Жесткость и комфортность небоскребов
Здание должно обладать достаточной жесткостью, играющей существенную роль для высотных зданий. Необходимо ограничивать горизонтальные перемещения для предупреждения возникновения потери устойчивости и внезапного обрушения здания. Рассмотрим предельное состояние при нормальной эксплуатации конструкций. Во-первых, горизонтальное перемещение должно ограничиваться достаточно малыми пределами, а конструкция находиться в устойчивом состоянии, при этом трещиностойкость железобетонных конструкций не должна превышать допустимых норм; во-вторых, необходимо обеспечить обслуживание и исправность элементов; в-третьих, здание должно иметь достаточную жесткость при динамических воздействиях.
Нормирование горизонтальных перемещений
Для того чтобы определить горизонтальную жесткость высотных зданий, используется параметр Р-∆ - показатель горизонтальных перемещений, который представляет собой отношение максимальных перемещений вершины здания к высоте здания.
Показатель горизонтальных перемещений имеет важное значение при проектировании, однако в настоящее время его допустимые пределы не установлены. В соответствующих международных нормах нет четких указаний на этот счет. Эти показатели конструкторы в разных странах принимают различными, в основном лежащими в пределах значения 1/1000-1/200. Эта разница связана с величинами ветровой нагрузки и сейсмических воздействий при расчете горизонтальных перемещений, а также с гипотезой расчетной жесткости железобетонных элементов (в некоторых странах принимают равной 0,65EI), с типом конструкции и соединений.
В 80-е годы XX века в Китае установили соответствующие нормы, касающиеся предела горизонтальных перемещений высотных зданий. В 2000 году были сформулированы основные нормы относительно параметров перемещения между этажами, при этом существуют три основных параметра.
Первый параметр: угол сдвига между этажами определяется по формуле:
Этот параметр не может четко выражать деформации вертикальных элементов и характеризовать предельные состояния, но у него простая формулировка. С целью макроконтроля его продолжают использовать в Китае и многих других странах.
Второй параметр: предельный угол сдвига между этажами:
Это выражение справедливо для изгибаемых конструкций со стенами-диафрагмами. На рисунке мы видим, что угол сдвига Ɵi, между этажами изменяется (опасный угол перемещения между этажами Ɵid и состоит из двух частей. Второй параметр может заменять первый, если будет лучше выражать внутренние усилия.
Третий параметр: деформация сдвига:
Расчеты и экспериментальные исследования показали, что здания с большим количеством этажей изгибаются при боковых нагрузках. Вертикальное перемещение узлов непостоянно (см. рис.). Деформации области колонн со стенами-диафрагмами намного меньше, чем области колонн с балками.
Межэтажные перемещения конструкций: а-монолитная деформация; b - местная деформация
Деформация сдвига конструкций: 1 — каркас; 2 - соединительная балка; 3 - ветвь стены
В таких документах, как «Техническая инструкция по проектированию конструкций высотных зданий» (JGJ 3-2002) и «Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB 50011-2001) используют отношение максимального перемещения этажа к высоте этажа ∆u/h и угол сдвига между этажами (Ɵ).
Отношение максимального перемещения этажа к его высоте
|
Конструктивная схема |
Предел ∆ u/h |
|
Железобетонный каркас |
1/550 |
|
Железобетонный каркас со стенами-диафрагмами |
1/800 |
|
Железобетонный каркас с цилиндрическим ядром жесткости; стены-диафрагмы |
1/1000 |
|
Многоэтажное здание с металлическим каркасом |
1/300 |
∆ui= ui – ui-1 - это разница перемещений между i и i— 1 этажами. Максимальное перемещение ∆и обычно возникает в наиболее высокой части конструкции.Если высота здания не больше 150 м, то его изгибная деформация относительно меньше деформации более высоких зданий, предел углов перемещения между этажами (∆u/h) или 1/1000-1/300 (см. табл. 2.2.1). При высоте здания больше 150 м изгибная деформация значительно возрастает, поэтому если высота железобетонных конструкций превышает 250 м, угол перемещения между этажами принимается равным 1/500.
В Предел угла сдвига между этажами ∆u/h показывает максимальное перемещение этажа к его высоте (∆м/h)h,- и характеризует максимальное отклонение перемещения.