М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
10. Центральное несущее ядро и спаренные коробчатые перекрытия.
11. Центральное несущее ядро и консольно опирающиеся перекрытия.
12. Поперечные несущие стены и спаренно коробчатое решение перекрытий.
1 2 34 56
7 8 9 10 11 12
Рис. 12.5. Конструктивные схемы высотных зданий
Рамный стальной каркас (рис. 12.5, 1, 5) состоит из жестко соединенных между собой
колонн и балок (ригелей), образующих плоские и пространственные рамы в двух или трех
направлениях (в плане).
Жесткие рамы работают при горизонтальных нагрузках за счет изгиба балок и колонн.
Жесткость рам зависит от прочности и жесткости узловых сопряжений при изгибе, которые
не допускают податливости узлов. Функции обеспечения жесткости распределены равно-
мерно между элементами системы. Несущая способность рамы во многом зависит от несу-
щей способности отдельных балок и колонн, снижается с повышением высоты этажа и уве-
личением расстояния между колоннами.
В обычной рамной системе на прямоугольной модульной сетке с расположением рам по
каждому ряду колонн с их регулярным расположением по всему плану здания с шагом 6–9 м
250
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
сечения колонн имеют небольшие габариты. В такой системе учет
горизонтальных нагрузок приводит к заметному увеличению рас-
хода стали, поэтому в зданиях высотой более 30 этажей рамные
каркасы в их чистом виде применяются редко.
Связевый тип каркаса (рис. 12.5, 3, 4) состоит из связевой
плоской или пространственной конструкции и колонн, шарнирно
присоединенных к ней ригелями. Связевая конструкция пред-
ставляет собой вертикальную диафрагму, образованную колонна-
ми, ригелями и связями – диагональными элементами (рис. 12.6).
Функции обеспечения жесткости распределены в связевом карка-
се неравномерно: при действии горизонтальных нагрузок практи-
чески вся жесткость сосредоточена в связевой конструкции, рабо-
тающей по схеме защемленной в фундаменте консоли.
Колонны при условии шарнирного их присоединения
к связевой конструкции настолько слабо сопротивляются гори- Рис. 12.6. Принципиальная схе-
ма расположения связевых
зонтальным перемещениям, что их вкладом в жесткость каркаса конструкций – вертикаль-
можно пренебречь. Эти колонны сжаты от вертикальных нагру-
зок перекрытий, наружных стен и перегородок. Колонны, вхо- ных диафрагм жесткости
дящие в состав связевой конструкции, воспринимают вертикаль-
ные и горизонтальные нагрузки, работая в качестве ее поясов. Ригели несут непосредственно
действующие на них вертикальные нагрузки и испытывают небольшие продольные усилия
от горизонтальных нагрузок.
Связевый тип каркаса работает на горизонтальные нагрузки эффективнее рамного, т. к.
в работе участвуют диагональные элементы (связи). Бóльшая часть колонн освобождена от
внутренних усилий изгиба и требует меньшего расхода стали, поэтому в связевом каркасе
проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию.
Каркасная система с диафрагмами жесткости обеспечивает большую жесткость
конструкций, чаще всего применяется в строительстве жилых домов, поскольку этому соот-
ветствует планировочная структура. Высота зданий может достигать 40 этажей. При стрем-
лении обеспечить большую жесткость конструктивной системы резко увеличивается масса
сооружения и ограничивается планировочная гибкость квартир.
При строительстве многоэтажных зданий эффективными оказались рамно-связевые
каркасы. На рис. 12.7 показан каркас 16-этажного дома в Брюсселе. Высота дома 58 м; габа-
риты в плане 32,7611,66 м. Колонны с шагом 3,6 м
установлены вдоль продольных наружных стен и по
оси здания. Главные балки, идущие поперек здания,
соединены с колоннами шарнирно. Общий вид здания
и его каркаса приведены на рис. 1.4.
Усилия от ветра, действующего на торцы зда-
ния, и жесткость в продольном направлении воспри-
нимаются и обеспечиваются за счет жестких рамных
узлов примыкания ригелей к колоннам, а в попереч-
ном – за счет связевых диафрагм по торцам здания.
Жесткие узлы сопряжения ригеля с колонной
сложны и трудоемки как при изготовлении, так и при
монтаже. При строительстве многоэтажных и высот-
ных зданий в Москве (20–30 этажей) были разработа- Рис. 12.7. Рамно-связевый каркас жилого
ны полужесткие унифицированные узлы таких со- здания
251
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
пряжений. Они рассчитаны на восприятие 1/5–1/10 части полного балочного момента ригеля
и допускают образование шарнира пластичности.
Применяются и другие рамно-связевые каркасы (рис. 12.8). Эффективность каркаса
может быть повышена за счет использования горизонтальных жестких решетчатых поясов
и ростверков. Пояс или ростверк жесткости представляют собой связевую решетчатую кон-
струкцию высотой в этаж, предназначенную для увеличения жесткости здания. Пояс разме-
щается в средней части здания, а ростверк – конструкция, венчающая здание. По высоте зда-
ния устраивается один или несколько горизонтальных поясов жесткости – чем больше поя-
сов, тем лучше совместная работа ядра жесткости и наружных колонн, выше жесткость всего
каркаса. Пояса размещаются в тех местах здания, где их диагональные связи не ограничива-
ют функциональный процесс в здании (например, в уровне технических этажей).
Размещение горизонтальных поясов жесткости вверху (ростверк) и посередине здания
(рис. 12.8, а, б) целесообразно для зданий высотой до 60 этажей.
а б вг
Рис. 12.8. Рамно-связевые каркасы с горизонтальными поясами жесткости:
а – пояс и ростверк жесткости в обычной рамной системе; б – то же с вертикальной диафрагмой или ядром же-
сткости; в – фермы-ригели через два этажа; г – фермы-ригели через этаж
В производственных и общественных зданиях с увеличенными пролетами поясами же-
сткости являются решетчатые ригели высотой в этаж (рис. 12.8, г), имеющие в местах про-
емов (проходов) рамные вставки. При одинаковом расположении ригелей в соседних рамах
(схема I) чередуются этажи с большой свободной площадью и стесненными условиями. Этот
недостаток устраняется при шахматном расположении ригелей (схема II), которое обеспечи-
вает на всех этажах достаточно крупные по размерам помещения в результате поочередного
опирания плит перекрытий на верхние и нижние пояса ферм и удвоения их шага.
Каркасные и рамно-каркасные системы применяются при проектировании зданий
высотой до 100–150 м, считающейся предельной. При большей высоте эти системы не обес-
печивают необходимой жесткости.
Для повышения жесткости и обеспечения более свободной планировки часто приме-
няются ствольные и каркасно-ствольные системы (рис. 12.5, 6–11). Стволы выполняют
задачу жестких, вертикально расположенных консолей, защемленных в основании. Ство-
лом или ядром высотных зданий, обеспечивающих необходимую жесткость, могут быть
монолитные лестнично-лифтовые узлы, при этом площадь ядра не должна быть больше
20 % от площади этажа.
Стволы жесткости проектируют и изготовляют из стали, железобетона и их комбинаций.
Главное преимущество каркасно-ствольной системы состоит в экономии материала каркаса,
который несет лишь вертикальные нагрузки. В связи с этим можно уменьшить число колонн,
252
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
увеличить их шаг и освободить внутреннее пространство. Внутри зданий с компактным пла-
ном колонны могут быть вообще исключены, а передача горизонтальных усилий с фасада на
стены лестнично-лифтового узла в этом случае осуществляется перекрытиями, как правило,
ребристыми. В жилых зданиях усилия могут передаваться на некоторые поперечные стены,
которые необходимы как элементы планировки квартир. При таких конструктивных формах
высотных зданий увеличивается скорость монтажа элементов каркаса.
Конструктивные системы зданий со стволами жесткости характеризуются следующими
особенностями:
– формой ствола жесткости (квадрат, прямоугольник, треугольник, многоугольник,
круг и др.);
– количеством стволов (один или несколько);
– расположением стволов (в центре здания – центральное, по периметру – периферий-
ное, вне здания – примыкающее);
– компоновкой ствола относительно объема здания (симметричная, асимметричная);
– влиянием геометрии здания на форму ствола жесткости (определяющее, косвенное).
В зависимости от формы здания в плане се- а
чению одиночного ствола придается разнообраз-
ная форма (рис. 12.9, а). При значительных раз-
мерах стволы выполняются в виде нескольких
концентрических оболочек или многосекцион-
ными (рис. 12.9, б), что позволяет существенно
повысить их жесткость. Не существует каких-
либо ограничений по форме и расположению
стволов в пределах площади здания или их пол- б
ному или частичному выносу за контуры здания.
Разновидности ствольной системы показа-
ны на рис. 12.10.
При проектировании многоэтажных и вы-
сотных зданий достаточно протяженных в плане,
применяются системы с двумя стволами жестко-
сти (рис. 12.11).
Большими формообразующими возможно- Рис. 12.9. Формы стволов жесткости:
стями при получении значительных по площади а – односекционные; б – многосекционные
этажей обладают ствольные здания с нескольки-
ми стволами, располагаемыми периферийно (рис. 12.12).
а б в гд е жз
Рис. 12.10. Схемы систем со стволами жесткости:
а, б – с подвесными этажами; в – д – с консольными этажами; е – з – комбинированные системы (ж, з – с пред-
варительно напряженными подвесками); 1 – ростверк; 2, 3 – варианты очертания вант
253
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
а бв
Рис. 12.11. Схемы зданий с двумя стволами жесткости:
а – с опиранием этажей на стальные фермы; б – с опиранием перекрытий на пояса ферм; в – с опиранием пере-
крытий на стальной диагонально-решетчатый каркас стен
Рис. 12.12. Схемы планов зданий с периферийным расположение нескольких стволов жесткости
Общий вид небоскребов с каркасно-ствольной системой изображен на рис. 1.5, 12.1,
12.2. На рис. 12.13 показан многофункциональный небоскреб Spruce Street, построенный
в 2011 г. в Нью-Йорке. Высота здания 265 м. Фасад выполнен из нержавеющей стали и на-
поминает струящуюся ткань. Стальные панели помимо декоративных функций включаются
в работу каркаса.
Следующий шаг в совершенствовании конструкций высотных зданий – использование
наружных стен в качестве жесткой замкнутой оболочки, воспринимающей горизонтальные
нагрузки.
Оболочковая конструктивная система представляет собой несущую вертикальную кон-
струкцию наружных стен на всю высоту здания в виде стального или железобетонного кар-
касного ствола решетчатого типа.
Внешний ствол (оболочка), охватывающий все здание, наиболее эффективен с точки
зрения обеспечения жесткости системы и восприятия горизонтальных (ветровых) нагрузок
для высотных зданий в 50–150 этажей.
Конструкции наружных стен (оболочек) разнообразны. Наиболее функционально оп-
равданны и поэтому шире применяются конструкции в виде безраскосной пространственной
многоэтажной рамы из близко расположенных стоек (колонн) и поэтажных горизонтальных
обвязочных балок. Стойки и балки несущей системы одновременно служат оконными про-
стенками и перемычками наружного ограждения.
254
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Рис. 12.13. Небоскреб Spruce Street в Нью-Йорке
Форма решеток стен может быть весьма разнообразной. Элементы решетки могут слу-
жить солнцезащитой, определяя эстетическую выразительность фасадов зданий.
Оригинальные архитектурно-конструктивные решения оболочковых систем реализова-
ны в Абу-Даби при строительстве башен-близнецов Аль-Бахар (рис. 12.14)
Рис. 12.14. Башни-близенцы Al Bahar в Абу-Даби
255
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Несущий оболочковый каркас 29-этажных высоток с гексагональной сеткой (рис. 12.15, а)
окаймляется с внутренней стороны помещений светопрозрачной цилиндрической оболочкой
(рис. 12.15, б), а с наружной стороны здания покрывалом из золотистых сот (рис. 12.15, в). Эти
соты (рис. 12.16) открываются и закрываются в зависимости от освещенности.
аб в г
Рис. 12.15. Оболочки фасадов башен Al Bahar
Рис. 12.16. Фрагмент сотового фасада с открывающимися модулями-зонтиками
Такая конструкция фасада выполняет не только эстетическую, но и технологическую
функцию. Степень открывания скорлупок-сот определяется компьютером: от полностью от-
крытого состояния утром, до полного закрытия в полдень, чтобы защитить помещения от
50-градусной жары.
256
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Расчет зданий с оболочковой схемой каркаса предполагает, что пространственно-
стержневая система работает как полый стержень, защемленный в фундаменте. Большая про-
странственная жесткость такой конструктивной формы обеспечивается огромным радиусом
инерции сетчатой цилиндрической оболочки. Варианты решеток пространственно-стержневой
системы показаны на рис. 12.17.
а бв жз и
г де к лм
Рис. 12.17. Типы решеток несущих конструкций стальных наружных стен:
а – близко расположенные колонны с высокими балками; б – сквозные ригели в виде ферм; в – ж – раскосные
решетки; з, и – наклонные колонны с горизонтальными обвязочными балками; к – крестообразные связи между
колоннами; л, м – крестообразные связи в ячейках решетки
Оболочковая конструктивная система позволяет создавать не только вертикальные вы-
сотные здания, но и пространственно ориентированные архитектурные композиции. На
рис. 12.18 показано 160-метровое высотное здание Capital Gate в Абу-Даби. Угол наклона
35-этажного сооружения составляет 18°. Изгиб Capital Gate напоминает кривизну ствола де-
рева. Изогнутый пространственный стержень – сетчатая оболочка – прорисовывает кривизну
«свободно закрученного свитка бумаги». Основой несущей конструкции является крестооб-
разная модульная система diagrid с пространственно ориентированными узлами сопряжения
диагональных элементов.
Сетчатые оболочки могут приобретать любые сложные скульптурные композиции. Они
позволяют создать уникальный, выразительный художественный образ здания. Модуль diagrid
за счет изменения собственного построения: габаритов, изгибов, углов поворота сторон креста,
которые при стыковке превращаются в диагональные конструкции, позволяет допускать
не видимую для глаз подгонку ограждающих конструкций под форму. Они скрывают незначи-
тельные геометрические искажения оболочки Capital Gate и идеально натягивают стеклянные
панели по форме. Большее количество блоков diagrid имеют различные размеры, но точность
их стыковки обеспечивается компьютерными технологиями.
На рис. 1.5 и 12.18–12.21 показаны 5 из «великолепной семерки небоскребов», отме-
ченных Международной премией Emporis Skyscraper Award в 2012 г.
257
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Рис. 12.18. Небоскреб Capital Gate
Рис. 12.19. Небоскреб Al Raha Beach
258
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Рис. 12.20. Комплекс Абрадж аль-Бейт и вершина Королевской башни
Небоскреб Al Raha Beach высотой 110 м возведен на пляже в Абу-Даби и напоминает
ракушку. Это первый в мире небоскреб с фасадом в форме круглого диска. Обе стороны
«диска» имеют выгнутые поверхности.
Самое большое высотное сооружение построено в Саудовской Аравии (рис. 12.20). Это
комплекс из 6 башен. Высота центральной башни 525 м, а включая вершину шпиля – 601 м. Гос-
тиничный комплекс обеспечивает жильем 100 тыс. паломников, ежегодно посещающих Мекку,
а гаражи – парковку более 1 тыс. автомобилей. На вершине Королевской башни установлены
часы диаметром 43 м, которые освещаются 2 млн светодиодов. Они видны на расстоянии до
30 км. Стоимость строительства этого уникального комплекса составила 15 млрд долл.
Небоскреб Namaste в Мумбаи (Индия) (рис. 12.21) признан в 2013 г. самым красивым
в мире. Он объединяет в себе торгово-развлекательный комплекс, отель и деловой центр.
Форма башни символизирует ладони, сложенные вместе в традиционном индийском привет-
ствии «намасте». Завершение строительства предполагается в 2015 г. Проектная высота
62-этажного здания 300 м.
На рис. 12.22 показана панорама строительства проектируемого комплекса «Москва-Сити».
В последние годы в практике проектирования и строительства реализуется более слож-
ная конструктивная форма – коробчато-ствольная система «труба в трубе» (рис. 12.5, 7). Две
замкнутые оболочки расположены одна внутри другой. Роль внешней оболочки играют на-
ружные стены здания, а внутренней – стены коммуникационной шахты. Внешняя оболочка
воспринимает лишь часть горизонтальных нагрузок, а остальную часть передает через реб-
ристые перекрытия или иные конструкции на внутреннюю оболочку. Свободный от колонн
пролет (от наружной стены до ствола) в наши дни может достигать 16 м.
259
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Рис. 12.21. Небоскреб Namaste Tower
Рис. 12.22. Панорама строительства комплекса «Москва-Сити»
260
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Диагональные связи-раскосы, которые образуют ко- а б в
робчато-ствольные системы, не позволяют применять
пластические решения фасадов и требуют частого распо-
ложения несущих стоек по периметру здания. Система
«труба в трубе» может эффективно применяться в зда-
ниях выше 100 этажей.
В практике строительства гражданских многоэтаж-
ных зданий применяются комбинированные вантовые
системы с подвешенными этажами (рис. 12.23).
В конструктивном отношении здания с подвешен- де
ными этажами принципиально отличаются от многоэтаж- г
ных каркасных зданий. Основу конструктивной схемы
составляют пространственные вертикальные стволы –
шахты, в которых располагают лестничные и лифтовые
коммуникации, воспринимающие все вертикальные и го-
ризонтальные нагрузки. Этажи подвешивают к консоль-
ным оголовкам, выполненным в виде балочных роствер-
ков или систем перекрестных ферм, которые опираются
на вертикальный ствол здания. Благодаря замене сжатых
стоек, характерных для каркасов многоэтажных зданий,
на подвески, здания с подвешенными этажами менее ма- ж з и
териалоемки, чем традиционные многоэтажные каркасы,
обладают большей полезной площадью, повышенной
сейсмостойкостью, требуют меньшего объема земляных
работ, позволяют создавать оригинальные архитектурно-
конструктивные формы.
Конструктивные схемы по количеству главных
опор можно разделить на две основные группы: одно-
ствольные и многоствольные системы. Внутри каждой
группы в зависимости от места расположения, количест-
ва, конструктивной формы и других признаков консоль- Рис. 12.23. Схемы зданий ствольно-под-
весной системы с одним стволом:
ных ростверков вводят дополнительную классификацию. а – в – с различной геометрией оголов-
Наибольшее распространение в практике строитель-
ства получили одноствольные системы с одним консоль- ков подвесной системы; г – с одним
ным ростверком, расположенным на оголовке главного балочным оголовком; д – с оголовком
ствола (рис. 12.23). При этом ростверк решается в виде сис- и ростверком; е – с оголовком и двумя
темы балок (рис. 12.23, г – е) или ферм (рис. 12.23, а – в). ростверками; ж – с преднапряженными
подвесками
Минимальные усилия возникают в элементах ростверка
(рис. 12.23, в), когда угол наклона основных элементов к горизонтали принимается 30–35°. Для
уменьшения изгибающих моментов в балочных ростверках по высоте ствола устраивают два, три
и более ростверков в зависимости от числа этажей (рис. 12.23, д, е).
Вантовые подвески могут быть предварительно напряженными (рис. 12.23, ж – и). Это
создает оригинальность фасадов.
Сдерживают и усложняют проектирование и строительство ствольно-подвесных зданий
следующие факторы:
– недостаточная изгибная жесткость стальных подвесок при изменениях нагрузок, что
вызывает перемещения подвесных конструкций;
– высокая концентрация напряжений в растянутых элементах создает определенные
трудности по их анкеровке;
261
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
– горизонтальные нагрузки полностью воспринимаются только стволом, для опирания
которого требуется развитая конструкция фундамента.
Ствольно-подвесные системы характеризуются разнообразием геометрических форм,
которые зависят от способов строительства, стоимости, продолжительности возведения, объ-
емно-планировочных решений.
12.3. Элементы каркасных зданий
Несущими конструкциями каркасов многоэтажных и высотных зданий являются ко-
лонны, ригели (балки), раскосы связевых ферм и другие вспомогательные элементы. Колон-
ны воспринимают вертикальные сжимающие нагрузки от массы несущих и ограждающих
конструкций, эксплуатационных и технологических нагрузок. Они также воспринимают по-
перечные силы и изгибающие моменты от воздействия ветровых и сейсмических нагрузок,
от эффекта защемления в узлах их сопряжения с ригелями рамной системы. Основные сече-
ния таких колонн приведены на рис. 12.24.
аб в г но пр
де жз ст у ф
хц ч ш
ик лм
Рис. 12.24. Типы сечений стальных колонн:
а – г – сплошные из прокатных профилей; д – к – сплошные сварные из листов; л – п – сплошные сварные из про-
филей; р – т – сплошные сварные из листов и профилей; у – ш – сквозные из профилей и накладок (вставок)
Выбор сечения колонны зависит от соотношения внутренних усилий, расчетных длин,
способов закрепления элементов в каркасной системе. Они работают на внецентренное сжа-
тие. Основные принципы их расчета и конструирования изложены в разд. 7.
В промышленных этажерках и невысоких каркасных зданиях чаще используются типы
сечений а – в, д – ж, м – п, а также составные сечения у – ц (рис. 12.24). В высотных зданиях
могут применяться все отмеченные на рис. 12.24 сечения.
Представляются перспективными составные сечения на основе пятигранных труб [12].
Они показаны на рис. 12.25.
Форма такого составного профиля может быть четырехгранной, шестигранной, семи-
гранной, десятигранной, двенадцатигранной; возможны и другие формы сечений, получен-
ные на основе пятигранника. Это позволяет легко развивать конструктивную форму стерж-
невой системы во многих различных, не только ортогональных или параллельных направле-
ниях, что расширяет диапазон объемно-планировочных решений здания или сооружения
262
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
и их нетрадиционное исполнение. Сортамент пятигранных составных профилей приведен
в табл. П.5.10.
аy бy вy гy
xx x
x
y
д
е жy
y x
x
x
Рис. 12.25. Составные сечения с использованием пятигранного профиля
Для повышения несущей способности и огнестойкости внутренняя полость пятигран-
ника может быть заполнена бетоном (рис. 12.25, б). Бетон, включаясь в совместную работу
с металлической обоймой, воспринимает часть нагрузки. При дополнительном введении
в такие профили проволочной арматуры они могут образовать новый конструктивный эле-
мент: железобетонную колонну с жесткой арматурой.
В габаритах сечений колонн можно располагать инженерные коммуникации (рис. 12.26).
аб в
Рис. 12.26. Примеры расположения инженерных коммуникаций в габаритах сечения колонн:
а, б – двутаврового сечения; в – сквозного сечения
Элементы балок и ригелей многоэтажных зданий приведены на рис. 12.27.
Балки в системе перекрытий работают как в обычной системе балочной клетки, их кон-
струкции подробно изложены в разд. 10 и в учебно-методической литературе общего курса
металлических конструкций [17, 18, 53]. Особенности расчета и конструирования перфори-
рованных балок приведены в подразд. 11.5. Перфорированные балки позволяют не только
снижать вес и металлоемкость конструкций, но и дают возможность прокладывать инженер-
ные коммуникации в габаритах перекрытия (рис. 12.28).
263
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
ж
а
б
в
з
г
д
ик
е
Рис. 12.27. Балки стальных каркасов:
а – е – формы балок из прокатных профилей; ж – сварные перфорированные балки; з – типы сечений балок из
прокатных профилей; и – сечения сварных балок из листов; к – балка из швеллеров и листов
Узлы сопряжения балок показаны на рис. 12.29.
В конструкциях покрытий, а также при необходимости
получения больших внутренних безопорных пространств
(помещений) в качестве ригелей рам каркасов применяют
фермы (рис. 12.30). Безраскосные фермы на высоту этажа
изготавливают из прокатного профиля (двутавра) с помощью
сварки (рис. 12.30, а – в). При работе под нагрузкой пояса
и стойки таких ферм испытывают продольные усилия и изги-
бающие моменты, что необходимо учитывать при проектиро-
вании каркаса. Для перекрытия больших пролетов
и прокладки горизонтальных коммуникаций в пределах вы-
Рис. 12.28. Прокладка инженерных соты перекрытия применяются раскосные фермы, высоту ко-
коммуникаций в габаритах пер-
форированных балок торых принимают в пределах 1/8–1/10 пролета (рис. 12.30, г, д).
Стальные связевые конструкции выполняются в виде
плоских и пространственных ферм, поясами которых служат колонны. Иногда вместо ре-
шетки используется сплошная стальная стенка или стенка с окаймленными проемами.
Схемы плоских ферм показаны на рис. 12.31. Более целесообразно применять простую
схему а, если она обеспечивает требуемую жесткость и не приводит к чрезмерным усилиям
в сопряжении фермы с фундаментом. Схема г хороша тем, что увеличение жесткости дости-
гается в ней более простыми средствами.
Пространственные связевые стволы получаются объединением плоских ферм-граней.
В здании с несколькими стволами они могут быть соединены в общую систему пространст-
венным ростверком.
Решетка стальных связевых ферм образуется ригелями и раскосами (рис. 12.32). По-
скольку направление горизонтальных нагрузок может изменяться, раскосы при любой схеме
решетки должны воспринимать и растягивающие, и сжимающие усилия. Это касается и кре-
264
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
стовой решетки. Если ее раскосы проектировать, как обычно, гибкими, они могут получить
начальное выпучивание от вертикальных нагрузок вследствие обжатия колонн, что приведет
при горизонтальной нагрузке к дополнительным сдвиговым смещениям панелей фермы до
момента включения выпучившегося раскоса в работу на растяжение.
аб вг
де жз
Рис. 12.29. Сопряжение балок:
а – поэтажное; б – в одном уровне свободное; в – с пониженным уровнем; г – в одном уровне с подкосом; д –
с пониженным уровнем и защемлением; е – в одном уровне с упругим защемлением; ж – в одном уровне с за-
щемлением; з – в одном уровне с защемлением
а е жз и к л м
б но
в п
г
д
Рис. 12.30. Фермы стальных каркасов:
а – безраскосная ферма (балка Виренделя), сварная из прокатного двутавра; б – узлы безраскосной фермы при
необходимости увеличения жесткости и несущей способности; в – безраскосная ферма под большие нагрузки
(сварная из листовой и широкополосной стали); г – ферма с нисходящими раскосами; д – ферма с треугольной
решеткой; е – м – типы сечений ферм; н – п – варианты узлов ферм
265
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
а б вг
Рис. 12.31. Схемы связевых конструкций из плоских ферм:
а – консольная ферма постоянной ширины; б – то же, с уширением в нижней части здания; в – рамная ферма;
г – сочетание рамной и консольной фермы
Наибольшие возможности для устройства оконных и дверных проемов дает неполная
решетка по схемам з, и, наименьшие – крестовая по схеме е, другие схемы занимают проме-
жуточное положение. Треугольная и раскосная решетки более просты, ромбическая и непол-
ная по схеме з – наиболее сложны. В наименьшей степени требованиям жесткости отвечает
неполная решетка, т. к. она не образует геометрически неизменяемой схемы, а это приводит
к изгибу колонн и ригелей при работе фермы на горизонтальную нагрузку. По влиянию на
общую жесткость связевой фермы другие схемы решетки мало отличаются.
а бв г де ж
зи
Рис. 12.32. Решетка вертикальных связей:
а – треугольная; б – раскосная; в, г – полураскос-
ная; д, е – крестовая; ж – ромбическая; з, и – не-
полная
Укорочение колонн в пределах высоты этажа от действия продольных сжимающих сил
вызывает изменение длины раскосов и дополнительные напряжения в них. Если связевую
ферму рассматривать независимо от других конструкций здания, то наибольшие дополни-
тельные напряжения возникнут в раскосах крестовой решетки, т. к. ригель препятствует вза-
имному горизонтальному смещению узлов фермы и укорочение колонн вынуждает укорачи-
ваться и раскосы. В треугольной и раскосной решетке укорочение колонн может осущест-
виться без изменения длины раскоса, но с отклонением колонн от вертикали, причем в ферме
266
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
с раскосной решеткой отклонение колонн происходит в одном направлении, накапливаясь по
высоте здания, что является недостатком этой схемы. В раскосах треугольной решетки воз-
никают лишь небольшие продольные силы из-за сопротивления колонн изгибу и жесткости
узлов. Изгибная жесткость колонн влияет на работу ромбической решетки, а изгибная жест-
кость ригелей – на работу полураскосной решетки.
Для связевой фермы, находящейся в системе конструкций здания, дополнительные на-
пряжения в раскосах будут зависеть от степени стеснения горизонтальных смещений узлов
и отклонений колонн от вертикали другими конструкциями (колоннами, связевыми конст-
рукциями, стенами), объединенными с рассматриваемой фермой горизонтальными дисками
перекрытий.
По комплексу различных показателей наиболее целесообразны треугольная и полурас-
косная решетки. Хотя полураскосная решетка несколько сложней и деформативней, она эко-
номичнее по расходу стали, лучше согласуется с обычными соотношениями b и h, имеет бо-
лее компактные сечения, что упрощает устройство стен. Некоторое преимущество имеет ва-
риант полураскосной решетки по схеме (рис. 12.32, г), т. к. действующая на ригель
вертикальная нагрузка снижает дополнительные напряжения в раскосах от обжатия колонн
или переводит их в растягивающие.
Отметим некоторые особенности компоновки пространственных ферм, используемых
для внешних стволов жесткости. Грани таких стволов, обычно совмещаемые с наружной
стеной, могут быть решены: 1) в виде фермы с крупной панелью (на несколько этажей) с до-
полнительным набором колонн и ригелей (рис. 12.33, а); 2) в виде многораскосной фермы
с мелкой панелью (рис. 12.33, б).
В первой схеме четко выделяются основные стержни, обеспечивающие жесткость и ра-
ботоспособность фермы. Промежуточные колонны и ригели могут быть включены в работу
всей системы, но могут выполнять только местные функции, передавая приложенные к ним
нагрузки на основные элементы и в узлы фермы. В последнем случае иногда применяется
решение с разрезкой промежуточных колонн по высоте на независимые части, поочередно
подвешиваемые в узлах фермы.
Во второй схеме создается настолько частая решетка, что она позволяет обойтись без ко-
лонн и ригелей традиционного исполнения, хотя может и сочетаться с колоннами и ригелями.
Схема отличается высокой жесткостью и однородностью структуры, совмещается с решением
внешней стены, но с окнами непривычной формы (трапециевидной, треугольной).
При использовании неполной решетки (рис. 12.33, в, г) многораскосная ферма перехо-
дит в комбинированную систему, в которой объединяются изгибаемые и продольно нагру-
женные стержни, при этом жесткость фермы снижается.
аб в
г
Рис. 12.33. Варианты внешних стволов жесткости:
а – ферма с крупной панелью; б – ферма с мелкой панелью; в, г – стержневые системы с неполной решеткой
267
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Раскосы прикрепляют, как правило, через промежуточные детали – фасонки. Прикреп-
ление конструируется по типу узлов легких ферм. Иногда используются фланцевые прикре-
пления. Шарнирный узел сопряжения показан на рис. 12.34, а; жесткий – на рис. 12.34, б.
Для болтовых соединений раскосов с фасонками следует применять высокопрочные болты,
чтобы исключить сдвиги в соединениях. Для удобства монтажа отверстия рекомендуется
выполнять овальными.
аб
Рис. 12.34. Прикрепление раскоса связей на болтах:
1, 2 – ось и грань колонны; 3, 4 – ось и грань балки
В многоэтажных и высотных зданиях часто между надземными этажами и подземной ча-
стью, включая фундаменты, устраивают переходную конструктивную систему со свободной
(гибкой) планировкой. В ней размещаются учреждения обслуживания, стоянки автомобилей
и т. п. Типы переходных конструкций могут быть самыми разнообразными (рис. 12.35).
абв г
де жз
Рис. 12.35. Системы опорных конструкций порталов:
а, б – рамные; в – из перекрестных ферм; г – арочная; д – балочная; е – решетчатая рамная; ж – с перекрестным
ростверком и конусными опорами; з – с V-образными опорами; 1 – однопролетная рама; 2 – консольная рама;
3 – перекрестные фермы; 4 – аркада; 5 – балка; 6 – решетчатые опоры; 7 – конусные опоры; 8 – V-образные; 9 –
балочный ростверк; 10 – распределительная плита; 11 – пилон; 12 – колонна; 13 – точечный фундамент; 14 –
плитный фундамент; 15 – фундамент из перекрестных лент
268
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Такие поддерживающие конструкции называются порталами. Основу несущей конст-
рукции портала составляют поперечные или продольные рамы, связанные одна с другой
мощными балками или фермами, в совокупности создающими жесткую неизменяемую сис-
тему. Конструктивно порталы выполняют в монолитном железобетоне, армированном жест-
кой или гибкой арматурой. Используется также металл и фибробетон.
Стены и перекрытия выполняются из металла, бетона и композитных материалов. Конст-
рукции стенового ограждения, отмеченные в разд. 2, используются и в многоэтажных зданиях.
В зависимости от конструктивной схемы здания наружные стены могут быть навесны-
ми или несущими из раздельных элементов, а также из трехслойных панелей заводского из-
готовления. В качестве эффективного утеплителя рекомендуется применять негорючие ма-
териалы, например минераловатную плиту с базальтовым волокном. Навесные стены опира-
ются на столики или элементы фахверка.
Наружные стены высотных зданий должны воспринимать большие и существенно изме-
няющиеся по высоте ветровые нагрузки с учетом пульсационной составляющей ветрового напо-
ра. Они должны соответствовать повышенным требования к огнестойкости, отвечать особым
эксплуатационным требованиям, связанным с обслуживанием и ремонтом фасадов. Применение
фасадных вентилируемых систем допускается только по согласованию с пожарной инспекцией.
Перекрытия – основные горизонтальные конструктивные элементы здания, расчле-
няющие его по высоте на этажи. Конструкции перекрытий образуют горизонтальные жест-
кие диски (диафрагмы). Они объединяют вертикальные несущие конструкции здания, обес-
печивая его работу как единого целого.
По материалу основных элементов перекрытия бывают железобетонные, сталежелезобе-
тонные, сталебетонные; по способу возведения сборные, монолитные и сборно-монолитные.
Выбор схемы перекрытий зависит от размера пролета и шага колонн, формы ячейки,
конструкции плиты перекрытия.
Для прямоугольных и квадратных ячеек обычно используются схемы балочных клеток.
При квадратной ячейке по условиям унификации часто переходят на шахматную раскладку
сборных настилов в смежных ячейках, обеспечивая тем самым одинаковое загружение ригелей
(рис. 12.36). В усложненной схеме балочной клетки при жестких балках по контуру ячейки
возможна пространственная система перекрестных балок с простым пересечением в разных
уровнях. Дальнейшее развитие этой идеи приводит к структурной плите перекрытия.
Рис. 12.36. Рамный каркас с шахматным расположением плит перекрытий
269
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Узлы опирания плит перекрытия на ригели показаны на рис. 12.37. С целью уменьше-
ния строительной высоты плиты настила опирают в одном уровне с верхними поясами риге-
лей. При этом устраивают дополнительные опорные элементы ниже верхних поясов ригелей
для восприятия возможных крутящих моментов при односторонней загрузке ригелей на пе-
риод монтажа.
Рис. 12.37. Узлы опирания железобетонных плит перекрытия на ригеле
Получают все большее применение теплоизолированные монолитные ребристые пере-
крытия (рис. 12.38). Их конструкции включают: теплоизоляционные опалубочные элементы
(из пенополистирола и комбинированные), арматурные каркасы и сетки, монолитный бетон.
Они предназначены выполнять роль оставляемой опалубки и одновременно теплоизолятора.
Нагрузку перекрытие воспринимает железобетонными ребрами (после набора прочности бе-
тоном), которые располагаются с частым шагом (375–600 мм). При возведении теплоизоли-
рованных перекрытий опалубочные элементы поддерживаются в пролете инвентарными
подмостями.
а
б
Рис. 12.38. Теплоизолированные монолитные железобетонные ребристые перекрытия:
а – с применением пенополистирольных профилированных элементов; б – с применением комбинированных
элементов из цементно-стружечной нижней и пенополистирольной верхней частей; 1 – пенополистирольный
элемент межбалочного заполнения; 2 – комбинированный элемент; 3 – арматурный каркас; 4 – арматурная сет-
ка; 5 – бетон замоноличивания
270
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
В последние десятилетия широкое применение получили сталебетонные и сталежеле-
зобетонные перекрытия.
Сталебетонными называют перекрытия, в которых силовая работа воспринимается
стальными листами, выполняющими одновременно роль несъемной опалубки, и бетоном.
Сталежелезобетонные перекрытия кроме указанных элементов содержат еще и допол-
нительное армирование – стержни, каркасы, профили (рис. 12.39).
53
1
24
Рис. 12.39. Сталежелезобетонное перекрытие:
1 – стальной профилированный настил; 2 – стальной уголковый анкерный упор; 3 – стержневая арматура; 4 –
стальная балка; 5 – бетон
Конструктивные решения покрытий изложены в подразд. 2.6. Кровлю высотных зданий
следует выполнять из негорючих материалов. Для возможности использования аварийно-
спасательного снаряжения при пожарах и чрезвычайных ситуациях по периметру кровли
следует предусматривать систему закладных элементов, а также устройство сплошного мо-
норельса с несущей способностью не менее 1,5 тс.
12.4. Компоновка конструктивной системы
В процессе компоновки устанавливаются главные размеры в плане и по высоте, взаим-
ное расположение элементов, их компоновочных размеров (высота этажа, шаг колонн и ба-
лок), сопряжение верхнего строения с подземными этажами и фундаментами, взаимоувязка
несущих и ограждающих конструкций.
Размещение конструкций в плане во многом зависит от архитектурно-планировочных
решений и функционального назначения здания. В процессе компоновки на основе технико-
экономического сравнения вариантов выбирается конструктивная система (рамная, связевая,
каркасно-ствольная и др.). Сравнительный анализ производится по 4 основным критериям:
архитектурным, конструктивным, технологическим и экономическим.
271
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Принцип упрощения конструктивной формы – один из основных принципов компонов-
ки. Он позволяет обеспечить четкость статической и геометрической схемы, регулярность
и однородность строения системы, простоту и технологичность конструктивных элементов.
Для сокращения сроков строительства следует стремиться к минимальному числу отдельных
объемов здания, избегать сложных замкнутых форм.
Сетка колонн должна быть согласована с формой плана и типом конструктивной сис-
темы. Нужно стремиться к возможно более простой сетке с прямоугольной или квадратной
ячейкой, отвечающей требованиям унификации и модульности размеров, используя осевую
и центральную симметрию (рис. 12.40).
Рис. 12.40. Примеры планировочных решений типового этажа в зданиях с различной формой плана
Компоновка элементов каркаса во многом зависит от архитектурно-планировочных
требований и определяется формой здания. Характерные для стальных каркасов типы ком-
поновок представлены на рис. 12.41.
В каркасных зданиях компоновка колонн определяет систему горизонтальных элемен-
тов каркаса – балок. Главные балки совместно с колоннами образуют основную систему, вы-
полняя функции несущих элементов вертикальных рам. Пролеты главных балок могут дос-
тигать 15 м. В зависимости от размеров основной планировочной ячейки каркаса она может
быть разделена второстепенными балками с образованием балочной клетки. Эти балки име-
ют пролеты 6–12 м и располагаются с шагом 2–3 м. При этом, чем больше их пролет, тем
меньше шаг, и наоборот.
Конструкции несущих систем каркасных зданий выбираются в соответствии со схемой
передачи усилий в виде поперечных, продольных и пространственных рам (в двух или трех
направлениях).
272
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
а бвг
е жз
д лм
ик
но п р
с ту
фх ц
чш э
Рис. 12.41. Схемы компоновки стальных каркасов:
а – г – с поперечными основными рамами; д – з – с продольными рамами; и – м – с рамами в двух направлени-
ях; н – р – с рамами в трех направлениях (на треугольной сетке колонн); с – ц – с комбинированными располо-
жением и пролетами рам; ч – с рамами в трех направлениях (для треугольного в плане здания); ш – с веерооб-
разным расположением рам; э – с рамами по радиальным и кольцевым направлениям
273
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
В системах с поперечными рамами (одно-, двух-, трехпролетными) вертикальные на-
грузки передаются этим рамам, которые одновременно воспринимают и основную часть го-
ризонтальных нагрузок (рис. 12.41, а). По мере увеличения шага рам необходимо переходить
на балочные клетки (рис. 12.41, б – г), в которых второстепенные балки передают вертикаль-
ные нагрузки на главные балки – ригели рам. Такой подход характерен для жестких (рам-
ных) каркасов. Второстепенные балки чаще всего располагают в третях или четвертях ос-
новного пролета.
В несущих системах с продольными рамами (рис. 12.41, д – з)вертикальные нагрузки
передаются рамам, параллельным длинной стороне здания, а поперечные рамы работают,
в основном, на горизонтальные нагрузки.
Если сетка колонн и форма плана здания близки к квадрату, то обычно применяют не-
сущие системы, работающие в двух направлениях (рис. 12.41, и – м). В целях распределения
вертикальных нагрузок по обоим направлениям расположение главных и второстепенных
балок можно менять поэтажно.
В треугольном по плану здании главные балки могут располагаться в двух и трех на-
правлениях параллельно каждой из наружных стен, а второстепенные – перпендикулярно им
или под углами в 30 и 60° (рис. 12.41, н – р, ч).
Каркасное здание усеченной эллиптической формы (рис. 12.41, ш) требует устройства
необычного веерообразного расположения главных балок и рам, которые воспринимают вер-
тикальные нагрузки и основную часть горизонтальных нагрузок.
Естественно стремление в зданиях, близких к форме круга (рис. 12.41, э), создать сис-
тему радиальных рам и связывающих их балок по кольцевым направлениям или, наоборот,
кольцевых рам и радиальных балок.
Членение конструкций каркаса на отправочные элементы (рис. 12.42) при ограниче-
нии веса и габаритов должно обеспечивать максимальную степень их заводской готовности.
При определении габаритов отправочных элементов принимают во внимание особенности
транспортировки и монтажа конструкций конкретного объекта строительства. Наиболее час-
то используют схему с линейными отправочными элементами (рис. 12.42, а), имеющую пре-
имущество транспортировки и складирования. Другие схемы членения каркаса уступают ли-
нейной, но имеют свои преимущества.
Так, применение в рамных системах отправочных элементов с консолями (рис. 12.42,
б – е) позволяет более просто выполнять монтажные стыки в сечениях с меньшими изги-
бающими моментами, тогда как более напряженные узлы примыкания ригелей к колоннам
осуществляются в заводских условиях.
Для удобства монтажа и по условиям унификации стыки колонн размещают, как пра-
вило, на одном горизонтальном уровне выше ригеля на 0,6–1 м, а стыки ригелей – на одной
вертикали. Длина колонн в отправочных элементах соответствует двум-трем этажам в зави-
симости от грузоподъемности монтажных кранов и нормальной длины проката, а длина ри-
гелей изменяется от неполного шага (схема б) до двух-трех шагов колонн (схема в при шаге
колонн 1,9–1,3 м).
Для ускорения и повышения качества монтажа отправочные элементы на строительной
площадке укрупняют в монтажные блоки массой до 15–20 т в специальных стендах и кон-
дукторах, обеспечивающих высокую точность укрупнительной сборки. Монтажные блоки
могут быть плоскостными и пространственными (рис. 12.43).
В современной практике строительства зданий применяются рамные, связевые и рам-
но-связевые типы каркасов (рис. 12.44, а – в). При проектировании стального каркаса в силу
различных причин не всегда сохраняется регулярность системы и единый принцип ее по-
строения. В высоких зданиях возможны нарушения регулярности в виде выступов и углуб-
274
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
лений в плане, уступов и консольных выносов по высоте, смещений осей и некоторых ко-
лонн и ригелей, изменения схемы работы системы по высоте здания, по поперечному или
продольному направлению и т. д. (рис. 12.44, г – ж).
а бв
г де
ж зи
Рис. 12.42. Схемы членения стальных каркасов на отправочные элементы
Рис. 12.43. Членение каркаса на монтажные блоки и элементы
275
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
а бв
г де
ж
Рис. 12.44. Конструктивно-статические схемы стальных каркасов и их возможные сочетания:
а – рамный; б – связевый; в – рамно-связевый; г, д – разделение каркаса на крупные зоны с разными системами
по высоте; е, ж – местные изменения в системе
В некоторых архитектурно-конструктивных решениях применяют стальные каркасы
с наклонными колоннами. В этих случаях необходим учет передачи горизонтальных уси-
лий на каркас от наклонных колонн. Горизонтальные усилия тем больше, чем сильнее ко-
лонны отклоняются от вертикали. В зданиях с симметричными каркасами (рис. 12.45, а, б)
горизонтальные усилия от нагрузки взаимно погашаются. В несимметричных каркасах
(рис. 12.45, в) требуется мощная жесткая несущая конструкция, способная воспринять гори-
зонтальные усилия. Парные наклонные колонны, например, для образования проезда
(рис. 12.45, г) эффективно увеличивают жесткость здания против ветровых горизонтальных
нагрузок; V-образные опорные колонны (рис. 12.45, д) также хорошо сопротивляются гори-
зонтальным усилиям. В зданиях воронкообразной формы с наклонными колоннами создают-
ся значительные горизонтальные силы, которые при симметричном решении каркаса могут
быть, в основном, восприняты мощными затяжками (рис. 12.45, е).
276
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
аб
в
г де
Рис. 12.45. Каркасы с наклонными колоннами:
а, б – симметричные; в – несимметричный; г – с парными симметричными внутриконтурными колоннами; д –
с V-образными парными опорными колоннами; е – с наклонными симметричными колоннами в верхней части
каркаса
В зданиях пирамидальной формы в результате наклона колонн уменьшается горизон-
тальный прогиб верха каркаса до 20–30 %. Наклон колонн усложняет конструкцию, но в от-
дельных случаях может оказаться эффективным.
В зданиях сложной формы целесообразно использовать переходные вставки. Следует
избегать сбивки осей колонн и ригелей. Большие помещения целесообразно располагать
в верхних этажах или в отдельном объеме здания. В системах с диафрагмами и стволами же-
сткости их расположение и сетка колонн должны быть увязаны.
На первых этапах высотного домостроения шаг колонн составлял 5–6 м. В последние
годы наметилась тенденция к увеличению шага колонн в общественных зданиях до 12 м.
Появились схемы компоновки с пролетами перекрытий до 18–24 м. Это повышает гибкость
использования помещений. Примеры размещения колонн в плане показаны на рис. 12.46.
а гж
б дз
е и
в
Рис. 12.46. Размещение колонн в плане:
а – в – в рамных системах; г – е – в связевых и рамно-связевых с диафрагмами или внутренним стволом; ж, з –
в системе с внешним охватывающим стволом; и – в секционно-рамной системе
277
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Пространственная жесткость и устойчивость здания обеспечивается системой связей.
Они должны препятствовать горизонтальным перемещениям в двух главных направлениях
плана, а также кручению. Следует соблюдать симметрию в размещении связевых конструк-
ций. Число связевых конструкций в здании должно быть минимально необходимым. Они не
должны существенно стеснять температурные деформации и препятствовать потоку эвакуа-
ции людей в экстремальных ситуациях. Варианты размещения связей показаны на рис. 12.47.
Схемы связевых решеток показаны на рис. 12.32, а узлы их крепления к колоннам – на
рис. 12.34. Если здание делится деформационными швами на отдельные отсеки, связевые
конструкции компонуют для каждого отсека.
а
б
в
Рис. 12.47. Схемы размещения вертикальных связей в плане:
а – размещение по контуру здания; б – размещение в центре здания; в – размещение в различных участках плана
Элементами, обеспечивающими пространственную жесткость, могут быть системы пе-
рекрестных внутренних стен, каркасная система с ядрами и диафрагмами жесткости, оболо-
чечная система с несущими наружными стенами. Конструктивная система должна обеспечи-
вать равномерное перераспределение нагрузок на несущие конструкции за счет симметрич-
ного расположения элементов жесткости. Согласно ТСН 31-332–2006 площадь ядра
жесткости должна быть не менее 20 % площади этажа.
Монолитные железобетонные перекрытия обеспечивают горизонтальные жесткие дис-
ки. Они работают как диафрагмы, воспринимая горизонтальные нагрузки и сдвиговые де-
278
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
формации. Однако, если в составе перекрытия установлены стальные балки с шарнирным
опиранием на колонны, часто возникает необходимость в установке дополнительной систе-
мы горизонтальных связей, а иногда и отдельных поясов жесткости (рис. 12.48). Горизон-
тальные связевые конструкции следует совмещать с техническими этажами.
абв г д е
Рис. 12.48. Рамно-связевые системы с поясами жесткости:
а – пояса жесткости в рамной системе; б – фермы-ригели через этаж; в – сочетание поясов жесткости с верти-
кальной диафрагмой; д, е – схемы деформирования системы без ростверка и с ростверком
Пояса жесткости (рис. 12.48), дополняющие рамную систему, снижают ее горизонталь-
ные перемещения, препятствуют изгибу и сдвигу смежных колонн, а также перекосу ячеек
рамы. Колонны, обычно не участвующие в работе связевой системы на горизонтальные на-
грузки, с помощью пояса и ростверка включаются в работу всей системы. При этом на
30–40 % уменьшаются горизонтальные перемещения системы, и резко снижаются перекосы
ячеек в верхней части здания (рис. 12.48, г).
Выбор схемы перекрытий зависит от размера пролета и шага колонн, формы ячейки
и конструкции плиты перекрытия. Условия прокладки инженерных коммуникаций могут
оказать решающее влияние на выбор схемы и компоновку перекрытия.
В металлических каркасах с прямоугольными и квадратными ячейками часто использу-
ется система балочных клеток. Ячейки балочных перекрытий могут выполняться по упро-
щенной, нормальной или усложненной схемам (рис. 12.49); варианты компоновки показаны
на рис. 12.50.
а бв
Рис. 12.49. Ячейки балочных клеток:
а – упрощенная схема; б – нормальная схема; в – усложненная схема
279
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
аб вг
Рис. 12.50. Варианты компоновки перекрытия
Типы сечений ригелей, балок и ферм перекрытий представлены на рис. 12.27 и 12.30.
Строительная высота перекрытия должна быть минимальной и определяется в процессе
сравнения вариантов. Для повышения жесткости каркасной системы используют железобе-
тонные перекрытия. В последнее время эффективно используются комбинированные моно-
литные железобетонные перекрытия со стальным профилированным настилом [35]. Конст-
рукции узлов сопряжения элементов каркаса рассмотрены в подразд. 12.7.
12.5. Нагрузки на каркасы многоэтажных и высотных зданий
Нагрузки и воздействия определяются на основании задания на проектирование с уче-
том действующих нормативных актов [40, 46, 50, 51]. При проектировании высотных зданий
дополнительно следует учитывать рекомендации [16, 55], а также опыт ведущих научных
и проектных организаций [21, 24, 38, 39]. На многоэтажные и высотные здания, как и на од-
ноэтажные, рассмотренные в гл. 5, действуют постоянные, временные (длительные, кратко-
временные, особые) нагрузки. Коэффициенты надежности по нагрузкам и сочетаний прини-
маются по [50] с учетом [48].
12.5.1. Постоянные нагрузки
К постоянным нагрузкам относятся вес несущих и ограждающих конструкций, вес под-
сыпок, воздействие предварительного напряжения. Приближенное значение нормативной
нагрузки от веса стальных конструкций, выполненных из стали С245, может быть подсчита-
но по формуле
p 0,1 0,03q kw0H L1 0,01H ,
где H и L – соответственно высота и меньший из габаритных размеров здания в плане, м; q –
нормативное значение суммы постоянной (кроме веса несущих конструкций) и вертикальной
временной нагрузок, отнесенное к площади всех перекрытий (q = 6–10 кН/м2); w0 – норма-
тивное ветровое давление для района строительства, кН/м2; k – коэффициент, учитывающий
конструктивную схему каркаса. Этот коэффициент принимают равным: k = 3 – для обычных
рамных систем; k = 1,5 – для секционно-рамных систем и систем с внешней пространствен-
ной рамой; k = 2,0 – для связевых систем с решетчатыми стальными диафрагмами или внут-
ренним стволом в виде стальной пространственной фермы; k = 1 – для связевых систем
с внешними стволами.
280
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Если некоторые несущие конструкции каркаса здания выполнены из стали другой мар-
ки с расчетным сопротивлением Ry*, то нормативное значение постоянной нагрузки, кН/м2,
может быть вычислено по следующей зависимости:
p* p 1 p 0,3 0, 7Ry R*y ,
где – доля конструкций из стали марки С245; Ry – расчетное сопротивление стали С245.
При расчете ригелей и балок перекрытий учитывают часть нагрузки р, равной (0,3 +
+ 6/mэт) р – для рамных систем и (0,2 + 4/mэт) р – для связевых систем, где mэт – число этажей
здания (mэт 20).
Нагрузка от веса стен и перекрытий. Нормативное значение веса 1 м2 стены или пере-
крытия приближенно составляет, кН/м2:
– для наружных стен из бетонных панелей – 2,5–5,0;
– для стен из эффективных панелей – 0,6–1,2;
– для внутренних стен и перегородок на 30–50 % меньше, чем для наружных стен;
– для несущей плиты перекрытия вместе с полом при использовании железобетонных
панелей и настилов – 3–5;
– то же, при использовании монолитных плит из легкого бетона по стальному профна-
стилу – 1,5–2,0;
– нагрузка от подвесного потолка – 0,3–0,8.
12.5.2. Временные нагрузки на перекрытия
Нагрузки на технические этажи и производственные помещения принимаются по тех-
нологическим заданиям. При отсутствии технологического задания в соответствии с 8.3 [55]
интенсивность временных нагрузок можно принять:
– для технических этажей – не менее 10 кПа (1000 кгс/м2);
– для автостоянок и складских помещений – не менее 5 кПа (500 кгс/м2);
– для карнизов – не менее 1,4 кПа (140 кгс/м2).
Временные нагрузки на перекрытия для жилых и общественных зданий принимаются
в соответствии с табл. 8.3 СП 20.13330.2011 в виде равномерно распределенных нагрузок.
Кроме того, к временным нагрузкам относится вес временных перегородок, который можно
задавать как равномерно распределенную нагрузку на основании расчета по предполагаемым
схемам размещения перегородок, но не менее 50 кгс/м2.
Коэффициенты надежности по нагрузке f = 1,2–1,3. В отдельных случаях, предусмот-
ренных п. 8.2.4 [50], временные нагрузки принимаются с учетом понижающих коэффициен-
тов А1 или А2.
При наличии стационарного оборудования значительного веса и габаритов, а также при
проверке существующих перекрытий на действие вновь установленного оборудования вре-
менную нагрузку рекомендуется задавать в виде серии сосредоточенных грузов в соответст-
вии с расположением опор оборудования. При этом на участках между габаритами оборудо-
вания следует предусматривать равномерно распределенную нагрузку от людей, материалов
и т. п. не менее 150 кг/м2.
Для неэксплуатируемых покрытий за временную нагрузку принимается снеговая на-
грузка согласно СП 20.13330.2011. Для эксплуатируемых покрытий заданная временная на-
грузка должна быть не менее снеговой.
Схемы расположения временных нагрузок на перекрытия должны учитывать наиболее
неблагоприятное загружение. Например, в расчете рам, стволов жесткости и фундаментов
281
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
следует рассматривать не только сплошное загружение всех перекрытий, но и возможные
варианты частичного, в том числе одностороннего загружения.
12.5.3. Снеговая нагрузка
Снеговая нагрузка определяется по указаниям [40, 50]. Она имеет большое значение
в рамных системах малоэтажных зданий при средних и больших пролетах, а также в конст-
рукциях покрытий и мало влияет на суммарные усилия в нижерасположенных конструкциях
высоких зданий.
В отдельных случаях, предусмотренных 10.5 [50], учитывается снос снега с покрытия
здания путем введения коэффициента
Ce 1, 2 0,1v k 0,8 0,002b,
где k принимается по табл. 6 [40]; b – ширина покрытия, м.
Многие кровли зданий являются скользкими, и снег имеет возможность соскальзывать
с них. Сначала снег накапливается, потом смерзается с образованием «снеговых мешков»
и при оттепели глыба снега лавинообразно скатывается по уклону кровли. Снеговая нагрузка
становится динамическим воздействием и это следует учитывать при проектировании зда-
ний. Согласно методике [21], составляющая нагрузки, направленная параллельно склону:
P0 0, 5h02 K1K2 sin 2,
где h0 – высота снежного покрова, м; K1 = 1,2–3,2 – коэффициент, зависящий от характера
и ориентации поверхности склона; K2 = 0,7–1,0 – коэффициент, зависящий от значения плот-
ности и угла наклона поверхности к горизонту.
Более подробную информацию о динамическом воздействии снеговой нагрузки на по-
крытие и удары о парапет и другие ограждения можно найти в разд. 8 [11]. Здесь же даны
рекомендации по конструированию и расчету снегоудерживающих преград.
12.5.4. Ветровые нагрузки
Действие ветра на сооружения проявляется в виде нагрузки, величина которой зависит
от скорости ветра и его порывистости. За нормативную скорость ветра в каждом из 7 ветро-
вых районов принята наибольшая скорость на высоте 10 м над поверхностью земли, превы-
шаемая в среднем раз в 5 лет.
Местные условия рельефа площадки строительства вносят свои коррективы в величину
и характер нормированной для рассматриваемого района скорости ветра. Ветровая нагрузка
содержит статическую и динамическую составляющую.
Статическая ветровая нагрузка wm есть совокупность:
а) нормального давления we, приложенного к внешней поверхности сооружения;
б) сил трения wf, направленных по касательной к внешней поверхности;
в) нормального давления wi, приложенного к внутренним поверхностям зданий (откры-
тые проемы, проницаемые ограждения).
Динамическая составляющая связана с пульсацией ветрового потока при порывах вет-
ра. Пульсационная составляющая ветрового потока вызывает колебания многоэтажного зда-
ния. Установлено, что пульсация ветрового потока с увеличением высоты z уменьшается.
Наибольшее влияние на динамические усилия и перемещения оказывают пульсации, частота
которых f близка к частоте собственных колебаний системы fl. При оценке пульсационной
282
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
составляющей wp вводится коэффициент динамичности . Он зависит от периода собствен-
ных колебаний и логарифмического декремента колебаний.
При расчете высотных зданий необходимо учитывать и другие динамические эффекты:
вихревое возбуждение (ветровой резонанс), флаттер, галопирование. Ветровой резонанс –
это интенсивное нарастание амплитуд колебаний конструкции поперек ветрового потока.
Флаттер – это неустойчивость гибких пластинчатых конструкций. Галопирование – это са-
мовозбуждаемые колебания гибких сооружений и элементов незамкнутого профиля.
Ветровые нагрузки на малоэтажные здания определяются так же, как и атмосферные
(см. подразд. 5.3). Для многоэтажных и высотных зданий они имеют решающее значение.
Федеральный закон РФ [56] ужесточил требования к расчету высотных сооружений, поэтому
при определении ветровых нагрузок рекомендуется пользоваться более жесткими рекомен-
дациями СП 20.13330.2011 [50] по сравнению с СНиП 2.01.01–85 [40].
Для малоэтажных зданий ветровая нагрузка w определяется как сумма средней wm
и пульсационной wp составляющих ветрового напора:
w = wm + wp. (12.1)
Для высотных сооружений дополнительно следует учитывать резонансное вихревое
возбуждение и аэродинамические неустойчивые колебания.
Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки
wm = w0 k(ze)c, (12.2)
где w0 – нормативное значение ветрового давления по табл. 11.1 [50]; k(ze) – коэффициент,
учитывающий изменение ветрового давления для эквивалентной высоты ze, вычисляется со-
гласно 11.1.5 и 11.1.6 [50]; с – аэродинамический коэффициент (см. 11.1.7 СП 20.13330.2011).
Значения аэродинамических коэффициентов зависят от конструктивной формы здания,
направления ветра, параметров сооружения, шероховатости поверхностей и ряда других
факторов. Рекомендации по их вычислению приведены в прил. Д.1 [50].
Для сооружений повышенного уровня ответственности, к которым относятся высотные
здания, а также во всех случаях, не предусмотренных Д.1, аэродинамические коэффициенты
необходимо принимать по справочным данным или на основе результатов продувок моделей
сооружений в аэродинамических трубах.
Нормы проектирования [40, 50] не могут предусмотреть весь комплекс воздействий
ветра на конкретную расчетную ситуацию. Это зависит не только от конструктивной формы
и особенностей высотного здания, но также и от рельефа местности, от окружающей за-
стройки и т. п. Поэтому ТСН 31-332–2006 [55], МГСН 4.19.05 [16] требуют проведения фи-
зического моделирования таких расчетных ситуаций. Методика уточнения ветровых нагру-
зок по результатам испытаний моделей высотных зданий приведена в прил. Д [55].
Нормативное значение пульсационной составляющей wp зависит от частот собственных
колебаний. Предельное значение частоты собственных колебаний fl следует определять по
табл. 11.5 [50]. Оно зависит от ветрового района и логарифмического декремента колебаний
= 0,3.
Частоты собственных колебаний 1-й, 2-й, …i-й форм определяются по справочникам
или программным комплексам [21, 38, 39, 54]. Для сооружений и их элементов, у которых
первая частота собственных колебаний f1 > fl, нормативное значение
wp = wm(ze)v, (12.3)
где (ze) – коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый по табл. 11.4 [50]; v – коэф-
фициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра, определяется по 1.1.11 [50].
283
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Если расчетная поверхность близка к прямоугольнику, то коэффициент v можно опре-
делять по табл. 11.6 [50] в зависимости от размеров высоты и ширины прямоугольной по-
верхности, ортогональной направлению ветра.
Для сооружений, у которых f1 < fl < f2:
wp = wm(ze)v. (12.4)
Здесь – коэффициент динамичности. Он определяется по рис. 11.1 [50] в зависимости от
величины (логарифмический декремент колебаний) и параметра 1, который для первой
собственной частоты f1 вычисляется по формуле
1 w0k zэк f . (12.5)
940 f1
Здесь w0 – нормативное значение давления ветра для заданного района, Па; k(zэк) – коэффи-
циент, учитывающий изменение ветра для высоты zэк (табл. 11.2 СП 20.13330.2011);
1 = 1,4 – коэффициент надежности по нагрузке.
Для конструктивных элементов в (12.5) следует принимать в качестве zэк высоту z, на
которой они расположены; для зданий и сооружений zэк = 0,7h, где h – высота сооружения.
Для сооружений, у которых вторая собственная частота меньше предельной, необхо-
димо производить динамический расчет с учетом s первых форм собственных колебаний.
Число s следует определять из условия
fs < fl < fs+1.
При расчете зданий допускается учитывать динамическую реакцию по трем низшим
собственным формам колебаний.
Для многоэтажных зданий высотой до 40 м при отношении высоты к пролету менее 1,5,
размещаемых в местностях типа А и Б, пульсационную составляющую допускается опреде-
лять по формуле (12.3).
Усилия и перемещения при учете динамической реакции по s собственным формам оп-
ределяются по формуле
X 2 X 2 , (12.6)
s
где Х – суммарные усилия или перемещения; Xs – усилия или перемещения по s-й форме
колебаний.
Для элементов ограждения и узлов их крепления необходимо учитывать пиковые по-
ложительные w+ и отрицательные w– воздействия ветровой нагрузки, нормативные значения
которых определяются по формуле
w() w0k ze 1 ze cp,()v() , (12.7)
где w0 – расчетное значение давления ветра (с учетом f = 1,4); ze – эквивалентная высота
(11.1.5 СП 20.13330.2011); k(ze) и (ze) – коэффициенты, учитывающие соответственно из-
менение давления и пульсаций давления ветра на высоте ze (11.1.6 и 11.1.8 СП
20.13330.2011); cp,() – пиковые значения аэродинамических коэффициентов положитель-
ного давления (+) или отсоса (–); v() – коэффициенты корреляции ветровой нагрузки, со-
ответствующие положительному давлению (+) и отсосу (–); значения этих коэффициентов
приведены в табл. 12.1 в зависимости от площади ограждения А, с которой собирается вет-
ровая нагрузка.
284
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Таблица 12.1
Зависимость коэффициентов корелляции от площади ограждения
А, м2 <2 5 10 > 20
v+
v– 1,0 0,9 0,8 0,75
1,0 0,85 0,75 0,65
Аэродинамические коэффициенты ср,+ и ср,–, как правило, определяются на основе ре-
зультатов модельных испытаний сооружений в аэродинамических трубах. Для отдельно
стоящих прямоугольных в плане зданий значения этих коэффициентов приведены на схеме
Д.1.17 приложения Д.1 [50].
В рамных системах ветровые нагрузки прикладываются в виде сосредоточенных сил на
уровне осей соответствующих ригелей. При определении этих сил высоту ветрового фронта
принимают равной полусумме высот прилежащих этажей, а ветровое давление определяют
на уровне середины этого ветрового фронта, принимая аэродинамический коэффициент с
равным сумме коэффициентов с наветренной и подветренной сторон, т. е. 0,8 + 0,6 = 1,4.
В высотных зданиях при h/d > 7 [50] необходимо дополнительно учитывать резонанс-
ное вихревое возбуждение, где h – высота сооружения; d – его характерный поперечный раз-
мер в направлении, перпендикулярном средней скорости ветра.
Критические скорости ветра Vcr,i, при которых происходит резонансное вихревое воз-
буждение по i-й собственной форме колебаний, определяются по формуле
Vcr,i = fi d/St, м/с, (12.8)
где fi – собственная частота колебаний по i-й изгибной собственной форме, Гц; d – попереч-
ный размер сооружения, м; St – число Струхаля поперечного сечения, определяемое экспе-
риментально или по справочным данным. Для круглых поперечных сечений St = 0,2; для се-
чений с острыми кромками (в т. ч. и прямоугольных) St = 0,11.
Резонансное вихревое возбуждение не возникает в том случае, если
Vcr,i > Vmax(zэк), (12.9)
где Vmax(zэк) – максимальная скорость ветра на уровне zэк, определяемая по формуле
Vmax (zэк ) 1, 3 w0k (zэк ) , (12.10)
где w0, Па и k(ze) определяются в соответствии с указаниями 11.1.4 и 11.1.6 [50].
Для зданий и башенных сооружений с плавно изменяющейся формой поперечного се-
чения, а также труб и мачт без оттяжек zэк = 0,8h.
Ветровые нагрузки, возникающие при резонансном вихревом возбуждении, допускает-
ся определять в соответствии с указаниями Д.2 приложения Д [50].
При оценке комфортности пребывания людей в зданиях (динамическая комфортность)
расчетные значения ветровой нагрузки wc принимаются равными
wc = 0,7wр, (12.11)
где wр – нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки.
При этом максимальное ускорение этажа здания не должно превышать величины
ас,max = 0,08 м/с2. (12.12)
При резонансном вихревом возбуждении интенсивность воздействия ветровой нагруз-
ки следует определять в направлениях, перпендикулярном и параллельном средней скорости
ветра. Согласно [16] интенсивность воздействия Fi(z), действующего при резонансном вих-
285
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
ревом возбуждении в направлении, перпендикулярном движению ветра, определяется по
формуле
Fi (z) 0, 5aVc2r,icy,cr di (z)i / , (12.13)
где а = 1,25 кг/м3 – плотность воздуха; Vcr,i – критическая скорость ветра (12.8); cy,cr – аэро-
динамический коэффициент поперечной силы при резонансном вихревом возбуждении; –
логарифмический декремент колебаний, зависящий от конструктивных особенностей здания;
z – координата, изменяющаяся вдоль оси здания; i(z) – i-я форма собственных колебаний
в поперечном направлении, удовлетворяющая условию
maxi (z) 1; (12.14)
i – коэффициент, зависящий от распределения масс и i-й формы собственных колебаний.
На начальных стадиях проектирования допускается принимать i = 1,1 для всех форм
собственных колебаний.
Наряду с воздействием (12.13) необходимо учитывать также действие ветровой нагруз-
ки, параллельной средней скорости ветра. Средняя wm,cr и пульсационная wр,cr составляющие
этого воздействия определяются по формулам:
kcr ,v Vcr Vmax 2 1,
wm,cr kcr,vwm; (12.15)
wp,cr kcr,v wg ;
где Vmax(z) – расчетная (максимальная 12.10) скорость ветра на высоте z, на которой проис-
ходит резонансное вихревое возбуждение; wm и wp – расчетные значения средней и пульса-
ционной составляющих ветровой нагрузки, определяемые в соответствии с (12.2) и (12.4).
Суммарные напряжения, усилия и перемещения при резонансном вихревом возбужде-
нии по i-й форме собственных колебаний определяются по формуле
Xi 2
X2 Xm Xp (12.16)
cr ,i ,
где Xcr,i, Xm и Хр – напряжения, усилия и перемещения от воздействий Fi, wm,cr и wp,cr соот-
ветственно.
В зависимости от повторяемости критической скорости Vcr резонансное вихревое воз-
буждение может привести к накоплению усталостных повреждений.
При проектировании зданий, отвечающих условию h/d > 7, необходимо учитывать воз-
можность появления аэродинамически неустойчивых колебаний типа галопирования; здесь h
и d – соответственно высота и поперечный размер здания.
Аэродинамически неустойчивые колебания типа галопирования могут возникнуть
в том случае, если скорость ветра V превысит критическое значение Vcr,g:
V Vcr,g 2Scfl d ag cr Vmax (z); Sc 2m pad 2 , (12.17)
где Sc – число Скратона; fl – частота колебаний по i-й изгибной собственной форме, Гц; d – ха-
рактерный поперечный размер здания, м; m – эквивалентная погонная масса, кг/м; ра = 1,25 –
плотность воздуха, кг/м3; cr = 1,2 – коэффициент надежности; – логарифмический декремент
при поперечных колебаниях здания; Vmax(z) – максимальная скорость ветра на высоте z, на ко-
торой происходит возбуждение неустойчивых колебаний.
286
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Коэффициент ag (12.17) зависит от формы поперечного сечения сооружения, его аэро-
динамических свойств и определяется по формуле
ag dcy cx
da ks ,
где cx и cy – соответственно аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления и бо-
ковой силы; ks – коэффициент, зависящий от формы колебаний.
При проектировании зданий с несимметричной формой поперечного сечения типовых
этажей, а также в тех случаях, когда центр масс типовых этажей не совпадает с их центром
жесткости, необходимо учитывать возможность появления аэродинамически неустойчивых
колебаний типа дивергенции.
Аэродинамически неустойчивые колебания типа дивергенции могут возникнуть в том
случае, если скорость ветра V превысит критическое значение Vcr,div < Vmax(z), т. е.
V Vcr,div 2Gt d Vmax (z), (12.18)
ad 2dcm
где Gt – жесткость здания на кручение; cm – аэродинамический коэффициент момента сил;
dcm/d – градиент изменения коэффициента cm в зависимости от угла атаки ; Vmax(z) – мак-
симальная скорость на высоте z, на которой происходит возбуждение неустойчивых колеба-
ний; а = 1,25 – плотность воздуха, кг/м3.
Для обеспечения динамической комфортности и аэродинамической устойчивости
(12.18) необходимо предпринять меры по снижению уровня колебаний здания. В этих целях
могут быть использованы гасители колебаний или другие системы, уменьшающие амплиту-
ду колебаний сооружения.
12.5.5. Сейсмические нагрузки
Природа сейсмических воздействий сложна и недостаточно изучена. Методики опре-
деления сейсмических нагрузок на здания и сооружения в разных странах различны
и сильно отличаются друг от друга [21, 31, 48, 62]. Даже в изданиях СНиП II-7–81* 1991 г.,
1996 г. и актуализированной редакции этих норм 2011 г. имеются существенные отличия.
Поэтому при расчете зданий на сейсмические нагрузки рекомендуется пользоваться
СП 14.13330.2011 [48].
От очага землетрясения исходят волны продольные, поперечные и поверхностные.
Наиболее опасны поперечные волны: им соответствуют пониженные частоты колебаний
и более высокие амплитуды. Исходной сейсмической характеристикой района строительства
является сейсмичность, оцениваемая в баллах. Увеличение каждого балла на единицу соот-
ветствует удвоению силы землетрясения.
Сейсмичность района определяется по картам сейсмического районирования и может
уточняться по месту специализированными организациями согласно материалам инженерно-
геологических изысканий. Согласно табл. 1 [46] сейсмичность площадки строительства зави-
сит от категории грунтов.
Согласно требованиям [16 и 55] высотные здания следует рассчитывать на горизон-
тальную сейсмическую нагрузку. В основу расчета положена формула определения инерци-
онных сейсмических нагрузок с некоторыми поправочными коэффициентами
Sik = K1K2QkAinikKw, (12.19)
287
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
где Sik – значение сейсмической нагрузки для i-го тона собственных колебаний здания или
сооружения, приложенной к точке k; K1 – коэффициент, учитывающий допускаемые повреж-
дения зданий и сооружений (коэффициент предельных состояний); он принимается по табл.
3 [46]; K2 – коэффициент, учитывающий конструктивные особенности зданий и сооружений,
принимаемый по табл. 4 [46]; Qk = gmi – вес здания или сооружения, отнесенный к точке k
(вес массы mi), определенный с учетом расчетных нагрузок на конструкцию согласно п. 2.1
[46]; A – коэффициент расчетной сейсмичности, принимаемый 0,1; 0,2 и 0,4 соответственно
для сейсмичности 7, 8, 9 баллов; i – коэффициент динамичности, соответствующий i-му то-
ну собственных колебаний и дифференцированный по группам I, II и III категорий, принима-
ется по 2.6 [46]; nik – коэффициент, зависящий от формы деформации здания при его собст-
венных колебаниях по i-му тону и от места расположения нагрузки; Kw – коэффициент, зави-
сящий от диссипативных свойств конструкций и оснований, принимаемый по табл. 6 [46].
Qn Расчетная схема здания или сооружения представляется в виде
вертикальной невесомой консоли с сосредоточенными массами
Х(хk) Qn–1 (рис. 12.51).
Коэффициент формы пространственных колебаний nik опреде-
Qk ляется по формуле
n
хk Qj X i (xk ) Qj X i (x j )
Q1 j 1
nik . (12.20)
n
Q j X 2 ( x j )
i
j 1
Рис. 12.51. Расчетная ди- Здесь n – число сосредоточенных масс; Xi(xk) – амплитуда k-й точки
намическая модель
при свободных колебаниях по i-й форме; Xi(xj) – перемещение во
всех точках j сосредоточенных масс.
Усилия в конструкциях и их элементах следует определять с учетом не менее трех форм
собственных колебаний, если периоды первого тона собственных колебаний Т более 0,4 с.
Расчетные значения усилий Np от сейсмической нагрузки определяются по формуле
n
N p Ni2 , (12.21)
i1
где Ni – значение усилий или напряжений в рассматриваемом сечении, вызываемых сейсми-
ческими нагрузками, соответствующими i-й форме колебаний; n – число учитываемых в рас-
чете форм колебаний.
12.5.6. Температурно-климатические воздействия
В процессе строительства возможны изменения температуры в элементах здания с по-
явлением дополнительных деформаций. Если в конструктивных решениях не предусмотрена
компенсация усилий и деформаций, вызванных изменениями температуры наружного возду-
ха (не учтены требования по устройству температурных швов), то необходим дополнитель-
ный расчет на температурные климатические воздействия согласно 13 [48].
Расчет сводится к определению температурных деформаций. Максимальные изменения
температур в теплое и холодное время года с учетом их перепадов, отклонений от среднесу-
точных значений, солнечной радиации, ориентации поверхностей и других факторов приве-
дены в 13.2–13.6 [48].
Свободное температурное смещение определяется по формуле
288
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Lt = Lt, (12.22)
где – коэффициент линейного расширения (для стали = 1,210–5, для бетона = 110–5,
для кирпича = 0,510–5); L – расстояние от рассматриваемой точки элемента до центра же-
сткости; t – расчетное изменение температуры, равное максимальному значению tw (в теп-
лое) или tс (в холодное) время года. Они устанавливаются согласно 13.2 [48].
По величине температурных деформаций можно судить о величине дополнительных
напряжений или усилий в конструкции. При расчете прочности принимается коэффициент
надежности f = 1,1. Для избежания дополнительных усилий или напряжений с помощью
температурных швов и зазоров нужно освободить температурные деформации.
12.5.7. Специфические нагрузки
Согласно 5.2 [16] в высотных зданиях необходимо учитывать кратковременные нагруз-
ки от аварийно-спасательного пожарного вертолета на покрытие и от пожарного автотранс-
порта на покрытия стилобатных и подземных частей здания. Эти нагрузки следует прини-
мать в соответствии с техническими данными транспортных средств.
Согласно 8.3 [55] нагрузку от пожарной машины допускается принимать не менее
30 кПа (3000 кг/м2) в виде особой нагрузки, а кратковременную нагрузку от аварийно-
спасательной кабины вертолета массой 2500 кг (на 4 опоры) с динамическим коэффициентом
не менее 2,0.
К специфическим нагрузкам следует отнести нагрузки, возникающие в процессе возве-
дения здания. Сведения о них могут быть найдены из проекта производства работ (нагрузки
от монтажных кранов, от складируемых материалов). Ориентировочные значения таких на-
грузок можно принять по Еврокоду EN 1991-1-6. В частности, нагрузки от персонала реко-
мендуется принимать интенсивностью qa = 1,0 кН/м2 и прикладывать в наиболее неблаго-
приятном месте.
Нагрузку от складирования материалов можно принимать не менее qb = 0,2 кН/м2 или
Fb = 100 кН. Нагрузки от подмостей, опалубки и других приспособлений рекомендуется
принимать с минимальным значением qс = 0,5 кН/м2. В некоторых случаях, особенно при не-
тривиальных способах возведения, нагрузки от оборудования могут быть весьма значитель-
ны: тяжелые грузоподъемные механизмы, транспортные средства и др. Возможность их вос-
приятия должна быть тщательно обоснована в монтажном расчете.
12.5.8. Сочетания нагрузок
Одновременное воздействие всеми нагрузками экстремальной интенсивности на кон-
струкцию или сооружение невозможно. Существуют логические связи между загружения-
ми, которые необходимо учитывать при составлении РСУ. Можно выделить 4 типа логиче-
ских связей:
– независимые (собственный вес и полезная нагрузка);
– взаимоисключающие (ветер слева и ветер справа);
– сопутствующие (горизонтальное торможение, требующее обязательного приложения
вертикального кранового давления);
– одновременно действующие (например, ветровой напор и отсос).
Загружение может быть знакопеременным, что также необходимо учитывать при состав-
лении РСУ. С учетом всех этих и комплекса других возможных ситуаций производится анализ
комбинаций загружений в ПВК или при ручном составлении таблиц РСУ (подразд. 6.2).
289
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
12.6. Особенности расчета
Статический расчет малоэтажных производственных и общественных зданий произво-
дится аналогично одноэтажным (разд. 6). Если здание вытянутое в плане, корректна расчет-
ная модель в виде поперечной рамы каркаса. При компактном плане следует учитывать про-
странственную работу, и расчетная схема будет аналогична рис. 6.17.
Расчет несущих конструкций высотных систем включает:
– определение усилий в элементах конструктивной системы (колоннах, ригелях, ядрах)
и усилий, действующих на основания фундаментов);
– определение перемещений конструктивной системы в целом и ее элементов, а также
ускорений колебания;
– расчет на прочность и устойчивость системы и ее элементов;
– оценку сопротивляемости конструктивной системы прогрессирующему разрушению;
– оценку несущей способности и деформации основания.
Расчет конструкций следует производить для всех последовательных этапов существо-
вания: стадии возведения и эксплуатации, принимая расчетные схемы, отвечающие рассмат-
риваемым стадиям. При этом следует учитывать порядок приложения и изменения нагрузок
и жесткостей элементов в процессе монтажа и эксплуатации.
На первой стадии расчета для оценки усилий в элементах системы принимаются при-
ближенные значения жесткостей элементов. Соотношения жесткостей принимаются по ана-
логичным проектам или на основании ориентировочного подбора сечений элементов на не-
скольких уровнях по высоте каркаса. В обычной рамной системе регулярной структуры
(рис. 12.5, 1 и 3) такой подбор можно выполнить:
– для ригелей средней рамы, параллельной оси х, по моменту
M x qpxl 2 Qx (z)h ; (12.23)
p 12 2nx n y
– для ригелей средней рамы, параллельной оси y, по моменту
M y qpyb2 Qy (z)h ; (12.24)
p 12 2nx n y
– для внутренних колонн – по более неблагоприятному из моментов (при выбранном
типе и ориентации сечения)
M x Qx (z)a ; M y Qy (z)a (12.25)
к nxny к nx ny
и продольной силе от постоянной и временной нагрузок вышерасположенных этажей, где qpx
и qpy – расчетная интенсивность постоянной и временной нагрузок, кН/м, для ригелей в на-
правлении осей х или y; Qx (z), Qy (z) – поперечная сила от расчетной ветровой нагрузки,
действующей на здание выше рассматриваемого уровня z в направлении осей х или y; l и b –
шаг рам в продольном и поперечном направлениях; nx, ny – количество пролетов в продоль-
ном и поперечном направлениях; h – высота этажа; а = (0,7–0,8)h для колонн нижнего этажа,
а = 0,5h для колонн остальных этажей.
Вычислив моменты инерции подобранных сечений средней рамы, для перехода к мо-
ментам инерции соответствующих элементов параллельной ей крайней рамы можно принять
290
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
коэффициент 0,6–0,7, если типы и габариты сечений элементов при этом не изменяются. Та-
кой же коэффициент сохраняется для отдельной плоской рамы при переходе от ее средней
колонны к крайней.
В системе с внешней пространственной рамой с частым шагом колонн (см. рис. 12.5–12.8)
для предварительного подбора сечений и оценки жесткостей изгибающие моменты в ригелях
и колоннах принимаются:
– для граней, параллельных оси х:
M x Qx (z)h ; M x Qx (z)a ; (12.26)
p 4nx к 2nx
– для граней, параллельных оси y:
M y Qy (z)h ; M y Qy (z)a . (12.27)
p 4ny к 2ny
Продольные силы в колоннах определяются в зависимости от их грузовой площади
и действующих постоянных и временных нагрузок вышерасположенных этажей. Аналогично
определяются параметры жесткостей и для других каркасных систем.
При использовании компьютерных программных комплексов жесткостные характери-
стики назначаются по идентификаторам.
12.6.1. Особенности приложения нагрузок
Вертикальные нагрузки прикладываются на ригели рам в соответствии с исходными
данными на проектирование в виде сосредоточенных или распределенных сил при наиболее
невыгодном их расположении. При необходимости могут рассматриваться и варианты их
загружений.
Горизонтальные ветровые нагрузки на многоэтажные и высотные здания прикладыва-
ются в виде сосредоточенных сил на уровне осей соответствующих ригелей, собранных со
своей грузовой площади аналогично w в подразд. 5.3
Если в крайнем пролете рамы имеют место этажи увеличенной высоты за счет «отсут-
ствующих» ригелей (рис. 12.52) и высоты этих этажей более 6 м, то для крайних колонн сле-
дует дополнительно учесть влияние местного действия ветровой нагрузки, прикладывая ее
в виде равномерно распределенной нагрузки в пределах высоты этажа и принимая коэффи-
циент с равным 0,8 или 0,6 соответственно для наветренной или подветренной стороны; при
этом перекрытия рассматриваются как несмещаемые.
При статическом расчете необходимо прикладывать среднюю и пульсационную со-
ставляющие ветрового напора w = wm + wp, а при относительной высоте зданий более 7 сле-
дует учитывать резонансное вихревое возбуждение. Особенности вычисления ветровых на-
грузок и оценки частотных колебаний представлены в подразд. 12.5. Более подробную ин-
формацию с примерами расчета можно найти в рекомендациях [21, 38, 39, 62].
Согласно нормам [16 и 55] здания высотой более 100 м, а также расположенные
в сейсмических районах необходимо рассчитывать на сейсмические нагрузки. Наиболее
опасно горизонтальное загружение сейсмическими воздействиями. Особенности вычисления
сейсмических нагрузок и расчетная динамическая модель приведены в подразд. 12.5. Более
подробную информацию с примерами расчета можно найти в работах [21, 30, 31].
При расчете здания на нагрузки, возникающие в период возведения здания, сейсмиче-
ские воздействия не учитываются.
291
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Отсутствующие ригели
Рис. 12.52. Схема приложения местной (дополнительной) ветровой нагрузки к зданию с высокими этажами
Расчет на сейсмическое воздействие производят, используя модель здания в виде неве-
сомой вертикальной консоли с сосредоточенными массами, расположенными на уровне пе-
рекрытий (рис. 12.53).
аб
Рис. 12.53. Конструктивная (а) и расчетная (б) схемы каркаса
При такой модели расчетная сейсмическая нагрузка Sik в выбранном направлении, при-
ложенная к точке k и соответствующая i-му тону собственных колебаний, определяется по
формуле (12.19). Снижение временных нагрузок на перекрытия жилых и общественных зда-
ний, предусмотренное СП 20.13330.2011, при определении Qk в (12.19) не учитывается.
Кроме нагрузок на перекрытие в значении Qk следует учитывать также вес самонесу-
щих стен, закрепленных гибкими связями и расположенных только в плоскостях, перпенди-
кулярных направлению действия сейсмических нагрузок, на участке между серединами вы-
292
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
сот этажей, прилежащих к k-му перекрытию. В пределах этого участка учитывается также
вес колонн. Навесные стены учитываются в значении Qk при любом их расположении в пре-
делах этажа над k-м перекрытием.
Конструкции, возвышающиеся над зданием и имеющие по сравнению с ним незначи-
тельные размеры и вес, рассчитываются с учетом горизонтальной сейсмической нагрузки
при значении = 5,0.
При расчете здания длиной или шириной более 30 м помимо сейсмической нагрузки,
определяемой по формуле (12.19), необходимо учитывать крутящий момент относительно
вертикальной оси здания, проходящей через его центр жесткости. Значение расчетного экс-
центриситета между центрами жесткостей и масс здания в рассматриваемом уровне следует
принимать 0,1В, где В – размер здания в плане в направлении, перпендикулярном действию
силы Sik.
Усилия в элементах каркаса и перемещения от сейсмической нагрузки следует опреде-
лять с учетом форм собственных колебаний числом, равным числу этажей, но не более 3, ес-
ли период первой (нижней) формы колебаний Т1 более 0,4 с. Если же Т1 0,4 с, учитывается
только первая форма колебаний.
Расчетные усилия (перемещения) от сейсмической нагрузки определяются по форму-
ле (12.21).
Частоты собственных колебаний жестко защемленного консольного стержня опреде-
ляются по формуле
fi i EJ , (12.28)
2l 2 m
где i – корни частотного уравнения для i-й формы колебаний; l – длина консольного стерж-
ня; m – его погонная масса,
1 = 1,8751; 2 = 4,6941; 3 = 7,8548… р = 0,5(2р – 1).
Собственная форма колебаний консольного стержня выражается уравнением
yi (z) Ai sh kil sin kil ch ki z cos ki z ch kil cos kil sh ki z sin kiz , (12.29)
где yi(z) – горизонтальные перемещения точки с ординатой z.
Значения ki определяются из частотного уравнения
cos kil ch kil 1 0. (12.30)
Сейсмическое воздействие может иметь произвольную ориентацию в пространстве.
Для колонн невыгодно горизонтальное направление вектора вдоль оси х, для балок перекры-
тий – вертикальное (вдоль оси z). Поэтому ряд норм для расчетного значения используют
среднеквадратичную комбинацию
S S 2 S 2 S 2 . (12.31)
x y z
При сейсмическом воздействии может появиться дополнительный крутильный компо-
нент. Он сводится к крутящему моменту относительно вертикальной оси здания. Расчетный
эксцентриситет между центрами жесткости и масс в рассматриваемом уровне принимается
не менее 10 % размера здания в плане в направлении, перпендикулярном сейсмической на-
грузке Sk. В этом случае расчет рекомендуется вести по формуле (12.19) с коэффициентом
формы колебаний
293
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
n3
X ijk Qp X ijs cos j
s1 j1
nijk n3 , (12.32)
Q p X 2
ijs
s1 j 1
где Xijk – проекции перемещений узлов s на три (j = 1, 2, 3) взаимно ортогональных направле-
ния при колебании по форме с номером i; j – угол между направлением j и направлением
сейсмического воздействия.
На рис. 12.53 показана стержневая расчетная динамическая модель (РДМ). Пространст-
венная РДМ представлена на рис. 12.54.
аб
Рис. 12.54. Расчетная динамическая модель здания:
а – состояние покоя; б – i-я форма колебаний
12.6.2. Требования к расчету
Расчет несущих конструкций следует производить с использованием сертифицирован-
ных программных комплексов. Расчетные модели, как правило, должны быть решены в про-
странственной постановке с учетом работы фундаментов. При необходимости следует учи-
тывать работу отдельных конструкций в условиях геометрической и физической нелинейно-
сти. Расчеты следует выполнять не менее чем по двум сертифицированным, независимо
разработанным расчетным программам с использованием разных расчетных моделей. В ка-
честве поверочных можно использовать расчеты по упрощенным моделям (для сопоставле-
ния результатов).
Расчет несущих конструкций – надземных, подземных и фундаментов – следует произ-
водить как для законченного, так и для строящегося здания, принимая расчетные схемы, от-
вечающие разным этапам возведения.
294
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
При расчете устойчивости здания на опрокидывание и сдвиг следует рассматривать его
конструктивную систему как жесткое недеформируемое тело.
Для высотных зданий следует выполнять расчет устойчивости здания. В расчетах
должно быть найдено не менее трех первых форм потери общей устойчивости с обязатель-
ным определением крутильной формы.
12.6.3. Статический расчет
Приближенный расчет конструктивной системы необходим для предварительного оп-
ределения геометрических характеристик и выбора материала несущих конструкций с ис-
пользованием упрощенных моделей. Статический расчет зависит от конструктивной схемы
здания и выполняется с помощью итерационных методов строительной механики. В качестве
примера рассмотрим две простейшие схемы каркасов: рамную и связевую (рис. 12.5, 1 и 3).
В рамных каркасах ригели жестко примыкают к колоннам, и все элементы каркаса
включаются в работу по восприятию горизонтальных и вертикальных нагрузок, приложен-
ных в любом месте конструктивной схемы. При этом горизонтальные ветровые нагрузки,
воспринимаемые наружными стенами, передаются перекрытиями на все рамы каркаса.
В связевых системах ригели и колонны воспринимают только вертикальные нагрузки,
а горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными связевыми фермами. Они могут
располагаться как в плоскости наружного ограждения, так и по внутренним осям здания.
Статический расчет каркаса при связевой схеме предусматривает расчленение про-
странственной конструкции на отдельные плоские системы, работающие, как правило, в по-
перечном направлении (рис. 12.55, а). Расчетная схема представляет собой многоэтажную
раму с шарнирным сопряжением ригелей с колоннами и со связевой фермой в одном из про-
летов. Ригели такой рамы, загруженные равномерно распределенной постоянной и времен-
ной нагрузками, работают как разрезные балки. Опорные реакции ригелей передаются на ко-
лонны каркаса в виде продольных сил N.
При симметричном загружении ригелей по всем этажам в колоннах будут возникать
только усилия центрального сжатия. Однако наихудшим вариантом загружения, который
может иметь место в процессе эксплуатации, является одностороннее загружение пролетов
временной нагрузкой (рис. 12.55, б), вызывающей возникновение местных изгибающих мо-
ментов Mloc в колоннах (рис. 12.55, в), поэтому при проектировании колонн делается два рас-
чета: первый – на центральное сжатие от максимальной сжимающей силы Nmax; второй – на
внецентренное сжатие от совместного действия местного изгибающего момента Mloc и соот-
ветствующей продольной силы N. Значение местного изгибающего момента находят по
формуле
Mloc Gmaxe1 Gmine2 , (12.33)
где Gmax, Gmin – опорные реакции ригелей, загруженных соответственно нагрузками q =
= (qg + qv) и qg; е1, е2 – соответствующие эксцентриситеты приложения опорных реакций по
отношению к оси колонны.
Горизонтальная ветровая нагрузка передается полностью на связевую систему в виде
сосредоточенных сил W, приложенных к узлам рамы (рис. 12.55, г). Расчет такой системы
производят как консольной статически определимой фермы, защемленной в фундаменте.
При расчете сложных связевых систем могут возникнуть дополнительные трудности.
Рассмотрим систему из нескольких связевых конструкций (рис. 12.56), объединенных
жесткими перекрытиями, пренебрегая собственной изгибной жесткостью колонн, располо-
женных вне связевых конструкций. Предполагаем, что соотношение жесткостных характе-
295
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
ристик в системе, установленное для некоторого уровня, например нижнего, не изменяется
с высотой.
а б вг
Рис. 12.55. К расчету связевого каркаса
Рис. 12.56. К расчету связевой системы на горизонтальную нагрузку
296
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Для поперечного сечения i-й связевой конструкции вводятся собственные геометри-
ческие характеристики: Jxi, Jyi – осевые моменты инерции; Jкi – момент инерции свободного
кручения; Ji – момент инерции изгибного кручения.
Момент инерции изгибного кручения для стволов открытого двутаврового сечения
(индекс i опущен):
– ствол со сплошными стенками (рис. 12.57, а)
J B Bc3L2c ; (12.34)
24
– ствол с решетчатыми стенками (рис. 12.57, б)
J 2J y,B Lc 2 kc , (12.35)
2
2 A Bc 2 1 1 d3
2 2 EAp hb 2
где J y,B ; kc EJ yB B ; B – угол сдвига фермы шириной Вс, B –
H2
1 3, 8
для крестовой решетки, B 2 d3 – для полураскосной решетки; d, Аp – длина и площадь
EAp hb2
раскоса; Н – высота ствола; А – площадь сечения ствола.
аб вг
Рис. 12.57. Стволы жесткости открытого и замкнутого сечений
Момент инерции свободного кручения для стволов замкнутого прямоугольного сече-
ния равен:
– ствол со сплошными стенками (рис. 12.57, в)
Jк Bc 2 Bc2 L2c ; (12.36)
B Lc L
– ствол с решетчатыми гранями (рис. 12.57, г)
Jк 2 Bc2 L2c , (12.37)
G B Bc2 G L L2c
где B , L – углы сдвига ферм-граней шириной Вс, Lс; G – модуль сдвига, для стали и бетона
G 0,4Е.
Геометрические характеристики связевых конструкций из разных материалов приводят
к одному материалу умножением на отношение модулей упругости.
297
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Чтобы упростить расчет, обычно принимают: для стволов открытого сечения Jк 0 (для
стволов уголкового и крестового сечения также и J 0), для стволов замкнутого сечения
J 0, для плоских диафрагм, сплошных и решетчатых Jк 0, J 0 и, кроме того, пренебре-
гают осевым моментом инерции при изгибе диафрагмы из ее плоскости.
Геометрические характеристики для системы в целом определяют по формулам:
n n n nn n
J x J xi ; J y J yi ; Jк Jкi ; J J xi xi2 J yi yi2 Ji , (12.38)
где xi, yi – координаты центра тяжести i-й связевой конструкции относительно центра жест-
костей системы.
Координаты центра жесткостей относительно геометрического центра плана здания:
x0 Jxi xi ; y0 J yi yi ,
Jx Jy
где xi, yi определяют положение центра тяжести i-й связевой конструкции; предполагается,
что в отношении хотя бы одной из осей плана здания асимметрия расположения связевых
конструкций мала и поэтому можно пренебречь поворотом осей xoy относительно хоy.
Расчетная ветровая нагрузка на здание (с учетом динамической составляющей) харак-
теризуется интенсивностями распределенной нагрузки qx , qy , кН/м, и крутящего момента
mкр, кНм/м, вычисленного с учетом эксцентриситета приложения нагрузок относительно
центра жесткостей.
Рассматривая систему в целом как тонкостенный консольный стержень с жесткостями
GJк и ЕJ и характеристикой k 2 GJк 0, 4 Jк , предварительно распределяют mкр на момент
EJ J
свободного кручения mк и изгибно-крутящий момент m, изменяющиеся по высоте системы
различно.
После этого нагрузки в системе распределяются следующим образом:
– в направлении оси х
qx0i qxi qxi qx J yi m J yi yi ; (12.39)
Jy J
– в направлении оси y
q 0 q yi q qy J xi m J xi yi ; (12.40)
yi yi Jx J
– крутящий момент на ствол открытого сечения
mi m J i ; (12.41)
J
– крутящий момент на ствол замкнутого сечения
mкi mк J кi . (12.42)
Jк
Соотношения геометрических характеристик в формулах (12.39) – (12.42) выполняют
роль коэффициентов распределения нагрузки, которые по принятому выше предположению
298
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
не зависят от рассматриваемого уровня z. Поэтому эпюры нагрузок для отдельной связевой
конструкции подобны эпюрам нагрузок на систему в целом. Для оценки коэффициентов рас-
пределения достаточно знать относительные площади элементов, образующих связевые кон-
струкции, и основные геометрические размеры.
Распределив нагрузки в системе, каждую связевую конструкцию рассчитывают незави-
симо от других. В стволах открытого сечения с J 0, кроме усилий поперечного изгиба, до-
полнительно учитывают бимомент В. В стволе двутаврового сечения (рис. 12.57, а, б) би-
момент эквивалентен действующим в плоскости полок противоположно направленным па-
рам с абсолютной величиной B/Lc.
Рамную конструктивную схему с жесткими узлами сопряжения ригелей и стоек рас-
считывают как много раз статически неопределимую систему методами строительной меха-
ники с применением ПЭВМ. От одновременного воздействия расчетных вертикальных и го-
ризонтальных нагрузок в сечениях колонн и ригелей определяют расчетные изгибающие мо-
менты Mcal, продольные Ncal и поперечные Qcal силы (рис. 12.58, а). Причем рассматривают
наиневыгоднейшую комбинацию расчетных нагрузок.
Значения моментов от вертикальной нагрузки в сечениях рамы могут быть определены
с помощью приближенного расчета. Для этого из многоэтажной рамы вырезают одно звено,
показанное на рис. 12.58, б.
аб
в
д
г
е
Рис. 12.58. К расчету рамного каркаса
По приближенным значениям усилий (12.23) – (12.25) подбирают сечения ригелей
и стоек и вычисляют для них моменты инерции по аналогии с подбором сечений балок и ко-
лонн (разд. 7 и 10).
Расчетные изгибающие моменты от горизонтальной ветровой нагрузки также могут
быть определены приближенно. Для этого многоэтажную раму расчленяют на одноэтажные
299
The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Копытов М.М. Металлические конструкции
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search