Архитектура зданий

Астраханский  Колледж Строительства и Экономики

Регистрационный № ____ Дата_____________

Заочное отделение  АКСиЭ

Шифр 642

Контрольная работа № 1

по предмету «Архитектура зданий»

Студент гр. ЗДС-42

Байрамгазиев Р.Г.

Оценка ______________

Преподаватель  Фролова Н.А.

Дата _________________

Астрахань 2012

1. Обеспечение пространственной жесткости стального каркаса.

Здание в целом и  отдельные его элементы, подвергающиеся воздействию различных нагрузок, должны обладать:

• прочностью, которая определяется способностью здания и его элементов не разрушаться от действия нагрузок;
• устойчивостью, обусловленной способностью здания сопротивляться опрокидыванию при действии горизонтальных нагрузок;
• пространственной жесткостью, характеризующейся способностью здания и его элементов сохранять первоначальную форму при действии приложенных сил.

Общая устойчивость и пространственная жесткость здания зависят от взаимного  сочетания и расположения конструктивных элементов, прочности узлов соединений и т.д.

В целях обеспечения пространственной жесткости каркаса, а также устойчивости покрытия в целом и его элементов  в отдельности необходимо предусматривать  систему связей между несущими стальными  конструкциями покрытия (фермами) в  плоскости их верхних и нижних поясов и в вертикальных плоскостях.

Связи - это важные элементы стального каркаса, которые необходимы для:

• обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;
• восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов);
• обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых);
• создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации;
• обеспечения условий высококачественного и удобного монтажа.

Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи шатра).

 Связи  между колоннами.

Система связей между колоннами  обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность  в продольном направлении (воспринимая  при этом некоторые нагрузки), а  также устойчивость колонн из плоскости  поперечных рам.

Для выполнения этих функций  необходимы хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски включены две  колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов  диска геометрическую неизменяемость. Решетка чаще проектируется крестовой, элементы которой работают на растяжение при любом направлении сил, передаваемых на диск, и треугольной, элементы которой  работают на растяжение и сжатие. Схема  решетки выбирается так, чтобы ее элементы было удобно крепить к колоннам (углы между вертикалью и элементами решетки близки к 45°). При больших  шагах колонн в нижней части колонны  целесообразно устройство диска  в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней - использование подстропильной фермы. Распорки и решетка при малых высотах сечения колонн (например, в верхней части) располагаются в одной плоскости, а при больших высотах (нижняя часть колонны) - в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, и поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях они соединяются горизонтальными решетчатыми связями.

При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно  учитывать возможность перемещений  колонн при температурных деформациях  продольных элементов. Если поставить  диски по торцам здания, то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают значительные температурные усилия Ft.

Поэтому при небольшой  длине здания (температурного блока) ставится вертикальная связь в одной  панели. При большой длине здания (или блока) для колонн в торцах возрастают неупругие перемещения  за счет податливости креплений продольных элементов к колоннам. Расстояние от торца до диска ограничивается с целью закрепления колонн, расположённых близко к торцу, от потери устойчивости. В этих случаях вертикальные связи ставятся в двух панелях, причем расстояния между их осями должно быть таким, чтобы усилия Ft не были очень велики. Предельные расстояния между дисками зависят от возможных перепадов .температур (разных для отапливаемых и неотапливаемых зданий, строящихся в районах с разными расчетными зимними температурами) и установлены нормами (табл. 11.2).

По торцам здания крайние  колонны иногда соединяют между  собой гибкими верхними связями. Вследствие относительно малой жесткости  надкрановой части колонны расположение верхних связей в торцовых панелях лишь незначительно сказывается на температурных напряжениях. Верхние торцовые связи также делают в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений.

Верхние вертикальные связи следует  размещать не только в торцовых панелях  здания, но и в панелях, примыкающих  к температурным швам, так как  это повышает продольную жесткость  верхней части каркаса; кроме  того, в процессе возведения цеха каждый температурный блок может в течение  некоторого времени представлять собой  самостоятельный конструктивный комплекс.

Вертикальные связи между  колоннами ставят по всем рядам, колонн здания; располагать их следует между  одними и теми же осями.

При проектировании связей по средним рядам колонн в подкрановой  части следует иметь в виду, что довольно часто по условиям технологии необходимо иметь свободное пространство между колоннами. В этих случаях  конструируют портальные связи.

Связи, устанавливаемые в  пределах высоты ригелей в связевом блоке и торцовых шагах, проектируют  в виде самостоятельных ферм (монтажного элемента), в остальных местах ставят распорки.

Особое внимание следует  уделять компоновке связей между  колоннами в горячих цехах  при применении неразрезных подкрановых  балок или большом внутреннем шаге колонн, несущих мощные продольные конструкции (например, подкраново-подстропильные фермы). В этих случаях полностью отсутствует узловая податливость продольных конструкций, система связей становится близкой к рамной и ее температурные деформации стеснены. Обследования и экспериментальные исследования работы таких цехов показывают, что, несмотря на выполнение требований норм проектирования, в элементах каркаса (колоннах и подкрановых балках) возникают большие дополнительные напряжения, а иногда наблюдается и разрушение связей.

Поэтому в горячих цехах  с неразрезными подкрановыми балками  или тяжелыми подкраново-подстропильными  фермами целесообразно предусматривать  специальные конструктивные мероприятия (например, уменьшение длины температурных  блоков).

Продольные элементы связей в точках крепления к колоннам обеспечивают несмещаемость этих точек из плоскости поперечной рамы. Эти точки в расчетной схеме колонны могут быть приняты шарнирными опорами. При большой высоте нижней части колонны бывает, целесообразна установка дополнительной распорки, которая закрепляет нижнюю часть колонны посередине ее высоты и сокращает расчетную длину колонны.

Связи, кроме условных поперечных сил, возникающих при потере устойчивости колонн из плоскости поперечных рам, воспринимают также усилия от ветра, направленного на торец здания, и  от продольных воздействий мостовых кранов.

Ветровая нагрузка на торец  здания воспринимается стойками торцевого  фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи  шатра передают силу F_B^T в ряды колонн.

Выделены элементы связей и колонны, которые передают силу F_B^I на фундамент.

В точке А а) гибкий элемент связей 1 не может воспринимать сжимающую силу, и поэтому F_B^I передается более короткой и достаточно жесткой распоркой 2 в точку Б. Здесь сила раскладывается на направление колонны и растянутого элемента 3, который передает усилие в точку В. В этой точке усилие воспринимается колоннами - и подкрановыми балками 4, передающими силу F_B^T на связевый блок в точку Г. Аналогично работают связи и на силы продольных воздействий кранов F_K^П. Сечения связей выполняются из уголков, швеллеров, прямоугольных и круглых труб.

При большой длине элементов  связи, воспринимающие небольшие усилия, рассчитываются по предельной гибкости, которая для сжатых элементов  связей ниже подкрановой балки равна 210 - 60?, где - отношение фактического усилия в элементе связей к его  несущей способности, выше - 200; для  растянутых - соответственно 200 и 300.

Связи по покрытию

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость  каркаса, обеспечивают: устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм; перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к  одной из рам, на соседние рамы; удобство монтажа; заданную геометрию каркаса; восприятие и передачу на колонны  некоторых нагрузок.

Система связей покрытия состоит  из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются  в плоскостях нижнего, верхнего поясов ферм и верхнего пояса фонаря. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных.

Элементы верхнего пояса  стропильных ферм сжаты, поэтому  необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм. Ребра кровельных плит и прогоны могут рассматриваться  как опоры, препятствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы  при условии, что они закреплены от продольных перемещений связями.

Для закрепления плит и  прогонов от продольных смещений устраиваются поперечные связи по верхним поясам ферм, которые целесообразно располагать  в торцах цеха с тем, чтобы они (вместе с поперечными горизонтальными  связями по нижним поясам ферм и  вертикальными связями) обеспечивали пространственную жесткость покрытия. При большой длине здания или  температурного блока (более 144 м) устанавливаются  дополнительные поперечные связевые фермы. Это уменьшает поперечные перемещения  поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей.

Необходимо обращать особое внимание на завязку узлов, ферм в  пределах фонаря, где нет кровельного  настила. Здесь для раскрепления узлов верхнего пояса ферм из их плоскости предусматриваются распорки, причем такие распорки в коньковом  узле фермы обязательны. Распорки прикрепляются  к торцовым связям в плоскости  верхних поясов ферм. В процессе монтажа (до установки плит покрытия или прогонов) гибкость верхнего пояса  из плоскости фермы не должна быть более 220. Если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, между  ней и распоркой в плоскости  колонн ставится дополнительная распорка. Связи по верхнему поясу фонаря проектируются  аналогично.

В зданиях с мостовыми  кранами необходимо обеспечить горизонтальную жесткость каркаса как поперек, так и вдоль здания. При работе мостовых кранов возникают усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха. Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклиниваться, и нарушается нормальная их эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают  неблагоприятные условия для  работы кранов и сохранности ограждающих конструкций. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (H0 > 18 м), в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью 10 т, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система связей по нижним поясам ферм.

Горизонтальные силы от мостовых кранов воздействуют в поперечном направлении  на одну плоскую раму или две-три  смежные. Связи обеспечивают совместную работу системы плоских рам, вследствие чего поперечные деформации каркаса  от действия сосредоточенной силы значительно  уменьшаются. Жесткость этих связей должна быть достаточной для того, чтобы вовлечь в работу соседние рамы, и их ширина обычно назначается  равной длине первой панели нижнего  пояса фермы.

Прилегающие к опорам панели нижнего пояса ферм, особенно при  жестком сопряжении ригеля с колонной, могут быть сжатыми, и в этом случае продольные связи обеспечивают устойчивость нижнего пояса из плоскости ферм.

Поперечные связи закрепляют продольные, а в торцах здания они  необходимы и для восприятия ветровой нагрузки, направленной на торец здания.

Стойки фахверка передают ветровую нагрузку FВФ в узлы поперечной горизонтальной торцовой фермы, поясами которой служат нижние пояса торцовой и смежной с ней стропильных ферм.

Опорные реакции торцовой фермы F_B^T воспринимаются связями между колоннами и передаются на фундамент.

В плоскости нижних поясов также устраиваются промежуточные  поперечные связи, расположенные в  тех же панелях, что и поперечные связи по верхним поясам ферм.

Чтобы избежать вибрации нижнего  пояса ферм вследствие динамического  воздействия мостовых кранов, ограничивается гибкость растянутой части нижнего  пояса из плоскости рамы: при кранах с числом циклов загружения 2х106 и более - величиной 250, для прочих зданий - величиной 400. Для сокращения свободной длины растянутой части нижнего пояса приходится в некоторых случаях предусматривать растяжки, закрепляющие нижний пояс в боковом направлении. Эти растяжки воспринимают условную поперечную силу Q_УСЛ.

В длинных зданиях, состоящих  из нескольких температурных блоков, поперечные связевые фермы по верхним  и нижним поясам ставят у каждого  температурного шва (как у торцов), имея в виду, что каждый температурный блок представляет собой законченный пространственный комплекс.

Стропильные фермы обладают незначительной боковой Жесткостью, а потому процесс монтажа без  их предварительного взаимного раскрепления недопустим. Поэтому необходимо устраивать вертикальные связи между фермами, располагающиеся в плоскости  вертикальных стоек стропильных  ферм; для удобства крепления элементов  связей эти стойки часто проектируют  крестового сечения (из двух уголков). Обычно устраиваются одна-две вертикальные связи по ширине пролета (через 12-15 м).

При опирании опорного нижнего узла стропильных ферм на оголовок колонны (железобетонной или стальной) сверху вертикальные связи необходимо располагать также по опорным стойкам ферм.

Вертикальные связи вместе с поперечными связевыми фермами  по верхним и нижним поясам обеспечивают создание жестких пространственных блоков у торцов здания. К этим блокам распорками и растяжками привязывают  промежуточные фермы.

В зданиях с подвесным  транспортом вертикальные связи  способствуют перераспределению между  фермами крановой нагрузки, приложенной  непосредственно к конструкциям покрытия. В этих случаях, а также  когда к стропильным фермам подвешены  электрические кранбалки значительной грузоподъемности, целесообразно вертикальные связи между фермами располагать в плоскостях подвески непрерывно по всей длине здания.

В многопролетных цехах Связи  по верхним поясам ферм и вертикальные ставятся во всех пролетах, а горизонтальные по нижним поясам - по контуру здания и некоторым средним рядам  колонн через 60 - 90 м по ширине здания. В зданиях, имеющих перепады по высоте, продольные связевые фермы ставят и  вдоль этих перепадов.

В зданиях со светоаэрационными фонарями сжатый пояс ригеля имеет свободную длину, равную ширине фонаря, поэтому необходимо предотвратить возможную потерю устойчивости из плоскости сжатого пояса ригеля в пределах ширины фонаря. Это обеспечивается постановкой стальных распорок 
4 по оси фонаря (рис. 1.9), которые крепят к горизонтальным крестовым связям 
3, устанавливаемых в уровне верхнего пояса ригеля в пределах ширины фонаря по концам температурного блока (рис. 1.9). Если же фонарь не доходит до конца температурного блока, то горизонтальные связи по верхнему поясу ригеля не ставятся и достаточно одних распорок.

Жесткость фонарей  в продольном направлении обеспечивается вертикальными стальными связями 5 (рис. 1.9, сеч. I—I).

Рис. 1.9. Схема связей покрытия при наличии фонаря: 1 — ригель покрытия; 
2 — светоаэрационный фонарь; 3 — горизонтальные крестовые связи; 4 — распорки по оси фонаря; 5 — вертикальные связи в плоскости остекления фонаря

Рис. 1.7. Виды связей в одноэтажных промышленных зданиях: 1 — колонна; 
2 — ригель; 3 — диск покрытия; 4 — вертикальные связи-фермы; 5 — распорки; 6 — вертикальные связи по колоннам

Рис. 1.8 — Горизонтальные связи: 1 — торцевая стена; 2 — фахверковая колонна; 
3 — горизонтальные связи; 4 — колонна; 5 — вертикальные связи по колоннам; 6 — подкрановые балки; 7 — распорки; 8 — ригель; 9 — диск покрытия

2. Конструктивные схемы крупнопанельных зданий. Конструкции стеновых панелей.

Конструктивные  схемы крупнопанельных зданий

По конструктивной схеме  крупнопанельные здания делят на две группы: бескаркасные и каркасные.

К бескаркасным зданиям относят  такие, в которых панели наружных и внутренних стен воспринимают вес  нагрузки, действующий на здание. Пространственная жесткость и устойчивость этих зданий обеспечивается взаимной связью между  панелями наружных и внутренних стен и панелями перекрытий.

В каркасных панельных здания и действующие на них нагрузки воспринимают ригели и стойки каркаса, а панели стен выполняют лишь ограждающие функции. 
Бескаркасные панельные здания могут иметь четыре конструктивных варианта:

• с тремя продольными несущими стенами — двумя наружными и одной внутренней с опиранием перекрытий по двум коротким сторонам;
• с несущими наружными стенами и внутренними продольными и поперечными с опиранием панелей перекрытий по контуру;
• с несущими наружными степами и внутренними поперечными с опиранием перекрытий по трем сторонам;
• с несущими поперечными степами, когда перекрытия опираются на них по двум сторонам.

В каркасных крупнопанельных  зданиях каркасы состоят из системы  стоек и ригелей из сборного железобетона.

По типам каркасные  панельные дома различают с поперечным каркасом, продольным и пространственным. Применяют также конструктивную схему с неполным внутренним каркасом и несущими панелями наружных стен. Однако эту схему применяют редко. 
При увеличении размеров панелей перекрытий на всю комнату возможно безригельное решение каркасных панельных зданий. При этом панели перекрытий опираются по углам непосредственно на 4 стойки каркаса или на 1 наружную стену и 2 внутренние стойки. 
Пространственная жесткость каркасных панельных зданий обеспечивается совместной работой элементов каркаса, перекрытий, связями или панелями, устанавливаемыми с плоскости каркаса, или вертикальными диафрагмами жесткости, образованными отдельно стоящими стенами.

При выборе конструктивной схемы (бескаркасной или каркасной) следует исходить из следующих соображений. В тех случаях, когда нужны  сравнительно небольшие площади  изолированных друг от друга помещений (например, жилых комнат), бескаркасная схема более целесообразна. В  общественных зданиях с большими помещениями (залы, холлы и др.) предпочтительнее каркасная схема.

В настоящее время крупнопанельные  жилые дома высотой в 5, 9 и 12 этажей, а в больших городах высотой  в 16 этажей и более проектируют, как  правило, бескаркасными. Уменьшение веса конструкций на 1 м жилой площади, что весьма существенно снижает транспортные расходы

Многоэтажные гражданские  здания, особенно жилые дома, общежития, гостиницы и др., как правило, решаются в виде каркасно-панельных или  крупнопанельных (бескаркасных) конструктивных систем, состоящих из крупноразмерных  сборных железобетонных изделий  заводского изготовления.

Каркасно-панельные здания проектируют с полным или неполным каркасом. При полном каркасе панели перекрытия опираются по углам на колонны. Колонны и ребра перекрытий образуют пространственный каркас здания. Панели стен и внутренних перегородок - самонесущие и крепятся к стойкам  каркасов. При неполном (внутреннем) каркасе крайних колонн нет, а  панели наружных стен несущие. Панели перекрытий опираются на несущие  наружные стены и внутренние колонны  каркаса.

Широко распространены, особенно в жилищном строительстве, крупнопанельные (бескаркасные) здания; благодаря отсутствию каркаса и повышению степени  заводской готовности элементов  уменьшается трудоемкость монтажа  и стоимость таких зданий.

Крупнопанельные здания делят  на две группы (рис. 6): с продольными  несущими стенами и с поперечными  несущими перегородками. Конструктивная схема с поперечными несущими перегородками более выгодна, так  как панели перекрытий опираются  на внутренние поперечные перегородки, что позволяет предельно укрупнить  и облегчить наружные стеновые панели, которые, не воспринимая нагрузки от перекрытий и выполняя лишь ограждающие  функции, могут быть изготовлены  из легких эффективных материалов (керамзитобетона, ячеистого бетона и др.). Панели перекрытий и стен в крупнопанельных зданиях  проектируются преимущественно  размером на комнату.

Рис.6. Конструктивные схемы крупнопанельных зданий

Панельные здания, особенно в районах с невысокой сейсмичностью, могут достигать 20 и более этажей и иметь выразительный архитектурный  облик.

Дальнейшим развитием  крупнопанельного строительства явилась  разработка и внедрение в строительную практику конструкций жилых домов  из объемных железобетонных элементов  – блок-комнат и блок-квартир. Объемные блоки изготовляют из отдельных плоских панелей стен и перекрытий укрупненной заводской сборкой или в виде монолитного «стакана» или «колпака» с раздельным перекрытием (панелями потолка или пола). Всю внутреннюю отделку блок-комнат или блок-квартир производят в заводских условиях, поэтому трудоемкость строительных работ, выполняемых на площадке, предельно снижается.

Крупнопанельные здания благодаря  механизированному заводскому изготовлению крупноразмерных изделий и значительному  уменьшению трудовых затрат при монтаже  в экономическом отношении весьма эффективны. Стоимость 1 м² площади в таких зданиях обычно ниже, чем в кирпичных или крупноблочных домах.

Весьма перспективными являются многоэтажные здания из монолитного  железобетона, возводимые в скользящей или объемно-переставной опалубке. 17-20-этажные жилые дома подобного  типа построены во многих городах  страны.

Получили распространение  также здания, возводимые методом  подъема этажей. В таких зданиях  после бетонирования сплошной плиты  каждого перекрытия на нулевой отметке, оно с помощью мощных домкратов  поднимается по направляющим - колоннам на проектную отметку.

Многоэтажные здания, особенно гражданские, могут иметь конструктивную схему с центральным монолитным ядром жесткости различной конфигурации, в котором располагаются подсобные  помещения, лифтовые и вентиляционные шахты, лестничные клетки и т. п.

В подобных решениях могут  быть предусмотрены два и более ядер жесткости замкнутого или открытого профилей. В основу объемно-планировочного решения гостиничного комплекса кладется, как правило, деление общего объема на высотную и малоэтажную части. В высотной части размещаются жилые номера, а в малоэтажной - рестораны, помещения бытового обслуживания и др. Примером такого решения может служить также гостиничный комплекс в Алма-Ате на 1000 мест (рис. 7). Высотная часть имеет в плане эллипсовую форму, ее основным несущим элементом является монолитное железобетонное ядро с расходящимися от него поперечными железобетонными диафрагмами жесткости. Ограждающие конструкции выполнены в виде легких навесных стеновых панелей. Монолитные конструкции высотной части возведены с помощью скользящей и объемно-переставной опалубки.

Рис.7. Высотная гостиница в г. Алма-Ате: а - разрез; б - план высотной части;

1 - машинное помещение  лифтов; 2 - кафе;

3 - валунно-галечное  основание; 4 - фундаментная плита

Конструктивные  типы и схемы зданий

Конструктивный тип здания определяется пространственным сочетанием стен, колонн, перекрытий и других несущих элементов, которые образуют его остов.

В зависимости от пространственной комбинации несущих элементов различают  следующие конструктивные типы зданий:

• с несущими стенами (бескаркасные), в которых большинство конструктивных элементов совмещает несущие и ограждающие функции;
• каркасные с четким разделением конструкций по их функциям - несущие и ограждающие. Пространственная система (каркас), состоящая из колонн, балок, ригелей и других элементов, вместе с перекрытиями в данном случае воспринимает все нагрузки, действующие на здание. Помещения от воздействия внешней среды защищаются наружными стенами.
• с неполным каркасом, в которых наряду с внутренним каркасом несущими являются и наружные стены.

Конструктивный тип здания характеризуется также определенными  материалами и видами основных его  строительных элементов (крупных железобетонных блоков, панелей и т.п.).

Каждый из рассмотренных  выше конструктивных типов зданий в  свою очередь может иметь несколько  конструктивных схем, которые отличаются особенностями расположения несущих  элементов и их взаимосвязью.

Для бескаркасных зданий характерны следующие конструктивные схемы:

• с продольными несущими стенами, на которые опираются перекрытия;
• с поперечными несущими стенами, когда наружные продольные стены, освобожденные от нагрузки перекрытий, являются самонесущими;
• совмещенная, - с опиранием перекрытий на продольные и поперечные стены.

Конструктивные схемы  зданий с неполным каркасом могут  быть:

• с продольным расположением ригелей;
• с поперечным расположением ригелей;
• безригельными.

В этих схемах несущие внутренние стены заменены колоннами и перегородками  между ними, что уменьшает расход стеновых материалов. Нагрузки от ригелей  и перекрытий воспринимаются также  и наружными стенами.