Печенов - Расчет и коструирование многоэтажных каркасно-панельных зданий

А. Н. ПЕЧЕНОВ

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МНОГОЭТАЖНЫХ КАРКАСНО-ПАНЕЛЬНЫХ ЗДАНИЙ

Издание второе, переработанное, дополненное

ИЗДАТЕЛЬСТВО «БУД1ВЕЛЬНИК»

КИЕВ – 1975

ПРЕДИСЛОВИЕ

Большой объем строительных работ, выполняемых в девятой пятилетке, предусматривает сооружение многоэтажных зданий в крупных городах нашей страны. Перед строителями и  проектировщиками возникает ряд сложных технических задач, при  решении которых немаловажную роль играет выбор конструктивных схем зданий, определяющих надежность и экономичность их  возведения.

Согласно пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг., за счет внедрения рациональных  проектных решений стоимость строительных работ в течение пятилетки должна быть снижена не менее чем на 3—5%.

Для уменьшения стоимости объектов строительства  необходимы детальная разработка и уточнение конструктивных схем  зданий, расчет их с помощью ЭВМ, а также учет пространственной работы зданий и унификация сборных строительных изделий с ограниченной номенклатурой.

Перед строителями и проектировщиками поставлены задачи повышения индустриализации строительства путем расширения практики полносборного домостроения и увеличения  производительности труда. Они обязывают повседневно решать актуальные проблемы инженерной техники.

Применение ЭВМ для статических расчетов позволяет  приблизить расчеты проектных систем к практическим схемам  работы конструкций. С помощью ЭВМ может быть рассчитано  большое количество вариантов схем и выбраны оптимальные  решения, которые позволят повысить качество проектов, сократить сроки проектирования, снизить трудоемкость статических  расчетов панельных и каркасно-панельных многоэтажных зданий.

В пятилетнем плане развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. указывается необходимость максимального повышения степени сборности в строительстве. Выполнению этой задачи будет способствовать создание единого каталога  индустриальных изделий на основе унификации всех конструктивных узлов и соединений. Этот каталог должен содержать ограниченную номенклатуру взаимосвязанных и взаимозаменяемых  конструктивных и архитектурных элементов, на базе которых  осуществляется строительство зданий различных конструктивных схем, объемно-планировочных решений, различной этажности и  архитектуры.

Перед проектировщиками и строителями поставлена также  задача комплексного применения легких ячеистых и силикатных бетонов, быстротвердеющих и высокопрочных цементов,  эффективных профилей проката и арматуры.

МЕСТО КАРКАСНО-ПАНЕЛЬНЫХ ЗДАНИЙ В ЖИЛИЩНО-ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В жилищно-гражданском строительстве применяются  панельные и каркасно-панельные конструкции, а также монолитная кирпичная кладка, кладка из крупных кирпичных или  керамических блоков и керамических панелей. Стены из монолитной кирпичной кладки и крупных кирпичных блоков экономически целесообразно использовать при максимальной высоте зданий девять этажей. При проектировании и строительстве зданий  высотой 12 этажей и больше приходится применять армированную кладку стен из кирпича и растворов высоких марок. На  отдельных участках стен нижних этажей кирпичную кладку заменяют бетонными блоками. Вес кирпичных зданий даже при высоте девять этажей намного превышает вес каркасно-панельных и  панельных зданий. Трудозатраты при возведении кирпичных  зданий более чем на 20% превышают трудозатраты при  строительстве панельных зданий такой же этажности.

Практика проектирования индустриальных многоэтажных  жилых домов определила две конструктивные схемы — каркасно-панельную и панельную. Каркасно-панельная схема  предусматривает передачу всех действующих нагрузок на каркас, который обеспечивает прочность и устойчивость здания. При  бескаркасной панельной схеме вся нагрузка должна восприниматься  системой панелей (как правило, панелями поперечных стен и  перекрытий). Вопрос о преимуществах каркасной или панельной схемы в строительстве жилых домов и гостиниц непосредственно связан с этажностью зданий (т. е. с величиной действующих нагрузок).

Наиболее существенными преимуществами панельной  конструкции перед каркасной являются: меньший расход стали  (примерно на 15—20%); простота обеспечения общей жесткости и устойчивости здания; большая заводская готовность элементов; меньшая трудоемкость возведения здания (количество монтажных элементов сокращается почти втрое); обеспечение лучшей звукоизоляции ограждающих конструкций.

Одной из проблем многоэтажного панельного строительства является прочность. Оценивая панельные конструкции с точки зрения прочности и надежности, нельзя не обратить внимания на серьезный недостаток их основных узлов — опирание перекрытий на несущие стеновые панели (платформенный стык). Опорный узел передачи усилий в несущих панелях через опорные участки плит перекрытий «насухо» (т. е. без растворного шва) не является достаточно надежным: создаются большие местные  перенапряжения. Сечение в зоне горизонтального стыка менее надежно, чем сечение в середине высоты панели, так как трещины, а затем отслоение бетона панелей стен появляются обычно по косым площадкам, именно в зоне стыков. Основными факторами,  снижающими прочность этого стыка, являются недостаточная  прочность бетона при кассетном изготовлении панелей; появление эксцентриситета продольной силы за счет смещения панелей стен вследствие отклонений по толщине и глубине опирания настилов перекрытий (эксцентриситет 2 см уменьшает несущую  способность панели на 20—25%); недостаточное заполнение шва  раствором в поперечном сечении; неравномерность толщины и  сжимаемости растворного шва по длине стенки; концентрация  напряжений в зоне стыка.

Следует отметить, что возможная концентрация нагрузок от больших грузовых площадей в отдельных точках опирания  панелей вызывает значительные местные перенапряжения, которые могут в полтора-два раза превышать расчетные значения  напряжений. Так, трещины в опорной части панелей появляются при напряжениях, составляющих 20% призменной прочности бетона панелей. Такие напряжения отвечают погонной нагрузке в  пределах первого этажа девятиэтажного дома при шаге поперечных стен 3,2 м. Значительно осложняется возведение  крупнопанельных конструкций в зимних условиях ввиду малой прочности  растворного шва, ограничивающей возможность увеличения этажности (этого недостатка лишены каркасные конструкции).

В крупнопанельных зданиях высотой более девяти этажей опорные узлы должны быть высокопрочными, что может быть достигнуто несколькими путями.

1. В результате коренной переработки самой конструкции узла, выполнением его с выносными консолями, на которые опираются плиты перекрытий. Этим обеспечивается непосредственная, «чистая» передача усилий от стенки к стенке (через растворный шов). При такой конструкции высота панельного дома  регламентируется только прочностью растворного шва и практически может быть доведена до 16 этажей.

2. Повышением прочности существующего платформенного стыка путем армирования опорной зоны вертикальных панелей, применения плит перекрытий со строго калиброванными по  толщине опорными частями (или даже фрезерованными), что  исключает вероятность появления эксцентриситетов. В ряде городов Советского Союза проектируется сооружение крупнопанельных домов высотой 12 и 16 этажей, проходят  экспериментальную проверку дома из вибропрокатных панелей  высотой 16—25 этажей.

К преимуществам каркасно-панельной системы перед другими системами относятся: четкая схема передачи нагрузки,  обеспечивающая надежный контроль за качеством изделий, стыков и производством работ; относительно небольшое влияние случайных эксцентриситетов, в том числе и производственных; возможность применения высоких марок бетона и стали, эффективных  современных материалов для создания ограждающих конструкций, унифицированных конструктивных элементов; возможность  удобного размещения в первых этажах зданий предприятий  общественного обслуживания со свободной планировкой помещений;  сокращение расхода бетона и цемента; возможность возведения зданий высотой 30—60 этажей.

Для перехода к многоэтажному индустриальному строительству из сборного железобетона в каркасно-панельных конструкциях потребовалось прежде всего унифицировать основные параметры зданий с тем, чтобы получить минимальную по количеству элементов номенклатуру заводских изделий. Проектирование каркасных зданий осуществляется с учетом следующих  параметров. Для жилых домов и гостиниц в 16 этажей и более высота этажа не должна превышать 280—300 см при модульной сетке 600X600 см с дополнительным шагом 300 см. Для зданий  административного и торгового назначения, лечебных учреждений, учебных заведений и т. д. принята высота этажа 330 и 360 см;  дополнительная высота (в основном для первых этажей) составляет 420 см при модульной сетке 600X600 см с дополнительным шагом 300 си (возможно его увеличение до 500 см). В зданиях  специального назначения — конструкторских бюро, научно-исследовательских институтов, лабораторных корпусов, крупных торговых предприятий — высота этажа должна быть 360, 420, 480 и 600 см.

Поскольку по условиям технологии требуются увеличенные  пролеты, то размеры модульной сетки должны быть 900x900; 960х 600, 600х600 см с дополнительным шагом 300 см.

Для получения необходимого разнообразия  объемно-планировочных решений жилых и общественных зданий был принят  единый модуль для всех видов зданий — 30 см.

Каркасные конструкции позволяют уменьшить размеры  сечения несущих элементов соответственно требованиям  статического расчета и четко разграничить функции несущих и  ненесущих элементов. Такие конструкции выполняются по полной и неполной схемам. К неполным относятся схемы, в которых наружные несущие и ограждающие конструкции выполняются из кирпича, а внутренние несущие конструкции — в каркасе из  железобетона или металла. Схемы, в которых наружные и  внутренние несущие конструкции выполняются в каркасе, представляют собой полные каркасные схемы.

Здания с неполными каркасными схемами строились преимущественно в первые годы после Великой Отечественной войны.

На современном этапе неполные каркасные схемы используются в строительстве общежитий, лабораторных корпусов и других зданий, в которых, исходя из местных условий, целесообразно применение кирпичных стен. Замена внутренних кирпичных стен каркасом (стойками и ригелями) позволяет удачно  проектировать вентиляцию зданий, размещать встроенную мебель и т. д.

Строительство жилых и гражданских зданий каркасно-панельной конструкции развернулось в 1950—1953 гг., что сыграло  большую роль в развитии строительной техники (табл. 1).В 1962—1963 гг. после ряда исследований и  технико-экономических расчетов было признано целесообразным застраивать крупные города Советского Союза многоэтажными зданиями  высотой 9—16 этажей и более.

Главной особенностью многоэтажного строительства стало широкое использование сборного железобетона, конструкций, обеспечивающих жесткость и устойчивость многоэтажных  зданий,— каркасно-панельных конструкций, стальных и  железобетонных каркасов (сборные и монолитные).

СХЕМЫ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ.

ФУНДАМЕНТЫ, ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ И ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Схемы каркасных зданий

В каркасно-панельном строительстве применяются три основные конструктивные схемы: рамная, связевая и рамно-связевая.

В рамной схеме все вертикальные и горизонтальные нагрузки рассчитаны на поперечные или продольные рамы каркаса. В связевой схеме рамы каркаса рассчитаны только на  вертикальные нагрузки, а вся ветровая горизонтальная нагрузка — на  систему продольных и поперечных диафрагм жесткости, связанных с примыкающими к ним колоннами. При рамно-связевой схеме горизонтальные нагрузки от ветра должны восприниматься как связевой системой диафрагм жесткости, так и рамами каркаса.

Степень участия каждого компонента определяется  соотношением жесткостей: связевой системой диафрагм и рамами,  состоящими из ригелей и колонн. Каждая из указанных конструктивных схем имеет свои  положительные и отрицательные стороны. Преимущества рамной  схемы каркасных зданий: четкая работа всех конструкций;  равномерность деформаций всех рам в общей системе каркаса,  особенно в тех случаях, когда все рамы имеют примерно одинаковую жесткость; возможность перераспределения усилий при  перенапряжении отдельных элементов каркаса, свойственная  статически неопределимым системам, возможность более свободной  планировки зданий и др. Недостатками рамной схемы являются: сложность конструктивных решений узловых соединений сборных элементов для обеспечения необходимой жесткости каркаса; больший на 20—30% расход стали по сравнению со связевой  схемой; громоздкость поперечных сечений элементов конструкций (ригелей и их узлов), увеличивающая трудоемкость выполнения каркаса и др.

Рамные каркасные схемы использованы в строительстве ряда многоэтажных зданий Москвы (см. табл. 1) и Киева  (12-этажный жилой дом на Владимирской улице и 18-этажный на улице Ленина).

Применение рамно-связевой конструктивной схемы позволит достигнуть экономии расхода стали. Эффективность этой  системы зависит от степени участия плоских диафрагм в восприятии ветровой нагрузки. В том случае, когда они не играют решающей роли в статической работе каркаса, расход стали на каркас  может оказаться даже выше, чем при рамной схеме. Примером может служить конструктивное решение каркаса высотного  здания на Комсомольской площади в Москве, выполненного по рамно-связевой схеме. При прогибе верхнего этажа,  составляющем 1/500 высоты этого здания, и перекосе, равном 1/000, расход стали составляет 39 кг на 1 м2 здания. Расход стали, использованной для строительства гостиницы на Дорогомиловской набережной, равен 30 кг на 1 м2, а расход стали, использованной для строительства общежития МГУ,— 34,4 кг. Каркасы этих зданий сконструированы по рамной схеме. Преобладающее значение рам каркаса в работе на ветровую нагрузку показало, однако, необходимость конструирования  более мощных узловых соединений. Это в свою очередь  обусловило не меньшую трудоемкость и не меньший расход стали, чем конструирование узлов рамного каркаса административного  здания на Смоленской площади.

Преимуществом связевой схемы каркасных зданий перед  рамной в статическом отношении является возможность  использования конструктивных узлов как неподвижных (жестких), так и подвижных.

При проектировании каркасных зданий связевой схемы  большое значение имеет компоновка плана здания, поскольку от  этого зависит работа связевой системы как плоскостной. Для  получения необходимой жесткости этой системы приходится  прибегать к устройству большого числа железобетонных  стенок—диафрагм значительной толщины — или к устройству  пространственной диафрагмы (рис. 1, а), состоящей из железобетонных  стенок, связанных между собой и образующих единую складчатую оболочку. Последняя должна обладать большой жесткостью.

многократно превышающей жесткость плоских систем и дающей значительную экономию расхода стали. Ведущее место в каркасно-панельном строительстве отводится пространственно-связевой схеме. Пространственная система  диафрагм впервые использована в строительстве здания на  Котельнической набережной в Москве, здания Дома науки и культуры в Варшаве, многих зданий в Москве и Киеве (гостиницы  «Интурист», «Днепр»).

Существенным недостатком конструктивной схемы связевого каркаса с плоскими диафрагмами жесткости является  возникновение значительного перекоса вертикальных панелей и  коробления (депланации) междуэтажных перекрытий. Величины их деформаций значительно превышают величины деформаций,  возникающих в рамных каркасах таких же размеров и такой же этажности. Причина этого явления заключается в том, что  краевые колонны диафрагм жесткости, воспринимающие  продольные усилия от ветровой нагрузки (до 50% полной нагрузки), получают деформации значительно большие, чем смежные сними рядовые колонны каркаса, не воспринимающие ветровой  нагрузки. Разность продольных усилий и деформаций этих колонн  вызывает появление деформаций сдвига панелей перекрытия в  пролетах между диафрагмой жесткости и рядовыми колоннами. 

Величины перекосов возрастают с увеличением высоты здания, достигая на верхних этажах существенных значений. Чтобы снизить значение перекоса и депланации панелей в связевых каркасах, увеличивают жесткость диафрагм, делая их глухими, по возможности равными ширине корпуса. Это  соответственно снижает величины продольных усилий и деформаций крайних колонн диафрагм жесткости. Однако большое число  глухих и широких диафрагм затрудняет  архитектурно-планировочное решение этажа и может быть принято только в сравнительно редких случаях проектирования зданий специального назначения (гостиниц, административных и некоторых других).

Использование систем с плоскими диафрагмами в виде  отдельных стенок не может быть признано экономически целесообразным. Эти системы могут быть применены в строительстве каркасных зданий высотой не более 16 этажей.

Сборные железобетонные стенки жесткости не следует  располагать по торцам здания, так как это значительно усложняет конструкцию наружных торцовых навесных стен. При устройстве проемов в плоскости диафрагмы в средней части здания стенки жесткости рекомендуется проектировать с перемычками,  обеспечивающими совместную работу стенок по обе стороны проема как единого элемента. При этом расстояние между жесткими стенками может быть доведено до 30—40 м.

Наиболее приемлемым решением при проектировании  каркасов связевой системы является компоновка диафрагм в виде пространственного ядра жесткости (см. рис. 1, б).Пространственные связевые системы целесообразно применять при башенной композиции зданий с квадратной или близкой к квадрату формой плана, с различными открылками и  усложненной конфигурацией [10]. Предельная длина открылков, при которой можно обойтись без устройства специальных ветровых стенок, зависит от степени жесткости междуэтажных перекрытий, рассматриваемых как горизонтальные консоли, и от  сопротивляемости закручиванию центральной группы диафрагм при  асимметричном решении плана. Рациональность применения пространственно-связевых систем возрастает с увеличением этажности здания.

Результаты проведенного в Москве исследования различных вариантов конструктивных схем каркасно-панельного здания  института Гидропроект представлены в табл. 2 и 3.

При проектировании 34-этажного здания гостиницы «Турист» в Киеве были разработаны два варианта каркаса этого здания — металлический и сборный железобетонный. Как видно из данных табл. 4 и 5, расход металла при изготовлении железобетонного каркаса примерно на 33% меньше, чем при изготовлении  металлического. Если учесть, что в противопожарных целях  металлоконструкции необходимо обкладывать сборными  железобетонными плитами или бетонировать, расход бетона на  конструирование железобетонного и металлического каркасов в обоих случаях будет одинаков.

Материалы каркасных зданий

Каркасы многоэтажных зданий могут выполняться из  железобетона — сборного и монолитного,— а также из металла. Опыт московских строителей показал, что стоимость стального  каркаса превышает стоимость железобетонного в среднем на 20%. Для изготовления стального каркаса требуется примерно в  полтора раза больше стали (приведенной к марке Ст. 3), чем для железобетонного. Продолжительность монтажа здания со  стальным каркасом и обетониванием элементов будет в 1,3—1,8 раза больше, чем продолжительность монтажа зданий, выполненных в сборном железобетоне.

Противопожарная защита стальных конструкций может  осуществляться путем нанесения на поверхность (метод  торкретирования) огнезащитного состава из вермикулита * и асбеста Расход бетона при использовании этого метода на 34% меньше, чем при использовании вализита, выполненного в сборном  железобетоне. При обработке стальных конструкций требуется  вермикулита и асбеста в четыре раза меньше, чем бетона для обетонивания каркаса.

Опыт показывает, что при строительстве административных и общественных зданий, а также жилых домов и гостиниц высотой более 16 этажей применение сборного железобетонного каркаса является наиболее целесообразным как по стоимости, так и по показателям расхода стали, трудовым затратам и  продолжительности строительства. Для строительства зданий высотой  более 30 этажей использование стального каркаса со сборными железобетонными перекрытиями может оказаться  целесообразным при условии применения индустриальной эффективной  противопожарной защиты стальных несущих конструкций.