В нижних этажах панельных бескаркасных зданий повышенной этажности нередко размещаются помещения, для которых предпочтительна каркасная схема. Поддерживающие рамы нижнего этажа могут иметь различные схемы и комбинироваться со стенками жесткости (рис. 4.7, а). Несущие, системы такого типа называются комбинированными. Поддерживающие конструкции и вертикальные диафрагмы верхней бескаркасной части здания обычно располагаются в одной плоскости, но могут быть несимметричными.Анализ полученных расчетных формул и выполненных примеров показывает, что при некоторой заданной жесткости всех элементов диафрагмы, с увеличением деформативности рамы и основания раздельных фундаментов уменьшается момент в заделке столбов и увеличивается Л', так как возрастает изгиб связей. При этом увеличиваются отрицательный момент в столбах и зона его распространения. В пределе при шарнирном опирании на колонны момент в заделке столбов равен нулю, а по высоте диафрагмы момент в столбах отрицателен.
В связи с этим работа связей (перемычек) в комбинированной конструкции существенно отличается от их работы в диафрагме с жесткозащемленнымн внизу столбами. Значения кН и ЪВ/Ви, при которых жесткозащем-ленная диафрагма работала бы как два шарнирно связанных столба, в комбинированной диафрагме с податливой рамой приведут к значительным отрицательным моментам и кривизне другого знака по всей высоте диафрагмы.
Приведенные в этом параграфе выкладки и расчетные формулы справедливы и для более простых схем. Например, при неподатливых фундаментах (Sf=oo), при податливых фундаментах, но неподатливых рамах (Bki = Br= со), при опирании столбов непосредственно на раздельные фундаменты и т. п.
При высоте зданий в 40—50 и более этажей эффективным становится размещение основных вертикальных несущих конструкций на периферии плана здания, чем достигается максимальное увеличение момента инерции поперечного сечения несущей системы здания в целом ti, следовательно, предельное увеличение ее общей жесткости. Этой цели служат ростверки, которые вовлекают в работу на горизонтальную нагрузку вертикальные элементы (колонны) периферийной системы. Центрально расположенное ядро служит опорой для ростверков, размещаемых в двух-трех уровнях по высоте здания (рис. 4.8, а). Под влиянием сопротивления ростверков изгибу и сдвигу в периферийных колоннах возникают нормальные силы N (рис. 4.8, б), за счет которых с ядра снимается основная часть внешнего момента, равная Nb (рис. 4.8, в).
Ростверк представляет собой систему перекрестных железобетонных балок-стенок с преднапряженной или жесткой арматурой (рис. 4.9). Верхнюю и нижнюю полки этой коробчатой многозамкнутой конструкции образуют ее перекрытия. Испытания коробчатых железобетонных ростверков, проведенные в МИСЙ им. В. В. Куйбышева, показали, что ростверк деформируется по схеме цилиндрического изгиба. Это оправдывает использование в расчете плоской расчетной схемы. Так как ростверки в отличие от перекрытий и перемычек могут располагаться на различных расстояниях друг от друга по высоте здания,а число их недостаточно для перехода к дискретно-континуальной расчётной модели, то для расчета несущих систем с ростверками удобно принять основную систему метода сил.
Некоторые схемы зданий с подвесными и консольными этажами показаны на рис. 4.11. Как видно из этого рисунка, основными элементами несущей системы таких зданий служат ядро и жесткие ростверки. К последним подвешиваются или на них опираются этажи здания. В первом случае междуэтажные перекрытия, стены н другие конструктивные элементы поддерживаются специальными стальными подвесками, закрепляемыми в ростверках,' во-втором—нагрузка от этажных конструкций передается поддерживающим консольным ростверкам колоннами или несущими внутренними стенами. Наружные стены в таких зданиях выполняются легкими, навесными и не несут нагрузку от перекрытий и вышерасположенных стен.
В зданиях с подвесными и консольными этажами ядра оказываются нагруженными тяжелее, чем в зданиях, рассмотренных в 4.4, так как периферийный несущий каркас не включается в совместную работу с ядром и не разгружает последнее. В то же время, сами ростверки тоже несут полную нагрузку от соответствующего числа этажей (см. рис. 4.11 и рис. 4.4, е).
Поэтому несущие системы, рассматриваемые в настоящем параграфе, требуют при обычном исполнении большего расхода материалов и оказываются более дорогими, чем здания с ростверками.В особенности это относится к зданиям с консольными этажами, в которых консольные ростверки получаются очень тяжелыми и технологически трудно выполнимыми.
Кажущееся преимущество зданий с подвесными этажами, обычно усматриваемое в замене сжатых колонн растянутыми подвесками, в действительности не приводит к экономическому эффекту, так как нагрузка с подвесок передается на сжатое ядро, причем усилие сжатия распределяется по ядру наиболее невыгодно. Например, в ^дании (см. рис. 4.11, а) весь его вес передается сосредоточенным грузом на вершину ядра.
Схема, показанная на рис. 4.11, в, может оказаться выгодной при особом способе возведения и новом конструктивном решении (рис. 4.12). Основная особенность этого способа возведения состоит в том, что готовые, смонтированные на поверхности земли, секции здания высотой по 6—9 этажей поднимаются по цилиндрическому ядру на специальных опорных конических элементах и закрепляются на ядре на проектных отметках (авт. свид. № 853031).
Опорные элементы, имеющие форму конических тонкостенных оболочек, бетонируются пакетом в коническом котловане вокруг заранее возведенного ядра. На первом опорном элементе-краном, передвигающемся по кольцевому рельсовому пути или на гусеничном ходу, собирают конструкции поднимаемой многоэтажной секции здания и производят сантехнические, отделочные и прочие работы либо заготавливают на этажах все необходимое для выполнения этих работ после подъема. Затем опорный элемент с готовой многоэтажной секцией подсоединяется к подъемным тягам, расположенным по периметру ядра, и секция на опорном элементе поднимается на верхнюю проектную отметку. Закрепление поднятой секции к ядру производится с помощью поворотных консолей (рис. 4.13, б), заложенных в ядро при его возведении. После этого тяги опускают вниз для крепления к ним следующего опорного элемента с очередной многоэтажной секцией здания. Далее этот процесс повторяется для каждой следующей многоэтажной секции. Последняя секция (стилобатная) возводится на самостоятельных фундаментах и служит входным вестибюлем.
Число поднимаемых поочередно многоэтажных секций, а значит и общая высота здания определяется только несущей способностью ядра, т. е. его диаметром, толщине ной стенок, классом бетона и армированием, которые могут быть приняты любыми, нужными по расчету: Общая этажность здания не зависит от грузоподъемности устройств, поднимающих отдельные секции, так как секции поднимаются поочередно.
Расход материалов и .трудозатрат на секцию не превышает аналогичных затрат для зданий той же этажности, строящихся на нулевой отметке. Особенность расчета этой конструктивной системы заключается в том, что расчет опорного подъемного элемента, выполняется комплексно с конструкциями поднимаемой секции.
Помимо проверок прочности элементов несущих систем каркасно-панельных зданий, рассмотренных в п. 5.5, необходимо также выполнять проверки обеспеченности конструкций по второй группе предельных состояний, что гарантирует нормальную эксплуатацию здания на всем протяжении срока его службы.Для зданий с типовыми связевыми каркасами серий ИИ-04 и 1.020-1 сложилась традиция проверять прогиб от деформаций несущих конструкций и от деформаций податливого основания в отдельности, принимая допустимое значение для каждой из этих величин, равной /adm = 0,001 Я (где Я— высота здания). При этом прогибы вычисляются только от кратковременных нагрузок.
Критерий (5.64) неоднократно подвергался критике, поскольку он не имеет строгого обоснования и не регламентирован нормативными документами. Выдвинуты предложения по замене условия (5.64) иными показателями, например, контролем перекосов несущих конструкций. Перекосы конструкций приводят к изменению длин диагоналей конструктивных ячеек вследствие углов наклона диафрагм жесткости. Они зависят также от размеров ячеек и их положения в здании. Перекос ячейки как показатель второго предельного состояния имеет достаточно четкое физическое содержание—при чрезмерных перекосах возможны нарушения эксплуатационных функций наружных стен и перегородок здания: раскрытие швов, в результате которого частично или полностью теряется изоляция помещений; появление дефектов, не отражающихся на несущей способности здания, но требующих ремонта и т. п. Однако, чтобы пользоваться данным критерием, необходимо иметь полную информацию о допустимых значениях перекосов для различных видов ограждающих конструкций и их стыков, которая в настоящее время отсутствует и может быть накоплена только в результате обширных специальных исследований. Проверку перемещения верха здания следует производить по формуле (5.64), рассматривая ее как комплексный эмпирический критерий обеспеченности всех элементов конструктивной системы здания по второй группе предельных состояний.
Действующими нормами проектирования строительных конструкций предусмотрено ограничение ускорения свободных колебаний верхних этажей зданий. Методы определения ускорений описаны в гл. 3 и могут непосредственно применяться при расчете каркасно-панельных зданий. Контроль ускорений необходим только для ответственных и очень высоких зданий.
На основе изложенных (см. пп. 5.2, 5.5) алгоритмов в ЦНИИЭП торгово-бытовых зданий и туристских комплексов разработана программа ПРИКАЗ автоматизированного расчета здания со связевым каркасом серии 1.020-1. Программа оформлена в качестве стандартной и передана в отраслевой фонд алгоритмов и программ Госгражданстроя (шифр 1 -009). Программа осуществляет статический расчет пространственной несущей системы здания н необходимые проверки прочности конструктивных элементов. Расчетная схема здания подготавливается на основе конструктивной. При составлении расчетной схемы принята следующая терминология:
отдельно стоящая диафрагма — конструкция, состоящая из сборных или монолитных столбов, связанных сварными стыками или надпроемными перемычками. Отдельно стоящие диафрагмы объединены дисками перекрытий в пространственную несущую систему;
столб — вертикальный элемент диафрагмы. В качестве столбов рассматриваются колонны, ряды глухих стеновых панелей или простенков панелей с проемами;
шов — вертикальный ряд сварных стыков или перемычек;
двухколонная диафрагма — конструкция, состоящая из двух колонн и стенового заполнения. Обозначение введено потому, что в программе предусмотрены проверки прочности только плоских двухколонных диафрагм.
В программе предусмотрено, что на фундамент может опираться одна или несколько отдельно стоящих диафрагм. На расчетной схеме выполняется нумерация столбов, швов, отдельно стоящих диафрагм и фундаментов. Характеристикой столбов служат длина и ширина поперечного сечения и модуль упругости материала. По указанным признакам столбы делятся на типы.
Для описания здания применяется ортогональная система координат, оси которой направляются по разби-вочным осям плана здания. Программа имеет следующие ограничения: количество столбов и швов должно быть не более 80; вариантов вертикальных загружений — не более 2; вариантов горизонтальных загружений — не более 6; двухколонных диафрагм, проверяемых по прочности — не более 40; угловых точек плана здания — не более 25; фундаментов под диафрагмы жесткости — не более 30; отдельно стоящих диафрагм — не более 30; типов столбов — не более 40.
Коэффициенты жесткости фундаментов должны быть пропорциональны жесткостям, опирающихся на них диафрагм (с погрешностью до 20%). Все этажи здания должны иметь одинаковую конструктивную схему, при этом проемы в стенах должны быть расположены одинаково во всех этажах. Характеристики столбов не должны меняться по высоте. Допускается считать характеристики одинаковыми, если они различаются не более чем на 30%, при этом в расчет вводятся характеристики, соответствующие нижнему сечению.
Программа разработана на языке PL/1 для ЕС ЭВМ в системах программирования ДОС и ОС ЕС. Программа использует основную память объемом 250 Кбайт. Внешняя память программой не используется. Время счета одной задачи составляет в среднем 5—10 мин. Все расчеты выполняются для нескольких (обычно — восьми) комбинаций вертикальных и горизонтальных нагрузок. Необходимое количество загружений и их содержание определяется расчетчиком, исходя из конкретных особенностей задачи.
Наружные стены по характеру работы под нагрузкой могут быть навесными и несущими. Несущими называются стены, которые помимо вертикальной нагрузки от собственного веса воспринимают и передают на фундамент нагрузки от смежных конструкций (перекрытий, покрытий и пр.). Навесными называются стены, которые полностью передают нагрузку от собственного веса в уровне каждого этажа на несущие конструкции зданий.
Прочность панельных стен следует, как правило, обеспечивать прочностью бетона без учета сопротивления арматуры. Усиление стен расчетной арматурой допускается производить на участках, ослабленных примыкающими проемами, или же при необходимости сохранения в нижних этажах принятой для зданий толщины стен, если это технологически или экономически не обеспечивается выбором бетона необходимого класса.
Стеновые панели, прочность горизонтальных сечений которых ббеспечивается только сопротивлением бетона, называются бетонными; панели, прочность горизонтальных сечений которых обеспечивается совместно сопротивлением бетона и арматуры,— железобетонными.
Ненесущие (навесные) стены выполняются из панелей однослойной, двухслойной и трехслойной конструкций. Многослойные панели предпочтительнее однослойных, так как они обеспечивают лучшее сопротивление теплопередаче. В связи с этим приведенные затраты на стены из трехслойных панелей меньше, хотя изготовление трехслойных панелей более трудоемко; в них также меньше расход бетона, чем в однослойных. Кроме того, многослойные панели позволяют почти полностью исключить влияние температурного перепада на внутренние несущие конструкции здания. Для этой цели соединение слоев панели должно быть податливым, допускающим независимую температурную деформацию наружного слоя.
Навесные стеновые панелн, не участвующие в работе несущей системы многоэтажного зда«ия в целом-, рассчитываются на Действие усилий, возникающих при изготовлении, транспортировании и монтаже; в готовом здании панели и их соединения с другими элементами несущей системы должны воспринимать собственный вес, ветровую нагрузку (ветровой напор и отсос), а также температурные й Сейсмические воздействия.
Внутренние стены проектируются Несущими или ненесущими; ненесущая внутренняя стена называется перегородкой.
В несущих стеновых панелях площадь поперечного сечения вертикальной и горизонтальной арматуры у каждой из сторон должна быть в среднем не менее 0,2 см2/м соответствующего сечения панели. Конструктивно бетонные панели внутренних стен армируются пространственными блоками, собираемыми из плоских или гнутых вертикальных и горизонтальных каркасов.Железобетонные панели, прочность которых обеспечивается совместно сопротивлением бетона и арматуры, армируются поперечными вертикальными каркасами, располагаемыми с шагом не более 400 мм. Внутренние стеновые панели опираются друг на друга с помощью стыков различной конструкции (рис. 6.2).
Платформенное опирание применяется при сплошных панелях перекрытий. При больших нагрузках на стык или при пустотных перекрытиях применяются контактные стыки с консолями или монолитные и комбинированные контактно-платформенные и комбинированные монолитно-платформенные стыки. В монолитных стыках крайние ребра многопустотных плит перекрытий образуют пальцы, опирающиеся иа стеновые панели. Эти пальцы рассчитываются на собственную массу плиты и монтажную нагрузку.
Конструкции междуэтажных перекрытий должны от-" вечать требованиям прочности, жесткости, трещино-стойкости, огнестойкости, изоляции от воздушного и ударного звуков, быть эффективными в технико-экономическом отношении. Междуэтажные перекрытия состоят ,;из несущей части и пола.
Несущая часть проектируется из плоских (сплошных или пустотных) железобетонных плит — панелей с предварительным напряжением арматуры или без предварительного напряжения.
Размеры панелей принимаются максимально допустимыми По условиям изготовления, транспортирования и монтажа. При этом определяющими расход арматуры должны быть эксплуатационные усилия, поэтому число и расположение монтажных петель для строповки должно исключать необходимость дополнительного армирования иа монтажные и транспортные воздействия.
Панели перекрытий могут опираться на две, три и четыре стороны (по контуру). Соответственно этому обусловливается степень работы плиты в двух направлениях; наиболее экономичной будет панель, опирающаяся по контуру (при прочих одинаковых условиях).
На изгиб от вертикальной нагрузки, если специальными мерами не гарантировано защемление или не-разрезность, перекрытие рассчитывается как свободно (шарнирно) опертое, в том числе и при наиболее распространенном в панельных зданиях опирании — платформенном (см. рис. 6.2). Последнее объясняется тем, что возможны случайные эксцентриситеты в соседних стенах, направленные друг к другу, и, следовательно, создающие положительный момент в пролете перекрытия.
Наибольшее распространение в практике многоэтажного строительства получили сборные сплошные (рис. 6.6 и 6.7) и круглопустотные (рис. 6.8) панели перекрытий, для выпуска которых создана мощная база стройинду-стрии. В последнее время осваивается выпуск и применение панелей перекрытий безопалубочного формования, отличающихся пониженной металлоемкостью и трудоемкостью изготовления (рис. 6.9) по сравнению с производимыми по традиционной технологии.
Панели перекрытий в нееущей системе многоэтажного здания рассчитываются, в первую очередь, иа действие вертикальных нагрузок (собственный вес панелей, вес пола, временная нагрузка и т. д.), которые в большинстве случаев могут рассматриваться как равномерно распределенные по площади или приводиться к таковым. С точки зрения воспринятая перекрытиями силовых воздействий можно определить три уровня сложности расчетов.
На первом уровне панель нерекрытия рассматривается отдельно, вне связи ее с другими элементами несущей системы; панель рассчитывается на действие нагрузок, приложенных непосредственно к ней. Для этого уровня работы панелей в рабочих чертежах на них указываются требования по прочности, трещиностойкости и жесткости, которые обеспечиваются средствами не-разрушающего контроля или проверяются силовыми загружениями отдельных панелей.
На втором уровне панель перекрытия рассматривается как часть перекрытия одного этажа в неразрывной связи с другими однотипными панелями и другими элементами перекрытия. На действие вертикальных нагрузок рассчитывается целый фрагмент перекрытия с учетом совместной работы отдельных элементов.
На третьем уровне перекрытия в целом считаются составными элементами всей несущей системы многоэтажного здания, воспринимающего вертикальные и горизонтальные нагрузки. При этом перекрытия, в зависимости от целей расчета, могут идеализироваться и рассматриваться абсолютно жесткими в своей плоскости и гибкими из плоскости (например, при расчетах несущей системы на действие горизонтальных нагрузок). По мере развития теории расчета несущих систем многоэтажных зданий перекрытия вводятся в расчет с реальными характеристиками жесткости в плоскости и из плоскости.
Расчеты перекрытий на изгиб вертикальными нагрузками могут быть отнесены к первому уровню сложности.
При расчете различают перекрытия, работающие на изгиб из плоскости в одном и двух направлениях (рис. 6.10).
Если панель оперта только по двум противоположным сторонам или по четырем сторонам при соотношении сторон панели h:l> 3, то она рассчитывается как работающая в одном направлении вдоль пролета U по балочной схеме (см. рис. 6.10,а). В этом случае вырезается расчетная полоса единичной ширины с пролетом 1, усилия в которой вычисляются по элементарным формулам и расчет сечений выполняется по нормам проектирования железобетонных конструкций.
В многоэтажных зданиях перекрытия выполняют роль горизонтальных диафрагм жесткости. Они объединяют вертикальные конструкции в единую, не изменяемую в плане, пространственную несущую систему и распределяют горизонтальные нагрузки между отдельными конструктивными элементами.
В панельных зданиях панели перекрытий размером на комнату непосредственно связывают между собой внутренние й наружные стеновые панели через горизонтальные стыки (см. рис. 6.2).
каркасных зданиях перекрытия собираются из панелей и ригелей, опирающихся на колонны. В этоы! случае жесткость диска перекрытая обеспечивается за-моноличиванием швов между панелями и между панелями и ригелями. Кроме того, вводятся специальные межколонные плиты-распорки, снабженные закладными деталями, которые свариваются между собой (рис. 6.11, 6.12). Такой диск перекрытия способен воспринимать сдвигающие и растягивающие усилия, возникающие в плоскости диска от ветровой и сейсмической нагрузок, температурных воздействий и т. д.
Сдвигающие усилия в диске перекрытия воспринимаются шпоночным соединением по межплитным швам (рис. 6.13), которые заполняются цементно-песчаным раствором марки 250. Растворные Нтонки при усилиях сдвига мОгут разрушаться от смятия по площадкам а — а или от среза по ЛНниям б — б. Выбирая геометрические параметры шпонок (глубину, диаметр, шаг шпонок по длине межплитного шва)> можно расчетом обеспечить воспринятое требуемых усилий сдвига.
Усилия растяжения воспринимаются деталями соединения (см. рис, 6.12), которые рассчитываются по нормам на бетонные и железобетонные конструкции.
С внедрением в практику строительства панелей перекрытий безопалубочного формования (см. рис. 6.9) задача обеспечения прочности дисков перекрытий потребовала специальных экспериментальных и теоретических исследований.
Технология безопалубочного (непрерывного») формирования исключает устройство поперечных шпонок по продольным боковым граням панелей и установку закладных деталей и арматурных выпусков.
Сдвигающие усилия могут также восприниматься растворными швами, которые находятся в условиях частичного обжатия и обладают определенной несущей способностью. Для воспринятия растягивающих усилий в состав диска перекрытия, собранного из плит безопалубочного формования, могут вводиться межколонные плиты-распорки обычного изготовления (с закладными деталями); возможно устройство стальных затяжек по линиям перепендикулярным направлению ригелей, соёдиняющих соседние колонны. Наиболее простое и экономичное решение представлено на рис. 6.14. Конструкция (см. рис. 6.14,а) была проверена на иатуриых экспериментальных дисках и показала достаточную несущую способность. Конструкция (см. рис. 6.14,6) может выполнять ряд функций: воспринятие растягивающих усилий в дисках, поперечных сил в опорных зонах панелей при вертикальных нагрузках и изгибающих опорных, моментов, обеспечивая иеразрезность плит перекрытий.
