9284

20

ступающие полочки (рис. 1.22, б). После монтажа сборных элементов, укладки и сварки опорной арматуры ригеля полости между панелями и зазоры между торцами ригеля и колонной заполняют бетоном, чем достигается замоноличивание рамы. При этом ригели благодаря совместной работе с панелями работают как тавровые сечения.

Рис. 1.22. К онструкция узлов сборно-монолиной многоэтажной рамы

а – до замоноличивания; б – после замоноличивания

Каркасные констру кции применяют для различных админист ративных и общественных зданий с большими помещениями, редко расположенными перегородками, а в некоторых случаях для жилых домов высотой более 25 этажей. Основными несущ ими конструкциями многоэтажного каркасного зд ания в гражданском строительстве, являю тся железобетонные рамы, вертикальные связевые диафрагмы и связывающие их междуэтажные перекрытия.

При действии горизонтальных нагрузок обеспечение совместной работы разнотипных вертикальных конструкций в многоэтажном здании достигается благо даря высокой жесткости при изгибе в своей плоскости междуэтажных перекрытий, работаю щих как горизонтальные диафрагмы. Сборные перекрытия благодаря сварке закладных деталей и замоноличиванию швов между отдельными плитами также обладают высокой жесткостью при изгибе в своей плоскости.

При поперечных многоэтажных рамах и поперечных вертикальных связевых диафрагмах горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными конструкциями совместно и каркасное здание в поперечном направлении работает по рамно-связевой системе, при этом в продольном направлении п ри наличии только вертикальных связевых диафрагм здание работает по связевой системе (рис. 1.23, а).

При поперечном расположении вертикальных связевых диаф рагм и продольном расположении многоэтажных рам здание в поперечном направлении работает по связевой системе, а в продольном нап равлении — по рамной системе (рис. 1.23,б). Конструктивная схема каркаса при шарнирном соединении ригелей с колоннами будет связевой в обоих направлениях.

21

Рис. 1.23. Констр уктивные планы каркасных многоэтажных гражданских зданий

а – с поперечными рамами; б – с продольными рамами; 1 – связевые диафрагмы; 2

– панели перекрытии; 3 – ригели рам

Конструктивные сх емы многоэтажных каркасных зданий воспринимающих горизонтальные нагрузки по рамно-связевой системе, как имеющие лучшие технико-экономические показатели, нашли широкое применение в строительстве, особенно в сейсмических районах.

Многоэтажное панельное здание, как в поперечном, так и в продольном направлении воспринимает горизонтальную нагрузку по связевой системе (рис. 8. 14).

Ри с. 1.24. Конструктивный план панельного здания

1 – поперечные не сущие панели стен; 2 – продольные несущие панели стен; 3 – плиты перекрытия; 4 – навесные панели ограждающих стен

Возможны другие конструктивные схемы многоэтажных здани й. К ним относятся, например, каркасное здание с центральным ядром жесткости, в котором в качестве вертикальных связевых диафрагм используются внутренние стены сблокированных лифтовых и вентиляционных шахт, лестничных клеток (рис. 1.25); здание с двумя ядрами жесткости открытого профиля – в виде двутавро в (рис. 1.26,а) ; здание с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане, позволяющей индивидуализировать архитектурное решение (рис. 1.27, б). В описанных конструктивных схемах зданий горизонтальные воздействия воспринимаются по рамно-связевой ил и связевой системе.

22

Рис. 1.25. Констр уктивный план многоэтажного каркасного здания с центральным ядром жесткости

1 – ригели рам; 2 – плиты перекрытия; 3 – ядро жесткости

Рис. 1.26. Конструктивные планы многоэтажных каркасных зданий

а – с двумя ядрами жесткости; б – с двумя ядрами жесткости, сложной конфигурации; 1 – плиты перекрытий; 2 – ригели рам; 3 – ядро жесткости двутаврового профиля; 4 – связевые диаф рагмы; 5 – замкнутое ядро жесткости; 6 – монолитное безба-

лочное перекрытие

Взданиях с центральным ядром жесткости в целях обеспеч ения удобной свободной планировки сотку колонн укрупняют, в ряде решений внутренние ко лонны исключают и элементы перекрытий опира ют на наружные колонны и внутреннее ядр о жесткости. Ригели перекрытий пролетом 12– 15 м проектируют предварительно напряженными, шарнирно связанными с колоннами, панели перекрытий — пустотными или коробчатыми. Горизонтальное воздействие на здание воспр инимается по связевой системе.

Взданиях с двумя ядрами жесткости и сложной конфигурацией в плане перекрытия выполняются монолитны ми в виде безбалочной бескапительной плиты. Возводят такие здания методом подъема перекрытий (или подъема этажей). Конструктивно-технологическая сущность этого метода состоит в том, что полигоном для изготовления перекрытий служит перекрытие над подвалом. Перекрытия бетонируют одно над другим в виде пакета с разделяющими прослойками. В местах, где проходят колонны, в перекры тии оставляют отверстия, окаймленные стальными воротниками, заделанными в бетоне.

23

Многоэтажные рамы высотой до 16 этажей имеют колонны постоянного сечения по всей высоте здания. Увеличение несущей способности колонн нижних этажей достигается повышением класса бетона, процента армирования, применением жесткой арматуры. Элементы сборных колонн в целях снижения трудоемкости на монтаже выполняют размером на 2 – 4 этажа.

Комбинированные вертикальные связевые диафрагмы, состоящ ие из сплошной и рамной частей, сохраняют регуля рную структуру – размеры элементов и пр олетов ригелей – по всей

высоте здания. Вертикальные связевые диафрагмы с проемами и ядра ж есткости имеют железобетонные перемычки, жестко связан ные на опорах с простенками, и также сохраняют регулярную структуру по всей высоте здания.

Стыки ригелей с колоннами выполняют жесткими на консолях, бесконсольными и шарнирными. При жестком соединении ригелей с колоннами сущест венно повышается общая жесткость многоэтажного здания и достигается экономия металла на армирование ригелей (по условиям прочности, трещиностойкости и предельных прогибов).

Элементами сборных вертикальных связевых диафрагм явля ются колонны каркаса и панели с полками для опирания плит перекрытий. Элементы соединяют сваркой закладных деталей и замоноличивани ем. Применяют также монолитные панели, бетонируемые на месте возведения после приварки к закладным деталям колонн арматурных сеток.

Монолитные ядра ж есткости армируют вертикальными пространственными каркасами,

ядер жесткости и перемычек назначается по расчету. Толщина стенок ядер жесткости устанавливается по расчету, обычно 200 – 400 мм.

Рис. 1.27. Схема конструирования арматуры монолитного ядра жесткости

а – сечение в плане; б – вид сбоку; 1 – арматурный пространсвенный каркас; 2 – соединительные стержни; 3 – продольная арматура перемычки; 4 – поперечная арматура перемычки

24

Панели внутренних несущих стен в панельных зданиях по условиям требуемой звукоизоляции выполняют из тяжелого бетона толщиной 14 –16 см. При такой толщине обеспечивается несущая способность этих панелей в зданиях высотой до 16 этажей. Увеличение несущей способности панелей стен зданий большей высоты достигается применением в нижних этажах бетона более высокого класса, увеличением толщины железобетонных панелей.

Типизация сборных элементов

Производство сборных железобетонных элементов наиболее эффективно в том случае, когда на заводе изготовляют серии однотипных элементов. Технологический процесс при этом совершенствуется, снижается трудоемкость изготовления и стоимость изделий, улучшается их качество. Отсюда вытекает важнейшее требование, чтобы число типов элементов в здании было ограниченным, а применение их – массовым (для возможно большего числа зданий различного назначения).

С этой целью типизируют элементы, т. е. для каждого конструктивного элемента здания отбирают наиболее рациональный, проверенный на практике, тип конструкции с наилучшими по сравнению с другими решениями технико-экономическими показателями (расход материалов, масса, трудоемкость изготовления и монтажа, стоимость). Выбранный таким образом тип элемента принимается для массового заводского изготовления.

Опыт типизации показывает, что для изгибаемых элементов, например панелей перекрытий, целесообразно при изменении длины элемента или нагрузки, действующей на элемент, сохранять размеры поперечного сечения, увеличивая лишь сечение арматуры. Для балок покрытий, длина которых и значения нагрузок меняются в большом диапазоне, рекомендуется менять и размеры сечения и армирование. Для колонн многоэтажных гражданских зданий (а в ряде случаев и промышленных) следует сохранять неизменными размеры поперечных сечений и изменять по этажам здания лишь сечение арматуры и в необходимых случаях класс бетона. При этом, несмотря на некоторый излишний расход бетона в колоннах верхних этажей, общая стоимость конструкции снижается благодаря многократному использованию форм, унификации арматурных каркасов. Кроме того, при постоянных размерах сечения колонн по этажам соблюдается однотипность балок перекрытий, опирающихся на колонны.

В результате работы по типизации составлены каталоги сборных железобетонных элементов, которыми руководствуются при проектировании различных зданий.

Чтобы одни и те же типовые элементы можно было широко применять в различных зданиях, расстояния между колоннами в плане (сетка колонн) и высоты этажей унифицируют, т. е. приводят к ограниченному числу размеров.

Основой унификации размеров служит единая модульная система, предусматривающая градацию размеров на базе модуля 100 мм или укрупненного модуля, кратного 100 мм.

Для одноэтажных промышленных зданий с мостовыми кранами расстояние между разбивочными осями и продольном направлении (шаг колонн) принято равным 6 или 12 м, а между разбивочными осями в поперечном направлении это расстояние (пролеты здания) приняты кратным укрупненному модулю 6 м, т. е. 18, 24, 30 м и т. д. (рис. 8.18). Высота от пола до низа основной несу щей конструкции принята кратной модулю 1,2 м, напри мер 10,8; 12 м и т. д. до 18 м.

Длямногоэтажных промышленных зданий принята унифицированная сетка колонн 9x6, 12х6 м под временные нормативные нагрузки на перекрытия 5, 10 м 15 кН/м2 и сетка колонн 6х6 м под временные нормативные нагрузки 10, 15, 20 кН/м2; высоты этажей приняты кратными укрупненному модулю 1,2 м, например 3,6; 4,8; 6 м.

В гражданских зданиях укрупненным модулем для сетки осей принят размер 600 мм. Расстояние между осями сетки в продольном и поперечном направлениях назначают от 3 до 6,6 м. Высоты этажей, кратные модулю 300 мм, – от 3 до 4,8 м.

На основе унифицированных размеров оказалось возможным все многообразие объемно-планировочных решений зданий свести к ограниченному числу унифициро-

25

ванных конструктивных схем, т. е. схем, где решение каркаса здания и его узлов однотипно. Все это позволило создать типовые проекты зданий для массового применения в строительстве.

Номинальные размеры – расстояния между разбивочными осями здания в плане. Конструктивные размеры элемента отличаются от номинальных на величину швов и зазоров. Величина зазоров зависит от условий и методов монтажа и должна допускать удобную сборку элементов и в необходимых случаях заливку швов раствором.

Натурные размеры элемента – фактические размеры, которые в зависимости от точности изготовления могут отличаться от конструктивных размеров на некоторую величину, называемую допуском (3—10 мм).

Конструктивные размеры элементов назначают с учетом необходимых зазоров в швах и стыках, а также с учетом нормированных допусков.

Сборные элементы должны быть технологичными: их конструкция должна допускать удобную установку, закрепление в проектном положении и быстрое освобождение крюка монтажного крана. Членение конструкции на сборные элементы в ряде случаев обусловлено требованиями технологичности монтажа. Например, колонны каркаса многоэтажного здания для удобства монтажа соединяют на высоте 800 –1000 мм от уровня перекрытия.

Конструкции стыков сборных элементов проектируют с учетом обеспечения их прочности, а также требований технологичности монтажа. Объем монтажной сварки должен быть сравнительно небольшим, работы по замоноличиванию стыков – сравнительно не трудоемкими.

В элементах сборных железобетонных конструкций должны быть предусмотрены устройства для их подъема при транспортировании, и монтаже: монтажные петли, специальные строповочные отверстия и т. п.

РАЗДЕЛ 3 РАСЧЕТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ).

Метод конечных элементов (МКЭ) применяется для различных задач механики деформируемого твердого тела, гидро- и газодинамики, электромагнетизма и т.д. МКЭ рассматривается применительно к решению задач прочности и других механических конструкций.

Одной из основных задач в данной области является задача определения напря- женно-деформированного состояния (НДС) конструкций (или более строго – твердого тела) при заданных условиях термомеханического нагружения.

Сосредоточим внимание на выводе соотношений и положений МКЭ для решения этой задачи, хотя полученные ниже соотношения МКЭ, являются универсальными и с небольшими изменениями могут быть применимы в других областях науки и техники.

Задачей определения НДС механической конструкции является отыскание в каждой точке конструкции напряжений, деформаций и перемещений, возникающих в ней в результате воздействий на конструкцию механических, газо- и гидродинамических, тепловых и других нагрузок в процессе ее реальной работы в составе летательного аппарата.

При решении задач статической прочности максимальные напряжения являются основой для вычисления запасов прочности и оценки прочности конструкции.

Рассмотрим более подробно постановку задачи определения НДС деформируемого твердого тела.

Как уже указывалось при решении задач определения НДС необходимо отыскать поля перемещений, деформаций и напряжений при заданной геометрии, свойствах материалов, нагрузок и граничных условий. Такая постановка задачи называется прямой, и, как правило, именно прямая задача решается в практической деятельности в процессе проектирования конструкций.

27

Дифференциальные уравнения равновесия

Рассмотрим равновесие бесконечно малого плоского элемента с действующей объемной силой (т. е. силой на единицу объема) X и Y. Объемные силы могут возникать, например, от действия сил инерции.

Рис. 3.1

Условие равновесия в проекции на ось x (толщина элемента равна единице):

третьим из них является равенство моментов относительно оси, нормальной к плоскости. Наложение этого условия приводит к тому, что

28

Рис. 3.2

Обобщая эти выражения на трехмерный случай (с объемной силой с компонентами X, Y и Z, см. рис. 3.2) получим:

Соотношения, связывающие деформации с перемещениями, и условия совместности

При формулировке метода конечных элементов на основе метода перемещений очень важны геометрические дифференциальные соотношения, связывающие деформации с перемещениями.

Для вывода соотношений рассмотрим малое смещение из недеформированного состояния ABCD в деформированное состояние A'B'C'D'для бесконечно малого элемента, изображенного на рис. 3.3.

29

Деформация сдвига γxy определяется как изменение значения угла, бывшего прямого до деформации. Изменения угла, вызванное перемещением отрезка AB в направле-

Аналогично получим изменение угла при перемещении отрезка AD в направлении оси y, после чего можно записать как сумму углов поворота стороны AB и AD соответственно:

Уравнения (3.12, 3.13, 3.15) являются соотношениями, связывающими деформации и перемещения в плоском случае.

Для трехмерных задач подобным образом можем вывести:

εx = ∂u/∂x εx = ∂v/∂y εx = ∂w/∂z

γxy = ∂u/∂y + ∂v/∂x

γzx = ∂w/∂x + ∂u/∂z