Металлоконструкции в архитектуре » Конструкции, активные по вектору. Связи

Применение вертикальных диафрагм и монолитных ядер жесткости позволяет в целом повысить жесткость каркаса и уменьшить количество необходимых связей, надежно закрепляя здание от перекоса. Такое решение особенно выгодно в многоэтажных зданиях, где отсутствие связей увеличивает функциональность внутреннего пространства и архитектурную привлекательность в целом.

Кроме основной конструкции, несущие системы требуют элементов, которые обеспечивают ее функционирование согласно задуманной концепции.

Классификация связей

Стержневые каркасы с точки зрения расчетной схемы должны обладать геометрической неизменяемостью и работать совместно как единая система на всех этапах жизненного цикла. В регулярных системах этого можно достичь в основном двумя способами – созданием жестких узлов или постановкой связей. Соответственно, в зависимости от применяемого способа обеспечения неизменяемости, каркасы разделяют на закрепленные и не закрепленные от перекоса.

Закрепленные от перекоса примыканием к другим зданиям, связевыми системами или монолитными диафрагмами каркасы при анализе могут быть разбиты на отдельные подсистемы и элементы, в то время как незакрепленные – должны рассматриваться как единые системы. Таким образом, выделяют следующие основные функции связей:

  • Обеспечение геометрической неизменяемости основной несущей конструкции.
  • Обеспечение пространственной работы всех элементов и подсистем несущей конструкции как единого целого.
  • Восприятие и распределение между элементами основной несущей конструкции горизонтальных нагрузок (ветровых, сейсмических, технологических и т. п.).
  • Уменьшение расчетных длин элементов основной несущей конструкции.
  • Повышение удобства монтажа и временное закрепление элементов несущей конструкции при возведении.

    По конструктивной схеме выделяют жесткие и гибкие связи. Не закрепленный от горизонтального смещения каркас является геометрически изменяемой, нестабильной системой. Жесткие связи способны воспринимать сжимающие усилия, транслируя нежелательное силовое воздействие в опору, а гибкие – работают только на растяжение.

    Жесткие связи формируют из прокатных элементов: труб, квадратных замкнутых профилей, спаренных уголков или швеллеров. Гибкие связи выполняют из круглой стали или канатов с обязательным предварительным натяжением. Относительно направления восприятия и распределения нагрузок, в каркасах быстровозводимых зданий, организующих ортогональные функциональные объемы, выделяют горизонтальные и вертикальные связи. Они, в свою очередь, могут иметь различную геометрию, сечения элементов и принципы работы.

    Основы проектирования связей

    В каркасах, закрепленных от перекоса, связи являются второстепенными элементами, и их сечения, как правило, принимают исходя из соображений предельной гибкости элементов. В то же время, в зависимости от принятой конструктивной схемы, в связях могут возникать значительные продольные усилия, выявляемые при пространственном расчете быстровозводимых зданий. Тогда сечения связей подбирают исходя из условий прочности или устойчивости.

    Вертикальные связи придают жесткость при действии горизонтальных усилий вертикальным элементам здания, которые соединяют перекрытия или заземляют основной силовой поток. Для сохранения функциональности внутреннего объема вертикальные связи стремятся располагать в плоскости фасадов или в глухих внутренних стенах.

    Оси связей должны проходить через центральные оси основных вертикальных элементов – стоек и колонн, однако этому может помешать расположение ограждающих конструкций наружных стен. В таких случаях ограждение смещают вовнутрь или наружу от оси колонн, либо увязывают со связевой системой. В основном связи крепятся шарнирно на обычных болтах и центрируются в узлах элементов основного несущего каркаса. По типу геометрии различают диагональные, треугольные, крестовые, портальные и ромбические связи.

    Диагональные связи являются наиболее простыми и недорогими по обустройству, однако дают несимметричное закрепление и должны быть обязательно жесткими. С архитектурной точки зрения диагональные связи нивелируют возможность обустройства просветов, но дают наименьшую визуальную затеняемость в оконных проемах.

    Треугольные связи имеют те же характеристики, но дают немного большую связность элементов и более лояльны к обустройству просветов.

    Крестовые связи являются наиболее распространенным типом, так как дают максимальную жесткость и достаточно просты в обустройстве, однако стены с крестовыми связями обычно являются глухими.

    Портальные и ромбические связи дают максимальную возможность для организации проходов, однако обеспечить с помощью них каркасу такую жесткость, как придают крестовые связи, крайне сложно.

    Размещение связей в здании при проектировании зависит от его размеров, конфигурации несущей системы, архитектурных возможностей и направления действия горизонтальных нагрузок, которые должны быть восприняты. Прежде всего, связи всегда ставят в торцевых блоках здания, так как они непосредственно взаимодействуют с горизонтальным силовым потоком от ветра.

    Шаг связей между торцами принимают не более 50 м. В каждом температурном и деформационным блоке предусматривается своя отдельная система связей.

    Горизонтальные связи обеспечивают образование в зданиях жестких дисков, которые распределяют внешние силовые воздействия между элементами, препятствуют скручиванию каркаса, выходу из плоскости элементов и уменьшают моментные усилия.

    Применение железобетонных плит настилов в перекрытиях из стальных элементов позволяет создавать жесткие диски и минимизировать потребность в горизонтальных связях. Следует учитывать, что железобетонные плиты с толщиной менее 200 мм, равно как металлические профилированные настилы и ограждающие панели, не создают достаточной жесткости и не могут полностью заменить горизонтальные связи. Прогоны кровли и второстепенные балки перекрытий могут считаться связями только при соединении в одном уровне с основными несущими конструкциями и при соосности с потоком передаваемых горизонтальных усилий, на которые должны быть рассчитаны.

    Связи как конструктивный инструмент архитектурной формы

    Наиболее выраженное визуальное представление работы связей возможно в отношении диагональных связей. Помимо конструкционной функции, наружные связи зачастую используют для придания быстровозводимому зданию экспрессивного вида. Связи, предусмотренные для достижения комплексного эффекта, могут представлять собой более чем необходимый минимум для конструкционных целей. Пример применения наружных крестовых связей для обеспечения жесткости внешних несущих конструкций фасада показан на рис.

    В данном случае были использованы гибкие предварительно напрягаемые канаты, а размещение в каждом отсеке связано с формой фасада и противодействием ветровым пульсациям.

    В офисном центре «Леонардо » связи несущих элементов фасадной системы специально выполнены открытыми, притягивая взор и акцентируя современный вид здания.

    Восьмиэтажное здание исследовательского центра Arcelor Mittal в Люксембурге для увеличения жесткости каркаса имеет вертикальную связевую ферму, выполненную из двутавровых профилей. Конструкция визуально открыта во внутреннем пространстве атриума и вместе с несущими конструкциями наружных панорамных лифтов создает особую внутреннюю среду, подчеркивающую предназначение и функцию здания. Массивный размер профилей также был принят во внимание при пожарно-техническом анализе данного здания.