Переходные конструкции с раскосами

Пример применения

Здание представляет собой каркасную конструкцию с ядрами жесткости, общая площадь здания 40 000 м². Здание с подвалом, наземная часть имеет 25 этажей, высота здания 99,6 м, сейсмостойкость 7 баллов, местность II типа. Здание имеет следующие особенности:

• несущие конструкции (колонны и балки) с 1-го по 3-й этажи выполнены из сварных двутавров, плита перекрытия железобетонная;
• в центре здания запроектировано центральное железобетонное ядро жесткости, по краям выполнены четыре ядра меньшего размера;
• переходные конструкции расположены на 13-м этаже, на 14-м этаже план изменяется в соответствии с рисунком.

По осям AD, AG, АК в перекрытии 13-го этажа установлены переходные балки для опирания колонн 14-го этажа. В этом проекте для выполнения переходов были применены железобетонные раскосы.

План 13-го этажа

План 14-го этажа

Схема раскоса

1 - балка1; 2 - балка2; 3- балка3; 4 - колонна1; 5 - колонна2; б - колонна3; 7 - раскос1; 8 - раскос2; 9 - железобетонное ядро жесткости

Преимущество переходных раскосных конструкций

1. Используется более рациональный способ передачи усилий на нижележащие колонны: переходные балки непосредственно передают нагрузки на колонны 14-го этажа.
2. Происходит уменьшение концентрации напряжений, что служит повышению сейсмостойкости конструкции.

Отношение жесткостей двух вариантов (1 - переходные балки; 2 - переходные раскосы) по оси y почти одинаковы, но по оси x отношение жесткостей переходного этажа с раскосами меньше. Поэтому конструкция здания при данном варианте более сейсмостойка.

Отношение жесткостей этажей при двух вариантах переходной конструкции

Этаж	Переходные балки (1500x2500 мм)		Переходные раскосы (850x850 мм)
	ось X	ось У	осьХ	ось Y
15 этаж	1	1	1	1
14 этаж	1,25	1,27	0,96	1,27
13 этаж	0,83	0,81	1,07	0,82
12 этаж	1	1	1	1

Междуэтажные перемещения при двух вариантах конструкции переходного этажа (1 - балки; 2 - раскосы) почти одинаковы, но горизонтальные сейсмические воздействия и внутренние усилия в элементах сильно разнятся. В варианте с раскосами значительно меньше горизонтальные сейсмические воздействия и изгибающие моменты, чем в варианте с переходными балками.d

Расчет методом сейсмических спектров

Сравнение проекта	Место	Переходные балки	Переходные раскосы
Масса (г)	13 этаж	3017,3	2348,4
Комбинирование метода CQC при горизонтальном сейсмическом воздействии на ось X (кН)	14 этаж	711,45	722,89
	13 этаж	1204,61	989,35
	12 этаж	1053,95	1098,24
Изгибающий момент нижней части колонн при горизонтальном сейсмическом воздействии на ось X на 13-м этаже (кНм)	Верх 1-ой колонны	283,8	90,1
	Верх 2-ой колонны	266,6	216,4
	Низ 3-ей колонны	450,4	119,9
Изгибающий момент нижней части колонн при горизонтальном сейсмическом воздействии на ось Yна 13-м этаже (кНм)	Верх 1-ой колоны	132,9	74,3
	Верх 2-ой колонны	143,4	91,8
	Низ 3-ей колонны	229	117,4

Из таблицы видно, что для переходного этажа с переходными балками не только его перемещения, но и горизонтальные сейсмические воздействия больше, чем в варианте с переходными раскосами. Перемещения и горизонтальные сейсмические воздействия этажей в конструкциях выше и ниже переходного также больше в варианте с переходными балками. Так, например, горизонтальные сейсмические воздействия переходного этажа 1-го варианта выше на 50%, чем для варианта с переходными раскосами. Это свидетельствует о большой концентрации усилий в первом варианте переходного этажа.b

Расчеты по методу предварительного анализа

Сравнение проекта		Место	Переходные балки	Переходные раскосы
Максимальное междуэтажное перемещение (мм)	ось Х	14 этаж	31,92	26,8
		13 этаж	29,77	24,77
		12 этаж	27,17	22,7
	ось Y	14 этаж	32,02	27,2
		13 этаж	29,41	24,9
		12 этаж	26,3	22,17
Сейсмическое воздействие (кН)	ось Х	14 этаж	560	464,32
		13 этаж	979,5	642,23
		12 этаж	848,27	706,76
	ось Y	14 этаж	566,85	492,6
		13 этаж	959,61	659,59
		12 этаж	906,5	734,77

Последовательность проектирования конструкций с раскосами:

Нагрузки и их сочетания	Продольная сила, кН	Поперечная сила по X, кН	Поперечная сила по У, кН	Изгибающий момент основания по X, кНм	Изгибающий момент основания по У, кНм	Изгибающий момент вертекса X	Изгибающий момент вертекса по У, кНм
(1) Горизонтальное сейсмическое воздействие по X	-852,2	4	-18,3	74,1	9,7	30,7	13,1
(2) Горизонтальное сейсмическое воздействие по Y	-119,6	24,2	-2,6	10,5	55,7	4,4	82,8
(3) Постоянная нагрузка	-3972,9	-4,4	41,3	-120,8	-11,2	-115,3	-13,7
(4) Временная нагрузка	-1195,2	-1,8	11,7	-15	-4,2	-51,9	-6,3
Комбинация 1: (3) + (4)	-5168,1	-6,2	53	-135,8	-15,4	-167,2	-20
Комбинация 2: (3) + (4) + (1)хб,25	158,15	-31,2	167,38	-598,93	-76,03	-359,08	-101,88
Комбинация 3: (3) + (4)+ (2) х 6,25	-4420,6	-157,45	69,25	-201,43	-363,53	-194,7	-537,5

Усилия, действующие в колонне1 12-го этажа

Нагрузки и их сочетания	Продольная сила, кН	Поперечная сила по X, кН	Поперечная сила по Y, кН	Изгибающий момент основания по X, кНм	Изгибающий момент основания по Y, кНм	Изгибающий момент вертекса X	Изгибающий момент вертекса по У, кНм
(1) Горизонтальное сейсмическое воздействие по X	1082,3	198,2	200,3	23,1	-30,2	22,4	-90,1
(2) Горизонтальное сейсмическое воздействие по Y	257,1	198,2	200,3	82,2	-4,9	74,3	-14,9
(3) Постоянная нагрузка	-3815,7	90,2	27,2	-67,9	88	-46,4	290,9
(4) Временная нагрузка	-1191,8	48,2	12,6	-29,2	100,5	-23,8	102,2
Комбинация 1: 0) + (4)	-5007,5	138,4	39,8	-97,1	188,5	-70,2	393,1
Комбинация 2: (3) + (4) + (1)х6,25	1756,88	1377,15	1291,68	47,28	-0,25	69,8	-170,03
Комбинация 3: (3) + (4) + (2)хб,25	-6614,38	-1100,35	-1212,08	-610,85	219,13	-534,58	486,23

Усилия, действующие в колонне2 13-го этажа

Нагрузки и их сочетания	Продольная сила, кН	Поперечная сила поХ, кН	Поперечная сила по У, кН	Изгибающий момент основания по X, кНм	Изгибающий момент основания по У, кНм	Изгибающий момент вертекса X	Изгибающий момент вертекса по У, кНм
(1) Горизонтальное сейсмическое воздействие по X	166,3	-54,9	-14,7	31	-104,9	37	-147,7
(2) Горизонтальное сейсмическое воздействие по У	89	-28,3	-60,8	103,1	-58,5	176,4	-71,8
(3) Постоянная нагрузка	-721,1	-21,2	8,8	-12,2	-30,6	-28,2	-66,9
(4) Временная нагрузка	-137	-20,7	8,6	-10,6	-38,6	-29,2	-56,7
Комбинация 1: (3) + (4)	-858,1	-41,9	17,4	-22,8	-69,2	-57,4	-123,6
Комбинация 2: (3) + (4) + (1)х6,25	181,28	-385,03	-74,48	170,95	-724,83	173,85	-1046,73
Комбинация 3: (3) + (4) + (2)х6,25	-1414,35	134,98	397,4	-667,18	296,43	-1159,9	325,15

При небольшом сейсмическом воздействии раскос сжат. Однако при сильном сейсмическом воздействии в раскосе появляется растяжение. Для того чтобы обеспечить нормальную работу в раскосе применяется жесткая арматура в виде прокатных двутавров.

Жесткая арматура раскосов

1 - профиль 350x350x30x30; 2 - балка нижнего пояса перекрытия

Выводы:

Объединяя приведенные результаты анализа и данные расчетов, можно сделать следующие выводы:

1. Для железобетонной конструкции с раскосами должен быть выполнен упругий расчет перекрытия. Конструкция перекрытия должна удовлетворять требованиям трещиностойкости при действующих нагрузках.
2. Для обеспечения при проектировании нормальной работы главных элементов (раскос, плита перекрытия, вертикальные элементы переходных этажей) при сильном сейсмическом воздействии необходимо вычислить предельные нагрузки спектральным методом.