С середины 1960-х годов появилось множество новых систем каркаса для многоэтажных зданий, особенно стальных. Многие из этих систем включали в себя как стальные, так и железобетонные элементы, работающие в комплексе.
Одна из наиболее эффективных систем при использовании стального каркаса как с железобетонным ядром жёсткости, так и без него — система с аутригерами.
Что такое аутригеры?
Аутригерные системы помогают распределить нагрузку между ядром и колоннами. Наружные колонны и вертикальные фермы центрального связевого блока могут быть связаны друг с другом. Для этого выполняются горизонтальные фермы в уровне технических этажей — аутригеры. Технический этаж выбран неслучайно, при таком размещении конструкции не будут мешать планировке внутреннего пространства здания.
На рисунке ниже показано расположение ферм аутригера. При использовании аутригеров усилия от горизонтальной ветровой нагрузки дополнительно передаются с центрального ядра жесткости на наружные колонны. Таким образом, нагрузка. За счёт этого значительно повышается жесткость здания и, соответственно, уменьшаются горизонтальные прогибы.
Рисунок 1 — Аутригерная система
Можно сказать, что консольный стержень связевой системы становится закреплен в уровне аутригеров упругими шарнирами.
Эффективность связевой системы зависит от количества уровней аутригеров по высоте здания и их геометрии.
Рисунок 2 — Улучшение общей жёсткости здания с аутригером
Кроме того, использование аутригеров позволяет распределить вертикальное усилие в уровне баз колонн. Т.е. реакции опор колонн связевого блока уменьшатся. Происходит это за счёт увеличения плеча связевой системы для восприятия изгибающего момента от ветровой нагрузки.
Рисунок 3 — Эпюры продольных усилий в связевом блоке от ветровой нагрузки для здания без аутригера и здания с аутригером
Применение опоясывающих ферм
Для бо́льшего снижения перемещения здания в горизонтальном направлении совместно с аутригерами применяют горизонтальные связевые фермы на фасадах. Расположены они в одном уровне с аутригерами. За счёт этого в работу включаются все наружные колонны, поэтому жесткость здания повышается. Такие фермы называют опоясывающими.
Рисунок 4 — Опоясывающая ферма на фасаде здания
Рисунок 5 — Эпюра продольных усилия от ветровой нагрузки для здания с опоясывающими фермами
Применение опоясывающих ферм позволяет двухмерную связевую систему, которая противодействует ветровым нагрузкам, превратить в трёхмерную.
Анализ деформированной схемы здания показывает 2 эффекта применения дополнительных горизонтальных связевых ферм, расположенных на фасаде:
- Участие всех наружных колонн снижает деформацию модели здания, как консольного стержня.
- За счёт горизонтальных связевых ферм, расположенных по крайним рядам колонн, повышается жесткость всего фасада.
Прогрессирующее обрушение
Аутригеры могут выполнять не только функцию увеличения изгибной жесткости здания, но и противодействовать прогрессирующему обрушению. Например, если в здании несколько наружных колонн окажутся разрушенными, аутригеры помогут распределить нагрузку между остальными элементами.
Применение аутригеров в жилых домах в Норильске
Применение аутригерных систем возможно не только в офисных и общественных зданиях, но и в объектах строительства для постоянного проживания людей.
В Норильске ведётся строительство жилых домов по федеральной программе реновации. Из-за вечной мерзлоты в этом регионе строения выполняются на сваях и приподнимаются от земли. При этом из-за различных факторов возможны проблемы с просадкой стен и колонн нижних этажей: земля размораживается и фундаменты могут дать осадку. Возникает риск прогрессирующего обрушения здания.
Для предотвращения обрушений в новых проектах жилых домов в Норильске могут быть предусмотрены аутригеры.
Аутригеры выполняются на верхнем техническим этаже. При этом в случае просадки одного из фундаментов колонна "подвисает" на ферме аутригера. В расчётной схеме это моделируется отключением участка колонны между землёй и полом первого этажа.
Рисунок 6 — Продольный и поперечный разрезы жилого дома в Норильске с системой аутригеров
Рисунок 7 — Схема работы каркаса при отключении нижнего участка колонны
Вывод
Применение аутригерных систем поможет значительно снизить деформативность металлического каркаса для многоэтажных зданий. Кроме того, горизонтальные фермы объединяют все колонны и решают проблемы с прогрессирующим обрушением.
