Конструкции зданий с увеличивающимся объемом по высоте
К зданиям с увеличивающимся объемом по высоте (развертка) относятся такие у которых верхняя часть больше нижней, и часто несимметричная.
Пример сейсмических разрушений конструкций здания с увеличивающимся объемом
В качестве примера рассматривается 4-этажное здание в Тайване после сейсмического воздействия. В этом здании разрушились часть королей в зоне развертки.
Проектирование конструкций зданий с увеличивающимся объемом
- Нормирование конструкций зданий с увеличивающимся объемом
В «Технической инструкции по проектированию высотных железобетонных конструкций» (JGJ 3-2002) размер рассматриваемых зданий В должен быть не менее 0,9 В1 где В1 - размер верхней части здания. При этом разница между В1 и В должны быть не более 4 м. В случае если эта разница (размер а) больше нормы, то необходим специальный анализ и экспериментальные исследования таких конструкций.
- Расчет на горизонтальные сейсмические воздействия
Если площадь верхней части здания больше площади нижней части, это создает две дополнительные проблемы.
1. Первая связана с тем, что жесткость и масса верхней части здания больше нижней.
Когда жесткость верхних конструкций больше жесткости нижних, нижняя часть ослаблена. В этом случае при проектировании необходимо усиливать вертикальные конструкции и контролировать прочность элементов по следующим параметрам:
- жесткость соседнего этажа в зоне развертки должна отличаться от жесткости смежного этажа не более чем на 70% или среднее значение жесткости смежных трех этажей отличаться от жесткости каждого из этажей не более чем на 20%;
- при категории А высотных зданий загруженность верхних этажей не более 80% от общей нагрузки, при категории В высотных зданий загруженность верхних этажей должна быть не более 75%.
При выполнении численного анализа нужно выбрать несколько типов колебаний, а также необходимо проводить временный анализ зависимости поперечных сил и перемещения этажа.
2. Значительный крутящий момент.
Значительная масса верхней части конструкций с увеличением объема создает большой инерционный момент кручения, а меньший объем нижней части приводит к меньшей жесткости на кручение и крутящий эффект повышается. При проектировании нужно повышать жесткость на кручение нижней части и ограничивать крутящий момент. В нормах определено, что отношение первых собственных колебаний кручения Тt к первому собственному колебанию Т1 не больше 0,9 для категории А высотных зданий и не больше 0,85 для категории В.
Для несимметричных конструкций с увеличением объема создается большой эксцентриситет верхней части, что ведет к значительному увеличению кручения. При проектировании необходимо стремиться рационально располагать конструкции в плане и по высоте и стремиться к их симметричности.
Конструкции здания с увеличением объема по высоте
- Расчет на вертикальные сейсмические воздействия
Конструкция с увеличивающимся объемом при вертикальных сейсмических воздействиях тоже оказывает большое влияние на общее напряженное состояние всего здания. Для анализа часто применяется метод вертикального спектра или метод вертикального временного анализа.
- Проектирование основных несущих элементов здания
Соединительная зона верхнего и нижнего объемов здания является самой важной частью развертки. Если соединительная зона разрушается, часть развертки также обрушается. Поэтому для обеспечения безопасности здания важно для несущих элементов развертки (раскосы и балки) провести расчеты на сейсмические воздействия.
- Нормирование комфортности здания при выступающих объемах
Вертикальная жесткость выступающих объемов обычно не велика и поэтому необходимо рассчитать колебания перекрытий при эксплуатации для обеспечения комфортности.
- Пример проектов
В качестве примера рассмотрим здание проекта Китайской телестанции общей площадью 550,0 м2, высотой 234 м (главное здание). Проект Китайской телестанции включает: две башни, высокорасположенные консольные объемы, 9-этажные здания с увеличенным стилобатом и 3-этажные подвалы. Внешние элементы башен консоли, усиленный стилобат здания являются системой гасителей вертикальных сейсмических воздействий.
Внешние элементы башен состоят из центрального ядра-раскоса и легких железобетонных колонн.
Для этой сложной конструкции необходимы следующие мероприятия:
- максимально увеличить жесткость ядра - раскоса и жесткости внешних элементов башен. Поскольку эксцентриситет масс здания приведет к возникновению значительного крутящего момента;
- по программе ANSYS и SAP2000 должен быть выполнен статический и динамический анализ, направленный на обеспечение несущей способности колонн здания.
Результаты расчетов показывают:
- Несимметричные конструкции при увеличении объема здания увеличивают крутящий момент.
- Увеличенная масса верхней части также увеличивает крутящий момент.
Конструкция с увеличивающимся объемом при вертикальных сейсмических воздействиях приводит к возникновению значительных дополнительных усилий в несущем остове здания.