Диафрагма жёсткости

Диафрагма жёсткости — это конструктивный элемент, представляющий собой плоскую или пространственную плиту (балку-стенку, ферму, связевую панель), предназначенный для восприятия и перераспределения горизонтальных нагрузок (ветровых, сейсмических, тормозных от кранов) и обеспечения пространственной неизменяемости здания или сооружения. Диафрагмы жёсткости работают совместно с колоннами, стенами и перекрытиями, образуя единую силовую схему, препятствующую деформациям сдвига и кручения.

История и развитие

Идея использования вертикальных диафрагм жёсткости возникла в конце XIX — начале XX века с развитием каркасного строительства из стали и железобетона. Первые небоскрёбы Чикагской школы (например, здание Монаднок, 1891 год) уже применяли системы вертикальных связей для противодействия ветровым нагрузкам. В 1920-е годы, с внедрением железобетонных каркасов, диафрагмы стали выполнять в виде монолитных стен или тонкостенных балок-стенок, что позволило значительно увеличить высоту зданий.

В СССР массовое применение диафрагм жёсткости началось в 1950-е годы при строительстве крупнопанельных и каркасно-панельных домов. Типовые серии (например, 1-464, 1-447) включали поперечные и продольные диафрагмы, которые обеспечивали жёсткость зданий высотой до 16 этажей. В современной высотной застройке диафрагмы жёсткости являются обязательным элементом, особенно в сейсмоопасных районах (например, на Дальнем Востоке и Кавказе).

Классификация

Диафрагмы жёсткости классифицируются по нескольким признакам.

По материалу изготовления

• Железобетонные диафрагмы — наиболее распространённый тип в жилищном и гражданском строительстве. Выполняются монолитными (заливка на месте) или сборными (из готовых панелей). Монолитные диафрагмы обеспечивают высокую несущую способность и герметичность, сборные — ускоряют монтаж.
• Стальные диафрагмы — применяются в каркасах промышленных зданий, ангаров, мостов и высотных сооружений. Могут быть в виде сплошных листов (стенок) или решётчатых ферм. Стальные диафрагмы легче железобетонных, но требуют защиты от коррозии и огня.
• Деревянные диафрагмы — используются в малоэтажном деревянном домостроении (например, в каркасных домах). Обычно представляют собой фанерные или OSB-плиты, закреплённые на стойках каркаса.

По расположению в здании

• Вертикальные диафрагмы — устанавливаются в плоскости стен (поперечных или продольных). Воспринимают горизонтальные нагрузки, передавая их на фундамент.
• Горизонтальные диафрагмы — располагаются в уровне перекрытий и покрытий. Обеспечивают распределение горизонтальных усилий между вертикальными элементами. Фактически, любое жёсткое перекрытие (монолитная плита, стальной настил с бетоном) выполняет функцию горизонтальной диафрагмы.

По конструктивному исполнению

• Сплошные диафрагмы — выполняются в виде цельной плиты или стены без проёмов. Обеспечивают максимальную жёсткость, но ограничивают планировочные решения.
• Решётчатые диафрагмы (связевые фермы) — состоят из поясов и раскосов. Применяются в стальных каркасах, когда требуется пропустить инженерные коммуникации или обеспечить светопрозрачность.
• Перфорированные диафрагмы — имеют отверстия (проёмы) для окон, дверей или технологических проходов. Жёсткость такой диафрагмы снижается, поэтому требуется расчётное обоснование.

Устройство и принцип работы

Диафрагма жёсткости работает как балка-стенка (или консольная балка), защемлённая в фундаменте. При действии горизонтальной нагрузки (например, ветра) в диафрагме возникают:

• Изгибающие моменты — стремятся повернуть диафрагму относительно её основания.
• Поперечные силы — вызывают сдвиг в плоскости диафрагмы.
• Нормальные напряжения — сжатие и растяжение в крайних волокнах (у краёв диафрагмы).

В железобетонных диафрагмах растянутые зоны армируются продольной арматурой, а сжатые — воспринимаются бетоном. В стальных диафрагмах напряжения распределяются по всей площади сечения, а устойчивость стенки обеспечивается рёбрами жёсткости.

Совместная работа диафрагм с каркасом обеспечивается связями (анкерами, закладными деталями, сварными швами). В монолитных зданиях диафрагмы бетонируются одновременно с колоннами и перекрытиями, образуя единую конструкцию.

Применение

Диафрагмы жёсткости используются в различных типах зданий и сооружений:

• Многоэтажные жилые и офисные здания — для восприятия ветровых нагрузок. В зданиях высотой более 25 этажей диафрагмы являются основным несущим элементом наряду с ядром жёсткости (лестнично-лифтовым блоком).
• Промышленные здания — для восприятия тормозных усилий от мостовых кранов и ветровых нагрузок на стены и фонари. Диафрагмы устанавливаются в торцах здания и в местах перепада высот.
• Сейсмостойкое строительство — в районах с сейсмичностью 7–9 баллов (например, в Камчатском крае, Республике Алтай, на Сахалине) диафрагмы жёсткости являются обязательными элементами. Они предотвращают разрушение здания при землетрясении, перераспределяя инерционные нагрузки.
• Мосты и эстакады — в пролётных строениях диафрагмы устанавливаются для обеспечения жёсткости коробчатых балок и предотвращения потери устойчивости стенок.
• Спортивные сооружения и ангары — в большепролётных конструкциях (например, стадионы, выставочные павильоны) диафрагмы в виде ферм или арок обеспечивают пространственную жёсткость покрытия.

Примеры и особенности

• Высотный комплекс «Лахта Центр» (Санкт-Петербург, 2018 год) — здание высотой 462 метра. В его конструкции использованы монолитные железобетонные диафрагмы жёсткости, образующие центральное ядро. Толщина стенок диафрагм в нижней части достигает 1,5 метра.
• Жилые дома серии П-44 (Москва, 1970–2000-е годы) — типовые панельные здания, в которых поперечные диафрагмы жёсткости толщиной 160–200 мм выполнены из сборных железобетонных панелей. Они обеспечивают жёсткость здания высотой до 17 этажей.
• Сейсмостойкие здания в Петропавловске-Камчатском — в проектах используются дополнительные диафрагмы жёсткости из монолитного железобетона, которые связывают все несущие стены и перекрытия в единый блок.

Критика и ограничения

Использование диафрагм жёсткости имеет ряд недостатков:

• Увеличение материалоёмкости — сплошные диафрагмы требуют значительного количества бетона и арматуры, что удорожает строительство.
• Ограничение планировочных решений — установка диафрагм в плоскости стен препятствует созданию свободной планировки (open space). В офисных зданиях это компенсируется размещением диафрагм в ядре жёсткости.
• Сложность реконструкции — демонтаж или изменение диафрагмы в существующем здании требует сложных инженерных расчётов и усиления конструкции.
• Теплопотери — железобетонные диафрагмы, выходящие на фасад, создают мостики холода, что снижает энергоэффективность здания. Для устранения этого эффекта применяют наружное утепление.

Источники

• СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
• СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».
• Байков В. Н., Сигалов Э. Е. «Железобетонные конструкции: Общий курс». — М.: Стройиздат, 1991.
• Дыховичный Ю. А. «Конструкции высотных зданий». — М.: Стройиздат, 1982.
• Пособие по проектированию жилых зданий. Вып. 3. «Конструкции крупнопанельных и каркасно-панельных зданий» (к СНиП 2.08.01-89).