Совместная работа конструкций каркаса и стен
Принятые в настоящее время методы расчета каркасов зданий исходят из принципа независимой работы каркаса и стенового ограждения. В то же время проведенные ранее в ЦНИИпромзданий исследования показали, что стены включаются в работу каркаса, воспринимают часть горизонтальной нагрузки, заметно повышают жесткость системы «каркас-стена» и изменяют величину и распределение усилий в элементах каркаса. При этом отсутствие возможности численно оценить величины усилий может привести к повреждениям элементов. Учет совместной работы конструкций каркасов и стен может уменьшить количество вертикальных элементов жесткости и за счет этого повысить планировочную гибкость здания, получить экономию материалов и снизить трудоемкость монтажа. Наиболее сложным вариантом для учета является каркас с навесными и самонесущими стеновыми панелями. Панели обычно рассчитываются на восприятие ветровой нагрузки, действующей перпендикулярно к их плоскости, и не учитывается действие ветровой нагрузки в плоскости панели. В действительности каждое крепление способно передавать определенные, сравнительно небольшие, усилия на стены, которые, как показали исследования, не вызывают в них заметных напряжений и повреждений и не требуют дополнительного армирования.
Но так как таких креплений в плоскости стены несколько десятков, то суммарное усилие, передаваемое на стены и воспринимаемое ими, оказывается значительным. Поэтому при расчете необходимо рассматривать работу системы «каркас-стена».
Ниже мы рассмотрим в качестве усложненного варианта здания с вертикальными стальными устоями и стенами, соединенными с каркасом стержнями
Расчетная схема здания со стенами из самонесущих панелей, приведенная на рис. ниже, включает стержневую систему, имитирующую связевые устои, к которой шарнирно, на уровне перекрытий, присоединяется консольный стержень, заменяющий рядовые колонны, стеновое ограждение, представленное в виде стержневой системы, состоящей из обобщенных крайних и промежуточных простенков, объединенных ригелем, заменяющим сплошной продольный ряд стеновых панелей, уложенных на простеночные панели.
Расчетная схема связевого каркаса и самонесущих стен
Соединительные стержни заменены стержнями, жесткость которых определяется по формуле |EF| = В а; В = S/Δ, где S - усилие, принимаемое по диаграмме S- Δ (рис. ниже), а - условная длина стержня.
Стержни, присоединяющие консольный стержень к связевому устою, приняты бесконечной жесткости
Расчетная схема здания со стенами из навесных панелей показана на рис. выше и представляет собой консольно заменяющую систему, имитирующую связевый устой, к которому в уровне перекрытий с помощью стержней бесконечной жесткости присоединены рамы, заменяющие стены на участках с ленточным остеклениями, и рамы, заменяющие глухие участки с навесными панелями. Колонны каркаса рассматриваются как стержни с короткими консолями бесконечной жесткости. Стеновая панель одним концом шарнирно опирается на конец этой консоли на расстоянии 2а, а другим концом на консоль колонны на расстоянии а от ее оси, передавая на них нагрузку от веса панелей - перемычек и расположенных над ними рядовых панелей. В зданиях со стенами из навесных панелей каждая панель вверху крепится к колонне с помощью соединительного стержня, как и панели в зданиях с самонесущими стенами. Жесткость этих стержней определяется так же, как и в стенах из самонесущих панелей. Рама, заменяющая глухие участки стен с навесными панелями, с помощью стержней бесконечной жесткости присоединяется к раме, заменяющей стены на участках с ленточным остеклением, а последняя, с помощью стержней бесконечной жесткости, присоединяется к узлам устоя.
Расчетная схема системы «связевый каркас-стена» при стенах из навесных панелей
Расчетная зависимость S - Δ (см. рис. выше) состоит из двух участков:
I участок соответствует ε< ε eu; II участок соответствует ε е1 < ε < ε рl При
где и - количество соединительных стержней на один узел (и = 1 - для крайнего узла, п = 2- для среднего узла).
При этом расчетная зависимость с запасом оценивает усилия S, передаваемые с каркаса на стену, так как фактическое смещение Δ колонны относительно стены, которое допускает рассматриваемое крепление, больше принятого предлагаемой расчетной зависимостью. Это связано с принятым ограничением пластических деформаций.
При рассмотрении работы соединительного стержня на совместное действие ветровой нагрузки и усилий от температурных деформаций в здании с самонесущими стенами установлено, что в результате температурного воздействия все стержни могут пластически деформироваться и при последующем действии ветровой нагрузки сопротивляются только стержни на одной стороне здания, где деформации от ветра и температуры имеют различные знаки (направления).
Для обеспечения совместной работы каркаса и самонесущих стен необходимо проверить прочность швов между панелями из условия Q
на простенок в системе «каркас- стена». Q = ΣSi, при п - число соединительных стержней над рассматриваемым простенком
Эффективная совместная работа устоя и стены достигается, когда выполняется условие равножесткости этих элементов или перемещение устоя не превосходит Δy = Δ ст+| Δ |s , где| Δ|s- предельно допустимое взаимное
смещение каркаса и стен, отвечающее 3%-ному удлинению крайней фибры соединительного стержня.
На основе проведенного численного исследования совместной работы каркаса и стен выявлено, что для связевого каркаса в обоих направлениях, а для рамного в направлении, перпендикулярном плоскости рам, наиболее неблагоприятным является случай одновременного длительного действия усилий от неравномерного вертикального загружения связевых панелей постоянной, временной нагрузками и кратковременного действия усилий от ветровой нагрузки.
При выполнении расчетов обычно вся вертикальная нагрузка рассматривается как длительно действующая.
Для статического расчета связевой панели действие внешних нагрузок сводится к действию системы горизонтальных и вертикальных сил.
Вертикальные нагрузки прикладываются в местах опирания ригелей на колонны, ветровая нагрузка прикладывается к узлам связевой панели на уровне перекрытий и покрытия.
При расчете по II группе предельных состояний температурные воздействия принимаются без учета суточных колебаний температур наружного воздуха и перепада от солнечной радиации.
Горизонтальным перемещениям самонесущих стен от температурного перепада препятствуют вертикальные простенки. Установлено, что общая стесненная деформация этой стены может быть определена по формулам:
а - шаг колонн, и - число простенков, Δ t - температурный перепад, Нс. hc - высота и ширина простенка, hp - высота перемычечной панели.
Показано, что за счет изменения ширины простенков, а также сочетания глухих участков стен с участками с простенками можно регулировать деформацию стены относительно каркаса, не допуская ее выше значения, установленного для соединительного стержня при принятом (допустимом) уровне его пластических деформаций.
Условная жесткость соединительных стержней в стенах с самонесущими панелями при расчете по II группе предельных состояний определяется по формуле
Условная жесткость соединительных элементов для стен из навесных панелей определяется аналогично.
На основе численных исследований установлено, что распределение перемещений по высоте связевого и рамного каркасов, работающих совместно со стенами, близко к линейному. В здании со связевым каркасом по серии I.020-I/87, при принятых в них связях, перемещения каркаса относительно
стены в плоскости продольных стен значительно меньше
II группе предельных состояний, а при расчете по I группе (без учета температурных деформаций) составляют
В отдельных случаях здания могут эксплуатироваться без связевых устоев, т.е. ветровая нагрузка при этом воспринимается стенами. В настоящее время еще не накоплен опыт проектирования и эксплуатации зданий без связевых устоев. Поэтому, проявляя определенную осторожность, в зданиях со связевым каркасом и в зданиях с рамным каркасом в плоскости, перпендикулярной плоскости основных рам, когда по расчету связевые устои не требуются, рекомендуется оставлять определенное их число, исходя из конструктивных соображений. Наличие этих связей обеспечит устойчивость каркаса при монтаже и при дальнейшей реконструкции, связанной с изменением конструкции стен или с их частичной разборкой. Такие связи не допустят увеличения перемещений и усилий вследствие кручения здания в плане при изменении интенсивности давления ветра только на части его длины, например, при строительстве впереди существующего здания, нового, закрывающего только часть фасада.
Уменьшение количества, а в отдельных случаях площади сечения вертикальных металлических связей в многоэтажных зданиях, благодаря учету сопротивления наружных панелей стен, позволяет повысить планировочную гибкость здания, улучшить интерьер здания, получить экономию материальных и трудовых ресурсов.
Для более надежного и эффективного включения стен с гибким креплением в работу рам необходимо учитывать усилия, которые передаются на них при деформациях каркаса. Для этого требуется обеспечить необходимую прочность закладных деталей в стеновых панелях.