Застосування сталевих конструкцій у будинках з великою кількістю поверхів (16—20 поверхів) і у висотних будинках (понад ЗО поверхів) пояс­нюється перевагами як матеріалу (сталі), так і способів індустріального будівництва. Це висока несуча здатність при мінімальних поперечних перерізах і власній масі каркаса, повна заводська готовність конструкцій, що забезпечує скорочен­ня терміну будівництва, відсутність "мокрих" процесів на монтажі, можливість демонтажу бу­динку та повторного використання сталі після терміну експлуатації.

Основними елементами каркаса є колони, балки-ригелі перекрить, вертикальні зв'язки жорсткості та горизонтальні диски перекрить. Каркаси багатоповерхових будинків сприймають і передають на фундамент усі вертикальні й го­ризонтальні навантаження.

Для стінових конструкцій застосовують легкі панелі з утеплювачем, які виконують функції ого - роджувальних елементів.

Сучасна класифікація каркасів багатоповерхо­вих будинків залежить від способу сприйняття горизонтального вітрового навантаження.

Системи сучасних сталевих каркасів багато­поверхових будинків поділяються залежно від способу забезпечення горизонтальної жорсткості: зв'язкова схема з податливими з'єднаннями, рамна, комбінована рамно-зв'язкова, каркасно - ствольна з коробчастим залізобетонним ядром, безкаркасні схеми з поперечними несучими стіна­ми, коробчасті (оболонкові) схеми тощо.

Зв'язкова схема з податливими вузловими з'єднаннями застосовується в будинках висотою до 20 поверхів завдяки простоті з'єднання балок з колонами та меншим трудозатратам на мон­тажні роботи. Горизонтальна жорсткість забезпе­чується вертикальними зв'язками. Вертикальні зв'язки виконують у вигляді розкісної, напівроз - кісної або перехресної решітки з розміщенням в одному прольоті від низу до верху.

При кількості поверхів до ЗО—40 застосо­вується рамна система, основними елементами каркаса якої є колони і ригелі, з'єднані жорстко у вузлах. Рамна система є набором багатопроліт - них багатоповерхових рам, які сприймають вер­тикальне й горизонтальне навантаження.

Спільну роботу рам на горизонтальне заван­таження забезпечують горизонтальні жорсткі диски, якими є залізобетонне перекриття зі за- монолічених плит або монолітного залізобетону. Такі диски розташовують по висоті будинку через декілька поверхів. У рамних системах верти­кальні зв'язки не використовуються. До недоліків належить складність конструктивного рішення вузлів, що потребує збільшення затрат сталі по­рівняно з іншими системами. Така система за­стосована в перших багатоповерхових будинках Москви, а також у книгосховищі Центральної на­укової бібліотеки АН України у Києві.

У рамно-зв'язковій системі зв'язки проекту­ються в одній з площин будинку, а в перпенди­кулярній до неї — зв'язки відсутні (рис. 8.1). У даному випадку в площині зв'язків каркас працює як зв'язковий, а в іншому — як рамний.

Каркасио-ствольна система поділяється на чотири типи: зі зовнішніми колонами (рис. 8.2, а); з підвіскою поверхів по периметру будинку до верхніх консольних балок сталевими смугами, круглими тягами або канатами; з підвіскою по­верхів до попередньо напружених канатів, які за­кріплюються у фундаменті; з консольними бал­ками, закріпленими в стволі (рис. 8.2, б, в, г).

Каркасно-ствольна система зі зовнішніми ко­лонами сприймає все горизонтальне навантажен­ня центральним стволом будинку, а колони пра­цюють переважно на центровий стиск і з'єднані з ригелями шарнірно. Прикладом застосування цієї системи є 20-поверховий готель "Київ" (рис. 8.3).

Каркасно-ствольна система з підвіскою повер­хів до верхніх консольних балок звільняє перший поверх від колон, що сприяє збільшенню площі для тротуару та транспортних засобів. Окрім цього, скорочуються витрати сталі, оскільки за­мість колон використовуються сталеві розтягнені елементи. Прикладом є 30-поверховий будинок страхової компанії в Лондоні (рис. 8.4). Централь­не ядро — залізобетонне, балки міжповерхових перекриттів одним кінцем спираються на ядро жорсткості, а другим кріпляться до підвісок із
листової сталі. Товщина підвісок змінюється від 19 внизу до 51 мм в місцях прикріплення до кон­сольних ферм, які передають навантаження на ядро жорсткості Консольні ферми розміщуються в двох площинах по висоті будинку: в середній частині будинку (сприймають навантаження від нижніх поверхів) і у верхній, на рівні покрівлі.

Каркасно-ствольна система з коробчастим залізобетонним ядром сприймає горизонтальні сили не тільки центральним жорстким ядром (як каркасно-ствольна), а й зовнішнім контуром бу­динку — коробкою, яка з'єднана з центральним ядром горизонтальними діафрагмами. Така сис­тема нагадує конструкцію з двох труб, вставлених одна в другу, що працюють спільно та мають ве­лику жорсткість і меншу деформативність. Ця система доцільна для будинків, що мають 50—60 поверхів.

Конструювання сталевих каркасів. Ви­бір системи каркаса, розміщення колон і балок в плані залежать у першу чергу від кількості по­верхів та архітектурно-планувального рішення будинку. При плануванні суттєве значення має вибір кроку колон, оскільки при більшому кроці маса колон зменшується, а маса ригелів збіль­шується і навпаки. У будинках висотою 20—40 поверхів крок колон доцільно приймати 4...6 м, а висоту міжповерхових перекрить 350...600 мм. Важливим є прийняття стандартних, однотипних розмірів сітки колон. Орієнтовно витрати металу на колони і ригелі становлять 70...90 % металу всього каркаса. Колони є найбільш навантажени­ми і металомісткими елементами, тому важливим

ВИд А Рис. 8.1. Рамно-зв'язкова система каркаса.

Є вибір раціонального типу їх поперечного пере­різу.

Найбільш часто використовуються такі типи перерізів колон: двотаврові, прямокутні й квад­ратні коробчастого профілю, хрестоподібні, труб­часті, а також комбіновані профілі з кутників або товстолистової сталі (рис. 8.5).

Товщина листів квадратних колон у будинках висотою 20—40 поверхів може бути 40...60 мм, а розміри 400x400.-550x550 мм. У 60-поверхових і вище будинках застосовують колони перерізом 700x700 мм і товщиною листів до 100 мм.

Рис. 8.2. Каркасно-ствольна система: а — зі зовнішніми колонами; б — з підвіскою поверхів по периметру до консольних балок; в — з підвіскою поверхів до попередньо напружених канатів; г — з консольними балками, закріпленими в стволі.

- "І—І-*" —І"

І

118,0

Б

І В

І Г

Д

"І"

Рис. 8.5. Перерізи колон багатоповерхових будинків:

70,55

Рис. 8.3 Сталевий каркас 20-поверхового готелю "Київ".

А — зварний, квадратний із чотирьох листів; б — зварний двотавровий; в — широкополичкові двотаври; г — зварний із двох кутників або швелерів; д — такий самий, підсилений центральним листом; 2 — зварний перехресний і перехресний, підсилений листами; ж — кільцевий із труб; з — зварний із пакета листів.

Рис. 8.4. Каркас багатоповерхового будинку в Лондоні: 1 — підвіска: 2 — похила відтяжка з шести смуг; З —- залізобетонне ядро жорсткості.

ЯҐ

Ригелі каркасів виконують з прокатних або зварних балок двотаврового перерізу. При знач­них прольотах і навантаженнях застосовують прокатні балки з перфорованою стінкою, а також наскрізні ферми, які об'єднуються зі залізобетон­ною плитою перекрить.

Зв'язки каркасів мають вигляд ферм, поясами яких є стержні колон, а стояками — ригелі. Між колонами і ригелями розташовані розкоси із кут­ників.

/

Бази колон, як і стики, проектуються з фре­зерованими торцями. Торець колони передає на­вантаження на стругану опорну плиту бази, вони з'єднані між собою зварюванням на монтажі (рис. 8.6). За допомогою трьох установних болтів опорна плита вкладається в проектне положення, після чого база закріплюється анкерними болтами і за­ливається цементним розчином. У рамних систе­мах при передачі згинального моменту база про­ектується з траверсами і спеціальними анкерними кріпленнями. Розрахунок бази виконують відпо­відно до вимог розрахунку центрово - та позацент- рово-стиснених колон.

З'єднання балок з колонами може бути шар­нірним або жорстким. При шарнірному з'єднанні балки передають на колони тільки вертикальні реакції, а при жорсткому — вертикальні реакції і моменти (рис. 8.7). Для спрощення складання каркаса та виготовлення балок між торцем балки і колоною залишається просвіт 10...20 мм. При шарнірному з'єднанні опорна реакція передається на монтажний столик і балка кріпиться до нього установними болтами, а при жорсткому з'єднан­ні — на опорний столик або через вертикальне ребро, приварене до колони. Опорний момент передається через горизонтальні накладки, які приварюються на монтажі стиковими швами до колони та фланговими швами до поличок балок.

Особливості розрахунку. Сталевий каркас ба­гатоповерхових будинків розраховують на несучу здатність (міцність) та жорсткість. При розрахун­ку на міцність елементів каркаса перевірку ви­конують на дію постійного вертикального наван­таження від маси конструкцій, тимчасового вер­тикального навантаження на перекриття і гори­зонтального вітрового тиску.

Постійне навантаження складається із маси сталевих конструкцій, стін і перекриття.

До тимчасового навантаження належать маса обладнання і меблі, розміщені на перекритті, маса людей. У житлових будинках і будинках громад­ського призначення нормативне тимчасове наван­таження може становити 1,5—4,0 кН/м2.

Вітрове навантаження складається зі статич­ної й динамічної складових. Динамічна складова вітру зумовлена пульсаціями швидкісного тиску вітру і враховується при висоті будинку понад 40 м.

У розрахунках рамних каркасів уся просто­рова система поділяється на плоскі багатопролітні багатоповерхові рами, які є багато разів статично невизначеними.

Щ.

І

5С

І

"Х-Х-Х-ТСХ'Ж X X X т

50

**

* 850 ; 850 к Рис. 8.6. Переріз бази колони під великі зусилля.

Точний розрахунок каркасів багатоповерхових будинків виконують на ЕОМ з використанням програм "Марс 105", "PACK". Для попереднього визначення перерізів і порівняння варіантів можна використовувати наближені розрахунки.

400x20

550x60 1=2300

550x60 1=1500

400x20

Анкерні болти М-36

О LO LO

О

LO LO

4г

У зв'язкових каркасах просторова система також поділяється на плоскі рами. Зв'язкові фер­ми розраховуються у даному разі на навантажен­ня від вітру, як консольні ферми зі закріпленням у фундаментах.

Оскільки кріплення ригеля з колоною в даному випадку є шарнірним, то на ригель передається тільки вертикальне навантаження від перекрит­тя, а колони при повному навантаженні пере­криттів працюють на центральний стиск. Проте тимчасове навантаження на перекриття може змінюватися, тому необхідна додаткова перевірка колони на позацентровий стиск при завантаженні перекриттів з одного боку колони. Ригелі пере­криттів розраховуються як однопролітні, заван­тажені постійним і тимчасовим навантаженням.

Розрахунок каркаса на жорсткість потребує двох перевірок. Перша перевірка стосується виз­начення горизонтального прольоту каркаса під дією горизонтального вітрового навантаження. Такий проліт каркаса не повинен перевищувати 1/500 його висоти.

О <і §

В І А-А 600 145 55 55 145 600 -**- +*Z±T-ТЕ *

О <N Uo <М

$^8=38

6=38

12

Г=145У№ 12 6=22 Б-Б

8=22

1 сш cm

Рис. 8.7. Жорстке з'єднання балок з колонами.

Ч О

Під час другої перевірки визначають перекіс каркаса в окремих панелях, якщо жорсткість стінових елементів не враховували при розрахун­ку каркаса. Відносні горизонтальні відхилення каркаса від дії статичної складової вітру на рівні поверху не повинні перевищувати 1 /500—1/1000 залежно від матеріалів огороджу вальних кон­струкцій.