Основные элементы каркаса - колонны и балки образуют систему, воспринимающую как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки и передающую их воздействия на фундамент. Кроме того, система -должна иметь необходимую жесткость в горизонтальном направлении, чтобы перемещения здания от ветровых нагрузок не превыщали допустимых нормами.

Фундамент обычно проектируют в виде сплошной железобетонной плиты, наилучшим образом распределяющей неравномерно приложенные к фундаменту нагрузки по всей площади основания здания.

Вертикальные нагрузки через балки перекрытия передаются на колонны, а затем на фундамент. Для восприятия и передачи горизонтальных нагрузок на фундамент нужно создать в каркасе жесткие по высоте системы в горизонтальном направлении.

Связевые системы проектируют в виде вертикальных связей, расположенных на некотором расстоянии одна от другой и соединенных между собой горизонтальными жесткими дисками (рис. 20.2, а), рамные системы - в виде рамных конструкций, расположенных по каждому ряду колонн, также связанных горизонтальными дисками (рис. 20.2,6).

В первом случае горизонтальная жесткость каркаса обеспечивается системой вертикальных и горизонтальных дисков, принимающих на себя всю ветровую нагрузку. Остальные элементы каркаса - колонны и балки, не входящие в систему дисков, конструируются как обычная балочная система с шарнирным сопряжением в узлах; они воспринимают лишь вертикальную нагрузку.

Во втором случае горизонтальная жесткость каркаса обеспечивается рамными системами, расположенными по каждому ряду колонн с жесткими сопряжениями балок с колоннами.

Рамно-связевые системы имеют вертикальные связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, расположенными в одной или разных плоскостях со связями.

Связевая система отвечает принципу концентрации материала и позволяет проектировать большинство элементов каркаса и их сопряжения более легкими, простейшей конструктивной формы и в максимальной степени типизировать; поэтому связевая система предпочтительнее.

Рамная система, более сложная в конструктивном оформлении и менее жесткая, может оказаться рациональной для сравнительно невысоких зданий.

Горизонтальные диски проектируются через несколько этажей и представляют собой замоноличенные железобетонные плиты перекрытия, иногда с дополнительными системами горизонтальных связей.

Жесткие перекрытия нужны для перераспределения ветровой нагрузки между вертикальными связями или рамами и обеспечения общей жесткости каркаса.

Вертикальные связи проектируют в виде консольных ферм, защемленных в фундамент. В местах защемления ферм фундамент испытывает весьма значительные местные силовые воздействия, возникающие при ветровых нагрузках (см. рис. 20.2, а). В рамной системе усилия от ветровых нагрузок передаются на фундамент более равномерно.

Иногда вертикальные связи проектируют в виде сплошных железобетонных стенок или вертикальных пространственных систем-оболочек, расположенных внутри каркаса или по периметру здания.

Можно передавать не только горизонтальную, но и вертикальную нагрузку на мощные вертикальные фермы (рис. 20.2, в). В этом случае междуэтажные перекрытия подвешиваются к тягам, закрепленным на горизонтальных траверсах. Отсутствие колонн облегчает вес каркаса.

Чтобы увеличить поперечную жесткость, тяги можно закреплять в фундаменте, создавая в них предварительное напрялсение, и таким образом включать их в работу на горизонтальную нагрузку.

Рис. 20.2. Схемы стального каркаса

л - со свя?ячи в виде вертнкальиьх ферм; 6 - рамная система, в -с по.двесными перекрытиями; ; -горизонтальные диски перекрытпП; 2 - вертикальные лиски-связи; 3 - рамы; 4 - траверса;

5 - тяги; 6 - вертикальная ферма

2. Размещение колонн в плане и по высоте здания

Конфигурация здания в плане зависит от его функционального назначения и архитектурного замысла.

Наиболее простые конструктивные решения каркаса получаются при квадратном или прямоугольном плане здания. При разбивке сетки колонн надо стремиться, чтобы колонны в плане образовывали стандартные ячейки или чтобы расстояния между ними подчинялись единому модулю (рис. 20.3). В этом случае можно добиться максимальной типизации элементов каркаса - колонн и балок, а также элементов ограждающих конструкций, стен и перекрытий. Кроме того, расстояния между колоннами определяют расход стали на каркас: с увеличением шага общий вес колонн уменьшается, а вес балок возрастает, с уменьшением шага колонн - наоборот. Следовательно, существует оптимальный шаг колонн, при котором общий расход стали будет минимальным. Величина оптимального шага колонн зависит от высоты здания: она уменьшается с уменьшением высоты здания.

В зданиях высотой 30-40 этажей оптимальный шаг колонн лежит в пределах 4-6 м. Однако по архитектурно-планировочным требованиям шаг колонн может быть принят больше оптимального. Если здание

- 451 -

Рис. 20.3. Разбивка колонн и размещение связей в плане здания

а - квадратом; б - прямоугольном

С?язи

500 lb I

5 С8я.\а

5000

66000

6000

Рис. 20.4.

Примеры размещения связей плане

а - административное здание в Москве; б - здание на Котельнической набережной в Москве

имеет сложную конфигурацию в плане, то нужно его расчленить на отдельные прямоугольные контуры, внутри которых шаг колонн должен быть стандартным или подчиненным общему модулю (рис. 20.4). По высоте здания колонны должны идти, не прерываясь. При необходимости устройства в здании помещений большого объема приходится прерывать колонны. Тогда колонны, расположенные выше этих помещений, опирают на перекрытия, несущими конструкциями которых являются тяжелые фермы высотой в один этаж или мощные сплошные балки. Такая компоновка значительно усложняет и удорожает конструкцию.

3. Компоновка связей

Ветровая нагрузка может действовать на здание в любом направлении, следовательно, расположение связей должно обеспечивать пространственную жесткость здания и способность сопротивляться скручиванию. В рамных системах рамы расположены по всем осям в продольном и поперечном направлении, поэтому пространственная жесткость обеспечивается наиболее просто.

Связевые фермы для обеспечения жесткости следует размещать как в продольном, так и в поперечном направлении, по возможности симметрично относительно главной оси здания (см. рис. 20.3 и 20.4). При