлениях плана здания. Каркас воспринимает все вертикальные и все горизонтальные нагрузки. Каркас, состоящий из поперечных и продольных рам (рамный каркас), обладает пространственной жесткостью: его деформации под влиянием силовых воздействий минимальны и не нарушают эксплуатационных качеств здания. Рамные каркасные системы рекомендуется применять для малоэтажных зданий.

Жесткое соединение – это….

- 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. Рамно-связевые каркасные системы рекомендуется применять, если необходимо сократить количество диафрагм жесткости, требуемых для восприятия горизонтальных нагрузок.

- 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. Каркас с шарнирными сопряжениями пространственной жесткостью не обладает. Для ее обеспечения вводятся специальные конструкции вертикальных связей. В качестве связей могут быть использованы отдельные стены (диафрагмы жесткости), рамы, раскосы и др. В рамных и связевых каркасах горизонтальными диафрагмами жесткости служат конструкции перекрытий.

Шарнирное соединение – это…..

 

Рис. …. Каркасные конструктивные системы

а, б — связевые с вертикальными диафрагмами жесткости; в — то же, с распределительным ростверком в плоскости вертикальной диафрагмы жесткости; г — рамная; д — рамно-связевая с вертикальными диафрагмами жесткости; е — то же, с жесткими вставками

1 — вертикальная диафрагма жесткости; 2 — каркас с шарнирными узлами; 3 — распределительный ростверк; 4 — рамный каркас; 5 — жесткие вставки

 

 

2. По материалам:

- железобетонный каркас, выполняемый в сборном, монолитном или сборно-монолитном вариантах. Шаг колонн, как правило принимают 6*6м.

- металлический каркас, часто применяемый при строительстве общественных и многоэтажных зданий, возводимых по индивидуальным проектам.

- деревянный каркас в зданиях не выше 2-х этажей.

 

Примеры устройства металлического каркаса:

рис…..

Соединение элементов рам между собой – фланцевое, на высокопрочных болтах с предварительной затяжкой

Жесткость каркаса здания в целом обеспечивается системой гибких вертикальных и горизонтальных связей, устанавливаемых с предварительным натяжением, и распорок

 

В жилищное и офисное строительство технологии строительства из металла массово вошли благодаря разработке металлокаркасных технологий и усилиям американских строителей. Первое здание с металлическим каркасом высотой всего 11 этажей появилось в самом начале ХХ века в Нью-Йорке. Настоящий расцвет строительства из них начался, когда в Америке взметнулись ввысь небоскребы. В России великолепным примером здания с металлическим каркасом является заложенный в 1949году 36-этажного здания МГУ на Воробьевых горах.

 

Следует отметить, что до ненавнего времени в России строительные металлоконструкции так и оставалась уделом уникальных сооружений. Лед тронулся после перестроечных 90гожов прошлого столетия, но востребованность таких зданий до недавнего времени была невысокой (для сравнения, доля домов из МК в странах Скандинавии достигает 80% - против 5% в России). Перелом наступил, когда на отечественном рынке появились недорогие и качественные коммерческие сооружения из металла для сельского хозяйства, логистики и спорта. Сегодня востребованность их растет с каждым годом, а появление подобных технологий в жилищном строительстве обещает настоящую революцию в ценах и качестве квартир.

Пример решения металлического каркаса для многоэтажного жилого здания.

 

 

 

Стеновая (бескаркасная) конструктивная система

Бескаркасная система - самая распространенная в жилищном строительстве, ее используют в зданиях различных планировочных типов высотой от одного до30 этажей.

 

При этом различают несколько конструктивных схем:

- с поперечным расположением несущих стен,

- с продольным расположением несущих стен,

- с продольно-поперечным расположением несущих стенами.

 

Стены, в зависимости от воспринимаемых ими вертикальных нагрузок, подразделяются на несущие, самонесущие и ненесущие.

 

Несущей называется стена, которая помимо вертикальной нагрузки от собственного веса, воспринимает и передает фундаментам нагрузки от перекрытий, крыши, ненесущих наружных стен, перегородок в т.д.

 

Самонесущей называется стена, которая воспринимает и передает фундаментам вертикальную нагрузку только от собственного веса (включая нагрузку от балконов, лоджий, эркеров, парапетов и других элементов стены). Самонесущие стены могут применяться также внутри здания в виде вентиляционных блоков, лифтовых шахт и тому подобных элементов с инженерным оборудованием.

 

Ненесущей (навесной)называется стена, которая поэтажно или через несколько этажей передает вертикальную нагрузку от собственного веса на смежные конструкции (перекрытия, несущие стены, каркас).

Внутренняя ненесущая стена называется перегородкой.

 

Объемно-блочная система

Объемно-блочная система зданий в виде группы отдельных несущих и установленных друг на друга объемных блоков (столбов) применялась для жилых домов высотой до 12 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях. Столбы объединялись друг с другом гибкими или жесткими связями.

Здание может быть решено в следующих конструктивных системах: объемно-блочной, каркасно-блочной, с монолитным ядром жесткости.

 

 

 

Не отредактирвоанный рис. Из рис только под литерой б нужно оставить. Под литерой а – в лекции строит системы

n 4- по конструктивной схеме – блочные

n 5- по конструктивной схеме – панельно-блочные

n 6- по конструктивной схеме – каркасно-блочные

 

 

Ствольная система

Ствольная система представляет собой наиболее специфичную для высотного строительства несущую конструкцию.

В ствольных конструктивных системах вертикальными несущими конструкциями являются внутренние стволы, образуемые преимущественно стенами лестнично-лифтовых шахт (а также вентиляционными шахтами и с возможным пропуском в стволе других коммуникаций), на которые непосредственно или через распределительные ростверки опираются перекрытия. Поскольку ствол (в оптимальном соотношении занимает ок. 20% площади плана здания) чаще всего располагается в геометрическом центре плана, возник термин «ядро жесткости». Сечение ядра жесткости часто ограничено сечением лестнично-лифтовых узлов, располагаемых внутри ядра.

Ствол жесткости обычно располагают в центральной части здания. В зданиях большой протяженности предусматривают несколько стволов жесткости или переходят к комбинации стволы жесткости +плоские диафрагмы или рамы. Ствол представляет собой объемно-пространственную внутреннюю несущую конструкцию на высоту зданий в виде тонкостенных стержней открытого или замкнутого профиля. Открытая форма профиля (например, крестообразная) удачна в отношении объемно-планировочного решения здания, но редко применяемая. Она исключает трубоемкое и металлоемкое устройство многочисленных надпроемных перемычек, необходимых в стволах закрытого сечения и упрощает установку лифтов. Ограничение в их применении оправдано только в особо высоких сооружениях, когжа жесткость ствола открытого сечения может оказаться недостаточной.

По способу опирания (связи с несущим стволом) междуэтажных перекрытий различают ствольные системы с консольным (с поэтажным опиранием перекрытий на защемленные в стволе консольные балки), этажерочным и подвесным (на гибких тросах или жестких подвесах) опиранием этажей, в т.ч. подвешенными к горизонтальным ростверкам и мостовые («висячий дом»), а так же смешанная с опиранием и подвеской на один (или несколько) из жестких консольных ростверков, которые воспринимают нагрузки от несущих и ограждающих конструкций нескольких этажей здания(рис. …).

Рис. …. Ствольные конструктивные системы (с одним несущим стволом)

а, б — консольные; в, г — этажерочные; д, е — подвесные мостовые

1 — несущий ствол; 2 — консольное перекрытие; 3 — консоль высотой в этаж; 4 — консольный мост (аутригер-ростверк); 5 — ростверк; 6 — подвеска

 

Несущие конструкции ствольных зданий преимущественно железобетонные. Сечение стен монолитного ствола в зависимости от этажности меняется от 40-100см (класс бетона В50 и В60), в нижних этажах до 20-30см в верхних (В30).

Реже ствол представляет собой стоечно-балочную стальную обетонированную решетчатую клетку.

Ствольные конструктивные системы рекомендуется применять при строительстве зданий, в которых необходимо свободное пространство под зданием, в зданиях высотой более 16 этажей, а также при сложных инженерно-геологических условиях. Наиболее целесообразно применение ствольной системы для компактных в плане многоэтажных зданий, особенно в сейсмостойком строительстве, а также в условиях неравномерных деформаций основания (на просадочных грунтах, над горными выработками и т. п.). Ствольные системы обеспечивают свободу планировочных решений, поскольку пространство между стволом и наружными ограждающими конструкциями может быть свободно от опор.

Эта система наиболее широко и полно позволяет применять развитую пластику фасадов (например, 260м здание коммерц-банка г.Франкфурт-на-Майне, где светопрозрачные ограждения зимних садов заглублены во внутрь здания).

 

Конструктивная схема с монолитным стволом, поддерживающим ан консолях ………..конструкции

 

 

рис. …. Так может выглядеть здание, возведенной с использованием ствольной системы. Дом-кактус в Роттердаме

 

Дом пивоваренной компании «Астра»

 

Оболочковая система

Эта система отличается максимальной жесткостью среди рассмотренных в связи с тем, что несущие конструкции расположены по внешнему контуру. Поэтому она наиболее часто применяется при проектировании самых высоких зданий – свыше 200м. Оболочковая система присуща уникальным высотным зданиям жилого, административного (офисного) или многофункционального назначения.

В зависимости от архитектурного решения внешняя несущая оболочка может иметь призматическую, цилиндрическую, пирамидальную или другую форму).

 

Иногда оболочковая система мало отличима от оболочково-ствольной системы. Различие заключается в предусмотренном проектом распределении горизонтальной нагрузки: только на оболочку (ствол работает только на вертикальные нагрузки от перекрытия) либо на оболочку и ствол. В последнем варианте несколько утяжеляются конструкции перекрытия в связи с их включением в работу на горизонтальные воздействия. Большинство зданий все же построено по оболочково-ствольной системе. По основной оболочковой системе были построены, например, здания-близнецы WTC в Нью-Йорке.

· Несущая часть оболочкового здания (когда оболочка выполняет только несущую функцию) монолитную железобетонную оболочку с регулярно расположенными проемами, сборно-монолитную железобетонную решетку. Чаще всего в Европе последние годы выполняются оболочки монолитные из тяжелого бетона (перфорированная стена) с последующим утеплением и внешней облицовкой. В случае выполнения оболочки, совмещающей несущие и теплоизолирующие функции стены, конструкция выполняется из конструктивного легкого бетона.

· Индивидуальной специфической задачей проектирования оболочковых зданий стало решение конструкции несущей наружной оболочки, совмещающей несущие и ограждающие функции. В этом случае она представляет собой раскосную или безраскосную стальную многоярусную пространственную ферму. Вариативность таких ферм, в течение последних десятилетий прошедших внедрение, велика:

- пространственная бескаркасная многоэтажная и многопролетная решетка с частым шагом колонн и поэтажными ригелями-перемычками;

- пространственная решетчатая макроферма крупного модуля, раскосы которой охватывают 10-15 этажей, с редким шагом колонн;

- пространственная безраскосная решетка, жесткость которой повышает глухое заполнение диагонально расположенных проемов;

- решетки из диагональных стержней;

- решетки из диагональных и горизонтальных стержней;

- решетки из диагональных и ортогональных стержней.

При возрастании высоты здания свыше 200м жесткость рассмотренных конструктивных решений недостаточна и переходят к пространственным перекрестно-стержневым структурам с обязательными горизонтальными аутригерами-ростверками.

Также средством повышения жесткости оболочки может служить переход от оболочковой системы к оболочково-диафрагмовой конструкции («пучку в трубе»).

 

Конструкции высотных зданий непрерывно совершенствуются и становятся все более разнообразными. В последние десятилетия получают активное внедрение трубобетонные конструкции железобетонного каркаса. Их высокая несущая способность способствовала пересмотру сложившегося за последние 30лет подхода к назначению зданий выше 300м только оболочковой системы (например, 1998г две башни Петронас-Тауэр в Куала-Лумпуре высотой 452м).

Мах разм в плане зд. США иГермании отв. Треб. Естест. освещен

2.Комбинированные конструктивные системы

Наряду с основными конструктивными системами широко применяют комбинированные, в которых вертикальные несущие конструкции компонуют из различных элементов - стержневых и плоскостных, стержневых и ствольных и т. п. Наиболее распространенные комбинированные системы представлены на рис. 404.

 

Рис 404… Комбинированные конструктивные системы

а - с неполным каркасом; б - каркасно-диафрагмовая; в - каркасно-стволовая; г - каркасно-блочная; д - блочно-стеновая (блочно-панельная); е - ствольно-стеновая; ж - оболочково-стволовая; з - каркасно-оболочковая.

Найти картинку оболочково-диафрагмовой системы

 

 

Рис. Конструктивные схемы гражданских зданий

Система с неполным каркасом (каркасно-стеновая), основана на сочетании несущих стен и каркаса, воспринимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Здания каркасно-стеновой конструктивной системы рекомендуется проектировать с безригельным каркасом или с ригельным каркасом, имеющим нежесткие узлы соединения ригелей с колоннами.

Система применяется в двух вариантах: с несущими наружными стенами и внутренним каркасом либо с наружным каркасом и внутренними стенами. Первый вариант использовался при повышенных требованиях к свободе планировочных решений здания, второй - при целесообразности применения ненесущих легких конструкций наружных стен и при проектировании зданий средней и повышенной этажности.

Каркасно-диафрагмовая системаоснована на разделении статических функций между стеновыми (связевыми) и стержневыми элементами несущих конструкций. На стеновые элементы (вертикальные диафрагмы жесткости) передается всю или большую часть горизонтальных нагрузок и воздействий, на стержневые (каркас) - преимущественно вертикальные нагрузки. Система получила наиболее широкое применение в строительстве многоэтажных каркасно-панельных жилых домов в обычных условиях и в сейсмостойком строительстве.

!!!!!!Каркасно-ствольная система. В этом случае вместо диафрагм жесткости применяются пространственные элементы замкнутой формы в плане, называемые стволами. Работа данной системы основана на разделении статических функций между каркасом, воспринимающим вертикальные нагрузки, и стволом, воспринимающим горизонтальные нагрузки и воздействия. Каркасно-ствольная система может использоваться только в каркасных зданиях связевой и рамно-связевой конструктивных систем. Совместимость горизонтальных перемещений каркаса и ствола обеспечивают горизонтальные аутригеры-ростверки, расположенные через 18-20этажей.

Применяется при проектировании высотных жилых зданий до 60 этажей. Эта система позволяет получить силуэт здания, расширяющийся кверху (в виде опрокинутой пирамиды). В этом случае на верхних отметках здания (на стволе или отдельных опорах) сооружается мощная конструкция, как, например, система перекрестных ферм и балок с консолями, к которым подвешиваются на стержнях (работающих на растяжение) этажи, изготовленные на земле, или готовые блоки, поднятые на нужные отметки.

 

Пример пирамиды

Каркасно-блочная система основана на со­четании каркаса и объемных блоков, причем последние могут получать применение в системе в качестве ненесущих или несущих конструкций. Ненесущие объемные блоки используют для поэтажного заполнения несущей решетки каркаса. Несущие устанавливают друг на друга в три-пять ярусов на горизонтальных несущих платформах (перекрытиях) каркаса, расположенных с шагом в три-пять этажей. Система применялась в зданиях выше 12 этажей.

Каркасно-оболочковая системасочетает в себе наружную несущую оболочку здания с внутренним каркасом при работе оболочки на все виды нагрузок и воздействий, а каркаса - преимущественно на вертикальные нагрузки. Совместность горизонтальных перемещений оболочки и каркаса обеспечивается так же, как в зданиях оболочково-ствольной системы. Применяется при проектировании высотных зданий (свыше 200м).

Блочно-стеновая (блочно-панельная) система основана на сочетании несущих столбов из объемных блоков и несущих стен, поэтажно связанных друг с другом дисками перекрытий. Применялась в жилых зданиях высотой до 9 этажей в обычных грунтовых условиях.

Ствольно-стеновая система сочетает несущие стены и ствол с распределением вертикальных и горизонтальных нагрузок между этими элементами в различных соотношениях. Применялась при проектировании зданий выше 16 этажей.

Оболочковая - ствольная система («труба в трубе» и «труба в ферме» ) включает в себя наружную несущую оболочку и несущий ствол внутри здания, работающих совместно на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Совместность перемещений ствола и оболочки обеспечивается горизонтальными несущими конструкциями отдельных ростверковых этажей, расположенных по высоте здания. Система применяется при проектировании высотных зданий. Большинство высотных зданий оболочкового типа построено именно по этой системе.

Оболочко - стеновая – сочетание внешней решетчатой оболочки и внутренних несущих стен. Внутреннее пространство здания перекрывает пространственная конструкция в виде тонкостенной оболочки, передающей нагрузки на наружные стены здания.

Оболочково-диафрагмовая («пучок труб»)– …

Наряду с основными и комбинированными системами в проектировании получают применение смешанные конструктивные системы, в которых сочетаются по высоте или протяженности здания двух или нескольких конструктивных систем. Такое решение обычно бывает продиктовано функциональными требованиями.

Например, если требовалось выполнить переход от бескаркасной системы в верхних типовых этажах к каркасной системе на первых этажах, т.е. при необходимости устройства мелкоячеистой планировочной структуры типовых этажей над зальной планировочной структурой в нетиповых. Чаще всего эта необходимость возникает при устройстве крупных магазинов в первых этажах жилых домов.

пример