Конструктивные системы, материально-технологическое решение. Конструктивные системы разделяют в зависимости от выбранного материала и технологии возведения, тесно связанных друг с другом.
Для наземных конструкций высотных зданий в качестве материала применяют железобетон и сталь; для вертикальных конструкций можно применить кирпичную кладку, встречаются и комбинации из этих основных материалов. Поскольку многие задачи успешно решают как в стали, так и в железобетоне, эти материалы конкурируют друг с другом.
Для несущих конструкций из стали и железобетона при их оценке в качестве объективных критериев можно применять физические свойства материалов, сортамент, а также технологию возведения (рис. 4.35). С технологической точки зрения стальные конструкции наиболее близки сборным железобетонным конструкциям. При монтаже стальные элементы соединяют сваркой или болтами. По степени индустриализации производства и стандартизации элементов стальные конструкции могут быть разделены на три категории:
Строительство «Лахта Центра». Котлован под фундамент небоскреба
— индивидуальное производство отдельных элементов: здесь речь идет об элементах минимальной повторяемости, при этом производство может иметь различную степень механизации;
— серийное производство — элементы обладают большей повторяемостью; производство может вестись с помощью полуавтоматов и т.п., к этой группе относят стальные конструкции высотного здания или отдельные элементы (перекрытия, колонны и др.);
— производство массовых элементов, которое специализируется по выпуску определенного вида конструкций, в большинстве случаев простых; производство может вестись на поточных линиях, например при изготовлении элементов стандартных конструкций типовых объектов и т.п.
В зависимости от технологии производства у железобетонных конструкций можно выделить основные группы, которые различают по способу соединения элементов: монолитный железобетон, изготовленный на месте в опалубке; сборный железобетон (элементы предварительно изготавливаются); различные комбинации этих двух групп.
Монолитный железобетон выдерживают в опалубке до тех пор, пока он не наберет достаточную прочность. Установка опалубки является трудоемким процессом, поэтому обоснованы требования производства к упрощению конструктивных форм (например, переход от балочных перекрытий к плитным — безбалочным). В соответствии с технологией возведения, монолитный железобетон разделяют на две подгруппы — традиционный (большинство работ производится прямо на строительной площадке) и промышленного изготовления (работают с предварительно изготовленными заготовками, с использованием специальной опалубки, с арматурой заводского изготовления и бетонной смесью, приготовленной на бетонных заводах и узлах). С точки зрения конструктивного решения и статической работы для монолитных железобетонных конструкций характерны монолитность, простота узлов и соединений элементов, неразрезность и жесткость и способность к перераспределению нагрузок.
Строительство последнего мега высокого небоскреба в мире
Конструкции из сборного железобетона применяют без использования мокрых процессов, за счет этого элементы обладают несущей способностью сразу после их монтажа. Это более высокая степень механизации бетонных работ, особенно опалубочных, но необходимо создать особые условия и прежде всего большую повторяемость элементов.
В зависимости от степени индустриализации для сборного железобетона можно выделить две группы -построечный сборный железобетон (изготовленный в условиях строительной площадки) и сборный железобетон заводского изготовления. Построечный сборный железобетон применяют при меньшей повторяемости элементов и для элементов простых форм. В настоящее время преобладают железобетонные конструкции заводского изготовления массового производства, часто в соответствии с документацией типовых проектов, каталогов, и элементы изготовляются либо для конкретного сооружения или на склад. С точки зрения конструктивного решения и статической работы конструкции из сборного железобетона характеризуются тем, что в них применяют облегченные элементы с большой прочностью бетона и точными размерами; основная проблема — это конструкция стыков и монолитность всей конструкции здания.
При различных комбинациях двух основных технологий можно добиться больших преимуществ. В объединенных железобетонных конструкциях установленные элементы заводского изготовления дополняют укладываемым на месте бетоном, в результате уменьшается масса конструкции и упрощается форма элементов, увеличиваются несущая способность и монолитность, при этом значительно упрощаются работы по устройству опалубки (или совсем исключаются). Совершенно другой случай сочетания этих конструкций представляет конструкция перекрытия так называемого префа-монолит (prefa-monolit), в котором оголовки и колонны из элементов заводского изготовления, а остальные конструкции бетонируются в опалубке на месте.
Конструкции высотных зданий выполняют с применением стали, железобетона, а также различных строительных технологий. Здесь возможно большое число вариантов по выбору материала и технологии возведения. Окончательное решение получают путем постепенного отбора и оценки технических, функциональных, эстетических и экономических критериев.
Процесс возведения несущих конструкций представлен в виде схемы (рис. 4.36). Этот процесс соприкасается со многими отраслями народного хозяйства. Проектировщиков в основном интересуют производства, на которых создают сортамент материала (прокатные изделия, изделия металлообрабатывающей промышленности), способы производства, монтажа и эксплуатации здания. Эти знания необходимы для проектирования конструкций, оптимальных с точки зрения функционального назначения, возведения и экономической эффективности.
Подобный процесс можно представить и для железобетонных конструкций. На рис. 4.37 приведена открытая схема этого процесса, которая представляет наибольший интерес для проектировщиков. Железобетон состоит из нескольких компонентов и только со статической точки зрения он представляется в виде квазигомогенного материала.
Проявляется большое разнообразие основного материала, что находит отражение в производстве работ, технических требованиях и расходах. Кроме того, в железобетонных конструкциях по сравнению со стальными более четко могут быть выделены две основные технологии — изготовление монолитного и сборного железобетона.
Материал для стальных конструкций. Основные характеристики. С точки зрения проектирования конструкций, в которых сталь является основным материалом, представляют интерес: механические свойства, поведение стали при различных статических и динамических воздействиях, производственные (металлургические) особенности с точки зрения дальнейшей обработки, несовершенство технологии, сортамент в зависимости от технологии изготовления, требования к размерам изделия, цена и ценообразование, доступность материала и сроки поставок, контроль, поставка, документация на материал и готовое изделие.
Механические свойства стали лучше всего характеризуются диаграммой напряжение—относительная деформация ε—σ, на которой видны основные параметры: изменение модуля упругости, предел упругости и текучести, остаточная деформация, предельное относительное удлинение (относительное удлинение при разрушении) и т.д. Важным свойством является усталостная прочность при многократном и разовом циклическом воздействии в зависимости от уровня напряжений, числа циклов, структуры материала; это свойство важно для основного материала и для материала в различных соединениях. При применении конструкций и деталей, в которых возможна концентрация местных напряжений, важной характеристикой является сопротивляемость хрупкому излому при температурах окружающей среды.
В соответствии с временным сопротивлением стали выделяют три класса. В высотных зданиях применяется сталь класса 37 (расчетное напряжение R = 200 — 210 МПа) и класса 52 (расчетное напряжение 280 — 290 МПа), кроме того, в зависимости от толщины материала наблюдают его качественную разницу — толстые листы (профили) имеют предел текучести несколько меньший, чем тонкие листы.
В зависимости от особенностей металлургического производства различна способность стали к свариваемости, которую определяют углеродным эквивалентом σ. Важной характеристикой является повышенная коррозионная стойкость (например, при атмосферных воздействиях), которая достигается путем введения легирующих добавок, в основном меди, хрома и др. Примером такой стали может служить сталь типа Corten.
В Чехии также изготовляется подобная сталь с маркировкой 15217 Atmofix. Увеличение временного сопротивления низколегированной стали (класс 52) достигается введением легирующих добавок типа молибдена, ванадия и др. Металлургический процесс оказывает влияние на необходимость подогрева стали при изгибе, например для стали марки 11523 это необходимо при толщине профиля более 25 мм.
Свойства материала можно улучшить последующей тепловой обработкой, например отжигом и т.п. Дефекты, возникающие при прокатке, — образование лунок, пузырьков, превышение допустимых отклонений, несимметричность сечения (особенно важно это для напорных труб) и т.п. Важная проблема -слоистость материала, особенно листов, которая небезопасна в элементах, в которых возможны напряжения, перпендикулярные направлению прокатки, поэтому из-за опасности расслоения материала. стараются избегать применения крестообразных деталей. Если этого избежать невозможно, слоистость необходимо обнаружить или визуально, или с помощью ультразвука. Она должна быть минимальной в области крестообразных соединений.
Сортамент стали в зависимости от технологии изготовления. В зависимости от технологии обработки сталь, применяемую для строительных конструкций, можно разделить на две основные группы: сталь горячей обработки и холодной обработки.
Из всех сталей горячей обработки наиболее употребительной является горячекатаная сталь: узкопрофильная, круглая, квадратная, полосовая, угловая, таврового сечения — Т, небольшие двутавровые — I и швеллерные — U профили; профилированная сталь двутавры — J, JE, JPE и швеллеры — U, U, E U, Р, Е; арматурная сталь; широкополочные профили Н. В; широкополосная сталь; листовая сталь (различной толщины); тонколистовая сталь; ленточная сталь; рифленая листовая сталь (иногда и с ребрами); катаная проволока; шпунтовая, рельсовая сталь и сталь других специальных профилей.
Горячетянутую сталь применяют для изготовления бесшовных труб.
Преобладающей сталью для строительных конструкций становится листовая сталь. Основные преимущества этого материала — простота изготовления, заказа, доставки и складирования, отсутствие отходов при производстве и т.п. Листовая сталь в зависимости от толщины листа разделяется на следующие классы и марки:
При изготовлении стальных конструкций из двутавровых и швеллерных профилей экономичнее применять облегченные профили (по сравнению с классическими профилями).
В строительстве применяют сталь холодной обработки в виде изделий массового производства металлообрабатывающих заводов: холоднотянутые трубы с продольными сварными швами; на предприятии VSZ (Восточнословацкий металлообрабатывающий завод) изготовляют стальные трубы диаметром от 530 до 1220 мм со спиральным сварным швом; холодноформованные тонкостенные профили (открытого сечения различной формы — уголки, C-, Z- и Т-образные, корытообразные и т.п.); тонкостенные профили замкнутого сечения, трубы различного сечения, изготовленные или способом холодной растяжки из труб, или путем сварки из профилированных стальных полос; профилированные листы, например листы типа VSZ, различные изделия металлообрабатывающей промышленности, профилированные панели для конструкций перекрытий и стен, решетчатые плиты для потолков, сварные двутавровые, тавровые и L-образные профили.
Кроме того, для стальных конструкций необходимы изделия, которые предназначены для соединения элементов конструкций (заклепки, болты, электроды, проволока для сварки и т.д.). Специальными изделиями металлообрабатывающей промышленности являются проволока, канаты, отливки, поковки и др.
Производственные программы. Сортамент, марка, допуски размеров на прокат определяются государственными нормами — картами на материал. Изделия металлообрабатывающей промышленности выпускают в соответствии с требованиями ведомственных норм. Весь сортамент включают в Программу проката или в производственные программы.
Общую программу проката (теоретическая) представляют в виде таблицы и т.п. Однако изготовителю экономически невыгодно производить весь сортамент, поэтому на предприятиях принимают суженную производственную программу. В ней представлены изделия, которые постоянно производят на предприятии из материала, поставка которого обеспечена.
Кроме того, предприятия по изготовлению стальных конструкций имеют свою, еще более узкую номенклатуру прокатного материала (стандарты), целью которых являются унифицирование, упрощение и рационализация производства, поскольку если выполняются условия минимальной номенклатуры, то материал распределяется по разным заказам, уменьшаются отходы при производстве, упрощается складирование. Более узкая номенклатура изделий проявляется в специализации предприятия, условиях производства, во взаимосвязях с другими предприятиями, отличающимися производственными программами, и т.д. Проектировщики должны быть знакомы с этими условиями и учитывать их при проектировании, поэтому необходимо знать, какие предприятия будут изготовлять элементы конструкций и какая организация будет осуществлять монтаж сооружения.
Размеры изделий, такие, как максимальная и минимальная длина профилей, размеры листов (в большинстве случаев в зависимости от сортамента, толщины и марки материала), допускаемые отклонения размеров также определяются инструкциями или производственными программами. Эти данные очень важно знать конструктору, так как при использовании полной длины прокатных изделий достигается экономия материала (нет отходов). При назначении размеров готовых элементов необходимо учитывать имеющиеся на заводе средства для обработки металла, а также возможные минусовые отклонения от размеров.
Условия стоимости, материалы разных марок. Стоимость партии изделий состоит из основной стоимости и надбавок за качество, сортамент в зависимости от размеров и толщины, точности размеров и численности (если она меньше лимитированного), за проверку качества и т.п.
Отношение между стоимостями изделий из стали класса 52 и 37 естественно зависит от сортамента, примерно составляет 120:100, а отношение расчетных напряжений R для этих сталей составляет R52/R37 = 1,37. На основании этого в строительных конструкциях было бы рационально применять стали повышенной прочности, однако на практике сталь кл. 52 не находит широкого применения. В конструкциях многоэтажных зданий расход стали кл. 52 составляет всего примерно 10—15% общего расхода стали. Это объясняется следующими причинами:
— сортамент изделий из стали кл. 52 меньше сортамента изделий из стали кл. 37; обычно сталь кл. 52 применяется при изготовлении листовых изделий, реже стержневых, поэтому при изготовлении стальных конструкций на небольших предприятиях труднее соблюдать требования минимального расхода материала;
— если при проектировании основным критерием является жесткость конструкции (например, при расчете по второму предельному состоянию, при расчете стержней на продольный изгиб, при расчете стен на местную устойчивость и т.п.), то в этом случае обычно полностью не используются прочностные свойства высокопрочных сталей;
— во многих случаях для элементов стальных конструкций размеры задаются по конструктивным соображениям.
В связи с этим при проектировании многоэтажных зданий сталь кл. 52. применяют только для элементов и конструкций, в которых возникают большие напряжения, например в сильно нагруженных колоннах, балках и т.п. Определенный эффект может быть получен при применении в конструкциях здания сталей обоих классов, когда, например, колонны верхних этажей выполнены из стали кл.
37, а нижних этажей — кл. 52. В результате можно выполнять колонны с одинаковыми размерами сечений (это упрощает конструкции стыков, позволяет унифицировать примыкающие элементы). Или другой вариант: полки большепролетных балок, на которые действуют большие нагрузки, в местах наибольших напряжений могут выполняться из стали кл. 52, а в остальных частях из стали кл.
37. В результате также может быть достигнута одинаковая толщина полки по всей ее длине и т.п.
Изготовление и монтаж стальных конструкций. В зависимости от требований точности и качества изготовления и монтажа стальные конструкции в соответствии с нормами Чехии CSN 732601 разделяют на следующие три группы: А — стальные конструкции и элементы сооружений и технологического оборудования, работающие при действии динамических нагрузок или на усталость; те же, форма и назначение которых требуют высокого качества работ и точности монтажа; Б — стальные конструкции и элементы сооружений, работающие при действии статической нагрузки или при косвенном динамическом воздействии; В — второстепенные конструкции. Стальные конструкции многоэтажных зданий относятся к группе Б.
Несущие стальные конструкции проектируют из материалов и изделий, механические свойства, химический состав, а также форма и размеры которых соответствуют техническим условиям. Если требуется проверка материала (производственный паспорт, взятие пробы), то это требование должно быть указано в проекте. Степень свариваемости определяется в первую очередь в зависимости от эксплуатационных нагрузок стыка, прежде всего динамических.
Сочетание стальных конструкций с железобетонными. Основные свойства стали, бетона. Предпосылки для комбинированных конструкций. Каждый материал обладает своими характерными свойствами, преимуществами и недостатками, поэтому надо определять наилучшие условия для применения каждого материала. Характеристики материалов могут быть выявлены при сравнении. В табл.
4.6 проведено сравнение характеристик двух конструктивных материалов — стали и железобетона. В таблице указано, какой из материалов предпочтительнее применять для конструкций высотных зданий. Несмотря на то, что рассмотрено большое число критериев, нельзя поручиться в том, что в ней предусмотрены все случаи, возможные при проектировании конкретного объекта. Поэтому всегда надо рассматривать широкий диапазон критериев, так как возможно, что какая-то характеристика, рассматриваемая отдельно, может зависеть от других парам. Например, недостатком железобетона является большая масса конструкций из него, однако этот недостаток проявляется по-разному при больших пролетах, при слабых грунтах или при сравнении вертикальных конструкций с горизонтальными и т.п., а при рассмотрении звукоизолирующей способности конструкций большая масса является преимуществом.
При рассмотрении в отдельности со статической и экономической точек зрения было бы целесообразно опоры делать железобетонными, однако на практике часто встречаются с обратным решением. Например, железобетонные перекрытия уложены на стальные колонны, так как в данном случае стыки с технологической точки зрения обладают преимуществом, кроме того, меньшие размеры сечений стальных колонн позволяют выигрывать в площади помещений. Требуемая обычно большая жесткость конструкций может оказаться недостатком для зданий, возводимых в сейсмических районах, на подрабатываемых территориях, а также в условиях, где возможны большие температурные перепады. Подобным образом преимущества железобетонных конструкций с точки зрения долговечности и простоты содержания не имеют значения при строительстве временных сооружений или сооружений, впоследствии реконструируемых.
Одним из путей достижения более высоких показателей и снижения стоимости конструкций и расходов на их эксплуатацию является применение стальных конструкций в сочетании с железобетонными. Хотя при применении комбинированных конструкций возникают определенные проблемы (конструктивные, различные производственные допуски, усадка и ползучесть бетона и т.п.), сочетание стального каркаса с железобетоном приводит к уменьшению расхода стали, увеличению жесткости здания, упрощению проблем, связанных с антикоррозионной и противопожарной защитой конструкций, увеличению долговечности конструкций, уменьшению объема и упрощению отделочных работ.
Типы комбинированных конструкций с точки зрения статики. Можно выделить той основные группы комбинированных конструкций: стальные конструкции, дополненные бетоном; совместно работающие сталежелезобетонные конструкции; смешанные сталежелезобетонные конструкции.
Стальные конструкции, дополненные бетоном. В этих конструкциях бетон обычно не несет какой-либо статической функции, а выполняет скорее конструктивную функцию. К ним относятся,’ например, стальные профилированные листы покрытий и перекрытий с бетонной стяжкой, или обетонированные стальные конструкции (для повышения их огнестойкости), или стальные балки перекрытий, нижний пояс которых обетонирован и соединен с пустотелыми вкладышами перекрытий замоноличиванием, и т.п.
Совместно работающие сталежелезобетонные конструкции. Сечение колонны, балки, стены, плиты и т.п. состоит из стальной и бетонной (в некоторых случаях железобетонной) частей. Часто бывает так, что в процессе монтажа работает только стальная часть сечения конструкции, но в конечном состоянии работает комплексное сталежелезобетонное сечение.
Поэтому при расчете конструкций особое внимание уделяется расчету конструкций в процессе монтажа, т.е. конструкций на разных стадиях возведения. Статический расчет комбинированных сталежелезобетонных конструкций ведется в предположении квазигомогенного сечения. Основной проблемой в таких конструкциях является учет усадки и ползучести бетона.
Комбинированные совместно работающие сталежелезобетонные конструкции в свою очередь можно разделить на несколько групп или типов, для которых характерна своя специфика.
Совместно работающие сталежелезобетонные балки. Co стальной балкой, обычно двутаврового профиля, совместно работает железобетонная плита.
В зоне соединения плиты с балкой возникают большие силы сдвига, которые превышают силы сцепления бетона со сталью, поэтому в этой зоне предусматриваются специальные конструктивные мероприятия (шпонки, спирали из круглой стали, штыри, преднапряженные болты и т.п.) (рис. 4.39).
Совместная работа бетонной и стальной частей конструкции может быть обеспечена обетонированием большей части балки с проведением предварительных мероприятий, повышающих сцепление бетона со сталью (например, устройство отверстий в стене балки). При совместной работе плиты и балки достигаются большая несущая способность и жесткость конструкции. Совместно работающая сталежелезобетонная балка отличается от железобетонной тем, что из средней и нижней частей балки исключена нагрузка от балласта, от массы ’’мертвого” бетона. Основной проблемой при проектировании сталежелезобетонных балок является определение технически и экономически оправданного конструктивного решения, обеспечивающего совместную работу бетона и стали. Следующей проблемой является восприятие отрицательных моментов, возникающих над опорами, а также проблемы, связанные с усадкой и пластичностью бетона.
Сталежелезобетонные плиты с применением стальных листов. Этот тип сталежелезобетонных конструкций достаточно распространен. В этих плитах применяются различные стальные листы: профилированные или гладкие, относительно толстые или тонкие (рис. 4.40).
В таких конструкциях в зависимости от способа, обеспечивающего совместность работы бетона и стали, можно выделить три случая — стальной лист воспринимает сам всю нагрузку (бетон выполняет конструктивную функцию); стальной лист и бетон совместно работают и образуют комбинированную конструкцию; стальной лист выполняет роль оставляемой опалубки для железобетонной плиты. При расчете таких конструкций возникает много неясностей, поэтому в практике расчетов этих плит обычно принимают, что лист выполняет роль оставляемой опалубки, и его рассчитывают только на нагрузку от веса свежеуложенного бетона. При эксплуатации конструкции считается, что все растягивающие силы воспринимаются стержневой арматурой плиты. Запроектированная таким образом плита обладает достаточно высокой степенью огнестойкости, так как рабочая арматура защищена слоем бетона. При применении относительно толстых стальных листов (в промышленных зданиях, пролетных строениях мостов и т.д.) совместность работы стального листа со слоем бетона обеспечивается путем установки штырей круглого сечения.
Стальные замкнутые профили, заполненные бетоном, а в некоторых случаях армированным бетоном (рис. 4.41) обычно применяют для центрально-сжатых и сильно нагруженных опор. При внецентренном сжатии или в высоких опорах с большим коэффициентом гибкости не учитывается работа бетона. При работе таких конструкций, особенно невысоких опор, на центральное сжатие, если нагрузка приложена на бетон, стальная обойма обжимает бетонное ядро и увеличивает его несущую способность. Если нагрузка приложена к стальной обойме, то работа сталежелезобетонной опоры более сложная.
При расчете несущей способности гибких опор за основу принимается площадь сечения стального профиля; расчет на продольный изгиб ведется с учетом площади сечения стального профиля, при этом площадь бетонной части сечения заменяется с помощью отношения модулей упругости n = Ев/Eа на эквивалентную стальную. В этом случае особое внимание должно уделяться качеству бетонирования и уплотнения. Поскольку опора может достигать высоты в несколько этажей, то здесь возникает проблема контроля качества бетонирования, а также проблемы, связанные с усадкой и ползучестью бетона, с распределением нагрузки на бетонную и стальную части сечения. Мнение о том, что такие конструкции обладают повышенной огнестойкостью, не является однозначным, так как несущая способность бетонного ядра зависит от воздействия на него обоймы (а с повышением температуры оно уменьшается).
Обетонированные стальные конструкции, в некоторых случаях железобетонные конструкции с жесткой арматурой. При применении таких конструкций обеспечивается антикоррозионная и противопожарная защита стальных конструкций, упрощаются арматурные работы, работы по устройству опалубки, возрастает несущая способность и жесткость конструкций. По сравнению со стальными конструкциями при применении обетонированных конструкций уменьшается расход стали, исключаются проблемы, связанные с местной потерей устойчивости. Желательно, чтобы стальные конструкции имели простую форму, чтобы были обеспечены условия для удобной укладки и твердения бетонной смеси.
Различают несколько типов обетонированных стальных конструкций (рис. 4.42):
— составная стальная конструкция из отдельных прокатных профилей, таких, как уголковые, тавровые, полосы и т.п., выполняет роль арматуры, отдельные элементы (профили) соединены между собой на сварке, в результате чего отпадает необходимость в удлинении стержня для обеспечения его заанкеривания. Процент армирования обычно не превышает 3%; после затвердения бетона элемент работает как обычный железобетонный элемент;
— сплошностенчатая стальная конструкция, дополненная стержневой арматурой и обетонированная; общая несущая способность приближенно равна сумме несущей способности стальной конструкции и несущей способности остальной части, которая определяется как для обычного железобетона;
— стальной элемент сплошного сечения, обычно круглого, вокруг которого выполнено железобетонное кольцо; стальное ядро рассчитывается на простое сжатие, железобетонное кольцо предназначено для увеличения устойчивости при продольном изгибе; сцепление бетона со сталью не учитывается.
Специальные случаи. В этих случаях используются преимущества, которые получаются при соединении этих двух материалов в одно сечение. Например, предварительное напряжение бетона в растянутых поясах балок может быть достигнуто следующим способом: стальные балки обетонируют при действии на них обратного по знаку момента по сравнению с моментом, который будет действовать на конечном этапе (например, балки типа Preflex) (рис. 4.43).
Смешанные сталежелезобетонные конструкции. Конструктивно-статическая система состоит из отдельных конструктивных частей, которые выполнены из стали или железобетона; соединение этих частей между собой дискретное. Типичными примерами таких конструкций для зданий повышенной этажности являются: конструктивная система, состоящая из внутреннего ядра (ствола жесткости) с железобетонными стенами, вокруг которого размещен стальной каркас; система, возводимая методом подъема этажей, состоящая из стальных колонн и железобетонных плит перекрытий; большепролетная система, состоящая из стальных решетчатых балок и железобетонных плит перекрытий; и т.п. Каждая конструктивная часть системы воспринимает те нагрузки, которые больше соответствуют материалу, из которого она изготовлена. Основной проблемой для смешанных конструкций является конструктивное решение соединений элементов, выполненных из различных материалов, здесь необходимо добиться ясной со статической точки зрения передачи сил, уменьшить возможные концентрации напряжений в бетоне, при этом необходимо учитывать различные допуски в размерах конструкций, обусловленные различными технологиями их изготовления.
Стальные конструкции могут быть уложены на железобетонные двумя способами. Первый способ — сталь на сталь. В бетон предварительно погружают стальные закладные детали, на которые укладывают стальные конструкции, разность в допусках может быть компенсирована с помощью различных накладок (рис. 4.44). Второй способ — сталь на железобетон.
В этом случае различие в допусках компенсируется цементным раствором (рис. 4.45).
Если железобетонная конструкция имеет жесткую арматуру или если это обетонированная стальная конструкция, то выбор способа опирания стальной конструкции упрощается.
Возможности и пути повышения эффективности несущих конструкций. Общие положения. Для проведения сравнительного анализа используют характеристики материалов и технологические решения.
Технологические решения для стальных конструкций более ограничены по сравнению с решениями для железобетонных конструкций, поэтому для них не производят дальнейшего разделения на группы. Для железобетонных конструкций существует множество технологических решений, и поэтому их можно разделить на несколько групп. На рис. 4.46 схематически представлены основные фазы и работы по подготовке и реализации несущих конструкций, как для варианта с железобетонными конструкциями (три альтернативы), так и для варианта со стальными конструкциями. Для простоты будем рассматривать только несущие конструкции наземной части зданий. На схеме изображено:
— общей разделяющей осью для всех вариантов отмечено начало работ на строительной площадке;
— разделение работ на строительной площадке и помимо нее;
— в горизонтальном направлении показана относительная продолжительность отдельных этапов, высота соответствует трудозатратам, а площадь — объему работ;
— работы проходят по следующим этапам: подготовка производства, обеспечение основными материалами (арматурой, бетонной смесью, дополнительными материалами, прокатными листами и т.п.), строительные полуфабрикаты, готовая конструкция;
— начало производства — техническая подготовка производства, при этом подразумевается, что проектная документация готова;
— между отдельными этапами предусмотрены перерывы, вызванные сроками поставки, подготовкой материала или технологическими перерывами (твердение бетона, перестановка монтажных механизмов и т.п.);
— отрезок времени от начала подготовки производства до изоготовления конструкции принимается за срок реализации конструкции.
Пути развития, общие для всех типов конструкций, целью которых является рационализация производства, увеличение объема капитальных вложений, увеличение эффективности, можно представить следующим образом: снижение массы и расхода материалов на конструкцию, т.е. рациональное использование материальных ресурсов и уменьшение объема перевозок; перемещение как можно большего объема работ в заводские условия (улучшение условий труда, централизация производства, повышение качества изделий, повышение производительности труда); снижение доли ручного труда; сокращение сроков строительства путем снижения трудозатрат, сокращения перерывов, одновременного (параллельного) выполнения различных работ и т.п.
Источник: ctcmetar.ru
Как строят небоскребы и почему они не падают
632-метровая Шанхайская башня совершенно неподвижна. По сути, это самый устойчивый небоскреб в мире – ни ветер, ни другие погодные явления не способны нарушить ее равновесие. Впрочем, это иллюзия: конечно, колебания присутствуют, просто благодаря сверхсовременной демпферной системе ни один человек не почувствует «волнение» здания.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как китайцы строят небоскреб
Система, задействованная при ее строительстве, называется демпфером и способствует уменьшению амплитуды колебаний от ветра, а также снижению скорости «верхушки» здания, набираемой при этих колебаниях. Аналогичные демпферы — подпружиненные грузы — использовались некогда в болидах «Формулы-1» для снижения вертикальных колебаний носовой части автомобиля. Теперь их используют, когда строят небоскребы.
1. Спиралевидная форма здания позволяет снизить влияние ветра на 24% по отношению к аналогичному зданию в форме параллелепипеда. 2. Как и большинство небоскребов, возведенных после 11 сентября 2001 года, Шанхайская башня имеет массивную бетонную арматуру, пронизывающую здание по всей высоте. 3. Двухслойное остекление позволяет снизить нагрев внутренних помещений и упростить систему вентиляции. 4. Бетонный фундамент имеет толщину 3,3 м. Его заливка заняла 63 часа. Последние пять этажей Шанхайской башни занимает помещение, где установлен демпфер, гасящий колебания здания.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Обычный демпфер, применяемый при строительстве, представляет собой «комплект» маятников — гибко сцепленных стальных пластин. Когда рабочие строят небоскреб, он отклоняется в одну сторону, а инерция пластин работает в качестве противовеса, толкая здание в противоположном направлении. Но такого демпфера для Шанхайской башни оказалось недостаточно.
1. Стальные кабели позволяют маятнику-демпферу свободно раскачиваться таким образом, что его инерция противостоит движению здания. 2. Маятник устроен очень просто – это 1000-тонный «штабель» из стальных пластин. 3. Гидравлическая система предохраняет маятник от слишком резких отклонений и слишком больших амплитуд. 4. Электромагнитная система активируется при движении маятника, усиливая демпфирующий эффект.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как строят небоскребы на последнем этапе
На последних этажах 632-метрового небоскреба колебания могут быть столь заметными, что вызовут у сотрудников или обитателей «воздушную болезнь», иначе говоря, людей будет укачивать! Не говоря уже о подсознательном страхе, связанном с обрушением здания. Поэтому китайцы, которые строят небоскреб, применили оригинальную технологию. На верхних этажах они установили тщательно рассчитанную массу — самый тяжелый груз, какой когда-либо использовался в архитектурных демпферах — и связали ее с мощным электромагнитом, создав первый в истории строительства индукционный демпфер. Без этого механизма мы бы не смогли увидеть, как строят небоскребы — они бы просто обрушились еще до начала строительства.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
«Сердцем» устройства служит медная пластина площадью 100 м 2 , на нее установлено 125 мощных магнитов, и вся эта конструкция расположена под подвешенным демпфером классического типа. Когда здание сдвигается, 1000-тонный стальной груз движется над магнитами, вызывая появление электрического тока в пластине. Это, в свою очередь, создает сопротивляющееся движению демпфера магнитное поле, увеличивая демпфирующий эффект. При этом никакого активного контроля над системой не требуется, поскольку вся работа демпфера определяется правилом Ленца: «Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток». Вот так использование демпфера помогает улучшить процесс того, как строят небоскребы.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
В результате получается как изящное инженерное решение, так и видимый результат. Архитекторы утверждают, что 99,99% посетителей последних этажей не чувствуют никаких колебаний даже летом, когда тайфуны в Шанхае особенно активны. Не секрет, что Китай строит небоскребы очень хорошо. Но это вопрос не только необходимости, но и умения, ведь, как вы уже могли заметить, строят небоскребы очень опытные люди с нестандартным мышлением.
Почему не падают небоскребы?
Мы уже поняли, как строят небоскребы, но не менее важным является процесс их эксплуатации. Почему же эти высокие здания не падают? На то есть несколько причин:
Источник: tehnowar.ru