Стальные рамы в строительстве

Обновлено: 28.03.2024

Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов - вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.

Основное компоновочное преимущество каркасных систем в свободе планировочных решений, в связи с редко расставленными колоннами, имеющие укрупненные шаги в продольном и поперечном направлениях. Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски перекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждающих конструкций, иногда воспринимая только собственный вес ( самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие - для несущих элементов каркаса, и тепло - звукоизоляционные материалы - для ограждающих. Использование высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что положительно сказывается на статических свойствах здания.

Каркасы, применяемые в гражданском строительстве, можно классифицировать по следующим признакам:

Рис. 16.1. Конструктивные схемы каркасных зданий


Рис. 16.1. Конструктивные схемы каркасных зданий 1. По характеру статической работы: (рис. 16.1)

  • рамные - с жестким соединением несущих элементов (колонны, ригели) в узлах в ортогональных направлениях плана здания. Каркас воспринимает все вертикальные и горизонтальные нагрузки.
  • рамно-связевые - с жестким соединением в узлах колонн и ригелей в одном направлении плана здания (создание рамных конструкций) и вертикальными связями, расставленными в перпендикулярном направлении рамам каркаса. Связями служат стержневые элементы (крестовые, портальные) или стеновые диафрагмы., соединяющие соседние ряды колонн. Вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами каркаса и вертикальными пилонами жестких связей.
  • связевые - отличаются простотой конструктивного решения соединений колонн с ригелями, дающее подвижное (шарнирное) закрепление. Каркас (колонны, ригели) воспринимает только вертикальные нагрузки. Горизонтальные усилия передают на связи жесткости - ядра жесткости, вертикальные пилоны, стержневые элементы.
  • железобетонный каркас, выполняемый в сборном, монолитном или сборномонолитном вариантах.;
  • металлический каркас, часто применяемый при строительстве общественных и многоэтажных гражданских зданий, возводимых по индивидуальным проектам ;
  • деревянный каркас в зданиях не выше двух этажей.
  • с продольным, поперечным, перекрестным или безригелъным решением.

Рамная система

Рамная система каркасных зданий обладает большой жесткостью, устойчивостью и создает максимальную свободу планировочных решений. Система обеспечивает надежность в восприятии нагрузок и равномерность деформаций рам, расположенных в здании в продольном и поперечном направлениях. Недостаток (при сборном железобетонном каркасе) - сложность в унификации узловых соединений из-за разных величин усилий в них по высоте здания. Такое решение железобетонного каркаса наряду со стальным находит применение в сложных грунтовых условиях и в сейсмических районах.

При изготовлении рамного каркаса из сборного железобетона применяется разрезка его несущих элементов на Г-Т-Н — образные элементы, позволяющая перенести узловые соединения в наименее напряженные участки - места нулевых изгибающих моментов от вертикальных нагрузок.

Рамно-связевая система

Рамно-связевая система обеспечивает пространственную жесткость за счет совместной работы поперечных рам, вертикальных диафрагм жесткости и перекрытий, выполняющих функцию жестких горизонтальных дисков. Вертикальные нагрузки передают на каркас как на рамную систему. Горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно плоскости рам, воспринимают вертикальные диафрагмы жесткости и диски перекрытий, а нагрузки, действующие в плоскости рам, воспринимает рамно-связевой блок, состоящий из вертикальных диафрагм жесткости и рам каркаса.

В результате проведенных теоретических исследований доказано, что рамно-связевая система удовлетворяет условию минимального расхода материала в несущих вертикальных конструкциях при нулевой жесткости поперечных рам, то есть когда система превращается в чисто связевую.

Связевая система

Связевая система все вертикальные нагрузки передает на стержневые элементы каркаса (колонны и ригели), а горизонтальные усилия воспринимают жесткие вертикальные связевые элементы (стеновые диафрагмы и ядра жесткости), объединенные между собой дисками перекрытий. В связевом каркасе ограничена прочность и жесткость стыков ригелей с колоннами. Узлы конструируют податливами с помощью стальных связей («рыбок»), ограничивающих защемление.

Рис. 16.2. Каркасное здание серии 1.020

Рис. 16.2. Каркасное здание серии 1.020 Внедрение связевой системы в производство элементов сборного железобетонного каркаса позволило провести широкую унификацию его основных элементов (колонн и ригелей) и их узловых соединений.

Разработана номенклатура индустриальных железобетонных изделий серии 1.020-1 (рис. 16.2), позволяющая возводить как гражданские, так и промышленные каркасно-панельные здания любой конфигурации и этажности.

В состав номенклатуры серии помимо колонн и ригелей, включены панели перекрытий, диафрагм жесткости и наружных стен.

Из унифицированных элементов могут быть запроектированы каркасы с продольным и поперечным расположением ригелей.

Габаритные схемы

Габаритные схемы компонуются на следующих условиях:

  • оси колонн, ригелей и панелей диафрагм жесткости совмещены с модульными осями здания;
  • шаг колонн в направлении пролета плит перекрытий равен 3,0; 6,0; 7,2, 9,0 и 12,0 м.
  • шаг колонн в направлении пролета ригелей соответствует 3,0; 6,0; 7,2 и 9,0м,
  • высота этажей в соответствии с назначением и укрупненным модулем ЗМ составляет 3,3; 3,6; 4,2; 6,0 и 7,2 м.

Компоновка диафрагм жесткости может быть разнообразной, но предпочтительнее устройство пространственных связевых систем открытого или замкнутого сечений.

Конструктивные элементы

Колонны имеют высоту в 2-4 этажа, что позволяет в зданиях, с соответствующей этажностью, применять бесстыковые колонны. Наряду с бесстыковыми колоннами в номенклатуру включены следующие типы колонн: - нижние высотой в два этажа и расположением низа колонны ниже нулевой отметки на 1,1м.; средние - высотой в три-четыре и верхние в один-три этажа. Предусмотрены колонны сечением 30x30 см для зданий высотой до 5-ти этажей и колонны сечением 40x40см для всех остальных. Колонны выпускаются двухконсольнымии и одноконсольными. Двухконсольные колонны устанавливают по средним и крайним рядам при навесных панелях наружных стен. Одноконсольные колонны располагают по крайним рядам при самонесущих наружных стенах и по средним рядам при одностороннем примыкании стен-диафрагм жесткости в лестничных клетках. Стык осуществляется на сварке выпусков арматуры с последующим омоноличиванием и расположением его выше плоскости консоли на 1050 мм.

Ригели - таврового сечения с полкой понизу для опирания плит перекрытия, что уменьшает его конструктивную высоту. Стык ригеля с колонной выполняет со скрытой консолью и приваркой к закладным деталям консоли и колонны (частичное защемление).

Перекрытия - многопустотные плиты высотой 220 мм и пролетом до 9,0м,. Плиты типа 2Т применяют для пролетов 9 и 12м. Элементы перекрытий разделяют на рядовые и связевые (плиты распорки). Связевые плиты перекрытия устанавливают между колоннами в направлении перпендикулярном ригелям, обеспечивая их устойчивость,

Перекрытия испытывают поперечный изгиб от вертикальных нагрузок и изгиб в своей плоскости от горизонтальных (ветровых, динамических) воздействий.

Необходимая жесткость горизонтального диска перекрытия, собираемого из сборных железобетонных элементов, достигается установкой связевых плит-распорок между колоннами, сваркой закладных соединительных элементов и устройством шпоночных швов из цементного раствора между отдельными плитами. Полученный жесткий горизонтальный диск, воспринимая все нагрузки, включает в совместную работу вертикальные диафрагмы жесткости.


Стены - диафрагмы жесткости монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, толщиной 140мм. и длиной, соответствующей расстоянию между колоннами в пределах, которых они установлены. При шаге колонн 7,2 и 9,0м стены-диафрагмы проектируют составными из двух-трех панелей, с координационными размерами по ширине 1,2, 3,0 и 6,0 м. Они могут быть глухими или с одним дверным проемом. Элементы диафрагм жесткости между собой и элементами каркаса соединяют сваркой закладных деталей, не менее чем в двух местах по каждой стороне панели с последующим замоноличиванием.

Рис. 16.3. Фрагмент фасада каркасного здания серии 1.020-1

Рис. 16.3. Фрагмент фасада каркасного здания серии 1.020-1 Шаг диафрагм определяется расчетом, но не превышает 36,0 м.

Панели наружных стен могут быть запроектированы самонесущими или ненесущими (навесными) конструкциями, (рис. 16.3). Разрезка стен на панели - двухрядная. В номенклатуру входят поясные простеночные, под карнизные, парапетные, цокольные панели.

Панели самонесущих стен устанавливают по цементно-песчаному раствору на цокольные или простеночные панели и крепят поверху к закладным деталям колонн. Панели ненесущих стен навешивают на ригели, консоли или опорные металлические столики колонн и закрепляют в плоскости перекрытия.

Привязка панелей самонесущих и несущих стен к каркасу единая - с зазором 20 мм между наружной гранью колонны и внутренней гранью панели наружной стены.

Изоляция стыков панелей решена по принципу закрытого стыка.

Московская строительная индустрия создала серию КМС-К1, также основанную по принципу работы связевой системы.

Рис. 16.4. Каркас серии KMC-К1

Рис. 16.4. Каркас серии KMC-К1 Компоновка каркаса здания может осуществляться как с продольным, так и поперечным расположением ригелей (рис. 16.4).

Компактные в плане отапливаемые здания длиной до 150 м проектируют без температурных швов. Здания с изрезанным очертанием плана, приводящее к ослаблению горизонтальных дисков перекрытий, расчленяют на температурные блоки, длина которых увязана с членением объемной формы здания, но не превышает 60 м.

Как и в серии 1.020.1 каркас KMC-KI собирают из колонн, ригелей, плит перекрытий, панелей жесткости и навесных панелей наружных стен.

Колонны - выполняют одно- и двух-этажными, единого сечения 400x400 мм, а их несущая способность меняется с изменением марок бетона и процента армирования переходом от гибкой (стержни) к жесткой (стальные профили) арматуре. В серии предусмотрены колонны рядовые, фасадные и колонны с вылетом консолей до 1,2 или 1,8 м., служащие опорами для плит балконов и лоджий.

Стык колонны располагают на 710 мм выше плиты перекрытия, что упрощает монтаж. При монтаже колонн применяют специальные кондукторы, обеспечивающие соосность. Соединение осуществляется ванной сваркой плоских торцов колонн, с последующей инъекцией цементного раствора.

Ригели - таврового сечения высотой 450, 600 и 900 мм (последний для пролетов в 12,0 м). Колонну соединяют с ригелем при помощи его опирания на скрытую (в высоте ригеля) консоль и с частичным защемлением установленной по верхней полки ригеля специальной фасонки - «рыбки », а также сваркой с закладными элементами консоли колонны. Значения воспринимаемых таким узлом изгибающих моментов и растягивающих усилий ограничены пределом текучести « рыбки». Поэтому в расчетах при восприятии вертикальных нагрузок защемление ригеля на опоре не учитывают, рассматривая его как шарнирное соединение.

Различают ригели рядовые и фасадные. Ригель фасадный имеет Z-образную форму, которая диктуется особенностью его работы - опирание плит перекрытий на нижнюю полку с одной стороны и навеской наружных стеновых панелей на верхнею полку с другой стороны.

Перекрытия - выполняют из многопустотных настилов высотой в 220 мм. Настилы различают в соответствии с размещением в плане - рядовые, фасадные, настилы-распорки, сантехнические и доборные.

Для создания единого диска перекрытия боковые поверхности настилов имеют шпоночные углубления, которые (после их раскладки) замоноличивают, создавая шпоночные швы, воспринимающие сдвигающие усилия.

Стены жесткости - проектируют из железобетонных панелей высотой на этаж и толщиной в 180 мм. Они имеют одну или две полки для опирания настилов перекрытий. Соединение с несущими элементами каркаса осуществляют при помощи стальных сварных связей числом не менее двух по каждой стороне.

Рис. 16.5. Фрагменты фасадных плоскостей каркаса КМС-1

Рис. 16.5. Фрагменты фасадных плоскостей каркаса КМС-1 Панели наружных стен - могут иметь горизонтальную или вертикальную разрезку по фасадной плоскости здания (рис. 16.5).

При двухрядной (горизонтальной) разрезки панели наружных стен подразделяют на поясные (ленточные), простеночные и угловые.

Координационные размеры панелей наружных стен горизонтальной разрезки по длине соответствуют шагу колонн, а по высоте составляют - 1,2; 1,5; 1,8 и 3,0 м. Простеночные панели могут быть высотой в - 1,5; 1,8 и 2,1 м, а шириной кратны модулю 300 мм.

При вертикальной разрезке - все размеры панелей по длине и высоте кратны модулю 300 мм.

Узел опирания панелей наружных стен унифицирован для разных систем разре-зок на панели фасадных плоскостей. Панели опирают на несущую конструкцию перекрытия (ригель, или настил) на глубину в 100 мм и приваривают при помощи закладных и соединительных элементов на расстоянии 600 мм в плане от оси колонны. Верх панели крепят к колонне, так же с помощью сварки соединительных элементов.

Горизонтальные стыки панелей наружных стен осуществляются в четверть с нахлесткой в 75 мм. Изоляция вертикальных и горизонтальных сопряжений панелей выполняется по принципу закрытого стыка.

Система позволяет создать многовариантные объемно-планировочные решения за счет применения колонн с консолями больших вылетов (1,2-1,8 м) для создания лоджий, консольных ригелей с вылетом до 3,0 м, образуюипгх выступающие объемы. Возможно устройство зальных помещений с пролетами в 18,0-24,0 м. Разнообразие архитектурных композиций зданий достигается применением двухрядной (горизонтальной) и вертикальной разрезки , так же различных вариантов защитно-отделочных слоев наружных стеновых панелей.

Рамный каркас стального здания

Рамная каркасная система - это удобная конструкция, состоящая из металлических балок, а также колонн и ригеля. Все это между собой крепится и создает рамную конструкцию. Крепеж в соединительных частях рамы осуществляется за счет соединительных болтов. Прибегая к полному усилению все детали удобно соединяются между собой. Вместо крепительных компонентов могут послужить высокопрочные болты, а также использование сварочного аппарата. Согласно новой систематизации происходит модернизирование и увеличение устойчивости конструкций.

Предназначение рамного каркаса

Система рамного каркаса обычно предназначается для построения любых жилых зданий, а также некоторых промышленных складов, сооружений, производственных помещений, и так далее. При помощи металлического каркаса можно будет соорудить здание высотой в 12 этажей. В дальнейшем осуществляется в виде сборных монолитных железобетонных конструкций. Колонны, а также ригеля в данном случае могут быть исполнены в виде сборной железобетнной конструкции. Для перекрывания применяются основные железобетонные сборные плиты с внутренним пространством.

Диафрагма жесткости обычно исполняются в монолитном варианте. Но совместно с ними иногда используют сборные железобетонные плиты. В виде наружной, а также внутренней стены обычно можно использовать небольшие материалы, возможно, применение крупных элементов.

Преимущества построения

Система всей конструкции рамного сооружения обычно предназначается для построения при хороших условиях, а также при условиях увеличенной сейсмичности площадки под строительство. Увеличение эффективной работы данных задач зачастую зависит от решений, связанных проектированием и построением жилых зданий, а также всевозможных общественных строений используемых конструкций, где также в наличии имеются основные технологические структуры производства строительного материала. Но данный проект наделен еще множеством разных преимуществ.

В области повышенной опасности рамный каркас был прекрасно оценен со стороны оптимальной затраты на покупке строительных товаров, а также при обеспечении строительства с основными и значительно приемлемыми показателями качества всей систематизации. Но все же, исполнение нормативного требования по полному обеспечению конструкционной надежности данной системы с использованием сборно-монолитных материалов популярных моделей ИИС- 04, 1020.1 - 2с сопрягается с дополнительными сложностями:

  • Применение основного числа предметов, которые наделены опалубочной формой, а также некоторыми конструктивными компонентами.
  • При установке появляется необходимость вмонтировать железобетонную перемычку над несколькими проемами во внутренних, а также наружных стенках строения.
  • Использования предварительного усиления при создании ригеля.

В данном случае вполне сложной считается определенная технология по процессу бетонирования, в том числе и прогревания монолитной опорной части ригеля в один из построечных условий при пониженной температуре.

Согласно с этим, проектировщики Кузбасса предложили лучшие предложения по техническому решению, где были модернизированы имеющиеся конструкции на основном конструкционном строении. На основании сборно-монолитного металлического каркаса, была полностью сформулирована концепционные проекции совершенно новейшей систематизации рамного построения. Именно данный вопрос в последнее время очень часто обсуждалась в правительстве, а также по поводу этого были посвящены очередные публикации СМИ.


К основным рамносвязевым конструкциям относятся все строительные системы, где использована несущая система жесткости в одностороннем расположении. Данные направления могут обеспечиваться жесткими рамными сооружениями, а также в другом варианте соединяться - диафрагмой жесткости. В данном случае (важнейшего направления) могут решиться все аналогичные конструкции вместе с рамными систематизациями, а общая жесткость построения в перпендикулярном направлении, согласно плоскостям рамы, может быть обеспечено диафрагмами вертикального расположения. Рамные варианты систем наделены высочайшим качеством по сравнению со связевыми конструкциями в целом.

Монтаж каркаса

Примером для формулировки конструкционных схем построения с рамными каркасами. В продольном построении трехэтажного здания связываются при помощи регелей, в результате образуют рамы с жесткими соединениями. В поперечном же образуются связевые плитки, облегченные для установки.

Практически все перекрытия могут собираться из заранее напряженной много пустотной плиты, изготовленной из облегченного бетонного материала, толщина, которой составляет всего 22 сантиметров. Чтобы полностью обеспечить жесткостью строения в любом поперечном расположении в торцовой части могут быть вмонтированы диафрагмы жесткости вертикального направления. Практически все соединительные детали могут быть исполнены при помощи сварочного аппарата, где все арматурные выпуски свариваются между собой.


К рамным каркасным конструкциям также обычно относятся каркасы, где использованы направления в качестве рамообразных сооружений, которые также способны устроить диафрагму жесткости. Все это в основном участвует в важнейшем восприятии нагрузок горизонтально расположения, и способны обеспечить полную устойчивость. В подобных систематизациях основным назначением рамного каркаса может стать полное снижение изгибов при перегружении элементной системы вертикального направления.

Любые рамные систематизации могут в дальнейшем дополнены стальными конструкциями, этим образуют систему с жесткими подключениями, которые частенько увеличивают общую жесткость систематизации в целом. К этому варианту рам можно отнести и системы, наделенные специальными поясами для жесткости.

Рамно-связевый каркас стального здания: особенности проектирования и строительства

Каркас - это система, состоящая из нескольких стержней, расположенных в вертикальном положении (колонн), а также горизонтальных балок, называющихся ригелями. Между собой вся конструкция объединена при помощи жестких дисков перекрытий, в том числе системой связующих элементов. Основной особенностью всех каркасных конструкций при планировке основных идей, связанные с расставлением различных колонн, которые имеют более укрупненные расстояния между продольной, а также поперечной направленности конструкций. Эта же конструкция разделяется на несущие и ограждающие виды сооружений.

Типы креплений и соединений

Несущим - называются колонны, ригели, а также диски для перекрывания. Именно данный компонент принимает все необходимые нагрузки. А при построении наружных стен используются ограждающие конструкции, которые предназначены для восприятия только в виде собственной весовой категории. Благодаря этому появляется потребность использовать прочнейшие, в том числе жесткие виды строительных материалов. Частенько используются в качестве несущих каркасных компонентов, и для установления тепло-звукоизоляции. При этом используются лучшие материалы в качестве ограждающих средств. Применение высококачественных материалов позволяет максимально добиться уменьшения общего веса строящегося построения. Именно данное построение положительно сказывается на различных статических конструкционных свойствах будущего здания.

Каркасные конструкции обычно используются в построении общественных, а также жилых построений. В последнее время они популярны при строении многоэтажных домов. В построениях, где использовались полые каркасные сооружения, то в качестве несущего остова идут колонны и ригели. Они же играют главную роль поперечных балок, которые служат в качестве подпорки. Колонны и ригеля между собой крепятся и создают образ рамы, способные нести нагрузку со всех сторон.

Стены, как важная часть конструкции

Основную роль всех ограждающих компонентов исполняют только наружные стены. В этом случае стены любого построения выполняются в виде навесных, но или самонесущих вариантов. Ненесущие варианты некоторых навесных стен, идущих в качестве обычных навесных панелей, крепятся к наружной части каркасной колонны.

Самонесущие варианты стен строятся на готовый фундамент, или же опираются на балки фундамента. Данные стены крепятся к основным каркасным колоннам. В некоторых жилых домах стены обычно делают в виде несущих, а каркасные колонны расположены во внутренней части здания. А ригеля устанавливаются промеж колонн, иногда используют технологию, где они же монтируются между наружными стенами и основными колоннами. Но такая система используется только в ограниченном количестве.


Характерные статические работы

Согласно статической работе все каркасные основания жилого строения распределяется:

  1. Рамные, идущие с жесткими соединяющими компонентами колонн, ригеля. Данный каркас предназначен для соединения вертикальных, а также горизонтальных нагрузок.
  2. Рамно-связевые, это устройства, оснащенные жесткими соединительными деталями в основных узлах колонн совместно с ригелями, расположенных в одной направленности согласно планировке всего здания, а также вертикальными связями, находящихся в параллельном направлении. В данном каркасном сооружении в виде связующих идут стержневые компоненты, возможны и стеновые диафрагмы, необходимые для соединения соседних колонных рядов. Все сторонние нагружения используются в виде рамных каркасных сооружений, а также пилонов вертикального положения расположенных по жестким связующим компонентам.
  3. Связевые, обычно отличимы своей простотой конструкции соединительных частей колонн с ригелью, позволяющее закрепление в виде подвижного типа.
  4. Каркасные конструкции, в том числе колонны и ригеля, могут понести только вертикальные нагрузки. А горизонтальные нагружения, способны передаваться по состоянию жесткости, где очень часто используются ядра жесткости, элементы стержней, а также пилоны вертикального положения.

Компоненты, необходимые для обеспечения жесткости каркасных построений:

  1. стеновая конструкция жесткости;
  2. ригеля;
  3. распорочные панели;
  4. колонны.

Рамные конструктивные системы

Рамные конструктивные системы при построении каркасных сооружений наделены невероятно увеличенной жесткостью, а также устойчивостью. За счет чего образуется максимальная свобода по планировке некоторых строительных идей. Подобная разработка, состоящая из специального железобетонного каркаса совместно со стальными видами, используется при различных условиях.

При разработке рамных каркасов из основного сборного железобетонного материала используется специальный надрез несущих компонентов (обычно рассматриваются Г-, Т-, Н-образные компоненты). Они же позволяют переносить все имеющиеся узловые соединительные элементы в более напряженные части, где обычно идут нулевые сгибающие моменты, зависящие от вертикальных нагружений.

Рамно-связевая

Рамносвязевые систематизации готовы обеспечить жесткость на определенном пространстве, идет все это за счет совмещения поперечных рам, жестких диафрагм вертикального положения, которые непосредственно выполняют основную функциональную работу горизонтальных дисков.

При результате исследовательских работ было доказано, что именно рамносвязевая систематизация может удовлетворить всю обусловленность минимального расходования строительных материалов при строении несущих вертикальных сооружений, и только при нулевой жесткости всех поперечных рам. То есть в данном случае основная система может превратиться в связевой.

Связевая конструкция

Связевые системные конструкции практически все вертикальные нагружения передают на основные стержневые компоненты каркаса, а при горизонтальном строении все усилия воспринимаются в виде жестких вертикальных связевых компонентов. Они же совмещаются при помощи перекрывочных дисков. В указанных каркасных конструкциях полностью ограничены прочность, и даже жесткость всех стыковочных участков между ригелей и колонн.

Конструкции, активные по сечению. Рамы

Металлоконструкции в архитектуре » Конструкции, активные по сечению. Рамы

Рамой называют каркасную плоскую систему, состоящую из элементов, обеспечивающих пролет – ригелей, и элементов, обеспечивающих высоту – стоек.

Для организации внутреннего функционального пространства плоские рамы располагаются в здании параллельно, воспринимая нагрузки от второстепенной системы настила и прогонов. Пространственная работа каркаса из рам обеспечивается путем обустройства системы вертикальных и горизонтальных связей соответственно по стойкам и ригелям. Также жесткость каркаса можно повысить примыканием к железобетонным элементам и диафрагмам.

Преимущества, которые обуславливают широкое применение рам:

В то же время рамы имеют некоторые недостатки: небольшую высоту стоек, присутствие сложных жестких узлов и ограниченность использования конструктивной формы.

Классификация рам

По статической схеме различают бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные рамы.

По абрису конструктивной формы рамы могут быть:

Выбор того или иного типа очертаний рамы зависит от функционального пространства, конструктивных и архитектурных требований.

Основы проектирования рам

Рамы относятся к конструкциям, работающим преимущественно по сечению. В ригелях и стойках рам возникают значительные изгибающие моменты, а также продольные и поперечные силы. Характерной особенностью рам является наличие жесткого карнизного узла. Элементы рам рассчитывают на прочность и общую устойчивость в плоскости и из плоскости как сжатоизогнутые, а также проверяют касательные напряжения и местную устойчивость отдельных участков сечения. Контролю также подлежат горизонтальные и вертикальные перемещения рамы, в соответствии с ограничениями по второму предельному состоянию.

Наибольшее распространение получили рамы, которые имеют наклонные ригели и вертикальные стойки, шарнирно примыкающие к фундаментам. Такие рамы также называются портальными. При этом коньковый узел выполняется, как правило, жестким для увеличения жесткости и уменьшения значений изгибающих моментов в ригеле, однако может быть и шарнирным. Такой тип рам нашел широкое применение благодаря экономичности и наибольшей функциональности в большинстве типов быстровозводимых зданий при пролетах от 20 до 70 м. Портальные рамы, пролетом до 20 м, в основном изготавливают из горячекатаных профилей, а при больших пролетах применяют сварные двутавровые сечения.

В последнее время в рамах находят все более широкое применение перфорированные профили, составные двутавры с гофрированной и гибкой стенкой. Применение эффективных сечений, рационального ломаного очертания и увеличение габаритов в карнизном узле позволяет увеличить пролет рам до 80-100 м. Для усиления ригелей и обеспечения плавности передачи усилий в жестком карнизном и коньковом узлах применяются скошенные элементы – вуты. В случае прокатных элементов вуты представляют собой подваренный тавровый профиль из того же двутавра или листов. В составных сварных профилях вуты представляют собой развитие сечения для достижения необходимых геометрических характеристик.

С точки зрения общей устойчивости каркаса, особенно в процессе монтажа, большое значение для рам имеют кровельные и стеновые прогоны, а также связи. В табл. приведены ориентировочные данные для эскизного проектирования портальных бескрановых рам. Минимальный уклон кровли, с учетом возможных прогибов и обеспечения водостока, как правило, принимается около 6°. Стойки тяжелее ригелей и их высота составляет примерно 1/5 пролета рамы. Шаг рам зависит от действующих нагрузок и принятой системы прогонов.

Рамы как конструктивный инструмент архитектурной формы

Наибольшее использование рамные конструкции нашли в одноэтажных производственных зданиях или складах, для которых актуально наличие больших свободных площадей. Архитектурные требования к конструкциям промышленных объектов обычно невысоки, однако рамы с таким же успехом могут быть использованы в несущих каркасах спортивных и демонстрационных залов, выставочных и торговых павильонов, являясь важным элементом формирования выразительности внешней и внутренней архитектурной среды. Визуальная открытость или закрытость рам в здании главным образом зависит от конфигурации каркаса и внешней формы. В свою очередь, оболочка ограждающих конструкций зависит от их типа, а также архитектурных, конструктивных и экономических требований. Так, каркас с применением рам может быть полностью расположен снаружи здания, что позволяет прозрачно показать конструктивный принцип работы рам и придать строению современный вид объекта технической среды. И, наоборот, рамы могут быть полностью расположены внутри оболочки здания, что дает дополнительные возможности выражения и организации внутреннего пространства. Помимо этих противоположных решений, частичное взаимопроникновение рам и ограждающих конструкций позволяют получить дополнительный спектр желаемых визуальных эффектов.

На схемах показаны основные типы рам по способу взаимодействия с внутренним функциональным пространством. Поскольку рамные конструкции главным образом проектируются для производственных и складских быстровозводимых зданий, в них часто организовываются внутренние антресольные либо внешние пристроенные этажи для размещения вспомогательных, административных и бытовых помещений. Такие этажи могут быть созданы в балочных перекрытиях между рамами либо возведены на собственных несущих конструкциях. Кроме того, дополнительные перекрытия могут потребоваться для оборудования или организации производственного процесса в нескольких уровнях. Для обслуживания производственного процесса в промышленных предприятиях применяется подвесное грузоподъемное оборудование, которое может крепиться к ригелям рам в виде крановых балок – тельферов, либо мостовое, имеющее подкрановые пути, организованные на стойках каркаса. К несущим конструкциям рам может быть присоединено различное транспортное и вспомогательное оборудование.

Для внутреннего естественного освещения основного пространства и антресольных этажей могут быть эффективно применены зенитные фонари, шедовые покрытия и солнцеводы. Двух- и более пролетные рамы проектируют по принципу чередования, когда поперечники имеют общую стойку в местах сопряжения. Для экономии внутреннего пространства в многопролетных рамах шаг внутренних стоек может быть разрежен. При этом в местах отсутствия стоек под ригели подводятся подстропильные балки или фермы, которые передают нагрузку на оставшиеся стойки, сечение которых соответственно должно быть увеличено.

Большепролетные рамы, как правило, кроме вутов, имеют переменное сечение и изменяемый угол наклона ригеля, который формируется из отдельных линейных элементов разной жесткости. Ригель ломаного очертания приближает работу рам к арочным конструкциям и дает свободу в организации архитектурной формы. Вместо наклонных ригелей могут быть также использованы криволинейные. Радиус изгиба при этом должен позволять установку ограждающих конструкций кровли. Гибка ограждающих элементов может быть выполнена на заводе либо непосредственно на строительном участке. Последнее может оказаться невыполнимым для некоторых систем ограждающих конструкций, имеющих значительную жесткость, например, для толстых многослойных панелей.

Наглядный пример достижения архитектурной выразительности за счет рам каркаса, выступающих за пределы оболочки здания, представлен на рис. В данном случае перфорированный ригель и стояки переменного сечения подчеркивают легкость конструкции, сохраняя при этом свою первичную конструктивную функцию.

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.

Рисунки 1-9.

Рисунки 1-9. 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

Рисунок 10.

Рисунок 10. 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.

Рисунок 11.

Рисунок 11. 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.

Рисунок 12.

Рисунок 12. 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.

Рисунок 13.

Рисунок 13. 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.

Рисунок 14.

Рисунок 14. 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.

Рисунки 15-17.

Рисунки 15-17. 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.

Рисунок 18.

Рисунок 18. 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.

Рисунок 19.

Рисунок 19. 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.

Читайте также: