Системы перекрытий и покрытий в зданиях с различным количеством этажей могут быть организованы по балкам и по фермам. Балки предназначены для восприятия изгибающих моментов и поперечных сил и являются активными по сечению, в то время как фермы раскладывают внешний силовой поток в вектор усилий.
Основные типы систем перекрытий и покрытий
Как правило, при подборе сечений балок ориентируются на горячекатаные профили, имеющие максимальную эффективность при расчете на одноосный изгиб.
Эквивалентные требуемые геометрические характеристики могут быть также обеспечены при помощи составных сечений, выполненных из листов. Когда балка формируется из трех стальных листов, размеры полок варьируются по длине пролета в зависимости от уровня внутренних напряжений, а стенка обычно имеет постоянную толщину.
Как правило, при проектировании многоэтажных быстровозводимых зданий стремятся свести к минимуму строительную высоту несущих элементов перекрытий, так как они забирают полезный объем и ведут к увеличению высоты, а значит и удорожанию объекта.
В одноэтажных отапливаемых зданиях несущие конструкции покрытия также стараются сделать минимальной строительной высоты, поскольку это позволяет значительно снизить эксплуатационные затраты.
При эскизном проектировании равномерно нагруженных балок перекрытий различных типов пролетом 8-20 м могут быть использованы приблизительные рациональные соотношения «пролет/высота сечения», полученные из обобщенного опыта проектирования. Данные в таблице посчитаны для стали С235 при полезных нагрузках, характерных для перекрытий офисных быстровозводимых зданий и обычной схеме компоновки с шагом второстепенных балок 3 м.
К примеру, при пролете 8 м высота стальных прокатных второстепенных балок будет составлять около 400-450 мм. В табл. 8 представлены аналогичные соотношения для однопролетных и многопролетных несущих конструкций покрытий одноэтажных быстровозводимых зданий.
Компоновка систем перекрытий и покрытий
Расположение несущих конструкций перекрытий в зданиях в основном зависит от шага колонн. Колонны по периметру здания обычно располагаются на расстоянии друг от друга 4-8 м с целью обеспечения равномерного восприятия ветровой нагрузки и облегчения крепления элементов фасада.
При более редком шаге основных колонн по фасаду применяются промежуточные фахверковые стойки, которые крепятся к перекрытиям либо контурным крайним несущим элементам – балкам или фермам, на которые они передают ветровую нагрузку от ограждающих конструкций. Наиболее распространенные варианты компоновки несущих конструкций в системе перекрытий при равносторонней либо разносторонней базовых ячейках приведены на рис.
Нормальная компоновка позволяет максимально унифицировать применяемые профили и облегчает обустройство лестничных блоков. Шахматная компоновка, в свою очередь, позволяет максимально равномерно распределить нагрузку от перекрытия.
Схожий эффект может быть достигнут при перекрёстной системе, где все элементы внутри равносторонней ячейки имеют одинаковую грузовую площадь. В «усложненной» компоновке, которая может быть применена при разносторонней ячейке, кроме главных и второстепенных балок, вводятся вспомогательные (так называемые прогоны или балки настила), по которым непосредственно укладывается плита перекрытия. Такое решение помогает снизить строительную высоту помещения при примыкании конструкций в одном уровне и эффективно при больших нагрузках.
В беспрогонном решении главные балки укладываются по короткому пролету, а второстепенные – по длинному с частым шагом. Такое решение может быть эффективно при использовании перфорированных балок и композитных перекрытий, а также позволяет размещать колонны со смещением вдоль оси.
При относительно небольших пролетах, на которых обеспечена несущая способность и жесткость плит перекрытия, эффективной может оказаться упрощенная схема компоновки, в которой трансляция нагрузок происходит только через один тип балок непосредственно на колонны. Такое решение во многих случаях позволяет наиболее легко решить задачу организации схемы перекрытия и колонн на архитектурном плане здания самой разнообразной формы. Овальный план также может быть скомпонован системой несущих конструкций. В качестве прикладного примера такой разбивки можно привести коммерческое здание Gulliver в центре Киева.
Увеличение размеров ячейки сетки колонн, а значит, и пролетов в зданиях, повышает возможности и гибкость планировки внутреннего пространства. Решение о выборе той или иной компоновочной схемы всегда должно приниматься с учетом архитектурных требований на основе технико-экономического сравнения нескольких (не менее трех) различных вариантов. Сравнение должно быть комплексным и учитывать также колонны, узлы примыкания и второстепенные конструкции.
Системы перекрытий больших пролетов
В последние годы были разработаны самые разнообразные несущие системы большепролетных междуэтажных перекрытий для быстровозводимых зданий с применением как стали, так и железобетона.
Некоторые, наиболее эффективные и распространенные из них приведены в табл. 9. Из таблицы можно увидеть, что типология и диапазоны применения современных стальных систем перекрытий намного больше, чем железобетонных.
В то же время рациональность применения каждой конструктивной системы определяется результатами развернутого технико-экономического анализа с учетом конструктивных, технологических и архитектурных требований в каждом конкретной случае. Поскольку увеличение пролета в железобетонных конструкциях приводит к значительному увеличению строительной высоты и веса элементов, наибольшие пролеты междуэтажных перекрытий могут быть достигнуты только в стальных конструкциях.
Пролет 15-25 м может быть реализован в перекрытиях с железобетонной плитой, обустроенной по стальным фермам пониженной высоты. При этом фермы и плита работают совместно, что обеспечивается выпусками из верхнего пояса фермы. Такое решение позволяет обеспечить не только приемлемый уровень нагрузки на перекрытие при относительно небольшой строительной высоте, но и пропуск коммуникаций в просветах решетки ферм.
В связи с повышенными усилиями, действующими в большепролетных элементах, они должны быть центрированы на опорных конструкциях во избежание эксцентриситетов. Кроме того, в них используют специальные узлы крепления, обеспечивающие прозрачную и надежную трансляцию усилий.