Для несущей конструкции здания могут быть использованы разнообразные строительные материалы и способы строительства. Преимущества строительного материала или метода приобретают свою ценность только в том случае, если при проектировании здания учитываются их особенности, т. е. выбран рациональный материал. Это имеет особое значение для зданий, несущие конструкции которых выполнены из стали.
Преимущества стальных конструкций
При проектировании: большой шаг колонн при их малом поперечном сечении; большая высота здания и высокая несущая способность каркаса при алом весе; сквозная несущая система с простой прокладкой коммуникаций.
В ходе строительства: предварительное изготовление и монтаж элементов, вследствие этого короткий период строительства; жесткие допуски, благодаря которым обеспечивается точный монтаж строительных элементов; незначительные размеры строительной площадки; отсутствие мокрых процессов.
При эксплуатации: большая гибкость планировки здания; большие площади этажей, свободные от колонн; простая трансформация несущего каркаса применительно к условиям эксплуатации и вследствие этого удлинение срока службы здания; возможность демонтажа после использования.
Эти преимущества стальной несущей конструкции ведут к повышению рентабельности здания.
Рациональное проектирование
Чтобы использовать преимущества, которые делают проект многоэтажного сооружения из стали рациональным, нужно исходить из свойств несущих конструкций. При этом несущие конструкции должны быть увязаны с ограждающими конструкциями и с инженерными коммуникациями.
Несущий каркас
Исходным материалом для металлических конструкций здания служат прокатные профилированные стальные элементы. Они имеют тонкостенные поперечные сечения, обладают высокой несущей способностью при незнач ительных размерах сечений и незначительном весе. Число прокатных профилей ограничено, однако их многочисленные комбинации создают возможность получения разнообразных сечений элементов конструкций. Соединения стальных конструкций просты.Стальной каркас
Из стальных элементов (стержней) собирают несущие конструкции здания — стальной каркас, который выполняет несущие функции, причем создается возможность удобного прикрепления ограждающих элементов.Изготовление
Элементы стального каркаса изготовляются на заводах на автоматизированных поточных линиях. Серийное производство дает значительный экономический эффект. Однако возможно изготовление и несерийной продукции по специальным заказам.Влияние несущей конструкции
Решающее влияние на проект в целом оказывают: расположение и тип колонн; расстановка колонн вдоль пролета; шаг опор и пролет несущих конструкций; вид элементов жесткости здания и их расположение.Ограждающие конструкции
Требования к ограждающим конструкциям
Преимущества стальной несущей конструкции могут быть использованы оптимально лишь тогда, когда ограждающие конструкции выбраны с соблюдением следующих требований: разбивка на элементы с изготовлением их заранее для сокращения сроков строительства; легкость для снижения общего веса сооружения; изменчивость для удобства подгонки к стальному каркасу; конструктивное согласование со стальным каркасом; обеспечение огнезащиты стального несущего каркаса.Сопровождающие строительные элементы
Стальные несущие конструкции должны удобно сопрягаться со следующими элементами здания: междуэтажными перекрытиями, покрытиями, наружными стенами, внутренними стенами, средствами вертикального транспорта.Инженерные коммуникации
В зданиях с несущим каркасом облегчена прокладка технических магистралей в вертикальном и горизонтальном направлениях с последующими изменениями их расположения. Разнообразные возможности для крепления различного оборудования особенно облегчают прокладку инженерных коммуникаций.
Пример
- 1. Железобетонный каркас с круглыми колоннами диаметром от 0,4 до 0,8 м, расположенными с шагом 8,4 м; наружные колонны расположены внутри здания, средства сообщения между этажами и санитарно-технические помещения заключены в бетонные шахты; наружные стены жестко присоединены к перекрытиям.
- 2. Замена несущего каркаса этого здания стальным каркасом при полном сохранении всех деталей проекта с уменьшением поперечных сечений колонн.
- 3. Другое решение со стальным каркасом: установленные с малым шагом наружные стальные колонны сечением от 16X16 до 27X25 см, обеспечение жесткости здания вертикальными решетчатыми связями (четыре в поперечном направлении, одна — в продольном), ограждение лестниц, лифтовых шахт и шахт технического оборудования легкими огнестойкими стенами, уменьшение числа внутренних колонн с огнестойкой облицовкой; наружная стена крепится к наружным колоннам.
- 4. Оптимальное решение. В многоэтажном сооружении из стальных конструкций наружные колонны образуют вместе с подоконными панелями жесткие рамы или каркас наружной стены для обеспечения жесткости здания; внутри здания остаются большие свободные площади; лифтовые шахты и лестничные клетки не привязаны к несущей конструкции.
Расположение колонн
Типы и расстановка колонн
Вертикальные нагрузки многоэтажного сооружения с каркасом из стальных конструкций воспринимаются стальными колоннами. Колонны устанавливают, как правило, в точках пересечения модульной сетки. Прямоугольная сетка наиболее соответствует характеру узлов стального каркаса. Прямоугольная сетка с вытянутыми ячейками в большинстве случаев дает более экономичные решения по сравнению с квадратной сеткой.Поперечные сечения колонн
Стальные колонны, включая огнезащитную облицовку, имеют значительно меньшее поперечное сечение, чем железобетонные колонны, и менее стесняют основную площадь.Наружные колонны
Часто установленные наружные колонны, совмещенные с наружными стенами, особенно характерны для сооружений из стальных конструкций. Преимущества такой расстановки колонн следующие:- благодаря малому поперечному сечению колонны не занимают полезной площади;
- возможно прикрепление панелей наружных стен без дополнительных стоек;
- примыкание перегородок к стенам одинаково во всех осях.
Малый вес
Благодаря незначительному весу стальных конструкций в сооружениях из стали получается благоприятное соотношение между нагрузкой и собственным весом здания. Общая нагрузка в этом случае меньше, чем при несущих конструкциях из других материалов. Отсюда экономия на несущем каркасе и фундаменте, размеры которых в массовых зданиях могут быть весьма значительными, особенно при тяжелых грунтовых условиях.Большие пролеты
Сопоставление расходов на здания со стальным каркасом с расходами при других способах строительства (рис. 1) показывает, что стоимость стальных балок b при увеличении пролета растет медленнее, чем стоимость железобетонных балок а. Положение точки пересечения кривых, т. е. точки равной стоимости, зависит от нагрузки и высоты балок. При малых пролетах в большинстве случаев дешевле железобетонные балки, при больших пролетах — стальные балки.
С применением стальных ферм, имеющих высоту этажа стало возможным перекрывать пролеты от 30 до 60 м.
Еще больший пролет получается в домах с конструкциями мостового типа.
Стальные несущие конструкции могут воспринимать очень большие нагрузки, например от консольно выступающих частей здания, от всего здания или от висячих домов.
Высота зданий
Стальные несущие конструкции могут применяться для многоэтажных зданий любой высоты.
Одноэтажные здания
Несущая конструкция одноэтажного здания воспринимает нагрузки только от покрытия. При легких стальных конструкциях покрытия с листовой кровлей получается наиболее благоприятное соотношение между собственным весом и временной нагрузкой.Многоэтажные здания
В зданиях средней этажности, составляющих основную массу жилых домов и других видов зданий, стальной каркас с облегченными конструкциями перекрытий представляет собой весьма экономичную несущую систему, особенно при большом шаге колонн и большом насыщении оборудованием.Высотные дома
В высотных домах применение стального каркаса дает значительный экономический эффект, особенно в том случае, когда часто поставленные наружные колонны расположены в одной плоскости с наружными стенами.Обеспечение жёсткости
Все здания должны иметь элементы, обеспечивающие горизонтальную жесткость от действия ветра, а в некоторых районах, например сейсмических, или в особых случаях — и от других воздействий, создающих горизонтальные нагрузки.
Системы жесткости передают горизонтальные силы на грунт и ограничивают горизонтальные деформации здания.
В более высоких зданиях следует учитывать также колебания от действия ветра.
Горизонтальное усилие, которое вызывается ветром, зависит от скорости ветра, формы плана здания и структуры поверхности фасада. Скоростной напор ветра зависит от высоты здания и его географического положения.
Типы элементов жесткости
Жесткость стального каркаса может быть обеспечена:- рамными конструкциями;
- вертикальными связями;
- железобетонными стенами, отдельно стоящими или объединенными в шахты ядра жесткости.
Влияние на эксплуатацию зданий
Обеспечение жесткости сплошными диафрагмами или массивными стенами требует устройства опорных зон внутри здания и препятствует свободной планировке помещений и прокладке коммуникаций. Тип элементов жесткости и их размещение в сооружении оказывают поэтому большое влияние на планировку здания. Наиболее приемлемой представляется комбинация конструкций элементов жесткости с ограждающими конструкциями лифтовых шахт и лестничных клеток, но в зданиях из стальных конструкций это часто не идеальное решение. В ряде случаев целесообразно располагать жесткие связи в наружных стенах.Влияние на экономичность
Рентабельность обеспечения жесткости здания стальными связями или железобетонными шахтами (ядрами жесткости) проверяется в каждом отдельном случае. Железобетонные шахты имеют большой вес и нуждаются в мощных основаниях; кроме того, в высоких зданиях в качестве элемента жесткости они должны иметь стены большой толщины с интенсивным армированием, что не требуется для огнезащиты шахт. Это повышает стоимость здания. Поэтому вертикальные связи жесткости значительно экономичнее, особенно если они расположены с большим шагом.Влияние на внешний вид
Если элементы жесткости расположены в наружных стенах, то передача горизонтальных усилий обеспечивается через наружные рамы или связи с раскосами, видимые снаружи, но здание при этом приобретает нежилой вид. Однако такой тип зданий благодаря его экономичности должен иметь в будущем большое распространение, особенно при строительстве высотных домов с квадратными, прямоугольными или крестообразными планами.Влияние на процесс строительства
Сооружение железобетонного ядра жесткости, являющегося инородным телом в стальном каркасе, удлиняет сроки строительства. Скорость, с которой возводится оболочка ядра жесткости в скользящей опалубке, вводит в заблуждение относительно общих сроков строительства, так как к этому времени следует прибавить время на установку и разборку опалубки и внутренние строительные работы в ядре жесткости. Монтаж стальных конструкций можно начинать лишь после изготовления ядра жесткости, что сильно задерживает процесс возведения здания.Различная величина допусков для стальных и железобетонных элементов и проблема соединения стальных элементов с железобетонным ядром жесткости часто создают затруднения и увеличивают сроки строительства.
Процесс строительства будет более гибким и простым, если применять элементы жесткости, изготовляемые из стали, которые монтируют одновременно со стальным каркасом.
Обеспечение жесткости высотных зданий
Пунктирная кривая а в зависимости от высоты здания показывает расход стали в кг/м2 площади этажа на элементы, необходимые только для восприятия вертикальных нагрузок, т. е. на балки перекрытий и колонны. Кривая b дает представление о полном расходе стали. Разница ординат между обеими кривыми показывает вес стальных конструкций, необходимых для обеспечения жесткости здания, отнесенный к 1 м2 площади этажа. Наибольший расход стали — в зданиях с устаревшими рамными конструкциями, в то время как в новейших зданиях (точки 8, 9, 10) с элементами жесткости, расположенными в наружной стене, расход стали меньше (см. также, «Высотные дома из стальных конструкций в США». — «Detail», 1969, № 3).
Ограждающие конструкции
Принимая во внимание высокие требования к элементам ограждающих конструкций, рассмотрим важнейшие из них.
Перекрытия этажей
Для балочных перекрытий используются следующие виды конструкций:- плиты из монолитного бетона;
- сборные железобетонные плиты;
- металлические перекрытия с нанесенным сверху бетонным слоем.
Огнезащита стальных балок перекрытий должна быть достаточно экономичной. Имеются многочисленные испытанные варианты перекрытий, которые наряду со своими обычными функциями без дополнительных затрат выполняют роль огнезащиты.
Пространство между перекрытием и подвесным потолком используется для прокладки коммуникаций. В плитах перекрытий из профилированных стальных листов можно размещать кабельную сеть.
Высота конструкции перекрытий влияет на высоту этажа.
Покрытия
Для большинства плоских многоэтажных зданий с применением стальных конструкций могут быть использованы различные легкие листовые покрытия и железобетонные покрытия из тяжелого или легкого бетона.Наружные стены
Наружные стеновые панели чаще всего высотой на один этаж в зданиях с каркасом выполняют только ограждающие функции — они навешиваются на несущую конструкцию. Их изготовляют обычными способами из обычных материалов. Наиболее легкие — металлические панели.Внутренние стены
Легкие внутренние стены наиболее соответствуют характеру зданий из стальных конструкций. При выборе конструкции внутренних стен принимаются во внимание особенности примыканий к несущему каркасу и размер ожидаемых перекрытий.Противопожарные стены
К противопожарным стенам предъявляются повышенные требования по прочности и огнестойкости.Вертикальный транспорт и прокладка инженерных коммуникаций
Средства вертикального сообщения
Под вертикальными сообщениями понимаются все устройства, которые служат для транспортировки людей, грузов или материалов: обычные или механические лестницы, лифты, установки для пневмопочты, транспортеры для бумаг, трубопроводы для жидкостей или газов, проводки слабых и сильных токов. Шахты, в которых объединяются все эти устройства, часто служат и ядрами жесткости. Если стены шахт, необходимые по противопожарным требованиям, используются одновременно и для обеспечения жесткости здания, то их следует проектировать в соответствии с расчетом на прочность от горизонтальных нагрузок. Такие массивные шахты представляют собой инородные тела в стальном каркасе. Если жесткость стального каркаса обеспечена стальными конструкциями (рамами или решетчатыми связями), то в перекрытиях по стальным балкам предусматривают проемы для лестниц и различных проводок, а легкие стены требуемой степени огнестойкости устанавливают на междуэтажные перекрытия. Лестничные марши монтируют как готовые стальные или железобетонные элементы между балками несущего перекрытия.Горизонтальные проводки инженерных коммуникаций
Большое значение имеет простота и четкость прокладки магистралей инженерных коммуникаций, так как доля расходов на них по отношению к общей стоимости сооружения весьма велика, особенно для зданий с центральным кондиционированием (например, для высотных зданий или для сооружений с большой площадью) или для зданий с большим количеством инженерных сетей (например, для лабораторий или больниц).Так как горизонтальные технические магистрали почти полностью находятся в толще перекрытий, то большое преимущество балочных перекрытий — существенный внутренний объем между перекрытием и подвесным потолком.
Технические магистрали могут быть проложены и в стальных балках со сплошными стенками, в которых предусматривают специальные отверстия. Особенно свободная прокладка инженерных коммуникаций во всех направлениях возможна в фермах.
Если в конструкции несущего перекрытия балки размещены друг над другом в двух уровнях, то инженерные коммуникации могут свободно перекрещиваться в двух лежащих друг над другом зонах. При этом изменение направления проводки требует перемещения ее в другой уровень.
Проницаемость балочного перекрытия для инженерных коммуникаций создает возможность в случае необходимости изменять или дополнять существующие проводки.
Гибкость планировки
I - я степень гибности
Использование площади этажей может быть изменено, по желанию жильцов дома, перемещением, например, складывающихся перегородок или передвижных шкафов-стенок (рис. 1).
2-я степень гибкости
Изменение планировки путем перестановки сборных перегородок без изменений в несущей конструкции. Это невозможно, если перегородки несущие. Требования 2-й степени могут быть выполнены лишь в каркасном сооружении, в котором функции несущих и ограждающих конструкций разграничены. Колонны каркасного сооружения также могут затруднить перепланировку помещения. Большой шаг колонн при больших пролетах несущего перекрытия повышает гибкость зданий. Изменение планировки часто требует также изменения в прокладке инженерных коммуникаций. Так как при передвижных перегородках коммуникации могут быть проложены только в зоне перекрытий, желательна такая конструкция перекрытия, в толще которой прокладка инженерных коммуникаций может быть изменена любым образом. Эти требования легко выполнимы в зданиях со стальными конструкциями (рис. 2).
Различаются следующие виды изменяемых перегородок: 2.1 — перемещаемые элементы стен; 2.2 — демонтируемые стены, части которых используются снова; 2.3 — сносимые стены, материал которых вновь не используется.
3-я степень гибкости
Изменение несущих конструкций, например, при усилении несущей системы для восприятия увеличенных нагрузок, увеличении пролета путем изъятия отдельных колонн, надстройке этажей, пристройке частей здания, демонтаже отдельных частей строительной системы.
Эти изменения в стальном каркасе могут быть проведены легко, без больших затрат и без значительного нарушения существующих конструкций.
Увеличение сетки колонн
Средние опоры балок могут быть удалены (рис. 3). В этом случае балки усиливают поясными накладками а. Сечения двутавровых колонн превращаются благодаря приваренным пластинам b в коробчатые сечения. Место соединения балок с колоннами усиливается установленной снизу консолью с. Сечение стенки двутавровой балки большей частью достаточно для восприятия дополнительных поперечных сил, в противном случае она также должна быть усилена. Фундаменты во многих случаях могут воспринимать большую нагрузку, так как грунтовое основание под зданием с течением времени сильно уплотняется.Надстройка
Дальнейшее расширение здания путем надстройки легко осуществимо при стальном каркасе, так как усиление каркаса нижних этажей не вызывает затруднений, а кровля должна быть вскрыта только в местах стыковки колонн. Остальная часть кровли может оставаться на месте до окончания надстройки. Элементы стального каркаса легки и могут быть смонтированы над старым зданием краном с большим выносом стрелы. При надстройке особенно рекомендуется применение сборного облегченного перекрытия, чтобы ускорить работы.Перестройка лестниц
Если стены лестничной клетки не выполняют одновременно функцию обеспечения жесткости здания, то в многоэтажном здании из стальных конструкций можно ставить дополнительные лестницы. 4-я степень гибкости
Наибольшая степень гибкости — это создание такой конструкции здания, которая может полностью (до фундамента) разбираться с использованием ее элементов для других целей. При этом как основные строительные конструкции, так и ограждающие конструкции и техническое оборудование должны быть выполнены из стандартных элементов, которые могут быть демонтированы (рис. 4). При разборке будут разрушены лишь некоторые элементы покрытий и перекрытий, например кровля, настилы.
В качестве примера основной несущей системы могут быть названы:
- объемный фахверк Моро из сварных труб;
- система конструкций университетских зданий, возводимых по способу Крупп-Монтекс 5, а также другие несущие конструкции, которые используются большей частью для зданий определенных типов.
Производство строительных работ
Сокращение периода строительства
Экономичность строительства в большой степени определяется его сроками. Период строительства может быть сокращен следующими мерами:- заблаговременным детальным планированием поставки конструкций;
- детальной разработкой процесса монтажа;
- точным планированием всех рабочих процессов.
Короткий монтажный период
Монтаж стальных конструкций значительно ускоряется, если они монтируются из готовых элементов. Монтажные соединения большей частью болтовые, не требующие времени для включения в работу. Большая точность изготовления стальных конструкций упрощает и ускоряет монтаж. Одним краном при работе его в одну рабочую смену можно смонтировать за месяц от 200 до 300 т стальных конструкций, таким образом месячная производительность одного крана составляет 20 000 м3 перекрытого объема здания. При работе нескольких кранов и введении нескольких смен можно соответственно повысить производительность монтажа.Независимость от погодных условий
Монтаж стальных конструкций не зависит от погоды и времени года. Зимний перерыв в работах или защитные меры, необходимые в северных странах при монтаже железобетонных конструкций, не требуются при сооружении из стальных конструкций.Короткий период дополнительных работ
Если для ограждающих конструкций стального каркаса будут выбраны готовые сборные конструкции, состоящие из отдельных элементов, перекрытий, лестниц, наружных стен, кровли и внутренних стен, то производство всех основных строительных работ, исключая отделочные, не зависит от погоды и времени года. Короткий период монтажа стального каркаса необходимо использовать для сокращения общего времени строительства. При монтаже ограждающих конструкций из сборных элементов в сооружение не вносится излишней влаги.Сокращение общей продолжительности строительства
Преимущество в сроках возведения многоэтажных сооружений из стальных конструкций по сравнению с другими видами строительства часто является решающим основанием для выбора стальной конструкции даже при более высокой стоимости строительства. При строительстве очень крупных зданий можно сократить период строительных работ до нескольких месяцев. Особенно большие преимущества в сроках строительства из стали достигаются, если монтаж производится и в зимнее время.Ограниченные размеры строительной площадни
Для монтажа сооружений из стали требуются ограниченные площади на месте строительства, так как при хорошо организованной доставке материалов и изделий нет необходимости в промежуточном складировании. В большинстве случаев достаточно площади, необходимой для монтажного крана и транспортных средств для подвозки материалов. Это соображение часто бывает решающим для выбора стального несущего каркаса при строительстве в городах с ограниченными земельными площадями.Процессы монтажа сооружений из стальных конструкций практически бесшумны; на строительной площадке мало мусора и пыли.
Строительство в труднодоступных и отдалённых районах
При отдаленном расположении места строительства в качестве строительного материала применяется исключительно сталь, как, например, в высокогорных или арктических областях. При этом во многих случаях монтаж может быть выполнен даже без монтажных кранов — с помощью домкратов и лебедок.Огнезащита, защита от коррозии, звукоизоляция
Многократно утверждалось, что сооружения из стали из-за расходов на выполнение требований защиты от огня, коррозии и шума неэкономичны. Это представление не соответствует действительности. Существуют современные дешевые методы для создания конструкций, отвечающих всем необходимым требованиям.