Жёсткие рамы зданий со стальным каркасом

Жесткие рамы имеют то преимущество, что поля между колоннами не стеснены наклонными раскосами. Обеспечение жесткости с помощью рам в сооружениях из стальных конструкций — это самый распространенный способ, но при этом всегда нужно проверить, нет ли другого решения. Большепролетные рамные конструкции относительно деформативны, смещение от действия горизонтальных сил в них больше, чем в сплошных или решетчатых конструкциях. Стойки рамы, как правило, служат одновременно колоннами, ригели рамы — балками конструкции перекрытия.

Формы рам

Рамы имеют разнообразные формы. Следующий обзор ограничивается рассмотрением прямоугольных рам. Рамные элементы могут примыкать к углам шарнирно или жестко. Шарниры могут быть предусмотрены как на опорах, так и вверху колонн.

1. Однопролетная рама представляет собой жесткую систему, если из четырех узлов рамы не более трех шарнирные и не менее одного жесткий. В этом случае жесткий узел рамы должен воспринимать весь изгибающий момент. Такая рама называется трехшарнирной.

2. Если рама имеет два жестких узла, то момент, воспринимаемый отдельным узлом рамы, уменьшается почти вдвое. Такие рамы называются двухшарнирными. Если шарниры находятся в опорах колонн, то на фундаменты от ветровой нагрузки передаются только горизонтальные и вертикальные усилия.

3. Самая жесткая из однопролетных рам не имеет шарниров. Фундаменты в этом случае дополнительно воспринимают изгибающие моменты.

4. К однопролетной раме могут быть присоединены другие пролеты, которые могут иметь только шарниры жестких узлов.

5. Если в примыкающих полях некоторые или все узлы жесткие, то получается многопролетная рама, в которой изгибающие моменты в узлах от горизонтальных нагрузок соответственно уменьшаются.

6 и 7. Однопролетные или многопролетные рамы установлены друг на друга, образуя многоэтажные рамы.

8. Промежуточное опирание рамного ригеля на шарнирные стойки.

9. В чердачных этажах возможно применение наклонного ригеля, соответствующего уклону кровли.

Оптимальное число рамных элементов

Часто возникает вопрос, все или только отдельные колонны вовлекаются в работу каркаса как рамные стойки. Разные точки зрения показаны на простом примере.

10. Все поперечные диски являются трехстоечными четырехэтажными рамами. Продольные диски запроектированы в виде шестистоечных четырехэтажных рам. Горизонтальные усилия распределяются на все колонны. Это решение наиболее приемлемо для высоких зданий.

11. В поперечном направлении образуются только два диска многоэтажных рам и только средние колонны жестко связаны с ригелем. В продольном направлении только один пролет выполнен в виде двухстоечной четырехэтажной рамы. Вследствие концентрации усилий в нескольких жестких внутренних колоннах все другие колонны следует рассчитывать как конструкции, несущие только вертикальную нагрузку. Благодаря этому в целом достигается экономия материала. То же самое относится и к фундаментам. Фундаменты, стоящие под основными стойками, должны быть выполнены большего размера, чем все остальные.

12. Университетское здание, составленное из стандартных элементов, имеет одинаковую жесткость в обоих направлениях благодаря многопролетным многоэтажным рамам. Внутренние перегородки не нарушают свободной планировки здания. Многоэтажные рамы в поперечном направлении образованы из попарно расположенных швеллерных прогонов и колонн, в продольном направлении поставлены такие же ветровые ригели между колоннами. Конструкция перекрытия, состоящая из балок перекрытий с шагом 1,8 м и плит, опирается на прогоны. — Каркас нового здания университета в Западном Берлине (Далем), запроектированного по системе Крупп-Монтекс.

13. Двенадцатиэтажное административное здание с квадратным планом и шагом колонн 11 м. Жесткость здания обеспечена расположенными по две в обоих направлениях трехпролетными многоэтажными рамами. Здание имеет лишь четыре внутренние колонны. Благодаря рамной конструкции поля между внутренними колоннами свободны от связей или сплошных дисков. — Административное здание «Уоррен петролеум корпорейшн» в Тульсе, штат Оклахома (США). Архитекторы: Скидмор, Оуингс и Меррил.

14. Обе половины здания гаража имеют смещенные по отношению друг к другу на половину высоты этажа перекрытия, которые с помощью пандусов по системе Дюми соединены друг с другом. Для обеспечения жесткости здания в поперечном направлении запроектированы рамные конструкции. К средним колоннам рам жестко присоединены балки пандусов.

В продольном направлении средние колонны, жестко соединенные с направляющими для инженерных коммуникаций, образуют многоэтажную многопролетную раму с небольшим шагом стоек. Так как многократно статически неопределимая рамная система имеет значительный запас прочности, то случайное выключение из работы отдельного ригеля вследствие повреждения не играет роли.

Эта строительная конструкция является примером экономичного использования элементов, которые изготовлялись для других целей, для обеспечения жесткости здания. — Конструкция стандартного гаража системы Крупп-Монтексгр.

15. В уровне подоконных элементов наружных стен расположены жесткие конструкции, которые вместе с часто поставленными наружными колоннами образуют рамы в плоскости фасада (фасадные рамы). Фасадные балки, имеющие такую же высоту, как подоконные элементы, имеют по сравнению с колоннами очень большую жесткость. Поэтому при действии горизонтальных усилий подоконные балки практически не деформируются. Колонны в месте примыкания фасадных балок жестко закреплены и могут деформироваться лишь в зоне окон. При незначительных поперечных сечениях колонн деформации получаются небольшими, так как свободная длина колонн незначительна, а в восприятии усилий участвует очень много колонн.

16. Фасадные балки со сплошной стенкой.

17. Фасадные балки в виде ферм.

18. В 110-этажных башнях высотой по 411,5 м Международного торгового центра в Нью-Йорке жесткость обеспечивается благодаря рамной конструкции наружных стен. Часто поставленные колонны жестко соединены с высокими подоконными балками со сплошной стенкой.

19. В восьмиэтажном здании три стороны образуются из фасадных рам с решетчатыми фасадными балками, а четвертая сторона выполнена в виде жесткой брандмауэрной (противопожарной) стены.— Конструкция здания Парижского объединения касс взаимопомощи в Марселе. Архитектор Жом.