Особенности расчета конструкций

Стальной каркас многоэтажного здания рассчитывают по критериям I и II групп предельных состояний.

Каркас многоэтажного здания представляет собой многократно статически неопределимую систему, поэтому точный расчет можно выполнить только на ЭВМ с использованием стандартных программ. Это позволяет отказаться от упрощающих предпосылок и в полной мере учитывать в расчетах эффект пространственной работы каркаса здания. При компоновочных расчетах и при технико-экономическом анализе вариантов технических решений можно использовать приближенные методы ручных расчетов, хотя затрата времени при этом вряд ли будет меньше, чем на подготовку исходных данных для ЭВМ. Тем не менее, если обстоятельства вынуждают вас остановить свой выбор на ручном счете, то следует обратить внимание на принципиальное различие в работе систем рамных (см. рис. 4.6, а), с внешней пространственной рамой (см. рис. 4.6, б), связевых (см. рис. 4.8) и рамно-связевых (см. рис. 4.9). Это требует использования для расчета каждой из таких систем своего приближенного способа. Наиболее удобные методы приближенных расчетов можно найти в [3].

Для расчета каркаса многоэтажного здания как вручную, так и на компьютере необходимо знать жесткости всех его элементов. Проще всего в первом приближении их можно принять по аналогам, а при отсутствии таковых назначить на основании грубых ориентировочных расчетов. Если после подбора сечений элементов каркаса окажется, что различие жесткостей между заданными и полученными при расчете превысит 30%, то придется повторить все вычисления, приняв во втором приближении найденные значения жесткостей.

Первоначальные значения жесткостей несущих элементов каркаса можно определить на основании ориентировочного подбора сечений на нескольких уровнях по высоте каркаса. В обычной рамной системе регулярной структуры (см. рис. 4.6, а) такой подбор можно выполнить: для ригелей средней рамы, параллельной осям х и у, соответственно по моментам:

M_x =

+

; M_y =

+

; (4.13)

для внутренних колонн - по более неблагоприятному из моментов (при выбранном типе и ориентации сечения)

M_x =

; M_y =

; (4.14)

и продольной силе от постоянной и временной нагрузок вышерасположенных этажей.

Здесь q_x, q_y - расчетная интенсивность постоянной и временной нагрузок, кН/м, для ригелей в направлении осей х или у; Q_x (z), Q_y (z) – поперечная сила от расчетной ветровой нагрузки, действующей на здание выше рассматриваемого уровня z в направлении осей х или y; b, l - расстояния между колоннами в направлении осей у, х; h - высота этажа; п_х, п_у - количество пролетов в направлении соответствующих осей; а ≈ (0,7...0,8) h - для колонн нижнего этажа, а ≈ 0,5 h - для колонн остальных этажей.

Вычислив моменты инерции подобранных сечений средней рамы, для перехода к моментам инерции соответствующих элементов параллельной ей крайней рамы можно принять коэффициент 0,6...0,7, если типы и габариты сечений элементов при этом не изменяются. Такой же коэффициент сохраняется для отдельной плоской рамы при переходе от ее средней колонны к крайней.

В системе с внешней пространственной рамой с частым шагом колонн (см. рис. 4.6, б) для предварительного подбора сечений и оценки жесткостей изгибающие моменты в ригелях и колоннах принимают: для граней, параллельных оси х,

М_х ≈

; М_х ≈

; (4.15)

для граней, параллельных оси у,

М_y ≈

; М_y ≈

; (4.16)

а продольные силы в колоннах определяют в зависимости от их грузовой площади и действующих нагрузок вышерасположенных этажей.

Для многоэтажных зданий с металлическим каркасом большое значение имеют проверки по второй группе предельных состояний, особенно для современных высотных зданий. При расчете конструкций по второй группе предельных состояний необходимо проверить: а) вертикальные статические прогибы элементов перекрытий; б) динамические колебания конструкций, возбуждаемые работой оборудования; в) общий горизонтальный прогиб конструктивной системы и перекос отдельных ее ячеек при действии статической составляющей ветровой нагрузки; г) горизонтальные ускорения колебаний, вызываемые порывами ветра.

Эти проверки выполняют с целью ограничить перемещения и колебания каркаса, затрудняющие условия жизни и деятельности людей и нормальную эксплуатацию инженерных систем. Предельно допустимые значения перемещений и характеристик колебаний приведены в табл. 4.7.

Проверка горизонтального прогиба верха здания при воздействии нормативной ветровой нагрузки служит инженерной оценкой общей жесткости.

Таблица 4.7. Предельные горизонтальные перемещения многоэтажных зданий

Примечания: H - высота многоэтажного здания, равная расстоянию от верха фундамента до оси ригеля покрытия; А, - высота этажа, равная для нижнего этажа - расстоянию от верха фундамента до оси ригеля перекрытия, для остальных этажей - расстоянию между осями смежных ригелей.

каркаса. Согласно требованиям норм [6] максимальный прогиб не должен превышать 1/500 высоты здания, при этом прогиб вычисляют без учета жесткости заполнения стен и перегородок.

Горизонтальные перемещения каркаса не должны нарушать целостность стен и перегородок, заполняющих ячейки. Поэтому кроме общей проверки каркаса на горизонтальную жесткость необходимо проверить перекос ячеек между соседними ригелями, колоннами и диафрагмами. В зданиях со связевым каркасом перекос γ-этажных ячеек, примыкающих к диафрагмам жесткости (см. рис. 4.25) и равный (Δ ₁ ]/ h_s + Δ ₂ / l), не должен превышать значений, представленных в табл. 4.7.

Ускорение горизонтальных колебаний а верха здания определяют делением нормативного значения пульсационной составляющей ветровой нагрузки на соответствующую массу. Если расчет ведется на нагрузку q_x (z), кН/м, (см. рис. 4.19), то

a =

, (4.17)

где q_x (z) = w_o γ _f k_я с_х В; М = mBL / h - масса, отнесенная к 1 м высоты здания; h - средняя высота этажа.

Значение М определяют делением суммы постоянных нагрузок и 50% временных нагрузок, отнесенных к 1 м² перекрытия, на ускорение свободного падения g = 9,81м/с². Реакция человека на колебания индивидуальна и зависит от частоты, амплитуды, формы и продолжительности колебаний. Поэтому общего мнения о пороге ощутимых ускорений пока не выработано. В отечественной проектной практике за допустимое значение горизонтального ускорения колебания здания от нормативной ветровой нагрузки принимают не более [ а ] = 0,1 м/с². Исследованиями, проведенными в связи со строительством зданий международного торгового центра в Нью-Йорке (110 этажей, общая высота 411,5 м), была показана возможность превышения ускорения 0,1 м/с² раз в месяц, чему соответствует ветровая нагрузка значительно меньше нормативной.

Заключение

Металлоконструкции широко используются при строительстве различных сооружений и зданий. Высокая плотность и прочность металла, надежность соединения элементов и возможность их многократной сборки и разборки, сравнительно небольшой вес, водо- и газонепроницаемость, а также доступная цена на арматуру и другие изделия из металла обеспечивают низкую себестоимость возведения конструкций из металла и их оперативный ввод в эксплуатацию. Недостатки стальных зданий и сооружений – низкая огнестойкость и подверженность коррозии – устраняются путем покраски, оцинкования, покрытия полимерными составами и смолами и применения других защитных методов.

Стоимость высотных зданий несравненно выше, чем объектов массового строительства, и обусловлена не только специфическими конструктивными решениями, но также системами жизнеобеспечения и требованиями комплексной безопасности. Безусловно, при проектировании высотных зданий нужно принимать экономически оправданные технические решения, но при этом они не должны снижать надежность сооружения и превращать его в источник повышенной опасности для людей и окружающей среды. Только при этих условиях высотные здания станут своеобразной визитной карточкой государства, будут свидетельствовать о его экономическом благополучии и достижениях научнотехнического прогресса в строительной отрасли.

Список литературы

1. Алмазов В.О. Пути и методы противодействия прогрессирующему разрушению высотных зданий // Глобальная безопасность. 2006, июнь. С. 46–49.

2. Граник Ю.Г., Магай А.А. Обзор зарубежного строительного опыта по высотному домостроению // Уникальные и специальные технологии в строительстве. 2004. № 1. С. 20–31.

3. Севостьянов В.В., Миндель И.Г., Трифонов Б.А. Оценка сейсмической опасности для высотных зданий г. Москвы // Уникальные и специальные технологии в строительстве. 2006. № 1(4). С. 56–62.