Необходимая свобода планировки первого этажа и подвала обеспечивается переходом на конструктивную систему в виде отдельных, по возможности редко расположенных, опор.
Таким образом, в пределах одного сооружения появляются две принципиально различные конструктивные схемы — панельная в верхних этажах и каркасная в нижних.
Проблема осложняется в связи с тенденцией к повышению этажности крупнопанельных жилых домов, которое сопровождается ростом усилий в несущих конструкциях зданий, тех усилий, которые предстоит «перехватить» в уровне первого этажа (эти усилия в первом этаже девятиэтажного дома серии II-57 достигают 35—45 Т/м, а в 16—17-этажном доме такого же типа — 150 Т/м).
В инженерном отношении эта проблема может быть сформулирована так: найти наиболее простое и рациональное решение передачи равномерно распределенных усилий, действующих в панелях поперечных несущих стен (или продольных несущих стен), на сосредоточенные опоры — стойки каркаса первого этажа. Таким образом, задача заключается в создании наилучших условий совместимости этих двух систем.
Поиски наиболее рациональных решений этой достаточно сложной инженерной задачи привели к появлению нескольких конструктивных разновидностей.
Прежде всего по выбору материала каркаса были проанализированы три возможных решения: из монолитного железобетона, металлический и сборный железобетонный. Первое решение чрезвычайно трудоемко и соответственно вступает в противоречие с индустриальными конструкциями здания. Достаточно сказать, что трудоемкость возведения одного этажа в монолитном железобетоне превышает трудоемкость возведения всей жилой части панельного дома, т. е. от второго до девятого этажа. Второе решение требует большого расхода стали и, помимо этого, не исключает необходимости бетонирования металлических конструкций в целях противопожарной и антикоррозионной защиты.
Таким образом, наиболее рациональным и по существу единственно правильным решением в современных условиях представляется выполнение каркаса первого этажа из сборного железобетона. Однако при этом основной предпосылкой является создание ограниченного набора унифицированных сборных конструкций для домов различных серий, т. е. четкая унификация параметров планировочных решений и конструкций первых этажей для различных серий типовых проектов, в частности для серий крупнопанельных домов с поперечными стенами — II-57, II-49, 1605, а также экспериментальных домов, решенных по аналогичной схеме.
Статическая схема каркаса первого этажа предложена и разработана в двух вариантах: в виде двухконсольной однопролетной системы и двухпролетной разрезной системы. Варианты систем и эпюры моментов для этих случаев, характеризующие величины действующих в конструкциях больших усилий, приведены в табл. 3.1.
Конструктивную разновидность двухконсольной схемы представляет решение рамы в виде двух соединенных между собой Т-образных стоек. Такое решение было впервые проверено в 12-этажном крупнопанельном доме, построенном на Ленинградском проспекте, а затем повторено в 17-этажных домах на проспекте Мира и на Смоленском бульваре (рис. 3.1).
Второй вариант каркаса — решение по двухпролетной разрезной схеме — был применен на строительстве 10-этажных домов серии II-57 на улице Удальцова (рис. 3.2). Колонны выполнялись сборными железобетонными сечением 40Х50 см, а ригели — из железобетона с жесткой арматурой (в виде спаренных двутавров № 45).
При разработке типовых решений первых этажей для крупнопанельных домов разных серий предпочтение было отдано двухпролетной схеме. Предпосылкой для этого послужил ряд факторов: более рациональное сочетание технологии торговых и других предприятий культурно-бытового назначения с размещением стоек; более простое при этой схеме решение сборных железобетонных ригелей, которые выполнялись длиной всего 6 м, не отличалось от традиционных сборных железобетонных конструкций и потому их освоение в промышленности не вызывало серьезных трудностей.
Решая конструктивную схему первых этажей, нельзя рассматривать ее без взаимосвязи со статической работой несущей конструкции здания — поперечных стен. При опирании поперечных панелей на ригели рам в них появляется-концентрация напряжений в надколонных зонах. Причина этого—относительно малая жесткость ригеля по сравнению с вертикальным многоэтажным диском поперечной стены. Концентрация напряжений в поперечных панелях почти в, одинаковой степени свойственна обеим схемам (разница лишь в величине напряжений). Напряженное состояние усложняется в связи с возможными неравномерными осадками опор — колонн каркаса первого этажа.
Однопролетная двухконсольная конструкция в сложной многократно статически неопределимой системе панельного дома, казалось бы, является более ясной и простой, в большей мере отвечающей особенностям работы конструкции дома в целом. Действительно, осадка одной из опор в этом случае не должна приводить к существенной перегрузке вертикального диска поперечных панелей и не вызовет случайных перегрузок стоики, полу-чившей меньшие осадки. Это объясняется возможностью поворота ригеля на двух опорах, при котором в панельной системе верхних этажей не возникнут сколько-нибудь значительные дополнительные усилия, в то время как при двухпролетной схеме осадка крайних или средних опор, казалось бы, может привести к появлению и развитию растягивающих усилий в горизонтальных швах панелей и в самом ригеле. Однако это предположение не учитывает чрезвычайно высокой жесткости вертикального диска, работающего как единое целое и практически исключающего вероятность неравномерной осадки опор в поперечном направлении. Даже в случаях недостаточно однородных грунтов, при появлении опасности неравномерной осадки одной из опор каркаса первого этажа, неизбежно за счет высокой жесткости всего диска (работающего в этом случае как штамп) усилия внутри системы будут перераспределяться и соответственно выравниваться осадки опор (так как деформации такого жесткого диска практически исключены).
Серьезное преимущество двухпролетной схемы — меньшие величины опорных реакций, что значительно упрощает систему опирания ригелей на колонны, являющуюся наиболее сложным узлом в конструкции сборного железобетонного каркаса. Поэтому в качестве типового решения каркаса первых этажей была принята схема в виде двухпролетной разрезной, рамы (рис. 3.3).
Однако расположение стоек по осям поперечных несущих стен панельного дома в ряде случаев неприемлемо с точки зрения технологических требований и не-позволяет получить современных решений крупных торговых и культурно-бытовых предприятий. Поэтому возникла необходимость располагать стойки каркаса первого этажа с более редким шагом, чем поперечные панели самого дома. Для; этого случая был выбран шаг 6—6,4 м. По ригелям каркаса приходится создавать достаточно мощное перекрытие, выполняемое также из сборных железобетонных конструкций, на котором возможно расположение поперечных стен, на любом участке пролета перекрытия. Перекрытие выполняется из сборных железобетонных ребристых настилов высотой 85 см. Решение каркаса с широким' шагом опор в наибольшей мере отвечает требованиям унификации и позволяет свести количество элементов к минимуму.. Так, задачу по созданию унифицированного каркаса первых этажей удалось решить на основе относительно небольшой номенклатуры изделий, состоящей из 17 типоразмеров.
Типовые решения унифицированного, первого этажа разработаны для типовых проектов крупнопанельных домов трех основных серий II-57, II-49 (варианты «П» и «Д») и 1605.
Типовое решение унифицированного каркаса предусматривает возможность, установки на нем крупнопанельных домов высотой 9 этажей.
Общая устойчивость и пространственная жесткость каркаса первого этажа обеспечивается стенами лестничных клеток, которые выполняются либо в виде-армированной кирпичной кладки (в зданиях высотой до 9 этажей), либо из бетонных блоков, либо в монолитном железобетоне (в зданиях большей этажности).
Перекрытие над первым этажом с замоноличенными стыками между настилами и с продольными железобетонными рандбалками в плоскости наружных стен; обеспечивает образование жесткого горизонтального диска, способного передавать ветровые усилия с «коробки» здания на стены лестничных клеток.
В этих целях коробчатые настилы укладывают с зазорами от 60 до 90 мм. Зазоры заделывают на всю высоту бетоном с установкой в них арматурной сетки. Благодаря этому создается жесткий диск перекрытия, работающий совместно с системой продольных (контурных) и поперечных балок.
Узлы сопряжений сборных железобетонных элементов, так же как и сам каркас, решаются достаточно просто (рис. 3.3, в).
В последнее время в развитие конструктивной схемы унифицированного каркаса предложена схема с продольным расположением главных балок и опира-нием на них поперечных балок прямоугольного сечения, располагаемых под каждой несущей поперечной стеной панельного жилого дома (рис. 3.3, б). Таким образом, независимо от использования узкого, широкого или смешанного шага поперечных несущих стен при любом расположении в плане этих стен, конструкция перекрытия над первыми этажами решается в единой системе.
В этом решении удается исключить применение тяжелых коробчатых настилов и получить ощутимую экономию стали и бетона. Используются здесь в основном те же унифицированные сборные железобетонные изделия, что и при поперечном расположении главных балок.
Одновременно с принятой схемой для типового решения каркаса на ряде экспериментальных объектов применяются и другие конструкции первых этажей. В частности, получила распространение и представляет несомненный интерес двухконсольная система, состоящая из Т-образных элементов, шарнирно соединенных между собой (см. рис. 3.1).
Положительным качеством решений с Т-образными колоннами является четкая и ясная статическая работа такой конструкции. Удачная форма опор отвечает плавному переходу усилий от равномерно распределенных к сосредоточенным; в этом сборном элементе совмещается ригель с колонной, что исключает устройство на монтаже наиболее сложного узла опирания ригеля на колонну. Единственный монтажный стык сборных конструкций между выступающими консолями располагается в зоне наименьших, почти «нулевых» моментов и поперечных сил.
Такая конструкция оптимальна по расходу материалов. Однако серьезный ее недостаток — невозможность транспортирования выполненных из сборного железобетона Т-образных элементов из-за больших габаритов, превышающих предельно допустимые для перевозки в пределах города, и большой вес, достигающий 12—15 т. В связи с этим при строительстве домов на Ленинградском проспекте, проспекте Мира и на Смоленском бульваре Т-образные конструкции изготовлялись на полигоне, организованном непосредственно на постройке.
Все рассмотренные каркасные решения первых этажей имеют высокий-расход стали и бетона. Как видно из табл. 3.2, расход стали и бетона на каркас первого этажа даже для девятиэтажных домов достигает соответственно 23 кг и 0,11 м3 на 1 м2 жилой площади. Расход стали на каркас первого этажа составляет почти половину потреоности в металле на всю жилую часть здания (т. е. на 8 этажей).
Поэтому конструкция с широким шагом опор может быть оправдана только при размещении в первых этажах крупных торговых предприятий или культурно-бытовых предприятий общегородского значения, причем в жилых домах, расположенных на ответственных магистралях города. Для остальных случаев, когда необходимо разместить в первых этажах относительно небольшие предприятия торговли или помещения культурно-бытового назначения, более правильно применять конструкцию каркаса с узким шагом опор. В этом решении рамы каркаса располагаются непосредственно под поперечными панелями, что позволяет резко облегчить конструкцию ригелей и исключить мощное перекрытие над первым этажом, применив вместо него обычные плиты. Расход материалов резко снижается (см. табл. 3.2): на 1 м2 жилой площади девятиэтажного дома 12 кг стали и 0,065 м3 бетона.
Значительно осложняется решение каркаса первых этажей при проектировании зданий высотой 16 и более этажей.
В то же время для зданий повышенной этажности, которые из условий застройки обычно располагаются на основных магистралях города, задача размещения крупных общественных предприятий в первых этажах стоит особенно остро.
Попытки применения для таких случаев каркаса с редким расположением стоек и соответственно с вывешиванием промежуточных несущих стен привели к крайне неэкономичным решениям, что можно видеть на примере 17-этажного дома на Смоленском бульваре (см. табл. 3.2).
Следует указать, что даже при расположении рам каркаса под каждой поперечной стеной в ригелях рамы действуют чрезвычайно высокие изгибающие моменты и поперечные силы. Поэтому, если размещение в первых этажах встроенных помещений вызывается крайней необходимостью, целесообразно развивать высоту ригеля и доводить ее до 2—2,5 м. Такое решение принято, в частности, в 17-этажном доме с широким шагом несущих конструкций, который построен в квартале № 42А Юго-Запада, (рис. 1.7, г).
Несколько иное конструктивное воплощение получила эта идея в 25-этажном доме из вибропрокатных панелей на проспекте Мира (рис. 3.4). Здесь ригели высотой в этаж поддерживаются V-образными стойками. Все горизонтальные усилия, действующие в уровне первого этажа, воспринимаются поперечными межсекционными стенами, которые опираются непосредственно на фундамент. Эти стены обеспечивают и общую устойчивость здания.
При размещении магазинов в первых этажах дополнительным осложнением является необходимость устройства технического этажа между первым и вторым этажом дома, в котором должны быть размещены все санитарно-технические коммуникации, электроустройства и т. д. Этот технический этаж может располагаться в пределах высоты ригелей (для чего в ригелях предусматриваются проходы для обслуживания коммуникаций).
В зданиях высотой 9 этажей устройство дополнительного технического этажа не может быть оправдано по экономическим соображениям, поэтому санитарно-технические коммуникации рекомендуется располагать в подвесном потолке.
Рассматривая особенности решения каркаса первого этажа панельных домов, нельзя не остановиться на конструкции фундаментов. Для повышения надежности работы конструкции здания в целом и исключения вероятности неравномерных осадок целесообразно всемерно увеличивать жесткость подземной части дома. Наиболее эффективно эта проблема решается путем применения свайных фундаментов.
Для зданий высотой до 17 этажей рационально под колоннами каркаса применять обычные забивные сваи с расчетной нагрузкой до 50—60 Т. Для зданий большей этажности при значительных нагрузках на колонны (600—800 Т и более) целесообразно устройство глубинных опор, например в виде набивных свай системы «Беното» (см. главу 11).
В целях уменьшения трудоемкости выполнения «нулевого» цикла и повышения уровня его индустриальности целесообразно отказаться от выполнения традиционных подвалов или технических подполий. Строительство 17-этажного дома на проспекте Мира и Смоленском бульваре подтверждает целесообразность размещения всех коммуникаций в техническом этаже, расположенном между первым и вторым этажом. При этом решении исключается необходимость в устройстве подвала или технического подполья и ростверки (или фундаменты) располагаются непосредственно под полом первого этажа.
Какой же вывод можно сделать из опыта проектирования и строительства панельных домов с каркасным решением первых этажей?
Несмотря на все попытки получить рациональное, экономичное решение, высокий расход материалов и высокая стоимость присущи всем вариантам. Проведенные технико-экономические расчеты показали, что стоимость встроенных магазинов в 2 раза превышает стоимость аналогичных магазинов, расположенных в отдельно стоящих зданиях. Технологические качества встроенных магазинов также оказываются более низкими, чем отдельно стоящих.
В принципиальном отношении нельзя признать целесообразной и логичной конструкцию, в которой основные несущие элементы здания не доходят до основания, и появляются качественно иные конструктивные схемы, работающие в невыгодных статических условиях. Усложняются пути передачи усилий (что всегда приводит к дополнительному расходу материалов). Таким образом, высокие показатели расхода материалов и стоимости заложены в самой природе архитектурного и конструктивного решения. Полученные данные говорят об общей нерациональности самого приема устройства встроенных помещений и соответственно применения каркасных конструкций в первых этажах крупнопанельных домов.
Каким же образом наиболее правильно решить задачу при размещении многоэтажных зданий на магистралях города и при необходимости устройства в первых этажах помещений торгового или культурно-бытового назначения? В этом случае каркасная конструкция обеспечивает возможность гибкой планировки первых этажей. Представляется целесообразным разработать индивидуальные проекты многоэтажных жилых домов (высотой 16—25 этажей) на унифицированном каркасе, успешно применяемом в Москве для зданий самого различного назначения.
Надо подчеркнуть, что технико-экономические показатели домов каркасной конструкции по сравнению с панельными домами с каркасным решением первых этажей оказываются более выгодными (табл. 3.3). С архитектурной точки зрения включение каркасных домов с разнообразными решениями фасадов в застройку улицы обогатит ее композицию, позволит сделать ее более пластичной и выразительной.
В случаях относительно невысокой застройки, например в пределах 9 этажей, могут применяться панельные дома массовых серий II-57 и II-49 с типовыми, унифицированными каркасными решениями первых этажей. При этом с позиций экономической целесообразности более приемлемым решением является каркас с узким шагом. В Москве намечается ежегодно возводить примерно 25—30 домов такого типа.
При развитии строительства домов панельной конструкции с широким шагом поперечных стен целесообразны решения с встроенно-пристроенными магазинами, когда площади под основным зданием могут быть использованы для размещения подсобных помещений, а торговые залы выносятся за пределы здания. В этом случае легко обеспечить современные решения магазинов с редким расположением опор, с большими рабочими площадями в торговых залах и т. д.