Нормы проектирования конструкции высотных зданий
Конструкции высотных зданий должны обладать необходимой жесткостью и прочностью, обеспечивающей безопасность здания на этапе строительства и эксплуатации согласно действующим нормам проектирования. Прочность конструкций должна обеспечивать безопасность здания на основании общих норм проектирования конструкций. Кроме этого в связи с особенностями высотного здания должны выполняться еще два важных условия:
- при предельной нагрузке должна быть обеспечена безопасность здания (как во время строительства, так и во время эксплуатации), в том числе при сейсмических воздействиях. При расчете на устойчивость, необходимо учитывать зависимость «нагрузка-прогиб», силовые и температурные деформации, а также меры по предупреждению обрушения здания;
- конструкции должны иметь необходимую жесткость, особенно жесткость на сдвиг, для предотвращения образования трещин в бетоне, обеспечивать комфортность внутренней среды при сейсмических воздействиях.
В этой главе рассматривается устойчивость, связь жесткости и комфортности, а также вопросы конструктивной безопасности высотных зданий.
Устойчивость высотных зданий
Устойчивость элементов здания
При воздействии предельных нагрузок и сочетаний различных воздействий необходимо выполнять подробный анализ напряженного состояния (см. главу 5). В анализ следует включать уровень нагружения конструкции (запас прочности), значения коэффициентов надежности по нагрузке и др.
Чтобы исключить опасность обрушения здания при дефектах в элементах конструкций, необходимо обратить внимание на определение предельных нагрузок для наиболее уязвимых элементов. Для каждого рассматриваемого случая, например, силовые деформации, температурные воздействия, рассчитываются дополнительные напряжения, учитывающие эти воздействия, которые необходимо также включать в анализ конструкций при проектировании.
В общем случае зависимость второго порядка нагрузки от перемещения имеет две составляющие:
- зависимость нагрузки и вертикальных перемещений в изгибаемых элементах (зависимость Р-S). Внутренние напряжения зависят от формы изгибаемых элементов, часто в центре конструкции они имеют наибольшие значения, а по краям - минимальные или равные нулю;
- под влиянием горизонтальных ветровых нагрузок и сейсмических воздействий появляются горизонтальные перемещения, которые обусловливают дополнительную зависимость от нагрузки (кривая Р-А). Анализ и расчеты показывают, что для высотных зданий зависимость Р-S носит незначительный характер, а горизонтальные перемещения и зависимость Р-А имеет большое значение, т.к. увеличение внутренних усилий происходит, когда перемещения ведут к большим деформациям элементов, что влечет за собой потерю устойчивости. Таким образом, следует при расчете устойчивости элементов здания уделять особое внимание зависимости Р-А.
Расчет устойчивости здания
При увеличении высоты и ширины здания увеличиваются внутренний объем и масса здания, а пространственная жесткость здания уменьшается. Поэтому необходимо уделять особое внимание проблемам устойчивости многоэтажного здания.
Вероятность потери устойчивости относительно невысоких зданий очень мала, так как критическое значение для несущих конструкций от вертикальных нагрузок не достигается. При воздействиях ветровых и сейсмических нагрузок появляются горизонтальные перемещения. Зависимость Р-А от собственного веса в этом случае приводит к увеличению внутренних усилий, а следовательно, к потере устойчивости. Такая потеря устойчивости гораздо вероятнее и больше, чем от вертикальных нагрузок при отсутствии горизонтальных смещений. Поэтому проектирование конструкции многоэтажных зданий, главным образом, ведут по устойчивости, а расчеты производят на потерю устойчивости согласно зависимости Р- А от ветровых и сейсмических воздействий. Ниже будут рассмотрены предельные нагрузки, зависимости Р- А от различных воздействий и коэффициенты потери устойчивости, вводимые в расчет.
Предельные нагрузки на конструкции высотных зданий
Высотные здания при расчетах рассматриваются как стойки при отношении высоты к ширине от 3-х до 8-ми. Существует три типа потери устойчивости здания: сдвиговая, изгибная и изгибно-сдвиговая. При каркасной конструктивной системе обычно происходит сдвиговая потеря устойчивости; при панельной - изгибная; при каркасно-панельной и каркасной с цилиндрическим ядром жесткости - изгибно-сдвиговая.
Предельные нагрузки при сдвиговой потере устойчивости
Обычно сдвиговая потеря устойчивости представляет собой потерю устойчивости целыми этажами. Это происходит из-за изгибных перемещений колонн и ригелей.
Для удобного анализа построены диаграммы зависимостей.
Для поперечно-изгибаемой конструкции на рис.1 показана кривая зависимости отношения изгибной жесткости к постоянной нагрузке от относительного горизонтального перемещения (ОГЖПН). Для сдвигаемой конструкции, на рисунке- кривая зависимости ОГЖПН от относительного сдвигового перемещения. На обоих рисунках слева показана линия, параллельная оси у, которая является асимптотой гиперболы, соответственно. Эти кривые - приближенные выражения предельной нагрузки на конструкцию.
Зависимость ОГЖПН от горизонтального перемещения
Зависимость ОГЖПН от относительного сдвигового перемещения
Устойчивость здания
Из рисунков видно, что чем меньше ОГЖПН, тем больше относительные горизонтальные перемещения. Рассмотрим механизм измерения значений ОГЖПН. Если рассматриваемая кривая P-А находится в пределах перемещений менее чем на 10—15%, то уменьшение ОГЖПН приводит к малому увеличению кривой P-А. Если рассматриваемая кривая P-А находится в пределах перемещений больше 20%, то незначительное уменьшение ОГЖПН приводит к резкому возрастанию кривой Р- А, что ведет за собой потерю устойчивости конструкции. Следовательно, основой проектирования конструкции на устойчивость является регулирование отношения горизонтальной жесткости к постоянной нагрузке (ОГЖПН).
На рисунках можно также видеть, что, когда ОГЖПН поперечно- изгибаемой конструкции меньше 1,4 и ОГЖПН сдвигаемой конструкции меньше 10, кривая P-А резко увеличивается. Следовательно, проектирование таких конструкций с такими параметрами нежелательно. Из вышесказанного следует, что обеспечение устойчивости всего здания включает следующие условия:
Если конструкция отвечает одному из данных условий, то конструктивная безопасность здания из условия устойчивости будет обеспечена. Таким образом, обычно регулируют кривую P-А, ограничивая ее в пределах 20%. Если ОГЖПН конструкции еще уменьшить, то кривая P-А носит нелинейный характер и резко увеличивается, это приведет к потери устойчивости всего здания. Нужно отметить, что кроме выполнения предыдущих условий при проектировании еще надо рассчитать кривую P-А, которая определит перемещения конструкции от внутренних усилий.
В первой формуле изгибную жесткость можно приближенно заменить приведенной жесткостью, эквивалентной жесткости изгибаемых и вертикальных элементов.
Анализ расчета зависимости Р-Д изучается в других статьях
Дня железобетонных конструкций высотных зданий, проектируемых по «Технической инструкции по проектированию конструкций высотных зданий» (JGJ 3-2002), вводится коэффициент запаса, рассчитанный на основе зависимости Р-Д. Конструктивное перемещение от расчетной нагрузки второго порядка умножается на коэффициент запаса. Внутренние усилия М и Q в элементах (балках, колоннах, стенах-диафрагмах), вычисленные от нагрузок второго порядка, также умножаются на коэффициент запаса. Коэффициенты запаса для перемещений F1, F1i и коэффициенты запаса для внутренних усилий момента и поперечной силы (М, Q) F2, F2i определяются по формулам:
На рисунках выше ясно видно, что когда ОГЖПН поперечно-изгибаемой конструкции больше 2,7 и ОГЖПН сдвигаемой конструкции больше 20, то увеличение кривой Р-Д приведет к увеличению внутренних усилий и перемещений не более 5%. При уменьшении жесткости на 50% внутренние усилия увеличиваются не более чем на 10%. Поэтому, если для конструкций выполняют нижеследующие условия, то нагрузка второго порядка воздействует незначительно и в расчетах не учитывается.
Для панельной, каркасно-панельной и каркасной с цилиндрическим ядром жесткости конструкций здания должны выполняться определенные условия:
Расчеты железобетонных конструкций выполняются с учетом формулы, учитывая кривую нагрузки второго порядка. Для железобетонных конструкций многоэтажные зданий задается ограничение перемещений регулировкой жесткостей конструкции. Однако такая конструкция соответствует предельным значениям перемещений и не соответствует оптимальному значению ОГЖПН при проектировании с позиций устойчивости. Особенно это относится к случаю, когда горизонтальные нагрузки незначительны, соответственно принятая по конструктивным требованиям жесткость не большая и принятые по предельным ограничениям перемещения далеки от расчетных. Условия жесткости в этом случае не связаны со значением горизонтальной нагрузки.