В условиях плотной городской застройки современных городов высотное строительство развивается быстрыми темпами. При проектировании высотных зданий необходимо обеспечить прочность и общую устойчивость. Один из способов повышения прочности и устойчивости является применение аутригерных этажей. Для каждого здания форма и расположения аутригерного этажа устанавливается индивидуально, но чаще всего такие этажи располагают на технических этажах.
Цель исследования - определение наиболее оптимальной конструкции и расположения аутригерных этажей в каркасе высотного здания. В качестве критериев эффективного расположения и оптимального конструктивного решения приняты нормируемые характеристики общей устойчивости каркаса здания, ускорение верхнего этажа от действия динамической составляющей ветровой нагрузки, характер форм и спектр частот собственных колебаний.
Объектом исследования является пространственный каркас высотного жилого здания в г. Ростове-на-Дону, представляющий собой пространственную плитно-стержневую конструкцию, выполненную из железобетонных колонн, стен, диафрагм жесткости и плит перекрытий. Пространственная расчетная модель разработана методом конечных элементов в программном комплексе Лира-САПР (Рис. 1).
Рис. 1. Конечно-элементная модель: а) проекция на плоскость XZ,
б) 3D-модель здания
Предложено два вида виртуальных аутригерных систем: в виде фермы, объединяющих колонны по периметру здания (Рис. 2а) и монолитных стен, объединяющих колонны по периметру здания (Рис. 2б).
Рис. 2. Расчетные схемы аутригерных этажей : а) в виде железобетонных ферм; б) в виде монолитных железобетонных стен
Применение предложенных конструктивных решений аутригерных систем устраняет необходимость в устройстве сложных соединений аутригеров с колоннами и центральным ядром, сводя к минимуму возможность случайной передачи нагрузки, возникающей из-за неравномерных деформаций между периметром и центральным ядром.
Рассмотрено пять вариантов конструктивной схемы каркаса здания:
– без аутригерных этажей;
– два аутригерных этажа на технических этажах в виде ферм;
– два аутригерных этажа на технических этажей в виде стен;
– один аутригерный этаж на последнем этаже в виде ферм;
– один аутригерный этаж на последнем этаже в виде стен.
В расчетных моделях учтены статические и динамические нагрузки: собственный вес конструкций здания, снеговая нагрузка на покрытие, полезная нагрузка, ветровая нагрузка. Граничные условия задаются в опорных узлах стержней и стеновых пластин в виде жесткой заделки.
Выполнены расчеты на общую устойчивость; получены формы потери и коэффициенты запаса устойчивости. В таблице сведены коэффициенты запаса устойчивости в зависимости от конструктивной схемы здания.
Таблица 1. Коэффициенты запаса устойчивости
|
Вариант расчетной схемы |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Коэффициент запаса устойчивости |
10,48 |
13,39 |
13,50 |
13,00 |
13,20 |
Выполнен динамический расчет пяти вариантов расчетных схем. Получены частоты и формы собственных колебаний. Анализ форм колебаний показал, что первая форма колебаний всех расчетных моделей поступательная, третья форма колебаний – крутильная. Вторая форма первой, третьей, четвертой и пятой моделей – крутильные (Рис. 3а); второй расчетной модели – поступательная (Рис. 3б).
Рис.3. Вторая форма колебаний: а) первая модель; б) вторая модель
Вторая крутильная форма колебаний подтверждает сложные конструктивные решения исследуемого каркаса и требует дополнительных исследований работы каркаса зданий при динамических нагрузках. Вторая поступательная форма подтверждает правильность принятых конструктивных решений, отвечающих требованиям надежности и экономичности.
Анализ спектра частот и периодов колебаний первой, третьей, четвертой и пятой моделей показал отличие в значениях менее 5%.
Выполнено сравнение динамических характеристик второй и четвертой расчетных моделей. Частоты колебаний второй модели уменьшились на 36%, периоды колебаний выросли на 54% по сравнению с частотами и периодами колебаний четвертой расчетной модели.
Выполнено исследование динамической комфортности расчетных схем, определены ускорения верхних точек каркас здания. Результаты представлены в
табл. 2.
Таблица 2. Ускорение плиты перекрытия последнего этаж
|
Вариант конструктивного решения |
а (Х) (мм/с2)
|
а (Y) (мм/с2) |
а (Z) (мм/с2) |
а (мм/с2), расчетные значения |
а (мм/с2), нормативные значения |
|
1 вариант |
0,115 |
115,095 |
0,872 |
115,098 |
82,21 |
|
2 вариант |
1,403 |
95,234 |
0,419 |
95,245 |
68,03 |
|
3 вариант |
82,437 |
1,976 |
2,895 |
82,512 |
58,94 |
|
4 вариант |
82,457 |
1,077 |
2,897 |
82,515 |
58,94 |
|
5 вариант |
83,986 |
1,025 |
2,935 |
84,043 |
60,03 |
Согласно нормативным требованиям ускорение верхнего этажа не должно превышать величины ас, max=0,08 м/с2. Анализ результатов динамического расчет показал, что вариант конструктивного решения без аутригерного этажа не удовлетворяет требованиям динамической комфортности.
Принятое конструктивное решение с двумя аутригерными этажами на технических этажах в виде ферм позволяет увеличить общую устойчивость каркаса здания, удовлетворяет требованиям по динамической комфортности и отвечает требованиям экономичности проектных решений.
Оптимизацию конструктивной схемы рекомендуется производить на самых ранних стадиях проекта. При таком подходе можно создать максимально эффективную аутригерную систему: колонны будут размещены в наиболее оптимальных местах; вертикальные нагрузки будут восприниматься конструкциями аутригера и колоннами.
Разработанный вариант каркаса с рациональным конструктивным решением аутригерных этажей и уточнением общей устойчивости может быть использован при исследовании высотного здания на прогрессирующее обрушение.
