Ханджи - Расчет многоэтажных зданий со связевым каркасом

Печатается по решению секции литературы по строительной физике и строительным конструкциям редакционного совета Стройиздата.

Ханджи В. В. Расчет многоэтажных зданий со связевым  каркасом. М., Стройиздат, 1977, 187 с.

Изложен приближенный расчет несущих конструкций  многоэтажных зданий со связевым каркасом, нашедший широкое  применение в современном строительстве. Рассмотрено определение  усилий в пространственной системе несущих конструкций, решена  задача о проверке общей устойчивости здания. Даны методы  проверки прочности основных элементов каркаса и оценки его жесткости, а также приближенный учет геометрической нелинейности задач и физической нелинейности работы материала.

Книга предназначена для инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Табл. 37, рис. 85, список лит.: 29 назв.

Стройиздат, 1977

ПРЕДИСЛОВИЕ

XXV съезд КПСС определил генеральные задачи советских строителей в десятой пятилетке. Повышение эффективности и качества капитального строительства, снижение его стоимости на 3—5%, экономное  расходование строительных материалов выдвинуты на первый план в деятельности строительных организаций.

В совокупности мероприятий, определяющих  эффективность и качество строительства, наряду с  совершенствованием планирования, увеличением удельного веса полносборного строительства, сокращением сроков ввода готовых зданий в эксплуатацию важное значение имеет углубление знаний о характере работы системы несущих конструкций, определяющей прочность, долговечность здания, а также количество израсходованного материала.

Рабочим инструментом, позволяющим выявить  минимально-необходимые затраты материалов в несущих конструкциях для обеспечения прочности здания, является  расчет, благодаря которому накопленный ранее обобщенный опыт переносится на вновь проектируемое здание.

Работа охватывает широкий круг вопросов,  требующих решения при проектировании многоэтажных каркасных зданий. Некоторые из них изложены без  исчерпывающих обоснований и нуждаются в уточнении, для чего необходимо проведение дальнейших теоретических и  экспериментальных исследований.

Артор приносит глубокую благодарность канд. техн. Наук Ю. А. Дыховичному, докторам техн. наук П.Ф; Дроздову, А- В. Геммерлингу и канд. техн. Наук С. А. Куйдичу за ценные замечания по рукописи.

Глава 1

КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА КАРКАСНЫХ ЗДАНИИ

Опыт строительства и технико-экономические  исследования последних лет определили тенденцию к  увеличению высоты жилых и общественных зданий. Она нашла развитие в строительстве сначала наиболее крупных, а затем и многих других городов Советского Союза. Высокий уровень индустриализации отечественного строительства решающим образом повлиял на выбор  основного-материала, используемого в несущих элементах многоэтажных зданий. Сборные железобетонные  конструкции, изготовляемые на механизированных заводах, в  значительной мере вытеснили и продолжают вытеснять конструкции из других строительных материалов.  Достаточно высокие прочность и .жесткость, огнестойкость, экономичность, позволили железобетону успешно  конкурировать не только с каменными материалами, но и со стальными конструкциями.

Для сборного железобетона как основного  строительного материала характерны две схемы несущих  конструкций многоэтажных зданий, используемые в  массовом строительстве — крупнопанельная (бескаркасная) и каркасная. Крупнопанельная схема несущих  конструкций отлично зарекомендовала себя в зданиях с ячеистой планировочной структурой, однотипно повторяющейся по вертикали. Такая структура наиболее соответствует жилым зданиям и этим обусловлено широкое использование крупнопанельных конструкций в жилищном строительстве; Преимущества бескаркасных конструкций  намного уменьшаются, в случаях, когда из-за планировочных соображений необходимо нарушить однотипное  ячеистой структуры, например при использовании нижних  этажей жилых домов для помещений общественного  назначения с большими свободными пространствами. 

Аналогичная ситуация возникает при проектировании гостиниц, общежитий, административных зданий. В лечебных учреждениях, зданиях для проектных и научно-исследовательских институтов, в лабораторных корпусах и  других сооружениях общественного и производственного назначения, как правило, появляется необходимость изменить планировочную структуру по вертикали. В практике  строительства для таких зданий утвердилась каркасная  схема несущих конструкций.

Высокие темпы развития науки и техники неуклонно сокращают сроки морального старения зданий. Изменения технологии и оборудования требуют пересмотра  планировки и технологических связей между помещениями. 

Возникает ситуация, при которой полноценное, с точки зрения конструкций, здание оказывается неудобным для  эксплуатации. Изменение планировки при каркасных  несущих конструкциях, необходимое для продления срока  службы здания, решается значительно легче, чем в  крупнопанельных зданиях.

Технико-экономическими исследованиями [24]  установлено, что по ряду показателей при прочих равных  условиях каркасные здания уступают крупнопанельным. Их стоимость на 5—10% выше, построечная трудоемкость на 10—15% больше, чем бескаркасных зданий. Кроме того, расход стали увеличивается на 30—50%  Несмотря на это, по изложенным выше причинам планировочного и технологического характера, каркасные здания широко применяются во всех странах мира.

1. Конструктивные схемы каркасных зданий. Связевый каркас

Общеизвестны две основные схемы несущих  конструкций каркасных зданий — рамная и связевая. В  статическом отношении они отличаются способом восприятия  внешних нагрузок, в конструктивном — решением основных узлов.

В рамном каркасе основные несущие функции  выполняет система колонн и ригелей, расположенных в двух  направлениях. Ригели жестко соединены с колоннами и  образуют пространственную систему, состоящую из плоских рам. Рамы воспринимают всю совокупность действующих на здание вертикальных и горизонтальных нагрузок и передают их фундаментам. Усилия в плоскости дисков перекрытий возникают только при необходимости перераспределения горизонтальных нагрузок между разножесткими рамами. В нормально закомпонованных зданиях эти  усилия невелики, и свободно воспринимаются дисками  перекрытий.

В связевом каркасе основные несущие конструкции  образуются системой колонн, горизонтальных дисков —  перекрытий и вертикальных сборных элементов — пилонов (рис. 1). Роли перекрытий в системе несущих конструкций связевого каркаса значительно возрастает, Помимо  основной работы на вертикальные нагрузки перекрытия  воспринимают действующие на здание горизонтальные силы и  передают их пилонам. При больших расстояниях между  пилонами или между крайними пилонами и торцами здания усилия в плоскости перекрытий могут быть довольно  большими. Кроме восприятия внешних горизонтальных  нагрузок, перекрытия воспринимают усилия, возникающие при погрешностях в монтаже колонн, изменениях  температуры конструкций, а также перераспределяют усилия  между пилонами в зонах изменения их схемы или  соотношения жесткостей, участвуют в совместной работе надземной части здания с фундаментами.

Здесь и далее пилонами будем называть вертикальный элементы каркаса, имеющие необходимую жесткость для восприятия действующих на здание горизонтальных  нагрузок и обеспечения общей устойчивости здания.  Применительно к этим элементам каркаса терминология еще не установилась. В литературных источниках их называют «диафрагмами», «стенами жесткости», «столбами». Название же «пилон» представляется более общим.

Пилоны воспринимают часть вертикальных и все  горизонтальные нагрузки, действующие на здание, и передают их фундаментам. Они же обеспечивают общую устойчивость здания, а их жесткость определяет значение перемещений несущих конструкций и здания в целом. Достаточность принятой системы пилонов проверяется расчетом. Применяемые в зданиях пилоны по конфигурации бывают плоскими, пространственными открытого профиля (углового, швеллерного, двутаврового и других  поперечных сечений в плане) и пространственными замкнутого профиля (ядра жесткости). Основным материалом пилонов является железобетон. Применяют сборные пилоны,  состоящие из сборных колонн и соединенных с ними стен, сборно-монолитные — из сборных колонн и монолитных стен и полностью монолитные пилоны. Не исключено  устройство пилонов в виде плоских или пространственных рам. Известно случаи устройства пилонов в виде  вертикальных стальных ферм с последующей защитой их от пожара и коррозии оштукатуриванием или другими способами, что не может, однако, рассматриваться как рациональное  решение, поскольку оно связано с повышенным расходом стали.

По статической схеме пилоны представляются в виде консольных элементов, защемленных в фундаментах. Иногда, чтобы увеличить жесткость и общую устойчивость здания, пилоны объединяют связями в одном или  нескольких уровнях по высоте здания. Эти связи выполняют в виде монолитных железобетонных балок или стальных ферм высотой в один этаж. При таком объединении совокупность пилонов образует пространственную рамную  систему.

Колонны зданий со связевым каркасом воспринимают вертикальные нагрузки от опирающихся на них участков перекрытий. Их участие в общей работе здания на  горизонтальные нагрузки пренебрежимо мало и, как правило, в расчете не учитывается. .

Характерная особенность связевого каркаса — узлы соединения ригелей с колоннами. С точки зрения  статической схемы эти узлы могли бы быть шарнирными. Однако устройство полностью шарнирных соединений в сочетании с необходимостью передачи в узлах растягивающих  усилий, которые возникают при работе ригелей в составе  дисков перекрытий, связано с некоторыми конструктивными трудностями. Кроме того, придание узлам некоторой  жесткости облегчает обеспечение устойчивости элементов  каркаса при монтаже. По этим причинам в зданиях со связевым каркасом, нашли применение и широко внедрились в практику строительства слабо защемленные узлы соединения ригелей с колоннами (рис. 2)- Они законструированы таким образом, чтобы обеспечивалось восприятие заранее  заданного относительно небольшого опорного момента. Этот  момент принят одинаковым для всех ригелей, не зависящим от их пролетов и нагрузок. Он составляет 10—20% полного балочного момента. При полном защемлении ригелей опорный момент от вертикальной нагрузки равен 40—60%  балочного момента и существенно меняется в  зависимости от нагрузок и пролетов. В отличие от стальных и монолитных железобетонных конструкций, в которых жесткое соединение ригелей с колоннами дает некоторую экономию материалов, при выполнении каркаса из  сборного железобетона эта экономия полностью пропадает из-за дополнительных затрат металла на закладные и накладные детали для передачи усилий в узлах. Ограничение  опорных моментов намного уменьшает объем сварочных работ, упрощает конструкцию ригеля и колонны, - Постоянство опорных моментов всех ригелей весьма важно для чистоты конструктивного решения  каркаса. Оно позволило полностью унифицировать узловые соединения и соответственно ригели и колонны каркаса.

При жестких узлах такая унификация была бы возможной только при конструировании узлов и ригелей по  максимальным усилиям с большим расходованием стали и  увеличением трудозатрат.

Ограничение опорного момента заданной величиной достигается специальной конструкцией верхней «рыбки» (см. рис. 2), защемляющей ригель. Она имеет удлиненный и суженный участок, поперечное сечение которого  соответствует растягивающему усилию при заданном опорном  моменте. Тенденция к росту опорного момента вызывает в  суженной части «рыбки» пластические деформации (текучесть), разрешающие поворот опорного сечения ригеля без увеличения момента. Возможность хрупкой разрушения исключается тем, что монтажные соединения и анкеры Закладных деталей рассчитывает на усилие, равное произведению площадки поперечного сечения суженного участка «рыбки» на верхнее значение предела текучести ее материала C5 кгс/мм2 для стали СтЗ). Надежность такого конструктивного решения опорных узлов ригелей и подхода к их расчету полностью подтверждена строительной практикой. Кроме основных — рамной и связевой каркасных схем применяются и другие — смешанную и рамно-связевую.

Смешанной называют схему, основанную на использование рамных конструкций в одном (обычно поперечном) направлении и передаче горизонтальных нагрузок другого направления на связи. Эта схема распространена в  промышленном строительстве.

Рамно-связевая система каркаса основана на сочетании рамных конструкций с "пилонами* Опыт проектирования зданий такой системы показывает, что системы пилонов воспринимают 85—95% горизонтальных нагрузок и при очень небольшом усилении могут принять на себя все  горизонтальные силы. Относительно широкое применение рамно-связевых систем в практике зарубежного  строительства связано с использованием в несущих конструкциях стали или монолитного железобетона и как следствие этого с возможностью образования жестких узлов без  дополнительных затрат труда и, материалов. В конструкциях из сборного железобетона применение рамно-связевых  систем целесообразно и оправдывается особыми условиями работы зданий при строительстве в сейсмических районах.

Чтобы повысить надежность, часто монтажные соединения сборных элементов выносят за пределы узлов и выполняют на участках ригелей или колонн с относительно  небольшими изгибающими моментами. Применение рамно-связевых систем из сборного железобетона для строительства многоэтажных зданий в нёсейсмических районах  представляется нецелесообразным. Эта-мысль может быть подтверждена эволюцией конструкций каркасных зданий общесоюзной серии ИИ-04. Начав свое существование с  равной схемы, эта серия при увеличении этажности была преобразована в рамно-связевую, а позже — в рамно-связевую систему конструкций.

Оценивая опыт отечественного и зарубежного  строительства последних лет, можно утверждать, что в многоэтажных жилых и общественных каркасных зданиях наибольшее распространение получили конструкций, в которых горизонтальные нагрузки воспринимаются сплошными или сквозными вертикальными связями [124].

Иначе говоря, рациональной следует считать связевую систему, каркаса, при выполнении несущих конструкций из сборного железобетона и связевую или рамно-связевую систему при строительстве из стали или из монолитного железобетона. В высоких зданиях точечного типа (с относительно небольшим и компактным планом) распространено  выполнение связевого элемента в виде одного центрального ядра, внутри которого располагаются вертикальные  транспортные и инженерные коммуникации. В очень высоких  зданиях (таких, как Всемирный торговый центр или Джон Хэнкок Билдинг в США) центральное ядро оказывается недостаточно жестким и связевую систему переносят на наружную оболочку здания [11]. В зданиях со сложным по конфигурации или протяженным планом передача всех горизонтальных нагрузок на одно ядро затруднительна и их, как правило, выполняют со связевой системой в виде нескольких пилонов открытого или замкнутого профиля. Здания этого типа нашли широкое применение в  строительстве Москвы и многих других городов Советского Союза, поэтому их расчету в книге уделено главное внимание.

2. КОМПОНОВКА КАРКАСА ЗДАНИЯ

Основные элементы каркаса — колонны, перекрытия и пилоны.— размещают на самой ранней стадии проектирования, что неразрывно связано с компоновкой здания в целом. Это достаточно сложный процесс, цель которого состоит в максимально возможном сочетании  функциональных, особенностей здания, его архитектуры,  рационального размещения инженерных систем и чистоты  конструктивной схемы. Совокупность предъявляемых к зданию  требований весьма обширна, причем некоторый из них иногда Противоречат одни другим, в результате чего  одновременное оптимальное решение технологической схемы здания, архитектуры, конструкций и инженерных систем не  всегда достижимо. В связи с этим возникает вопрос о  первенстве одних требований относительно других. В условиях современного строительства,  характеризуемых преобладающим применением сборных  конструкций и высокой степенью унификации деталей и узлов их соединений, определился приоритет конструкций в части размещения колонн и перекрытий по модульным осям.

Принятая на базе Единой модульной системы  укрупненная модульная сетка предопределяет возможное  расположение колонн в плане здания и расстояния между  перекрытиями по высоте.

Более сложен вопрос о приоритете при размещении пилонов, поскольку их положение активно влияет на планировку помещений и функциональные связи между ними, на трассы инженерных систем. Выбор решения  возникающих при этом противоречий обусловлен высотой  проектируемого здания. В относительно низких каркасных  зданиях (высотой до 30—40 м) положение пилонов может быть подчинено оптимальному архитектурно-планировочному решению. Разумеется, что совокупность пилонов должна обеспечивать прочность, жесткость и общую устойчивость здания, однако схема их размещения может быть  произвольной. В зданиях этой группы допустимо перемещение пилонов по высоте с одних осей на другие при обеспечении конструктивных мероприятий по передаче возникающих при этом усилий. Усложнение конструкций и увеличение расхода материалов, вызванные произвольным  расположением пилонов, в невысоких зданиях небольшие и  полностью окупаются улучшением планировки.

Высокие здания (к ним мы относим здания высотой более 70—80 м) нуждаются в четкой системе пилонов и  обязательном выполнении излагаемых ниже требований к их размерам и размещению в плане. Отступления от этих  требований значительно усложняют конструкции и  ухудшают их работу. В связи с этим при компоновке высоких  зданий первенство должно быть отдано размещению пилонов даже в том случае, если архитектурно-планировочному решению наносится некоторый ущерб. Опыт проектирования свидетельствует о том, что при тщательной увязке  планировки с системой пилонов этот урон весьма незначителен. В зданиях высотой от 30—40 до 70—80 м вопрос о  приоритете между размещением пилонов и архитектурным  решением однозначно не решается. В этой группе, так же как и в высоких зданиях, следует стремиться к оптимальному размещению пилонов, однако здесь возможно некоторое небольшое отступление, если это существенно улучшает планировку.