Ошибки проектирования связевой системы каркасов многопролетных одноэтажных зданий

Каркасно-блочное пространственное решение

Основывается на совместной работе блоков и элементов каркаса, причем объемные конструкции выступают в качестве несущих или навесных элементов. С помощью железобетонных блоков заполняют пространство в несущей каркасной решетке. Нагружаемые элементы устанавливают один на другой на горизонтальных платформах каркаса, которые устраиваются через 3-5 этажей. Такая система отлично себя зарекомендовала в постройках выше 12 этажей.

Архитектурные и экономические требования определяют схему каркаса при выборе проекта. Длинномерные элементы проектируют так, что они не ущемляют планировочное решение, при этом потолочные ригели не выступают на поверхности в жилых постройках. Поперечное расположение прогонов характерно для высотных зданий с регулярной ячеистой структурой в плане (гостиницы, общежития), при этом шаг несущих ригелей чередуется со стенами и перегородками. Продольное расположение длинномерных нагружаемых балок применяется в проектах жилых зданий квартирного типа.

Безригельный каркас применяется при возведении жилых домов, если использование сборных железобетонных конструкций нецелесообразно из-за отсутствия в данном регионе крупных производственных объединений. Безбалочная система характеризуется невысокой надежностью и дороговизной, используется в строительстве монолитных и комбинированных сборно-наливных строений по методу подъема этажей и скользящей опалубки.

Определение и назначение ригеля

Деревянная либо металлическая несущая конструкция, предназначенная для работы на изгиб, называется балкой. Опора, объединяющая стойки, расположенные по вертикали – это ригель. Можно сказать, что ригель в строительстве является горизонтальной поперечной балкой. Зачастую она изготавливается из железобетона или металла. При этом такая опора подвергается серьёзным нагрузкам по разным направлениям и создается для предотвращения деформации межэтажных перекрытий.

Во время возведения железобетонных каркасов в первую очередь монтируют вертикальные стойки, которые соединяются ригельными балками, а на них укладывают перекрытия, отделяющие этажи.

В строительстве ригели:

• обеспечивают возведенной конструкции жесткость, благодаря горизонтальному сцеплению опорных элементов;
• помимо соединительного элемента выполняют роль полок для плит/перекрытий;
• позволяют создать поворотное сцепление вертикальных балок;
• существенно сокращают срок строительства зданий;
• являются основной конструктивной деталью при возведении сооружений с большими и широкими площадями: производственных цехов, крытых стадионов и павильонов и пр.;
• совместно с несущими опорными конструкциями создают основу каркаса для навесных сооружений;

Какие ригели ставили при строительстве дома?

Деревянные
64.52%

Железобетонные
19.35%

Металлические
16.13%

Проголосовало: 31

Сфера применения

В строительстве горизонтальные балки устанавливают для связки вертикальных опор. В дальнейшем на них монтируют плиты и обрешетку. Ригели под воздействием веса конструкции равномерно распределяют нагрузку, передавая основное усилие на стойки.

Ригель есть практически во всех частях здания. Помимо этого его устанавливают при сооружении мостов, тоннелей, плотин и пр. Строительный элемент может обладать разными формами, например, быть в виде бруса с прямоугольным или квадратным сечением.

Процесс изготовления ригелей

Металлоформы для изготовления ригелей

Во время строительства небольшого частного дома или дачи ригель можно изготовить на месте самостоятельно. Однако в этом случае нужно учитывать особенности технологического процесса.

Вначале делают опалубку: на дно выкладывают лист металла либо доски, а боковины создают из влагоустойчивых фанерных листов. Форму монтируют на опоры в горизонтальном направлении. Длина ригеля напрямую зависит от планируемых нагрузок и рассчитывается специалистами.

Смешивают бетон необходимой марки и непрерывно заливают в опалубки. Чтобы форма равномерно заполнялась, обязательно смесь вибрируют. Через 5-7 суток боковушки снимают. Остальную часть демонтируют спустя 28-30 дней, когда бетон станет сверхпрочным. Чтобы в дальнейшем не возникло проблем, желательно пригласить специалистов, которые оценят прочность ригеля и дадут разрешение на следующие этап строительства.

Требования ГОСТ

Производство, применение, хранение и транспортировка железобетонных ригелей регулируется ГОСТ 18980-2015. Они должны изготавливаться с соблюдением требований рабочих чертежей, техдокументации. Обязательно наличие отверстия или стальных монтажных петель, за которые подъёмный кран будет цепляться при погрузке и монтаже. Защитный слой бетона, находящийся снизу балки до арматуры, должен быть достаточным. Нельзя делать его меньше, чем того требует стандарт.

ГОСТ регулирует и форму ригелей. Их надлежит изготавливать по чертежам и указанных в них размерам. Допускаются отклонения, но не более прописанных в стандарте значений. Нельзя устанавливать растрескавшиеся ригели с шириной раскрытия трещин более 0,1-0,2 миллиметра.

Все выпущенные заводами ЖБИ проходят испытания: из партии отбираются несколько образцов и подвергаются разрушающей нагрузке на специальном оборудовании. Также прочность, морозостойкость и другие показатели проверяются ультразвуковым методом.

Хранение и перевозка осуществляется в горизонтальном (рабочем) положении, устойчивыми штабелями высотой до двух метров, не больше трёх изделий в ряд по высоте. Между полом и штабелем, а также между ригелями ставятся деревянные прокладки.

Традиционная строительная схема

В основе системы лежит ручное выполнение кладки стен. Говоря об индустриальном методе строительства, следует отметить, что от традиционной схемы остается возведение ограждающих элементов. Все остальные детали здания, такие как перекрытия, лестницы, прогоны, колонны и другие, заимствованы в индустрии от полносборного проекта, что возводит традиционное строительство на высокий уровень индустрии.

У традиционной системы преимущество состоит в том, что малые размеры стеновых камней позволяют строить дома различной формы, любой высоты. Кирпичные стены надежно эксплуатируются длительное время, имеют высокий порог огнестойкости, лицевая кладка не требует штукатурных работ. К недостаткам относят большую трудоемкость и зависимость прочностных характеристик от технологии производителя и мастерства каменщика.

Висячие конструкции

Рис. 5.17. Однопоясные висячие покрытияВисячие конструкции изобретены выдающимся ученым и инженером В. Г. Шуховым в 1896 г., но стали широко использоваться только с середины XX в. Основными несущими элементами висячих конструкций являются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели. Они работают только на растяжение и несут подвешенные к ним ограждающие горизонтальные, а иногда и вертикальные конструкции. Висячие конструкции проектируют плоскостными или пространственными. В плоскостных системах опорные реакции параллельных рабочих тросов передают на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные реакции и распор, иногда последний передают на перекрытия обстраивающих зал помещений, либо на оттяжки, заанкерованные в фундаментах (рис. 5.17).

В пространственных системах обязательным конструктивным элементом помимо рабочих тросов является жесткий плоский или пространственный опорный контур (железобетонный или стальной), воспринимающий распор от системы тросов, которые образуют криволинейную поверхность для укладки покрытия. Вертикальные реакции покрытия передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или другие вертикальные конструкции (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Двухпоясные висячие покрытия на круглом планеРабота основных элементов висячей системы только на осевое растяжение позволяет наиболее полноценно использовать несущие свойства материалов, применять самые эффективные из них (например, высокопрочную сталь) и обеспечивать минимальную массу конструкции. Однако такая легкая конструкция обладает повышенной деформативностью при переменных кратковременных нагрузках (порыва ветра и т.п.). Для обеспечения геометрической неизменяемости висячей системы применяют различные способы ее стабилизации. В плоскостных системах для этого чаще всего прибегают к предварительному натяжению тросов путем укладки по ним сборных железобетонных плит с пригрузкой и замоноличиванием швов между плитами. После удаления пригруза тросы, стремясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличенное железобетонное покрытие, превращая его в висячую опрокинутую жесткую оболочку.

Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов — рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обеих систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности покрытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предварительное натяжение тросов. В статической работе такой системы конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или стабилизирующим (выпуклым) тросам.

Наиболее легкими и экономичными типами висячих конструкций являются мембранные и тентовые покрытия, совмещающие ограждающие и несущие функции.

Мембранные покрытия чаше всего имеют в качестве основного несущего элемента тонкий металлический лист, работающий на растяжение и закрепленный в опорном контуре. Конструкция мембраны может быть различной — плетенка из алюминиевых лент, сварная из отдельных стальных лепестков и т.п. Мембранные покрытия используют в большепролетных общественных и промышленных зданиях. Максимальный пролет (224×183) перекрыт металлическим мембранным покрытием, очерченным по эллипсоидной поверхности над Олимпийским дворцом спорта в Москве.

Рис. 5.19. Мюнхен. Олимпийский дворец спортаМатериалом тентовых покрытий служат ткани или синтетические пленки, натянутые с помощью системы тросов-подборов или системы рабочих и стабилизирующих тросов. Основная область использования тентовых покрытий — временные сооружения больших пролетов — цирки шапито, выставочные залы или спортивные павильоны, склады.

Тентовые или висячие конструкции из мягких оболочек изобретены в середине XX века и получили применение наряду с временными сооружениями (склады, ангары, цирки шапито) в уникальных, но также ориентированных на недолгий срок эксплуатации объектах, например в Олимпийских спортивных сооружениях в Мюнхене (рис. 5.19) или выставочном павильоне «Миллениум» в Лондоне.

Индустриальные конструктивно-технологические системы зданий

Жилые дома имеют собственные типологические признаки, к ним относят вертикальные несущие элементы, располагающиеся в плоскости стен. Использование колон в качестве основных конструкций уже на первоначальном этапе индустриального развития позволило выделить четыре схемы проектирования:

• с поперечным размещением опорных ригелей;
• с продольным расположением несущих балок;
• с перекрестной системой устройства длинномерных элементов;
• без применения в конструкции любых прогонов.

Проектирование зданий и сооружений по индустриальному методу позволило не только сделать работу перекрытий более взаимосвязанной, но и расширить число типов вертикальных несущих элементов. Совсем недавно применяется конструктивное решение с использованием стволов жесткости замкнутого типа. Эти элементы располагают обычно в центральной части строения, чтобы удобно было расположить там вентшахты, лифты, мусоропроводы. Большие по протяженности постройки требуют установки нескольких стволов жесткости.

Конструктивная схема в виде несущих оболочек является молодым архитектурным решением. Ее внешний вид может имитировать обилие призм, цилиндров, пирамид или других объемных геометрических фигур.

Передача нагрузок с горизонтальных элементов

Осуществляется по схеме, когда воздействие передается на все несущие вертикальные элементы или распределяется на выбранные для этой цели конструктивные жесткие стены, диафрагмы, связи между стойками или колонны. Для индустриальных сооружений конструктивная схема предусматривает совмещенный способ передачи нагрузок с распределением горизонтальных усилий на элементы жесткости и пропорционально между вертикальными составляющими.

Плиты перекрытия относят к несущим диафрагмам жесткости, они совмещают горизонтальное распределение нагрузок и передачу их вертикальным элементам. выравнивают площадь в помещении и перемещают усилия, благодаря жесткому соединению с вертикальными конструкциями.

Применение железобетона обусловлено тем, что по требованиям противопожарной безопасности, плиты должны выполняться из несгораемого материала. Экономическое обоснование затрат на изготовление панелей перекрытия позволило применять их массово в строениях любого типа. Плиты в конструкции здания выполняют сборными, монолитными или сборно-монолитными.

Выбор конструктивного решения

Схема здания является обобщенной статической характеристикой постройки, не ставящей целью определить материал производства и метод строительства. Например, бескаркасная стеновая плоская конструкция одновременно эффективно работает в исполнении из кирпича, дерева, бетона, пенобетона и многих других современных материалов.

Комбинированная конструктивная система зданий описывает вариант проектировочного решения по составу и типу расположения основных продольных и поперечных элементов в разных направлениях. Ее тип выбирают на первоначальном с учетом выдвинутых технологических эксплуатационных требований и рационального объемно-планировочного решения.

Помимо этих аспектов, во внимание при выборе проектной схемы принимают характер распределения горизонтальных усилий и взаимодействие их с вертикальными каркасными элементами. Конструктивные системы промышленных зданий определяют с учетом влияния архитектурного решения и типа строения

На выбор проекта оказывают влияние этажность постройки и условия строительства в инженерно геологическом плане.

Функции и применение

Проще понять, что такое ригель, показав для чего он нужен. Ригель в строительстве монтируют для горизонтальной связи вертикальных колонн, на него опираются плиты и обрешётка перекрытия. Он воспринимает вес железобетонных конструкций и равномерно распределяет его по своей длине, передавая усилие на колонны.

Заводы выпускают деревянные и стальные изделия, но чаще других применяется ригель железобетонный. Он представляет из себя бетонную балку с арматурно-проволочным металлическим каркасом внутри. Железобетонная конструкция дешевле, легче стальных балок и достаточно прочная, чтобы возвести здание любой высоты и назначения.

Оболочки

Оболочки представляют собой тонкостенные жесткие конструкции с криволинейной поверхностью. Толщина оболочек весьма мала по сравнению с другими ее размерами. Тонкостенность конструкции исключает возможность работы оболочки на поперечный изгиб и обеспечивает ее работу на осевые усилия. Геометрические и статические свойства оболочек зависят от их кривизны и ее непрерывности. Геометрию поверхности оболочек характеризует их кривизна относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, пересекающих оболочку по нормали к ней. В общем случае поверхности оболочек имеют кривизну в двух направлениях. Такие конструкции называют оболочками двоякой кривизны. Полной характеристикой кривизны поверхностей является гауссовая кривизна К — величина, обратная произведению радиусов кривых, образуемых пересечением оболочки двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через нормаль к ее поверхности:

K = 1 / R₁ · R₂. Рис. 5.6. Поверхности двоякой положительной и отрицательной кривизныЗнак кривизны зависит от расположения центров радиусов кривизны по отношению к поверхности. При расположении центров по одну ее сторону К имеет положительное значение, по обе стороны — отрицательное (рис. 5.6). К поверхностям положительной гауссовой кривизны относятся все купольные оболочки (сфероид или эллипсоид вращения и т.п.), оболочки переноса, бочарные своды и т.п. характерным примером поверхности отрицательной кривизны является гиперболический параболоид, формируемый перемещением параболы с ветвями вверх по параболе с ветвями вниз (рис. 5.7).

Если поверхность оболочки в одном из направлений имеет конечную величину кривизны, а в перпендикулярном ему — нулевую, то ее называют поверхностью нулевой кривизны (цилиндрическая и коническая поверхности). Такие поверхности относятся к линейчатым, имеющим прямолинейную образующую.

Рис. 5.7. Гиперболический параболоидОболочки являются пространственными конструкциями как по форме, так и по существу статической работы. Их большая по сравнению с плоскостными конструкциями несущая способность определяется не дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции, способствующей повышению ее жесткости.

Это становится очевидным при сопоставлении конструкций плоской плиты с пространственной конструкцией длинного цилиндрического свода — оболочки нулевой кривизны, примененных в условиях равенства пролетов и нагрузок (рис. 5.8). Стабильность формы цилиндрической оболочки обеспечивается торцовыми диафрагмами жесткости. Статическая работа, геометрическая форма и размещение в пространстве цилиндрического свода-оболочки существенно отличаются от работы свода.

Рис. 5.8. Схемы конструкцийЦилиндрический свод-оболочка — безраспорная конструкция, работающая на поперечный изгиб как балка пространственной формы, свод — распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Для обеспечения последнего условия кривая свода принимается пологой, в то время как для повышения жесткости свода-оболочки целесообразна большая кривизна формы, наконец, продольная ось длинного цилиндрического свода-оболочки размещается параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода — перпендикулярно ему.

Рис. 5.9. Многоволновые оболочкиЦилиндрические и коноидальные своды-оболочки используются по большей части в многоволновых одно- и многопролетных сочетаниях; применяют консольные и бесконсольные, параллельные и веерные оболочки, разнообразные формы жесткостных элементов (рис. 5.9).

Пневматические конструкции

Рис. 5.20. Пневматические конструкцииПневматические конструкции изобретены в XX в. и применяются в строительстве с 40-х годов. Конструкция выполняется из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетической пленки или другого мягкого материала. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Различают два типа пневматических конструкций — воздухоопорные и пневмокаркасные (рис. 5.20). Воздухоопорные конструкции используются в виде оболочек, полностью перекрывающих запроектированное помещение. Проектное положение воздухоопорной пленки обеспечивается избыточным давлением крайне незначительной величины (0,002 -0,001 ат), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохранения постоянного уровня избыточного давления входы в помещения осуществляют через специальные шлюзы, оборудованные герметически закрывающимися дверьми, а в систему инженерного оборудования здания включены вентиляторы, подкачивающие воздух в эти помещения. Характерные величины пролетов воздухоопорных оболочек — 1824 м, но в уникальных сооружениях они могут быть значительно больше.

Пневматические каркасы выполняют из длинных узких баллонов, в которых поддерживают избыточное давление в 0,3-1,0 атм. Конструктивная форма такого каркаса -арочная. Арки устанавливают вплотную друг к другу (образуя сплошной свод или купол) либо на расстоянии. При устройстве сплошного купола или свода смежность баллонов обеспечивается устройством их из двух сплошных полотнищ, прошитых параллельными швами по ширине баллонов с образованием пневмопанели. При раздельной установке арок их устойчивость из плоскости обеспечивают растяжками, которые также служат промежуточными опорами для водо- и воздухонепроницаемости ткани покрытия, натягиваемой по аркам. Шаг арок принимают 3 — 4 м., пролеты — от 12 до 18 м. Пневматические конструкции применяют преимущественно для временных сооружений, требующих быстрого монтажа и демонтажа. Разнообразные пневматические конструкции активно используются в рекламных целях при возведении временных выставочных павильонов. Широко применяют пневматические конструкции в качестве опалубки при возведении монолитных железобетонных оболочек.

При проектировании зданий выбор типа несущих конструкций осуществляют с учетом назначения здания, его капитальности, величины перекрываемого пролета и технико-экономических показателей вариантов. При относительно малых величинах пролетов (до 9-12 м) преимущественное применение получают стоечно-балочные и стеновые конструкции. С ростом величины пролета (свыше 24 м) возрастает экономическая эффективность применения пространственных криволинейных, складчатых, висячих и других конструкций. В уникальных по назначению сооружениях при выборе несущих конструкций помимо технических большое значение приобретают художественные задачи — возможность использования в архитектурной композиции выразительности конструктивной формы. Из числа основных материалов несущих конструкций предпочтение отдается железобетону, позволяющему обеспечить сокращение расхода металла, а также долговечность и огнестойкость сооружения. Металлические конструкции применяют при особо значительных величинах пролетов, либо при больших динамических нагрузках.

Разновидности ригелей

Виды ригелей довольно разнообразны. Они отличаются по материалу изготовления, форме, размерам, поперечным сечениям, способу установки и крепления

Железобетонный

Изделия изготавливаются и транспортируются в соответствии с ГОСТом и соблюдением технической документации. Их применяют для соединения стоек строительных рам, объединения опор и колонн, создания стропил.

Ригель ЖБ производится из тяжелого бетона марки В 22,5-60. Основные его свойства – водонепроницаемость, пожаростойкость, морозоустойчивость, невосприимчивость к коррозии и прочим агрессивным воздействиям.

Разновидности:

• Двухполочные, предназначенные для опоры плит с двух сторон. Имеют Т-образную форму.
• Однополочные. Имеют Г-образню форму и фиксируют перекрытия с одной стороны. Зачастую применяются для лестничных пролетов во время сооружения различных помещений.
• Бесполочные, отличающиеся прямоугольным сечением. Чаще всего используются при перекрытиях специфического типа.

Также существуют ЖБ-ригели под ребристые, прямоугольные, консольные плиты, для установки в лестничных пролетах, создания опоры балконных плит.

Строительные бетонные элементы обязательно должны соответствовать определённым требованиям.

• Изготавливаться из качественного проката, прошедшего термическую закалку.
• В опорных частях должны находиться соединительные стержни, которые в дальнейшем приваривают к опорам.

Деревянный

Ригели, изготовленные из дерева, чаще всего используют при возведении невысоких каркасных сооружений.

В основу конструкции положены рамочные каркасы, к которым крепятся панели.

Такой способ строительства считается наиболее доступным, недорогим и быстрым.

Металлический

Жб-конструкции отличаются повышенными несущими характеристиками, однако бетонная заливка делает их очень тяжелыми. При строительстве навесных сооружений проще использовать металлический ригель. Он намного легче, но такой же прочный и устойчивый.

Металлические «балки» бывают:

• несущие, принимающие нагрузку со всех направлений;
• ветровые, рассчитанные исключительно на горизонтальные нагрузки.

Маркируются изделия с учетом ряда характеристик, собранных в три основных критерия:

• Тип поперечного сечения, типоразмеры, рассчитанные в дециметрах.
• Класс металла и его несущие способности.
• Технические особенности, например, устойчивость к агрессивной среде и пр.