Вертикальные связи между колоннами в конструкциях зданий

Основные типы каркасов и их особенности

Использование каркасных схем вместо классических капитальных стен предоставляет архитекторам возможность создавать большие свободные пространства, а также позволяет снизить расход материалов. Колонны в отличие от стен отличаются большей гибкостью, как в продольном, так и в поперечном направлениях, что требует более строгого подхода к расчету и проектированию таких сооружений. Только соблюдение нормативных инструкций и стандартов позволяет обеспечить стабильность и безопасность каркасных зданий.

Важной частью конструкций являются узлы опирания, которые делятся по степени свободы: жесткие, шарнирно-подвижные и шарнирно-неподвижные. По способу соединения основных деталей выделяют различные типы каркасов, среди которых основными являются:

• Рамные каркасы — образованы жесткими узловыми соединениями всех элементов, что позволяет воспринимать весьма значительные нагрузки;
• Связевые каркасы — предполагают применение вертикальных и горизонтальных элементов с разными параметрами жесткости, а все возникающие усилия поглощаются диафрагмами жесткости;
• Рамно-связевые каркасы — сочетание жестких соединений и диагональных связей, что помогает ограничить деформации и обеспечить геометрическую неизменяемость конструкции.

Назначение вертикальных связей и их функции

Связевые элементы выступают объединяющим компонентом единой пространственной системы, собирая отдельные фрагменты каркаса в устойчивую конструкцию, способную противостоять нагрузкам любой природы. Продольные и поперечные элементы, имеющие сравнительно крупную длину и небольшие сечения, могут быть подвержены потере устойчивости. Размещение вертикальных связей между колоннами существенно уменьшает расчетную длину таких элементов, значительно повышая их несущую способность.

Монтажные вертикальные связи между колоннами и фермами чаще всего предназначены для фиксации последних в строго проектном положении как при установке, так и в процессе эксплуатации. Обычно такие связи составляют целую последовательность распорок вдоль ключевых осей здания. Для оптимизации расхода материала вертикальные связи между колоннами зачастую выполняются комбинированно: часть из верхних, часть из нижних распорок, а также применяются решетки из прокатных уголков или трубной стали различного профиля.

Роль вертикальных связей между колоннами в пространственной жесткости

Именно вертикальные связи между колоннами играют доминирующую роль в формировании пространственной прочности каркаса. Как правило, их проектируют в два основных яруса:

• Верхний ярус (надкрановые связи) используется для передачи ветровых нагрузок, действующих на торцевые стены, на всю конструкцию. Эти элементы значительно увеличивают устойчивость верхней части колонны за пределами основной рамы, сокращая риск потери устойчивости.
• Нижний ярус (подкрановые связи) служит для приема ветровых усилий от верхнего яруса и гарантирует монтажную устойчивость в процессе возведения объекта, удерживая колонны в заданном положении до устройства кровельных покрытий.

Тонкости проектирования и расчета вертикальных связей

При разработке узлов соединения вертикальных связей между колоннами, верхние из них располагают в осевом направлении колонны, а нижние зачастую дублируют, что позволяет повысить общую жесткость всей конструкции. Оптимальное размещение блоков вертикальных связей между колоннами рекомендуется производить ближе к середине температурного отсека — это позволяет избежать накопления внутренних напряжений, возникающих при термической деформации здания.

Процесс точного расчета величин сил, которые могут воздействовать на вертикальные связи между колоннами, довольно сложен. На практике расчетниками применяется метод максимальной гибкости элементов, принимая предельное значение гибкости для сжатых участков равным 200. В обязательном порядке рассчитываются такие элементы, как поперечные связи в зоне нижних поясов ферм, горизонтальные связи между пролетами, а также сами вертикальные связи между колоннами, поскольку они отвечают за устойчивость конструкции при различных рубежах эксплуатации.

Для быстрого подбора и оптимизации поперечных сечений, проектировщики в настоящее время используют современные программные комплексы (ЛИРА-САПР, SCAD и др.). В эти системы автоматически вводятся все геометрические параметры, нагрузки, требования к закреплению, после чего программа рассчитывает необходимое сечение вертикальных связей между колоннами и других конструктивных частей. Это помогает значительно сократить сроки работы и повысить точность и надежность решения по сравнению с традиционными ручными расчетными методами.