Лекции и пособия / POSOBIE-po-Vysotkam_Pdf

Рис.3.13. Конструктивные схемы высотных зданий с наружными жесткостными элементами (оболочковые здания) в виде: а – пространственной рамы («труба»); б – пространственной рамы с внутренними диафрагмами («пучок труб»); в – связевой системы в виде пространственной макрофермы;

г – связевой системы в виде пространственной структурной конструкции

Рис. 3.14. Схемы и примеры конструкций оболочки: а – с прямоугольными элементами жесткости; б – раскосной с ригелями; в – то же без ригелей; г – то

же, с ригелями и стойками; д, е – примеры сборно-монолитных оболочек

42

Рис. 3.15. Схемы поперечных разрезов современных высотных зданий:

а – комплекс «Федерация»; б – LOGAN CENTURY CENTR

3.3.1. Расчет и проектирование конструктивных систем остова высотных зданий

При проектировании высотного здания или сооружения особое внимание обращается на полное представление о всей сложной конструктивной системе и работе несущего остова по схеме «основание– фундамент– здание». В современных условиях с развитием компьютерных технологий, основные аналитические расчеты для простых и сложных высотных конструкций выполняются с помощью программных комплексов. Упрощенные ручные расчетные методики применять в настоящее время не рекомендуется. Особенностью расчета несущей конструктивной системы высотных зданий, включающей надземные, подземные конструкции и фундаменты, является то, что расчет производится для последовательных стадий возведения (увеличения высоты и массы возводимого здания) и стадии эксплуатации, принимая соответствующие расчетные схемы, отвечающие рассматриваемым стадиям.

43

Определение усилий в несущих элементах конструктивной системы и горизонтальных перемещений верха высотного здания, деформационные (жесткостные) характеристики железобетонных элементов принимаются с учетом возможного образования трещин и развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре. Конструктивная система высотного здания при расчете его устойчивости на опрокидывание и сдвиг принимается как жесткое недеформируемое тело. При определении усилий и деформаций в несущих элементах высотного здания, вычислении значений общей деформации конструктивной системы, а также оценки общей устойчивости производится расчет, выполняемый в два этапа.

Первый этап расчета – выполняется на начальной стадии проектирования для предварительного назначения геометрических характеристик и выбора материала несущих конструкций с использованием упрощенных, в т.ч. стержневых моделей.

Второй этап расчета – выполняется для окончательного назначения всех характеристик несущих конструкций с использованием сертифицированных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), в том числе позволяющих учитывать неупругие свойства железобетонных конструкций. Окончательное решение принимается по результатам расчетов, произведенным по этим программным комплексам несколькими независимыми организациями.

При действии ветровой или сейсмической нагрузки на высотное здание происходит горизонтальное перемещение его верхней части с отклонением от вертикальной оси. Для обеспечения требуемой устойчивости высотного здания производится расчет с целью установления предельных горизонтальных перемещений его верхней части fult с учетом крена фундамента. Такой расчет, в современных условиях производится методом конечных элементов при помощи автоматизированных программных комплексов с использованием недеформированной схемы в зависимости от высоты здания h. Отечественными нормами введены ограничения величин предельных горизонтальных перемещений fult верха высотных зданий, приведенные в табл.3.1.

Таблица 3.1 Предельное горизонтальное перемещение fult верха высотного здания

с учетом крена фундамента при расчете по недеформированной схеме

Примечание к табл.3.1. При промежуточных значениях высоты h зданий предельное горизонтальное перемещение fult определяется по линейной интерполяции.

44

Значения предельных горизонтальных перемещений fult верха высотного здания при расчете по деформированной схеме ограничиваются условиями и особенностями эксплуатации технологического оборудования, размещаемого в здании. Социально-психологическая проблема обеспечения комфортного пребывания людей на верхних этажах высотных зданий решается при помощи применения комплекса инженерно-технических мероприятий. Критерием требуемой комфортности пребывания людей на верхних этажах высотных зданий считается условие, при котором численное значение ускорения колебаний конструкций перекрытий пяти верхних этажей от действия ветровой нагрузки не должно превышать 0,08 м/с2, т.е. avib≤0,08 м/с2. В случае, если это требование не выполняется, предусматривается комплекс инженерных и конструктивных мер по снижению уровня колебаний здания, например, при помощи использования гасителей колебаний.

По результатам всего комплекса расчетов, произведенных инженерными и численными методами, производится конструирование несущих и ограждающих контрукций высотных зданий, которое осуществляется в соответствии с действующими и актуализированными нормативными документами. Расчетные усилия N, Q, M, возникающие в конструктивных элементах несущего остова высотного здания при приложении вертикальных (собственный вес, снег, гололед, полезная нагрузка) и горизонтальных (ветровая нагрузка, сейсмические нагрузки, нагрузки от оборудования) сил, как правило, распределяются по высоте здания с нарастанием численного значения снизу к верху. Поэтому при конструировании вертикальных несущих элементов каркаса, включая колонны, стены, диафрагмы и ядра жесткости,отечественными строительными нормами допускается применение размеров поперечных сечений переменными по высоте, с уменьшением размеров сечений в колоннах и толщины с уменьшением толщины стен, диафрагм

иядер жесткости. Для высотных зданий решающим фактором обеспечения местной и общей устойчивости вертикальных конструктивных элементов каркаса

издания в целом является гибкость, которая регламентируется отечественными строительными нормами. Поэтому гибкость конструкций колонн и стен из

плоскости (гибкость λ – это соотношение l0/i, где l0 – расчетная длина, i – радиус инерции поперечного сечения элемента каркаса) принимается не более

λ ≤ 60.

Вертикальные несущие конструктивные элементы остова высотных зданий, включая колонны, пилоны, стены, диафрагмы, ядра жесткости проектируются из тяжелого бетона класса по прочности на сжатие не менее В25. Горизонтальные несущие конструктивные элементы остова высотных зданий, включая плиты междуэтажных перекрытий и покрытия, лестницы проектируются из легких и тяжелых бетонов класса по прочности на сжатие не менее В25. В качестве стержневой арматуры в несущих конструктивных элементах, изготовленных из монолитного, сборного или сборно-монолитного железобетона, принимается рифленая и гладкая арматура, рекомендуемая [27].

45

3.3.2. Расчет и проектирование конструкций остова высотных зданий на прогрессирующее обрушение

Вусловиях воздействия экстремальных нагрузок на каркас высотного здания или формирования и возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) есть вероятность появления локальных разрушений несущих конструкций пространственного каркаса. Такие разрушения не должны приводить к прогрессирующему обрушению здания.

Прогрессирующее обрушение (progressive collapse) означает последовательное разрушение несущих строительных конструкций здания (сооружения), обусловленное начальным локальным повреждением отдельных несущих конструктивных элементов и приводящее к обрушению всего здания или его значительной части [34]. Начальное локальное повреждение конструктивных элементов здания возможно при аварийных ситуациях (взрывы газа, теракты, наезд автотранспорта, дефекты проектирования, строительства или реконструкции и т.п.), не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации здания.

Внесущей системе здания допускается разрушение при аварийной ситуации отдельных несущих конструктивных элементов, однако эти разрушения не должны приводить к прогрессирующему обрушению, т.е. к разрушению смежных конструктивных элементов, на которые передается нагрузка, воспринимавшаяся ранее элементами, разрушенными в результате аварийной ситуации.

К числу чрезвычайных ситуаций относятся: ЧС природного происхождения, ЧС антропогенного и техногенного происхождения, приведенные в табл.3.2.

Таблица 3.2

Опасные чрезвычайные ситуации природного, антропогенного и техногенного происхождения

Поэтому при проектировании высотных зданий предусматривается комплекс мероприятий против прогрессирующего обрушения. Расчет устойчивости высотных зданий против прогрессирующего обрушения производится при помощи лицензированных программных комплексов с учетом предельных нагрузок, возникающих при ЧС, с целью обеспечения каркаса здания дополнительными конструктивными мерами, способствующими развитию в несущих конструкциях и их узлах пластических деформаций [51].

46

Расчет устойчивости высотных зданий производится на особое сочетание нагрузок, включающее постоянные и длительные нагрузки при возможных опасных схемах локальных разрушений, приведенных в табл.3.3.

Таблица 3.3 Виды локальных разрушений несущих конструкций остова высотных зданий

в результате опасных процессов, вызванных чрезвычайными ситуациями

Оценка устойчивости высотного здания против прогрессирующего обрушения включает проверочный расчет несущих конструкций в местах локальных разрушений по предельным состояниям первой группы с расчетными сопротивлениями материалов (бетона и арматуры), равными нормативным значениям. Величина деформаций и ширина раскрытия трещин в конструкциях не регламентируется. При расчете зданий против прогрессирующего обрушения используется пространственная расчетная модель, отражающая все схемы локальных разрушений, приведенных в табл.3.3, которая может учитывать элементы, являющиеся при обычных эксплуатационных условиях несущими, а при наличии локальных воздействий они активно участвуют в перераспределении нагрузки. Резервирование или запас прочности несущих элементов как основное средство защиты зданий от прогрессирующего обрушения предполагает комплекс инженерных мероприятий, приведенных в табл.3.4.

Таблица 3.4

Основные средства защиты высотных зданий от прогрессирующего обрушения

–обеспечение эффективности работы связей, препятствующих прогрессирующему обрушению за счет их пластичности в предельном состоянии;

–создание условий, при которых связь не выключалась из работы и допускала без разрушения необходимые деформации даже после исчерпания несущей способности;

–конструкции связей предусматриваются из пластичной листовой стали или арматурной стали;

–прочность анкеровки связей должна быть больше усилий, вызывающих их текучесть;

–связи, соединяющие перекрытия с колоннами, ригелями, диафрагмами и стенами, должны удерживать перекрытия от падения (в случае его разрушения) на нижележащий этаж;

–связи рассчитываются на нормативный вес половины пролета перекрытия с расположенным на нем полом и другими конструктивными элементами.

Всоответствии с требованиями СТО-008-02495342-2009 [34], установлены отечественные правила проектирования конструкций жилых, общественных и производственных зданий, остов которых выполняется из монолитного железобетона и подлежит защите от прогрессирующего обрушения при аварийных ситуациях. При этом следует соблюдать и выполнять комплекс расчетных, конструктивно-планировочных решений, условий и мероприятий, приведенных в табл.3.5.

Таблица 3.5

Комплекс расчетных, конструктивно-планировочных решений, условий и мероприятий в условиях прогрессирующего обрушения при аварийных ситуациях

49

50