11. Конструкции многоэтажных промышленных зданий. Расчет и конструирование

Существуют две категории зданий: многоэтажные и одноэтажные. По конструктивной схеме: каркасные (с полным или неполным каркасом) и бескаркасные (крупнопанельные и объемно-блочные).

Выбор конструктивной схемы зависит от назначения здания и его этажности. В промышленных зданиях (с большими помещениями) применяется каркасная схема, в гражданских зданиях с мелким делениями – крупнопанельная.

При высоте здания до 24 этажей применяется либо каркасная, либо панельная схема; при высоте более 24 этажей – только каркасная.

Несущая система многоэтажного здания образуется вертикальными несущими конструкциями, объединенными в единую пространственную систему с помощью горизонтальных несущих конструкций-перекрытий. В зависимости от того, какие вертикальные конструкции воспринимают горизонтальную нагрузку от ветра, существует три конструктивные системы: рамная (с равны каркасом), рамно-связевая при совместной работе каркаса и вертикальных связевых диафрагм (целесообразна для сейсмических районов) и связевая (в панельных зданиях или в каркасных зданиях со связевым каркасом). Междуэтажные перекрытия рассматриваются как жесткие, не деформирующиеся при изгибе в своей плоскости горизонтальные связевые диафрагмы.

Основные требования для многоэтажных зданий – обеспечить нормальное существование людей на верхних этажах. Для этого необходимо соблюдение следующих условий:

1. Суммарный прогиб верха здания где - прогиб от плоского изгиба несущей системы горизонтальной и вертикальной нагрузкой; - прогиб от изгибно-крутильных деформаций системы; - прогиб от податливости основания.

2. Ускорение колебаний не более 15-12 см/с².

Если требования не выполняются, наносится вред здоровью человека, особенно на самых верхних этажах.

Промышленные здания проектируются, как правило, каркасными из сборного ж/б с навесными панелями стен. Высота зданий от 3 до 14 этажей; высота этажа кратна модулю 1,2. сетка колонн каркаса 6х6, 9х6, 12х6 м; временные нагрузки на перекрытия от 5 до 25 кН/м².

Основные несущие конструкции – ж/б многоэтажные рамы с жесткими узлами и связывающие их междуэтажные перекрытия. Здания могут быть с балочными перекрытиями, с безбалочными перекрытиями и с межферменными этажами с крупной сеткой колонн 18х6, 18х12, 24х6 м. и высотой межферменных этажей 2,4; 3 и 3,6 м. В последнем случае большие пролеты здания перекрываются безраскосными фермами. В межферменных этажах в пределах высоты этих ферм размещают инженерное оборудование и коммуникации.

9

Конструкции многоэтажных промышленных зданий: а – с балочными перекрытиями, б – с без балочными перекрытиями, в – с межферменными этажами

Жесткий стык соединения ригеля с колонной воспринимает опорный момент от ригеля или пару сил и осуществляется с применением ванной сварки выпусков арматуры вверху и сварки закладных деталей внизу ригеля с бетонированием полости стыка на монтаже.

Расчетом определяется площадь сечения арматуры и длина сварных швов закладных деталей.

Усилие растяжения в стыке площадь сечения верхних стыковых стерней, которые пропускаются через колонны требуемая длина сварных швов где - расчетная длина шва, принимаемая меньше его фактической длины на 10 мм за сет непровара и кратер на концах шва; - коэффициент глубины проплавления шва; - катет шва; - расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва; - коэффициент условий работы элемента.

Жесткие стыки колонны с колонной многоэтажных рам воспринимают продольную силу изгибающий момент и поперечную силу Арматурные выпуски стержней стыкуют ванной сваркой. Для удобства сварки устраивают специальные угловые подрезки бетона длинной по 150 мм (при 4-х арматурных выпусках)либо по всему периметру сечения (при арматурных выпусках по периметру).

Описанный стык экономичнее других, устраиваемых на сварке стальных закладных деталей, по расходу стали и трудоемкости.

Монолитные многоэтажные рамы также выполняют с жесткими узлами. Наиболее ответственным жестким стыком в монолитных конструкциях является сопряжение взаимно осуществляют путем запуска концов арматуры из колонн нижележащего этажа в вышележащий или из ригеля в колонну.

Расчет многоэтажных рам. Многоэтажные многопролетные рамы каркасных зданий имеют преимущественно однообразную (регулярную) схему с равными пролетами и одинаковой нагрузкой по ярусам.

Предварительные расчеты Подбор сечений ригелей и стоек:

• подбираем сечение ригеля исходя из того, что он в составе рамы воспринимает момент М равный 0,6-0,7 от балочного момента

• подбираем сечение стойки из условия, что нормальная сила, действующая на стойку, увеличивается в 1,2-1,5 раза по сравнению с центрально сжатой стойкой;

• определяем жесткости ригеля и стойки. где - модуль упругости бетона, - момент инерции сечения. Погонная жесткость ригеля и стойки где - пролет ригеля, - высота этажа (стойки).

Расчет рамы на вертикальную нагрузку. Узлы стоек многоэтажных рам, расположенные на одной вертикали, имеют приблизительно равные углы поворота и равные узловые моменты с нулевой точкой моментов в средине высот этажа.

Это дает основание расчленить многоэтажную раму на три типа одноэтажных рам (верхнего, среднего и нижнего этажа) с высотой стоек, равной половине высоту этажа, с шарнирами по концам стоек, кроме первого этажа.

При любом числе пролетов более трех раму заменяют трехпролетной, исходя из того, что изгибающие моменты во всех средних пролетах одинаковые.

Расчет выполняем по таблицам в зависимости от схемы загружения и эпюры моментов в следующей последовательности:

1. определяем опорные моменты в ригеле

2. определяем пролетные моменты в ригеле, как в однопролетной балке, загруженной внешней равномерно распределенной нагрузкой и опорными моментами по концам если опорные моменты равны, то

3. определяем моменты в стойках рамы по разности опорных моментов ригелей в узле. Исходим из того, что все узлы в раме должны быть в равновесии, то есть сумма моментов в узле

в узле В моменты в верхней и нижней стойке распределяются пропорционально их погонным жесткостям.

При расчете рам рекомендуется учитывать образование пластических шарниров и выравнивать изгибающие моменты. Для этого раму рассчитывают при различных загружениях как упругую систему. Затем для каждого из загружений строят свою добавочную опору моментов, которую суммируют с эпюрой упругой системы. При упрощенном способе выравнивания моментов ригели рам загружают временной нагрузкой через пролет и постоянной нагрузкой во всех пролетах, при этом получают выровненную эпюру моментов при отношении обычно уменьшаются примерно на 30% от соответствующих моментов в упругой системе.

Расчет рамы на горизонтальную (ветровую) нагрузку. Расчет рамы на горизонтальную нагрузку выполняем приближенны способом.

Ветровая нагрузка определяется как сумма двух составляющих: средней (статической) и пульсирующей (динамической).

Средняя составляющая соответствует установившемуся скоростному напору ветра и учитывается во всех случаях.

Пульсационная составляющая, вызываемая пульсацией скоростного напора, учитывается при расчете башен, дымовых труб, линий электропередач и многоэтажных зданий высотой более 40 м в зависимости от частоты свободных горизонтальных колебаний здания.

Нормативное значение средней составляющей от ветра по СНиП 2.01.07-85: где - нормативное значение ветрового давления в зависимости от ветрового района; - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; - аэродинамический коэффициент.

Приводим неравномерную по высоте здания ветровую нагрузку к эквивалентной равномерно-распределенной нагрузке через равенство моментов относительно заделки в фундаментных. расчетная нагрузка от ветра

Заменяем равномерно-распределенную ветровую нагрузку сосредоточенными силами приложенными к узлам рамы в уровне каждого этажа

Определяем ярусные поперечные силы: вышележащих

Распределяем между стойками в ряду пропорционально жесткостям стоек: где - изгибная жесткость сечения стойки; - число стоек в ряду.

Если жесткость стоек одинакова, то делится на число стоек в ряду

Однако, крайняя стойка, на которую ригель опирается только с одной стороны, имеет меньшую степень защемления в узле и воспринимает меньшую долю поперечной силы, что учитывается уменьшением жесткости стойки путем умножения на коэффициент

Определение момента в стойках. Считают, что нулевые точки эпюры изгибающих моментов стоек всех этажей рамы, кроме первого, расположены в середине высоты этажа. В первом этаже эти точки находятся на расстоянии 2/3 высоты от фундамента, в котором степень защемления стойки больше, чем в междуэтажном перекрытии. Изгибающие моменты колонны любого яруса (кроме первого этажа) составляют Изгибающие моменты в верхнем и нижнем сечениях колонны не первом этаже

Определяем опорные моменты в ригелях, исходя из равенства нулю суммы моментов в узле рамы. В узлах В и Г моменты распределятся в ригелях пропорционально их погонной жесткости.

Расчетные усилия и подбор сечений. Составляем таблицу усилий, соответствующих отдельным загружениям. Вычисляем суммарные усилия от вертикальной и горизонтальной нагрузок. Находим и и соответствующие им значения а также и соответствующее Затем рассчитываем ригель на изгиб, а стойку – на внецентренное сжатие.

В ригеле три расчетных сечения: два на опоре и одно в пролете. В стойке два сечения: вверху и внизу. В высоких стойках могут быть еще одно или два сечения посредине.