Навигация:
Главная → Все категории → Разрушение зданий

"Шлягер" каркаса


"Шлягер" каркаса

С развитием промышленности в прошлом веке постепенно начали появляться промышленные здания с большими пролетами и электрическими мостовыми кранами. Повысились и требования к многоэтажным общественным зданиям (большая площадь остекления, отсутствие промежуточных перегородок, большие внутренние пространства, свободные от конструктивных элементов). Все это стало возможным благодаря рождению новой строительной концепции – каркасных конструкций.

Первые каркасные конструкции многоэтажных зданий появились после того, как сталь была узаконена в качестве строительного материала, т. е. после того, как развитие металлургической промышленности в некоторых ведущих странах достигло такого уровня, что стало возможным выделять определенные количества этого дорогого материала для строительных целей. Первые образцы каркасных конструкций датируются серединой прошлого века (Чикаго, а затем и другие американские города), После того, как они утвердились в Америке, им был оказан добрый прием и в Европе. Сразу же после рождения железобетона его апологеты преподнесли миру массивные на вид, но обладающие большой несущей способностью и жесткостью каркасные конструкции (Франция, конец XIX в.). В настоящее время каркасные конструктивные системы широко применяются почти во всех случаях мировой строительной практики: при строительстве жилых, промышленных и общественных зданий, гаражей, складов, а также таких специальных сооружений, как канатные дороги, эстакады и т. д.

Каркасные конструкции состоят из вертикальных (или почти вертикальных) несущих элементов – колонн или стоек – и горизонтальных (или почти горизонтальных) несущих элементов – балок или ригелей. У зданий с несущим каркасом функции отдельных частей и конструкций четко дифференцированы. Одни из них предназначены исключительно для того, чтобы ограничивать определенные функциональные объемы, оформлять фасады, обеспечивать тепло- и звукоизоляцию. С точки зрения конструктора, они являются нагрузкой для второй группы элементов — несущих. Именно эта особая группа элементов, единственное назначение которых – воспринимать и передавать внешние нагрузки, представляет собой каркас.

С освобождением фасадов и перегородок от несущих функций создается возможность расширить площадь остекления, благодаря чему здания становятся легкими и изящными, а также обеспечивается более свободная внутренняя планировка, которая к тому же может претерпевать определенные изменения в процессе эксплуатации. Этого нельзя сказать об архаичных зданиях с несущими кирпичными стенами, где разрушение стены равносильно катастрофе. Таких богатых возможностей не имеют и современные крупнопанельные здания с подчеркнуто жесткой планировкой. Вообще каркас позволяет использовать обширные свободные пространства практически в рамках целого этажа, что считается бесценным качеством для общественных зданий.

Значимость такого рода конструкций трудно переоценить. Каркасные конструкции созданы в соответствии с образцами, рожденными природой, – почти все представители животного и растительного мира тоже имеют каркас — скелет. Более того, скелет является признаком высших биологических видов, который появился на одном из поздних этапов их эволюции. Самостоятельное выделение несущих функций среди всех остальных, будучи целесообразным и полезным, достигается при наличии подходящего материала для каркаса (скелета). В животном мире это костная ткань – материал, в основе которого лежат соединения кальция. Кость отличается от мягких тканей огромной прочностью и жесткостью.

Рис. 23. Рамная конструкция, нагруженная вертикальной равномерно распределенной нагрузкой: общий изгибающий момент распределяется между пролетом и узлами

В строительстве аналогичными материалами служат сталь и железобетон. Их свойства позволяют концентрировать огромные внутренние усилия в незначительной части общего объема здания, а именно в объеме конструкции, и на предельно малой площади, какой является площадь колонн.

Статический эквивалент каркасных конструкций называется рамой. По существу, рамы — это пространственные элементы, и это имеет большое значение для их общей работы. Однако чаще всего рамы работают в основном в плоскости своих отдельных плоскостных конструкций. На рис. 23 показана схема простейшей рамы — одноэтажной однопролетной. Такая рама может использоваться, например, в конструкции промышленного здания. Система рам, поставленных параллельно одна другой на расстояниях от 6 до 12 м, образует каркас данного производственного помещения. Разумеется, рамы связаны между собой определенными элементами, так что вне плоскости схемы находятся другие рамы: стойки те же, а горизонтальные элементы расположены перпендикулярно листу. Очевидно, что речь идет о пространственной каркасной конструкции, главные рамы которой взаимно перпендикулярны (рис. 23 и 24), в связи с чем мы и обращаем на них свое внимание. Что является эффективным в их очертаниях?

Во-первых, частичное защемление балок в узлах их опирания на стойки каркаса. Изгибающий момент, который совсем не так уж мал, распределяется по всей длине балки более равномерно, чем в случае свободного опирания: в пролете растяжению подвергаются нижние слои, а вблизи стоек – верхние. Таким образом, в стойки “вводится” определенный момент, но он не имеет для них решающего значения. Важно то, что балки могут быть более стройными и экономичными.

Рис. 24. Рама, подвергнутая воздействию горизонтальных сил: общий изгибающий момент в колонне тоже рационально распределяется по высоте стоек. Все это обеспечивает более полное использование материала и большую экономичность конструкции

Во-вторых, более эффективно воспринимаются горизонтальные силы (ветер, землетрясения, толчки мостовых кранов). Частичное защемление балок в верхней части стоек приводит также к перераспределению изгибающего момента в стойках по сравнению с чистой консолью, которой была бы стойка в случае отсутствия такого защемления (см. рис. 24). Иначе говоря, здесь совместно работают горизонтальные (балки) и вертикальные (стойки) элементы рамы, благодаря чему увеличивается общая жесткость конструкции и уменьшается ее вес.

Подобные жесткие угловые связи между отдельными элементами рамы не представляют проблемы для монолитного железобетона, более того, они отвечают его природе. Поэтому монолитные железобетонные конструкции оказывают значительное сопротивление внешним воздействиям, отличаются большой жесткостью и устойчивостью к землетрясениям. К сожалению, в случае сборных железобетонных и стальных конструкций положение более сложное. Там решающее значение имеют соединения между отдельными готовыми элементами. А так как выполнение жестких соединений — дело сложное, трудоемкое и требует значительных затрат времени, конструкторы во имя простоты и высоких темпов строительства отказываются от них. В таких, весьма частых, случаях балка свободно опирается на колонны, а колонны, по существу, оказываются консолями (для горизонтальных усилий). Как мы видим, при подобном компромиссе в жертву приносятся два плюса рамных конструкций.

В многоэтажных зданиях воздействие горизонтальных сил приобретает устрашающие размеры. Оно с трудом воспринимается рамами. А при определенной этажности восприятие горизонтальных усилий посредством совместной работы вертикальных и горизонтальных элементов становится совсем невозможным. В таких случаях по высоте здания проектируются специальные вертикальные диафрагмы и жесткие узлы; как правило, в работу включаются и лестничные клетки, которые должны полностью воспринимать горизонтальные усилия. Будучи выполненными из железобетона, они имеют вид сплошных гладких стен, а из стали – вид стержневых систем. Воспринятые диафрагмами жесткости или лестничными клетками горизонтальные усилия в значительной степени освобождают проектировщиков от необходимости обеспечить рамную работу стоек и балок, а следовательно, жесткие угловые соединения уже не являются необходимыми (это, однако, не означает, что они нежелательны).

Жесткость рамных узлов — самое ценное свойство рам, и жертвуют им только тогда, когда этого требует само строительство.



Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
Главная → Все категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум