Конструктивная система здания представляет собою совокупность взаимосвязанных несущих конструкций здания, обеспечивающих его прочность, пространственную жесткость и надежность в эксплуатации. Выбор конструктивной системы здания определяет статическую роль каждой из его конструкций. Материал конструкций и технику их возведения определяют при выборе строительной системы здания.
Несущие конструкции здания состоят из взаимосвязанных вертикальных и горизонтальныхэлементов.
Горизонтальные несущие конструкции - воспринимают все приходящиеся на них вертикальные нагрузки и поэтажно передают их вертикальным несущим конструкциям (стенам, колоннам). Вертикальные конструкции, в свою очередь, передают нагрузку на фундамент здания.
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, 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.
Перекрытия - диафрагмы жесткости обеспечивают совместность горизонтальных перемещений вертикальных несущих конструкций от ветровых и сейсмических воздействий. Возможность совместности и выравнивания перемещений достигается жестким сопряжением горизонтальных несущих конструкций с вертикальными.
Как уже отмечалось ранее, при сокращении строительных объемов зданий, горизонтальные несущие конструкции жилых домов высотой более двух этажей в соответствии с требованиями противопожарных норм выполняются трудно сгораемыми или несгораемыми. Этим требованиям, а также требованиям экономической страты наиболее полно удовлетворяют железобетонные конструкции, что и определило их массовое применение в качестве горизонтальных несущих элементов всех типов зданий. Перекрытия обычно представляют собой железобетонную плиту - сборную, сборно-монолитную или монолитную.
Вертикальные несущие конструкции различают по виду конструкций, который служит определяющим признаком и для классификации конструктивных систем. На рис. 2 даны основные типологические признаки жилого дома, вертикальные несущие конструкции которого представляют собою сплошную вертикальную плоскость стен. При использовании колонн в качестве главных вертикальных несущих элементов конструкций уже на первом этапе индустриализации позволило получить четыре конструктивных схемы серийного жилого дома: с поперечным расположением ригелей; с продольным расположением ригелей; с перекрестным расположением ригелей; безригельное решение.
Индустриализация позволила не только с новой точки зрения взглянуть на работу перекрытий, но и значительно расширить типологию вертикальных несущих конструкций. При развитии серийного жилищного строительства отдельными группами выделяются следующие виды вертикальных несущих конструкций: фундамент блочный каркасный развертка
плоскостные (стены);
стержневые сплошного сечения (стойки каркаса);
объемно-пространственные(объемные блоки);
объемно-пространственные внутренние несущие конструкции на высоту зданий в виде тонкостенных стержней открытого или замкнутого профиля (стволы жесткости). Ствол жесткости обычно располагают в центральной части здания; во внутреннем пространстве ствола размещают лифтовые, вентиляционные шахты и другие коммуникации. В зданиях большой протяженности предусматривают несколько стволов жесткости;
объемно-пространственные внешние несущие конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого профиля, образующей одновременно и наружную ограждающую конструкцию здания. В зависимости от архитектурного решения внешняя несущая оболочка может иметь призматическую, цилиндрическую, пирамидальную или другую форму.
Соответственно видам вертикальных несущих конструкций различают пять основных конструктивных систем зданий: каркасную, бескаркасную (стеновую), объемно-блочную, ствольную и оболочковую, иначе называемую периферийной
Выбор вертикальных несущих конструкций, характера распределения горизонтальных нагрузок и воздействий между ними - один из основных вопросов при компоновке конструктивной системы. Он также оказывает влияние на планировочное решение, архитектурную композицию и экономическую целесообразность проекта. В свою очередь на выбор системы оказывают влияние типологические особенности проектируемого здания, его этажность и инженерно-геологические условия строительства.
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 ограничен не только по экономическим соображениям. 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.
Бескаркасная система - самая распространенная в жилищном строительстве, ее используют в зданиях различных планировочных типов высотой от одного до30 этажей.
Объемно-блочная система зданий в виде группы отдельных несущих столбов из установленных друг на друга объемных блоков применялась для жилых домов высотой до 12 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях. Столбы объединялись друг с другом гибкими или жесткими связями.
Ствольную систему применяют в зданиях высотой более 16 этажей. 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.).
Оболочковая система присуща уникальным высотным зданиям жилого, административного или многофункционального назначения.
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.
Система с неполным каркасом, основанная на сочетании несущих стен и каркаса, воспринимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Система применялась 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 система основана 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 основана на разделении статических функций между каркасом, воспринимающим вертикальные нагрузки, и стволом, воспринимающим горизонтальные нагрузки и воздействия. Она применялась при проектировании высотных жилых зданий.
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 надруга в три-пять ярусов на горизонтальных несущих платформах (перекрытиях) каркаса, расположенных с шагом в три-пять этажей. Система применялась в зданиях выше 12 этажей.
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.
Ствольно-оболочковая система 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 применялась при проектировании высотных зданий.
Каркасно-оболочковая система сочетает 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. Применялась при проектировании высотных зданий.
Понятие "конструктивная система" - обобщенная конструктивно-статическая характеристика здания, не зависящая от материала, из которого оно возводится, и способа возведения. Например, на основе бескаркасной конструктивной системы могло быть запроектировано здание со стенами деревянными рублеными, кирпичными, бетонными (крупноблочными, панельными или монолитными).
В свою очередь, каркасная система может быть осуществлена в деревянных, стальных или железобетонных конструкциях. Возникали варианты и при использовании различных материалов заполнения ячеек, образованных несущими элементами в каркасных или ствольных зданиях. Для этой цели использовались любые элементы - от мелкоразмерных до объемно-блочных.
Несущая часть оболочкового здания может представлять собой раскосную или безраскосную пространственную стальную ферму, монолитную железобетонную оболочку с регулярно расположенными проемами, сборно-монолитную железобетонную решетку и так далее. Многовариантными являлись и комбинированные конструктивные системы. Области и масштабы применения в строительстве отдельных конструктивных систем определялись назначением здания и его этажностью.
Наряду с основными и комбинированными 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.
Конструктивная схема представляет собой вариант конструктивной системы по признакам состава и типу размещения в пространстве основных несущих конструкций, например, в продольном или поперечном направлениях. Конструктивную схему, как и систему, выбирают на начальном этапе проектирования с учетом объемно-планировочных конструктивных и технологических требований. В жилых каркасных зданиях применяют четыре конструктивные схемы: с поперечными или продольными ригелями, перекрестным расположение ригелей и безригельную.
При выборе конструктивной схемы каркаса учитывают экономические и архитектурные требования: элементы каркаса не должны связывать планировочное решение; ригели каркаса не должны пересекать поверхность потолка в жилых комнатах и т. д. Поэтому каркас с поперечным расположением ригелей применяют в многоэтажных зданиях с регулярной планировочной структурой (в основном, общежития и гостиницы), совмещая шаг поперечных перегородок с шагом несущих конструкций. Каркас с продольным расположением ригелей применялся в жилых домах квартирного типа.
Безригельный (безбалочный) каркас в жилых зданиях использовался лишь при отсутствии в конкретном регионе соответствующей производственной базы и крупных домостроительных комбинатов, поскольку для сборного жилищного строительства такая схема - наименее надежная и наиболее дорогостоящая. Безригельный каркас преимущественно использовался при изготовлении монолитных и сборно-монолитных конструкций здания методом подъема этажей.
Строительная система - это комплексная характеристика конструктивного решения зданий по материалу и технологии возведения основных несущих конструкций.
Строительные системы зданий с несущими стенами из кирпича и мелких блоков из керамики, легкого бетона или естественного камня бывают традиционные и полносборные.
Традиционная система основана на возведении стен в технике ручной кладки, как это издревле выполнялось во всех традиционных сооружениях. Необходимо отметить, что в индустриальном сооружении собственно традиционными остаются лишь ограждающие конструкции, перекрытия и другие внутренние несущие конструкции - полностью идентичны полносборным сооружениям.
Полносборная система основывается на механизированном монтаже стен из крупных блоков или панелей, выполненных в заводских условиях из кирпича, каменных или керамических блоков. С вводом новых жилищных серий крупноблочная система почти повсеместно уступает место панельной.
Традиционная система (с деревянными перекрытиями), долгое время считавшаяся основным типом капитального гражданского здания средней и повышенной этажности - осталась в прошлом. Как это неоднократно подчеркивалось, "традиционными" назывались сооружения по сценарию пожара. Лишь для удобства классификации огромного многообразия индустриальных сооружений, в них выделяются традиционные здания, лишь по внешнему виду напоминающие прежние кирпичные сооружения, возводимые до конца 50-х годов.
К середине 80-х годов прошлого столетия на основе применения традиционной системы ограждающих конструкций возводилось около 30% объема строительства жилых и 80% - массовых общественных зданий. Разумеется, уровень индустриальности конструкций зданий "традиционной" строительной системы в целом достаточно высок благодаря массовому применению крупноразмерных сборных изделий перекрытий, лестниц, перегородок, фундаментов.
Индустриальная традиционная система обладала существенными архитектурными преимуществами. Благодаря малым размерам основного конструктивного элемента стены (кирпича, камня) эта система позволяет проектировать здания любой формы с различными высотами этажей и разнообразными по размерам и форме проемами.
Применение традиционной системы считалось наиболее целесообразным для зданий, доминирующих в застройке. Конструкции зданий со стенами ручной кладки надежны в эксплуатации - кирпич высокотехнологичного обжига не требовал устройства многодельной, недолговечной в эксплуатации штукатурки, была значительно повышена огнестойкость индустриальных кирпичных стен. При их проектировании использовались новые подходы к обеспечению долговечности и теплоустойчивости.
Наряду с архитектурными и эксплуатационными преимуществами ручная кладка стен является причиной основных технических и экономических недостатков каменных зданий: трудоемкость возведения и нестабильность прочностных характеристик кладки в зависимости от разных партий кирпича в случае незначительных отклонений в технологическом процессе на кирпичных заводах. Качество и прочность кладки зависели от сезона возведения и квалификации каменщика.
Крупноблочная строительная система применялась для возведения жилых зданий высотой до 22 этажей. Масса сборных элементов составляла 3-5 т. Установку крупных блоков осуществлялась по основному принципу возведения каменных стен - горизонтальными рядами, на растворе, с взаимной перевязкой швов.
Преимуществами крупноблочной строительной системы являются: простота техники возведения, обусловленная самоустойчивостью блоков при монтаже, возможностью широкого вменения системы в условиях различной сырьевой базы. Гибкая система номенклатуры блоков позволяла возводить различные типы жилых домов при ограниченном числе типоразмеров изделий. Эта система требовала меньших по сравнению с панельным и объемно-блочным домостроением капиталовложений в производственную базу из-за простоты и меньшей металлоемкости формовочного оборудования, а ограниченная масса сборных изделий позволяла использовать распространенное монтажное оборудование малой грузоподъемности.
Создание крупноблочной строительной системы стало первым этапом массовой индустриализации конструкций зданий с бетонными стенами. Крупноблочная система по сравнению с традиционной каменной дала снижение затрат труда на 10% и сроков строительства на 15-20%. По мере внедрения более индустриальной панельной системы постепенно уменьшается объем применения крупноблочной. Уже к середине 70-х годов прошлого столетия крупноблочная система в массовом жилищном строительстве занимает третье место по объему применения после панельной и традиционной каменной систем.
Панельная строительная система применяется при проектировании зданий высотой до 30 этажей в обычных грунтовых условиях и до 14 этажей в сейсмических районах. Внедрение панельной системы в жилищное строительство было начато в конце 1940-х годов одновременно в СССР и во Франции. В 1967 г. вступил в действие разработанный Госстроем СССР ГОСТ 11309-65 на все типы крупнопанельных домов, определяющий все требования к их качеству, устройству стыков и степени точности производства и монтажа изделий.
Стены таких зданий монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, массой до 10 т и длиной в 1-3 конструктивно-планировочных шага.
Техническим преимуществом панельных конструкций является их значительная прочность и жесткость. Это определило широкое применение панельных конструкций для зданий повышенной этажности в сложных грунтовых условиях (на просадочных и вечномерзлых грунтах, над горными выработками). По той же причине панельные конструкции демонстрируют большую сейсмостойкость по сравнению с другими строительными системами.
В других экономически развитых странах объем панельного строительства растет также интенсивно, что объясняется высокой экономической эффективностью строительной системы. Однако, следует заметить, что ни одна страна к началу 80-х годов не имеет такой мощной индустриальной базы строительной отрасли, а к середине 80-х большинство западных стран затронуто серьезным экономическим кризисом.
Каркасно-панельная строительная система с несущим сборным железобетонным каркасом и наружными стенами из бетонных или небетонных панелей применяется в строительстве зданий высотой до 30 этажей. Внедрена в СССР наряду с панельной в конце 1940-х годов, до начала 90-х годов на ее основе ежегодно возводилось около 15% объема общественных зданий. В жилищном строительстве систему применяли в ограниченном объеме, поскольку она уступала панельной по технико-экономическим показателям.
Объемно-блочная строительная система также впервые была внедрена советскими строителями. Объемно-блочные здания возводят из крупных объемно-пространственных железобетонных элементов массой до 25 т, заключающих в себе жилую комнату или другой фрагмент здания. Объемные блоки, как правило, устанавливали друг на друга без перевязки швов.
Объемно-блочное строительство позволяет существенно снизить суммарные трудозатраты в строительстве (на 12-15% по сравнению с панельным) и получить прогрессивную структуру этих затрат. Если в панельном строительстве соотношение затрат труда на заводе и строительной площадке составляет в среднем 50 на 50%, то в объемно-блочном оно приближается от 80% заводского изготовления к 20% трудозатрат на стройплощадке. Из-за сложности технологического оборудования капиталовложения при создании заводов объемно-блочного домостроения на 15% больше по сравнению с заводами панельного домостроения.
Объемно-блочную систему применяют для строительства жилых домов высотой до 16 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях и для жилых домов малой и средней этажности при сейсмичности 7-8 баллов. Наиболее эффективно объемно-блочное домостроение при значительной концентрации строительства, необходимости его осуществления в сжатые сроки, при дефиците рабочей силы.
Монолитные каркасы проектируют рамными или рамно-связевыми (с устройством монолитных диафрагм жесткости).
В зависимости от решения ригелей (балок) монолитные каркасно-ригельные системы могут быть двух типов: с главными и второстепенными балками в разных направлениях; с балками одинакового значения в двух или трех направлениях (с перекрытиями кессонного типа).
В первом типе каркаса второстепенные балки опираются на монолитно связанные с ними главные балки, а те, в свою очередь, - на колонны (см. рис. 5.3).Компоновка второстепенных и главных балок в плане может быть различной (при продольном или поперечном их расположении). При выборе направления главных балок учитывают назначение здания, пространственную жесткость каркаса и др. требования.
Пролеты главных балок 6-9 (12) м, высота поперечного сечения 1/8-1/15 от пролета, а ширина - 0,4-0,5 высоты.
В каждом пролете главной балки располагают от одной до трех второстепенных балок. По осям колонн также располагают второстепенные балки. Их пролеты - 5-7 м, высота поперечного сечения - 1/12-1/20 от пролета, ширина - 0,4-0,5 от высоты.
Пролеты монолитной плиты перекрытия равны шагу второстепенных балок и составляют 2-3 м, а толщина плиты, в зависимости от нагрузки, выбирается в пределах 1/25-1/40 пролета и чаще всего составляет 80-100 мм.| Фрагменты разрезов |
Рис. 5.3. 1 - колонна; 2 - главная балка; 3 - второстепенная балка; 4 - монолитная плита перекрытия
Каркасы с частым расположением балок (1-2 м) в двух или трех направлениях с одинаковым шагом и высотой называют каркасами с кессонными перекрытиями (см. рис. 5.4).Их преимущества заключаются в сравнительно меньшей высоте перекрытия (балок) и высокой архитектурной выразительности потолков общественных зданий
Рис. 5.4. Монолитные железобетонные каркасы с перекрытиями кессонного типа: а - конструктивно-планировочные ячейки; б - фрагмент разреза
К числу перспективных можно отнести суперкаркасную систему этажерочного типа
(рис. 5.5),при которой пространственная жесткость здания обеспечивается так называемым суперкаркасом, представляющим собой несколько коробчатых пилонов (стволов), соединенных между собой мощными ростверками в нескольких уровнях по высоте здания. На ростверки (как на полки этажерки) опираются многоэтажные каркасы, которые могут иметь различные планировочные и конструктивные решения. Каркасы этажерочного типа являются наиболее перспективными для зданий очень большой этажности (сверхвысотных).
Рис. 5.5. Конструктивная схема каркаса этажерочного типа: а - схема фасада; б - схема типового этажа; в - схема ростверка; 1 - коробчатый пилон; 2 - ростверк; 3 - каркасно-ригельная структура
Безригельные каркасы
Безригельный каркас - конструктивная система с плоскими перекрытиями, опирающимися непосредственно на колонны без вспомогательных балок-ригелей.
Безригельные каркасы в архитектурном отношении имеют значительные преимущества:
Плоские перекрытия имеют общую высоту в 2-3 раза меньшую, чем перекрытия в каркасно-ригельных системах;
Перекрытия с гладкими потолками способствуют применению свободной планировки и трансформации помещений путем устройства мобильных перегородок, не связанных жестко с перекрытиями;
Консольные участки перекрытий по периметру позволяют выполнять более сложные конфигурации фасадных плоскостей, устраивать лоджии, террасы, веранды без дополнительных конструктивных элементов;
Наличие гладкого потолка позволяет отказаться от дорогостоящих подвесных потолков.
Безригельные каркасы имеют и технико-экономические преимущества: упрощается монтаж опалубки благодаря отсутствию ригелей (при монолитном способе производства), уменьшается площадь последующей обработки потолка и упрощаются отделка, прокладка под потолком трубопроводов, устройство теплоизоляции и т.д.
Наряду с отмеченными преимуществами безригельные системы имеют недостатки, препятствующие массовому их распространению в практике строительства: величины пролетов безбалочных перекрытий более ограничены, чем в традиционных ригельных системах; не во всех случаях изготовление плоских перекрытий дешевле и проще ригельных; усложнены расчет и оценка действительной работы конструкций перекрытий.
Однако эти недостатки, в основном конструктивного характера, при дальнейшем совершенствовании систем могут быть устранены. Архитектурные качества безригельных систем все больше привлекают внимание архитекторов и конструкторов. Многочисленные поиски специалистов разных стран привели к различным конструктивным решениям. Многие варианты безригельного каркаса прошли экспериментальную проверку и вошли в строительную практику.
Несколько предложений по безригельным конструкциям разработаны в Украине. Среди них - грибовидный каркас, примененный в проектах различных типов общественных зданий (рис. 12.79).
Грибовидный каркас вписывается в структурную сетку на основе равностороннего треугольника со стороной 3,2 м и состоит из двух основных элементов: колонны и шестиугольной плиты перекрытия. Каждая плита опирается в центре на колонну, образуя своеобразный грибок. Примыкая друг к другу боковыми гранями, грибки объединяются в сотовую структуру и после сварки и замоно-личивания превращаются в единую пространственную систему. Благодаря частому шагу колонн и пространственной работе каркаса высота ребер плит доведена до 15 см, а вся толщина перекрытия с конструкцией пола составляет 20 см.
Из шестигранных элементов грибовидного каркаса можно создавать самые разнообразные архитектурно-конструктивные композиции. Несмотря на художественные достоинства, эта разновидность каркаса имеет серьезный планировочный недостаток, ограничивающий его применение. Частый шаг колонн, расположенных в шахматном порядке, затрудняет функциональное решение большинства типов зданий, особенно при широком корпусе.
Модификация этой системы привела к варианту каркаса, в котором, наряду с основными плитами перекрытий, опирающимися центрично на колонны, имеются пролетные плиты, опертые на основные (рис. 12.79 б). Введение пролетных плит перекрытий позволило резко увеличить размер треугольной планировочной сетки (с 3,2 до 6,6 м), что значительно улучшило архитектурные качества каркаса.
Рис. 12.79. Безригельный грибовидный каркас с плоскими перекрытиями (Украина): а - на треугольной сетке колонн со стороной 3,2 м; б - на треугольной сетке со стороной 6,6 м; 1 - колонна; 2 - надколонная (капительная) плита; 3 - пролетная плита; 4 - доборная фасадная плита
Каркас с консольно-ригельными плитами (рис. 12.80) запроектирован для планировочной сетки 6 х 6 м и включает три основные сборные железобетонные элемента - колонну на этаж, надколонную ребристую плиту, асимметрично опирающуюся на колонну и торец соседней плиты, а также плиту-вкладыш.
Преимущества каркаса: простота узлов соединений и монтажа элементов, возможность взаимного смещения рядов колонн, т.е. трансформации планировочной сетки, и возведения зданий сложной конфигурации.
Рис. 12.80. Каркас с консольно-ригельными асимметрично опертыми надколонными плитами (Украина): а - общая схема; б - схема раскладки плит перекрытий; 1 - надколонная плита; 2 - плита-вкладыш; 3 - разрезка в местах, близких к линиям нулевых моментов
Сборно-монолитная система КУБ-2,5 (каркас универсальный безригельный) позволяет строить жилые дома, здания общественного назначения в едином конструктивном ключе, по единой технологии изготовления и монтажа строительных конструкций. Система представляет собой связевый каркас, состоящий из многоэтажных неразрезных колонн прямоугольного сечения и сплошных плит перекрытий (рис. 12.82). КУБ-2,5 соответствует уровню прогрессивных современных индустриальных каркасных конструкций. Отличительная особенность системы - монтаж плит перекрытия на колонну и соединение плит перекрытий между собой производятся без поддерживающих элементов.
Конструкция стыков колонн исключает сварку, так как стык колонн сечением 400х400 мм предусматривает принудительный монтаж, при котором фиксирующий стержень нижнего торца колонны должен войти в патрубок верхнего торца нижней колонны.
Конструкции каркаса предполагают высоту этажей 2,8; 3,0; 3,3 м при основной сетке колонн 6x6м. При необходимости высоту этажа можно увеличить до 6 м, а шаг колонн - до 12 м.
Конструкции КУБ-2,5 применяются при возведении общественных зданий в 1-3 этажа большой пролетности с техподпольем и жилых зданий в 4-22 этажа.
Рис. 12.82. Сборно-монолитный безригельный каркас КУБ-2,5: а - монтажная схема; б - стык колонн; в - узел «колонна-плита»
Монолитные безригельные каркасы проектируют на основе квадратной или прямоугольной сетки колонн, при этом соотношение между большим и меньшим пролетами ограничивается как 4/3. Наиболее рациональна квадратная сетка колонн 6x6м.
В монолитных безригельных каркасах сплошная железобетонная плита опирается непосредственно на колонны с капителями (рис. 12.83). Капители обеспечивают жесткое сопряжение плиты с колоннами и прочность плиты на продавливание по периметру колонны, уменьшают расчетный пролет плиты. Капители колонн конструируют в виде усеченной пирамиды с углом наклона граней 45° или двойной усеченной пирамиды ломаного очертания.
Толщину монолитной плиты принимают из условия ее необходимой жесткости в пределах 1/32-1/35 от величины наибольшего пролета. Плиты армируют плоскими или рулонными сварными сетками. При этом пролетные изгибающие моменты воспринимаются сетками, уложенными в нижней зоне, а опорные - в верхней зоне плиты.
Один из эффективных вариантов монолитного безригельного каркаса для зданий с мелкоячеистой планировочной структурой - вариант с узкими колоннами в виде коротких стенок-диафрагм без капителей (рис. 12.84).
Колонны такого вида позволяют использовать их в качестве ограждающих элементов при одновременном уменьшении пролетов плит и увеличении жесткости каркаса. Колонны могут быть не только плоскими, ориентируемыми на плане в разных направлениях, но и пространственными (рис. 12.84 б), логично вписывающимися в планировочную структуру здания.
Данная система является открытой, позволяет создавать разнообразные объемно-планировочные решения жилых, учебных, административных и других зданий со средними по величине пролетами - до 7,5 м.
Рис. 12.83. Монолитный безригельный каркас: а - капители колонн и их армирование; б - расположение рабочей арматуры в плите (план); в - фрагмент разреза каркаса с изображением армирования плиты; 1 - рабочая арматура; 2 -конструктивная арматура
Рис. 12.84. Монолитный безригельный каркас с колоннами в виде коротких стенок-диафрагм: а - фрагменты фасада и плана здания коридорного типа; б - возможные формы сечений колонн; в - формы колонн переменного сечения по высоте
Каркас рассчитан на сооружение относительно простых в композиционном отношении зданий высотой до 9 этажей при рамной схеме и 16.20 этажей при рамно-связевой схеме с ячейками в плане 6x6; 6x3 м, а при введении металлических шпренгелей на ячейки 6x9; 6x12 м при высоте 3,0; 3,6 и 4,2 м при полной вертикальной нагрузке до 200 кПа и горизонтальной нагрузке от сейсмических воздействий до 9 баллов.
Фундаменты монолитные и сборные стаканного типа. Наружные ограждающие конструкции самонесущие и навесные из различных материалов или типовых индустриальных изделий других конструктивных систем. Лестницы преимущественно из наборных ступеней по стальным косоурам. Стыки элементов каркаса замоноличиваются, образуя рамную систему, ригелями которой служат перекрытия.
Монтаж конструкций ведется в следующем порядке: монтируют и замоноличивают в стаканах колонны; монтируют надколонные панели с высокой точностью, от которой зависит качество монтажа всего перекрытия; на надколонные панели устанавливают межколонные панели. Затем монтируют панели-вставки. После выверки, рихтовки и фиксации перекрытия устанавливают арматуру в швах замоноличивания и производят замоноличивание швов между панелями и стыками панелей с колоннами по всему перекрытию.
Каркас рассчитывают на действие вертикальной и горизонтальной нагрузок методом заменяющих рам в двух направлениях. При этом в качестве ригеля рамы принимают плиту шириной, равной шагу колонн перпендикулярного направления.
При расчете системы на действие горизонтальных сил в обоих направлениях принимают полную расчетную нагрузку, изгибающие моменты от которой вводят полной величиной в расчетные сочетания. При расчете системы на действие вертикальных сил учитывают работу каркаса в двух стадиях: монтажной и эксплуатационной. В стадии монтажа принимают шарнирное опирание панелей перекрытия в местах специальных монтажных устройств, кроме надколонных панелей, которые жестко соединены с колонной. В эксплуатационной стадии производят расчет рам на полную вертикальную нагрузку в двух направлениях. Расчетные изгибающие моменты распределяют в определенном соотношении между пролетами и надколонными полосами.
Силовые воздействия на колонны в уровне низа панели перекрытия определяют по формулам, учитывающим двухстадийную работу конструкции. Элементы конструктивной системы готовят из бетона класса В25 и армируют арматурой из стали классов А-I; A-II и A-III.
Характерной особенностью системы является узел сопряжения надколонной панели с колонной. Для эффективной передачи нагрузки с панелей на колонну в колонне организуется подрезка по периметру в уровне перекрытия с оголенными четырьмя угловыми стержнями. Воротник надколонной панели в виде уголковой стали с помощью монтажных деталей и сварки соединяется со стержнями.
Узел соединения панелей перекрытия типа стыка Передерия, в котором в скобообразные выпуски арматуры пропускается и замоноличивается продольная арматура 0 12-А-П. Для эффективной передачи вертикальной нагрузки в панелях предусматриваются продольные треугольные пазы, образующие с бетоном замоноличивания шва (шириной 200 мм) своего рода шпонку, хорошо работающую на срез.
Указанная конструктивная система рассчитана на применение в районах со слаборазвитой индустрией сборного железобетона для зданий различного назначения при относительно низких требованиях к показателю индустриальности (степени заводской готовности) системы. Принципиальные решения сборно-монолитного безригельного каркаса.
Технико-экономические показатели системы характеризуются несколько более низким расходом металла, чем каркасно-панельные системы для тех же параметров ячеек, но более высоким расходом бетона и значительной построечной трудоемкостью.
arbuild.ru
Конструкции безригельного каркаса
КБК – универсальная система, применяемая для строительства практически всего спектра городских сооружений: зданий жилого, социально-культурного, административного и бытового назначения, многоуровневых парковок, складов, некоторых производственных сооружений. За основу КБК была выбрана отечественная разработка - система безригельного каркаса «КУБ-2.5». Она в течение многих лет применялась в нашем военно-строительном комплексе, была отработана с конструкторской точки зрения и адаптирована к существующей российской технологической культуре в строительной промышленности. Модификация системы КУБ под аббревиатурой УСМБК использовались при строительстве объектов Министерства обороны в различных странах.
По срокам строительства безригельные системы могутконкурировать только зданиявозводимые из железобетонных панелей. Но качество панельного жилья не отвечает современным требованиям. В частности, многих покупателей не устраивает невозможность перепланировок и неизбежная однотипность возводимых зданий.
Преимущество безригельного каркаса КБК, прежде всего, заключается в ограниченном наборе составляющих элементов, с одной стороны, и в богатстве возможностей внутренних планировочных решений, создания неповторяющегося набора квартир из комнат и объемов, использовании местных материалов для устройства внешних ограждающих стен и внутренних перегородок, с другой стороны. Проще решается проблема перепланировки внутренних пространств.
Преимущества сборнойбезригельной системы КБК с экономической точки зрения подтверждаютсятем фактом, что в Сибири и на Урале не единичны случаи, когда подрядчики, применяющие конструктивную безригельную систему строительства, выигрывали тендеры у компаний, строящих в «монолите».
Система КБК дает возможность на единой промышленной, технологической основе строить как комфортное, так и «элитное» и «социальное»жильё. Причём, «социальное» или «элитное» назначение жилья реализуется за счет объема, отделки и т.п. При этом система КБК позволяет (при необходимости) без сноса, путем перепланировки, превратить ранее «социальный» дом в «элитный» или наоборот.
Система КБК значительно лучше приспособлена под сложные условия строительства. Она более индустриальная: применяется меньше монолитного бетона на строительной площадке, а значит, возникает меньше сложностей зимой. Нет необходимости привлекать большой штат квалифицированных сотрудников и спецтехники. Таким образом, основная масса проблем переносится на завод. Обеспечение качества каркаса в значительной мере лежит на заводе и зависит от качества металлоформ. Такая система менее трудоемкая и по скорости возведения здания превосходит практически любую другую. Так, в день бригада из 5-6 человек спокойно монтирует 200кв. м (при наличии железобетона).
Если говорить о технической стороне технологии, то можно отметить, что система конструкций предусматривает применение неразрезных (многоэтажных) колонн сечением 400 (мм) х 400 (мм) с предельной длиной 9900 (мм). При стыке колонн предусматривается принудительный монтаж, состоящий в сопряжении фиксирующего стержня верхней колонны с патрубком верхнего торца нижней колонны. В местах примыкания перекрытий (на высоте этажа) в колоннах предусмотрены шпонкообразные вырезы, в пределах которых арматура колонны обнажена.
Система конструкций безригельного каркаса «КБК» предусматривает применение панелей перекрытия заводского изготовления максимальными размерами 2980 (мм) х 2980 (мм) х 160 (мм).
Панели перекрытия в зависимости от местоположения в каркасе могут быть надколонные (НП), межколонные (МП) и средние (СП).
Монтаж конструкций ведётся в следующем порядке: монтируются колонны и замоноличиваются в фундаменте; устанавливаются и привариваются к арматуре колонн надколонные панели; далее монтируются межколонные и средние панели. При установке панелей арматурные выпуски торцов совмещаются таким образом, что образуется петля, в которую вставляется арматура.
Система конструкций безригельного каркаса предназначена для строительства широкого спектра городских сооружений (жилых, общественных и вспомогательных зданий административно-бытового назначения). С использованием сборно-монолитнойбезригельной системы возводятся не только высотныездания, но и школы, детские сады и т.п.
Такая универсальность системы «КБК» обеспечивается за счёт сочетания следующих свойств: а) Несущую основу каркаса здания в «КБК» составляют колонны и плиты перекрытия, выполняющие роль ригелей, для элементов жёсткости используют связи или диафрагмы, что позволяет обеспечить в зданиях пролёты 3.0, 6.0 м, высоту этажей в зданиях 2.8, 3.0, 3.3 и 3.6 при основной сетке колонн 6 х 6 м. Несущая способность перекрытий позволяет использовать каркас в зданиях с интенсивностью расчетных нагрузок на этаж до 1200 (кг/м2). б) Конструкция стен предполагает выполнение ими только ограждающей функции. Стены могут разрабатываться с поэтажной разрезкой, т.е. опираться на плиты перекрытия и передавать вертикальную нагрузку от собственного веса на плиты перекрытия каждого этажа; навесными или самонесущими, что даёт возможность максимального использования для ограждающих конструкций местных не конструкционных материалов, в том числе монолитных стен. в) В зданиях высотой до 5 этажей в обычных условиях строительства применяется рамная конструктивная схема без использования дополнительных элементов жесткости, в остальных случаях – рамно-связевая конструктивная схема, в которой используются связи или диафрагмы.
Система рассчитана на возведение зданий высотой до 25 этажей (до 75 метров) в обычных условиях строительства. В районах с сейсмичностью до 9 баллов включительно по 12 – бальной шкале применение «КБК» ограничено требованиями таблицы 8* СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» для каркасных зданий.
Конструктивные элементы КБК изготавливаются и монтируются с применением единого технологического оборудования. Каркас монтируется полностью из изделий заводского изготовления с последующим замоноличиванием узлов, в конечной стадии конструкция является монолитной.
Таким образом, формообразующие возможности каркаса в системе «КБК» имеют широкие диапазоны количества этажей и архитектурно-пространственных решений. Система КБК позволяет использовать широкий спектр пластики фасада, создавать пространственно интересные нетиповые планировки, отвечающие поставленной задаче.
Расчёт параметров безригельного каркаса с плоскими перекрытиями производится с использованием расчётных моделей, реализуемых программными комплексами с применением программных продуктов высокого уровня (ПК SKAD; ПК ING +; ПК «ЛИРА» и других).
Одним из основных отличий системы КБК от системы КУБ 2,5 является адаптация системы под требования действующего законодательства и получение необходимых сертификатов.
Во-первых, система «КБК» комплектуется отдельным пакетом документации – «Конструкция безригельного каркаса для многоэтажных жилых и общественных зданий». Данный комплект документации сертифицирован ФГУП «ЦПП» г. Москва на соответствие требованиям нормативных документов в области строительства. Выдан сертификат № POCCRU.CP48.C00047 от 05.04.2007 г.
Во-вторых, в целях подтверждения огнестойкости элементов каркаса зданий на основе «КБК» в 2008 году в ЗАО «ЦСН «Огнестойкость-ЦНИИСК» г.Москва проведены сертификационные испытания надколонной (НП 30-30-8, ТУ 5842-001-08911161-2007) и средней (СП 30-30-6, ТУ 5842-001-08911161-2007) железобетонных плит перекрытия (изготовитель плит ФГУП «ДОКСИ при Спецстрое России»).
Испытания надколонной железобетонной плиты проводились под равномерно-распределенной нагрузкой в 700 кг/м2.Обогреваемая поверхность надколонной плиты – сторона плиты с рабочей арматурой предельных состояний не достигла и соответствует пределу огнестойкости не менее REI 180. Для средней железобетонной плиты перекрытия предел огнестойкости составил REI 120.
На основании полученных результатов испытаний, органом сертификации ЗАО «ЦСН «Огнестойкость-ЦНИИСК» г.Москва выданы сертификаты пожарной безопасности для всей номенклатуры панелей перекрытия безригельного каркаса КБК.
В-третьих,с целью подтверждения сейсмостойкости и оценки пригодности системы конструкций безригельного каркаса для строительства в сейсмических районах, с 22 по 29 августа 2008 года по заказу ООО ПЦ «КУБ-Сибирь» в г.Перми были успешно проведеныстатические и динамические испытания фрагментов здания. Испытаниям подверглись два экспериментальных трёхэтажных фрагмента здания из элементов системы «КБК» в натуральную величину с имитацией рабочей нагрузки с целью ее обоснованного применения в строительстве на площадках сейсмичностью до 7-9 баллов по шкале MSK-64. В конструкции первого фрагмента здания в качестве элементов жесткости использовались связи, в конструкции второго – железобетонные диафрагмы.
Испытания проведены Некоммерческой организацией «Российская Ассоциация по сейсмостойкому строительству и защите от природных и техногенных воздействий» (НО РАСС) при участии ОАО "12 Военпроект" (г.Новосибирск), ООО «КБК-Урал» (г.Пермь), ФГУП «ЦПО» при Спецстрое России (г.Воронеж).
По результатам испытаний подтверждена сейсмостойкость каркаса КБК до 9 баллов – при использовании в качестве элементов жесткости железобетонных диафрагм, до 7 баллов – при использовании связей. Российской Ассоциации по Сейсмостойкому Строительству и защите от природных и техногенных воздействий (РАСС) выдано заключение от 06.11.2008:
«Строительная система КБК на основе конструкций Безригельного каркаса РЕКОМЕНДУЕТСЯ к применению при строительстве зданий на площадках сейсмичностью 7-9 баллов по шкале MSK-64 при ограничениях, установленных требованиями таблицы 8* СНиП II -7-81* «Строительство в сейсмических районах» для каркасных зданий».
Вышесказанное позволяет сделать ряд выводов.
1. Соответствие технологии КБК действующему законодательству позволяет применять её без каких-либо ограничений и сложностей в любых регионах нашей страны, в том числе и сейсмоопасных, при этом экспертиза проектной документации в уполномоченных федеральных органах исполнительной власти и органах власти субъектов Российской Федерации проходит без особенностей.
2. Технология КБК предоставляет полную и достоверную прогнозируемость сроков возведения каркаса здания. Так, уже на стадии эскизного проекта, после согласования планировок этажей, застройщик может заключить договор с заводом ЖБИ на изготовление конструктивных элементов каркаса здания, а крайне ограниченное применение монолитного бетона на стройплощадке сводит к минимуму сезонное изменение темпов строительства, либо его приостановку. Всё это позволяет правильно оценить застройщику свои возможности и уложиться в заданные контрактом сроки и стоимость, что особенно актуально при выполнении работ по государственным заказам.
При подготовке статьи использовались материалы сайтов www.kub-sk.ru, www.12voenproekt.ru
karkas-pro.ru
Опалубочный элемент сборно-монолитного перекрытия с безригельным каркасом
Рассмотрены варианты несъемных опалубочных элементов перекрытий, используемых в практике сборно-монолитного каркасного домостроения. Предложен тонкостенный железобетонный опалубочный элемент плиты с выступающим арматурным каркасом.
Ключевые слова: опалубочный несъемный элемент, плоское сборно-монолитное перекрытие.
Применение плоских сборно-монолитных перекрытий в каркасном домостроении имеет значительные преимущества по сравнению с монолитной и сборной технологией строительства . Проблемы ускорения сроков строительства, снижения трудоемкости возведения перекрытий, ограниченной пригодности щитов опалубки и ее подготовки для повторного использования могут быть решены с помощью сборно-монолитных перекрытий с неизвлекаемыми бетонными или железобетонными элементами. Опалубочные элементы выполняют роль несущего основания плиты перекрытия, обеспечивающего ее омоноличивание за счет установки армирующих элементов и укладки слоя бетонной смеси. Стремление к увеличению шага колонн несущего каркаса не позволяет использовать опалубочные элементы размером на всю ячейку из условий транспортировки, поэтому встает вопрос их стыка и разработки конструкции перекрытия, отвечающей требованиям надежности и пространственной жесткости.
В настоящее время широко известны конструктивные решения, принятые в универсальной открытой архитектурно-строительной системе зданий на основе сборно-монолитного каркаса с плоскими перекрытиями (АРКОС) . Один из вариантов диска перекрытий данной системы включает сборные многопустотные плиты, опертые концами посредством бетонных шпонок на несущие монолитные ригели таврового сечения с полкой, размещенной в стяжке пола (рис. 1). В роли своеобразного элемента несъемной опалубки выступает сборная многопустотная плита, как традиционная типовая, изготавливаемая по агрегатно-поточной технологии, так и многопустотная безопалубочного формования. В случае применения последней, не имеющей выпусков рабочей арматуры, предусмотрено размещение арматурных стержней-коротышей.
Достаточно интересным является решение сборно-монолитного перекрытия с использованием клинообразных элементов, выполненных из прямоугольной несущей плиты и пирамидальной части с боковыми гранями, наклонными под углом 5–15º, имеющими на стыках разгрузочные канавки с криволинейной поверхностью (рис. 2). Перекрытие собирается из опалубочных элементов, устанавливаемых большим основанием вниз, арматурная сетка фиксируется с помощью предварительно заглубленных в элементы анкеров и наносится стяжка.
Рис. 1. Конструкция сборно-монолитного перекрытия системы АРКОС: 1 - монолитный несущий ригель; 2 - бетонная шпонка ригеля; 3 - выпуски рабочей арматуры многопустотных плит; 4 - полки ригеля таврового сечения; 5 - стяжка пола
Рис. 2. Конструкция сборно-монолитного перекрытия с несъемными клинообразными опалубочными элементами: а - вид в разрезе; б - опалубочный элемент: 1 - опалубочный элемент; 2 - анкера; 3 - элементы армирования; 4 - двухслойный строительный раствор с фиброй между слоями
Рис. 3. Конструкция сборно-монолитного перекрытия с несъемными тонкостенными плитами: а - схема расположения элементов в плане; б - опалубочные элементы: 1 - надколонный опалубочный элемент; 2 - то же, пролетный; 3 - арматурный пространственный каркас; 4 - арматурные выпуски; 5 - элементы армирования; 6 - бетон замоноличивания; 7 - закладные детали
Основным недостатком описанных выше конструктивных решений сборно-монолитных перекрытий является достаточно высокая трудоемкость при монтаже, а в случае перекрытия с клинообразными опалубочными элементами - значительная толщина перекрытия и, как следствие, материалоемкость конструкции.
Предлагается вариант сборно-монолитного перекрытия, состоящего из элементов несъемной опалубки, представляющей собой тонкостенные железобетонные плиты с арматурными пространственными каркасами, выступающими вверх за пределы бетона плит, арматурных сеток, укладываемых по верху сборных элементов и бетона замоноличивания (рис. 3). Выступающие арматурные каркасы исключают потребность в стальных фиксаторах, необходимых для проектного положения арматурных изделий и обеспечивают надежное сцепление сборного и монолитного слоев перекрытия. Подобные опалубочные элементы уже нашли применение при строительстве сборно-монолитных каркасов с железобетонными ригелями, а также в перекрытиях, опирающихся на любые несущие конструкции: стены, балки, строительные фермы как железобетонные, так и стальные . Предусмотрены опалубочные элементы двух типов: надколонные с опиранием непосредственно на колонны и имеющие вырезы для пропуска арматуры колонн и пролетные. Пролетные опалубочные элементы снабжены гнутыми арматурными выпусками для монтажа и стыка, устраиваемого на расстоянии 0,25 длины пролета между колоннами.
Требуемая минимальная толщина опалубочных элементов, диаметр и шаг арматурных каркасов зависят от действующих усилий на перекрытие и расчетных пролетов и подлежат дальнейшему исследованию.
Литература:
1. Никулин А. И. Эффективность применения плоских сборно-монолитных перекрытий в каркасном домостроении/ А. И. Никулин, С. В. Богачёва// Технические науки: проблемы и перспективы: материалы III междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2015 г). - СПб.: Свое издательство, 2015. - с. 70–74.
2. Мордич А. И. Описание конструкции каркаса зданий серии Б1.020.1–7 (АРКОС) и общие рекомендации по расчету/ А. И. Мордич, В. Н. Белевич. - Минск: Институт БелНИИС, 2005. - 52 с.
3. Шалис Е. Е., Зубко В. Е., Дудко О. В., Жуков А. Ю., Мандровская М. Б. способ возведения сборно-монолитного перекрытия в несъемной опалубке и опалубочный элемент для его осуществления// Патент России № 2109896. 1998.
4. СТО НОСТРОЙ 2.6.15–2011 Элементы сборные железобетонные стен и перекрытий с пространственным арматурным каркасом. Технические условия. - М.: ООО «Научно-исследовательский институт бетона и железобетона», ООО Издательство «БСТ», 2011. - 49 с.
moluch.ru
безригельный каркас здания, сооружения - патент РФ 2501915
Так, по авторскому свидетельству СССР № 1606629, МПК5 E04B 5/43, дата подачи заявки 1988.06.27, известно безбалочное перекрытие, включающее надколонные плиты с центральным отверстием для размещения на колоннах, межколонные и средние плиты, имеющие на стыкуемых боковых гранях каждой плиты перекрытия площадки для последовательного опирания плит одна на другую. С целью снижения материалоемкости за счет уменьшения усилий на надколонную плиту, площадки опирания надколонных плит выполнены в виде размещенных в середине боковых граней столиков, длина которых определена из условия l<2b+a, где b - толщина надколонной плиты, a - размер отверстия в надколонной плите по нижней грани.
По авторскому свидетельству СССР № 1114749, МПК5 E04B 1/18, E04B 1/38, дата подачи заявки 1982.05.04, известен безригельный каркас, содержащий колонны, плиты перекрытия и узлы соединения колонн с плитами перекрытий.
В качестве прототипа выбран безригельный бескапительный железобетонный каркас здания по патенту Российской Федерации № 2247812, МПК7 E04B 1/18, E04B 5/43, дата подачи заявки 2001.04.03. патентовладелец ООО «Научно-проектное общество «КУБ», г.Москва.
Объясняется это следующим.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
www.freepatent.ru
Проблемы использования конструкций сборно-монолитного перекрытия
В настоящее время в основном строятся здания с монолитным перекрытием. Они являются более затратными, например, минимальная толщина перекрытия 220 мм с шагом колонн 6 х 6 м, расход арматуры составляет 200 кг на 1 м3 бетона . Если использовать сборные плиты перекрытия, то приведенная толщина будет 120 мм (при толщине плиты 220 мм), расход арматуры на 1 м3 составляет примерно 30 – 70 кг. Поэтому строители постепенно переходят на сборно-монолитное перекрытие, которые полностью заводского изготовления и собираются на стройке с минимальным объёмом монолитного бетона.
Один из удачных примеров - конструкция безригельного каркаса (КБК), её разработчиками являются: ФГУП ЦПО при Спецстрое России г. Воронеж и ОАО «12 Военпроект» г. Новосибирск, сертификат соответствия № POCC RU.CP48.C00047 от 05.04.2007г. Каркас КБК представляет собой сборно-монолитную конструкцию. В качестве стоек каркаса служат колонны, роль ригелей выполняют плиты перекрытия. Пространственная жесткость обеспечивается жестким (рамным) соединением неразрезанных замоноличенных плит перекрытий с колоннами в уровне каждого этажа. В случае рамно-связевой схемы в работу дополнительно включаются элементы жесткости: связи и диафрагмы.
Каркас КБК монтируется из элементов системы, которые имеют 100% заводскую готовность, с последующим замоноличиванием узлов. в эксплуатационной стадии конструкция является монолитной.
Каркас прост в изготовлении. Элементы каркаса имеют простую геометрическую форму и минимальное количество типоразмеров с основными конструктивными элементами КБК возможно использование лестничных маршей, вентиляционных блоков, шахт лифтов, шахт дымоудаления из других систем.
Основные элементы конструкции.
Система КБК предусматривает применение одномодульных плит перекрытия заводского изготовления с максимальными размерами 2980х2980х160 мм, которые в зависимости от их местоположения в каркасе разделяются на: НП – надколонные, МП – межколонные, СП – средние.
Рис.1. Плиты перекрытия.
Диафрагмы жесткости устанавливаются в створе колонн или в стыках перекрытия. Высота диафрагмы соответствует высоте этажа, которая может быть различной.
Система КБК предусматривает применение неразрезных (многоэтажных) колонн сечением 400х400 мм с предельной длиной 11 980 мм. Высота этажа может варьироваться от 3 до 11 м.
Связи – железобетонные элементы жесткости сечением 200х250 мм устанавливаются для высоты этажа (2,8; 3,0; 3,30 м) между колонн.
Конструктивные особенности.
Система КБК является универсальной и предназначена для строительства жилых, общественно-социальных, административных и некоторых промышленных зданий (сооружений) в разнообразных климатических, рельефных, сейсмических условиях.
Можно строить здания высотой до 75 м (25 этажей) в I–V климатических районах (в том числе сейсмически активных до 8–9 баллов по шкале MSK-64). Несущая способность перекрытий позволяет использовать каркас в зданиях с интенсивностью нагрузок на этаж не более 1200 кг/м2. Нормативная временная вертикальная нагрузка на плиты перекрытия составляет 200 и 400 кг/м2.
Недостаток конструкции: ослабление самого ответственного надколонного участка отверстием для колонны и сложность сопряжения плиты с колонной, предусматривающая сварочные работы. Ограниченность ширины пролета (до 6 м) и нагрузки.
Предлагаемая конструкция.
Предлагаемая модификация системы позволяет сгладить эти недостатки. Это достигается тем, что надколонная плита выполняется монолитной, а колонна с просветами на уровне перекрытия.
Сущность конструкции рассмотренной в данной статье будет заключаться в том, что надколонные участки перекрытия выполняют монолитными, а межколонные и средний участки собирают из сборных элементов, при этом межколонные участки перекрытия жестко скрепляют с надколонными.
Благодаря этому обеспечивается монолитность перекрытия, что повышает надежность и обеспечивает универсальность перекрытия, то есть оно пригодно для больших пролетов и повышенных нагрузок.
Членение перекрытия на надколонные, межколонные и средние участки выполняют габаритами (L/2)x(L/2), где L – ширина пролета ячейки перекрытия. Членение межколонных и средних участков на сборные элементы выполняют из условия транспортировки, то есть шириной не более 3 м.
На рис. 1 приведена схема членения ячейки перекрытия пролетом до 6 м (L ≤ 6м) на надколонные 1, межколонные 2 и средние 3 участки. Надколонные участки перекрытия выполняют монолитными, а межколоные и средние участки – сборными. Габариты участков в этом случае не превышают 3 м, поэтому членение межколонных (МП) и среднего (СП) участков на сборные элементы не требуется. Все элементы одного размера.
Перекрытие опирается или на монолитные колонны поэтажного бетонирования, или на сборные колонны с просветами в уровне каждого перекрытия, которое замоноличивают вместе с надколонными участками перекрытия. Этим обеспечивается целостность надколонного участка по оси колонны.
Рис. 1. Плоское сборно-монолитное перекрытие пролетом 6м
Цель проведенных исследований найти максимальные значения усилий и прогибов в конструкции (Mx, My,Qx, Qy, f), а так же выяснить какая из данных схем будет более удобна относительно этих пяти параметров.
Рассматривается семь схем плит перекрытия. Сюда входят различные варианты загружения, а так же опирания отдельных участков конструкции.
Исходные данные для схемы 1: плита 6 х 6м, опертая на 4 колонны по углам, толщина плиты t=160мм.
Рис. 2. Расчетная схема 2
Данная схема показывает максимальное значение усилий и прогиба в ячейке 6 х 6м при её загружении постоянной нагрузкой F=10кН/м. Результаты можно увидеть в таблице №1.
Схема 2, 3 и 4: плита перекрытия 21 х 21 м с шагом колонн 6 м, толщина перекрытия t=160мм. В них варьируются варианты загружения. В схеме 5 шарнирное опирание средней плиты. В схеме 6 надколонная плита толщиной t=180мм, межколонная – 160 мм, средняя – 140 мм.
Последняя схема так же, как и шестая с переменным значением толщин плит, но надколонную плиту подкрепляем жесткой вставкой из двутавра I 14 .
Сравнивая между собой первую и вторую схему видно, что максимальный момент и поперечная сила значительно увеличились, но при этом значение прогиба снизилось на 59,9% от первоначального. Это объясняется следующими факторами:
другая схема и габариты конструкции, от этого видно разницу значений усилий в местах опирания конструкции;
работа одной, отдельно стоящей ячейки отличается от работы нескольких ячеек совместно, поэтому «ячеистые» конструкции удобны в строительстве.
Схема 3 и 4 показывают, как конструкция работает при том или ином загружении.
Самой удачной схемой является схема 5. Анализ результатов показывает, что изгибающие моменты стали значительно меньше по сравнению со схемой 2 на 73,2%, а поперечные усилия на 93%, значение прогиба уменьшилось на 65,4%.
Если брать схему 6, видим что значения моментов и поперечных усилий не значительно отличаются: Mmax и Qmax уменьшились на 10,5% и 45,5% соответственно, а прогиб наоборот увеличился на 3,7%.
В схеме 7 Mmax уменьшился на 58,8%, Qmax – на 89,3% и прогиб f на 42,8% в сравнении с схемой 2.
Данные расчета в САПР «Лира»
Исходя из изложенного выше, можно сделать следующие выводы:
изменение сечения перекрытия (схема 6) не на много «разгружает» конструкцию, при этом средняя толщина конструкции составляет 160 мм, что соответствует схеме 2. Также создание такого перекрытия будет более трудоемким. Поэтому данная схема не рациональна.
наиболее рациональный выбор – это схема 5 с шарнирным опиранием средней плиты. Кроме того упрощается сопряжение плит друг с другом. В данном случае конструкция удовлетворяет целям задания.
Рис. 3. Расчетная схема 1
Рис. 4. Расчетная схема 3
Рис. 5. Расчетная схема 4
Рис. 6. Расчетная схема 5
Рис. 6. Расчетная схема 6
Рис. 7. Расчетная схема 7
Литература:
Потапов Ю. Б., Васильев В. П., Васильев А. В., Федоров И. В. Железобетонные перекрытия с плитой опертой по контуру // Промышленное и гражданское строительство, 2009. - №3. – с. 40 – 41.
ГОСТ 8239-89: Двутавры стальные горячекатаные. – Введ. 01.07.1990. - Министерством черной металлургии СССР, ГОССТРОЕМ СССР, ЦНИИ строительных конструкций. – 4 с.
ООО «КУБ-СТРОЙКОМПЛЕКС». Сборно-монолитный каркас. Надежная система строительства для инвестора и застройщика. – URL: http://www.kub-sk.ru/userfiles/File/KUB_Tehnology_nov.PDF. Дата обращения: 16.10.2011г.
moluch.ru
Безригельный каркас здания, сооружения
Изобретение относится к области строительства, в частности к конструкциям сборно-каркасных зданий и сооружений. Технический результат изобретения заключается в повышении жесткости и прочностных характеристик каркаса. Безригельный каркас содержит колонны, надколонные плиты перекрытия, опирающиеся на колонны, межколонные плиты перекрытия, расположенные между надколонными плитами, узлы соединения колонн с надколонными плитами перекрытий и узлы соединения плит перекрытий между собой. Колонны, расположенные в углах зданий и в местах пересечения продольных и поперечных стен, выполнены фигурными с уголковым, тавровым или крестообразным поперечным сечением соответственно их расположению. Каждый узел соединения колонн с надколонными плитами перекрытий выполнен в виде закладных деталей, соединенных с арматурой колонны и установленных на периферийных участках поперечного сечения фигурной колонны, а также вертикальных стержней, пропущенных через отверстия в надколонной плите перекрытия и соединенных с закладными деталями колонн. 2 з.п. ф-лы, 16 ил.
Изобретение относится к области строительства, в частности к конструкциям сборно-каркасных зданий и сооружений, и может быть использовано при сооружении жилых, гражданских, промышленных зданий и сооружений с безригельными каркасами.
Безригельные каркасы в настоящее время являются альтернативой традиционным схемам строительства сборно-каркасных зданий и сооружений. Примером применения безригельных каркасов является строительная система безригельного полносборным каркаса сборно-каркасных зданий серии «КУБ-2,5», прошедшая согласование и получившая одобрение Госстроя РФ. Министерства строительства, архитектуры и ЖКХ Российской Федерации.
Серия сборно-каркасных зданий «КУБ-2,5» освоена ООО «КУБ Систем», ООО «КУБ Строй», ООО «ПСК-КУБ» (Москва), ООО «КУБ Систем СПб», ООО «КУБ Строй СПб» (Санкт-Петербург).
От традиционных сборно-каркасных систем строительная система «КУБ-2,5» отличается, прежде всего, отсутствием ригелей (роль которых выполняют плиты перекрытия), а также использование колонн без выступающих частей. Плиты перекрытий, в зависимости от расположения, подразделяются на надколонные, межколонные и средние. Пространственная жесткость конструкции обеспечена монолитной связью элементов (плит перекрытий и колонн) и, при необходимости, включением в систему связей и диафрагм. В основу системы безригельного каркаса «КУБ-2,5» положена конструкция узла сопряжения двух основных элементов - плиты перекрытия и колонны с использованием закладной детали - стальной обечайки, соединенной с арматурой плиты перекрытия. Бетон в данном узле работает в условиях всестороннего обжатия, вследствие чего происходит его самоупрочнение. Это дает возможность исключить ванную сварку в стыке колонн. В узле присутствуют только монтажные швы.
Монтаж каркаса производится в следующем порядке: сначала устанавливают и выверяют колонны, затем на проектную отметку устанавливают надколонные плиты перекрытия, после этого межколонные и средние плиты перекрытия монтируют «насухо». После установки арматуры в швах между плитами замоноличивают бетоном узлы сопряжения надколенных плит перекрытия и колонн, а также швы между плитами перекрытия.
Строительная система безригельного каркаса «КУБ-2,5» может использоваться для строительства практически всего спектра сооружений: жилых и общественных зданий, промышленных сооружений, складских комплексов и т.д.
Строительная система безригельного каркаса «КУБ-2,5» в сравнении с традиционными схемами строительства сборно-каркасных зданий и сооружений обладает следующими основными преимуществами:
Высокий уровень индустриализации - технология изготовления элементов зданий максимально переносит затраты труда строителей в цеховые условия, тем самым значительно уменьшая на строительной площадке риски как природных, так и человеческих факторов:
Высокая производительность монтажа - используются всего два типа простых и нетрудоемких соединений: «колонна-плита» и «плита-плита», то есть минимально физически возможное количество, что способствует ускорению монтажа: не требуется особенной подготовки монтажников, все процедуры по монтажу носят стандартный характер; бригада из 5 человек монтирует в смену до 300 м2 перекрытий:
Сокращение количества сварочных работ - сварочные работы выполняют только для приварки четырех соединительных деталей в узле «колонна-плита»:
Сокращение количества бетона в процессе монтажа - количество бетона минимально, так как бетон требуется только для заделки швов между плитами и замоноличивания узла «колонна-плита»;
Разнообразие и свобода архитектурных решений - межэтажные перекрытия могут принимать разнообразнейшие формы, позволяя тем самым решать любые архитектурные задачи по проектированию жилых, общественных или промышленных зданий.
Конструкции безригельных каркасов зданий и сооружений широко описаны в патентной информации.
Так, по авторскому свидетельству СССР №1606629, МПК5 E04B 5/43, дата подачи заявки 1988.06.27, известно безбалочное перекрытие, включающее надколонные плиты с центральным отверстием для размещения на колоннах, межколонные и средние плиты, имеющие на стыкуемых боковых гранях каждой плиты перекрытия площадки для последовательного опирания плит одна на другую. С целью снижения материалоемкости за счет уменьшения усилий на надколонную плиту, площадки опирания надколонных плит выполнены в виде размещенных в середине боковых граней столиков, длина которых определена из условия l<2b+a, где b - толщина надколонной плиты, a - размер отверстия в надколонной плите по нижней грани.
На колоннах, установленных на расстоянии 2l друг от друга, где l - длина плиты перекрытия, смонтированы надколонные плиты перекрытия, имеющие в центральной части отверстие. Боковые грани надколонных плит выполнены в виде ступеньки, средняя часть которой имеет большую высоту, чем крайние части, и образует опорный столик. На надколонные плиты опираются двумя своими противоположными краями межколонные плиты. На боковых гранях этих плит на всей их длине образованы «четверти», причем на гранях, которыми эти плиты опираются на надколонные плиты, «четверти» выбраны снизу, а на двух других гранях - сверху, образуя тем самым опорные поверхности, на которые установлены средние плиты. У этих плит на боковых гранях также по всей длине выбраны четверти, но эти четверти выбраны только с нижней стороны. Узел соединения колонн с надколонными плитами перекрытий включает отверстие в надколонной плите, в котором размещается колонна. Указанное отверстие имеет обрамление в виде стальной обечайки. После установки колонны в отверстие узел соединения замоноличивается.
Монтаж перекрытия производится в следующем порядке.
На колонны сверху устанавливаются надколонные плиты.
Затем на надколонные плиты укладываются межколонные плиты таким образом, что «четверти» этих плит, образованные на противоположных гранях, опираются только на столики, расположенные в средней части боковых граней надколонных плит. Средние плиты в свою очередь устанавливаются на опорные поверхности межколонных плит. Таким образом, все пространство оказывается перекрытым.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: безригельный каркас здания, сооружения, содержащий колонны, надколонные плиты перекрытия, опирающиеся на колонны, межколонные плиты перекрытия, расположенные между надколонными плитами перекрытия, узлы соединения колонн с надколенными плитами перекрытий и узлы соединения плит перекрытий между собой.
При указанной конструкции узла соединения колонн с надколонными плитами перекрытий жесткость каркаса и сопротивляемость продавливающим нагрузкам ограничены, так как опирание надколонной плиты перекрытия на колонну осуществляется только через искусственно созданный в условиях строительной площадки соединительный узел, локализованный в пределах поперечного сечения колонны, геометрия и конструктивные особенности которого не позволяют воспринимать значительные изгибающие моменты и осевые нагрузки. Необходимость замоноличивания узла соединения колонн с надколонными плитами перекрытий увеличивает трудоемкость монтажа и расход бетона на строительной площадке.
По авторскому свидетельству СССР №1114749, МПК5 E04B 1/18, E04B 1/38, дата подачи заявки 1982.05.04, известен безригельный каркас, содержащий колонны, плиты перекрытия и узлы соединения колонн с плитами перекрытий.
Узел соединения колонны и плиты перекрытия содержит сборную колонну, выполненную по высоте с разрывом бетона в уровне перекрытия, и сборную плиту перекрытия, выполненную с отверстием со скошенными торцами в нижней ее части (для пропуска колонны) и обечайкой, жестко прикрепленной по периметру отверстия к рабочей арматуре плиты перекрытия и снабженной дополнительными стержнями (а), расположенными в нижней зоне плиты.
Кроме того, плита перекрытия снабжена стержнями (б), соединяющими рабочую арматуру плиты с дополнительными стержнями (а) обечайки. Торцы отверстия плиты перекрытия выполнены со скосом в верхней ее части с образованием треугольной призмы. Узел снабжен плоскими трапециевидными элементами, соединяющими рабочую арматуру колонны с верхней частью обечайки двух смежных торцов отверстия плиты перекрытия.
Полость узла омоноличена бетоном.
Стержни (б) обеспечивают увеличение несущей способности плиты перекрытия в опорной зоне на продавливание, а также воспринимают изгибающий момент в нижней зоне плиты перекрытия при сейсмических нагрузках. Подсоединение дополнительных стержней (а) обечайки к арматуре плиты создает комбинированное армирование опорной зоны на скалывание при минимальном количестве металла.
Монтаж узла на строительной площадке производят следующим образом.
После установки колонны в монтажное отверстие колонны устанавливают Т-образное приспособление, выполненное в виде трубы с балкой, на концах которой имеются резьбовые втулки под винты. После этого плиту поднимают краном, одевают на колонну и устанавливают на винты монтажных приспособлений. Перемещая винты, устанавливают плиту перекрытия в проектное положение. Далее приваривают трапециевидные элементы к двум смежным сторонам обечайки в верхней ее части и к рабочей арматуре колонны в месте разрыва бетона.
Бетонирование полости узла производят, например, бетононасосом. После замоноличивания стыка и достижения необходимой прочности монтажное приспособление снимается.
Обечайка, примыкающая к колонне, выполнена в виде треугольной призмы, что создает шпоночный эффект, увеличивая жесткость узла и его прочность на продавливание. Прикрепление обечайки к арматуре колонны с помощью трапециевидных элементов позволит передавать изгибающий момент с перекрытия на колонну, что также повышает жесткость и надежность узла.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: безригельный каркас здания, сооружения, содержащий колонны, надколонные плиты перекрытия, опирающиеся на колонны, узлы соединения колонн с надколенными плитами перекрытий.
Как и в предыдущем аналоге, конструкция узла соединения колонн с надколонными плитами перекрытий ограничивает жесткость каркаса и сопротивляемость продавливающим нагрузкам по указанным выше причинам, а необходимость замоноличивания узла увеличивает трудоемкость монтажа и расход бетона на строительной площадке.
В качестве прототипа выбран безригельный бескапительный железобетонный каркас здания по патенту Российской Федерации №2247812, МПК7 E04B 1/18, E04B 5/43, дата подачи заявки 2001.04.03. патентовладелец ООО «Научно-проектное общество «КУБ», г.Москва.
Безригельный бескапительный железобетонный каркас здания содержит надколонные и межколонные плиты, имеющие на ребрах петлевых выпуски и симметрично расположенные относительно друг друга пазы, вдоль которых сквозь перехлесты петлевых выпусков смежных плит установлена арматура, и проходящие сквозь отверстия в надколонных плитах сборные по высоте колонны, в которых в местах монтажа надколонных плит обнажена продольная арматура. Каркас имеет следующие особенности, определяющие его новизну на дату приоритета:
На ребрах надколонных плит в нижней их части образованы полочки и дискретно расположенные опорные столики, а в верхней части продольных ребер смежных межколонных плит выполнены ответные консоли, при этом длина опорных столиков и консолей равна ширине полочки, а петлевые выпуски имеют длину, не превышающую ширину полочки:
Надколонная плита снабжена вмонтированной в ее отверстие обечайкой, прикрепленной к рабочей арматуре колонны;
В местах пересечения надколонных плит перекрытия и колонн и в местах стыка двух раздельных участков колонн с надколонными плитами обнаженная арматура замоноличена с обнаженной арматурой надколонной плиты перекрытия;
В местах стыка двух раздельных участков колонн с надколонными плитами обнаженная арматура верхней колонны выполнена в виде петлевого выпуска, а нижней - в виде арматурных стержней.
Безригельный бескапительный железобетонный каркас здания состоит из колонн, непосредственно на которые "надеты" и опираются надколонные плиты. На эти надколонные плиты в процессе монтажа перекрытия опирают межколонные плиты. Оба типа плит выполнены плоскими, лишенными ребер, капителей и каких-либо иных утолщений в зоне опирания на колонны либо друг на друга. Колонны выполнены постоянного сечения по высоте, лишенные каких-либо капителей или выступающих за их габариты хомутов в зоне опирания плит перекрытия.
В местах монтажа надколенных плит в колонне обнажена продольная арматура, а отверстие в надколонной плите снабжено вмонтированной в нее при изготовлении обечайкой, выполненной из стали. В том случае, когда в уровне надколонной плиты организуется стык колонны по высоте, из верхней части колонны делается петлевой выпуск арматуры, а из нижней части колонны - арматурных стержней. При объединении надколонной плиты с колонной и частей колонны друг с другом их стык замоноличен бетоном.
Плиты перекрытий по периферии в нижней части имеют полочки. Эти полочки размещены таким образом, что при стыковке со смежной плитой перекрытия полочка оказывается только у одной из смежных плит. В ребрах плит перекрытия сделаны арматурные петлевые выпуски, длина которых не превышает ширину полочки. При монтаже плит между петлевыми выпусками, располагаемыми внахлест друг с другом, пропущены горизонтальные стержни, располагаемые по вертикали в одной плоскости и замоноличенные бетоном. Кроме того, на ребрах надколонных плит в нижней их части образованы дискретно расположенные по длине ребра опорные столики, а в верхней части продольных ребер смежных межколонных плит выполнены ответные консоли, причем опорные столики и консоли расположены в плоскости плит и длина опорных столиков и консолей равна ширине полочки. При монтаже плит столики и консоли замоноличиваются бетоном.
При монтаже плит перекрытия используются монтажные стойки. Плиты выполнены в варианте одномодульных и двухмодульных панелей. В двухмодульных плитах длина большей стороны равна расстоянию "по осям" между соседними колоннами, а в одномодульных плитах длина большей стороны равна половине расстояния "по осям" между соседними колоннами.
Монтаж каркаса осуществляется в следующем порядке: сначала выставляются в проектное положение колонны. Затем на них монтируют надколенные плиты, после чего устанавливают двухмодульные межколонные плиты. Двухмодульные плиты могут иметь комбинированное исполнение, когда одна часть плиты снабжена отверстием для пропуска колонны и выполнять роль надколонной плиты, а другая часть этой плиты такого отверстия лишена. При рядовом исполнении двухмодульной плиты отверстие для пропуска колонны вообще отсутствует. Для лучшего восприятия колоннами монтажных нагрузок первой устанавливают одномодульную надколенную плиту, а уже на нее опирают двухмодульные плиты, будь то комбинированного или рядового исполнения. При несимметричном опирании плит или при одностороннем приложении к ним нагрузки, что бывает, как правило, на крайних осях здания, применяют монтажные стойки. Стойки снимают только после того, как перекрытие следующего этажа смонтировано, замоноличено бетоном и бетон набрал не менее 70% проектной прочности.
Установку надколонной плиты на колонну производят с помощью монтажного кондуктора, предварительно устанавливаемого в отверстии, выполненном в колонне на уровне отметки низа плиты перекрытия. Установленная на проектную отметку надколонная плита прикрепляется к колонне с помощью сварки обечайки с рабочей арматурой колонны, используя стальные посредники. Если в уровне установки надколонной плиты производится стыковка верхней и нижней частей колонны, то петлевая арматура верхней колонны сваривается со стержнями нижней колонны. Затем узел стыка замоноличивается бетоном с тщательным уплотнением.
Установка межколонных плит в проектное положение производится на опорные столики. При монтаже межколонных плит выступающие из их ребер арматурные петлевые выпуски перехлестывают друг друга, образуя на просвет замкнутое овальное кольцо, сквозь которое пропускают горизонтальные стержни, располагаемые один над другим в вертикальной плоскости. Затем стык замоноличивается бетоном. При монтаже плит выступающая в нижней части ребер полочка перекрывает зазор между плитами, образуя канал, заполняемый бетоном.
В малоэтажных зданиях высотой до 4-х этажей поперечное сечение железобетонной колонны может соотноситься как 1:2 и таким образом колонна может быть "спрятана" в толщину стены, не выступая из ее плоскости.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: безригельный каркас здания, сооружения, содержащий колонны, надколенные плиты перекрытия, опирающиеся на колонны, межколонные плиты перекрытия, расположенные между надколонными плитами перекрытия, узлы соединения колонн с надколенными плитами перекрытий и узлы соединения плит перекрытий между собой.
Конструкция безригельного каркаса по прототипу не позволяет в полной мере реализовать отмеченные выше потенциальные преимущества строительных систем безригельных каркасов по следующим причинам:
При указанной конструкции узла соединения колонн с надколенными плитами перекрытий жесткость каркаса и сопротивляемость продавливающим нагрузкам ограничены, так как опирание надколонной плиты перекрытия на колонну осуществляется только через искусственно созданный в условиях строительной площадки соединительный узел, локализованный в пределах поперечного сечения колонны, геометрия и конструктивные особенности которого не позволяют воспринимать значительные изгибающие моменты и осевые нагрузки; отмечается, что этажность по рамной схеме ограничена 5 этажами, при высотности здания более 5 этажей необходимы связевые и диафрагменные схемы;
Необходимость замоноличивания узла соединения колонн с надколенными плитами перекрытий увеличивает трудоемкость монтажа и расход бетона на строительной площадке; кроме того, замоноличивание указанного узла, как наиболее ответственного узла каркаса, требует высокой культуры производства и строгого контроля, что ограничено в условиях строительной площадки;
Возможность выполнения монтажных работ при минусовых температурах является проблематичной, так как необходимый прогрев бетона в процессе замоноличивания узлов соединения колонн с надколонными плитами является проблемой.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования безригельного каркаса здания, сооружения, в котором за счет конструктивных особенностей выполнения обеспечивается повышение жесткости и прочностных характеристик каркаса, а также снижение трудоемкости монтажных работ при сохранении всех преимуществ строительных систем безригельных каркасов.
Поставленная задача решается тем, что в безригельном каркасе здания, сооружения, содержащем колонны, надколонные плиты перекрытия, опирающиеся на колонны, межколонные плиты перекрытия, расположенные между надколонными плитами перекрытия, узлы соединения колонн с надколонными плитами перекрытий и узлы соединения плит перекрытий между собой, согласно изобретению колонны, расположенные в углах зданий и в местах пересечения продольных и поперечных стен выполнены фигурными с уголковым, тавровым или крестообразным поперечным сечением, соответственно их расположению, а каждый узел соединения колонн с надколонными плитами перекрытий выполнен в виде закладных деталей, соединенных с арматурой колонны и установленных на периферийных участках поперечного сечения фигурной колонны, а также вертикальных стержней, пропущенных через отверстиях в надколонной плите перекрытия и соединенных с закладными деталями колонн.
Указанные признаки являются существенными признаками изобретения.
Технологично закладные детали выполнять в виде равнобоких уголков, установленных на концевых участках колонны и утопленных своей вершиной в тело колонны, а между надколонной плитой перекрытия и торцами колонн нанести слой строительного раствора для устранения монтажных зазоров.
Существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Так, отличительные признаки изобретения (колонны, расположенные в углах зданий и в местах пересечения продольных и поперечных стен, выполнены фигурными с уголковым, тавровым или крестообразным поперечным сечением, соответственно их расположению, а каждый узел соединения колонн с надколонными плитами перекрытий выполнен в виде закладных, деталей, соединенных с арматурой колонны и установленных на периферийных участках поперечного сечения фигурной колонны, а также вертикальных стержней, пропущенных через отверстиях в надколонной плите перекрытия и соединенных с закладными деталями колонн) совместно с существенными признаками, общими с прототипом обеспечивают повышение жесткости и прочностных характеристик каркаса, а также снижение трудоемкости монтажных работ при сохранении всех преимуществ строительных систем безригельных каркасов.
Объясняется это следующим.
Применение в каркасе в углах зданий и в местах пересечения продольных и поперечных стен фигурных в поперечном сечении колонн реализует возможность опирания плит перекрытия на торцы колонн с увеличенной площадью опирания без применения выступающих консольных элементов, как на колоннах, так и на плитах перекрытия.
Выполнение узла соединения колонны с надколонной плитой перекрытия в виде закладных деталей, соединенных с арматурой колонны и установленных на периферийных участках поперечного сечения фигурной колонны, а также вертикальных стержней, пропущенных через отверстия в надколонной плите перекрытия и соединенных с закладными деталями колонны, обеспечивает надежное соединение колонн и надколонной плиты без замоноличивания узла соединения, что повышает производительность монтажа и снижает расход бетона в процессе монтажа.
Опирание надколонной плитой перекрытия на фигурное поперечное сечение колонны, характеризующееся значительным моментом инерции сечения, а также соединение колонн с помощью указанных закладных элементов и стержней, пропущенных через отверстия в надколонной плите, значительно повышает сопротивляемость узла соединения колонны с надколонной плитой перекрытия изгибающим моментам и продавливающим усилиям, что повышает прочностные характеристики и жесткость каркаса.
Изготовления элементов каркаса максимально переносится в цеховые условия, тем самым значительно уменьшаются риски как природных, так и человеческих факторов на строительной площадке.
Все, что отмечено выше, обеспечивает возможности повышения прочностных характеристик и жесткости каркасе, повышения производительности монтажных работ и снижения расхода материалов на строительной площадке.
Ниже приводится подробное описание заявляемого безригельного каркаса здания, сооружения со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Безригельный каркас здания, сооружения, фигурная колонна с крестообразным поперечным сечением.
Фиг.2 - Безригельный каркас здания, сооружения, фигурная колонна с тавровым поперечным сечением.
Фиг.3 - Безригельный каркас здания, сооружения, фигурная колонна с уголковым поперечным сечением.
Фиг.4 - Безригельный каркас здания, сооружения, принципиальная схема.
Фиг.5-7 - Безригельный каркас здания, сооружения, примеры монтажных схем с различным сочетанием фигурных колонн.
Фиг.8 - Безригельный каркас здания, сооружения, продольный разрез узла соединения надколонной плиты с фигурной колонной с крестообразным поперечным сечением.
Фиг.9 - Безригельный каркас здания, сооружения, сечение А-А на фиг.8.
Фиг.10 - Безригельный каркас здания, сооружения, продольный разрез узла соединения надколонной плиты с фигурной колонной с тавровым поперечным сечением.
Фиг.11 - Безригельный каркас здания, сооружения, сечение Б-Б на фиг.10.
Фиг.12 - Безригельный каркас здания, сооружения, продольный разрез узла соединения надколонной плиты с фигурной колонной с уголковым поперечным сечением.
Фиг.13 - Безригельный каркас здания, сооружения, сечение В-В на фиг.12.
Фиг.14 - Безригельный каркас здания, сооружения, вид Г на фиг.8, 10, 12.
Фиг.15 - Безригельный каркас здания, сооружения, сечение Д-Д на фиг.8, 10, 12.
Фиг.16 - Безригельный каркас здания, сооружения, пример соединения плит перекрытия между собой.
Безригельный каркас здания, сооружения, содержащий фигурные колонны, выполненные с крестообразным 1, тавровым 2, уголковым 3 поперечным сечением (фиг.1, 2, 3), надколонные плиты перекрытия 4, опирающиеся на колонны 1, 2, 3, межколонные плиты перекрытия 5, расположенные между надколонными плитами перекрытия 4, узлы 6 соединения колонн 1, 2, 3 с надколонными плитами перекрытий 4 и узлы 7 соединения плит перекрытий 4, 5 между собой. Фигурные колонны 1, 2, 3 расположены в углах зданий и в местах пересечения продольных и поперечных стен, как показано на принципиальной схеме на фиг.4. На фиг.5, 6, 7 показаны примеры монтажных схем каркасов с различным сочетанием фигурных колонн 1, 2, 3. Так, на фиг.5 показана монтажная схема с применением фигурных колонн 3 с уголковым сечением, на фиг.5 - фигурных колонн 3 с уголковым сечением и фигурных колонн 2 с тавровым сечением, на фиг.5 - фигурных колонн 3 с уголковым сечением, фигурных колонн 2 с тавровым сечением и фигурных колон 1 с крестообразным сечением.
Плиты перекрытия 4, 5 выполнены плоскими, без ребер, капителей и каких-либо иных утолщений в зоне опирания на колонны 1, 2, 3 либо друг на друга. Колонны 1, 2, 3 выполнены также постоянного сечения по высоте, лишенные каких-либо капителей или выступающих за их габариты хомутов в зоне опирания надколонных плит перекрытия 4.
Каждый узел 6 соединения колонн 1, 2, 3 с надколонными плитами перекрытий 4 выполнен в виде закладных деталей 8, соединенных с арматурой 9 колонны 1, 2, 3 и установленных на периферийных участках 10 поперечного сечения фигурной колонны 1, 2, 3, а также вертикальных стержней 11, расположенных в отверстиях 12 надколонной плиты перекрытия 4 и соединенных с закладными деталями 8 колонн 1. 2, 3. Все указанные соединения выполнены в виде сварки 13. Закладные детали 8 выполнены в виде равнобоких уголков 14, установленных на концевых участках колонны 1, 2, 3 и утопленных своей вершиной в тело колонны 1, 2, 3 и соединенных сваркой 13 с арматурой 9 колонны 1, 2, 3. В узле 6 соединения колонн 1, 2, 3 с надколонными плитами перекрытий 4 между надколонной плитой перекрытия 4 и торцами колонн 1, 2, 3 нанесен слой 15 строительного раствора. Конструктивные особенности соединительного узла 6 показаны на фиг.8-13, в том числе на фиг.8-9 - для колонны 1. на фиг.10-11 - для колонны 2, на фиг.12-13 - для колонны 3. На фиг.14-15 показаны сечения и виды соединительного узла 6.
Узлы 7 соединения плит перекрытий 4, 5 между собой выполнены с использованием известных конструкторских и технологических решений. Так, на фиг.16 показан пример выполнения узла 7 соединения плит перекрытий 4, 5. Плиты перекрытий 4, 5 имеют в нижней части своих ребер полочки 16, расположенные на всю длину ребра. В ребрах плит перекрытия 4, 5 выполнены арматурные петлевые выпуски 17, длина которых не превышает ширину полочки 16. При монтаже плит между петлевыми выпусками 17, располагаемыми внахлест друг с другом, пропущены горизонтальные стержни 18, замоноличенные бетоном 19. Возможны и другие решения соединительного узла 7.
Монтаж каркаса выполняют следующим образом.
Выставляются в проектное положение колонны 1, 2, 3. Затем на них монтируют надколонные плиты 4. При этом в узле 6 соединения колонн 1, 2, 3 с надколонными плитами перекрытий 4 между надколонной плитой перекрытия 4 и торцами колонн 1, 2, 3 наносят слои 15 строительного раствора для исключения монтажных зазоров. Через отверстия 12 в надколонной плите 4 пропускают вертикальные стержни 11, которые приваривают сваркой 13 к закладным деталям 8, установленным на периферийных участках 10 поперечного сечения фигурных колонн 1, 2, 3. Количества сварочных работ минимальное - сварочные работы выполняют только для приварки вертикальных стержней 11 к закладным деталям 8 (четыре, шесть, восемь сварок 13 для уголковых 3, тавровых 2. крестообразных 1 колонн соответственно). Замоноличивание соединительного узла 6 не требуется, чем сокращается расход бетона в процессе монтажа.
После монтажа надколонных плит 4 монтируют межколонные плиты перекрытия 5. Плиты перекрытия 4, 5 стыкуют между собой, как показано на фиг.16. При этом петлевые выпуски 17 располагаются внахлест друг с другом. Между петлевыми выпусками 17 пропускают горизонтальные стержни 18. Шов замоноличивают бетоном 19.
При монтаже плит перекрытия используют любые временные монтажные стойки (для упрощения рисунков не показаны).
Все процедуры по монтажу носят стандартный характер, специальной подготовки монтажников не требуется.
1. Безригельный каркас здания, сооружения, содержащий колонны, надколонные плиты перекрытия, опирающиеся на колонны, межколонные плиты перекрытия, расположенные между надколонными плитами перекрытия, узлы соединения колонн с надколонными плитами перекрытия и узлы соединения плит перекрытий между собой, отличающийся тем, что колонны, расположенные в углах зданий и в местах пересечения продольных и поперечных стен, выполнены фигурными с уголковым, тавровым или крестообразным поперечным сечением соответственно их расположению, а каждый узел соединения колонн с надколонными плитами перекрытия выполнен в виде закладных деталей, соединенных с арматурой колонны и установленных на периферийных участках поперечного сечения фигурной колонны, а также вертикальных стержней, пропущенных через отверстия в надколонной плите перекрытия и соединенных с закладными деталями колонн.
2. Безригельный каркас по п.1, отличающийся тем, что закладные детали выполнены в виде равнобоких уголков, установленных на концевых участках колонны и утопленных своей вершиной в тело колонны.
3. Безригельный каркас по п.1, отличающийся тем, что в узле соединения колонн с надколонными плитами перекрытий между надколонной плитой перекрытия и торцами колонн нанесен слой строительного раствора.
www.findpatent.ru
Способ возведения безригельного каркаса
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу возведения безригельного каркаса здания. Технический результат изобретения заключается в сокращении сроков возведения здания. В способе возведения каркаса здания соединение смежных колонн с плитами перекрытий производят посредством напрягаемой в процессе монтажа арматуры. Перед натяжением каждого нижнего диска плит перекрытий устанавливают колонны совместно с технологической оснасткой. Затем под плиты перекрытия монтируют стойки, производят их нивелирование совместно с монтажными столиками на колоннах, укладывают на эти столики и стойки полосы фанеры и монтируют плиты перекрытия, бортовые балки, балконные плиты. Далее производят укладку цементно-песчаного раствора в швы между пазами плит перекрытий и гранями колонн. После набора раствором 75% проектной прочности производят предварительное натяжение нижнего диска плит перекрытий, исключая смещение колонн от проектного положения. 4 ил.
Изобретение относится к области строительства и предназначено для возведения зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.
Известен способ возведения каркаса здания [АС № 1386716, заявл. 17.01.1986], включающий установку колонн, укладку плит перекрытия и ригелей, объединение элементов каркаса предварительно напряженной арматурой и последующее замоноличивание стыков между элементами каркаса, причем после укладки плит перекрытия в створе между колоннами с наружной стороны каркаса устанавливают враспор металлические щиты, а после натяжения арматуры пространство между плитами перекрытия и щитами бетонируют с одновременным образованием монолитных ригелей и заделкой стыков с плитами перекрытия.
Недостатком известного способа является большая материалоемкость и трудоемкость, связанная с установкой металлических щитов, а также наличие специального оборудования и приспособлений, при этом такой способ требует технологических перерывов, необходимых для набора прочности бетонной смеси при монтаже следующего этажа здания.
Известным изобретением является способ, реализуемый сборной каркасной конструкцией из предварительно напряженного бетона [Патент СФРЮ №25452, издан 31.03.1996], в котором передача усилий предварительного напряжения производится на бетон, где до натяжения арматуры необходимо обеспечить монолитность диска перекрытия путем заполнения (зачеканки) цементным раствором швов между колоннами и сборными плитами перекрытия до достижения необходимой не менее 70% проектной прочности раствора в швах.
Недостатком известного способа является наличие технологического перерыва, непосредственно перед натяжением арматуры необходимого для твердения раствора в контактных швах при монтаже следующего диска плит перекрытий.
Наиболее близким к заявленному способу относится способ возведения безригельного каркаса с предварительным напряжением перекрытий [Патент RU №2147328, заявл. 09.04.1998], включающий колонны и опирающиеся на них плиты перекрытия, объединение которых производят напрягаемой в процессе монтажа арматурой, при этом между смежными колоннами выше, либо ниже уровня перекрытия устанавливают монтажные распорки регулируемой длины, на которые передают усилия напрягаемой арматуры. Эти монтажные (инвентарные) распорки располагают вдоль осей здания, опирая на них опалубку монолитного перекрытия. Это позволяет исключить технологические перерывы, необходимые для заполнения раствором швов между сборными плитами и колоннами и времени для твердения этого раствора. Передача усилия натяжения с распорок на перекрытие может производиться с отставанием на 1-2 этажа от монтажных работ по возведению каркаса.
Недостаток известного способа напряжения перекрытий каркаса заключается в последовательном поэтажном использовании специальных монтажных распорок, что делает строительство материалоемким, а также весьма трудоемким, поскольку он требует как монтажа, так и демонтажа указанных распорок по этажам возводимого здания.
Задачей разрабатываемого способа возведения безригельного каркаса с предварительным напряжением перекрытия является совершенствование технологии строительства путем монтажа верхних дисков плит перекрытий совместно с укладкой цементно-песчаного раствора в швы между пазами плит перекрытий и гранями колонн и швы между плитами перекрытий до предварительного натяжения каждого нижнего диска плит перекрытий.
Технические результаты, которые могут быть получены при использовании заявляемого способа:
Возведение зданий с опережением на 3 этажа по сравнению с кладкой стен и внутренних перегородок;
Сокращение сроков возведения зданий;
Исключение технологических перерывов в строительстве;
Одновременное выполнение нескольких монтажных работ;
Фиксация колонн в проектном положении без использования дополнительных приспособлений;
Исключение смещения колонн от проектного положения при натяжении нижнего диска плит перекрытий;
Исключение эффекта «обратного клина» между пазами плит перекрытий и гранями колонн;
Повышение прочности конструкции здания и соответственно безопасности его эксплуатации.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным для способа возведения безригельного каркаса, включающего последовательное предварительное напряжение перекрытия каждого этажа путем соединения смежных колонн с плитами перекрытий посредством напрягаемой в процессе монтажа арматуры, которое осуществляют за счет того, что перед натяжением каждого нижнего диска плит перекрытий устанавливают колонны совместно с технологической оснасткой для монтажа на этих колоннах верхнего диска плит перекрытий, при этом под плиты перекрытия монтируют стойки, производят их нивелирование совместно с монтажными столиками на колоннах, затем укладывают на эти столики и стойки полосы фанеры и монтируют плиты перекрытия, бортовые балки, балконные плиты, далее производят укладку цементно-песчаного раствора в швы между пазами плит перекрытий и гранями колонн и швы между плитами перекрытий, после набора раствором 75% проектной прочности производят предварительное натяжение нижнего диска плит перекрытий, исключая смещение колонн от проектного положения. При этом монтаж плит перекрытий, бортовых балок, балконных плит производят так, чтобы зазор между пазами плит перекрытий, балконных плит, бортовых балок и гранями колонн составлял 2÷3 см, и одновременно с этим проводят заготовку арматуры по длине для натяжения нижнего диска плит перекрытий путем измерения расстояния по осям колонн после монтажа верхнего диска плит перекрытий.
Изобретательским шагом является создание высокотехнологичного способа возведения зданий и сооружений с безригельным каркасом, обеспечивающего исключение технологических перерывов и позволяющего последовательно возводить диски плит перекрытий с опережением их на 3 этажа по сравнению с возведением стен и перегородок здания за счет фиксации колонн с пазами плит перекрытий, бортовых балок, балконных плит верхних дисков плит перекрытий цементно-песчаным раствором до натяжения каждого нижнего диска плит перекрытий. Это дает возможность предварительной доставки строительных материалов для возведения стен и перегородок на возведенный диск до монтажа последующего диска плит перекрытий.
Фиксация колонн в проектном положении с укладкой цементно-песчаного раствора в контактные швы между пазами плит перекрытий и гранями колонн и швы между плитами перекрытий с набором 75% проектной прочности путем последовательного возведения дисков плит перекрытий до натяжения предыдущего позволяет обеспечить четкое равенство зазоров между гранями колонн и пазами плит перекрытий, балконных плит, бортовых балок, причем для этого не требуется специальной оснастки и приспособлений.
Заявляемый способ возведения безригельного каркаса позволяет исключить появления остаточных деформаций вследствие микроперемещений при передаче напряжения арматуры на бетон в случае применения инвентарных (монтажных) распорок, что особенно важно в ответственной зоне стыка граней колонн с пазами плит перекрытий. Фиксация колонн заявляемым способом препятствует их смещению от проектного положения при натяжении нижнего диска плит перекрытий, что позволяет уйти от эффекта "обратного клина", поскольку на колонны действуют усилия извне, и они воспринимают еще вес плит перекрытий с учетом их проектного позиционирования.
Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие фигуры:
Фиг.1. Фасад здания, включающий колонны, зафиксированные с помощью монтажных стяжек, плиты перекрытия, балконные плиты, уложенные на монтажные столики, монтажные стойки и канатную арматуру (вид сбоку).
Фиг.2. Каркас здания, включающий колонны, плиты перекрытия, балконные плиты, бортовые балки (вид сверху).
Фиг.3. Фрагмент соединения плиты перекрытия и колонны с технологическим зазором между ними и канатной арматурой (разрез).
Фиг.4. Фрагмент соединения плит перекрытий и бортовых балок с колонной посредством канатной арматуры (вид сверху).
Каркас здания формируют соединением колонн 1 с плитами перекрытий 2 посредством напряжения канатной арматуры 3 (фиг.1), который монтируют с установки колонн 1 с предварительно закрепленными на них монтажными столиками 4 в фундаментные стаканы (не показаны) и позиционируют эти колонны в проектное положение посредством монтажных стяжек 5, затем осуществляют установку монтажных стоек 6 в проектное положение. Выполняют нивелирование монтажных стоек 6 и монтажных столиков 4 на проектную отметку, затем на указанные стойки 6 и столики 4 укладывают полосы фанеры (не показаны). После этого осуществляют раскладку плит перекрытия 2, балконных плит 7, бортовых балок 8 в проектное положение (фиг.1-2). Затем производят замоноличивание контактных швов 9 между пазами (не показаны) плит перекрытий 2, балконных плит 7, бортовых балок 8 и гранями (не показаны) колонн 1 и одновременно контактных швов 10 между плитами перекрытий 2. По достижении раствором 75% проектной прочности в замоноличенных контактных швах 9 и 10 (фиг.3) производят предварительное натяжение канатной арматуры 3 с последующей передачей усилия напряжения на бетон, формируя таким образом диск (не показан) плит перекрытий 2. Смонтировав несколько дисков плит перекрытий 2 на колоннах 1 в уровне пропуска сквозь них канатной арматуры 3 (фиг.1-4), приступают к монтажу следующих смежных колонн на установленные ранее, аналогично описанному способу, осуществляя возведение здания. Причем предварительное натяжение канатной арматуры 3 диска плит перекрытий 2 производят после установки следующего над ним диска плит перекрытий 2 на монтажные столики 4 и монтажные стойки 6 с замоноличенными и набравшими 75% проектной прочности контактными швами 9 и 10. При этом последовательно вслед за установленным диском плит перекрытий 2 производят монтаж следующего до натяжения двух предыдущих. Это позволяет зафиксировать колонны 1, набравшим проектную прочность, цементно-песчаным раствором и избежать их смещения от проектного положения при натяжении каждого нижнего диска плит перекрытий, осуществляя тем самым стабилизацию технологического зазора между пазами (не показаны) плит перекрытий 2, балконных плит 7, бортовых балок 8 и гранями (не показаны) колонн 1.
При таком способе монтажа строительные работы проводят с опережением на 3 этажа по сравнению с возведением стен и перегородок здания (не показаны), это дает возможность исключить технологические перерывы при возведении здания и обеспечить одновременное непрерывное выполнение нескольких строительно-монтажных работ. При этом до монтажа очередного диска плит перекрытий на предыдущий диск плит перекрытий осуществляют доставку строительных материалов для возведения стен и внутренних перегородок (не показаны).
Такой способ стабилизирует технологический зазор между гранями колонн 1 и пазами плит перекрытий 2, балконных плит 7, бортовых балок 8, который находится в пределах от 2 до 3 см, а фиксация колонн 1 при натяжении предыдущих дисков плит перекрытий 2 не требует специальных приспособлений и материалов, а также дополнительных операций для ее осуществления.
Практическая применимость изобретения показана на примере конкретного использования.
Возведение безригельного каркаса здания выполняют с установки колонн совместно с технологической оснасткой в виде монтажных столиков в фундаментные стаканы, затем выполняют расстановку монтажных стоек в проектное положение под плиты перекрытия. Непосредственно после этого проводят нивелирование монтажных стоек и столиков и последующую укладку фанерных полос, по завершении которых выполняют раскладку плит перекрытий, балконных плит и бортовых элементов на проектные отметки, при этом монтаж ведут так, чтобы зазор между пазами плит перекрытий и гранями колонн составлял 2-3 см. Затем производят замоноличивание контактных швов цементно-песчанным раствором между гранями колонн и пазами плит перекрытий, балконных плит, бортовых балок и между плитами перекрытий. Предварительно проводят заготовку арматуры по длине, измеряя расстояние по осям колонн. После набора раствором 75% проектной прочности производят предварительное натяжение канатной арматуры в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. После чего выполняют инъецирование каналов колонн цементно-песчаным раствором совместно с канатной арматурой, после набора 75% проектной прочности которого производят оттяжку этой арматуры вниз. Затем производят замоноличивание контактных швов с канатной арматурой. Таким образом производят монтаж одного диска плит перекрытий. Аналогичным образом последовательно монтируют следующие диски плит перекрытий один над другим, но перед натяжением каждого нижнего диска плит перекрытий, монтируют верхний диск и осуществляют замоноличивание в нем контактных швов между пазами плит перекрытий и гранями колонн и между плитами перекрытий, после набора 75% проектной прочности раствора в этих швах производят предварительное натяжение арматуры нижнего диска плит перекрытий с последующей оттяжкой арматуры вниз и дальнейшим замоноличиванием контактных швов. Одновременно с этим проводят подготовительные работы по монтажу следующего диска плит перекрытий, осуществляя раскладку еще одного комплекта монтажных приспособлений и осуществляя одновременную доставку строительных материалов для возведения стен и внутренних перегородок здания. Таким образом производят монтаж дисков плит перекрытий с опережением на 3 этажа по сравнению с кладкой стен.
Характеристики:
Смещение колонн от проектного положения при натяжении нижнего диска плит перекрытий не более ±5%;
Опережение возведения каркасной ячейки в сравнении с кладкой стен и внутренних перегородок, количеств этажей 3;
Наличие дополнительных приспособлений для фиксации колонн, предотвращающих их смещение от проектного положения, отсутствуют.
Заявляемый способ возведения зданий и сооружений с безригельным каркасом высокотехнологичен, сокращает сроки возведения зданий, обеспечивает исключение технологических перерывов и позволяет возводить диски плит перекрытий с опережением их на 3 этажа по сравнению с возведением стен и внутренних перегородок здания с возможностью предварительной доставки строительных материалов на возведенный диск плит перекрытий до монтажа последующего путем последовательного монтажа последующих верхних дисков плит перекрытий совместно с укладкой цементно-песчаного раствора в контактные швы между пазами плит перекрытий и гранями колонн и швы между плитами перекрытий до предварительного натяжения каждого нижнего диска плит перекрытий.
Фиксация колонн заявляемым способом позволяет обеспечить равенство зазоров между гранями колонн и пазами плит перекрытий, балконных плит, бортовых балок с отклонением не более ±5% без использования специальной оснастки и приспособлений, что повышает прочность конструкции здания и безопасность его эксплуатации, все это в конечном итоге в значительной степени снижает себестоимость строительства зданий.
Способ возведения безригельного каркаса, включающий последовательное предварительное напряжение перекрытия каждого этажа путем соединения смежных колонн с плитами перекрытий посредством напрягаемой в процессе монтажа арматуры, отличающийся тем, что перед натяжением каждого нижнего диска плит перекрытий устанавливают колонны совместно с технологической оснасткой для монтажа на этих колоннах верхнего диска плит перекрытий, при этом под плиты перекрытия монтируют стойки, производят их нивелирование совместно с монтажными столиками на колоннах, затем укладывают на эти столики и стойки полосы фанеры и монтируют плиты перекрытия, бортовые балки, балконные плиты, далее производят укладку цементно-песчаного раствора в швы между пазами плит перекрытий и гранями колонн и в швы между плитами перекрытий, после набора раствором 75% проектной прочности производят предварительное натяжение нижнего диска плит перекрытий, исключая смещение колонн от проектного положения, при этом монтаж плит перекрытий, бортовых балок, балконных плит производят так, чтобы зазор между пазами плит перекрытий, балконных плит, бортовых балок и гранями колонн составлял 2-3 см, и одновременно проводят заготовку арматуры по длине для натяжения нижнего диска плит перекрытий путем измерения расстояния по осям колонн после монтажа верхнего диска плит перекрытий.
Безригельный каркас - конструктивная система с плоскими перекрытиями, опирающимися непосредственно на колонны без вспомогательных балок-ригелей.
Безригельные каркасы в архитектурном отношении имеют значительные преимущества:
Плоские перекрытия имеют общую высоту в 2-3 раза меньшую, чем перекрытия в каркасно-ригельных системах;
Перекрытия с гладкими потолками способствуют применению свободной планировки и трансформации помещений путем устройства мобильных перегородок, не связанных жестко с перекрытиями;
Консольные участки перекрытий по периметру позволяют выполнять более сложные конфигурации фасадных плоскостей, устраивать лоджии, террасы, веранды без дополнительных конструктивных элементов;
Наличие гладкого потолка позволяет отказаться от дорогостоящих подвесных потолков.
Безригельные каркасы имеют и технико-экономические преимущества: упрощается монтаж опалубки благодаря отсутствию ригелей (при монолитном способе производства), уменьшается площадь последующей обработки потолка и упрощаются отделка, прокладка под потолком трубопроводов, устройство теплоизоляции и т.д.
Наряду с отмеченными преимуществами безригельные системы имеют недостатки, препятствующие массовому их распространению в практике строительства: величины пролетов безбалочных перекрытий более ограничены, чем в традиционных ригельных системах; не во всех случаях изготовление плоских перекрытий дешевле и проще ригельных; усложнены расчет и оценка действительной работы конструкций перекрытий.
Однако эти недостатки, в основном конструктивного характера, при дальнейшем совершенствовании систем могут быть устранены. Архитектурные качества безригельных систем все больше привлекают внимание архитекторов и конструкторов. Многочисленные поиски специалистов разных стран привели к различным конструктивным решениям. Многие варианты безригельного каркаса прошли экспериментальную проверку и вошли в строительную практику.
Интересная каркасная безригельная система разработана в бывшей Югославии - конструктивная система ИМС , нашедшая широкое применение и в других странах. Основная идея системы ИМС заключается в том, чтобы при минимальном количестве типоразмеров конструктивных элементов этой серии создавались разнообразные типы зданий. Действительно, на основе ИМС, помимо жилых зданий, можно проектировать общественные здания и промышленные объекты. ИМС можно рассматривать как открытую конструктивную систему, позволяющую строить разнообразные здания, применять различные ограждающие конструкции и в процессе эксплуатации переделывать объект в зависимости от функциональных потребностей.
Сборная система ИМС (рис. 12.77) основана на планировочной сетке колонн с квадратными или прямоугольными ячейками, имеющими параметры от 3х3 до 7,2х7,2 м. Каждая ячейка состоит из четырех колонн и расположенной между ними плиты перекрытия. В системе принят конструктивный принцип предварительного напряжения перекрытий, осуществляемого пучками струн арматуры, протянутых через отверстия в колоннах на уровне плит перекрытий и расположенных в свободном пространстве между боковыми бортами соседних плит. После обетонирования пучков струн сборные плиты превращаются в единый сборно-монолитный диск перекрытия.
Рис. 12.77. Безригельный каркас ИМС (бывш. Югославия): а - общий вид; б - вариант с ребристыми плитами; в - вариант с пустотно-замкнутыми плитами; 1 - колонна; 2 - рядовая плита; 3 - консольная плита; 4 - бортовой элемент; 5 - арматура натяжная
Колонны - основные несущие элементы каркаса - выполняются многоэтажными (до трех этажей). Сборные плиты перекрытий применяют рядовые (с опиранием на четыре колонны) и консольные, опирающиеся только на две колонны и служащие для увеличения площади помещений или устройства лоджий и балконов.
Болгарский каркас (рис. 12.78) - принципиально другая безригельная система, решенная на иной конструктивной основе. Эта система отличается разрезкой перекрытия на плиты, конструкцией и монтажом перекрытия.
Рис. 12.78. Болгарский безригельный каркас: а - компоновочная схема; б - фрагмент разреза; 1 - колонна; 2 - основная межколонная плита; 3 - промежуточная плита; 4 - пучковая арматура в специальных каналах
Главными элементами болгарского каркаса являются колонны и плиты перекрытий двух типов: основные и промежуточные (плиты-вкладыши). Основные плиты имеют на торцах, вдоль продольной оси, пазы для прохождения колонн. Каркас монтируют следующим образом: сначала выставляют колонны, затем на них устанавливают основные плиты, опирая на две точки, между ними вставляют промежуточные плиты. Монтаж осуществляется с помощью инвентарных металлических приспособлений, которые крепятся к колоннам и основным плитам. После монтажа колонн и плит перекрытий осуществляется их обжатие пучковой арматурой, размещаемой в специальных каналах плит и в швах между плитами. После напряжения арматуры в двух направлениях замоноличивают швы и инъецируют каналы цементным раствором.
В основу каркаса положена планировочная сетка с укрупненным модулем 600 мм; шаг колонн может изменяться от 2,4 до 7,2 м как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Несколько предложений по безригельным конструкциям разработаны в Украине. Среди них - грибовидный каркас , примененный в проектах различных типов общественных зданий (рис. 12.79).
Рис. 12.79. Безригельный грибовидный каркас с плоскими перекрытиями (Украина): а - на треугольной сетке колонн со стороной 3,2 м; б - на треугольной сетке со стороной 6,6 м; 1 - колонна; 2 - надколонная (капительная) плита; 3 - пролетная плита; 4 - доборная фасадная плита
Грибовидный каркас вписывается в структурную сетку на основе равностороннего треугольника со стороной 3,2 м и состоит из двух основных элементов: колонны и шестиугольной плиты перекрытия. Каждая плита опирается в центре на колонну, образуя своеобразный грибок. Примыкая друг к другу боковыми гранями, грибки объединяются в сотовую структуру и после сварки и замоноличивания превращаются в единую пространственную систему. Благодаря частому шагу колонн и пространственной работе каркаса высота ребер плит доведена до 15 см, а вся толщина перекрытия с конструкцией пола составляет 20 см.
Из шестигранных элементов грибовидного каркаса можно создавать самые разнообразные архитектурно-конструктивные композиции. Несмотря на художественные достоинства, эта разновидность каркаса имеет серьезный планировочный недостаток, ограничивающий его применение. Частый шаг колонн, расположенных в шахматном порядке, затрудняет функциональное решение большинства типов зданий, особенно при широком корпусе.
Модификация этой системы привела к варианту каркаса, в котором, наряду с основными плитами перекрытий, опирающимися центрично на колонны, имеются пролетные плиты, опертые на основные (рис. 12.79 б). Введение пролетных плит перекрытий позволило резко увеличить размер треугольной планировочной сетки (с 3,2 до 6,6 м), что значительно улучшило архитектурные качества каркаса.
Каркас с консольно-ригельными плитами (рис. 12.80) запроектирован для планировочной сетки 6х6 м и включает три основные сборные железобетонные элемента - колонну на этаж, надколонную ребристую плиту, асимметрично опирающуюся на колонну и торец соседней плиты, а также плиту-вкладыш.
Рис. 12.80. Каркас с консольно-ригельными асимметрично опертыми надколонными плитами (Украина): а - общая схема; б - схема раскладки плит перекрытий; 1 - надколонная плита; 2 - плита-вкладыш; 3 - разрезка в местах, близких к линиям нулевых моментов
Преимущества каркаса: простота узлов соединений и монтажа элементов, возможность взаимного смещения рядов колонн, т.е. трансформации планировочной сетки, и возведения зданий сложной конфигурации.
Пространственная жесткость здания обеспечивается сборно-монолитным соединением плит и колонн, работающих в двух направлениях. Для восприятия горизонтальных нагрузок в каркасах выше двух этажей необходима установка диафрагм жесткости.
Конструкции безригельного каркаса серии 1.420.1-14 (рис. 12.81) разработаны для применения при проектировании и строительстве зданий холодильников, мясокомбинатов, молокозаводов, рыбоперерабатывающих предприятий и других объектов, для которых по условиям технологии производства необходимы или предпочтительны беспустотные перекрытия, образующие в помещениях гладкие потолки.
Рис. 12.81. Безригельный каркас серии 1.420.1-14: а - схема формирования каркаса; б - двухэтажная колонна с высотой этажа 4,8 м; в - капитель; г - армирование капители; д - межколонная плита; е - армирование межколонной плиты; ж - пролетная плита; з - сопряжение капители с колонной; и - сопряжение межколонной плиты с капителью; 1 - колонна; 2 - капитель; 3 - межколонная плита; 4 - пролетная плита; 5 - выпуски арматуры; 6 - пазы; 7 - строповочное отверстие; 8 - закладные детали; 9 - подъемная петля; 10 - арматурный каркас; 11 - арматурные сетки; 12 - стальные монтажные столики; 13 - бетон замоноличивания; 14 - арматурные вставки; 15 - обетонировка монтажных столиков
Типовые конструкции многоэтажных производственных зданий разработаны для схем со следующими параметрами: сетка колонн 6x6м; этажность - 3-5; высота этажа - 4,8 и 6 м; высота подвала - 3,6 м.
Несущие конструкции здания представляют собой сборный железобетонный каркас, решенный по рамной схеме с жесткими узлами (рис. 12.81 а). Каркас состоит из четырех элементов: колонн, капителей, плоских межколонных и пролетных плит сплошного сечения. Размеры элементов перекрытий (в плане) 3х3 м; колонны квадратного сечения размером 450х450 мм без консолей, разрезка многоэтажная.
По периметру всех сборных элементов перекрытия предусмотрены пазы для образования бетонных шпонок. Жесткие соединения сборных элементов каркаса выполняются с помощью сварных соединений с последующим тщательным заполнением пазов бетоном. Шпоночные сопряжения элементов являются основной отличительной особенностью конструктивного решения безбалочных каркасов данной серии.
Сборно-монолитная система КУБ-2,5 (каркас универсальный безригельный) позволяет строить жилые дома, здания общественного назначения в едином конструктивном ключе, по единой технологии изготовления и монтажа строительных конструкций. Система представляет собой связевый каркас, состоящий из многоэтажных неразрезных колонн прямоугольного сечения и сплошных плит перекрытий (рис. 12.82). КУБ-2,5 соответствует уровню прогрессивных современных индустриальных каркасных конструкций. Отличительная особенность системы - монтаж плит перекрытия на колонну и соединение плит перекрытий между собой производятся без поддерживающих элементов.
Рис. 12.82. Сборно-монолитный безригельный каркас КУБ-2,5: а - монтажная схема; б - стык колонн; в - узел «колонна-плита»
Конструкция стыков колонн исключает сварку, так как стык колонн сечением 400х400 мм предусматривает принудительный монтаж, при котором фиксирующий стержень нижнего торца колонны должен войти в патрубок верхнего торца нижней колонны.
Конструкции каркаса предполагают высоту этажей 2,8; 3,0; 3,3 м при основной сетке колонн 6x6м. При необходимости высоту этажа можно увеличить до 6 м, а шаг колонн - до 12 м.
Конструкции КУБ-2,5 применяются при возведении общественных зданий в 1-3 этажа большой пролетности с техподпольем и жилых зданий в 4-22 этажа.
Монолитные безригельные каркасы проектируют на основе квадратной или прямоугольной сетки колонн, при этом соотношение между большим и меньшим пролетами ограничивается как 4/3. Наиболее рациональна квадратная сетка колонн 6x6 м.
В монолитных безригельных каркасах сплошная железобетонная плита опирается непосредственно на колонны с капителями (рис. 12.83). Капители обеспечивают жесткое сопряжение плиты с колоннами и прочность плиты на продавливание по периметру колонны, уменьшают расчетный пролет плиты. Капители колонн конструируют в виде усеченной пирамиды с углом наклона граней 45° или двойной усеченной пирамиды ломаного очертания.
Рис. 12.83. Монолитный безригельный каркас: а - капители колонн и их армирование; б - расположение рабочей арматуры в плите (план); в - фрагмент разреза каркаса с изображением армирования плиты; 1 - рабочая арматура; 2 - конструктивная арматура
Толщину монолитной плиты принимают из условия ее необходимой жесткости в пределах 1/32-1/35 от величины наибольшего пролета. Плиты армируют плоскими или рулонными сварными сетками. При этом пролетные изгибающие моменты воспринимаются сетками, уложенными в нижней зоне, а опорные - в верхней зоне плиты.
Один из эффективных вариантов монолитного безригельного каркаса для зданий с мелкоячеистой планировочной структурой - вариант с узкими колоннами в виде коротких стенок-диафрагм без капителей (рис. 12.84).
Рис. 12.84. Монолитный безригельный каркас с колоннами в виде коротких стенок-диафрагм: а - фрагменты фасада и плана каркаса здания коридорного типа; б - возможные формы сечений колонн; в - формы колонн переменного сечения по высот
Колонны такого вида позволяют использовать их в качестве ограждающих элементов при одновременном уменьшении пролетов плит и увеличении жесткости каркаса. Колонны могут быть не только плоскими, ориентируемыми на плане в разных направлениях, но и пространственными (рис. 12.84 б), логично вписывающимися в планировочную структуру здания.
Данная система является открытой, позволяет создавать разнообразные объемно-планировочные решения жилых, учебных, административных и других зданий со средними по величине пролетами - до 7,5 м.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ ПО ИНФОРМАЦИИ НПО "КУБ"
Конструкции КУБ-2,5 разработаны для строительства зданий до 25 этажей и выше в I-IV климатических районах как в обычных условиях, так и в условиях повышенной сейсмической активности до 8 баллов. Возможно, так же строительство зданий высотой до 16 этажей и в районах с сейсмичностью до 9 баллов.
Каркас прост в изготовлении и монтаже. Изделия каркаса простой геометрической формы и имеют ограниченное количество типоразмеров, что существенно облегчает его освоение. Парк форм минимален, сами формы отличаются простотой и технологичностью.
Элементы безригельного каркаса могут быть легко изготовлены во вновь осваиваемых районах, в условиях отсутствия индустриальной базы, а так же в местах, где еще не налажено производство каркасов действующих серий. Безригельный каркас обладает архитектурно-планировочными и конструктивными преимуществами перед традиционными блочными.
Гладкий потолок перекрытия в ряде случаев позволяет отказаться от дорогостоящих подшивных потолков, необходимых по гигиеническим, эстетическим или техническим требованиям.
Уменьшенный строительный габарит перекрытия дает возможность на 5-8% снизить кубатуру здания. Наличие консольной части по периметру перекрытия позволяет удобно решать температурно-осадочные швы, примыкание к другим зданиям, устройство галерей и солнцезащитных элементов для южных районов.
Одним из достоинств каркаса является пониженный показатель расхода стали и цемента на 1 кв.м перекрытия по сравнению с каркасными системами, применяемыми как внутри страны так и за рубежом.
Следующим достоинством является так же простота монтажа.
Формообразующие возможности каркаса имеют широкий диапазон от одноэтажных до многоэтажных зданий со сложным архитектурно-пространственным решением.
Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в институте ЦНИИЭП жилища, подтвердили жесткостные и прочностные качества конструкции, а так же достоверность расчетных предпосылок.
Безригельный каркас состоит из колонн квадратного сечения и плоских панелей перекрытия. Панели перекрытий имеют размеры в плане 2,98x2,98 м, таким образом, зазор между ними всего 20 мм и это дает возможность замоноличивания швов без установки опалубки. |
Это позволяет в двое ускорить монтаж и сэкономить на замоноличивании стыков. |
|
|
|
После установки арматуры в швах между панелями швы замоноличиваются, одновременно замоноличиваются стыки надколонных плит с колоннами по всему перекрытию на данной отметке. Швы между плитами используются для пропуска инженерных коммуникаций. Конструкции каркаса рассчитаны для строительства зданий по рамной или рамно-связевой схеме. Этажность по рамной схеме ограничена 5 этажами, по рамно-связевой схеме практически не ограничена при условии обеспечения прочностных качеств колонн путем увеличения процента армирования для введения жесткой арматуры. Стыки элементов каркаса замоноличиваются, образуя рамную конструктивную систему, ригелями которой служат перекрытия. Монтаж многоэтажных рамных каркасов производится с помощью простых приспособлений. В качестве грузоподъемных средств используются мобильные или башенные краны грузоподъемностью от 5 т и выше. Монтаж конструкций ведется в следующем порядке: монтируются колонны и замоноличиваются в стаканах фундаментов, устанавливаются и привариваются к арматуре колонн надколонные панели, затем монтируются межколонные панели и панели-вставки. |
Номенклатура изделий, предусмотренная в выпусках КУБ-2.5, позволяет проектировать здания пролетами 6 и 3 м с шагом колонн 6 и 3 м, высотами этажей 2,8; 3,0; 3,3 м. Конструкции каркаса предполагают применение наружных внутренних стен как из штучного материала, так и в виде крупноразмерных элементов - панелей.
Панели наружных стен запроектированы однослойными керамзитобетонными вертикальной разрезки.
Строители отмечают удобство монтажа каркаса, легкость его освоения на стройпощадке, возможность достижения высокой производительности труда.