Конструктивные схемы зданий
Архитектурное проектирование решает комплексные задачи, в которых функция, конструкция и художественная форма выступают как единое целое. Конструктивной схемой здания называют систему вертикальных (стены, столбы) и горизонтальных (перекрытия, покрытия) элементов, которые обеспечивают зданию пространственную жесткость. Конструктивные схемы зависят от типа и расположения вертикальных и горизонтальных элементов несущего остова здания.
Исторически сложились три конструктивных системы, известные с древних времен:
— стоечно-балочная (или каркасная), в которой горизонтальный элемент (балка) работает на изгиб;
— сводчатая и арочная, в которых материал работает на сжатие, передавая с верхних элементов на нижние нагрузку и собственный вес;
— подвесная, в которой горизонтальные элементы работают на растяжение.
Каждой системе соответствовал материал, наиболее всего к ней подходивший.
В стоечно-балочной системе применяли деревянные конструкции: хорошо работающие на изгиб деревянные балки перекрывали большие пролеты до 10 м. На основе этой системы в Древней Греции возникли ордеры).
В сводчатых и арочных конструкциях, возникших позже, основным материалом стал камень, который хорошо работал на сжатие, но плохо на изгиб, обеспечивая перекрытие пролетов лишь до 3,5 м. Арочная система, развившаяся из каркасной схемы, может работать отдельно от стены. Сопряжение арки с кладкой стены имеет полуциркульное очертание (архивольт) или перевязывается с кладкой. Пяты арок опираются на столбы через антаблемент) (импост)) или на колонны, образуя арочные колоннады (аркады)). Угловые опоры арочных систем усилены столбами-подпорками (контрфорсами)). Материалом для арочной системы сначала был камень, а затем кирпич. В древности из камня были возведены выдающиеся арочные и купольные здания больших пролетов. Например, диаметр купола Пантеона в Риме равен 43,5 м. Применение железобетона облегчает возведение сводов и куполов. Разработаны конструкция тонкостенных железобетонных оболочек и их разновидности — складчатых поверхностей (складок).
После внедрения в архитектуру металлических конструкций стали применять третью систему — подвесную. Байтовые покрытия, растягиваемые или поддерживаемые системой тросов, могут быть разнообразными по форме.
В современном массовом строительстве не требуется перекрывать большие пролеты, поэтому в основном используют три схемы стоечно-балочной системы.
1. Бескаркасная с несущими наружными и внутренними стенами (с продольными или с поперечными). Причем несущими могут быть продольные стены, поперечные или и продольные и поперечные.
2. С неполным каркасом : внутренний каркас и несущие наружные стены.
3. Каркасная (с полным каркасом), т. е. с несущими отдельными опорами. Состоит она из вертикально поставленных стоек (колонн) и опирающихся на них балок (прогонов).
Соединение вертикальных и горизонтальных элементов конструкции может допускать вращение одного элемента относительно другого; такое соединение, допускающее изменять геометрическую форму сопряжения, называется шарнирным.
Если соединение горизонтальных и вертикальных элементов заделано намертво с целью увеличения жесткости конструкции, такое сопряжение называется жестким. В этом случае из стоечно-балочной система превращается в рамную с жесткими узлами рамы, а балка — в ригель — горизонтальный элемент рамы.
Жесткость конструкции может достигаться введением жестких плоскостей — диафрагм жесткости. Постановка вместо внутренних несущих стен отдельных опор (колонн), соединенных ригелями (балками перекрытий), с опиранием на ригели плит перекрытий дает возможность перекрыть большие пространства, внутри которых можно изменить размеры помещений, передвинув перегородки — ограждающие конструкции. Так возникает понятие гибкой планировки — возможности в процессе эксплуатации здания менять расположение и размеры помещений.
Каркасные здания наиболее полно отвечают требованиям современного строительства, а бескаркасные применяют обычно для жилых домов и небольших общественных и промышленных зданий. Последние надежны и просты, но имеют недостатки: из-за ограниченной длины плит перекрытий, не превышающей 6 м, необходимо возводить стены для опирания плит, поэтому спроектировать свободное помещение большого размера по этой схеме невозможно.
Конструктивные схемы и системы зданий
Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость. По виду вертикальной несущей конструкции различают пять основных и семь комбинированных конструктивных систем, которые можно представить так
Конструктивные схемы зданий
Несущие конструкции здания (фундаменты, стены, колонны, перекрытия) образуют несущий остов здания. По расположению несущих элементов остова различают следующие конструктивные типы зданий:
— бескаркасный (с несущими стенами), представляет собой жесткую и устойчивую коробку из взаимосвязанных стен и перекрытий
Наружные и внутренние стены здания воспринимают нагрузки от междуэтажных перекрытий и покрытия. Этот конструктивный тип зданий широко распространен при возведении общественных зданий. — каркасный представляет собой пространственную систему (рис. 3.8), образованную колоннами, подкрановыми балками, стропильными и подстропильными фермами или же колоннами, ригелями и плитами междуэтажных перекрытий и покрытий. Воспринимает все нагрузки, действующие на здание.
Каждый конструктивный тип здания имеет несколько конструктивных схем. Каркасные здания различают по следующим признакам: по материалу—на железобетонный (монолитный, сборный, сборно-монолитный) и металлический каркас; по характеру устройства ригелей—с продольным, поперечным, перекрестным расположением ригелей и непосредственным опиранием перекрытий на колонны (безригельное решение); по особенностям сопряжения элементов в узлах — на монолитные и сварные.
КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ
СТЕНОВАЯ, КАРКАСНАЯ, ОБЪЕМНО-БЛОЧНАЯ, СТВОЛЬНАЯ, ОБОЛОЧКОВАЯ
КОМБИНИРОВАННЫЕ, КАРКАСНЫЕ, КАРКАСНО-СТЕНОВАЯ, КАРКАСНО-БЛОЧНАЯ, КАРКАСНО-СТВОЛЬНАЯ, КАРКАСНО-ОБОЛОЧКОВАЯ, БЕСКАРКАСНЫЕ
БЛОЧНО-СТЕНОВАЯ, СТВОЛЬНО-СТЕНОВАЯ, СТВОЛЬНО-ОБОЛОЧКОВАЯ
Конструктивная схема представляет собой вариант конструктивной системы по признакам состава и размещения в пространстве основных несущих конструкций (продольному, поперечному, смешанному, каркасному).
Для бескаркасных типов зданий характерны следующие схемы: с продольным расположением несущих стен (на них опираются междуэтажные перекрытия); с поперечным расположением несущих стен (наружные стены, за исключением торцовых – самонесущие, на них не передаются нагрузки от перекрытий); перекрёстная – с опиранием плит перекрытия (по контуру, т.е. опирание на четыре стороны) на продольные и поперечные стены.
Для каркасного типа зданий используются следующие схемы: с продольным расположением ригелей; с поперечным расположением ригелей; с перекрёстным расположением ригелей; безригельные.
Выбор конструктивной схемы влияет на объёмно-планировочное решение здания и определяет тип его основных конструкций.
среда, 3 февраля 2021 г.
Разделение сооружений по жесткости. Жесткие, гибкие, конечной жесткости
По виду конструктивной схемы (гибкая/жесткая) здания и сооружения условно подразделяются на:
— абсолютно жесткие сооружения
Абсолютно жесткие сооружения обладают такой вертикальной жесткостью, при которой они не изгибаются при приложении нагрузок, а дают осадку как единый массив, и плоская подошва такого сооружения после деформации основания остается плоской, возможны лишь вертикальные оседания и наклон сооружений.
Осадка таких сооружений может быть равномерной, оцениваемой размерами абсолютной осадки или неравномерной, оцениваемой средней осадкой и креном сооружения в одном или в двух направлениях.
Равномерной осадка абсолютно жесткого сооружения будет при симметричной нагрузке и однородном основании или слоистом основании с согласным залеганием пластов (согласованном напластовании). При этом фундамент встретит значительное сопротивление от грунта в краевых зонах, т.е. возникнет более интенсивное давление на этих участках.
В слоистом основании с выклинивающимися слоями различной сжимаемости внецентренно приложенная нагрузка может увеличить или уменьшить крен.
При не симметричном залегании грунтов и/или нагружении соседних площадей, вследствие перераспределения контактных напряжений (давлений) по подошве фундамента и возникновения дополнительных усилий, возможны крены жестких сооружений. В конструкциях таких сооружений возможны и деформации — косые трещины в углах (В углах возникают относительно большие напряжения).
При прочих равных условиях, чем жёстче сооружение, тем больше отличия в его деформации от деформаций основания (меньше следуют вслед за ними) и тем большие усилия в нём возникают при осадке.
Примеры зданий и сооружений с жесткой конструктивной схемой:
Сооружения типа башен (водонапорные башни со сплошными стволами), силосных корпусов (силосы), дымовых труб, домен (доменные печи), элеваторы, массивные мостовые опоры, здания панельные, блочные и кирпичные, в которых междуэтажные перекрытия опираются по всему контуру на поперечные и продольные стены или только на поперечные несущие стены при малом их шаге, сооружения, конструкции которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформации основания и др.
— сооружения конечной жесткости
Сооружения конечной жесткости в процессе развития неравномерных деформаций получают искривления.
При расчете сооружений конечной жесткости учитывается не только жесткость фундамента, но и всего сооружения в целом. Для сооружений конечной жесткости приходится регламентировать не только величины осадок, но и их неравномерность, так как при неравномерных осадках в несущих конструкциях данного класса сооружений возникают дополнительные усилия, которые могут нарушить их прочность.
Относительно жесткие сооружения, деформируясь вместе с основаниями, оказывают влияние на величину осадок и частично их выравнивают. В конструкциях происходит перераспределение напряжений и изменение усилий, действующих на основание.
Подавляющее число сооружений современного строительства обладает конечной жесткостью. Совместную работу основания и сооружения, обладающего конечной жесткостью, возможно учесть, используя схему с упругооседающими опорами.
К относительно жестким сооружениям могут относиться здания и сооружения с несущими стенами и железобетонными перекрытиями, кирпичные, крупноблочные и крупнопанельные здания.
— гибкие сооружения (абсолютно гибкие)
Абсолютно гибкие сооружения, передавая нагрузку на основания, во всех точках контакта с поверхностью, следуют за перемещением (осадкой, деформацией) грунтов основания, которое может быть различным в разных точках основания.
При этом (при таком деформировании) в случае возникновения неравномерных осадок в конструкциях гибких сооружений практически не возникает никаких (значительных) дополнительных усилий (напряжений). Как правило, конструкции таких зданий имеют статически определимую схему.
В «абсолютно» гибких сооружениях нагрузки, передающиеся основанию, считаются неизменными при деформировании основания, и совместная работа основания и сооружения оценивается лишь предельными значениями средних осадок и их неравномерности (относительной разности).
Предельные деформации гибких сооружений назначают исходя из требований нормальной эксплуатации.
Одноэтажные промышленные здания с разрезными балками по колоннам относятся к практически гибким.
Земляные насыпи, дамбы, гибкие днища резервуаров, сооружения со статически определимой схемой несущих конструкций (эстакады с разрезными пролетными строениями), покрытия дорог и аэродромов.
