Эти схемы могут существовать одновременно в одном здании, когда одна часть здания решается в каркасе, а другая с несущими стенами или в любых других сочетаниях.
Конструктивная схема с несущими стенами, в свою очередь, подразделяется на виды:
- здания с продольными несущими стенами;
- здания с поперечными несущими стенами;
- здания смешанного типа, т. е. и продольные и поперечные стены могут быть несущими.
Рассмотрим работу вертикальной стены на устойчивость. Представим себе, что выложена длинная кирпичная стена толщиной в кирпича (120 мм) и высотой 1,5 м. При ненастной погоде ветер, который в средней полосе России создает нагрузку 270 Па, опрокидывает стену. При толщине 250 мм стена будет устойчивой с высотой до 3 м. Но при большей высоте ветер опрокинет и ее. Расчет показывает, что стена толщиной в 1,5 кирпича (380 мм) будет устойчива при данной ветровой нагрузке высотой до 5 м. Но можно увеличить устойчивость стены, предусмотрев через определенные промежутки поперечные отрезки стен. Этим мы полностью меняем характер работы стены. Если раньше, без поперечных участков, стена работала на ветровую нагрузку как плита, консольно заделанная в землю, то теперь стена будет работать как плита, передающая ветровую нагрузку на опоры, которыми ей служат поперечные участки стен. С такими поперечными стенами можно значительно увеличить высоту стены. Расчет показывает, что с поперечными стенами, расположенными через 6,5 м, высоту стены толщиной 120 мм можно, не опасаясь разрушения ее ветром, увеличить до 5 м, а с поперечными стенами, расположенными через 4 м, - до 7 м (рис. 10).
Рис. 10. График для определения предельных размеров самонесущих стен и перегородок
Рядом с одной стеной можно построить параллельно ей еще одну стену, сверху перекрыв их плитами, что также увеличит устойчивость конструкции, так как стена, воспринимающая ветровую нагрузку, будет передавать ее не только на грунт и на поперечные стены, но и через плиты перекрытия на другую стену. Получилась пространственная конструкция, достаточно устойчивая для горизонтальных нагрузок любого направления. Если оставить перекрытие, а поперечные стены убрать, то при увеличении ветровой нагрузки обе продольные стены, связанные лишь плитами перекрытия, могут не устоять и опрокинуться. Плиты перекрытия, уложенные на стены, передают лишь горизонтальные нагрузки от одной стены к другой, сами не участвуя в работе. Такое сопряжение отдельных конструктивных элементов, допускающее поворот одного элемента относительно другого, позволяющее изменять геометрическую форму сопряжения, называется шарнирным.
Можно увеличить устойчивость конструкции, намертво заделав концы плит перекрытия в стены, т. е. осуществить жесткие узлы сопряжения, при которых исключается возможность перемещения или поворота одного элемента относительно другого. В этом случае конструкция из стоечно-балочной системы превращается в рамную с жесткими, не изменяемыми узлами, а плиты перекрытия уже выполняют роль ригеля рамы (горизонтального элемента рамы). При деформации, т.е. при отклонении стены от вертикали под напором ветра, узлы сохраняют свою геометрию. В этих узлах и в ригеле рамы возникают напряжения, т. е. ригель тоже включается в работу, что не наблюдалось при шарнирном опирании плит.
Благодаря этому конструкция, не разрушаясь, выдерживает дополнительные нагрузки. Но еще большую жесткость придадут конструкции поперечные стены, которые на время были убраны. Они всей своей длиной воспринимают горизонтальные нагрузки и спокойно их выдерживают. Ведь изменить форму стены, вызвать ее деформацию, прилагая усилия к ее торцу вдоль длины, могут только колоссальные нагрузки, которые в реальных условиях эксплуатации здания не встречаются. Итак, две продольные стены, которые через определенные расстояния связаны поперечными стенами и на каком-то уровне перекрыты плитами, представляют собой очень жесткую и устойчивую пространственную структуру. Благодаря этим качествам, ее можно принять за основание, каким для нее самой служит грунт, и возвести на ней аналогичную структуру, а, приняв последнюю за новое основание, возвести еще один ярус и т. д. Таким образом, получается многоярусное, или многоэтажное здание.
В практике строительства обычно устраивают 3 или 4 продольные стены. Три в основном для жилых домов, а четыре - для гражданских зданий, где требуется внутри коридор. Плиты перекрытия опираются на продольные стены, а торцевые стены и, если здание протяженное, промежуточные поперечные стены служат лишь элементами жесткости, или диафрагмами жесткости. Они не несут нагрузки от перекрытия и поэтому являются самонесущими. Эта структура называется конструктивной схемой с продольными несущими стенами (рис. 12, а).
Если плиты перекрытия опираются на поперечные стены, то получается конструктивная схема с поперечными несущими стенами (рис. 12, б). Продольные стены в этом случае уже будут самонесущими и выполнять функцию диафрагм жесткости. Конструктивная схема с поперечными несущими стенами очень эффективна при строительстве гостиниц, санаториев и других зданий, где требуются большие оконные проемы в наружных продольных стенах. Стены эти не несут нагрузки от перекрытия, и устройство широких проемов в них не вызывает конструктивных трудностей.
Часто планировка зданий бывает довольно сложной, с разнообразными помещениями. В этом случае расположение плит перекрытий в одном направлении не представляется возможным или не является оптимальным вариантом. Тогда возводят здания смешанного типа (рис. 12, в).
Рис. 12. Здания с несущими стенами
Конструктивные схемы с несущими стенами очень надежны и просты по своему устройству. Но они имеют существенные недостатки. Длина плит перекрытий обычно не превышает 6 м. Это значит, что через каждые 6 м надо возводить стену для опирания плит, поэтому запроектировать большое помещение при этих схемах затруднительно. Кроме того, при эксплуатации зданий иногда возникает необходимость перепланировки. Передвинуть или убрать несущую стену практически невозможно. Значит, и приспособить здание с несущими стенами под другие нужды сложно и экономически невыгодно.
Возможность в процессе эксплуатации здания менять расположение и размеры помещений обеспечивает гибкую планировку. Гибкость планировочных решений - очень важное качество не только для промышленных зданий с жесткими технологическими требованиями к помещениям, но и для гражданских зданий, в том числе и для жилых. Поэтому вместо внутренних несущих стен можно поставить отдельные опоры (колонны), соединить их ригелями {балками перекрытий) и уже на ригели опирать плиты перекрытий. При таком решении можно получить большие помещения, внутри которых будут стоять колонны. Передвинуть или убрать перегородку, чтоб изменить размеры помещений, не сложно.
Таким образом, из схемы с несущими стенами получилась схема с наружными несущими стенами и с внутренним каркасом или здание с неполным каркасом. Но у зданий с несущими стенами есть еще один недостаток. Они материалоемкие, очень тяжелые, что не экономично. Чтобы избежать этого, достаточно заменить не только внутренние, но и наружные несущие стены на отдельные опоры и получить, таким образом, каркасное здание. Наружные стены в этом случае несут только ограждающую функцию и могут выполняться из легких материалов в виде навесной конструкции.
При навесной конструкции сборные щиты или панели стенового ограждения крепятся к каркасу здания и передают свой вес не на фундамент, а на каркас. Каркасные здания наиболее полно отвечают требованиям современного строительства, обладают хорошей планировочной гибкостью, намного легче зданий с несущими стенами, поэтому этот тип зданий стал наиболее распространенным. Правда, для жилых домов и небольших общественных и промышленных зданий конструктивную схему с несущими стенами продолжают применять.
Расстояние между осями продольных стен или продольных рядов колонн называется пролетом, а расстояние между осями поперечных рядов колонн называется шагом колонн. Система продольных и поперечных осей образует на плане здания прямоугольную сетку, которая называется сеткой колонн. Если пролеты в здании разные, то в начале перечисляют пролеты, а затем указывают шаг. Например, здание с сеткой колонн. Это значит, что в здании три пролета 6,3 и 6 м, а шаг колонн 6 м (рис. 14).
Рис. 14. Сетка колонн каркасных зданий: а - 18Х6; б - (6+3+6)Х6
По характеру работы каркасы бывают трех типов: рамные, связевые и рамно-связевые.
В рамном каркасе ригели перекрытии располагаются в продольном и поперечном направлениях и соединяются с колоннами жесткими узлами (рис. 15).
Рис. 15. Конструктивные схемы каркасных зданий: а - с перекрестным расположением ригелей; б - с продольным расположением ригелей; в - с поперечным расположением ригелей; г - с безбалочным (безригельным) сборным перекрытием; д - с монолитным безбалочным перекрытием и ядрами жесткости (строительство методом подъема этажей); 1 - надколонные плиты; 2 - плита-накопитель; 3 - пролетная плита с опиранием ко контуру; 4 - плита перекрытия, изготовленная на нулевой отметке; 5 - плита перекрытия, установленная на проектную отметку; 6 - ядро жесткости.
Таким образом, получаются рамные конструкции в продольном и поперечном направлениях, которые и воспринимают все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Рамный каркас очень прочный и жесткий, но выполнение жестких узлов соединений ригелей с колоннами в обоих направлениях представляет определенные конструктивные трудности и легко решается только в монолитном железобетоне. Поэтому такие каркасы применяют сравнительно редко.
Рис. 16. Расположение вертикальных связей жесткости в каркасных зданиях: а - с поперечными рамами; б - с продольными рамами; в - при связевом каркасе; г - с ядрами жесткости; 1 - прогон (ригель рамы); 2 - диафрагма жесткости; 3 - жесткий диск перекрытия; 4 - крепление перекрытия к ядру жесткости; 5 - ядро жесткости.
При связевом каркасе соединения ригелей и колонн выполняются в виде нежестких, шарнирных соединений, поэтому для восприятия горизонтальных и несимметрических вертикальных нагрузок нужны дополнительные элементы жесткости. Соединенные между собой плиты перекрытия образуют жесткий горизонтальный элемент здания. Жесткий диск перекрытия хорошо распределяет нагрузки по всему зданию и включает в совместную работу все колонны каркаса. Но чтобы здание не «сложилось» под воздействием горизонтальных сил, нужны еще вертикальные элементы жесткости. Их выполняют в виде вертикальных металлических конструкций (связи жесткости) или в виде специальных железобетонных перегородок (диафрагмы жесткости). Диафрагмы и связи жесткости должны располагаться как в поперечном, так и в продольном направлениях, что весьма затрудняет планировочные решения и ограничивает гибкость планировки {рис. 16, 17).
Рис. 17. Виды вертикальных связей жесткости: а - стальные крестообразные; б - портальные; в - сборные железобетонные диафрагмы в виде перегородки; 1 - колонна каркаса; 2 - перекрытие; 3 - жесткое крепление диафрагм к колоннам каркаса, между собой и к перекрытию.
В практике строительства часто применяют комбинированный, рамно-связевый каркас. В одном направлении такого каркаса предусматривают рамы с жестким креплением ригелей к колоннам, в другом направлении - вертикальные связи жесткости. Рамно-связевой каркас легко выполним в сборных железобетонных конструкциях, наиболее распространенных для каркасного здания. Металлический каркас и каркас из монолитного железобетона выполняют лишь при соответствующем обосновании. Иногда, особенно в сельском строительстве, каркас выполняют из дерева, в том числе из клееных конструкций.
Благовещенский Ф.А., Букина Е.Ф. Архитектурные конструкции. - М., 1985.
