10.4. Особенности расчета конструкций многоэтажных зданий по предельным состояниям

Предельные состояния в зависимости от их влияния на эксплуатационную пригодность конструкций и оснований подразделяются на две группы:

первая группа – по потере несущей способности и (или) непригодности к эксплуатации;

вторая группа – по непригодности к нормальной эксплуатации.

10.4.1. Первая группа предельных состояний. Потеря устойчивости положения проверяется для здания в целом. Необходим расчет на опрокидывание здания при неблагоприятном сочетании максимально возможной горизонтальной нагрузки с вертикальной нагрузкой (минимальной, полной или частичной). При этом моменты от вертикальных нагрузок следует определять с учетом влияния крена фундамента и общей деформации несущей системы. Эта проверка сочетается с анализом несущей способности основания, с тем чтобы исключить опрокидывание фундамента и его сдвиг (по подошве и глубинный).

Потеря устойчивости формы равновесия проверяется в соответствии с требованиями СНиПа [10] для конструктивной системы в целом и для отдельных ее элементов и частей (например, диафрагмы, яруса колонн) с привлечением методов строительной механики.

Расчетные длины элементов устанавливаются, как правило, из анализа упругой устойчивости системы при узловой вертикальной нагрузке. Для уточнения внутренних усилий в системе иногда используется ее расчет по реформированной схеме, соответствующей реально распределенным расчетным вертикальным и горизонтальным нагрузкам.

Проверка прочности конструкций выполняется для расчетных сечений по всем элементам, узлам и соединениям. В соответствии со СНиПом [10] учитывается упругая или (при известных ограничениях) упругопластическая работа материала. В необходимых случаях вводятся коэффициенты условий работы.

10.4.2.Вторая группа предельных состояний. По второй группе предельных состояний несущие конструкции рассчитывают, чтобы ограничить перемещения и колебания, затрудняющие условия жизни и деятельности людей и нормальную эксплуатацию технических устройств (например, лифтов), снижающие долговечность и эксплуатационные качества ограждающих конструкций (внешний вид, звуко- и теплоизоляция) и влияющие на работу конструктивной системы и ее элементов. Предельно допустимые значения перемещений и характеристик колебаний устанавливаются СНиПом [9] и специальными техническими условиями.

При проектировании необходимо проверить: а) вертикальные статические прогибы элементов перекрытий; б) динамические перемещения конструкций, возбуждаемые при работе оборудования, в соответствии с требованиями санитарных норм; в) общий горизонтальный прогиб конструктивной системы и перекос отдельных ее ячеек; г) линейные горизонтальные ускорения колебаний, вызываемых действием ветра.

Проверка горизонтального прогиба верха здания от средней составляющей нормативной ветровой нагрузки служит инженерной оценкой общей жесткости несущей системы, а также косвенно ограничивает возможное неблагоприятное влияние ее деформированной схемы на внутренние усилия. В СНиПе [9] установлено предельно допустимое значение прогиба в долях от высоты здания , при этом расчетный прогиб вычисляется без учета жесткости заполнения стен и перегородок.

Перекос (точнее, тангенс угла перекоса ) ячеек между соседними ригелями, колоннами, диафрагмами зависит от компоновки и характера работы всей несущей системы (см., например, связевую систему со сплошными диафрагмами на рис. 2.4). Для стен и перегородок, заполняющих ячейки, перекос является вынужденным деформационным воздействием, вызывающим смещение точек их прикрепления, изменение условий опирания и размера стыковых зазоров и дополнительные внутренние усилия. В результате этого в стенах и перегородках появляются трещины, расстраиваются стыки, разрушаются и выпадают стекла. Поэтому перекос должен быть ограничен предельным значением , зависящим от материала и конструктивного решения стен и перегородок. В СНиПе [9] при податливом креплении стен и перегородок к каркасу здания установлено значение , при жестком креплении к каркасу здания стен и перегородок из кирпича, гипсобетона, железобетонных панелей , а при жестком креплении к каркасу здания стен с облицовкой из естественного камня, стен из керамических блоков и из стекла (витражи) .

Если разность деформаций ограничивающих ячейку вертикальных элементов пренебрежимо мала (например, в регулярных рамных системах), то указанные значения характеризуют предельные относительные горизонтальные смещения колонн на высоте одного этажа.

Расчетные значения перекосов допускается вычислять только от действия средней составляющей нормативной ветровой нагрузки, при этом предполагается, что последствия перекосов, вызванных неравномерностью деформаций конструкций от вертикальных постоянных и длительных нагрузок, можно устранить при ремонте в начале эксплуатации здания.

В принципе конструктивное решение стен и перегородок должно быть приспособлено к основной несущей конструкции и ее ожидаемым перемещениям (правильный выбор схемы прикрепления стеновых элементов, характеристик податливости стыков).

Если проектом предусмотрено взаимодействие несущих и ограждающих конструкций в общей работе конструктивной системы (например, в бескаркасных зданиях), то необходим полный ее расчет с определением внутренних сил и проверкой прочности, устойчивости и раскрытия трещин, в том числе для ограждающих элементов. В этом случае отпадает необходимость в ограничении и проверке перекоса ячеек.

В отечественной проектной практике последних лет линейное горизонтальное ускорение колебаний здания, соответствующее нормативной ветровой нагрузке, принимается не более . Реакция человека на колебания индивидуальна и зависит от частоты, амплитуды, формы и продолжительности колебаний, поэтому общее мнение о пороге ощутимых ускорений пока не выработано. В частности, исследованиями, проведенными в связи со строительством зданий торгового центра в Нью-Йорке, была показана возможность превышения ускорения 0,1 м/с² примерно 1 раз в месяц, чему соответствует ветровая нагрузка значительно меньше нормативной (см. п. 2.3.2).