Ядродиафрагмовыми (рис. 4.1) называются пространственные несущие системы, в которых горизонтальные нагрузки воспринимаются совместно ядрами и вертикальными диафрагмами. Совместность работы ядер и диафрагм обеспечивается перекрытиями, сопротивляющимися деформированию в своей плоскости.
При действии горизонтальной нагрузки такие несущие системы не только изгибаются в направлении главных осей, но и поворачиваются вокруг вертикальной оси центров жесткостей на угол 0(л:), изменяющийся по высоте здания. При этом ядра и диафрагмы изгибаются и скручиваются. Общий внешний крутящий момент воспринимается их сопротивлением чистому и изгибному кручению, а внешний изгибающий момент—сопротивлением изгибу.
Для расчета таких несущих систем примем следующие предпосылки:
ядра оказывают сопротивление изгибу и чистому кручению, их собственная секториальная жесткость весьма мала в сравнении с секториальной жесткостью всей системы относительно общего центра изгиба;
колонны и ригели не воспринимают горизонтальную нагрузку («связевый» каркас);
диафрагмы не сопротивляются чистому кручению;
на вертикальные несущие конструкции (ядра и диафрагмы) действуют не рассматриваемые в данном расчете вертикальные нагрузки, поэтому растяжение от ветра в конструкциях не возникает, и модуль деформации как в условно растянутых (только от ветра), так и в сжатых. Для определения полного прогиба от горизонтальной нагрузки надо к прогибу (4.14) добавить прогиб от плоского изгиба.
Эпюры в(х) и М,ог(х) идентичны эпюрам N(x) и Qb(x) (см. рис. 3.49) и отличаются от них только масштабом. Из (4.10) следует, что в заделке любого ядра Mtor(H) = 0, что соответствует эпюре Mtor{Qb), но противоречит физической сущности работы ядра. Это противоречие вызвано тем, что в диафрагме не учтен сдвиг, сопровождающий изгиб. Диафрагмы, деформируясь только от изгиба, имеют в заделке а(#)=0, значит и угол поворота всей системы при х = Н должен быть равен нулю. В то же время отдельное ядро, не связанное перекрытиями с диафрагмами, деформируясь при чистом кручении, имело бы некоторый угол поворота в заделке, где внешний крутящий момент Mt максимален.
Чтобы оценить эту неточность количественно, надо в полученном решении учесть деформации сдвига, сопровождающие изгиб как в ядре, так и диафрагмах. Для несимметричных в плане несущих систем это приводит к усложнению расчета, так как поворот за счет изгиба и за счет сдвига происходит вокруг разных центров. Исследования показали, что для высоких зданий эта погрешность очень мала, потому что максимальные значения Мш (в средней зоне по высоте здания) почти не изменяются. Однако в заделке ядер МшфО, хотя его величина относительно невелика.
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.
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.
При проектировании полносборных каркасно-панель-ных зданий с применением типовых конструкций можно применять упрощенные расчетные зависимости и методы, приближенно учитывая ряд факторов, определяющих действительную работу элементов несущей системы, на основании предварительных исследований деформаций и прочности конструкций и стыков. Путь построения практических методов расчёта определяет анализ конструктивных особенностей существующих типовых каркасов.
В гражданском строительстве распространены исключительно связевые каркасы, к которым относятся московский унифицированный каркас и каркас серии ИИ-04, являющийся типовым каркасом всесоюзного применения. На основе каркаса серии ИИ-04 создан связевый каркас серии 1.020-1, в котором реализованы идеи так называемой межвидовой унификации. Каркас предназначен для строительства не только гражданских, но и промышленных зданий. В связи с высокими технико-экоиомическими показателями каркаса серии 1.020-1 было принято решение о дальнейшем его применении путем включения в единую унифицированную систему конструкций для строительства как в районах с обычными, так и с особыми природно-климатическими условиями. Повсеместное внедрение единой унифицированной системы будет осуществлено в 12-й пятилетке.
Каркасы серии ИИ-04 и 1.020-1 отличаются конструктивными решениями, однако с точки зрения расчета здания как пространственной несущей системы и решения вопросов его общей устойчивости эти особенности не существенны, так как все разновидности связевых каркасов можно рассчитывать на основе общего методического подхода.
Главной конструктивной особенностью зданий со свя-зевым каркасом, оказывающей решающее влияние на выбор расчетных моделей и методов, является ограниченная прочность и жесткость стыков ригелей с колоннами (рис. 5.1). В результате все горизонтальные нагрузки, а точнее, все нагрузки, стремящиеся вызвать горизонтальные перемещения здания (горизонтальные перемещения здания и соответствующие горизонтальные реакции дисков перекрытий могут быть вызваны и вертикальными нагрузками), воспринимаются специальными конструктивными элементами—диафрагмами жесткости. Диафрагмы жесткости представляют собой комплексные конструкции, включающие колонны каркаса и установленные между ними специальные стеновые панели, которые соединены с колоннами и между собой сварными стыками (рис. 5.2). Сварные стыки обеспечивают совместную работу элементов диафрагм (колонн, стеновых панелей) при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.
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.
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.
Ядра жесткости, как и другие железобетонные конструкции, должны отвечать требованиям расчета по несущей способности (предельным состояниям первой группы) и по пригодности к нормальной эксплуатации (предельным состояниям второй группы). Расчет по предельным состояниям первой группы должен обеспечивать прочность по нормальным (горизонтальным) и наклонным сечениям столбов (простенков), а также прочность по нормальным (вертикальным) и наклонным сечениям перемычек. Ядра жесткости должны быть проверены на устойчивость положения, т. е. на опрокидывание, рекомендуется принимать Ky = Mi/Mi^ 1,5 (Aft — удерживающий момент, М2 — опрокидывающий момент).
Расчет по предельным состояниям второй группы должен предотвратить чрезмерное раскрытие трещин: непродолжительное раскрытие трещин должно быть не более aCrci = 0,4 мм, продолжительное — airc2 = 0,3 мм.
Расчет по деформациям ядер жесткости должен исключить недопустимые прогибы, принимаемые равными 0,001 высоты здания. Прогибы должны вычисляться от действия горизонтальных и вертикальных нагрузок, а также с учетом деформирования основания.По одной из них ядро жесткости рассматривается в целом как тонкостенный стержень замкнутого сечения, «слабленный оконными и дверными проемами. Обобщен-' ные усилия в таком стержне (продольная сила, изгибающие моменты в двух направлениях, соответствующие им поперечные силы, бимомент) определяются в замкнутом виде интегрально на все поперечное сечение ядра. Напряжения (погонные усилия) в интересующих Точках поперечного сечения находятся по формулам для тонкостенных стержней. Проверка прочности и тре-щиностбйкости сечений производится по формулам норм по бетонным и железобетонным конструкциям.
По другой расчетной модели (дискретнр-кОнтннуаль-ной) ядро жесткости разрезается на отдельные столбы прямоугольной поперечной формы; в местах разрезки в соответствии с дискретно-континуальной расчетной моделью вводятся неизвестные сдвигающие усилия вертикального направления.
Места разрезки ядра на отдельные Столбы совмещаются с рядами оконных и дверных проемов, в необходимых случаях вводятся вертикальные швы в углах ядра, пересечениях стен, местах резкого изменения толщин и т. д.
Усилия в этой расчетной модели отыскиваются из решения систем дифференциальных уравнений (с применением ЭВМ по программе «Авторяд ЕС»).
Проверка прочности и трещиностойкости. столбов и перемычек по найденным усилиям выполняется по формулам норм по бетонным и железобетонным конструкциям.
Несущие элементы со скрытым каркасом предназначены для строительства Многоэтажных жилых и общественных зданий н представляют собой бетонные или железобетонные стеновые панели, усиленные бортовыми стальными элементами — скрытыми колоннами (рис. 6.46).
Стеновая панель может выполняться из тяжелого или конструктивного легкого бетона, например керам-зитобетона. Стальные бортовые элементы выполняются из фасонного или листового проката и соединяются со. стеновой панелью анкерными связями. Внутренние стены со скрытым каркасом могут опираться на фундамент или на колонны первых каркасных этажей.
Горизонтальный стык стеновых панелей со скрытым каркасом выполняется сборно-монолитным: пространство между панелями заполняется монолитным бетоном, а швы между торцами бортовых стальных элементов— цементным раствором (рис. 6.47).
Расчетные модели, используемые при проектировании конструкций многоэтажных зданий со скрытым каркасом, должны учитывать конструктивные особенности отдельных несущих элементов н пространственной несущей системы в Целом (см. гл. 3). ^' Для расчета конструкций зданий со скрытым каркасом рекомендуется применять дискретно-континуальную и дискретные расчетные модели.
При использовании дискретно-континуальной расчетной модели сохраняются основные ее положения, изложенные в гл. 3; при дискретной модели можно пользоваться гл.. 5; .
Выбор расчетной Модели зависит от Стадии проектирования, задач конкретного рас^рта * и конструктивного решения несущей системы.
С целью экономии времени, снижения трудоемкости с сохранением требуемой точности расчет можно вести в два этапа. ;
На первом этапе Статические расчеты здания в целом как пространственной Несущей системы, включающей в себя разнотипные вертикальные конструкции, рекомендуется выполнять по дискретно-континуальной расчетной модели. В большинстве случаев - расчеты, полученные н? первом этапе, могут быть приняты в качестве окончательных.
: В необходимых случаях выполняются расчеты второго этапа с целью определения усилий в зонах их концентрации, для чего рассчитываются фрагменты несущей системы с учетом результатов первого этапа с использованием дискретных расчетных моделей.
Расчет прочности столба стеновых панелей. Расчетные усилия (продольные силы и изгибающие моменты), действующие в нормальном (горизонтальном) сечении столба стеновых панелей, определяются статическим расчетом пространственной несущей системы здания.
Предельные усилия в .горизонтальном сечении (рис. 6.48) находятся с учетом следующих особенностей: - - • ' ■
сопротивление бетона сжатию принимается равным призменной прочности Я» (эпюра напряжений прямоугольная на участке х);
напряжение в более сжатой колонне принимается ие более расчетного сопротивления стали сжатию Ric;
напряжение в менее сжатой колонне принимается равным нулю или сжимающим.
Расчет прочности в нормальном Сечении панели производится в зависимости от соотношения между величиной относительного эксцентриситета е«;==е/А и граничным значением относительного эксцентриситета ет.я=ец/Н; здесь е — эксцентриситет действия продольной силы N относительно центра сечения менее напряженной колонны; е№ — граничный эксцентриситет: продольной силы,. т. е. такой, при котором в.. менее сжатой колонне напряжения равны нулю, а напряжения в бетоне и более сжатой колонне равны предельным.
В целях сокращения потерь тепла в зимний период и поступлений тепла в летний период при проектировании отдельных частей гражданских зданий (наружных стен, перекрытий и др.) необходимо в наружных ограждающих конструкциях утеплитель защищать от воз-духопроницания, применяя для этого бетон, керамзито-бетон с облицовкой керамической плиткой, асбестоце-ментные, алюминиевые и стальные листы. Назначение пароизолирующих материалов — защитить утеплитель от влажности, образующейся в помещении.Таким образом, на основе произведенных расчетов, по показателям следует подобрать материалы и конструкции, теплотехнические качества которых указаны в СНиП II-3-79.
При конструировании панелей наружных стен следует учитывать также сопротивление теплопередаче окон с двойным остеклением раздельного переплета, обеспечивающих сопротивление, равное 0,38 м -К/Вт; с двойным остеклением спаренного переплета — 0,34 м2-К/Вт; с двойным остеклением раздельно-сближенного дерево-металлического переплета — 0,45 м2-К/Вт.
Температуру внутренней поверхности ограждающих конструкций в зоне стыка панелей следует рассчитывать также по указанному СНиП, но принимаемые' конструкции и материалы должны обеспечивать минимальную температуру внутренней поверхности в зоне стыка не менее 8,64 °С, т. е. не превышающей точки росы.
При конструировании, выборе материала панелей и стыков между ними необходимо учитывать данные, влияющие на тепловой режим внутренней поверхности ограждений. По данным практики стык однослойных керамзитобетонных панелей обеспечивает температуру внутренней поверхности стыка равную 9,2 °С; стык трехслойных панелей, утепленных пенопластом ПСБ— 9,53 °С, а утепленных цементным фибролитом — 8,64 °С.
Примыканне к стыку внутренней перегородки увеличивает температуру поверхности в зоне стыка при однослойных панелях с 9,2 до 10,43 °С; при трехслойных, утепленных пенопластом ПСБ — с 9,43 до 10,84 °С, а утепленных цементным фибролитом — с 8,64 до 10,56 °С.
