Каркасные железобетонные конструкции

Рис.1. Одноэтажные железобетонные каркасы производственного здания с мостовым краном:
а, б - варианты с фермой и балкой покрытия;
в, г - схемы поперечной и продольной рамы

Каркасные железобетонные конструктивные системы в общем случае состоят из трех основных конструкций, образующих несущую систему здания:

• вертикальных линейных конструкций - колонн;
• горизонтальных плоских конструкций - дисков перекрытий;
• дополнительных вертикальных плоских или пространственных конструкций - устоев.

Колонны воспринимают усилия от вертикальных и горизонтальных нагрузок и передают их на фундаменты, в которые, как правило, жестко защемлены. Устои выполняют функцию вертикальных диафрагм жесткости и устанавливаются при недостаточной жесткости каркаса в горизонтальной плоскости в одном или двух направлениях. Устои опираются на фундаменты. Стеной-диафрагмой называют стену многоэтажного здания. Плоские сборные устои состоят из рам, заполненных специальными железобетонными стенами-диафрагмами, называют рамодиафрагмами или дискорамами, а при заполнении стержневыми или решетчатыми связями - ферморамами. Съемные решетчатые связи применяют в период монтажа здания для предотвращения потери устойчивости каркасом. Пространственные устои открытого в плане профиля (углового, швеллерного, двутаврового и др.) получаются в результате соединения нескольких плоских устоев. Устой замкнутого сечения называют ядром жесткости и выполняют обычно из монолитного железобетона в скользящей опалубке. Диски выполняют функцию жестких горизонтальных диафрагм, объединяющих колонны и устои в единую пространственную несущую систему и передающих на них вертикальные и горизонтальные нагрузки. В зависимости от конструкции дисков перекрытий каркасы делятся на балочные, состоящие из балок и плит, и безбалочные (безригельные), состоящие только из плит (Рис.1).

По способу изготовления железобетонные каркасные конструкции разделяются на:

• сборные, состоящие из сборных колонн, дисков и устоев, изготавливаемых заранее и соединенных между собой на монтаже;
• монолитные, состоящие из монолитных колонн, дисков и устоев, изготавливаемых в проектном положении на месте возведения каркаса;
• сборно-монолитные, состоящие из сборных элементов и монолитного железобетона.

В зависимости от степени податливости стыка колонн с элементами диска перекрытия применяют жесткое сопряжение, называемое заделка, нежесткое - шарнир и податливое сопряжение.

Пространственные системы в общем случае разделяются на отдельные плоские каркасные системы в продольном и поперечном направлении. В зависимости от способа обеспечения прочности, жесткости и устойчивости здания плоские каркасные системы разделяются на рамные, связевые и рамно-связевые. В рамной каркасной системе вертикальная и горизонтальная нагрузки воспринимаются колоннами, объединенными с дисками перекрытий. В связевой каркасной системе вертикальная нагрузка воспринимается колоннами, объединенными с дисками перекрытий, а горизонтальная - вертикальными устоями. В рамно-связевой каркасной системе вертикальная и часть горизонтальной нагрузки воспринимаются колоннами, объединенными с дисками перекрытий, а остальная горизонтальная нагрузка - вертикальными устоями.

В пространственном каркасе рамно-связевой системы горизонтальная жесткость в одном направлении обычно обеспечивается рамами с жесткими узлами, а в другом направлении, где прочность и жесткость сопряжении недостаточна, - за счет установки вертикальных устоев.

Рис.2. Железобетонные каркасы:
а, б - балочной конструкции с ребристым и гладким потолком;
в, г - безбалочной конструкции с капителями и без капителей

В пространственной каркасной системе отдельные плоские каркасные системы могут иметь одинаковое и различное конструктивное решение: рамное, связевое или рамно-связевое. При одинаковой жесткости плоских конструктивных систем в одном направлении пространственная работа каркаса обеспечивается самостоятельной работой отдельных плоских каркасных систем. При различной жесткости плоских конструктивных систем, особенно, когда вертикальные жесткие элементы располагаются не в каждой плоскости, пространственная работа каркаса обеспечивается за счет работы жестких в своей плоскости горизонтальных дисков перекрытий и покрытий, передающих горизонтальные усилия между вертикальными плоскими устоями различной жесткости.

Каркасы рамной системы применяют в производственных и общественных зданиях, требующих для нормального функционирования свободной планировки помещений в обоих направлениях. В этих условиях применимы и каркасы рамно-связевой системы с увеличенным шагом колонн и решетчатыми устоями в виде фермерам.

Каркасы связевой системы с вертикальными устоями в виде дискорам удобны для жилых, административных и общественных зданий с небольшими помещениями, регулярно расположенными на этажах. В этих зданиях требуются гладкие потолки. Поэтому применяются балочные каркасы с выступающими вниз ригелями и плитами с гладкой нижней плоскостью или безбалочные перекрытия с абсолютно гладким потолком, облегчающие планировку помещений и улучшающие интерьеры.

Безбалочные и балочные каркасы с гладкой нижней поверхностью плит применяются и в производственных зданиях, где каркасы с ребристыми перекрытиями не допускаются.

В каркасных зданиях обычно применяют сборные навесные железобетонные панели наружных стен. Однако имеются решения и с несущими наружными стенами в виде железобетонных панелей вертикальной разрезки или из кирпича. В составе каркасов обычно применяют также сборные перегородки, лестничные марши, сантехкабины, лифтовые шахты, вентиляционные блоки и т. п.

Сборные железобетонные одноэтажные и многоэтажные каркасы балочного типа являются наиболее распространенным типом каркасных зданий в практике отечественного строительства.

Рис.3. Схемы разрезки каркаса на сложные (а-г) и линейные (д, е) монтажные элементы

Одноэтажные сборные железобетонные каркасы балочного типа для зданий промышленного назначения со значительной высотой и пролетами, в том числе и с мостовыми кранами, обычно выполняются в поперечном направлении по рамной конструктивной схеме, образуемой колоннами, защемленными в фундаментах, и балками или фермами, шарнирно опирающимися на колонны (Рис.2). В продольном направлении каркасы выполняются по связевой конструктивной схеме, образуемой колоннами, ребристыми плитами покрытия, опирающимися на балки или фермы, и вертикальными элементами, жесткими в горизонтальном направлении и образуемыми соседними колоннами, соединенными стальными решетчатыми связями.

Сборные многоэтажные железобетонные каркасы для удобства изготовления, транспортирования и монтажа разрезают на элементы (Рис.3):

• укрупненные Н- и П-образные и крестообразные элементы;
• Т-образные колонны и ригели-вставки;
• линейные с одноэтажными колоннами с неразрезными и разрезными ригелями;
• линейные с однопролетными ригелями и одно-, трехэтажными колоннами.

Первые три способа разрезки предназначены для рамных каркасов с заделками в узлах, применяемых в сейсмических районах (Рис.4, а). За рубежом имеются примеры разрезки рам на пространственные элементы (Рис.4, в, г). Однако такие каркасы не получили широкого распространения из-за сложности изготовления, особенно при различных высотах этажей и пролетах рам.

Каркасы с крестообразными колоннами и преднапряженными ригелями-вставками целесообразны для рам больших пролетов: 9 м (серия ИИ-04, вып. 14) и 12 м (каркас РЭК 12×12) (Рис.4, б).

Рис.4. Фрагменты сборных каркасов с укрупненными монтажными элементами:
а - плоскими крестообразными элементами;
б - Т-образными колоннами и ригелями-вставками (РЭК 12×12);
в - пространственными крестообразными элементами;
г - пространственными Н-образными элементами

Рамный каркас с совмещенным жестким стыком колонн и ригелей с колоннами типа УК-1 (Рис.3, д) был разработан в 1958-60 гг. институтом общественных зданий для зданий до 5 этажей и с сеткой колонн до 6×6 м.

Наибольшее распространение получили каркасы с разрезкой на одно-, трехэтажные колонны с вынесенным стыком ригелей с колоннами (Рис.3, е). К ним относятся:

• рамные каркасы ИИ-50 и ИИ-60 для строительства промышленных зданий, разработанные в 50-е годы, которые были переработаны в серию ИИ-20 ЦНИИПромзданий в 1964 г., а в 80-е годы в серию 1.420;
• рамно-связевый каркас серии ИИ-04 для общественных и административно-бытовых зданий 1964 г.;
• связевые каркасы КМС-101 и ИИ-04 (Рис.5а, б), которые в дальнейшем были модернизированы, соответственно, в серии ТК1-2 и 1.020-1/83 межвидового применения для гражданских и промышленных зданий.

Балочный каркас серии 1.420 включает сетки колонн 6×6,9×6 и 12×6 м, высоты этажей 3,6; 4,8 и 6 м, нагрузку до 25 кН/м². В составе каркаса разработаны варианты перекрытий из ребристых плит с опиранием на полки ригелей l-образного сечения и на ригели прямоугольного сечения; сечения колонн приняты 40×40 и 40×60 см.

В рамном каркасе серии ИИ-04 стык ригеля с колоннами впервые решен со скрытой консолью колонн. Предел применимости чисто рамной схемы ограничен величиной узлового момента 176 кНм. Сетки колонн в каркасе приняты 6×6; 6×4,5 и 6×3 м с высотами этажей 3,3; 4,2 и 2,4 м и решались с помощью ригелей таврового сечения высотой 45 см, многопустотных и ребристых плит с нижней полкой и колонн сечением 40×40 и 30×30 см.

Жесткость рамных каркасов в направлении из плоскости рам создается за счет защемления межколонных связевых плит на опорах или с помощью специальных балок, жестко соединяемых с колоннами (Рис.4а, в).

Рис.5. Фрагменты связевых каркасов:
а - КМС-101; б - ИИ-04; в - 1.020-1;
1 - колонны; 2 - ригели; 3 - связевые плиты; 4 - рядовые плиты; 5 - металлические связи; 6 - диафрагмы; 7 - стены; 8 - лестничные марши

При совершенствовании рамных каркасов и разработке связевых каркасов стык колонн, осуществляемый с помощью многопроходной сварки тяжелых металлических оголовников, был заменен на плоский безметальный стык с ванной сваркой выпускаемых продольных арматурных стержней (см. раздел Колонна железобетонная), а сам стык для удобства монтажа вынесен над уровнем перекрытия (Рис.5а, б), что позволило вести сборку каркасов индустриальными методами с помощью одиночных и групповых кондукторов. Отказ от металлических оголовников и снижение опорных моментов в связевых каркасах (КМС-101 и ИИ-04) до кН м позволило значительно упростить армирование ригелей и колонн и провести унификацию арматурных изделий.

В связевых каркасах межвидового применения 1.020-1/83 принят шарнирный стык ригеля с колоннами, а в каркасе ТК1-2 опорный момент снижен до 25 кНм. В эти каркасы наряду с круглопустотными плитами включены плиты 2Т пролетом 9 и 12 м и ребристые П-образные плиты. В серии 1.020-1/83 плиты 2Т опираются на ригели в подрезку (Рис.5 в).

Конструкции стыков ригелей и колонн сборных рамных и связевых каркасов даны в разделе "Рама железобетонная". Объединение плит и ригелей сборных каркасов в жесткие диски перекрытий осуществляется путем сварки закладных деталей примыкающих элементов и замоноличивания бетоном швов между ними. Поскольку заделка швов является обязательным требованием, то сборные каркасы правильнее называть сборно-омоноличенными.

Монолитные каркасы балочного типа были предложены в 1982 г. во Франции. Они выполняются в виде монолитных одноэтажных и многоэтажных рам с жесткими узлами и дисков перекрытий с настилом в виде ребристой или сплошной монолитной плиты (Рис.1 а, б).

В сборно-монолитных каркасах применяются обычно сборные колонны и монолитные или сборно-монолитные диски перекрытий, которые рассмотрены в разделах "Сборно-монолитные железобетонные конструкции", "Перекрытия железобетонные", "Рама железобетонная", "Балка железобетонная", "Плита железобетонная". К сборно-монолитным относится сейсмический рамно-связевый каркас ИИС-04, разработанный ТбилЗНИИЭПом, а также каркас "Радиус" трех модификаций АО "Инрекон" с выступающим и без выступающего вниз ригеля.

Помимо каркасов балочного типа широкое применение имеют безригельные каркасы или каркасы с безбалочным перекрытием (Рис.1 в, г). Безригельные каркасы включают колонны и перекрытия, состоящие из отдельных сборных плоских плит или сплошной плоской монолитной плиты. Сборные плиты разделяются на подколенные, устанавливаемые в месте расположения колонны, с отверстием для пропуска колонны, межколонные, располагаемые в пролете между надколенными плитами, и средние плиты (Рис.6 а). Для усиления надколенных плит могут предусматриваться специальные дополнительные элементы - капители (Рис.1 в). Жесткие соединения сборных элементов каркаса образуются путем сварки закладных деталей, сварных или безсварных соединений арматурных выпусков и последующего замоноличивания сопряжений.

Рис.6. Безбалочные каркасные системы:
а - "Куб-2" с диском, разделенным на монтажные элементы-плиты;
б - возводимые методом подъема цельных дисков перекрытий

Восприятие безригельным каркасом со сборными плитами горизонтальных нагрузок может осуществляться частично по рамной схеме за счет ограниченно жесткого соединения колонн с плитами либо в общем случае по связевой схеме с помощью диафрагм и ядер жесткости.

Другим вариантом сборных многоэтажных каркасов является предварительно напряженный каркас, устраиваемый путем соединения сборных колонн и плит перекрытий, предварительно напряженной арматурой, располагаемой в швах между плитами и пропускаемой через отверстия в колоннах, с последующим бетонированием.

Особое конструктивное решение имеют безригельные каркасы, возводимые методом подъема цельных дисков перекрытий, изготовляемых внизу на уровне основания, при заранее установленных колоннах и ядрах жесткости, проходящих через отверстия в плитах (Рис.6 б). Плиты перекрытия выполняются в виде сплошной монолитной плиты или состоящей из отдельных сборных плитных элементов, соединяемых между собой путем сварного или безсварного сопряжения выпусков арматуры с последующим замоноличиванием швов между сборными плитами. Вокруг отверстий плит, через которые проходят колонны, предусматривается устройство жестких стальных элементов, служащих для подъема плит, закрепления плит в стадии монтажа и соединения плит с колоннами, обеспечивающих передачу нагрузок от перекрытий на колонны в стадии эксплуатации. Восприятие горизонтальных нагрузок обеспечивается в таких безригельных каркасах по связевой конструктивной схеме с помощью ядер жесткости и жестких дисков перекрытий.

Монолитные диски перекрытий безригельных каркасов условно разделяются на надколонные и межколонные полосы с соответствующим более сильным армированием продольной арматурой, учитывающим неравномерное распределение усилий по ширине плиты. При устройстве плоской монолитной плиты перекрытия создается жесткий узел сопряжении плиты с колонной с усиленным продольным и поперечным армированием в зоне узла, позволяющим воспринимать усилия, передающиеся от колонны на плиту. Восприятие горизонтальных нагрузок безригельным каркасом с монолитной плитой перекрытия осуществляется по рамной или рамно-связевой конструктивной схеме, исходя из сопротивления выделенных в каркасе заменяющих рам, состоящих из ряда колонн и условных ригелей, включающих полосу плиты, равную расстоянию между серединами двух поперечных пролетов, примыкающих к соответствующему ряду колонн, при жестком узле сопряжения условного ригеля с колоннами.