14. Принципы расчета диафрагм и ядер жесткости

23. Особенности конструкций и расчета высотных зданий

1. Конструктивные схемы многоэтажных зданий, их классификация

Конструктивной основой современного многоэтажно­го здания служит пространственная несущая система, состоящая из стержневых и панельных железобетонных элементов. Вертикальными элементами несущей систе­мы могут быть железобетонные колонны, тогда здание называется каркасным, или поставлен­ные друг на друга стеновые панели (блоки), тогда оно называется бескаркасным (панельным или крупно­блочным).

Здания, в которых нижние 1—3 этажа каркасные, а остальные панельные, называются зданиями комбиниро­ванной системы.

Другим видом сочетания каркасной и панельной схем являются здания смешанной системы, в ко­торых вертикальными несущими элементами во всех этажах служат колонны и панельные стены.

Объемно-блочные здания обычно выполняются без каркаса из готовых пространственных элементов — объ­емных блоков, устанавливаемых друг на дру­га. Иногда эти здания строятся с каркасом, тогда объ­емные блоки служат его заполнением и каждый блок несет только собственный вес и временную нагрузку.

В многоэтажных зданиях каркасной системы гори­зонтальные нагрузки воспринимаются обычно системой вертикальных диафрагм— стенок жесткости или ядер жесткости, консольно-защемленных в фундаменте.

Ядром жесткости называется пространст­венная система сопряженных между собой стенок, об­разующая сложный контур (обычно прямоугольник). Ядро может быть сборным и монолитным. Каркас зда­ния рассчитывается в этом случае только на вертикаль­ные нагрузки, что позволяет унифицировать его элемен­ты и обеспечить монотонность конструкции по высоте здания. Такого типа каркасы часто называются связевыми, потому что диафрагмы жесткости работают анало­гично металлическим вертикальным связям.

Синтезом связевого и рамного каркасов является рамно-связевый каркас, в котором горизонтальные и вер­тикальные нагрузки воспринимаются совместно рамами каркаса и стенками (ядрами) жесткости, что облегчает всю систему. Усилия в элементах каркаса распределя­ются по высоте здания гораздо равномернее, чем в рам­ном каркасе, поэтому элементы легче унифицировать. Размещение вертикальных диафрагм в многоэтаж­ных зданиях должно обеспечивать нужную жесткость здания в обоих направлениях, препятствовать кручению в плане и не создавать больших температурных усилий или неравных осевых деформаций ее вертикальных элементов.

2. Расчетные модели, типы связей, предпосылки расчета

Несущая система многоэтажного здания образуется вертикальными несущими конструкциями, объединенными в единую пространственную систему с помощью горизонтальных несущих конструкций — перекрытий здания.

Термин «столб» применяется к сплошным вертикаль­ным элементам, обладающим существенной изгибной (сдвиговой) жесткостью при работе в качестве консоли, защемленной в основании. Этот термин соответствует сложившейся терминологии, принятой в строительстве каменных зданий, где подобные вертикальные элементы издавна называются кирпичными столбами.

В отличие от столбов колоннами называются верти­кальные элементы, изгибная жесткость которых недос­таточна для того, чтобы рассматривать их как самостоя­тельные консоли, защемленные в основании. Ввиду этого колонны считаются воспринимающими только нор­мальные силы и местные моменты, передаваемые свя­зями.

В зависимости от жесткости связи сдвига можно ус­ловно разделить на жесткие, гибкие (шарнирные) и по­датливые. При жестких связях соединенные ими столбы деформируются как сплошной единый консольный брус, а сами связи остаются прямыми и направлены по ради­усу кривизны этого бруса. Если связи шарнирные, то каждый столб деформируется самостоя­тельно, а связи поворачиваются, оставаясь горизонтальными.

Несущая система многоэтажного здания может быть схематизирована различными расчетными моделями: дискретными, континуальными и дискретно-континуалными.

В дискретных моделях либо сохраняется дискретно расположение связей и вертикальных элементов, заданное в действительной несущей системе, либо углубляете дискретизация сплошных элементов членением их более мелкие участки (метод конечных элементов) или заменой континуума стержневой решеткой. Расчет на основе этих моделей связан с решением систем алгебраических уравнений весьма высоких порядков, что затрудняет пока их применение для расчета несущих сие тем в целом.

В простейшем виде (т. е. без дополнительной дискретизации сплошных элементов) дискретной моделью односвязной вертикальной диафрагмы служит рама. В пределах столбов этой диафрагмы участки ригелей считаются абсолютно жесткими. В основной системе связи разрезаются и в местах разреза прикладываются единичные усилия, соответст­вующие принятым неизвестным. Далее составляются обычные канонические уравнения метода сил, из кото­рых определяются значения неизвестных усилий. Еди­ничные и грузовые перемещения, входящие в эти урав­нения, могут определяться с учетом влияния сдвигающих и нормальных сил, деформаций основания и других факторов.

Так как в дискретной схеме даже в небольшом зда­нии при учете всех связей получается очень большое число неизвестных, для упрощения расчета связи груп­пируются либо часть сдвиговых связей вообще не прини­мается во внимание или заменяется шарнирными связя­ми.

Континуальные модели рассматривают здание как сплошную многостенчатую призматическую оболочку с вертикальной или горизонтальной осью.

Однако в высоких зданиях наружные стены, как пра­вило, навесные, они не участвуют в работе несущей си­стемы, поэтому континуальные расчетные модели на­ходят ограниченное применение только при расчете ядер-стволов и объемно-блочных зданий; на­личие проемов вынуждает прибегать к специальным ме­рам приведения модели к заданной системе.

В дискретно-континуальных моделях сохраняется заданное дискретное расположение вертикальных элементов несущей системы, но сосредото­ченные связи заменяются континуальными, т. е. непре­рывно распределенными по высоте здания.

Так как несущая система монотонна по высоте, то расстояния 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 этом для рассмат­риваемой односвязной диафрагмы система алгебраичес­ких уравнений с большим числом неизвестных заменя­ется одним дифференциальным уравнением, в котором неизвестной является функция распределения искомого усилия по высоте здания.

Во всех случаях, кроме особо оговоренных, принима­ются следующие предпосылки и допущения:

- перекрытия как горизонтальные диафрагмы совер­шенно жестки в своей плоскости и совершенно гибки из плоскости;

-вертикальные элементы (столбы и колонны) не ока­зывают сопротивления чистому кручению;

в колоннах не учитывается влияние деформаций сдвига;

-в горизонтальных элементах (связях) пренебрегают влиянием осевых (продольных) деформаций;

-материал всех элементов несущей системы работает упруго, подчиняясь линейному закону деформирования (физическая линейность);

-рассматриваются малые перемещения, при которых можно пренебречь изменением расчетной схемы в про­цессе нагружения.