Опыт строительства 1950-1953 гг.
Значительную роль в развитии строительной техники в многоэтажном строительстве сыграло возведение первых высотных зданий в Москве в 1950- 1953 гг.
Для сопоставления принятых решений
каркасов московских высотных здании проведена классификация их по двум основным признакам: по конструктивной схеме и по примененным материалам. Показатели удельного расхода стали на 1 м3 здания и жесткости конструкции иллюстрируются табл. 9.2.
В первых московских высотных зданиях нашли применение каркасы всех трех схем: рамной, рамно-связевой и связевой.
Можно проследить четкую направленность в развитии конструктивных схем каркасов первых московских высотных зданий: от рамной системы через рамно-связевую к связевым схемам.
Обращение советских конструкторов к каркасам рамной схемы характерно для первого этапа проектирования высотных зданий. Каркасы рамной схемы намечались в первоначальных вариантах ряда высотных зданий и были применены Е нескольких высотных зданиях: на Смоленской площади, Дорогомиловской набережной, в корпусах общежития МГУ, где объемно-планировочные решения зданий позволяли спроектировать много-лролетные рамы относительно однотипной конструкции.
Каркасы рамной схемы обладают рядом достоинств: четкой работой - равномерностью и плавностью деформаций отдельных рам в общей системе каркаса, особенно в тех случаях, когда рамы сконструированы примерно равной жесткости; свойственной статически неопределимым системам возможностью перераспределения усилий при перенапряжении отдельных элементов каркаса; возможностью более свободной планировки здания.
В то же время каркас рамной схемы обладает и серьезными недостатками, из которых в первую очередь отметим трудность обеспечения необходимой жесткости каркаса в пределах экономической целесообразности. Из табл. 9.2 видно, что характеризующий жесткость каркаса прогиб верхнего этажа и перекос панели при рамной схеме едва укладываются в пределы нормативных значений, несмотря на весьма значительный расход стали.
Сопоставление расходов материалов показывает, что расход стали на каркас рамной схемы значительно (на 20-30%) превышает расход стали на каркас связевой схемы.
Расход стали, конечно, зависит не только от конструктивной схемы и материала каркаса, но и от ряда других факторов-компоновки каркаса, выбора сетки колонн и т. д. Однако, принимая во внимание сравнительно небольшие отличия в компоновке и шаге колонн в рассматриваемых зданиях, можно считать, что основной причиной большой разницы в расходе стали при одинаковом материале каркаса является выбор конструктивной схемы.
Помимо того, получающиеся при рамном решении каркаса мощные сечения элементов конструкции - колонн, ригелей и особенно узлов - приводят к усложнению конструктивных форм элементов каркаса (см. главу 10) и соответственно к увеличению трудоемкости выполнения каркаса.
Таким образом, достоинства каркасов рамной схемы - относительно свободная планировка - достигаются в ущерб требованиям экономии стали, обеспечения высокой жесткости каркаса и уменьшения трудоемкости выполнения. Более рациональны для большинства объемно-планировочных решений зданий каркасы связевой схемы, применение которых обеспечивает высокую жесткость каркаса при одновременном снижении расхода стали.
В комбинированной рамно-связевой схеме эффект, достигаемый благодаря применению связевых стенок, зависит от степени участия их в восприятии ветровой нагрузки. В тех случаях когда свя-зевые стенки не играют преобладающей роли в статической работе каркаса на ветровую нагрузку, расход стали на каркас может быть даже выше, чем при рамной схеме. Это показывают данные табл. 9.2, где приводится сопоставление расхода стали на железобетонные каркасы административных зданий у Красных ворот и на Смоленской площади и на стальные каркасы в зданиях на Комсомольской площади и Дорогомиловской набережной.
Убедительной иллюстрацией сказанному может служить конструктивное решение каркаса высотного здания на Комсомольской площади, выполненного с каркасом рамно-связевой схемы. Расчетная жесткость каркаса, характеризуемая прогибом верхнего этажа в Vsoo высоты здания и перекосам в Уюоо, достигается необычайно высоким расходом стали - 39 кг на 1 м3 здания. Одновременно интенсивная работа рам каркаса на ветровую нагрузку привела к необходимости конструирования мощных узловых сопряжений, не уступающих по трудоемкости и расходу стали узлам рамного каркаса здания на Смоленской площади. Нерациональность рамно-связевой схемы усугубляется в данном случае еще тем, что связи отдельных панелей не объединены в общую жесткую связевую систему, Обладая малой изгибной жесткостью,. связи испытывают значительные продольные деформации, влекущие за собой появление перекосов между связевыми панелями.
Рассматривая конструктивную схему связевого каркаса, следует отметить, что существенным недочетом системы с плоскими связями является возникновение значительных перекосов панелей и депланации перекрытий, значительно превышающих соответствующие величины в. рамных каркасах. В самом деле, возникающая значительная разность продольных деформаций связевой колонны, воспринимающей усилия от ветровой нагрузки (достигающие в связевых колоннах до 50% величины полной нагрузки), и колонны, смежной со связевой, не воспринимающей усилия непосредственно от ветровой нагрузки, вызывает появление существенных по величине деформаций сдвига панели, расположенной между связевой и смежной с ней несвязевой колонной. Развитие величины перекосов с-высотой здания вызывает значительную-депланацию перекрытий верхних этажей.
Для четкого расчленения работы отдельных элементов в каркасе связевой схемы на горизонтальную и вертикальную. нагрузку необходимо стремиться к значительному увеличению жесткости связевых систем и соответствено снижению продольных деформаций связевых колонн. Для получения же значительной жесткости с помощью плоских связей приходится прибегать к устройству большого числа железобетонных стенок значительной толщины. Размещение в плане необходимого в этом случае большого числа стенок затрудняет объемно-планировочное решение.
Все это указывало на необходимость поиска принципиально новых форм связей.
Такой качественно новой конструктивной формой каркаса связевой схемы следует считать каркас с пространственной системой связей, примененный впервые в здании на Котельнической набережной, затем в проекте административного здания в Зарядье и в здании Дома культуры и науки в Варшаве.
Пространственная система связей, состоящая из железобетонных стенок, связанных между собой и образующих единую складчатую оболочку, обладает высокой жесткостью, многократно превышающей жесткость других систем каркасов, и минимальным расходом стали (см. табл. 9.2 и 9.3), а также четкой статической работой: вся ветровая нагрузка, приходящаяся на здание, воспринимается пространственными связями, рамы же работают только на вертикальную нагрузку. Также весьма незначительны возникающие в связевых колоннах продольные усилия от ветровой нагрузки в каркасах рамной или рамно-связевой системы, выполненных из одного и того же материала (см. табл. 9.2).
Достоинства этого типа каркаса с пространственными связями - высокая жесткость наряду с большой экономичностью-по сравнению с каркасами рамной системы или рамно-связевой особо убедительны при сопоставлении вариантов каркаса здания Гидропроекта (неосуществленные варианты проекта см. рис. 9.9 и табл. 9.3).
Высокая экономичность каркасов с пространственной системой связей достигается осуществлением ведущего требования рациональной компоновки - принципа концентрации материала: четким расчленением работы каркаса на ветровую и вертикальную нагрузку и сосредоточением всей ветровой нагрузки на системе пространственных связей.
В каркасах с пространственными связями значительно снижается вес колонн и ригелей рам благодаря работе их в этом случае лишь на вертикальную нагрузку (табл. 9.4). (составляющие, например, в здании на Котельнической набережной всего лишь от 10 до 23% величины полного усилия на колонну); соответственно невелики и вызываемые ими продольные деформации колонн, а следовательно, малы перекосы в панелях, примыкающих к пространственной связи. Так, например, в здании на Котельнической набережной прогиб верхнего этажа составляет 7з85о высоты здания, а перекосы панелей - '/2500-Удельный расход стали на каркасы с пространственной системой связей (здания на Котельнической набережной и в Зарядье) ниже на 20-30% расхода стазями прогибы фундаментов значительно уменьшаются и соответственно снижаются дополнительные усилия в элементах каркаса (укажем для сравнения, что прогиб фундамента при рамном каркасе в здании на Дорогомиловской набережной; вызывает увеличение изгибающих моментов в элементах каркаса на 20%).
Дальнейшим развитием пространственной связевой системы может стать конструкция связевой оболочки в сочетании с ростверком (рис. 9.5 и 9.7). Назначение такой конструкции - уменьшать перекосы; особенно целесообразна она в тех случаях, когда габариты связевой оболочки в плане относительно невелики.
Значение ростверка состоит в том, что унификации и стандартизации ригелей и узлов каркаса, так как усилия, действующие в узлах и ригелях рам, одинаковы но высоте.
Одно из существенных преимуществ каркаса с пространственной системой связей - значительная экономия стали в конструкции фундамента благодаря учету совместной работы фундаментов с системой железобетонных стенок-связей. Так, например, расход стали на фундаменты здания на Котельнической набережной составил 72,8 кг на 1 м3 бетона, в то время как расход стали на фундаменты в здании на Смоленской площади - 150 кг на 1 м3 бетона, в здании на Дорогомиловской набережной - 160 кг/м3, в здании МГУ - 400 кг на 1 м3 бетона.
Благодаря совместной работе фундамента с железобетонными стенками-свя-
он вовлекает в работу на ветровую нагрузку также и смежные со связью колонны. Возникающие при этом продольные усилия в несвязевых колоннах от ветрового напора вызывают продольные деформации колонн и, таким образом, значительно снижают перекосы в панелях, примыкающих к связи, и депланацию перекрытий.
Значение ростверка наглядно иллюстрируется графиком на рис. 9.7, где сопоставлены схемы деформации связевой оболочки здания в Зарядье без учета и с учетом работы ростверка. Наибольшие перекосы, возникающие в системах без ростверка в верхней части каркаса, под влиянием работы ростверка переносятся ближе к середине высоты каркаса, причем абсолютная величина перекосов уменьшается в 2-2,5 раза. Вместе с тем влияние ростверка сказывается на уменьшении изгибающего момента в связи-оболочке на 25-30%.
Применение пространственных связе-вых систем следует признать, безусловно, целесообразным при следующих объемно-планировочных решениях зданий: при башенной композиции с квадратной или близкой к квадрату формой плана (рис. 9.10), с различными открылками, в зданиях с усложненной конфигурацией плана. Предельная длина открылков, при которой возможно обойтись без устройства в них специальных связевых стенок, зависит от степени жесткости междуэтажных перекрытий и от жесткости центральной группы связей на закручивание.
кости обладают железобетонные каркасы (табл. 9.5).
Таким образом, экономия стали при применении железобетонного каркаса с жесткой арматурой вместо стального достигает от 20 до 40%. Жесткость стального рамного каркаса при включении в его работу бетона может увеличиваться в 2-2,5 раза.
