Развитие конструктивных схем каркасных зданий

Применяемые каркасные схемы можно подразделить на несколько разновидностей по статической схеме работы и материалу каркаса. По статической схеме — на рамные, рамно-связевые и связевые. По материалу каркаса — на стальные и железобетонные. Последние выполняются в монолитном и в сборном вариантах.

В каркасах рамной системы все вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами. В рамно-связевых каркасах в восприятии горизонтальных нагрузок участвуют как связи — диафрагмы жесткости, так и рамы, и степень их участия в работе определяется соотношением жесткостей той и другой системы. В связевой системе ветровая нагрузка полностью воспринимается связями, а рамы, «освобожденные» от ветровых усилий, работают только на вертикальную нагрузку.

Возведение зданий каркасной конструкции началось в конце прошлого века и довольно быстро распространилось по странам Америки и Европы. Конструкции каркасных зданий за это время прошли значительную эволюцию.

Обобщение и анализ опыта зарубежного и отечественного каркасного строительства позволяет выявить определенные тенденции его развития и выбрать наиболее рациональные конструктивные схемы для применения в отечественном многоэтажном строительстве.

1. Развитие каркасного строительства за рубежом

Первым зданием каркасной конструкции в США следует считать построенное архитектором Дженнеем в 1883 г. 10-этажное здание с чугунными внутренними и наружными колоннами, поддерживающими перекрытия. Уже в этом здании наружная стена несет только собственный вес и не поддерживает перекрытия.

В 1891 г. в Чикаго было сооружено 13-этажное здание «Тасота», а в 1893 г. 20-этажное здание, в котором простенки, утратившие свои конструктивные функции, были оторваны от фундамента и подвешены на каркасе, причем чугунные колонны заменены стальными. В этих зданиях впервые коренным образом меняются функции стен: из несущих конструкций они превращаются в заполнение каркаса.

В связи с изменением функции стен возникла необходимость в новых конструкциях, которые должны были обеспечивать жесткость и устойчивость многоэтажных зданий. Этими конструкциями стали жесткие вертикальные плоскости каркаса, предназначенные создавать совместно с горизонтальными жесткими плоскостями-перекрытиями необходимую пространственную жесткость и устойчивость здания.

В годы, предшествующие второй мировой войне, ведется интенсивное строительство небоскребов.

Осторожность и стремление к увеличению надежности конструкции каркаса привели в первый период многоэтажного строительства к конструированию исключительно связевых схем каркасов, которые на уровне строительной техники того времени наиболее полно обеспечивали надежную работу каркаса по восприятию ветровых нагрузок.

Тенденция к переходу от связевых к рамным схемам каркаса привела во второй период строительства небоскребов к созданию промежуточной комбинированной схемы — рамно-связевой. Комбинированная схема каркаса получила наиболее широкое распространение в 30-х годах при сооружении самых высоких зданий «Эмпайр Стейт» высотой 102 этажа, здания «Рокфеллер центр» высотой 93 этажа, здания «Крайслер» в 77 этажей и др.

Наряду с комбинированной схемой каркасов позже, в 40-х годах, начали применяться для зданий меньшей этажности каркасы рамной схемы, что было связано с появлением сварных конструкций узлов, отличающихся высокой жесткостью.

В начале XX в. после научного обоснования расчета железобетонных конструкций железобетон находит применение и для каркасов многоэтажных зданий. Первое многоэтажное здание высотой 16 этажей с железобетонным каркасом было построено в г. Цинциннати в 1902 г. При проектировании железобетонных каркасов схемы стальных каркасов были повторены без существенных изменений. Однако железобетонные каркасы получили в американской практике многоэтажного строительства значительно меньшее распространение, чем стальные. Так, по данным Американского института стальных конструкций, из 5000 каркасных зданий высотой более 10 этажей, построенных в США до 1966 г., лишь 780 (т. е. около 15%) решены в железобетоне.

Основными причинами относительно меньшего применения железобетонных каркасов были: большая трудоемкость железобетонных конструкций и невозможность индустриальных методов производства работ; более длительный срок выполнения; сложность производства работ в зимнее время. Все же неоспоримые достоинства железобетонных каркасов, заключающиеся в резком снижении расхода стали (в 3 или 4 раза) при одновременном значительном увеличении (в несколько раз) пространственной жесткости каркаса, способствовали применению монолитного железобетонного каркаса для многих многоэтажных зданий.

Однако более чем 50-летняя практика зарубежного строительства не дала рациональных решений железобетонных каркасов.

Показателем рациональности компоновки и конструктивного решения каркаса может служить расход стали на каркас, исчисленный на 1 м³ здания. Представляют интерес данные по расходу стали на каркасы ряда американских зданий, построенных в довоенный (до 1941 г.) период (см. табл. 9.1).

Оригинально конструктивное решение построенного в 1960 г. 30-этажного здания фирмы «Пн-релли» в Милане (рис. 9.1). Основой конструкции служит железобетонный каркас; жесткость и устойчивость здания обеспечиваются пространственными системами железобетонных диафрагм, расположенных в торцовых частях здания. Каркас здания выполнен в виде мощных железобетонных пилонов, расположенных с большими шагами в продольном направлении: 11; 14; 11 м.

Толщина пилона по мере увеличения нагрузки развивается с 50 до 200 см. Конструкция перекрытий выполнена в виде железобетонных продольных ригелей, опертых на пилоны, и второстепенных балок, несущих монолитные плиты перекрытий. Наружные стены в основном легкие, навесные из стеклопанелей в алюминиевом фахверке; на отдельных участках по архитектурным соображениям стены выполнены в виде заполнения из кирпича с облицовкой естественным камнем.

Другим типом является 20-этажное административное здание фирмы «Эни», построенное в 1960—1962 гг. в Риме. Несущие конструкции выполнены в виде стального каркаса: по статической схеме каркас относится также к связевой системе. Диафрагмы жесткости — в виде железобетонных стенок, расположенных в торцовых частях здания. Перекрытия железобетонные, монолитные. Компоновка каркаса и здесь отличается применением крупного поперечного модуля — 13 м. Такое конструктивное решение отвечает задаче создания условий для гибкой планировки, а также стремлению получить, большие залы без промежуточных опор.

В последние годы в строительстве многоэтажных зданий в странах Европы начинают применяться сборные железобетонные конструкции. Примером может быть применение для ряда зданий в Лондоне сборных конструкций системы «Ленгуол».

Наиболее характерные особенности современного многоэтажного каркасного, строительства в Европе следующие: использование конструктивных схем каркасов связевой системы с выполнением диафрагм жесткости в виде монолитных стенок; стремление к увеличению модульных ячеек каркаса ради получения широкой свободы в планировочных решениях, даже в ущерб расходу материалов — стали и бетона; выполнение каркасов либо из металла, либо из монолитного железобетона, что определяется в разных странах конъюнктурными соображениями; попытки использовать в многоэтажном строительстве сборные железобетонные конструкции.

В современной американской практике строительства многоэтажных зданий наряду с традиционными в последнее время появился ряд новых решений.

В отдельных сооружениях привычный тип каркаса с кирпичным заполнением наружных ограждений между колоннами заменяется конструкцией, состоящей в плане из двух концентрических, входящих одна в другую, стен, которые образуют совместно работающее внутреннее ядро и наружную «оболочку» с опирающимися на них междуэтажными перекрытиями. Эта система получила название «tube-in-a-tube» (труба в трубе) (рис. 9.2). Несколько зданий такой ядро-оболочковой конструкции уже возведено.

В пределах центрального «ядра» располагаются лифты, лестничные клетки, все основные инженерные коммуникации. Окружающая площадь, не стесненная несущими конструкциями, наиболее эффективно используется в планировочном, функциональном отношении. При этом применяются широкие в плане здания и глубокие рабочие помещения, имеющие искусственное освещение и кондиционированный воздух.

В этих условиях становится возможным более выгодно использовать объем здания и благодаря резкому сокращению периметра и площади наружных ограждений снизить стоимость рабочих площадей.

Ядро-оболочковая система уже получила несколько конструктивных разновидностей. В зданиях относительно небольшой высоты, где планировочное решение позволяет создать развитое в плане ядро жесткости, можно обойтись только одним внутренним ядром, не включая конструкции наружных ограждений в работу на восприятие горизонтальных нагрузок и обеспечение общей жесткости и устойчивости сооружения. Для зданий большой высоты, напротив, целесообразно использовать совместную работу внутреннего ядра жесткости и наружной оболочки. Она может обеспечиваться балками перекрытий или введением в пределах технических этажей ростверков, рассчитанных на восприятие сдвигающих усилий, которые возникают при совместной работе внутреннего ядра жесткости и наружной оболочки. В таких случаях обе конструкции должны опираться на единый фундамент — общую железобетонную плиту или систему глубинных опор. Ядро-оболочковой конструкции стараются придать симметричное в плане очертание, чтобы избежать закручивания при действии ветровой нагрузки.

Конструкция наружной оболочки — наружных стен — имеет в американской практике строительства несколько различных вариантов: традиционная схема несущей стены из кирпича или из монолитного бетона, выполняемого, в частности, в подвижной опалубке; каркасная система из стальных колонн и горизонтальных ригелей, образующих рамную (портальную) конструкцию (рис. 9.2, б). способную воспринимать как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки и, таким образом, представляющую в статическом отношении систему в виде оболочки; решетчатая система наружной стены, представляющая собой сетчатую оболочку; нагрузка от перекрытий передается на эту систему в местах пересечения диагональной решетки (рис. 9.2, в, г).

Таким образом, эволюция конструктивной схемы наружных ограждений (несущие тяжелые каменные стены, затем превращение их в навесные ограждения) снова привела к возвращению им функций несущей конструкции, но в новом качестве.

Новому конструктивному характеру наружных ограждений — наружной «оболочки» — отвечают архитектурные приемы компоновки фасадов. С этой точки зрения представляет интерес решение несущей бетонной стены с расположенными в шахматном порядке проемами (здание «Хилтон отель» в Сан-Франциско), что дает возможность усилить конструкцию стены арматурой, располагаемой как в вертикальном, так и в диагональном направлении (рис. 9.2, б).

Наиболее характерным примером новой конструкции является строящееся в Нью-Йорке 110-этажное здание Международного торгового центра (рис. 9.3). В конструктивном отношении здание решено как пустотелая вертикальная консоль с решетчатыми стенами, рассчитанная на восприятие горизонтальной ветровой нагрузки порядка 220 кГ/м² и вертикальной нагрузки от собственного веса стены и перекрытий. Решетка наружных стен работает как безраскосная ферма (ферма Виренделя); она состоит из колонн коробчатого сечения, расположенных с шагом 1 м, и горизонтальных поэтажных связей. Колонны и связи облицовываются и одновременно с конструктивным назначением выполняют соответственно функции простенков и подоконных стеновых панелей. Внутренними опорами служат стены центральной лифтовой шахты. Таким образом, внутренние колонны в здании отсутствуют.

Перекрытия представляют собой пространственную коробчатую конструкцию пролетом около 20 м, которая состоит из перекрестных стальных решетчатых элементов и волнистых металлических листов, являющихся опалубкой. Заполнение— плита перекрытия, выполняемая из легкого бетона. Балки перекрытия с одной стороны опираются на наружные стены, с другой — на стены шахты.

Фундаментами здания служат массивные железобетонные опоры пятиэтажной подземной части, которая предназначена под гараж и доходит в глубину (около 21 м) до скального материкового-основания.

Другой пример использования аналогичных конструктивных принципов — строящееся в г. Хьюстоне (штат Техас) 52-этажное административное здание (рис. 9.4). Все несущие конструкции здания выполнены из легкого бетона (объемным весом 1800 кг/мг и пределом прочности на сжатие 420 кГ/см²). Инженерно-технические коммуникации, лифты, лестницы, служебные и вспомогательные-помещения сосредоточены в центральной шахте, служащей также внутренней опорой здания. Наружная оболочка выполняется в виде системы колонн, расположенных с шагом 1,8 м. Ширина сечения колонны 45 см, высота переменная — от 60 до 120 см. Колонны выступают из плоскости наружных стен, что придает зданию архитектурную выразительность.

Значительный интерес в конструктивном отношении представляет законченное в 1967 г. 45-этажное административное здание в Монреале (Канада)', построенное по проекту инж. Нерви. Особенностью этого здания является решение внутреннего ядра, выполненного в плане в виде креста, который расположен в пределах лифтового узла (рис. 9.5).

Важное достоинство такой компоновки диафрагм — отсутствие в них проемов, и отверстий. При традиционных же компоновках связевых систем, которые, как правило, выполняются по периметру лифтовых шахт или располагаются в пределах перегородок, разделяющих различные помещения, в диафрагме жесткости, всегда имеется большое количество отверстий и проемов, значительно ослабляющих конструкцию и усложняющих ее выполнение.

В работу связевой системы на восприятие горизонтальных нагрузок включены наружные колонны каркаса, что осуществляется через ростверки, расположенные в пределах технических этажей. В данном случае колонны получают только дополнительные вертикальные нагрузки. Включение наружных колонн в работу общей связевой системы на горизонтальные нагрузки значительно облегчает систему и одновременно повышает общую жесткость здания, обеспечение которой становится по мере роста высоты сооружений важнейшей и наиболее сложной инженерной проблемой.

Анализ опыта зарубежного строительства каркасных зданий позволяет сделать ряд выводов.

Конструктивные схемы каркасных зданий прошли путь развития от связевых к рамно-связевым и рамным, а затем к пространственно-связевым. В последней схеме каркаса удается получить высокую жесткость при наименьшем по сравнению с другими схемами расходе стали. В конструктивном отношении представляют интерес для использования в нашем строительстве решения ядро-оболочковых систем (речь идет не о механическом использовании этих решений, а об их творческой переработке с учетом особенностей и тенденций развития отечественного строительства).

Стремление к увеличению пролетов между колоннами каркаса, заметное в зарубежном строительстве последних лет, сопряжено со значительным увеличением расхода материала на каркас и, особенно, на перекрытия, и объясняется зачастую рекламными целями.

Компоновки каркаса по-прежнему не отличаются четкостью; конструкторы, выполняя требования свободы объемно-планировочных решений, не уделяют должного внимания снижению расхода материалов и трудоемкости. Такой подход неприемлем для советской школы проектирования.

Конструктивные решения каркасных зданий в сборном железобетоне, которые в наибольшей мере могли бы соответствовать тенденциям развития отечественного многоэтажного строительства, находятся за рубежом еще в начальной стадии развития (значительно отставая от других областей применения сборного железобетона) и не представляют для нас интереса.

2. Развитие конструктивных схем каркасных зданий в Советском Союзе и особенности работы различных конструктивных схем

Опыт строительства 1950—1953 гг.

Значительную роль в развитии строительной техники в многоэтажном строительстве сыграло возведение первых высотных зданий в Москве в 1950—1953 гг.

Для сопоставления принятых решений каркасов московских высотных зданий проведена классификация их по двум основным признакам: по конструктивной схеме и по примененным материалам. Показатели удельного расхода стали на 1 м³ здания и жесткости конструкции иллюстрируются табл. 9.2.

Все это указывало на необходимость поиска принципиально новых форм связей.

Такой качественно новой конструктивной формой каркаса связевой схемы следует считать каркас с пространственной системой связей, примененный впервые в здании на Котельнической набережной, затем в проекте административного здания в Зарядье и в здании Дома культуры и науки в Варшаве.

Пространственная система связей, состоящая из железобетонных стенок, связанных между собой и образующих единую складчатую оболочку, обладает высокой жесткостью, многократно превышающей жесткость других систем каркасов, и минимальным расходом стали (см. табл. 9.2 и 9.3), а также четкой статической работой: вся ветровая нагрузка, приходящаяся на здание, воспринимается пространственными связями, рамы же работают только на вертикальную нагрузку. Также весьма незначительны возникающие в связевых колоннах продольные усилия от ветровой нагрузки (составляющие, например, в здании на Котельнической набережной всего лишь от 10 до 23% величины полного усилия на колонну); соответственно невелики и вызываемые ими продольные деформации колонн, а следовательно, малы перекосы в панелях, примыкающих к пространственной связи. Так, например, в здании на Котельнической набережной прогиб верхнего этажа составляет 1/3850 высоты здания, а перекосы панелей — 1/2500.

Удельный расход стали на каркасы с пространственной системой связей (здания на Котельнической набережной и в Зарядье) ниже на 20—30% расхода стали в каркасах рамной или рамно-связевой системы, выполненных из одного и того же материала (см. табл. 9.2).

Достоинства этого типа каркаса с пространственными связями — высокая жесткость наряду с большой экономичностью — по сравнению с каркасами рамной системы или рамно-связевой особо убедительны при сопоставлении вариантов каркаса здания Гидропроекта (неосуществленные варианты проекта см. рис. 9.9 и табл. 9.3).

Высокая экономичность каркасов с пространственной системой связей достигается осуществлением ведущего требования рациональной компоновки — принципа концентрации материала: четким расчленением работы каркаса на ветровую и вертикальную нагрузку и сосредоточением всей ветровой нагрузки на системе пространственных связей.

В каркасах с пространственными связями значительно снижается вес колонн и ригелей рам благодаря работе их в этом случае лишь на вертикальную нагрузку (табл. 9.4).

Значение ростверка состоит в том, что он вовлекает в работу на ветровую нагрузку также и смежные со связью колонны. Возникающие при этом продольные усилия в несвязевых колоннах от ветрового напора вызывают продольные деформации колонн и, таким образом, значительно снижают перекосы в панелях, примыкающих к связи, и депланацию перекрытий.

Значение ростверка наглядно иллюстрируется графиком на рис. 9.7, где сопоставлены схемы деформации связевой оболочки здания в Зарядье без учета и с учетом работы ростверка. Наибольшие перекосы, возникающие в системах без ростверка в верхней части каркаса, под влиянием работы ростверка переносятся ближе к середине высоты каркаса, причем абсолютная величина перекосов уменьшается в 2—2,5 раза. Вместе с тем влияние ростверка сказывается на уменьшении изгибающего момента в связи-оболочке на 25—30%.

Применение пространственных связевых систем следует признать, безусловно, целесообразным при следующих объемно-планировочных решениях зданий: при башенной композиции с квадратной или близкой к квадрату формой плана (рис. 9.10), с различными открылками, в зданиях с усложненной конфигурацией плана. Предельная длина открылков, при которой возможно обойтись без устройства в них специальных связевых стенок, зависит от степени жесткости междуэтажных перекрытий и от жесткости центральной группы связей на закручивание.

Рациональность применения пространственных связевых систем возрастает с увеличением этажности здания.

Второй по степени важности проблемой по изысканию рационального решения каркаса является выбор материала. В первых московских высотных зданиях нашли применение два разных по материалу типа каркаса: стальной и железобетонный с жесткой арматурой. Сопоставление железобетонных и стальных каркасов показывает, что преимуществами с точки зрения экономии стали и жесткости обладают железобетонные каркасы (табл. 9.5).

Рассмотренные принципиальные положения были приняты как основа конструктивного решения единого унифицированного каркаса многоэтажных зданий.

Оптимальным решением при проектировании каркасов связевой системы является пространственная компоновка связей в виде связевого ядра (рис. 9.10). Если по архитектурно-планировочным соображениям такая компоновка связей невозможна, связевые диафрагмы могут быть выполнены плоскими при обязательном условии проектирования их сквозными на всю ширину здания. Благодаря высокой жесткости таких систем, расстояние между связевыми стенками может быть увеличено до 48 м, что обеспечивает необходимую гибкость планировки (особенно ценную в- общественных сооружениях).

Проектирование связевых систем в виде отдельных, «разбросанных» в плане здания стенок нецелесообразно и может быть допущено только в каркасных зданиях относительно небольшой высоты — до 16 этажей. Недостатком первых каркасных зданий, например домов серии МГ-601Д, является именно неудачная компоновка связевой системы, принятой в виде отдельных узких стенок, обладающих малой изгибной жесткостью (рис. 9.11). Это привело к необходимости выполнения большого количества связевых диафрагм, расположенных с шагом всего 12 м, что сделало конструкцию каркаса трудоемкой и неэкономичной по расходу материалов. Достаточно сказать, что если бы отдельные связевые диафрагмы были объединены в общую связе-вую систему с шириной, равной ширине здания, расстояние между связевыми стенками можно было бы увеличить с 12 до 30 м, получив при этом более высокую жесткость здания.

Не следует располагать сборные железобетонные стенки жесткости по торцам здания, так как это значительно усложняет конструкцию наружных торцовых навесных стен.

При устройстве проемов в плоскости связей в среднем модуле здания рекомендуется выполнять стенку жесткости в этих пределах с перемычкой, обеспечивающей совместную работу отдельных связевых стенок как единого элемента, т. е. рассчитанной на восприятие сдвигающих усилий.

Унифицированный сборный железобетонный каркас положен в основу всех строящихся и намечаемых к строительству в Москве многоэтажных зданий. Рассмотрим в качестве примера несколько характерных сооружений, выполненных с применением унифицированного каркаса.

В 1967—1968 гг. завершено сооружение крупнейшего комплекса на проспекте Калинина. Комплекс состоит (рис. 9.12) из четырех 26-этажных административных зданий на южной стороне проспекта и пяти 25-этажных жилых домов-башен на северной стороне, объединенных с каждой стороны проспекта двухэтажными стилобатами, в которых располагаются торговые помещения, рестораны, кафе и другие общественные предприятия.

В качестве конструктивной основы зданий на проспекте Калинина принят сборный железобетонный унифицированный каркас.

Такой крупнейший комплекс сооружений объемом более миллиона кубических метров удалось осуществить в короткие сроки только благодаря высокому индустриальному уровню сооружений — применению сборных железобетонных конструкций.

В основу компоновки каркаса положена ячейка 4,5+3+4,5 м с поперечным расположением ригелей, с продольным шагом рам каркаса 6 м. Длина административного здания — около 110 м. План здания имеет излом в центре под углом 150° и два симметричных крыла. Ветровые связи решены в виде трех систем диафрагм жесткости — двух торцовых стен и центрального пространственного ядра (рис. 9.12). Ветровые связи в типовых этажах монолитные железобетонные с жесткой несущей арматурой, которая обеспечивала монтажную жесткость каркаса на 3—4 яруса от уровня обетонировки.

Типовые этажи (начиная с третьего) решены с применением сборного унифицированного каркаса. Перекрытия выполнены из многопустотных настилов пролетом 6 м, шириной 1,5 м. В нижних пяти этажах, включая два подвала, выполнен монолитный каркас со сборными поперечными ригелями. Армирование колонн осуществлено в виде несущих арматурных каркасов, обеспечивающих монтаж перекрытий до бетонирования колонн на 3—4 этажа. Наружные стены— из керамзитобетонных ленточных панелей толщиной 34 см с облицовкой стеклянной плиткой.

Новый ансамбль сооружений на проспекте Калинина завершается комплексом зданий Совета Экономической Взаимопомощи (рис. 9.13). Комплекс состоит из трех основных частей: административного 31-этажного корпуса, стилобата и 13-этажного корпуса гостиницы. Для высотного корпуса применен унифицированный каркас. Его жесткость обеспечивается пространственной системой диафрагм, расположенных в центральной части здания. Сетка колонн принята 6Х6 м. В нижних этажах колонны запроектированы с несущими стальными сердечниками в железобетонной обойме. Такое решение позволило сохранить одинаковое во всех этажах минимальное сечение колонн (40X40 см) и применить для всех этажей один тип сборного железобетонного ригеля с одинаковым его закреплением как на железобетонных колоннах, так и на стальных сердечниках. Перекрытия выполнены из многопустотных настилов с замоноличенными стыками, и только небольшие участки примыкания к стенам жесткости осуществлены в монолитном железобетоне. Наружные стены здания — из легких навесных панелей (см. главу 12).

Оценивая конструктивные решения многоэтажных зданий на проспекте Калинина, следует отметить, что введение в систему каркаса монолитных диафрагм жесткости значительно повысило трудоемкость и усложнило возведение каркаса. Включение в конструкцию диафрагм жесткости мощных стальных конструкций для того чтобы приблизить сроки возведения монолитных диафрагм к темпу монтажа сборного каркаса, привело к резкому увеличению расхода металла (примерно на 15—20%, что составило около 1000 т на одно здание) и лишило инженерной логики саму конструкцию диафрагм, в которых бетон оказался по существу нерабочим материалом. Значительно увеличило трудоемкость строительства и широкое применение монолитного железобетона в каркасе нижних 5 этажей, что противоречит индустриальному решению всего каркаса (достаточно сказать, что продолжительность возведения нижних 5 этажей значительно превышала продолжительность монтажа верхних 20 этажей).

22-этажная гостиница «Националь» (рис. 9.14) имеет простой прямоугольный объем с размерами в плане 15X66 м, с сеткой колонн 6x6 м и в среднем пролете 6X3 м. В конструктивном решении здания применен унифицированный каркас; связевые стенки приняты длиной, равной ширине здания.

Колонны нижних этажей, имеющие «нестандартную» высоту, выполнялись монолитными железобетонными с жесткой арматурой.

Особенностью конструктивного решения 20-этажных гостиниц на Смоленской площади, выполненных на основе унифицированного каркаса с единой модульной ячейкой 6X6 м, является компоновка связевой системы в плане в виде двутавра (рис. 9.15), состоящего из сборных железобетонных стандартных панелей. Решение фасадной композиции зданий в виде системы эркеров показывает широкие архитектурные возможности, которые открывает применение унифицированного каркаса с использованием ограниченной номенклатуры дополнительных изделий, в данном случае — двух элементов перекрытия эркера и элементов стеновой панели.

Каркас с крупной модульной ячейкой применен в строительстве 27-этажного здания института Гидропроект, здания общесоюзного телецентра в Останкине, Государственной картинной галереи, административного здания ЗИЛ и многих других. Рассмотрим в качестве примера здание Гидропроекта, конструкции которого впервые были осуществлены с применением каркаса этого типа.

27-этажное здание института Гидропроект (рис. 9.16) выполнено в виде простого по форме объема. Прямоугольный план здания способствует четкой компоновке повторяющихся этажей, где размещены основные рабочие помещения. В здании применена сетка колонн 9X9, и 6X9 м, что дает возможность удачно решить планировку помещений и освободить большие проектные залы глубиной 9 м от промежуточных колонн.

Основную несущую конструкцию надземной части здания составляет железобетонный связевый каркас, состоящий из колонн, сборных железобетонных стенок жесткости, ригелей и настилов.

Стенки жесткости запроектированы в виде пространственной системы, имеющей в плане форму двутавра. Их конструкция выполнена сборно-монолитной из отдельных плоских железобетонных панелей толщиной 20 см, соединенных между собой и с колоннами с помощью сварки закладных деталей и конструктивного замоноличивания. Конструктивная схема здесь четко и логично взаимосвязана с объемно-планировочным решением здания — связевые стенки разделяют пространство этажей на отдельные рабочие залы, обеспечивая при этом повышенную звукоизоляцию помещений.

Конструкции перекрытий (ригели и настилы) выполнены из сборного железобетона, настилы перекрытий — ребристые предварительно напряженные типа 2Т, опирающиеся на нижнюю полку тавровых ригелей. Колонны каркаса, воспринимающие значительные нагрузки — до 1600 т, являются единственным элементом здания, который на первом этапе решен с применением монолитного бетона и выполнен с металлическими сердечниками. Бетонирование колонн осуществлено индустриальным методом — путем подачи и укладки бетона с помощью бетононасосов.

Наружные стены — в виде легких навесных стеклопанелей размером 3x3,6 м (см. главу 12).

Некоторые выводы о целесообразных конструктивных схемах каркасных зданий

Индустриальные методы полносборного домостроения, которые еще недавно применялись только в пятиэтажном строительстве, за последние годы начали широко использоваться в строительстве крупнейших административных и общественных зданий повышенной этажности.

Накопленный опыт возведения таких зданий позволяет в настоящее время рассмотреть ряд вопросов о выборе наиболее оптимальных конструктивных решений, которые бы отвечали современным требованиям в области проектирования, производства работ и экономики. Для проведения такого технико-экономического исследования нами выбраны проекты административного здания Госплана СССР на проспекте Маркса, одного из корпусов на проспекте Калинина, а также зданий гостиницы «Националь» на ул. Горького, проектного института Гидропроект и здания Института хирургии им. Вишневского.

Конструктивные решения рассматриваемых зданий основаны на унифицированном сборном железобетонном каркасе.

Было проведено сопоставление сборного железобетонного унифицированного каркаса с традиционной конструкцией, широко применяемой в настоящее время за рубежом в виде стального каркаса (колонны, ригели, диафрагмы жесткости) с железобетонными перекрытиями.

Для обеспечения противопожарной и антикоррозионной защиты металлические конструкции обетонируются.

Методика исследования предусматривала разработку традиционного варианта стального каркаса для указанных зданий. Полученные в результате расчетов показатели стоимости, трудоемкости, расхода бетона и стали на устройство каркаса и перекрытий приведены в табл. 9.6.

Перспективным направлением, которое значительно расширяет возможности сборного унифицированного каркаса, является его сочетание с монолитным железобетоном (рис. 9.18), выполняемым наиболее индустриальными методами, например, в подвижной опалубке (см. ниже). Применение индустриального монолитного железобетона для таких элементов каркаса, как пространственные ядра жесткости, позволяет не только наиболее рациональным путем обеспечить жесткость (что становится сложнее с возрастанием высоты здания), но и открывает новые возможности для создания интересных архитектурных решений.

Успешное развитие каркаса во многом определяется рациональным решением конструкции его элементов, узлов, перекрытий, наружных ограждений. Предложения по этим конструкциям приводятся в главах 10—12.

3. Новые конструктивные решения зданий повышенной этажности

Конструкции здания гостиницы «Россия»

Новая конструктивная схема осуществлена в здании крупнейшей гостиницы «Россия» в Зарядье (рис. 9.17). Гостиница рассчитана на 6000 мест, или на 3182 номера; общий объем здания около 1 млн. м³.

Компоновка здания предусматривает размещение помещений общественного-назначения в нижней части в пределах подвала и первого этажа и лишь частично в центральной части корпуса — в пределах второго и третьего этажей; начиная со второго этажа и выше располагается жилая часть гостиницы. Такой прием компоновки позволил провести четкую типизацию параметров основного объема здания, т. е. создать основные предпосылки для индустриального возведения сооружения.

Конструктивная схема осуществлена в виде рамной системы, но не в традиционном исполнении, а в принципиально новом виде (см. рис. 9.17, б). Особенность этой рамной системы — использование ригелей высотой в этаж, что позволяет обеспечить наиболее простыми и экономичными средствами необходимую прочность и жесткость рамного каркаса. В этом решении в значительной мере удалось избежать недостатков обычных рамных систем, состоящих из отдельных колонн и ригелей, — их многодельности, сложности решения узлов примыкания ригелей к колоннам, трудоемкости сборки, недостаточного уровня индустриальности.

Применение этой конструкции может рассматриваться как попытка найти новые виды рамных систем, которые позволили бы им завоевать права гражданства в конструкциях многоэтажных зданий.

Конструктивная ячейка здания — 3,6X4,8 м; в поперечном направлении приняты три равных шага по 4,8 м.

Применение каркасной схемы имело в данном случае ряд существенных преимуществ по сравнению с панельной схемой, поскольку в бескаркасной схеме всегда требуется жестко фиксированное расположение внутренних поперечных стен.

В этой схеме размещение номеров разных типов (одно-пятиместных), а также помещений общественного назначения, лифтовых холлов, гостиных, поэтажных буфетов и др. неизбежно потребовало бы введения различных пролетов, что увеличило бы количество типоразмеров железобетонных конструкций.

На выбор конструктивной схемы оказало влияние размещение в первых этажах гостиницы помещений, которые по их функциональному назначению (вестибюли, рестораны и др.) должны перекрываться относительно большими пролетами. В силу этих соображений для здания гостиницы «Россия» и была принята каркасная система.

В этаже, где имеются балки-стенки, устраиваются двухместные номера. В следующих этажах, где Имеются только колонны, возможна свободная планировка и размещение в них номеров любой вместимости.

Основную несущую конструкцию здания составляют поперечные многоэтажные железобетонные рамы, расположенные через 3,6 м, которые воспринимают' все вертикальные и горизонтальные (ветровые) нагрузки и обеспечивают поперечную жесткость здания. В продольном направлении рамы соединены продольными балками, которые вместе с колоннами образуют продольные железобетонные рамы, обеспечивающие продольную жесткость здания.

Поперечные рамы образуются из сборных Н-образных элементов высотой 6 м и пролетом 4,8 м в осях. Н-образные элементы состоят из двух колонн, соединенных ригелем в виде двутавровой балки высотой в этаж, на верхние и нижние полки которой опираются плиты перекрытий. Стыки колонн Н-образных элементов расположены в середине высоты этажа, т. е. в зоне наименьших изгибающих моментов. Железобетонные стенки ригелей толщиной 8 см одновременно используются как перегородки между номерами.

По сравнению с применяемыми рамно-связевыми системами каркасов, состоящими из отдельных колонн, ригелей и диафрагм жесткости, при равном количестве бетона, новый тип рамного каркаса обладает, как показал опыт строительства, следующими преимуществами: значительно сокращается количество монтажных марок, так как Н-образный блок заменяет собой пять конструктивных элементов: две колонны, два ригеля и перегородку; в 5 раз сокращается количество сварных швов, так как резко уменьшается количество стыковых сопряжений ригелей с колоннами; сокращается расход рабочей арматуры благодаря большой высоте плеча внутренней пары ригеля в виде балки-стенки; отпала необходимость изготовления и монтажа только для западного корпуса 144 железобетонных диафрагм жесткости, так как Н-образные блоки воспринимают все вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Практика проектирования и исследования Н-образных конструкций приводит к выводу, что дальнейшее развитие таких систем должно идти в направлении увеличения пролетов до 10—12 м, где их несущая способность будет использована наиболее эффективно. Эффективность и целесообразность этого решения возрастает с увеличением этажности зданий.

Конструкции нижних этажей — подвала и первого этажа — выполнены из монолитного железобетонного каркаса с жесткой арматурой. Пространственная жесткость обеспечивается железобетонными стенками-диафрагмами. В целях создания условий для гибкой и свободной планировки крупных общественных помещений принят укрупненный продольный модуль — 7,2 м (3,6X2), а на отдельных участках — 10,8 м (3,6X3). Стойки рам основного объема здания опираются на продольные железобетонные неразрезные балки.

Анализируя и оценивая конструкции нижних этажей, следует признать недостаточную индустриальность этих решений и большой объем монолитного железобетона. Более строгий подход к типизации планировки нижних этажей позволил бы шире применить и в этой части здания сборные железобетонные конструкции.

Сборно-монолитные конструкции

Наряду с дальнейшим развитием рассмотренных конструктивных схем сборного железобетонного каркаса продолжаются поиски новых оригинальных конструктивных решений жилых и общественных зданий повышенной этажности.

Новые возможности в этом направлении открываются в связи с применением монолитного железобетона (так же как и в создании новых типов панельных зданий большой этажности, рассмотренных в главе 1).

Применение только сборных железобетонных конструкций каркаса в известной мерс сужает возможности компоновки зданий различной конфигурации. Кроме того, решение в сборном железобетоне связевых систем ограничивает высоту каркасных зданий в пределе 25, а в лучшем случае 30 этажами (при условии создания развитых в плаве диафрагм жесткости).

В этом отношении перспективно» представляется сборно-монолитная железобетонная конструкция, в которой пространственная система диафрагм в-виде ядра жесткости выполняется в монолитном железобетоне (например, в подвижной опалубке) и к этому ядру «привязывается» сборный железобетонный каркас, работающий здесь только на вертикальные нагрузки (рис. 9.18). Отработка технологии возведения таких конструкций позволит возводить эти здания на том же высоком индустриальном уровне, который достигнут при строительстве полностью сборных каркасов.

По своим технико-экономическим качествам (расходу материалов — стали,, бетона и по стоимости) такая конструкция также не уступает сборному унифицированному каркасу.

Важнейшим качеством каркаса рассматриваемого типа является возможность получать дома различной конфигурации и высоты, что настоятельно требуется по условиям застройки Москвы. Проведенные проектные проработки показывают, что такая конструкция каркаса может применяться для зданий высотой до 40—50 этажей.

В настоящее время разрабатывается ряд зданий большой этажности с таким конструктивным решением в сочетании с унифицированным каркасом, которые будут строиться в Москве в ближайшие годы (см. рис. 9.18, б).