Конструктивные системы многоэтажных зданий

Конструктивная система здания представляет собой совокупность взаимосвязанных несущих элементов, обеспечивающих его прочность, жёсткость и устойчивость. Конструктивная схема, в свою очередь, отражает конкретный способ реализации конструктивной системы и варианты передачи нагрузок (на практике этот термин чаще всего используют применительно к каркасным системам). От выбора системы и схемы зависят экономичность сооружения, планировочная свобода, возможность возведения зданий разной высотности и этажности, а также требования к их эксплуатации.

Основные варианты конструктивных систем:

• Стеновая система: нагрузка от перекрытий передаётся на несущие стены (продольные, поперечные или перекрестные);
• Каркасная система: вертикальная нагрузка воспринимается колоннами, а горизонтальная — системой связей, диафрагм жёсткости или колоннами и балками:
  • Рамная схема: жесткое соединение колонн и ригелей;
  • Связевая схема: колонны соединены шарнирно, устойчивость и жёсткость обеспечивают связи или диафрагмы;
  • Рамно-связевая схема: комбинированное решение.
• Ствольная система: нагрузку воспринимает «ствол жёсткости» (лифтовая шахта, лестничная клетка), к которому крепятся перекрытия;
• Оболочковая система: нагрузки воспринимаются внешней оболочкой, которая может быть реализована в виде стен, колонн или совокупности диагональных элементов;
• Смешанная система (каркасно-стеновая, каркасно-ствольная, ствольно-оболочковая и т. д.): инженерный компромисс, продиктованный архитектурой и высотностью здания.

В «Руководстве по проектированию стальных конструкций многоэтажных зданий» в качестве наглядной иллюстрации эволюции конструктивных решений по мере роста этажности (слева направо) приведены следующие системы: каркасная, каркасно-ствольная, система «труба в трубе» с аутригерами, коробчатая и многосекционная коробчатая.

Рисунок 1 — Эволюция конструктивных решений по мере роста этажности

Применение аутригерных конструкций

Упомянутые аутригерные конструкции позволяют реализовывать эффективные конструктивные решения для высотных зданий. Их, как правило, размещают в уровнях технических этажей, поэтому они практически не влияют на объёмно-планировочную структуру, при этом существенно повышая изгибную жёсткость здания за счёт перераспределения усилий на большее количество колонн. Более подробно этот механизм рассмотрен в статье — Аутригеры в здании на стальном каркасе.

Наиболее распространённой конфигурацией связей в многоэтажных зданиях являются обратные V-образные (chevron bracing): они обеспечивают высокую жёсткость, в меньшей степени включаются в работу под действием вертикальных нагрузок (что позволяет применять меньшие сечения) и дают возможность размещать проёмы в пределах связевого пролёта.

Рисунок 2 — Обратные V-образные связи (chevron bracing)

Варианты реализации перекрытий

Выбор типа перекрытия зависит от конструктивных параметров и особенностей каркаса. Ориентировочная классификация приведена в таблице ниже.

Ключевой аспект при компоновке перекрытий многоэтажных зданий — возможность размещения инженерных коммуникаций, особенно в общественных и офисных зданиях.

Подходы к компоновке балочных перекрытий с минимальным количеством отверстий в балках рассмотрены в статье «Рекомендации при проектировании балочных перекрытий».

При больших нагрузках целесообразно применять перфорированные балки, получаемые роспуском прокатных двутавров: перфорация облегчает прокладку коммуникаций в пределах конструкции и повышает эффективность работы сечения, за счёт увеличения высоты балки без пропорционального роста металлоёмкости.

Типовые решения перекрытий

Колонны в многоэтажных зданиях на стальном каркасе

Колонны многоэтажных зданий имеют относительно небольшую расчётную длину (за счёт частого раскрепления перекрытиями и связями), но при этом зачастую сильно нагружены. В таких условиях рационально применять высокопрочные стали, что позволяет снизить металлоёмкость и увеличить полезную площадь этажей, как это реализовано в жилом доме на металлокаркасе в Норильске.

Нагрузки на колонны существенно уменьшаются по мере подъема по высоте здания, поэтому сечения целесообразно унифицировать по ярусам, выделяя несколько уровней с постоянным сечением, а не изменяя его в каждом этаже. Такой подход обеспечивает наиболее эффективное решение с точки зрения металлоёмкости, изготовления и монтажа.

Рисунок 3 — Пример унификации сечений по этажам

Стыки колонн для удобства монтажа обычно располагают на высоте порядка 1–1,5 м от уровня пола, при этом длину отправочных марок подбирают с учетом стандартной длины проката (≈12 м). Стыковку выполняют через накладки по полкам и стенкам, либо через торцевые пластины.

Сортамент прокатных двутавров устроен таким образом, что упрощает стыковку колонн по высоте: двутавры одного типоразмера имеют одинаковую высоту и ширину, а разные литеры отличаются в основном толщиной стенки и полок (см. рисунок 1). Поэтому при стыковке просто применяют дополнительные накладки, компенсирующие разницу толщин и обеспечивающие передачу усилий.

Рисунок 4 — Сравнение сортамента 20К1 и 20К2

Рисунок 5 — Пример стыка на накладках колонн разного сечения

Показатели расхода стали

Ориентировочный расход стали для предварительной оценки материалоемкости при выборе конструктивных решений многоэтажных зданий в несейсмических районах принимают на основании данных таблицы ниже.

Показатели расхода стали для разной этажности