Обеспечение пространственной жёсткости и устойчивость здания

Устойчивостью здания называют его способность противодействовать усилиям, стремящимся вывести здание из исходного состояния статического или динамического равновесия. Например, при действии ветра, равнодействующая сил должна находиться в пределах подошвы фундамента.

Пространственная жесткость несущего остова —это характеристика системы, отражающая ее способность сопротивляться деформациям или, что то же, способность сохранять геометрическую неизменяемость формы. В строительной механике сооружение называется геометрически изменяемым в пространстве, если оно теряет форму при действии нагрузки; например, шарнирный четырехугольник, к которому приложена небольшая горизонтальная сила; и, наоборот, шарнирный треугольник - геометрически неизменяемая система. Превращение четырехугольника в геометрически неизменяемую систему можно осуществить двумя способами: ввести один диагональный стержень или заменить узел шарнирного соединения стержней на жесткий, неизменяемый, способный воспринимать узловые моменты (так называемых рамный).

Систему (схему), полученную первым способом, называют связевой по наименованию диагонального стержня, именуемого связью. Вторую — рамной.

С помощью каждого из этих способов можно придать геометрическую неизменяемость любой, многопролетной системе, состоящей «из ряда стоек, шарнирно связанных с ригелями и с «землей». При этом достаточно придать геометрическую, неизменяемость только одному из пролетов, чтобы система стала геометрически неизменяемой. Для доказательства в один из пролетов вводится диагональный стержень. Полученный геометрически неизменяемый четырехугольник можно считать «землей», рассматривая ее как неподвижную опору для шарнирно опертых на нее двух стержней узла, т. е. рассматривая полученное как вновь образованный треугольник — новую неизменяемую систему. Подобные рассуждения можно повторить, поочередно присоединяя каждый новый узел с двумя стержнями. Вывод: доказано, что в многопролетной системе достаточно установить связи в одном из пролетов, чтобы система стала геометрически неизменяемой. Если рассмотреть многоэтажную систему, то каждый нижележащий этаж со связями можно принять за «землю», а неизменяемость элементов следующего этажа достигается установкой связей в одном из пролетов.

Рассмотренные стержневые схемы моделируют (как это принято в строительной механике) или плоские каркасы, или проекции стен и перекрытий на плоскость чертежа. Соответственно приведенные доказательства относятся ко всем типам несущих остовов. Понятие же «геометрическая неизменяемость» тождественно понятию «пространственная жесткость», принятому в строительной практике. Соответственно связи именуют «связями жесткости». Этот термин получил различные толкования, которые необходимо оговорить.

Так, помимо диагонального стержня геометрическая неизменяемость систем обеспечивается и другими способами: введением диафрагмы жесткости, ядер жесткости и т. п. Например, если в шарнирный четырехугольник вставить без зазоров панель — диафрагму — так, что она будет способна воспринимать сдвиговые усилия и моменты в своей плоскости, т. е. «исполнять обязанности» жесткого диска, то ее роль равносильна роли диагонального стержня; диафрагму жесткости относят к варианту связей жесткости. Такой же эффект полу чается, если шарнирная система соединена с плоской стенкой пилоном и т.п. Они в данном случае «исполняют обязанности» связей жесткости; или, что то же, диафрагм, стенок, ядер жесткости. Нетрудно видеть, что в данном случае термин «связи жесткости» носит обобщенный характер. Вместе с тем, когда говорят «связи», то в первую очередь имеют в виду стержневые или решетчатые. Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости плоских систем — по рамной и по связевой схемам. Комбинируя ими при расположении элементов несущего остова в обоих направлениях здания, можно получить три варианта пространственных конструктивных схем здания: рамную, рамно-связевую, связевую. В третьем направлении — горизонтальном — перекрытия обычно рассматриваются как жесткие диафрагмы. Все эти варианты встречаются при проектировании каркасного несущего остова. Рамная схема представляет собой систему плоских рам (одно- и многопролетных; одно- и многоэтажных), расположенных в двух взаимно перпендикулярных (или под другим углом) направлениях — систему стоек и ригелей, соединенных жесткими узлами при их сопряжениях в любом из направлений. Рамно-связевая схема решается в виде системы плоских рам, шарнирно соединённых в другом направлении элементами междуэтажных перекрытий. Для обеспечения жесткости в этом направлении ставятся решетчатые связи или стенки (диафрагмы) жесткости. Плоские рамы удобнее устанавливать поперек здания.

Связевая схема решения каркаса здания наиболее проста в осуществлении. Решетчатые связи, или диафрагмы жесткости, вставляемые между колоннами, устанавливаются через 24...30 м, но не более 48 м и в продольном, и в поперечном направлениях; обычно эти места совпадают со стенами лестничных клеток. Рамная схема применяется сравнительно редко. Трудоемкость построечных работ по обеспечению жесткости узлов, повышенный расход стали и т. п. ограничивают их применение в сейсмических районах, зданиях, в которых на большом протяжении (48...54 м) не допускается установка стен, перегородок и других преград и т. п.

Чаще, особенно в производственных зданиях, применяют рамно-связевую схему. Связевая схема оправдывает свое широкое применение большей простотой построечных работ, меньшими затратами труда и материалов и т. п.
При стеновом несущем остове и при различных системах остовов с неполным каркасом обычно применяют связевую схему; при этом наружные или внутренние стены выполняют функции диафрагмы или ядер жесткости, т. е. не требуется установка дополнительных стен.

Контрольные вопросы:

11. Виды каркасов многоэтажных промышленных здаий?

12. Достоинства и недостатки сборно-монолитных перекрытий?

13. Что такое устойчивость и жесткость?

14. Способы обеспечения жесткости плоских систем?