Городецкий - Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время высотные здания все чаще применяются при застройке городов. Конструкции таких зданий - это каркас из монолитного железобетона, который в отличие от ранее применявшихся сборных каркасов (для которых был накоплен достаточный опыт расчета, проектирования и возведения) имеет ряд особенностей, к основным из которых можно отнести:

• безбалочные перекрытия, имеющие сложную конфигурацию в плане, обусловленную наличием большого количества нерегулярно расположенных балконов, эркеров, лоджий, отверстий;

• нерегулярно расположенные вертикальные несущие элементы — диафрагмы, колонны, пилоны (как правило, происходит отказ от мощных колонн прямоугольного сечения в пользу часто расположенных пилонов и колонн сложного сечения - тавровые, крестовые, уголковые, которые естественно вписываются в планировку);

• ненесущие наружные стены, поэтажно опирающиеся на междуэтажные перекрытия;

• фундаментные конструкции, представляющие собой фундаментную плиту, опирающуюся на свайное основание или на грунтовое основание, усиленное сваями (реже только на грунтовое основание). Очень часто основание фундаментной плиты имеет ярко выраженную неравномерную жесткость, обусловленную наличием карстов, неравномерными свойствами грунтов, повышенной жесткостью грунта и свай в периферийных зонах плиты и др. факторами, существенно влияющими на напряженно- деформированное состояние фундаментной плиты и вышележащих конструкций здания.

Но главной особенностью монолитного каркаса является возможность обеспечения совместной работы всех конструктивных элементов: вертикальных несущих элементов (колонн, пилонов, диафрагм), плит перекрытий, фундаментных плит, свайного или грунтового основания. Правильное использование этих возможностей позволяет значительно улучшить прочностные свойства каркаса с одновременным уменьшением его материалоемкости.

Современные мощные технические платформы, операционные среды и специализированные программные комплексы для расчета и проектирования конструкций позволяют не только составить и исследовать подробные расчетные схемы, но и провести компьютерное моделирование процессов жизненного цикла конструкции, включая стадии возведения и эксплуатации.

Обладая таким инструментарием, специалист может получить очень подробную информацию о том, как работает конструкция, где ее слабые места, на что следует обратить внимание в первую очередь. Так же как и при натурных испытаниях, специалист, приступая к расчету должен знать, что он ждет от результатов расчета, какие эффекты он ожидает выявить. Различные компьютерные модели могут отражать те или иные свойства конструкции. Но главной остается проблема построения компьютерной модели, по возможности адекватно отражающей те или иные конструктивные решения. В предоставляемом материале авторы сделали попытку описать различные эффекты Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона (проблемы, опыт, возможные решения и рекомендации, компьютерные модели, информационные технологии) работы конструкций высотных зданий, дать рекомендации по компьютерному моделированию, в некоторых случаях дать рекомендации по конструированию, а также описать возможную технологию автоматизированного расчета и проектирования на основе программных комплексов ЛИРА и МОНОМАХ. Несмотря на то, что высотные дома из монолитного железобетона начали применяться сравнительно недавно, материал основан на достаточно обширном опыте расчета и проектирования подобных конструкций (группа сопровождения ПК ЛИРА и ПК МОНОМАХ ежегодно осуществляет более 20 конкретных расчетов и проектов конструкций высотных зданий и проводит сотни консультаций со специалистами, ведущими проектирование на основе этих комплексов).

Книга во многом носит постановочный характер. Многие проблемы только обозначены. Многие рекомендации достаточно спорны и носят субъективный характер. Авторы надеются на активные читательские отзывы, в которых будут поставлены новые проблемы, подсказано более полное раскрытие недоработанных тем, указано на излишний субъективизм.

Раздел 1 Общая схема здания

Демонстрация и исследование различных особенностей работы каркасных конструкций высотных зданий будет проводиться на конкретных численных примерах. Большинство примеров носит тестовый характер и, как правило, это плоские схемы, на которых легче выявить и проанализировать те или иные эффекты. С одной стороны всем тестовым примерам будет придаваться жизненный характер (сечения, материал, нагрузки будут, максимально приближены к действительности), с другой стороны анализ всегда будет проводиться с «оглядкой» на пространственную схему, а иногда и с иллюстрациями конкретных объектов. Для демонстрации некоторых эффектов работы конструкций высотных зданий, обусловленных совместной работой ее элементов, проведем небольшое исследование на простом тестовом примере.

На рис. 1.1 приведена плоская схема, моделирующая фрагменты каркасной конструкции. Условно можно считать, что из пространственного 25-этажного каркаса вырезана двухметровая полоса. Ширина полосы диктуется наиболее часто встречающимся шагом свай 2м (как правило, основанием каркасных конструкций высотных зданий является фундаментная плита на свайном поле). Сечения элементов приняты из следующих соображений:

• Средняя диафрагма (ширина 3м, толщина 0,2м) моделирует ядро жесткости, располагающееся, как правило, в центре здания. Диафрагма моделируется одним стержнем с соответствующей жесткостью, а учет ее ширины может производится на основе введения абсолютно жестких вставок по 1,5м - прием достаточно распространенный и очень эффективный.

• Крайние колонны (пилоны) имеют тавровое сечение с размерами полки 2x0,2 м (моделируется несущая железобетонная стена подземного этажа).

• Нижняя балка размером 2x1,2 м моделирует двухметровую полосу фундаментной плиты толщиной 1,2л*. Эта полоса фундаментной плиты опирается на 7 свай с шагом 2м. Верхняя балка моделирует плиту перекрытия толщиной 18 см, т.е. ее размер принят 2,0x0,18 м.

• Несущая способность свай 200т, однако, их податливость различна: сваи 1 и 7 имеют осадку 1см, сваи 2 и 6 - 1,5см, а сваи 3, 4, 5 - 2см. Такая различная жесткость свай отображает известное предположение, что жесткость свай и грунтового основания в периферийных зонах значительно выше, чем в средних зонах фундаментной плиты.

• Равномерно распределенная нагрузка на перекрытия принята 2т/м2. такая нагрузка является наиболее характерной для зданий такого типа, она включает нагрузку от собственного веса конструкций, перегородок, наружных стен, оборудования, полезную нагрузку, и очень часто именно эта цифра фигурирует при оценочном определении веса здания. Поэтому нагрузка на балку моделирующую полосу перекрытия шириной 2м принята: q-2m/M х2=4,0т/м.

• Нагрузка от вышележащих конструкций моделируется вертикальными силами на среднюю стойку 600т и на крайние стойки - по 300т.

На рис. 1.2 а и 1.2. б приведены эпюры изгибающих моментов и нормальных сил в конструктивных элементах. На рис. 1.3 а и 1.3 б приведены эпюры тех же усилий, если бы перекрытия и фундаментная плита рассчитывались отдельно, т.е. перекрытия рассчитывалось на опорах, имеющих внизу жесткие защемления, а фундаментная плита рассматривалась без учета совместной работы с вышележащими конструкциями на нагрузки, соответствующие усилиям в вертикальных элементах, собранные по грузовым площадям.

Сравнивая эти результаты можно отметить следующие эффекты, выявленные на основе учета совместной работы элементов каркаса.

Эффект 1: первая схема более жесткая, т.е. в отношении к свайному основанию больше приближается к жесткому штампу. Это приводит к определенной перегрузке крайних свай, имеющих большую жесткость. Этот эффект будет более подробно рассмотрен в разделе 5.

Эффект 2: изгибающие моменты в фундаментной плите в первой схеме (М4=324,3mм) меньше, чем во второй (М4=404,3 mм), так как группа мембранных сжимающих усилий в вышележащих перекрытиях и растягивающих в фундаментной плите создает пару, уменьшающую изгибающие моменты в фундаментной плите (эффект пространственной фермы Веренделя). Сами по себе величины мембранных усилий незначительны (сжимающие усилия в полосе первого перекрытия всего 1,4т) и мало влияют на напряженно-деформированное состояние плит, но большое плечо этих групп усилий (высоты этажей) делает весьма существенным разгрузочный эффект.

Эффект 3: схема работы крайних стоек по двум сравниваемым схемам отлична. Реальные расчеты высотных зданий показывают, что крайние колонны (пилоны) как правило, испытывают значительные изгибающие моменты, обусловленные необходимостью воспринять сдвиговые усилия, чтобы вовлечь в работу плиту вышележащего перекрытия и вообще их схема работы отличается от схемы представленной на рис. 1.3. Этот эффект (в рассмотренном примере проявлен не так четко) достаточно неприятен и в разделе 2 будут приведены некоторые рекомендации по его смягчению.

Эффект 4: нормальные усилия в средней колонне по первой схеме меньше, чем во второй. Этим объясняется, что осадка средней сваи больше, чем крайних, т.е. средняя колонна имеет менее жесткую опору, и она как бы зависает на крайних колоннах за счет работы на изгиб плит перекрытий. Интересно отметить, что влияние этого эффекта часто приводит в недоумение специалистов, определявших усилия в вертикальных элементах по грузовым площадям, а расчет совместно со свайным (грунтовым) основанием показывает значительные отличия.

Конечно, приведенный пример очень схематичен. Однако даже на таком схематичном примере можно убедиться, насколько важно учитывать совместную работу всех элементов каркаса и именно эту цель преследуют приведенные выше эффекты, которые исчерпывают далеко не все особенности вызванные учетом совместной работы. Многие из них, по мнению авторов наиболее важные, будут рассмотрены ниже.

Исследование работы всех элементов каркаса в рамках общей модели не очень технологична: во-первых, это технологически неудобно, во-вторых, для исследования отдельного элемента (плиты перекрытия, диафрагмы) необходима густая сетка, а это может привести к определенным затруднениям при решении уравнений с большим количеством неизвестных (время счета, плохая обусловленность матрицы). Для зданий высотой более 40 этажей это может быть несколько миллионов неизвестных. Поэтому здесь необходимо использовать приемы стратификации (несколько расчетных схем, каждая из которых моделирует то или иное свойство конструкции), фрагментации (общая схема рассчитывается с достаточно редкой сеткой, затем вырезаются фрагменты плиты перекрытий, диафрагмы, которые рассчитываются уже с достаточно густой сеткой на местную нагрузку, а отброшенные части конструкции заменяются соответствующими усилиями), приемы метода суперэлементов. Поэтому ниже будут исследованы особенности работы отдельных элементов каркаса, хотя все время будет иметься ввиду их совместная работа в общей схеме.