Конечно, речь не идет, предположим, о растеске оконных проемов Поганкиных надаг в Пскове из-за того, что их нынешние окна не обеспечивают достаточной естественной освещенности. Но замена окон столярной работы прошлых веков в обычном здании гражданской архитектуры окнами индустриального изготовления с лаконичным рисунком переплетов, не повторяющим оригинал, а учитывающим только императив композиционных соображений «hic et mme» («здесь и сейчас» -лат.), на наш взгляд, полностью допустима и должна быть освобождена от давления догм, какую бы высокую культурную цель они ни преследовали.
Бесспорно, форма и размер оконных проемов, рисунок переплетов отражают технические и стилистические особенности архитектуры своей эпохи, и составляют неотъемлемую часть художественного образа здания. И это относится не только к таким окнам, форма которых представляет наиболее активный элемент фасада (архитектура готики или модерна ), но и к окнам «рядовым», претендующим не более чем на утилитарную роль, ибо стилистическая целостность формируется гармонией художественных акцентов и фонового ряда.
Подобные обстоятельства и составляют основу соображений, табулирующих для реконструируемых зданий модернизацию формы и конструкции оконных проемов, хотя последние наиболее выпукло демонстрируют факт обновления функционального и комфортного содержания здания, да и весьма немногие архивные проекты имеют разработку оконных кадров — во всяком случае ни в увражах А.Палладио, ни в архитектурных альбомах М.Казакова нет и намека на рисунок переплетов. И, возможно, беспереплетное остекление окон в реставрируемых зданиях и есть наиболее тонкий и точный ответ на вопрос о стилистическом соответствии окна проектной идее в целом. Очевидно, впрочем, что стандартных рецептов в стилистических играх при разработке проектов реставрации или приспособительной реконструкции не существует.
При всем том достаточная технологическая гибкость в индустриальном производстве оконных конструкций в принципе может обеспечить имитацию любых форм и материалов. Но возникает вопрос, нужны ли эти эстетизированные упражнения человеку современного менталитета, уже с иронией воспринимающего ностальгические эксперименты в архитектуре, к тому же недостаточно грамотные? И не будет ли лучшим доказательством преемственности в архитектуре просвечивающий сквозь новые окна исторического фасада деловой интерьер современного офиса.
Решение, подсказанное конкретной ситуацией, созревает при творческом суммировании исходной информации с оценкой культурно - исторического статуса сооружения, функционального задания и профессионального такта проектировщиков.
Одним из характерных признаков современной строительной деятельности является реконструкция сложившейся застройки, особенно актуальная в городах, фокусирующих деловые интересы в центральных кварталах исторической застройки высокой плотности. Основное требование городских властей (в архитектурном аспекте) к арендаторам исторических зданий - их реставрация (реконструкция) в состояние, адекватное времени их сооружения. Идеалистичность этого требования очевидна, так как длительному времени существования здания сопутствовали многочисленные перестройки, перепланировки, перебивки декора и изменения окраски фасада, имеющие в ряде случаев не меньшую историческую ценность, чем стартовый вариант его архитектуры. Эта ситуация предоставляет возможности как для волевых действий, так и внимательного подбора такого решения, которое позволит вписать сооружение в стилистический комплекс городского ансамбля безотносительно сложившимся стереотипам реставрационных кодексов.
Произошел перелом в эстетической трактовке «новоделов» — благодаря ряду удачных архитектурных решений, в т. ч. реконструкции Павелецкого вокзала в Москве, где был использован и развит архитектурный код здания дореволюционной постройки.
Выяснение отношений с формальными параграфами реставрационных канонов имеет смысл для преодоления предпроектных препятствий в работе с объектами, имеющим статус памятника архитектуры. Приспособительные работы по таким объектам нередко наталкиваются на невозможность обеспечения современных комфортных условий в их интерьерах без радикальной перепланировки.
Для описания конструктивных решений оконных профилей из ПВХ необходимо дать определение профильной системы или, в более распространенном варианте терминологии, — оконной системы.
Как и в любой строительной технологии, в данном случае под «системой» понимается определенная номенклатура изделий заводского изготовления, предназначенная для решения специализированных задач. В строительстве хорошо известны такие понятия как «система панельного домостроения», «система навесных фасадов», «системы «сухого строительства» ТИГИ КНАУФ» и т.п. При этом, чем больше изделий заводского изготовления применяется при проведении строительных работ, тем меньше трудозатраты непосредственно на стройплощадке. Кроме того, развитая номенклатура изделий позволяет удовлетворить широкий спектр архитектурных и конструктивных решений. Иными словами в определение «система» всегда закладывается определенная идеология, призванная удовлетворить сложную совокупность требований, начиная от решения архитектурно-композиционных задач и заканчивая организацией строительного производства.
Все развитые оконные системы включают в себя как профили, предназначенные непосредственно для изготовления окон - рамы, створки, импоста и штапика, так и профили, позволяющие осуществить эффективный и качественный монтаж оконного блока в проеме. Профили рамы, створки, импоста и штапика, а также профили для распашных безимпостных окон (в некоторых источниках - профили с нащельной манжетой (штульпом) или упорной планкой - так называемые штульповые профили) относятся к группе основных профилей, которые формируют базу любой профильной системы. Все крупные производители выпускают по 5—7 наименований основных профилей каждого вида, что позволяет проектировщику учитывать требования архитектуры, статики и теплотехники для различных климатических районов, в зданиях различной этажности и ориентации. При этом в зависимости от архитектурной композиции и расчетных нагрузок, основные профили устанавливаются в окне в различных комбинациях. На рис. 2.2 показана таблица основных профилей системы VEKA SOFTLINE AD, дающая наглядное представление об их возможном разнообразии.
Все профили, отличные от основных и выпускаемые определенным производителем в рамках конкретной системы, относятся к группе дополнительных профилей. Дополнительные профили в каждой оконной системе отличаются многообразием, в силу чего достаточно сложно поддаются классификации. Однако, по функциональному назначению можно принципиально выделить несколько групп наиболее распространенных профилей.
К первой группе относятся профили, служащие для обеспечения качественного и технологичного монтажа оконного блока в существующем проеме. К ним относятся подставочные профили, нащельники, удлинители (доборные профили) и облицовочные профили.
Вторую группу дополнительных профилей образуют профили, набор которых определяет гибкость и разнообразие архитектурных решений, возможных в рамках данной системы. К этой группе относятся штапики, соединители, всевозможные декоративные накладки, а также поворотные профили.
В особую группу функционально занимающую промежуточное положение между основными и дополнительными профилями, следует выделить реставрационные профили и усилители.
Несущая система многоэтажного здания образуется вертикальными несущими конструкциями, объединенными в единую пространственную систему с помощью горизонтальных несущих конструкций — перекрытий здания. На рис. 3.1 показана несущая система многоэтажного здания, образованная разнотипными вертикальными конструкциями, а на рис. 3.2 — основные типы плоских вертикальных несущих конструкций. В высоких зданиях эти конструкции иногда объединяют в пространственные ядра-стволы, возводимые обычно из монолитного бетона в скользящей или переставной опалубке. Как видно из рис. 3.2, вертикальные несущие конструкции состоят из вертикальных элементов (столбов, колонн) и связей, соединяющих эти элементы по вертикальным швам: сваренных между собой закладных деталей или выпусков арматуры, бетонных шпонок, выступов перекрытий, ригелей рам с жесткими узлами, перемычек или участков перекрытий над проемами между столбами бескаркасного здания и т. п. Эти связи являются связями сдвига, так как они препятствуют взаимному сдвигу смежных элементов по вертикальным швам.
Несущие конструкции, имеющие один вертикальный шов и, следовательно, один ряд связей сдвига, называются одиосвязными, два ряда связей — двухсвязными и т. д. (см. рис. 3.2). Если бы связи были шарнирными, то каждый столб деформировался бы самостоятельно (рис. 3.3,а), а связи, поворачиваясь без сопротивления, оставались бы горизонтальными. Реальные связи всегда сопротивляются изгибу и сдвигу и тогда столбы деформируются так, как показано на рис. 3.3,6. В уровнях соединения связей со столбами возникают местные моменты и перерезывающие силы.Несущая система многоэтажного здания может быть схематизирована различными расчетными моделями: дискретными, континуальными и дискретно-континуальными. В дискретных моделях сохраняется дискретное расположение связей и вертикальных элементов, заданное в действительной несущей системе, но дискретизация обычно углубляется членением элементов на более мелкие участки (метод конечных элементов, метод сосредоточенных деформаций) или заменой континуума стержневой решеткой. Расчет несущих систем в целом на основе этих моделей требует решения систем алгебраических уравнений весьма высоких порядков, что затрудняет пока применение этих моделей.
Континуальные модели рассматривают здание как сплошную многостенчатую призматическую оболочку с вертикальной или горизонтальной осью. Эти расчетные модели находят применение только при расчете ядер-стволов и объемно-блочных зданий, однако наличие проемов вынуждает прибегать к специальным мерам приведения модели к заданной системе (см. гл. 4).
В дискретно-континуальных моделях сохраняется заданное дискретное расположение вертикальных элементов несущей системы, но сосредоточенные связи заменяются континуальными, т. е. непрерывно распределенными по высоте здания (рис. 3.4,а,б).
Так как обычно несущая система монотонна' по высоте, то расстояние между действительными сосредоточенными связями и жесткости этих связей равны во всех этажах. Следовательно, погонная податливость (жесткость) распределенных связей будет постоянна по высоте здания для каждого вертикального шва (при линейной постановке расчета).
В элементах несущей системы многоэтажного здания усилия определяются исходя из принятой расчетной модели здания и заданных нагрузок и воздействий.Так как все элементы несущей системы взаимосвязаны и работают солидарно,— усилия в них должны определяться из комплексного расчета всей несущей системы в целом, при податливом основании — с учетом совместных деформаций системы: здание — основание.
Нормативные документы регламентируют нагрузки и воздействия. Однако отметим, что бывают особые случаи, специфичные для многоэтажных зданий, требующие дополнений к указаниям СНиП
Полная вертикальная нагрузка в жилых и общественных зданиях складывается из собственного веса конструкций и полезной нагрузки — веса людей, мебели, снега. Так как вероятность одновременного загружения всех междуэтажных перекрытий полезной нагрузкой уменьшается с увеличением этажности здания, нормы СНиП разрешают снижать полезные нагрузки при расчете вертикальных элементов и фундаментов. Однако, согласно СНиП, это снижение различно для разных этажей, что осложняет расчет многоэтажной несущей системы в целом, так как с изменением рассчитываемого уровня х меняется временная нагрузка на всех вышерасположенных перекрытиях. Кроме того, для расчета несущей системы с учетом сопротивления связей надо знать нагрузку не только выше, но и ниже рассчитываемого уровня, о чем в СНиП ничего не говорится.
Анализ временной нагрузки для гражданских зданий разной этажности* (с учетом ее снижения по СНиП) показывает, что она составляет не более 7% полной вертикальной нагрузки, приходящейся на столбы, колонны, фундаменты здания. Поэтому можно рекомендовать для расчета несущих систем жилых и гражданских зданий разной этажности принимать одинаковое для всех уровней значение коэффициента снижения т].
Консольная модель является частным случаем дискретно-континуальной модели, когда все связи между вертикальными элементами несущей системы предполагаются шарнирными или бесконечно жесткими (рис. 3.8). Эта модель условна, так как в действительности реальные связи всегда обладают некоторой конечной жесткостью, однако консольная модель проста и знакомство с ней необходимо для понимания более сложных задач расчета.
Вертикальные диафрагмы каркасных зданий или столбы несущих стен панельных зданий способны воспринимать нагрузку как консоли, защемленные в основании. Отсюда и название консольная модель. В этой модели (см. рис. 3.8) шарнирные связи заменяют действие перекрытий, перемычек, ригелей и других реальных связей, обеспечивая неизменяемость контура поперечного сечения несущей системы и равенство горизонтальных перемещений всех ее вертикальных элементов при плоском изгибе.
При произвольной нагрузке и несимметричном плане многоэтажного здания полное перемещение его горизонтального сечения (рис. 3.9, а) складывается из четырех компонентов: поступательных смещений v и w по направлению осей Y и Z, поворота в плоскости. YZ и депланации около плоскости YZ (вследствие продольных деформаций вертикальных элементов, подвергающихся изгибу).
Ввиду неучета связей сдвига депланация происходит без сопротивления и, следовательно, не создает усилий в несущей системе, поэтому в данном расчете она не рассматривается. Сопротивление оставшимся трем компонентам полного перемещения оказывают только каркасные диафрагмы (или панельные столбы в бескаркасном здании), консольно защемленные в фундаменте. Для их расчета достаточно знать распределение между ними общей внешней нагрузки.
Трещинообразование в перемычках начиналось при нагрузке, составляющей примерно 20% разрушающей для всего ядра, в то время как наклонные трещины в столбах моделей появились непосредственно перед ее разрушением. Появление трещин в перемычках привело к существенному увеличению деформативности моделей и перераспределению внутренних усилий.
Перемычки, как и иные связи сдвига, в процессе возрастания общей внешней нагрузки на несущую систему, деформируются по полной диаграмме Q — б, включая ее нисходящую ветвь (рис. 3.30).
После перехода через Qmax снижение перерезывающей силы в перемычке происходит постепенно, вследствие чего она еще долго продолжает участвовать в общей работе несущей системы здания. Наиболее полные диаграммы можно ожидать в тех перемычках или связях, в которых трещины появились в первую очередь. По мере перехода на нисходящую ветвь остальных перемычек, протяженность полных диаграмм для них должна сокращаться. Последние в этом процессе перемычки, достигая своего Qmax, будут (при правильном конструировании) разрушаться вместе с опорными сечениями столбов. Если же эти сечения были законструи-рованы излишне мощными, то и последние перемычки могут разрушаться на нисходящей ветви диаграммы Q —6.
Поведение в опытах отдельных перемычек, испытанных самостоятельно, в нестесненных условиях, оказывается иным, чем в реальной несущей системе. Остаются пока не до конца выясненными зависимости усилие—перемещение для перемычек в сложной пространственной несущей системе многоэтажного здания. По-видимому, в реальных условиях эти зависимости будут различны для разных комбинаций перечисленных факторов, влияющих на работу перемычек как связей—сдвига. Схемы трещинообразования и разрушения моделей отдельных перемычек в опытах, проведенных в лаборатории железобетонных конструкций МИСИ им. В. В. Куйбышева в 1983 г. могут быть сгруппированы следующим образом (рис. 3.31): при d// 1,25 возникает только одна диагональная трещина. В первых двух случаях разрушение происходит от раздавливания сжатых участков бетона над вершинами нормальных трещин, в третьем случае перемычка разрушается от раскрытия" диагональной трещины. Эти результаты получены при испытании 33 образцов с отношениями d/l = 6,5; 0,75; 1,0; 1,25 и 1,5. Конструкция испытательной установки предусматривала погашение распора металлическими тягами, которые шарнирно соединяли подвижный и неподвижный опорные зажимы.
Для расчета в нелинейной постановке используется описанный в п. 3.5 алгоритм и программа «Авторяд ЕС» в комбинации с итерационным процессом. После расчета в линейной постановке по программе «Авторяд ЕС» несущая система разделяется по высоте на участки по 4—5 этажей. В пределах каждого участка податливость связей s и модуль деформаций столбов Е считаются постоянными на каждом шаге итерации. Для первой итерации эти константы определяются по принятым диаграммам деформирования в зависимости от усилий (средних в пределах участка), найденных из линейного расчета. Далее для каждого участка решается линейная задача с вновь полученными значениями s и £. На границах участков соблюдаются дополнительные граничные условия N, = Ni+l; #', = #',+ ,. Полученные на втором этапе усилия в столбах и связях используются для отыскания, по принятым диаграммам, новых значений констант s и Е. После каждой корректировки s и £ формируются матрицы жесткости для каждого участка и вычисляются прогоночные коэффициенты от заделки до верха здания (прямой ход), а затем определяются искомые неизвестные N, Т (обратный ход). Далее расчет повторяется до тех пор, пока расхождение в результатах на двух последних этапах итерации не станет меньше заданного предела (например, 3—5%).
Этот метод развит В. А. Люблинским в программе «Авторяд ЕС2» для нелинейного расчета пространственных несущих систем многоэтажных зданий. Блок-схема программы приведена на рис. 3.35.
Для иллюстрации этого процесса на рис. 3.36 показана схема итерационного расчета 20-этажной несущей системы на действие горизонтальной нагрузки при простейшей билинейной зависимости податливости s от Q. До образования трещин эта податливость постоянна, затем она возрастает пропорционально росту Q вплоть до предельного значения, соответствующего разрушению перемычки. Эпюра Q, полученная из линейного расчета на полную заданную нагрузку, разделена на четыре участка по высоте. Для каждого участка определены средние значения Q, которые будут, очевидно, завышенными, поскольку исходят из минимальной податливости перемычек, соответствующей их упругой работе без трещин. По этим значениям Q, согласно диаграмме Q — s, найдены новые значения s для всех участков. Новые s будут больше начальных, так как с ростом Q податливость s возрастает. При этих податливостях s определены новые N и Q и далее этот процесс автоматически повторяется. В данном примере потребовалось семь итераций, чтобы расхождение между последними двумя значениями Q оказалось равным 4%. На рис. 3.36, б показана последовательность выполнения итераций для участка II (черные кружки) и для участка IV (светлые кружки). Так как при нелинейной постановке расчета не действителен принцип суперпозиции, возникает необходимость оговорить историю загружения несущей системы. В соответствии с реальными условиями вначале прикладывается вертикальная нагрузка. Она является более значимой по сравнению с горизонтальной (ветровой) даже при большой высоте здания.
Применение физически нелинейных расчетов целесообразно для выяснения предельного сопротивления несущей системы, т. е. той нагрузки, при которой система разрушается. Ясно, что такая нагрузка может действовать только однократно и не должна возникать при эксплуатации здания. Знать эту нагрузку нужно: для назначения допускаемой нагрузки, для выяснения действительного запаса, имеющегося в сооружении, по отношению к заданной или ожидаемой эксплуатационной нагрузке либо для суждения о поведении сооружения в экстремальных условиях (взрыв, землетрясение и т. п.).
В стадии эксплуатации железобетонные конструкции обычно работают упруго, хотя и с трещинами в зонах больших изгибающих моментов. Это происходит потому, что нормальные трещины при изгибе возникают и развиваются, когда арматура еще работает упруго, а напряжения в сжатой зоне бетона находятся в пределах начальной части восходящей ветви диаграммы а — е, где эта диаграмма еще практически линейна. В этих условиях, как известно из многочисленных опытов, после 5—6 загружений диаграмма Р — б, связывающая усилия и перемещения, становится стабильно линейной и система работает упруго. Поэтому уже более ста лет благополучно используемый в практике статический расчет железобетонных сооружений в упруголинейной постановке и сейчас не теряет своего значения, а в большинстве случаев остается пока еще единственно возможным для определения усилий в сложных пространственных сооружениях на стадии эксплуатационных загружений.
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.
