Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 12. МНОГОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ
12.1. Общие сведения
Последние годы характеризуются бурным ростом населения городов. Если в 1897 г. городское население России составляло 15 % от общей численности, то в 1977 г. городское население нашей страны равнялось 60%, а к 2000 г. достигнет 80 %. Отсюда возникает потребность в расширении строительства жилых и общественных зданий. Перед градостроителями стоит проблема: как развивать наши города — ввысь или вширь?
В настоящее время во всех развитых странах наметилась тенденция к росту этажности жилых и общественных зданий. Это вызвано желанием ограничить территорию города и сократить протяженность коммуникаций и проездов. Аналогичная тенденция намечается и для производственных зданий ряда отраслей промышленности. Этажность должна назначаться на основе технико-экономического анализа с учетом перспективного развития города. По этажности здания принято разделять на мало- и многоэтажные. В свою очередь, многоэтажные здания делятся на следующие категории: I—9...16 этажей (H<50 м); II—17...25 этажей (50<H<75 м), III—26...40 этажей (75<H<100 м) и высотные — более 40 этажей (H>100 м). В условиях Москвы и других крупных городов строительство малоэтажных зданий нецелесообразно, так как приводит к чрезмерному росту городской застройки. Для небольших городов строительство таких зданий может быть оправданным.
В крупных городах начиная с середины 60-х годов приступили к массовому строительству зданий повышенной этажности, и объемы такого строительства постоянно расширяются. Так, в ближайшие годы в Москве предполагается построить около 75 % зданий в 16 и более этажей, в том числе 15%—25 и более. В перспективе намечено возведений зданий в 40...50 этажей.
До недавнего времени самым высоким считалось здание, сооруженное в Чикаго (110 этажей, H = 442 м), вмещающее 16 500 человек. Разработан проект 528-этажного здания для Чикаго высотой 1609 м, и там же намечено построить 15 жилых зданий высотой 150 этажей. В таких зданиях нижние этажи используются под автостоянки, далее располагаются учреждения, а выше — жилые помещения. Строительство высотных зданий обходится очень дорого, например здание в 100 этажей дороже 8-этажного той же вместимости в 7... 10 раз. Это объясняется усложнением конструктивных решений, большими площадями, занимаемыми лифтовым оборудованием, дороговизной и сложностью эксплуатации (водоснабжение, вентиляция, вертикальный транспорт, энергообеспечение и т.п.). Так, для обслуживания упомянутого 110-этажного здания в Чикаго требуется столько же электроэнергии, сколько для обычного города с населе нием в 47 тыс. человек. Помимо этого такие здания создают дополнительные неудобства и для жителей города: плохое проветривание улиц, высотобоязнь находящихся в помещении людей, повышенная пожароопасность и т. д.
На западе в качестве основных материалов для несущих конструкций высотных зданий применяют металл, монолитный и реже сборный железобетон. Стремление к чрезмерному росту этажности в ряде западных стран во многом обусловлено высокими ценами на землю.
В России имеется собственная школа проектирования и возведения многоэтажных зданий, основанная на применении сборных конструкций заводского изготовления. Создана мощная заводская база, обеспечившая потребности страны в строительстве многоэтажных жилых, общественных и промышленных зданий. В последние годы намечается тенденция к более широкому применению многоэтажных зданий из монолитного железобетона с использованием индустриальных способов возведения (скользящая, объемно-переставная опалубка, подача бетона бетононасосами и др.). Такие здания во многих случаях более экономичны по стоимости и расходу стали и могут быть рекомендованы в качестве жилых и общественных, выполняемых по индивидуальным проектам, при строительстве в сейсмических районах, на просадочных грунтах и т. п. Для широкого их применения необходимо создание специализированных строительных организаций.
При назначении этажности здания следует учитывать стоимость земли, которая в крупнейших городах СССР достигает 1,5 млн. руб. за га, а в больших и средних — 0,5...0,8 млн. руб. за га.
12.2. Конструктивные схемы многоэтажных зданий
Все многоэтажные здания можно разделить на: каркасные, панельные, объемно-блочные и комбинированные. Тот или иной тип выбирают из соображений функционального назначения здания, наличия индустриальной базы, этажности, экономики, условий строительства (вечная мерзлота, сейсмика).
■ Каркасные здания. Эти здания применяют при необходимости создания больших помещений, наличии технологических проемов в перекрытиях. Это прежде всего производственные, административные и общественные здания. В каркасных зданиях все нагрузки передаются на каркас, который обеспечивает прочность и устойчивость здания при всех видах воздействий. Основными элементами каркасных зданий являются железобетонные колонны, ригели, вертикальные элементы жесткости (в виде диафрагм, связей и т.п.), плиты перекрытий (рис. 12.1, а).
■ Панельные здания. В жилых домах, гостиницах, общежитиях необходимо частое расположение внутренних стен и обеспечение звукоизоляции. Для необходимой звукоизоляции внутренние стены должны иметь плотность не менее 0,3 т/м2, что соответствует толщине бетона 16 см. Такие стены, обладая достаточной прочностью, не нуждаются в каркасе. Они связываются между собой, замоноличиваются и образуют пространственную систему, способную воспринимать горизонтальные и вертикальные нагрузки. Здания такой конструкции называются панельными (рис. 12.1, б). Расчеты показывают, что многоэтажные жилые дома панельной конструкции высотой примерно до 20 этажей более экономичны, чем каркасные (стоимость ниже на 5...10%, построечная трудоемкость ниже на 10... 15 %. расход арматуры ниже на 30...50 %). При большей высоте панельные здания не могут (без специального усиления) воспринять горизонтальную ветровую нагрузку; в этом случае предусматриваются дополнительные конструктивные мероприятия (установка монолитных диафрагм, ядер жесткости) или применяют здания каркасной системы.
Рис. 12.1. Конструктивные схемы многоэтажных зданий;
1 — колонна; 2 — ригель; 3 — плиты перекрытия; 4 — поперечная диафрагма; 5 — продольная диафрагма; 6 — рама с жесткими узлами; 7 — рама с шарнирными узлами
Преимущества панельных (бескаркасных) зданий снижаются в случае необходимости изменения планировочной структуры по вертикали, при использовании нижних этажей для помещений общественного назначения, например магазинов. В последнем случае торговые поме щения могут устраивать в пристройках к основному объему здания, используя объем нижних этажей основного здания под подсобные помещения.
■ Объемно-блочные здания. Дальнейшим усовершенствованием панельных конструкций являются объемные блоки, изготовляемые на комнату или квартиру. Объемно-блочная схема отличается наибольшей заводской готовностью. Затраты труда на изготовление блоков составляют 75...80 % от общих трудозатрат. Применяют «блок-стакан», «блок-колпак», «блок-стакан лежащий» (рис. 12.1, в...д). Блоки изготовляют монолитными или из плоских панелей путем сварки закладных деталей. Затем блоки поступают на специальный конвейер, на котором выполняются отделочные и санитарно-технические работы. Масса блока до 10 т. Блоки опираются друг на друга в углах или по линиям сопряжения стен. В первом случае этажность объемно-блочных зданий обычно ограничивается пятью этажами. Недостатком этого типа зданий является ограниченность планировочных решений, небольшая вариантность размещения блоков в плане здания.
■ Комбинированные здания. В многоэтажных зданиях, возводимых в больших городах на основных магистралях, целесообразно по санитарно-гигиеническим условиям (шум, запыленность, загазованность) располагать жилые помещения, начиная с высоты двух-трех этажей, используя первые этажи под магазины, проезды, гаражи. В этом случае панельная конструкция здания располагается на монолитной или сборной железобетонной раме. Такая конструкция называется комбинированной (рис. 12.1, е).
■ Разработка конструктивной части проекта многоэтажного каркасного здания состоит в выборе конструктивной схемы каркаса и его компоновки, расчете здания, отдельных его элементов и узлов сопряжений и конструирования.
Выбор схемы каркаса и его компоновку производят с учетом назначения и объемно-планировочного решения здания, технологических решений, производственной базы и технико-экономического анализа. Он включает в себя выбор способа обеспечения пространственной жесткости здания, сетки колонн, направления ригелей, схемы членения несущей системы на сборные элементы и т.д. Сетка колонн обычно задается архитекторами с учетом требований технологов и Единой модульной системы. Направление ригелей может быть продольным и поперечным. Разрезка на сборные элементы производится с учетом требований технологичности изготовления и монтажа. Важнейшим при выборе схемы каркаса многоэтажного здания является вопрос о воспринятии горизонтальных нагрузок, т.е. об обеспечении пространственной жесткости. Он может быть решен путем соответствующего конструирования узлов каркаса или установкой специальных вертикальных элементов жесткости. По этому признаку несущие системы каркаса делят на рамные, рамно-связевые и смешанные.
■ Рамная система (рис. 12.1, ж). В рамной системе каркаса несущие функции выполняют колонны и ригели. Ригели жестко связываются с колоннами, в результате чего образуется пространственная система, состоящая из плоских рам. Рамы воспринимают все действующие на здание вертикальные и горизонтальные нагрузки и передают их фундаментам.
С увеличением этажности здания изгибающие моменты от ветровой нагрузки в колоннах и ригелях нижних этажей возрастают, что требует увеличения сечения колонн, а следовательно, изменения длин и сечений ригелей. Это затрудняет унификацию конструкций зданий, поэтому рамные системы применяют в зданиях не более 8 этажей, при недопустимости устройства диафрагм в помещениях, при наличии проемов в перекрытиях зданий и т. п.
■ Рамно-связевая система (рис. 12.2, з). В зданиях более 8 этажей горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами с жесткими узлами и вертикальными элементами жесткости, а вертикальные нагрузки — рамами и частично — элементами жесткости. В качестве таких элементов обычно используют железобетонные стенки — диафрагмы, а также металлические связи и другие конструкции. Диафрагмы могут быть с проемами и без проемов, а по конфигурации в плане — плоскими, уголковыми, двутавровыми и т. п. Часто в качестве диафрагм используют торцовые и внутренние стены, стены лестничных клеток и др. Следует стремиться, чтобы диафрагмы были по возможности равномерно распределены по плану здания и увязаны с его объемно-планировочным решением. Все элементы каркаса связаны в пространственную систему перекрытиями, которые помимо основной работы на вертикальные нагрузки воспринимают горизонтальные нагрузки и перераспределяют их между рамами и диафрагмами. Доля горизонтальных нагрузок, воспринимаемых рамами и диафрагмами, зависит от их жесткостей. Если перекрытие в своей плоскости работает как жесткое, то сооружение может рассматриваться как единый пространственный блок, т. е. прогибы рам и диафрагм связаны линейной зависимостью, а при отсутствии кручения в плане — одинаковы. При больших расстояниях между диафрагмами необходимо учитывать податливость перекрытия, рассматривая его как балку на упругом основании.
Опыт проектирования рамно-связевых систем показал, что диафрагмы воспринимают 80...90 % горизонтальных нагрузок и при очень небольшом усилении могут воспринять на себя все горизонтальные силы. Устройство же жестких стыков в рамах из сборного железобетона требует больших затрат труда и металла. В связи с этим в последние годы при строительстве жилых и общественных зданий было предложено упростить конструкции стыков и передавать всю горизонтальную нагрузку на диафрагмы. Такая система получила название связевой.
■ Связевая система (рис. 12.2, и). Вертикальная нагрузка воспринимается рамами и частично диафрагмами. Стык ригеля с колонной решается таким образом, чтобы он мог воспринять заранее заданный небольшой опорный момент (55 кН·м), необходимый для обеспечения пространственной жесткости здания в период его монтажа. Постоянство моментов позволяет полностью унифицировать узловые соединения и соответственно ригели и колонны каркаса. В последнее время разработаны и внедряются чисто шарнирные стыки ригелей с колоннами, позволяющие дополнительно сократить расход металла. Пространственная жесткость в период монтажа здания в этом случае обеспечивается временными связями.
В многоэтажных жилых и общественных зданиях из сборного железобетона наибольшее распространение получила связевая система. Рамно-связевая система рекомендуется для применения при строительстве в сейсмических районах.
В зданиях высотой более 20 этажей во многих случаях вертикальные конструкции лифтовых шахт, вентиляционных камер, лестничных клеток объединяют в ядра жесткости (рис. 12.2, а). Такое решение удобно в планировке и технологично. Стенки ядер жесткости выполняют из монолитного железобетона. Ядро воспринимает все действующие на здание горизонтальные нагрузки и ту часть вертикальных, которая приходится собственно на ядро; остальные вертикальные нагрузки воспринимаются каркасом.
Рис. 12.2. Конструктивные схемы высотных зданий:
1 — плиты перекрытия; 2 — колонны; 3 — ригель;
4 — ядро жесткости; 5 — ростверк; 6 — высокопрочные канаты
В зданиях высотой более 50 этажей ядра жесткости не в состоянии воспринять ветровую нагрузку. В этом случае наружные колонны здания с помощью горизонтальных диафрагм (ростверков) объединяются с ядром жесткости и работают совместно с ним (рис. 12.2, б).
В последние годы проводят обширные исследования по разработке новых рациональных конструктивных схем многоэтажных зданий. К их числу можно отнести конструктивную схему, представляющую собой железобетонное ядро жесткости с консолями (рис. 12.2, в), к которым подвешены на тросах междуэтажные перекрытия и стены здания. Тросы выполняют из высокопрочной стали с предварительным напряжением, а стены — из эффективных теплоизоляционных материалов. Все коммуникации устраивают в ядре, которое воспринимает вертикальные и горизонтальные нагрузки. Такое решение позволяет уменьшить площадь застройки.
К связевым системам могут также быть отнесены здания с неполным каркасом, в которых роль диафрагм выполняют наружные продольные и поперечные несущие стены. Внутренний каркас, состоящий из колонн и ригелей, опирающихся по наружным осям на стены, работает только на вертикальные нагрузки.
■ Смешанная система. Такая система в одном направлении (обычно поперечном) представляет собой раму с жесткими узлами, а в другом — связевую систему обычно с металлическими связями. Она широко распространена в многоэтажных промышленных зданиях, в которых связи в поперечном направлении препятствуют технологическому процессу.
12.3. Конструкции многоэтажных гражданских зданий
■ Каркасные здания. Многоэтажные гражданские каркасные здания широко применяют для размещения предприятий торговли, как административные, жилые и т.п. Обычно они решаются по рамно-связевой или связевой системам, последняя применяется чаще. К вертикальным несущим элементам таких зданий относятся колонны, диафрагмы и ядра жесткости.
●Колонны зданий массового строительства при высоте до 16 этажей имеют унифицированное сечение 400×400 мм (рис. 12.3, а). Увеличение их несущей способности в нижних этажах достигается повышением класса бетона (до В60) и процента армирования гибкой арматурой (до μ = 15 %). Продольная арматура из стали класса А-III. Для колонн зданий большей этажности можно применять жесткую арматуру (рис. 12.3, в), однако использование ее в колоннах приводит к большому расходу стали.
Повышение несущей способности колонн и сохранение их унифицированного сечения можно получить путем поперечного армирования часто расположенными сварными сетками в сочетании с продольной обычной и особенно высокопрочной арматурой. В этом случае предельные продольные деформации бетона при сжатии повышаются более чем в 2 раза и напряжения в сжатой высокопрочной арматуре достигают условного предела текучести. Наряду с этим появились предложения по усилению колонн нижних этажей, нагруженных продольными силами с малыми эксцентриситетами, сердечниками из высокопрочной гибкой арматуры (рис. 12.3,6).
Рис. 12.3. Конструкции многоэтажных гражданских каркасных зданий:
1 – полосовая сталь; 2 – центрирующая прокладка;
3 – сердечник из высокопрочной арматуры;
4 – закладные детали для соединения с колонной,
воспринимающие усилия сдвига; 5 - напрягаемая арматура
Разрезка колонн линейная, на несколько этажей. Имеется тенденция к увеличению длины сборных элементов колонн до 4...5 этажей (до 15 м) в целях уменьшения числа стыков и исключения случайных эксцентриситетов, вызванных неточностями монтажа. Для таких гибких элементов существенное значение приобретает расчет прочности и трещиностойкости в стадиях транспортирования и монтажа. В целях повышения этих качеств целесообразно предварительно напрягать продольную арматуру колонн. Стыкование колонн по высоте производится ванной сваркой выпусков рабочей арматуры (рис. 5.5, а) или без сварки через тонкие растворные швы.
Особенностью стыков, выполняемых ванной сваркой арматуры больших диаметров 36...40 мм, является возникновение сжатия в бетоне и растяжения в арматуре из-за разогрева стержней при сварке. Растягивающие напряжения в арматуре могут привести к разрыву стержней. Во избежание этого сварку стержней выполняют по диагонали последовательно по одному стержню или попарно. Для уменьшения свободной длины сварных выпусков продольной арматуры колонны устраивают хомут d=12 мм, охватывающий продольные рабочие стержни и предохраняющий их от потери устойчивости.
●Диафрагмы, воспринимающие главным образом горизонтальные нагрузки, обычно образуются из железобетонных панелей толщиной 14...18 см, располагаемых между колоннами и соединенных с ними с помощью связей, воспринимающих сдвигающие усилия. Панели диафрагм могут быть плоскими или двухконсольными (рис. 12.3, г, д). Плоские панели устанавливают по осям, парал лельным направлению настилов перекрытий. Двухкон-сольные располагают в плоскостях, параллельных рамам каркаса, совмещая их с ригелями. Армируют панели контурными и промежуточными каркасами из стержней Ø12...16 мм или сетками из проволоки Ø5...6 мм с шагом 200 мм, располагаемым у обеих граней, Связи между панелями и колоннами осуществляют путем сварки закладных деталей: вертикальные швы заполняют це-ментно-песчаным раствором, горизонтальные швы — бетоном на мелком щебне. Горизонтальные стыки диафрагм могут быть шпоночными и плоскими. Практика показывает, что при таком соединении диафрагмы работают как сплошные монолитные столбы.
Количество и расстановка диафрагм в плане здания должны обеспечивать необходимую прочность и пространственную жесткость здания в обоих направлениях, препятствовать кручению его в плане, не создавать больших температурных усилий или неравномерных деформаций вертикальных элементов (см. рис. 12.1, а). Следует стремиться к сокращению общего числа диафрагм, увеличивая их размеры.
При больших горизонтальных нагрузках в диафрагмах, обычно работающих на сжатие, в части сечений могут возникать растягивающие усилия. В этом случае диафрагмы могут быть запроектированы предварительно напряженными (рис. 12.3, е).
●Ядра жесткости выполняются монолитными и сборными. Сечение ядер жесткости может быть коробчатым, двутавровым и т. п. Монолитные ядра жесткости делают в скользящей или переставной опалубке, при этом оставляют отверстия для дверных проемов и установки ригелей. Толщина стенок 20...40 см. Сборные ядра собирают из отдельных панелей стен подобно плоским диафрагмам. В зданиях, имеющих значительную протяженность или сложную форму в плане, может устраиваться несколько ядер жесткости.
●Плиты и ригели составляют сборные перекрытия. Ригели проектируют таврового сечения с полкой в нижней зоне, на которую опираются плиты перекрытий; такое решение позволяет снизить строительную высоту этажа, однако в этом случае необходимо исключить возможность откола полки в месте ее примыкания к ребру путем увеличения ее высоты или армирования. Соединение ригелей с колоннами в связевых системах осуществляют с помощью стыка со скрытой консолью (см. рис. 9.4, в), воспринимающего небольшой опорный момент. Ограничение опорного момента заданной величиной (55 кН·м) достигают с помощью специальной металлической накладки по верху ригеля — «рыбки», привариваемой к ригелю и колонне. «Рыбка» имеет суженный участок, поперечное сечение которого соответствует растя-
гивающему усилию при заданном опорном моменте. Увеличение нагрузки вызывает в суженной части накладки пластические деформации, обеспечивающие поворот сечения ригеля без увеличения опорного момента. Стык связевого каркаса может также решаться шарнирным. Конструкция его отличается от рассмотренной отсутствием «рыбки».
В рамно-связевых системах, где узлы воспринимают изгибающие моменты от эксплуатационных нагрузок, стык принципиально решается так же, как и в рамных системах (см. рис. 9.4, а).
Панели перекрытий подразделяются на связевые, укладываемые по внутренним осям здания, рядовые и фасадные, укладываемые по наружным рядам колонн и несущие нагрузку от ограждающих конструкций. Рядовые и фасадные панели связываются поверху монтажными накладками, обеспечивающими передачу растягивающих усилий в горизонтальных дисках покрытий.
Панели перекрытий чаще всего выполняют многопустотными, высотой сечения 220 мм. Для эффективного воспринятия сдвигающих усилий при работе плит в составе перекрытия в швах между плитами устраивают шпонки. С этой целью на боковых поверхностях плит оставляют углубления, после заливки швов бетоном и его твердения швы работают как шпоночные соединения. Кроме того, панели могут соединяться путем сварки закладных деталей, а при больших расстояниях между вертикальными диафрагмами (20...30 м) по контуру перекрытия устраивают обвязочные балки.
В зданиях рамно-связевой системы роль продольных ригелей выполняют предварительно напряженные плоские панели-распорки, которые выступами опираются на полки ригелей.
В торговых, административных и других зданиях, требующих увеличенной сетки колонн, применяют и ребристые панели, например типа 2Т.
Перекрытия зданий с ядрами жесткости, имеющих сложное очертание в плане, могут выполняться в виде монолитных безбалочных плит, возводимых методом подъема перекрытий.
■ Панельные здания. Эти здания используют главным образом в жилищном строительстве. Ширина зданий из условий освещенности и удобства планировки внутренних помещений назначается 12...16 м. Панельные дома массового строительства решаются в одном из следующих вариантов: 1) с продольными и поперечными несущими стенами; 2) только с продольными несущими; 3) только с поперечными несущими стенами. Конструктивная схема с поперечными несущими стенами более выгодна, так как панели перекрытий в этом случае опираются на внутренние поперечные стены (перегородки), что позволяет предельно укрупнять и облегчать наружные стеновые панели. Последние, не воспринимая нагрузки от перекрытий и выполняя лишь ограждающие функции, могут быть изготовлены из легких эффективных материалов. Основными конструкциями панельных зданий являются внутренние и наружные стеновые панели и панели перекрытий.
●Внутренние несущие панели стен (рис. 12.4, а) обычно проектируют однослойными из тяжелого бетона класса не ниже В15. Толщину панелей определяют требованиями прочности, звукоизоляции и огнестойкости. Площадь горизонтальной и вертикальной арматуры, устанавливаемой у обеих плоскостей панели, принимают конструктивно в количестве 0,2 см2/м соответствующего сечения панели.
●Наружные ненесущие стены выполняют в виде однослойных панелей толщиной 240...350 мм из ячеистого бетона.
●Наружные несущие панели проектируют преимущественно двухслойными или трехслойными (рис. 12.4, б, в). Арматуру устанавливают только в слоях тяжелого бетона и выполняют в виде пространственного арматурного блока. Расчетной является только арматура перемычек.
Панели перекрытий выполняют в виде многопустотных или сплошных плит. При пролетах до 4,8 м плиты выполняют без предварительного напряжения, при больших пролетах — предварительно напряженными. Размещение арматуры зависит от схемы работы панели. В здании с продольными и поперечными несущими стенами (первый вариант) панели работают как плиты, опертые по трем или четырем сторонам, в остальных случаях — по двум.
Соединения панелей стен и перекрытий должны обеспечить совместную работу элементов в здании и воспринятие усилий сжатия, растяжения и сдвига. Вертикаль ные стыки между панелями осуществляют с помощью бетонных шпоночных швов и сварки закладных деталей. Горизонтальные стыки по способу передачи сжимающих усилий подразделяются на платформенные (рис. 32.4, г), контактные (рис. 12.4, д) и комбинированные (рис. 12.4, е). Сопряжения внутренних стен с перекрытиями обычно выполняют с платформенными стыками, наружных — с платформенными и комбинированными.
В последние годы разработано конструктивное решение, получившее название «скрытый каркас», совмещающее достоинства зданий каркасного и панельного типа [17]. Несущими вертикальными конструкциями являются стеновые панели, усиленные бортовыми стальными элементами. Последние соединяются с бетоном панели анкерными связями сдвига (рис. 12.4, ж). Стыки панелей скрытого каркаса с перекрытиями выполняются платформенными или сборно-монолитными. Соединение бортовых элементов осуществляется на растворе. Конструкции «скрытого каркаса» экономичнее обычных каркасных за счет хорошей совместной работы панелей с бортовыми элементами и позволяют довести этажность здания до 50 и более.
Рис. 12.4. Конструкции панельных зданий:
1 — вертикальные каркасы; 2 — каркасы перемычки; 3 — выпуски арматуры для сварки со смежными элементами; 4 — слой тяжелого бетона; 5 — теплоизоляционный слой; 6—фактурный слой; 7—внутренняя поверхность; 8 — панели перекрытий; 9 — панели стен; 10 — раствор
12.4. Конструкции многоэтажных промышленных зданий
В многоэтажных промышленных зданиях размещаются производства с вертикальными технологическими процессами или со сравнительно небольшими габаритами и массой оборудования: химического, пищевой промышленности, приборостроения и т. п. К таким зданиям относятся также лабораторные и административно-бытовые корпуса предприятий различных отраслей промышленности. Доля многоэтажных промышленных зданий в общем объеме промышленных зданий составляет около 30 %. В последние годы наметилась тенденция к росту этого показателя.
Высоту промышленных зданий назначают по условиям технологического процесса и обычно принимают 3...7 этажей. Предполагается увеличение этажности до 8...10 и более. В соответствии с требованиями унификации высота этажа кратна 1,2 м. Ширина здания обычно составляет 12...60 м. Наиболее распространены сетки колонн 6×6, 9×6 и 12×6 м. Размеры сетки колонн назначаются с учетом временных нагрузок (10...30 кН/м2).
Пространственный каркас промышленных зданий решается по смешанной системе. Прочность и устойчивость каркаса в этом случае обеспечиваются в поперечном направлении рамой с жесткими узлами (рис. 12.5, а), в продольном — вертикальными стальными связями по колоннам, устраиваемыми в каждом продольном ряду или разреженно через ряд колонн и более (рис. 12.5, б). Если стальные связи по условиям технологии нежелательны, то для обеспечения устойчивости каркаса в продольном направлении возможно устройство «рамных устоев» (рис. 12.5, в) в одном или нескольких пролетах.
Многоэтажные сборные рамы членятся на отдельные элементы, которые соединяются путем жестких стыков. Наибольшее распространение получили сборные рамы со стыками ригелей и колонн, выполняемых на консолях (линейная разрезка). Возможны и иные решения (рис. 12.5, г, д); каждое из них имеет определенные достоинства и недостатки. В крестовой системе (рис. 12.5, г) стыки упрощаются за счет вынесения их в сечения с небольшими моментами. В конструкции, представленной на рис. 12,5, д, сокращается число типов элементов много-этажных рам. Однако оба последних решения менее выгодны с точки зрения изготовления и транспортировки. Применение их может оказаться целесообразным в сейсмических районах.
Рис. 12.5. Конструкции многоэтажных промышленных зданий:
1 — ригель поперечной рамы; 2 — плиты перекрытий; 3 — вертикальные про
дольние связи; 4 — продольные ригели, жестко связанные с колоннами; 5 — безраскосные фермы с параллельными поясами
●Колонны стыкуют через 1, 2, 3 и даже 4 этажа; последнее — экономичнее, поскольку сокращается количество стыков. В большинстве случаев стык колонн устраи вают с плоскими торцами колонн и осуществляют путем ванной сварки выпусков продольной рабочей арматуры с последующим омоноличиванием (см. рис. 5.5, с). Возможно соединение арматуры и устройство стыков с помощью эпоксидных смол и т. д. Сечение колонн 400×400 и 600×400 мм. Бетон классов В20...В50.
●Панели ребристые предварительно напряженные шириной 1500 мм обычно применяют для междуэтажных перекрытий. Панели, укладываемые по осям колонн, служат распорками и передают продольные нагрузки на связи, а также обеспечивают продольную устойчивость рам при монтаже.
●Ригели бывают таврового и прямоугольного сечения, в первом случае панели опираются на полки, во втором — сверху ригеля (рис. 12.5, е, ж). Ригели для пролетов 6 м изготовляют из бетона классов В15...В25, для пролетов 9 м — из бетона классов В20...В30, а для пролетов 12 м — из бетона классов В30...В40. Ригели для пролетов 6 м изготовляют с ненапрягаемой и напрягаемой арматурой, а для пролетов 9...12 м — только с предварительно напряженной арматурой.
Если по условиям технологического процесса требуется большая сетка колонн, то здание проектируют с межферменными этажами (рис. 12.5, з). В этом случае безраскосные фермы жестко связывают с колоннами, и они работают как ригели многоэтажных рам. Межферменное пространство используют под производственные помещения.
Многоэтажные производственные здания с относительно небольшими полезными нагрузками (до 12,5 кН/м2) могут решаться по связевой системе в обоих направлениях с применением облегченных конструкций каркаса. Колонны в этом случае имеют сечение 400×400 мм. Ригели таврового сечения соединяют с колоннами с помощью скрытого стыка (см. рис. 9.4, в). Плиты перекрытий могут быть плоскими высотой сечения 220 мм или ребристыми h=300 мм. Пространственная жесткость таких зданий обеспечивается установкой на всех этажах вертикальных элементов — диафрагм из железобетонных панелей, стальных связей или однопролетных многоэтажных рам.
В многоэтажных производственных и складских зданиях холодильников, мясокомбинатов, молокозаводов, рыбоперерабатывающих заводов, а также гаражей и т. п., в которых предпочтительны перекрытия без пустот с гладкими потолками, широко применяют сборные безбалочные перекрытия (см. гл. 9).
При высоких полезных нагрузках 30...50 кН/м2 применяют сборно-монолитные конструкции перекрытий.
12.5. Расчет многоэтажных зданий
Современные многоэтажные здания представляют собой сложные пространственные системы, состоящие из различных элементов и соединений, параметры (жесткость и т.п.) которых изменяются в процессе нагружения. Расчет таких зданий с учетом всех их конструктивных особенностей, характера нагрузок и воздействий является очень трудной задачей. Поэтому реальное сооружение в расчетах заменяется некоторыми идеализированными схемами, с той или иной полнотой отражающими действительную работу сооружения. Степень идеализации зависит от целей расчета, полноты и достоверности исходных данных и т. п.
При проектировании даже при учете только основных особенностей деформирования многоэтажных зданий их расчет производят с помощью ЭВМ. Для целого ряда конкретных сооружений и видов воздействий оказывается возможным использовать еще более упрощенные схемы, например, пространственную систему здания расчленять на части, каждая из которых рассчитывается независимо на приложенные к ней нагрузки как плоская система. В этих случаях для расчета могут использоваться хорошо известные проектировщикам инженерные методы расчета и вспомогательные таблицы. Такой подход оказывается необходимым для предварительной приближенной оценки усилий, возникающих в элементах здания, а во многих случаях он обеспечивает достаточную точность.
Расчет многоэтажных зданий производят на основные и особые сочетания нагрузок (см. гл. 2). При этом необходимо иметь в виду, что при высоте зданий более 40 м учитывают помимо статической ветровой нагрузки динамическую составляющую этой нагрузки. При расчете вертикальных несущих элементов (колонн, стен) суммарные кратковременные нагрузки допускается снижать умножением на коэффициент ψn, учитывающий пониженную вероятность одновременного загружения вышерасположенных этажей полной нагрузкой [2].
■ Расчет рамных систем. Расчет начинают с установления погонных жесткостей ригелей и стоек. С этой це лью предварительно назначают сечения элементов, пользуясь примерами ранее запроектированных аналогичных конструкций или путем приближенного расчета. В последнем случае сечение ригеля определяют по опорному моменту
где g и v — постоянная и временная расчетные нагрузки на 1 м ригеля; l0 — расчетный пролет ригеля.
Тогда
Сечение колонн
где 1,2...1,5 — коэффициент, учитывающий влияние изгибающего момента в колонне; N — продольная сила, под считанная в соответствии с грузовой площадью.
По результатам предварительного подбора сечений производят увязку сечений ригелей и колонн между собой и унификацию их размеров. В соответствии с принятыми размерами подсчитывают погонные жесткости ригелей и рам как для бетонных сечений.
Как уже указывалось, для расчета многоэтажных рам составлены программы для ЭВМ. При этом может быть учтена податливость узлов и другие факторы. Наряду с этим не утрачивают своего значения инженерные методы, применяемые при вариантном проектировании, при анализе решений, получаемых с помощью ЭВМ, и т. п. При приближенном расчете инженерным методом пространственный рамный каркас расчленяют на отдельные плоские рамы. Поскольку перемещения каркаса зданий обычно малы, используют принцип независимости действия сил и рассчитывают каждую раму отдельно на приходящиеся на нее вертикальные и горизонтальные нагрузки.
■ Расчет рам на вертикальные нагрузки. Если многоэтажные многопролетные рамы каркасных зданий имеют равные пролеты (или отличающиеся до 20 %), одинаковую высоту этажей, а также одинаковую нагрузку по ярусам, то все узлы стоек таких рам, расположенных на одной вертикали, получают примерно равные углы поворота, в результате возникают равные узловые моменты с нулевыми точками эпюры моментов в середине высоты этажа (рис. 12.6, а). В этом случае многоэтажная рама может быть расчленена на ряд одноэтажных рам трех типов (рис. 12.6. б); верхнего, средних и нижнего этажей. Расчет каждой из этих рам производится по таблицам [24] при наиболее невыгодных сочетаниях постоянных и временных нагрузок. При этом опорные изгибающие моменты в ригелях рамы
где α и β — табличные коэффициенты, зависящие от числа пролетов (два или три), схемы загружения и соотношения жесткостей ригеля и стойки; g и v — постоянная и временная нагрузки на 1 м ригеля; l — пролет ригеля (между осями колонн).
Изгибающие моменты в стойках определяют как разность опорных моментов ригелей в узле путем распределения ее пропорционально погонным жесткостям стоек.
По полученным для различных возможных сочетаний постоянной и временной нагрузок моментам и поперечным силам строят объемлющую эпюру и производят перераспределение усилий (см. гл. 9). Если рама имеет более трех пролетов, то ее рассматривают как трехпролетную.
■ Расчет рам на горизонтальную (ветровую) нагрузку. Действующую на раму горизонтальную нагрузку заменяют сосредоточенными силами, приложенными к узлам рамы (рис. 12.6, б). В этом случае точки эпюры моментов стоек всех этажей, кроме первого, считают расположенными в середине высоты этажа, а в первом этаже (при защемленных в фундаментах стойках) — на расстоянии 2 h/3 от места защемления (рис. 12.6, г).
Ярусная поперечная сила Qi равна сумме горизонтальных вышерасположенных сил:
и распределяется между отдельными стойками яруса (этажа) пропорционально их жесткостям:
где В — жесткость рассматриваемой стойки i-го яруса; m — число стоек i-го яруса.
Рис. 12.6. К расчету многоэтажных рам на вертикальные (а, б) и
горизонтальные (в, г) нагрузки: Qi — поперечная сила i-го яруса
Крайние стойки рамы имеют меньшую степень защемления в узле, чем средние, поэтому воспринимают меньшую долю ярусной поперечной силы. Это учитывается специальным коэффициентом β<1 [13].
Найдя поперечные силы, вычисляют изгибающие моменты в стойках всех этажей, кроме первого:
а для первого этажа моменты в стойке в верхнем Mt и нижнем Мb сечениях:
Опорные моменты в ригелях определяют из условия равновесия узлов.
По полученным для различных загружений (постоянными и временными нагрузками) эпюрам изгибающих моментов и поперечных сил строят объемлющие эпюры, производят перераспределение усилий в ригелях вследствие пластических деформаций и по полученным усилиям ведут расчет сечений колонн и ригелей. Ригели рассчитывают как изгибаемые элементы по нормальным и наклонным сечениям, колонны — как внецентренно сжатые элементы на действие изгибающего момента и соответствующей ему продольной силы.
■ Определение перемещений рамы от горизонтальной нагрузки. Помимо расчета прочности многоэтажных зданий требуется проверка горизонтального смещения верха здания от ветровой нагрузки, которое не должно превышать 1/1000 высоты здания. Исследования показали, что горизонтальные перемещения многоэтажной рамы при отношении высоты здания к его ширине H/b<4 вызываются главным образом общей сдвиговой деформацией здания вследствие взаимного смещения концов стоек — перекосов этажей (рис. 12.7). Углы перекоса ψ=c/h (где с — линейный перекос, а h — высота этажа) могут быть приняты равными для всех стоек одного этажа. Для упругой рамы монотонной структуры, т. е. имеющей одинаковую во всех этажах погонную жесткость стоек и ригелей, угол перекоса i-го яруса.
Рис. 12.7. К определению перемещений в рамной системе
где Qi — сдвигающая сила, представляющая в данном случае ярусную поперечную силу Qi [см. формулу (12.5)]; К — сдвиговая жесткость многоэтажного рамного каркаса, K=h/c, для монотонных рам с = (h2/12)×(1/s+l/r); s и r — суммы соответственно погонных жесткостей стоек и ригелей этажа.
При числе этажей больше 5 расположение ригелей можно считать непрерывным по высоте. Тогда непрерывными будут нагрузка w(x), поперечная сила Qfr(x), перемещение у(х). Угол перекоса будет представлять собой тангенс угла наклона касательной к линии прогибов:
Интегрируя (12.10), получим выражение для прогиба здания на любой высоте х:
Используя зависимостьQ = w(H—х) для поперечной силы от равномерно распределенной нагрузки w(x) = w, получим из (12.11) прогиб верха здания
■ Расчет рамно-связевых и связевых систем. Эти системы в расчетном отношении оказываются сложнее рамных, что обусловлено наличием разнородных по характеру работы вертикальных несущих элементов (сплошных и проемных диафрагм, рам) и многообразием связей между ними, большей этажностью зданий, в ряде случаев асимметрией плана здания и расположения диафрагмы или ядер жесткости и т. п. Расчет таких систем в настоящее время ведут в предположении упругой работы железобетона.
В качестве основы для расчетов (в том числе на ЭВМ) рассматриваемых типов зданий используют расчетные модели, учитывающие наиболее важные особенности конструктивной схемы.
Наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получила дискретно-континуальная модель [17], согласно которой несущая система здания представляется в виде пучка вертикальных отдельных (дискретных) элементов (столбов), соединенных между собой непрерывно распределенными по высоте (континуальными) связями. Под столбами понимают сплошные диафрагмы, простенки проемных диафрагм, колонны в зданиях рамно-связевой системы и т. п. Роль связей играют перекрытия, перемычки в проемных диафрагмах, сварные соединения и т. п. Исследования показали, что при количестве этажей более 5 перекрытия, перемычки и другие связи можно считать непрерывными, как бы «размазанными» по высоте здания. Столбы и связи сопротивляются изгибу, сдвигу и осевым усилиям. Заделка вертикальных элементов может приниматься жесткой или упругоподатливой. Применение дискретно-континуальной модели позволяет свести задачу о расчете здания к системе линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Число уравнений равно количеству швов между столбами. Уравнения могут быть составлены относительно перемещений, изгибающих моментов, продольных или поперечных сил в столбах, а также перерезывающих сил в связях и т. п.
Как уже отмечалось, расчет несущих систем, в том числе и на основе дискретно-континуальной модели, производят, как правило, на ЭВМ. Однако в практике проектирования для отдельных типов зданий возможны упрощения, позволяющие применять и ручной счет. Например, в симметричных зданиях с жесткими в своей плоскости перекрытиями (обеспечивающими одинаковое горизонтальное перемещение всех вертикальных элементов) плоскопараллельную несущую систему (рис. 12.8, а), образованную только рамами и сплошными диафрагмами, заменяют обобщенной рамно-связевой системой (рис. 12.8, б). При этом жесткость расчетной диафрагмы принимают равной сумме жесткостей вертикальных диафрагм одного направления, а жесткость рамы — суммарной жесткости всех ригелей и стоек рам каркасов того же направления.
Расчетные зависимости для рамно-связевой системы (рис. 12.8, а) получим, составив уравнения равновесия поперечных сил в вертикальных элементах [23]:
где Qdg — поперечная сила, воспринимаемая диафрагмой; Qfr — то же, рамой; Qo — поперечная сила от внешней нагрузки, определяемая как в консольной балке.
Поперечная сила Qfr связана с прогибом здания у формулой (12.11), а сила Qdg — известной из сопротивления материалов зависимостью для сплошного стержня
Qdg = -Bdgy"', (12.14)
где Bdg — жесткость расчетной сплошной диафрагмы.
Рис. 12.8. К расчету рамно-связевых и связевых систем
Из (12.13) с учетом (12.10) и (12.14) получают
Bdgy"'-Ky' + Q0 = 0. (12.15)
Дифференцируя, получают
Bdgу"" - Ку" — w(x) = 0. (12.16)
Вводя приведенные перемещения y1=Bdgy и произведя преобразования, получают окончательное уравнение для плоской рамно-связевой системы [23]:
где s2=.
Решение уравнения (12.17) имеет вид
y1 = А1 + A2s2φ + A3chφ + A4shφ + y1,p, (12.18)
где φ=x/s2 — безразмерная координата; y1,р — частное решение, зависящее от вида нагрузки, при равномерно распределенной нагрузке y1,p=—wsφ2/2.
Производные постоянные A1 A2, A3, A4 находят из граничных условий:
y1(0)=0, у1"(λ) = 0, (12.19)
y'1(0)=0, y'1(λ)/s-y'''1(λ)=0
Из формулы (12.18) получают выражение для перемещения, которое для w(x) =w будет иметь вид
y1 = ws (λφ — φ2/2 + ٕxchφ - λshφ - х), (12.20)
где λ=H/S2 — характеристика жесткости здания; x = (l+λshλ)/(chλ).
Имея выражение для прогиба, легко получить формулы для усилий в раме и диафрагме:
Qfr=y'1/s; Qdg=- y'''1
Mdg=-y"1. (12.21)
Из рис. 12.8, в...д видно, что в отличие от рамной системы Qfr уменьшается в основании до нуля вследствие разгружающего действия диафрагм. По найденному распределению Qfr могут быть вычислены изгибающие моменты в стойках и ригелях по аналогии с рамными системами. Значения Mdg и Qdg непосредственно используются для расчета сечений диафрагм.
Прогиб верха здания на основании (12.20)
меньше соответствующего прогиба (12.12) рамной системы.
Для высоких зданий (H/b>4) необходимо учитывать изгибающий момент M = Nb, возникающий вследствие Продольных деформаций колонн. В этом случае при со ставлении уравнения равновесия поперечных сил необходимо учесть дополнительный угол поворота, вызванный этим фактором [23].
Расчет связевых систем, приводящихся к плоскопараллельным, может быть также выполнен с использованием уравнения (12.16), причем в системах с глухими диафрагмами расчетное уравнение получим, если опустим в выражении (12.16) член, характеризующий сопротивление рамной части:
Полученная формула представляет известное из сопротивления материалов уравнение изгиба стержня (в данном случае консольного). Такой же результат можно получить при использовании консольной модели (рис. 12.8, е), являющейся частным случаем дискретно-континуальной и отражающей тот факт, что перекрытия с вертикальными элементами соединены шарнирно. Сопоставление результатов расчетов на основе дискретно-континуальной модели с более точными методами, а также с экспериментами на упругих моделях показывает, что эти результаты обеспечивают достаточную точность в зонах больших усилий, которые и являются определяющими при подборе сечений.
Существует также другая группа методов, базирующихся на так называемых дискретных расчетных моделях. Это метод стержневой аппроксимации и метод конечных элементов. При расчете по методу стержневой аппроксимации сплошные участки стен заменяют стержневой решеткой, а по методу конечных элементов — треугольными или прямоугольными конечными (т. е. малыми) элементами. Решение по обоим методам сводится к системе алгебраических уравнений, число которых зависит от числа узлов заменяющей модели. Точность решения повышается с уменьшением размеров элементов, однако одновременно увеличивается число узлов и порядок системы уравнений; для получения удовлетворительных результатов требуются ЭВМ с большим объемом памяти и высоким быстродействием. Поэтому дискретные модели целесообразно использовать для уточнения расчетных усилий и деформаций (в зонах концентрации напряжений, резкого изменения жесткости элементов и т. д.).
■ Расчет панельных зданий. Многоэтажные панельные здания представляют собой пространственную систему, состоящую из отдельных пластин, ослабленных проемами и соединенных между собой податливыми связями. Расчет выполняют на основе пространственных или плоских расчетных схем. Пространственные расчетные схемы применяются в виде системы пластинок, составной системы тонкостенных стержней, призматических оболочек и т. п., соединенных между собой распределенными или сосредоточенными связями. Этот расчет является более точным, однако возможен лишь с применением ЭВМ. Наряду с пространственными для приближенных расчетов применяют плоские схемы, среди которых наибольшее распространение получила схема, в которой здание расчленяется на вертикальные несущие элементы (включающие наружные и внутренние стены), рассматриваемые как консольные стержни. Принимается, что стержни шарнирно соединены между собой связями, обеспечива ющими совместность поперечных перемещений стержней.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ:
1. Охарактеризуйте конструктивные схемы многоэтажных зданий.
2 Основные конструктивные системы каркасных зданий. Их принципиальные отличия и способы обеспечения пространственной жесткости.
3. Конструкции многоэтажных каркасных гражданских зданий
4. Конструкции бескаркасных зданий.
5. Конструктивные особенности многоэтажных промышленных зданий.
6. Основные принципы расчета современных многоэтажных зданий. Особенности определения действующих на них нагрузок.
7. Инженерный метод расчета железобетонных рам на вертикальные и горизонтальные нагрузки.
8. Определение перемещений рам от горизонтальных нагрузок.
9. Расчетные модели зданий рамно-связевой и связевой систем.
10 Расчет плоскопараллельной рамно-связевой системы на основе дискретно-континуальной модели.
11. Расчет плоскопараллельной связевой системы.