Як забезпечується просторова жорсткість багатоповерхових будинків? Показати розрахункову схему будівлі при дії вітрового навантаження.
Просторова жорсткість несучого кістяка - це характеристика систем, що відбиває її здатність чинити опір деформаціям або зберігати геометричну незмінність форми.
Комбінуючи розташування елементів несучого кістяка в обох напрямках будівлі, можна одержати три варіанти просторових конструктивних схем
будівлі: рамову, рамово-зв'язуючу і зв'язуючу.
Рамова схема є системою плоских рам, розташованих у двох взаємно
перпендикулярних напрямах - системою стояків і ригелів, з'єднаних жорсткими
вузлами в разі їх поєднання у будь-якому напрямі.
Рамово-зв'язуючу схему вирішують у вигляді системи плоских рам,
шарнірно-з'єднаних в іншому напрямі елементами міжповерхових перекрить.
Щоб забезпечити жорсткість, у цьому напрямі ставлять ґратчасті зв'язуючі з'єднання або стінки (діафрагми) жорсткості.
Зв'язуюча схема вирішення каркаса будівлі найпростіша для виконання.
Ґратчасті з'єднання, або діафрагми жорсткості, що встановлюють між колонами
(через 24-30 м), але не більше 48м і в поздовжньому, і в поперечному напрямах,
як правило, абігаються зі стінами сходових кліток.
Для забезпечення підвищення просторової жорсткості конструктивної системи висотного будинку застосовуються: розвинені в плані і симетрично розташовані ядра та діафрагми жорсткості; конструктивні системи із зовнішніми стінами по всьому контуру.
Рис. 2.15. Конструктивні системи висотних споруд: а – з поперечними несучими стінами; б – рамно-каркасна; в – каркасна з діафрагмами жорсткості; г – стовбурна; д – каркасно-стовбурна; є – коробчаста; ж – коробчасто-стовбурна
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.16. Варіанти стовбурних систем: а – підвішування на верхню консоль; б - обпирання на нижню консоль; в – консольне обпирання перекриттів на стовбур; г – проміжне розташування несучих консолей
|
|
|
|
Рис. 2.17. Раціональні форми висотних споруд: а – трикутна призма; б – еліптична; в – форма, що звужується догори; г – конусна; д – циліндрична
будинку (оболонкового типу); конструктивні системи із симетричним та рівномірним розташуванням несучих конструкцій в плані і по висоті будинку та відповідно з рівномірним розподілом вертикальних навантажень; горизонтальні балочні або розкісні пояси жорсткості на рівні технічних поверхів, що забезпечують спільну роботу на згинання всіх вертикальних конструкцій будинку.
Висотні будинки можна розділити на діапазони за висотою, для кожного з яких характерні свої конструктивні рішення. Так, система з поперечними або з перехресно-несучими стінами завдяки високій жорсткості найбільш ефективна в будинках висотою до 150 м. Ця система забезпечує найбільшу жорсткість будинку, але вона не придатна для будівель, в яких необхідне гнучке планування приміщень (офісних, громадських та інших). Її застосовують при будівництві житлових будинків і готелів. Несучі конструкції цих будинків виконують як у збірному, так і монолітному варіантах.
Будинки з несучим каркасом (рамний каркас, каркас із діафрагмами жорсткості) зводять переважно висотою до 200 м. Каркасні конструктивні системи мають компоновочні схеми, що найкраще задовольняють об'ємно-планувальним рішенням і функціональному призначенню об'єктів будівництва. Однак з ростом поверховості ускладнюються конструкції рамних вузлів для сприйняття горизонтальних навантажень, що диктує перехід до рамно-зв’язкової системи каркасу з розкісними стальними вертикальними діафрагмами жорсткості або із суцільними залізобетонними стінами – діафрагмами жорсткості.
Незалежно від висоти будинку при розробці його об'ємно-планувального рішення максимально намагаються дотримуватися пропорцій, що забезпечують необхідну жорсткість будівлі і обмежують коливання верхньої частини при горизонтальних навантаженнях. Звичайне відношення меншого розміру в плані до висоти будинку становить 1:7. При співвідношеннях більше зазначених є загроза прискорення коливань перекриттів верхніх поверхів, помітно зростає деформативність несучого остова, що негативно позначається як на експлуатаційних характеристиках, так і на перебуванні людей на верхніх поверхах.
Для поліпшення умов роботи каркаса висотного будинку рекомендується проектувати його із симетричним розташуванням мас і жорсткостей, рівномірним розподілом вертикальних навантажень на пілони каркасу, стіни-діафрагми, фундамент і
ґрунтову основу та симетричним горизонтальним перерізом, що наближається до квадратного або круглого [10].
При виборі конструктивної схеми несучого металевого каркасу перевагу слід віддавати рамним та рамно-зв’язковим схемам з підвищеним ступенем статичної невизначеності, що здатні до перерозподілу зусиль у разі аварійного виключення з роботи окремих елементів.
Для висотного будинку з металевим несучим каркасом з метою запобігання прогресуючому обваленню рекомендується застосовувати конструктивні схеми каркасів з жорсткими вузлами з'єднань ригелів з колонами для перерозподілу зусиль при руйнуванні, надавати перевагу зменшеному кроку периферійних фасадних колон, надавати перевагу конструктивним рішенням у вигляді суцільних залізобетонних монолітних плит площиною на весь поверх [10].
Для підвищення опору зовнішнім впливам несучої системи будинків висотою більше 150-200 м застосовують стовбурні (з ядром жорсткості), коробчасті (оболонкові) та стовбурно-коробчасті конструктивні системи.
У стовбурній системі жорсткість висотного будинку забезпечується сходово-ліфтовим вузлом, що розташовується, як правило, у центральній частині будинку і виконується з монолітного залізобетону, сталевих конструкцій або їхньої комбінації. Жорсткість стовбурної системи, її стійкість і здатність до гасіння горизонтальних коливань забезпечуються закладенням центрального стовбура у фундамент. У свою чергу, стовбурні системи мають різновиди: консольне обпирання перекриттів на стовбур, підвішування зовнішньої частини перекриття до верхньої несучої консолі (аутригера), обпирання перекриттів за допомогою стін на нижче розташовану несучу консоль, проміжне розташування несучих консолей висотою в поверх із передачею на них навантаження від частини поверхів (див. рис. 2.16) [45]. Стовбурна система дозволяє не тільки забезпечити гнучке планування, але й у досить широких межах застосовувати розвинену пластику фасадів.
Підвищення жорсткості несучого остову висотних будинків зі стовбурними конструктивними системами і їх опору дії динамічних горизонтальних впливів досягають використанням аутригерних структур, які виконують функцію елементів, що несуть на собі частину навантаження від перекриттів. Як правило, це досить тверді плоскі або просторові конструкції, розташовані по висоті будинку з певним кроком (зазвичай у рівнях технічних поверхів) і з'єднані між собою вертикальними стрижневими елементами (розкісними або безрозкісними фермами), що забезпечують у випадку деформації стовбура повернення його у вертикальне положення (демпфірують навантаження). Включення аутригерних структур принципово змінює характер роботи каркаса і дозволяє регулювати його реакцію на зовнішні впливи.
Компоновочна схема каркасно-стовбурної системи включає центральний стовбур, що сприймає основну частку всіх навантажень, і розташовані по периметру будинку несучі елементи у вигляді окремих стійок (колон), решітчастих систем (ферм, стрижнів та ін.), пілонів. Забезпечення спільної роботи стовбура та каркасу здійснюється також за допомогою аутригерних структур.
Коробчаста (оболонкова) конструктивна система є максимально жорсткою серед всіх систем завдяки зовнішній несучій оболонці, яка може виконуватись у вигляді безрозкісної та розкісної решітки зі сталі або залізобетону. Ця система використовується для будівель вище 200 м.
У випадках, коли жорсткості стінової, каркасної або стовбурної системи недостатньо, використовують комбіновані рішення конструктивних систем. Зокрема, для підвищення опору несучого остову будинку вітровим навантаженням застосовують комбінацію стовбурної і стінової систем. У цьому випадку горизонтальні навантаження сприймаються не тільки зовнішньою оболонкою та центральним стовбуром, але й внутрішніми несучими стінами. Комбіновані конструктивні системи мають більшу конструктивну гнучкість завдяки можливості розподілу частки сприйманих зусиль за рахунок варіювання жорсткості несучих елементів.
Для споруд вище 100 поверхів використовують сполучення коробчастої та стовбурної систем («труба в трубі»), що ще більше підвищує жорсткість конструкції. В цій конструктивній системі всі горизонтальні та вертикальні навантаження сприймаються внутрішньою та зовнішньою трубними системами. Їх сумісна робота при горизонтальних навантаженнях забезпечується ростверками, що розташувуються зазвичай в рівнях технічних поверхів.
Більша жорсткість створюється у разі використання стовбурно-коробчастих систем з діагональними зв’язками («труба у фермі»). Разом з тим ці системи не дозволяють застосовувати пластичні рішення фасадів і вимагають частого розташування несучих стійок по периметру будинку.
Підвищення опору будинку вітровим навантаженням можна досягти не тільки за рахунок застосування відповідних конструктивних систем, але й шляхом вибору раціональної форми в плані. Численні закордонні дослідження, виконані продуванням моделей в аеродинамічних трубах і комп'ютерній симуляції за допомогою програмного забезпечення, показали, що оптимальною формою плану висотного будинку є коло або фігура, близька за формою до кола. Еліптична і квадратна форми хоча й уступають круглій, але також забезпечують достатню опірність будинку горизонтальним навантаженням (див. рис. 2.17) [45].
Опір висотного будинку вертикальним і горизонтальним навантаженням залежить не тільки від форми плану, але й від форми вертикального перерізу та регулярності структури несучої системи. Щодо цього, то до оптимальних форм наближаються конус, трапеція з більшою нижньою основою та прямокутник. Такі профілі мають достатню поперечну жорсткість, особливо в сполученні з регулярною структурою несучої системи.
Для забезпечення підвищеної просторової жорсткості конструктивних систем висотного будинку згідно [10] рекомендується застосування:
розвинених в плані і симетрично розташованих ядер та діафрагм жорсткості;
конструктивних систем із зовнішніми стінами по всьому контуру будинку (оболонкового типу);
конструктивних систем із симетричним та рівномірним розташуванням несучих конструкцій в плані і по висоті будинку та відповідно з рівномірним розподілом вертикальних навантажень;
монолітних дисків перекриттів, що об’єднують вертикальні несучі конструкції і виконують функції горизонтальних діафрагм жорсткості при дії вітрових і сейсмічних навантажень;
горизонтальних балочних або розкісних поясів жорсткості на рівні технічних поверхів, що забезпечують спільну роботу на згинання всіх вертикальних конструкцій будинку,
жорстких вузлових з’єднань між несучими конструкціями.
Для зведення висотних будинків застосовують матеріали з особливими якостями. У першу чергу це стосується міцності та деформативності, оскільки саме ці показники визначають загальну міцність остова будинку і його стійкість до різного роду зовнішніх впливів.
Сталь і бетон є основними матеріалами для висотних будинків. Завдяки їх специфічним характеристикам вони можуть комбінуватися різними способами і створювати нові будівельні матеріали.
Несучі конструкції висотних будинків можуть виконуватися з монолітного залізобетону, сталезалізобетону та металевими [10].
У висотних будинках несучу стінову систему влаштовують із застосуванням монолітного бетону. Це обумовлено необхідністю додання остову максимально можливої жорсткості, що технічно складно забезпечити в збірному і збірно-монолітному варіанті. Збірно-монолітні конструкції можуть бути застосовані для влаштування перекриттів, збірно-монолітних діафрагм жорсткості або незнімної опалубки вертикальних і горизонтальних несучих конструктивних елементів.
Якщо для будинків висотою до 40-50 поверхів включно основним матеріалом несучих вертикальних конструкцій є залізобетон, то для будинків більшої поверховості – сталь у сполученні із залізобетоном.