Charakterystyka budynków szkieletowych

W budynkach szkieletowych wszystkie występujące obciążenia, łącznie z cięża­rem ścian i stropów, są przenoszone na fundament i podłoże przez konstrukcję nośną, tzw. szkielet, który składa się ze słupów, podciągów, belek i tężników, na­tomiast ściany budynku służą głównie jako przegrody chroniące przed wpływami atmosferycznymi, hałasem itp. Ściany pracują zazwyczaj na wysokości jednej kondygnacji, a ponieważ stanowią część obciążenia stałego, powinny być możli­wie lekkie.

Zalety budynków o szkielecie stalowym:

- mniejsze przekroje i ciężar własny budynku w stosunku do obiektów muro­wanych lub żelbetowych, co zwiększa kubaturę użytkową i pozwala budować na słabym gruncie,

- dobre wykorzystanie miejsca, gdyż na stosunkowo małej powierzchni można postawić obiekt o dużej kubaturze (np. budynek Empire State w Nowym Jorku — powierzchnia zabudowy 7800 m², kubatura 1 000000 m³),

- bardzo szybki, łatwy i zmechanizowany montaż, prowadzony prawie o każdej porze roku,

- mały plac budowy, co ma duże znaczenie, gdyż budynki szkieletowe realizuje się przeważnie w miastach,

- łatwość przebudowy lub rozbudowy obiektu, co jest ogólną cechą konstrukcji stalowych,

- duża odporność na siły dynamiczne (trzęsienie ziemi, wybuchy bomb i poci­sków), które powodują destrukcję ścian, lecz na ogół nie niszczą konstrukcji szkieletowej,

- duża dowolność w zakresie komponowania elewacji budynków szkieletowych, konfiguracji brył, rozstawienia słupów, wielkości otworów okiennych, wyso­kości kondygnacji.

Pewną niedogodnością przy realizacji budynków szkieletowych stalowych jest konieczność zwrócenia szczególnej uwagi na zabezpieczenie ich konstrukcji przed pożarem oraz wykonanie odpowiednich zabezpieczeń antykorozyjnych. Rozwiązania architektoniczno-konstrukcyjne powinny umożliwiać zahamowanie rozprzestrzeniania się ognia oraz gorących gazów i dymów w budynku, a szczególnie wzdłuż dróg komunikacji ogólnej, służącej celom ewakuacji.

Siły działające na budynki szkieletowe:

Siły te dzielą się na pionowe i poziome.

Do sił pionowych należą: obciążenia stałe (ciężar własny szkieletu, stropów, ścian i dachu) oraz obciążenia zmienne, długo- i krótkotrwałe.

Do sił poziomych należą: parcie wiatru, siły poziome od ewentualnych urzą­dzeń oraz siły sejsmiczne na obszarach ich występowania. Wpływów sejsmicz­nych w przypadku obiektów krajowych nie uwzględnia się, gdyż trzęsienia ziemi w naszej strefie geograficznej nie występują. Część kraju jest natomiast zagrożona ruchem podłoża wskutek eksploatacji górniczej.

W budynkach szkieletowych uwzględnia się także siły od zmian temperatury.

W obliczeniach budynków wysokich uwzględnia się następujące obciążenia od wiatru:

• obciążenia statyczne,

• 
  obciążenia dynamiczne,

• drgania.

Zasady kształtowania konstrukcji.

Przeważająca liczba budynków jest kształtowana na planie kwadratu lub prostokąta. Większa szerokość w stosunku do wysokości budynku jest korzystna z uwagi na przeniesienie parcia wiatru. W celu uzyskania właściwego rozwiąza­nia stosunek wysokości budynku do jego szerokości powinien wynosić od 5:1 do 7:1. W budynkach wysokich zależność ta może być przekroczona, nie powinna jednak w zasadzie być większa niż 12:1.

Odległości między słupami przyjmuje się na ogół w granicach od 2 do 12 m, w miarę możliwości jednakowe. Słupy powinny zasadniczo przechodzić nieprze­rwanie od fundamentów aż po dach. Ze wzrostem rozstawu słupów zmniejsza się ich liczba, lecz rośnie rozpiętość, a więc i ciężar elementów zginanych, wobec czego maleje koszt słupów, a wzrasta koszt podciągów i belek. W każdym przy­padku należy przeanalizować ogólny koszt konstrukcji i znaleźć najkorzystniejszy rozstaw słupów, przy którym koszt ten będzie najmniejszy.

Na stropy zużywa się co najmniej 20% stali stosowanej w konstrukcji, dlatego też jest konieczna optymalizacja rozwiązań konstrukcyjnych.

Efektywność systemu konstrukcyjnego zwiększa się w miarę stosowania ele­mentów wyższych. Jednak zwiększenie wysokości belki zwiększa grubość stro­pów, co może wpłynąć na łączne koszty realizacji budynku. Dlatego też problem ten może rozstrzygnąć optymalizacja przy uwzględnieniu rozpiętości, odstępów między belkami oraz wysokości elementów konstrukcyjnych. Wysokość belek wynosi zazwyczaj (1/20÷1/24)l.

Na rysunku pokazano przykładowo kilka schematów układu podciągów w rzucie poziomym budynku. Na rysunku a podciągi przebiegają w poprzek budynku, a belki stropowe wzdłuż. Podciągi mogą być jednocześnie ryglami ram poprzecznych, przy czym belki, łącząc słupy, usztywniają budynek w osi po­dłużnej i ułatwiają ich montaż. Przy rozmieszczeniu belek stropowych jak na rys.b budynek jest mniej sztywny wzdłuż osi podłużnej i jego montaż jest trudniejszy. Przy ciężkich stropach daje się podciągi z dwóch kształtowników (rys.c) w celu zmniejszenia wysokości stropu. Takie podciągi pozwalają na przepuszczenie między nimi przewodów instalacyjnych. Z tego względu stosu­je się czasem belki kratowe. Gdy ze względów architektonicznych górna część budynku wystaje nad dolną lub gdy słupy nie mogą być umieszczone w zewnętrz­nych ścianach (np. nieprzerwane pasy okien), wtedy ściany zewnętrzne opiera się na wspornikach podciągów (rys.d).

Koszt stropów zależy od rozstawu belek stropowych, ich rozpiętości i obciąże­nia stropów. Ze względu na wykorzystanie objętości budynku, dąży się do ogra­niczenia wysokości stropów. Należy równocześnie podkreślić, że z uwagi na oszczędność stali jest uzasadnione stosowanie stropów ceramicznych i żelbetowych, projektowanych jako konstruk­cje zespolone.

Oprócz przenoszenia obciążenia pionowego stropy spełniają jeszcze funkcję usztywnień poziomych, przekazujących parcie wiatru na poszczególne ramy lub tężniki pionowe. W poszczególnych przypadkach, zwłaszcza w stropach ceramicznych, należy sprawdzić, czy naprężenia rozciągające lub ścinające nie przekracza­ją wytrzymałości obliczeniowych; może bowiem wystąpić potrzeba wzmocnienia ich elementami stalowymi.

Poszczególne elementy konstrukcji szkieletowych należy wykonywać z kształ­towników walcowanych lub blachownie spawanych.

Przy montażu należy unikać połączeń spawanych na rzecz połączeń na śruby o wysokiej wytrzymałości.

Należy także unikać stosowania na konstrukcje stali o wysokiej wytrzymałości (fyk > 480 MPa) ze względu na trudności występujące przy spawaniu.

Przy projektowaniu trzeba ograniczyć liczbę elementów montażowych, gdyż przyśpiesza to montaż i obniża koszty budowy. Należy także uwzględnić wpływ ukształtowania budynku na rozwiązanie jego fundamentów (np. budynki o małej szerokości poddane parciu wiatru mogą wymagać skomplikowanego systemu fundamentowania).

Systemy statyczno-konstrukcyjne

Wśród stosowanych rozwiązań statyczno-konstrukcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem stężeń pionowych, można wyróżnić:

-system przegubowy z tężnikami pionowymi w postaci ścian,

- system ram płaskich,

- system ram z płaskimi tężnikami pionowymi,

- system przegubowy z płaskimi tężnikami pionowymi,

- ustroje trzonowe,

- system przegubowy z usztywnieniem w postaci złożonych układów krato­wych,

- ustroje powłokowe.

System ram płaskich

Ramy mogą mieć wszystkie węzły sztywne (rys.a), wewnętrzne słupy ram mogą być połączone przegubowo (rygle ciągłe oparte swobodnie na słupach) (rys.b) lub też słupy zewnętrzne mogą być przegubowe (rys.c).

Przy wyborze schematu statycznego stalowego budynku szkieletowego nale­ży dążyć do uzyskania w prętach zginanych zbliżonych wartości maksymalnych momentów zginających dodatnich i ujemnych, co umożliwi stosowanie prętów o stałym przekroju na ich długości.

Statyczne układy ramowe w szkieletach oblicza się zazwyczaj przyjmując na­stępujące założenia:

- stropy są traktowane jako sztywne w swej płaszczyźnie tarcze, rozdzielające poziome obciążenia (od wiatru) w postaci sił skupionych na poszczególne ramy,

- obciążenie budynku wiatrem jest przejmowane wyłącznie przez szkielet sta­lowy,

- pomija się wpływ zmian długości prętów ramy na siły wewnętrzne,

- pomija się różnice między rzeczywistymi połączeniami prętów a teoretycznie przyjmowanymi w schemacie statycznym,

- stropy i ściany nie wpływają na sztywności prętów ramy,

- ramy traktuje się jako płaskie, pomijając przestrzenną współpracę układów ramowych w płaszczyznach prostopadłych do siebie.

Przy obciążeniu poziomym ramy wciągają do współpracy ściany i trzony (klatek schodowych i wind). Istnieją także różnice między rzeczywistymi a teoretycznymi cechami połączeń prętów.

Istotnym problemem w stalowym szkielecie ramowym są sztywne połączenia rygli ze słupami przenoszącymi duże momenty zginające oraz siły poprzeczne. Montaż takich węzłów jest dość kłopotliwy, a szkielet wykazuje stosunkowo małą sztywność na obciążenia poziome. W celu ich przeniesienia istnieje konieczność znacznego zwiększenia przekrojów ram.

Do zalet systemu ramowego należy brak dodatkowych elementów usztywnia­jących. Umożliwia to swobodne zagospodarowanie wnętrz budynku.

Należy zwrócić uwagę, że są też konstruowane ramowe układy przestrzenne.

System ram z płaskimi tężnikami pionowymi

Przy stosowaniu ram płaskich w budynkach wyższych od 10 do 12 kondygnacji należy, ze względów ekonomicznych, wprowadzić dodatkowe pionowe tężniki. Ramowe układy pozwalają na wykorzystanie całej przestrzeni między słupami, dlatego stosuje się je tam, gdzie jest to niezbędne, jednocześnie dając na in­nych piętrach układy kratowe. Otrzymuje się wówczas mieszany układ kratowo-ramowy.

Jeżeli ze względu na użytkowanie budynku można wykonać pełne ściany po­przeczne (np. w hotelach), zamiast tężników kratowych między słupami można dać ścianki żelbetowe grubości 80÷100 mm, połączone z obetonowanymi słu­pami. Zbrojenie ścianek w postaci siatki spawa się ze słupami i ryglami. W ta­kim rozwiązaniu przyjmuje się, że przy obciążeniu pionowym współpracuje słup stalowy z częścią ścianki żelbetowej lub z całą ścianką, zależnie od rozstawu słupów. Parcie wiatru przejmuje belka elbetowa, której środnikiem jest ścianka żelbetowa, a pasami słupy.

Przy wymiarowaniu słupów należy uwzględnić dwie fazy, pierwszą, gdy nie ma ścianki i całe obciążenie przejmują słupy stalowe, i drugą, gdy stal współpracuje z betonem. Tężniki kratowe mogą być również zastąpione ścianką pełną, stalową. Two­rzy się wówczas jakby blachownica ustawiona pionowo. Takie rozwiązania by­ły zastosowane w niektórych stężeniach przy budowie Pałacu Kultury i Nauki w Warszawie.

Początkowo traktowano konstrukcję ram oraz tężników jako oddzielne, nie­zależne układy, przy czym zakładano, że tylko tężniki przenoszą siły poziome. Przy uwzględnieniu współpracy obu układów uzyskuje się siły wewnętrzne i po­ziome przemieszczenia obliczeniowe budynku dużo mniejsze, co prowadzi do oszczędności materiału.

Przeprowadzone badania wykazały, że w układzie złożonym większość sił poziomych w części górnej przejmuje rama, natomiast w części dolnej — kra­townica.

Układy ramowe współpracujące z tężnikami kratowymi lub ścianami są wła­ściwe dla budynków wysokości 20÷40 kondygnacji.

System przegubowy z płaskimi tężnikami pionowymi

System szkieletu przegubowego składa się z dwóch układów: — konstrukcji szkieletu przenoszącej obciążenia pionowe, złożonej z regularnych siatek belek stropowych połączonych przegubowo ze słupami,

- konstrukcji przenoszącej obciążenia poziome, złożonej ze sztywnych tarcz stropów przekazujących te obciążenia na płaskie tężniki pionowe w postaci wsporników kratowych lub pełnych.

Zaletą omawianego systemu jest jego prostota, co dotyczy zwłaszcza prze­gubowych połączeń belek ze słupami, umożliwiających szybki montaż. Wadą natomiast są tężniki pionowe, ograniczające swobodę rozwiązań funkcjonalnych wnętrz budynku.

Zastosowanie pionowych tęzników, koniecznych do przeniesienia sił pozio­mych i zapewnienia geometrycznej niezmienności całego szkieletu, powoduje ukośne nachylenie stropów w otoczeniu tęzników. Ma to miejsce wskutek róż­nych skróceń słupów wchodzących w skład tęzników pionowych oraz słupów pozostałych, ponieważ przekroje słupów tężnika są większe niż potrzebne do przeniesienia obciążeń pionowych. Podobne zjawisko występuje w szkieletach z tężnikami w postaci ścian żelbetowych. Z tych względów jest uzasadnione ograniczenie stosowania systemu przegubowego do wysokości 30 kondygnacji.

Tężniki pionowe w systemie przegubowym są ważnym elementem. Ich licz­ba i rozmieszczenie w planie budynku powinny pozbawiać tężniki poziome — stropy trzech stopni swobody oraz zapewniać dostatecznie małe poziome przesu­nięcia budynku. Za zastosowaniem małej liczby tęzników pionowych przemawiają następujące względy:

- skraca się czas montażu wobec małej liczby elementów i węzłów w tężnikach,

- pręty ściskane kratowych tęzników są bardziej ekonomiczne; przy występo­waniu w nich dużych sił maleje smukłość i współczynnik ϕ→1,0,

- zmniejsza się stopień statycznej niewyznaczalności układu sił działających na tężniki, co upraszcza obliczenia.

Schematy pionowych stężeń kratowych przedstawiono na rys. Tęż­niki według rys.a zajmują tylko jeden trakt między słupami środkowymi, co ze względów architektonicznych (konieczność umieszczenia przejść, otworów itp.) jest pożądane. Sztywność pojedynczych tęzników pionowych w postaci kra­townic jest stosunkowo mała, a ich stosowanie jest ekonomicznie uzasadnione do wysokości 10 kondygnacji.

Na rysunku b przedstawiono kratę umieszczoną w dwóch traktach, przy czym można również stosować kratę pojedynczą (rys.c). W kracie wystę­pują krzyżulce zarówno ściskane, jak i rozciągane. Na rysunku d pokazano kratę K w dwóch traktach.

Największą sztywność szkieletów zapewniają stężenia przedstawione na rys.e w postaci kraty X umieszczonej we wszystkich polach. W kracie tej przyjmuje się połowę obciążenia na krzyżulce rozciągane i połowę na ści­skane lub też zakłada się, że całe obciążenie przejmuje układ rozciągany i nie sprawdza się wówczas prętów na wyboczenie.

Przy wyższych budynkach oba tężniki pionowe łączy się co pewną wysokość (3÷6 kondygnacji) tężnikami o pasach poziomych (rys.f); daje to lepsze usztywnienie, zwłaszcza w szerszych budynkach, gdyż tworzą się w ten sposób ramownice kratowe. Wzrost sztywności tężnika płaskiego można także uzyskać przez zastosowanie dwóch kratownic połączonych — w dwóch poziomach — skratowaniem (rys.g), które umieszcza się na kondygnacjach technicznych. Podobne zwiększenie sztywności pojedynczego tężnika można osiągnąć, stosu­jąc dodatkowe skratowania, wciągające do współpracy słupy sąsiednich traktów (rys.h).

W wysokich budynkach górna węższa ich część może mieć tężniki pionowe tylko w jednym środkowym trakcie, natomiast dolna szersza część w dwóch traktach, połączonych ze sobą tężnikami o pasach poziomych (rys.i).

Ze względu na otwory drzwiowe i okienne stosuje się różne układy tężników, pokazane przykładowo na rys. 12-12. Przy wymiarowaniu należy pamiętać, że krzyżulce układów wg rys. a i b przenoszą dodatkowe siły od obciążenia pionowego, przekazywane ze stropu za pośrednictwem belki. Układy składające się wyłącznie z trójkątów (rys a i b) są sztywniejsze niż układy mieszane (rys. c, d i e), przy czym układ pokazany na rys.f, w którym są usztywnione jedynie naroża, jest najmniej sztywny i odpowiada ramownicy.Najlepiej usztywniają budynek układy krzyżulcowe, a szczególnie w kształcie krat X (rys. 12-11b i e) lub K (rys. 12-11d). Ten drugi układ jest nieco cięższy.

Natomiast niniejszą sztywność zapewniają układy ramowe, przy zastosowaniu których słupy są nie tylko ściskane, jak to jest w układach krato­wych, ale również zginane. Z tego względu układów ramowych nie projektuje się w bardzo wysokich budynkach.

Wyznaczenie rozdziału sił poziomych (od działania wiatru) na poszczególne tężniki, przy dowolnym ich układzie i różnych sztywnościach, jest zagadnie­niem złożonym, statycznie niewyznaczalnym. Do niedawna stosowano przybli­żone sposoby określania tego rozdziału. Dzięki użyciu komputerów przyjmuje się bardziej ścisłe rozwiązania, uwzględniające czynniki dodatkowe jak: zmianę dłu­gości prętów tężników kratowych i dodatkowe siły poziome powstające wskutek poziomych przesunięć budynku. Można tu wciągnąć do współpracy z tężnikami pionowymi inne elementy budynku, jak klatki schodowe, ściany zewnętrzne itp. Analiza statyczna uległaby jednak dalszemu skomplikowaniu. Równocześnie można stwierdzić, że pominięcie tych dodatkowych elementów w obliczeniach wpływa korzystnie na bezpieczeństwo całej konstrukcji.

Rozmieszczenie stężeń pionowych i poziomych

Stężenia pionowe muszą być rozmieszczane w sposób zapewniający stateczność budynku zarówno w czasie montażu, jak i po jego wzniesieniu. Rozmieszczenie stężeń w budynkach wąskich i długich pokazano (linie przerywane) na rys. W układzie jak na rys. a szkielet w przekroju poprzecznym jest usztyw­niony na końcach budynku czterema stężeniami ramowymi lub kratowymi. Takie rozwiązanie daje dużą powtarzalność elementów konstrukcji. W układzie poka­zanym na rys. b na końcach budynku są stężenia ramowe lub kratowe w po­przek i wzdłuż osi, a pośrodku budynku poprzeczne stężenia kratowe, zazwyczaj w ścianach klatki schodowej.

W budynkach dłuższych daje się wzdłuż osi poprzecznej kilka stężeń ramo­wych lub kratowych, a wzdłuż osi podłużnej stężenia najczęściej ramowe. Przy większej szerokości budynku oprócz stężeń podłużnych w ścianach zewnętrznych wprowadza się również stężenia w środkowych rzędach słupów.

Największą sztywność w płaszczyźnie stropów, potrzebną do spełnienia przez nie funkcji tężników poziomych, zapewnia monolityczna płyta żelbetowa. Przy zastosowaniu płyt prefabrykowanych lub ceramicznych należy wykonać sztyw­ne połączenia belek drugorzędnych z podciągami (w płaszczyźnie stropu) albo zastosować dodatkową konstrukcję stalową — tężniki poziome (rys. a i b).

Rozmieszczenie stężeń odgrywa zasadniczą rolę przy montażu budynków szkie­letowych i dlatego przy projektowaniu konstrukcji należy, zależnie od lokalnych warunków, przewidzieć kolejność montażu, jego sposób i dostosować do tego układ stężeń. Zgodnie z rysunkiem a↓ montaż zaczyna się z jednego lub z obu końców budynku, gdzie są umieszczone stężenia. Ponieważ szkielet budynku wzdłuż osi poprzecznej składa się z ram, więc nie wymaga on specjalnych zabezpieczeń w czasie montażu. Szkielet w układzie jak na rys. b również może być montowany tylko od końców budynku, ale po wbudowaniu trzech stężeń końco­wych następne słupy — jako niepowiązane ramowo — muszą być zabezpieczone w czasie montażu do chwili połączenia montowanej konstrukcji ze stężeniami przy klatce schodowej. W budynkach większej długości są konieczne dodatkowe wewnętrzne stężenia (rys.c).

Przy projektowaniu rozmieszczenia stężeń w budynkach szkieletowych należy kierować się następującymi zasadami:

• stężenia powinny możliwie nieprzerwanie przechodzić od góry budynku aż do fundamentów w jednej płaszczyźnie i w tych samych przedziałach,

- stężenia muszą zabezpieczać stateczność całego budynku w czasie eksploata­cji, jak również w każdej fazie jego montażu; w przypadku gdy usytuowanie stałych tężników, koniecznych tylko w czasie montażu, byłoby niekorzystne (ze względów architektonicznych lub ekonomicznych), należy przewidzieć tężniki montażowe,

- po zaprojektowaniu rozmieszczenia stężeń należy sprawdzić, czy stropy bę­dą mogły przenieść siły poziome na te stężenia i w razie potrzeby stropy wzmocnić lub zagęścić stężenia pionowe,

stężenia powinny być tak zaprojektowane, aby pod działaniem wiatru ugięcie poziome budynku było nie większe niż 1/500 jego wysokości, stężenia powinny być stosowane w trzech nierównoległych płaszczyznach.

stężenia powinny być stosowane w trzech nierównomiernych płaszczyznach.

---