§ 5. Основы расчета стен и столбов здании с упругой конструктивной схемой

В зданиях с упругой конструктивной схемой (одно­этажные промышленные здания, складские помещения, выставочные и зрелищные здания и т. п.) расстояние между поперечными стенами /Ст превышает предельно допустимое (табл. 17.2). Поэтому верхние опоры про­дольных стен и столбов не являются неподвижными, их принимают шарнирными, частично смещаемыми (упру­гими).

Расчетная схема здания (рис. 17.5) представляет со­бой систему плоских рам, у которых стойки (стены, столбы) защемлены в уровне обреза фундамента и шарнирно соединены с ригелем большой жесткости (перекрытием или покрытием).

Нагрузками на такие рамы являются собственная марса элементов, снег и ветровая нагрузка, учет кото рои в зданиях этого типа обязателен. В промышленных цехах действуют также крановые нагрузки

Для примера рассмотрим схему одноэтажного двухпролетного промышленного цеха с покрытием по фер­мам (рис. 17.6). Наружные продольные стены имеют пилястры для опирания ферм.

Опоры ферм закреплены анкерами, заделанными в кладку стен и столбов Благодаря такой связи и жесткости покрытия горизонталь­ные (ветровые) нагрузки, приложенные на одну из стен

Передаются на стены и столбы по всемУ поперечному ряду. Расчетным участком одной рамы при сборе на­грузок является расстояние (шаг) между пилястрами Расчет стен и столбов ведут для двух стадий готов­ности здания: для законченного здания при действии всех нагрузок с учетом их неблагоприятного сочетания и для здания в процессе строительства, когда кладка закончена, но не смонтированы конструкции покрытия При незаконченном здании стены (столбы) рассматри­вают как отдельные стойки, заделанные в уровне обре-за фундамента. Они испытывают внецентренное сжатие от действия ветровой нагрузки и собственной массы Следует иметь в виду, что в таком положении стены на­ходятся даже в более неблагоприятных условиях рабо­ты, чем после монтажа покрытия и раскрепления верх-licii опоры. Если проверка прочности стен под действи-

ем расчетных нагрузок как консольных элементов выя­вит необходимость их усиления или повышения проч­ностных качеств материалов, следует предусматривать временное их раскрепление на период до окончания монтажа конструкций покрытая. Это, как правило, бы­вает экономичнее, чем выполнение требуемого постоян­ного усиления.

Для законченного строительства при расчете здания на ветровую нагрузку как системы плоских рам смеще­ние Д упругой опоры рассматриваемой стойки под на­грузкой зависит от жесткости Еп1п других стоек. Чем больше жесткость остальных стоек по отношению к рас­сматриваемой, тем меньше ее смещение Д, и наоборот. При максимальном значении Еп1п (что соответствует стойкам с чрезмерно малой относительной гибкостью) верхнюю опору загруженной стены (столба) можно считать неподвижной, и тогда ее смещение-- А==0, г опорная реакция VB будет максимальной для данного

види лнгружсния. Если жесткость других стоек Еп1п очень мала но отношению к рассматриваемой, то рабо­ту их можно не учитывать, и тогда загруженная стена (столб) будет работать как консоль, защемленная вни­зу и имеющая наибольшее отклонение f вверху. В этом случае опорная реакция 1/в=0.

Практически в большинстве случаев значения жест-костей Еп1п стен и столбов принимают такими, что сме­щение упругих опор Д>0, но меньше отклонения f консольной стойки (0<Д</). Следовательно, опорная реакция X верхней упругой опоры стены (столба) будет больше нуля и меньше опорной реакции VB стойки с неподвижной верхней опорой и защемленной нижней опорой, т. е. 0<zX<VB. Значения опорной реакции Vb для некоторых видов загружения балок, подобных рас­сматриваемой стойке рамы, приведены в табл. 17.7.

Упругую реакцию, X с учетом податливости верхней опоры определяют по формуле

где |х — коэффициент, учитывающий влияние податливости верхней опоры рассматриваемой стойки рамной конструкции.

Коэффициент ц, зависит от относительной гибкости стен и столбов и при постоянном их сечении довысоте рамы

где Е, I, H—модуль упругости?1 момент инерции сечения и высота загруженной стойки рамы; £„, /„, Нп — то же, всех остальных сто­ек рамы (кроме загруженной).

Например, для двухпролетной рамы для первой за­груженной стойки

После определения опорной реакции X стены (стол­бы) рассчитывают как консоли, защемленные в уровне обреза фундамента. Усилия (моменты и нормальные силы) в наиболее опасных сечениях стены (столба) подсчитывают для каждого загружения стойки раздель­но. Затем усилия суммируют при наиболее невыгодном сочетании нагрузок. При расчете конструкции на до­полнительное сочетание нагрузок давление ветра, вес снега, крановые нагрузки и др., кроме собственной мас­сы конструкций, принимают с коэффициентом 0,9.

Расчетными сечениями стоек обычно являются сече­ния в местах заделки стен (/—/), в простенках (//—// и ///—///) и на уровне опирання ферм или балок по­крытия (IV—IV, см. рис. 17.6).

При наличии изгибающих моментов и продольных сил сечения рассчитывают по формулам внецентренно-сжатых элементов. Значение коэффициента продольно­го изгиба ф принимают по гибкости стоек

где расчетная высота стоек в одиопролетных зданиях /0=1,5 Я, а в многопролетных зданиях Z0=l,25 Н (Н — расстояние между верхней и нижней опорами стен или стоек).

№57. Многоэтажные каменные здания. Принципы расчета на горизонтальные нагрузки. Роль поперечных стен, диафрагм и ядер жесткости.

В многоэтажных каркасных зданиях горизонтальные нагрузки воспринимают системой рам или вертикальных диафрагм-стенок жесткости, специальными связями или ядром жесткости, консольно защемленными в фундаменте (связевые системы). Ядром жесткости называют жесткую пространственную систему, образованную сопряженными между собой стенками. Более часто ядро жесткости выполняют монолитным. Каркас здания с ядром жесткости рассчитывают только на вертикальные нагрузки, что позволяет провести унификацию конструктивных элементов по высоте здания.

В последнее время за рубежом при строительстве общественных и жилых зданий получили широкое распространение системы многоэтажных зданий с подвесными этажами. Такое здание состоит из основной опорной конструкции — железобетонного монолитного ствола, двухконсольных балок или ферм и тяжей, к которым подвешиваются этажи (рис. 146). Всю вертикальную нагрузку передают на жесткий вертикальный ствол, в котором размещают лифты, лестницы, инженерные коммуникации, а также подсобные помещения. Наружные ограждения ненесущие; выполняют их из легких эффективных материалов. В целом масса такого здания невелика. Решения зданий с подвесными этажами многообразны; их классифицируют по виду опорных конструкций, типу подвесок и пр. Например, опорные конструкции могут быть решены в виде нескольких стволов, выполняемых из монолитного железобетона, стальных колонн с ригелями в уровне перекрытий, из сборных панелей, а также в виде мачт с оттяжками и пр.

В последнее время возводят многоэтажные каркасные здания, этажи которых изготовляют на уровне пола подвального, первого, или цокольного, этажа и поднимают в проектное положение посредством гидравлических или механических подъемников, устанавливаемых на колоннах выше поднимаемых этажей (рис. 147). Прочность и устойчивость каркаса в продольном направлении в период монтажа обеспечивают постановкой постоянных вертикальных связей или устройством жестких продольных рам.

Каркасы зданий в период возведения рассчитывают на сочетание следующих нагрузок: собственного веса конструкции (включая вес навесных панелей), скоростного напора ветра и монтажной нормативной нагрузки, равной 2,5 кН/м².

№58. Рамные каркасы многоэтажных зданий с ж\б каркасом.

В рамной системе каркаса несущие функции выполняют колонны и ригеля. 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.

№59.Рамно-связевые каркасы многоэтажных ж\б зданий

В зданиях более 8 этажей горизонтальные нагрузки воспринимаются рамами с жесткими узлами и вертикальными элементами жесткости , а вертикальные нагрузки – элементами жесткости.

В качестве таких элементов обычно используют ж\б стенки – диафрагмы, а также металлические связи и другие конструкции. Диафрагмы м.б. с проемами и без проемов,а по конфигурации в плане – плоскими, уголковыми, двутавровыми и тп. Часто в качестве диафрагм используют торцовые и внутренние стены , стены лестничных клеток и тд. Следует стремиться, чтобы диафрагмы были равномерно распределены по плану здания и увязаны с его объемно-планировочным решением. Все эелементы каркаса связаны в пространственную системы перекрытиями., которые помимо основной работы на вертикальные 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 учитытвать податливость перекрытия, рассматривая его как балку на упругом расстоянии.

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.

№59. Связевые каркасы многоэтажных ж\б зданий.

Вертикальная нагрузка воспринимается рамами и частично диафрагмами. Стык ригеля с колонной решается таким образом, чтобы он мог воспринять заранее заданный небольшой опорный момент , необходимый для обеспечения пространственной жесткости здания в период его монтажа. Постоянство моментов позволяет полностью унифицировать узловые соединения и соответственно ригели и колонны каркасы . 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 ж\б наибольшее распространение получила связевая система. Рамно-связевая система рекомендуются 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 . Такое решение удобно в планировке и технологично. Стенки ядер жесткости выполняют из монолитного ж\б . Ядро воспринимает все действующие на здание горизонтальные нагрузки и ту часть вертикальных нагрузок , которая приходится собственно на ядро; остальные вертикальные нагрузки воспринимаются каркасом .

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.

В последние годы проводят обширные исследования по разработке новых рациональных конструктивных схем многоэтажных зданий. К их числу можно отнести конструктивную схему, представляющую собой ж\б ядро жесткости с консолями, 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.

Рис.5. Фрагменты связевых каркасов: а - КМС-101; б - ИИ-04; в - 1.020-1; 1 - колонны; 2 - ригели; 3 - связевые плиты; 4 - рядовые плиты; 5 - металлические связи; 6 - диафрагмы; 7 - стены; 8 - лестничные марши

№60. Многоэтажные здания со сборно-монолитным ж\б каркасом.

1.3.3. Сборно-монолитные конструкции

Сборно-монолитные конструкции представляют собйй экономически обоснованное сочета­ние сборных железобетонных конструкций и монолитного бетона со специальным армированием.

Применение монолитного бетона позволяет восстановить неразрезность (статическую неопре­делимость) конструкций, использовать сборные конструкции как несъемную опалубку, включив их при помощи несложных мероприятий (шпонки, выпуски анкеров арматуры) в совместную работу.

Этот класс конструкций сочетает в себе положительные свойства сборного и монолитного железобетона, повышал качество и снижая сроки строительства.

Сборные изгибаемые элементы, как правило, целесообразно применить с предварительным напряжением арматуры.

Проектирование сборно-монолитиых конструкций ведется по двум стадиям; монтажной, ко­гда работает только сборный железобетон и эксплуатационной, когда обеспечена совместная рабо­та сборных и монолитных конструкций. Например, с целью сохранения парка бортоснастки, за счет укладки дополнительного монолитного бетона можно значительно повысить несущую спо­собность дисков перекрытий, состоящих из типовых сборных многопустотных плит.

Весьма перспективно, как указывалось выше, в качестве монолитного бетона в сборно-монолитных конструкциях использовать напрягающийся бетон и высокопрочную арматурную сталь. Жилые девятиэтажные каркасные здания с монолитными ригелями из напрягающегося бе­тона и предварительно напряженными многопустотными плитами дисков перекрытий впервые в мировой практике было построены в Белоруссии с хорошими технико-экономическими показате­лями (рис. 1.4).

№61. Области применения деревянных и пластмассовых конструкций.

Конструкции из дерева и синтетических материалов рекомендует­ся применять в сельскохозяйственных зданиях, в производственных зданиях предприятий лесопильно-деревообрабатывающей промыш­ленности, в зданиях с химически агрессивной средой, в подсобно-вспомогательных промышленных и складских зданиях, в зданиях общественного назначения (спортивные, выставочные, торговые и т. п.), а также для временных зданий и сооружений строительных площадок.

Эти конструкции применяются также в зданиях и сооружениях, где требуется исключить влияние магнитных свойств конструкций и возможность искрообразования, создать «радиопрозрачность» кон­струкций.

Конструкции оприменением синтетических материалов, кроме того, рекомендуется применять в тех случаях, когда требуется резко уменьшить их вес, сократить транспортные и монтажные работы и т. п. (в отдаленных районах, в условиях вечной мерзлоты, на подра­батываемых территориях, в сейсмических районах и т. п.).

Выбор типов конструкций для определенных видов зданий и сооружений и выбор районов строительства должен обосновываться технико-экономическими соображениями g учетом действующих ди­рективных документов [2], [21], [24] и др.