30. Конструктивные схемы каменных зданий и особенности их расчета

В зависимости от конструктивной схемы здания каменные стены делятся на: несущие, воспринимающие кроме нагрузок от собственного веса нагрузки от покрытий, перекрытий, кранов и т. п.; самонесущие, воспринимающие нагрузку толь­ко от собственного веса стен всех этажей здания и ветровую на­грузку; ненесущие (в том числе навесные), воспринимающие только нагрузку от собственного веса и ветра в пределах одного этажа или одной панели каркасных зданий при высоте этажа не более 6 м; при большей высоте этажа стены этого типа отно­сятся к самонесущим.

По степени пространственной жесткости различа­ют здания с жесткой конструктивной схемой и здания с упругой конструктивной схемой.

Конструктивная схема определяется расстоянием l_ст между поперечными вертикальными устойчивыми конструкциями и жесткостью (неподвижностью) горизонтальных опор.

К зданиям с жесткой конструктивной схемой относятся в большинстве случаев гражданские здания, в которых при расчете на горизонтальные нагрузки, внецентренное и центральное сжа­тие несущие каменные стены и столбы рассчитывают как верти­кальные балки, опирающиеся в горизонтальном направлении на жесткие опоры (покрытия и междуэтажные перекрытия) при расстоянии между поперечными устойчивыми конструкциями.

Жесткими (неподвижными) горизонтальными опорами могут служить пояса, фермы, связи и железобетонные обвязки, рассчи­танные по прочности и по деформациям на восприятие горизон­тальной (ветровой) нагрузки, передающейся от стен.

Жесткими вертикальными опорами являются поперечные устойчивые конструкции (каменные и бетонные стены толщиной не менее 12 см, железобетонные — толщиной не менее 6 см, контрфорсы, поперечные рамы с жесткими узлами и другие кон­струкции, рассчитанные на восприятие горизонтальной нагрузки от примыкающих к ним стен).

Расчет на внецентренное сжатие и изгиб из плоскости. В зда­ниях с жесткой конструктивной схемой стены и столбы рассчиты­вают на вертикальные и горизонтальные ветровые нагрузки с учетом их возможного сочетания как вертикальные неразрезные многопролетные балки, опертые на неподвижные опоры — пере­крытия (рис. 72, а). Нагрузки в пределах рассматриваемого этажа считаются приложенными с фактическими эксцентрисите­тами относительно центра тяжести сечения стены или столба с учетом изменения сечения стены в пределах этажа и ослабления горизонтальными и наклонными бороздами.

Изгибающие моменты учитываются от вертикальных и гори­зонтальных (ветровых) нагрузок, приложенных в пределах рас­сматриваемого этажа, а также от вертикальных нагрузок выше­расположенных этажей, если сечение стены изменяется в уровне перекрытий над данным этажом или в пределах рассчитываемого этажа.

Основные расчетные формулы для определения в сечении стен (столбов) нормальных сил и изгибающих моментов при при­нятой (рис. 72, б) расчетной схеме от вертикальных нагрузок приведены в табл.20.

Изгибающие моменты в сечении наружной стены от горизон­тальной ветровой нагрузки (рис. 72, в) определяются в пределах каждого этажа (за исключением верхнего) как для балки с заде­ланными концами по формуле

M=±qH²_эт/12, (1)

где q — ветровая равномерно распределенная в пределах рас­сматриваемого этажа нагрузка, приходящаяся на 1 м высоты стены; Hэт — высота этажа (пролет балки). Для верхнего этажа верхнюю опору балки считают шарнирной.

Расчет стен или столбов обычно начинают с верхнего этажа. При определении усилий, действующих на стену в пределах рас­сматриваемого этажа, учитывают: расчетное опорное давление перекрытия над рассматриваемым этажом Р₁, приложенное в уровне низа этого перекрытия с эксцентриситетом е₁ относитель­но центра тяжести сечения стены; сумму всех расчетных нагру­зок N на стену, расположенных выше рассматриваемого этажа, с включением продольного усилия от действия ветровой нагруз­ки (если она учитывается в расчете), приложенную в уровне ни­за перекрытия над рассматриваемым этажом с эксцентриситетом е₂ относительно центра тяжести сечения стены; расчетный соб­ственный вес участка стены между рассматриваемым сечением и первым расположенным выше этажом Рс.в, приложенный в цен­тре тяжести этого участка стены (см. рис. 73 и табл. 20).

Изгибающие моменты М в рассчитываемых сечениях стены изменяются от максимального значения на уровне низа верхнего перекрытия до нуля на уровне низа нижнего перекрытия и опре­деляются по принятой статической схеме (рис. 72, б).

Несущая способность стены в пределах этажа должна опре­деляться для сечения под балкой (прогоном) верхнего перекры­тия, где изгибающий момент обычно наибольший, а влияние про­дольного изгиба не сказывается — в этом сечении, как опорном, коэффициент продольного изгиба равен 1.

При статическом расчете каменных стен и столбов зданий с упругой конструктивной схемой выделяют один ряд поперечных конструкций между средними осями пролетов зданий и рассмат­ривают рамную систему. Стойками рамы являются стены и стол­бы, которые принимаются заделанными в грунт в уровне пола здания (при наличии бетонного подстилающего слоя под полы и отмостки), а конструкция покрытия (ферма, прогон) —ригелем, шарнирно связанным со стойками (рис. 77).

Стены и столбы зданий с упругой конструктивной схемой рас­считывают с учетом разных условий их работы, соответствующих двум стадиям готовности здания.

В первой стадии, когда стены и столбы возведены, а перекрытия или покрытия еще не установлены, расчет выполня­ется с целью определения необходимости установки временных креплений, чтобы не увеличивать сечений стен и столбов сверх требуемых для законченного здания. При этом изгибающие мо­менты М и продольные силы N в опасных сечениях определяют, как для консольных стоек, заделанных в грунт, на которые дей­ствуют собственный вес, ветровые нагрузки, вес некоторых видов -оборудования (рис. 78,a).

Опасными сечениями обычно являются верхние и нижние се­чения каждой ступени стойки сечения (/—/, //—//, ///—/// стен, конструкция которых показана на рис. 78, а). При действии соб­ственного веса и равномерно распределенной ветровой нагрузки изгибающие моменты и продольные силы в опасных сечениях определяются по формулам:

в сечениях I—I и //—//

N_I-I=N_II-II=Q_н;

где Q_H и Q_П — соответственно вес надкрановой (выше сечения II—II) и подкрановой (между сечениями Ш—/// и //—//) части стены; h3 и Н — соответственно высота надкрановой части стены и всей стены; е — расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего сечений стойки; q — ветровая нагрузка (напор или от­сос) на 1 погонный метр стоек поперечной рамы, собранная с ши­рины стены, равной шагу поперечных конструкций.

Ветровую нагрузку q принимают равномерно распределенной для стоек высотой до 10 м.

Подсчитав для каждого сечения продольную силу и изгибаю­щий момент от всех нагрузок, определяют суммарные усилия М и N, опасные для прочности рассматриваемого сечения, т. е. со­ставляют основные или особые сочетания следующих усилий:

1) наибольший положительный момент Ммакс и соответствую­щее ему продольное усилие N_COOТ;

2) наибольший отрицательный момент М_Мин и соответствую­щее ему значение N_Cooт,

3)наибольшая нормальная сила N_макс и соответствующее ей значение М_СООт.

Получив в сечении момент и соответствующую этому моменту нормальную силу в зависимости от эксцентриситета е₀, проверя­ют его несущую способность, учитывая длительное действие на­грузки.