11. Конструкции многоэтажных гражданских 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.

Гражданские здания всегда являлись одним из наиболее массовых объектов строительства. К 2000 г. в России построено и эксплуатируются 3,3 млрд. м² гражданских зданий, из которых жилье составляет 2,5 млрд. м².

В современной практике многоэтажного гражданского строительства преобладают две конструктивные схемы зданий: крупнопанельные (в жилищном строительстве) и каркасные (в административных и общественных зданиях и в некоторых жилых зданиях высотой более 25 этажей).

Основными несущими конструкциями многоэтажного каркасного здания в гражданском строительстве являются ж/б рамы, вертикальные связевые диафрагмы (пилоны) и связывающие их междуэтажные перекрытия. К вертикальным несущим конструкциям каркаса относятся колонны и пилоны (глухие диафрагмы и простенки диафрагм с проемами), к горизонтальным - ригели рам, плиты перекрытия и покрытия. Конструктивные схемы таких зданий могут быть с поперечными или продольными рамами, а также каркасные с безбалочными перекрытиями.

В панельных зданиях основным несущими конструкциями служат вертикальные диафрагмы (внутренние несущие стены) и связывающие их междуэтажные перекрытия. Как в поперечном, так и в продольном направлении панельное здание воспринимает горизонтальную нагрузку по связевой системе.

Многоэтажные гражданские каркасные и панельные здания проектируют для массового строительства высотой 12-16 этаже, а в ряде случаев 20-25 этажей. В зданиях высотой до 4-5 этажей каркас можно применять без вертикальных диафрагм жесткости. В каркасных зданиях высотой не более 16 этажей применяют отдельные диафрагмы, размещенные в плане здания по расчету. В зданиях повышенной этажности (более 25 этажей) плоские диафрагмы объединяют в одну конструкцию называемую стволом здания (ядром жесткости). Такие здания могут быть с консольными и повышенными этажами.

Ядра жесткости могут воспринимать всю вертикальную и горизонтальную нагрузки полностью или в совокупности с другими элементами несущей системы. Стволы снижают расход стали до 15%, цемента до 10% и стоимость конструкции до 10%. Каркасное здание с относительно небольшим компактным планом может быть с одним центральным ядром жесткости, внутри которого располагаются вертикальные транспортные и инженерные коммуникации.

Возможны варианты с двумя ядрами жесткости. В таких зданиях сложной конфигурации в плане перекрытия выполняют монолитными в виде безбалочной бескапительной плиты. Возводят такие здания методом подъема перекрытий или подъема этажей. Ядра жесткости чаще выполняют монолитными в скользящей опалубке. Толщина стенок 200-400 мм. Стены и перемычки ядер жесткости могут быть предварительно напряженными.

10

11

Конструктивные схемы зданий с консольными (а) и подвешенными (б) этажами: а - консольным поясом в одном уровне, опирающимся на центральный ствол; б – с консольным поясом в двух уровнях; в – с консольными перекрытиями в уровне каждого этажа; г – с консольным поясом в одном уровне, опирающимся на два ствола; д – контурные подвески прикреплены к консольному оголовку центрального ствола, е – тоже, к консольному оголовку и к консольному промежуточному поясу, ж – то же, к консольному оголовку двух стволов

Основные конструктивные схемы высотных зданий: I – стеновая, II – каркасные, III – ствольная, IV – оболочковая, V – объемно-блочная; 1 – несущая наружная ограждающая конструкция, 2 – то же, несущая. 3 – внутренняя несущая конструкция, 4 – несущий объемный блок

В несущей системе зданий повышенной этажности выделяют пять основных конструктивных схем, принципиально отличающихся по типу вертикальных элементов: каркасные, стеновые (плоскостенные), ствольные, оболочковые и объемно-блочные. Вертикальными элементами жесткости в каркасной схеме являются рамы с жесткими узлами, а также рамы с шарнирными узлами соединении ригеля с колонной, усиленные связями – металлическими раскосами или ж/б стенами жесткости.

В стеновых схемах вертикальными элементами являются стены во взаимно перпендикулярных направлениях.

В ствольных схемах ядра жесткости (стволы) расположены в средней зоне здания и на них опираются перекрытия.

Оболочковые схемы имеют высокою пространственную жесткость, которая обеспечивается расположением несущих конструкций по контуру здания и объединением их в единую статическую систему.

Комбинированными являются схемы, основанные на комбинации двух видов вертикальных несущих конструкций: с неполным каркасом (колонны и стены), каркасно-связевые с вертикальными связями в виде стен жесткости (каркасно- диафрагмовая), каркасно-ствольные, каркасно-объемные-блочные, объемно-блочные-стеновые, ствольно-стеновые, каркасно-оболочные и др. В соответствии с особенностями объемно-планировочного решения здания и требования экономичности конструктивная система может иметь и большее число типов вертикальных несущих элементов.

По способу восприятия внешних нагрузок и по конструктивному решению основных узлов каркасы многоэтажных зданий делятся на три группы: рамные, связевые и рамно-связевые. В гражданском строительстве наиболее широкое применение нашли здания со связевым каркасом. В нем горизонтальны нагрузки воспринимаются вертикальными диафрагмами или ядрами жесткости, а сам каркас работает только на вертикальные нагрузки. В тех случаях, когда горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются совместно рамами каркаса с жесткими узлами в поперечном и продольном направлениях и диафрагмами или ядрами жесткости каркас работает как рамно-связевой. Диафрагмы жесткости выполняют преимущественно сборными, а для высоких зданий – монолитными.

Здания со связевым каркасом. В связевом каркасе стыки ригелей с колоннами проектируются шарнирными на скрытых консолях.

Связевый каркас более экономичные, чем рамный с жесткими узлами: по расходу стали на 20-25%, по стоимости на 5-10%.

Все горизонтальные и часть вертикальных нагрузок воспринимаются жесткими вертикальными связями: стены лестничных клеток, лифтовых шахт, диафрагмы жесткости (пилоны, столбы) и сквозные стальные связи. Они же обеспечивают общую устойчивость здания, а их жесткость определяет значение перемещений несущих конструкций и здания в целом.

Пилон состоит из двух колонн и стенки между ними. Применяют сборные пилоны, состоящие из сборных колонн и соединенных с ними сборных стен, сборно-монолитные из сборных колонн и монолитных стен и полностью монолитные.

По конфигурации пилоны бывают: плоские, пространственные открытого типа профиля: уголковые (наиболее распространены), швеллерные и двутавровые, пространственные замкнутого профиля (ядра жесткости).

Первым делом решается вопрос о размещении пилонов в плане здания. Это находится во взаимной связи с архитектурно-планировочным решением и высотой здания. Если высота 30-40 м, то размещение произвольное и подчиняется оптимальному архитектурно-планировочному решению. Если высота здания 70-80м, то они размещаются в плане строго по расчету, даже в ущерб планировочному решению.

Основные требования по размещению пилонов:

1. в высоких и средних по высоте здания стремление к минимальному числу пилонов;

2. число пилонов должно быть не менее трех. Они не должны быть параллельны и не должны пересекаться на одной прямой;

3. центр массы и центр изгиба (центр жесткости) здания должны совпадать в одной точке или расстояние между ними должно быть минимальным. Через эту же точку проходят равнодействующие ветровых нагрузок

4. в зданиях с протяженным планом расстояние между пилона должно быть не более 30 м, расстояние от стены крайнего пилона до крайней оси – не более 12 м;

5. размеры поперечных сечений пилонов следует назначать не менее 1/6-1/8 высоты надземной части здания

6. систему пилонов следует распределять равномерно по плану.

Основы расчета. Пространственные связевые системы многоэтажных зданий при несимметричном плане могут подвергаться косому изгибу и внецентренному сжатию со стесненным кручением. Поскольку для них характерны пространственные деформации элементов, то расчет таких систем является сложным.

В тех случаях, когда вертикальные несущие конструкции расположены симметрично относительно центральных осей плана здания, центральных осей плана здания, центр жесткостей (изгиба) совпадает с точкой пересечения этих осей. Если равнодействующая горизонтальной нагрузки пересекает линию центров жесткостей, то есть центральную вертикальную ось здания, то поворота в плане не будет. В симметричных несущих системах число неизвестных может быть значительно сокращено.

Многоэтажное здание – это статически неопределимая система для всех видов нагрузок и воздействий. Чтобы ее рассчитать, действительную систему схематизируют более простыми расчетными моделями: дискретной, континуальной и дискретно-континуальной.

В дискретных моделях рассматривают дискретное расположение вертикальных элементов и связей, что приводит к сложным расчетам.

Континуальные модели представляют здание как сплошную многостенчатую призматическую оболочку с вертикальной осью. Континуальные модели применяют в расчетах зданий с ядрами жесткости или состоящих из объемно-блочных элементов.

В дискретно-континуальных моделях учитывают дискретное расположение вертикальных элементов, а дискретное расположение связей сдвига заменяют континуальным, то есть непрерывно расположенным по высоте здания. Для расчета несущих систем многоэтажных зданий дискретно-континуальная модель более универсальна и удобна по сравнению с другими моделями.

Как правило, выполняют поверочный расчет системы при заданных размерах и армировании ее элементов. При этом сначала вычисляют усилия от действия лишь вертикальной нагрузки, а затем от совместного действия вертикальной и горизонтальной нагрузок.

Расчетные схемы связевых систем отражают совместную работу вертикальных диафрагм (пилонов) многоэтажных каркасных или панельных зданий в различных сочетаниях. В этих расчетных схемах вертикальные диафрагмы, расположенные в зданиях параллельно друг другу, принимают стоящими последовательно в одной плоскости и соединенными стержнями – связями (междуэтажными перекрытиями).

Вертикальную диафрагму с проемами можно рассматривать как многоэтажную раму, у которой стойками будут простенки, а ригелями – перемычки.

Используют простейшую расчетную модель, в которой соединение ригелей с колоннами считают шарнирными, а пилоны – жесткими консольными стержнями, защемленными в фундаменте. Пилоны объединяются перекрытиями, недеформируемыми в горизонтальной плоскости.

Порядок расчета: выбор и составление модели здания; подсчет нагрузок (вертикальной и горизонтальной); расчет усилий (статическая задача); проверка прочности, устойчивости и трещиностойкости пилонов; проверка общей устойчивости зданий; определение перемещений; дополнительные проверки.

Проверка общей устойчивости здания. Под действием ветровой нагрузки здание отклоняется от вертикали и тогда вертикальная нагрузка действует с эксцентриситетом что еще больше увеличивает отклонение. При большой массе здания и недостаточной жесткости увеличение деформации может вызвать потерю общей устойчивости здания. Устойчивость здания считается обеспеченной, если удовлетворяется условие: где - критический вес здания; - собственная масса наземной части здания, умноженная на 1,1.

Известно, что критическая сила при проверке устойчивости гибких сжатых стержней определяется по классической формуле Эйлера: где - расчетная длина стержня с учетом защемления концов стержня.

Таким образом общая устойчивость здания зависит прямо от его жесткости.

При несовпадении определяющей является изгибно-крутильная форма потери устойчивости.

Для общей устойчивости здания большое значение играет глубина заложения и тип фундамента, а также механические свойства грунтов, податливость основания.

Панельные системы являются предпочтительными для строительства жилых и гражданских зданий высотой 1-25 этажей.

Конструктивные схемы панельных зданий классифицируются по принципу восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок следующим образом:

1. С продольными и поперечными несущими стенами. Плита перекрытия считается опертой по контуру, если наружные сены несущие и по 3-м сторонам, если не несущие. Продольные и поперечные стены воспринимают как вертикальную, так и горизонтальную нагрузки.

2. С поперечными несущими стенами и продольными диафрагмами. Плита перекрытия работает как балочная, опертая на поперечные стены. Вертикальные нагрузки воспринимаются поперечными стенами, горизонтальные нагрузки в продольном направлении – продольными диафрагмами жесткости. Наружные стены этой системы несущие.

3. С продольными несущими стенами. Плита работает как балочная, опертая на продольные стены. Вертикальные нагрузки воспринимаются в основном продольными наружными и внутренними стенами, горизонтальные нагрузки в продольном направлении – также продольными стенами, поперечную жесткость здания обеспечивают диафрагмы жесткости.