Конструктивные схемы и классификация зданий и сооружений

В зависимости от вида несущего остова различают две основны конструктивные схемы зданий и сооружений — каркасную и бескар касную.

Каркасные здания и сооружения делят на полнокаркасные (рис. лп и неполнокаркасные (рис. 22). В полнокаркасных зданиях все нагрузки передаются на каркас, т. е. на систему связанных между собой вертикальных колонн и горизонтальных балок (ригелей). В этих зданиях колонны каркаса располагают как по периметру наружных стен, так и внутри здания. Полнокаркасные здания и сооружения проектируют главным образом в случаях, когда имеют место значительные нагрузки (тяжелое технологическое оборудование, мостовые краны). Промышленные здания, как одноэтажные, так и многоэтажные, проектируют преимущественно с полным каркасом.

Рис. 21. Конструктивные схемы каркасных зданий: а — с продольным расположением ригелей; б — то же, с поперечным; в — то же, с перекрестным; г — безригельное решение

В зданиях и сооружениях с неполным каркасом (внутренним) все возникающие в них нагрузки передаются на внутренний каркас и наружные стены. Неполный каркас чаще проектируют для жилых и общественных гражданских зданий. В зданиях с полным и неполным каркасом ригели могут иметь продольное, поперечное или перекрестное расположение.

В бескаркасных зданиях и сооружениях (рис. 23) все нагрузки от перекрытий и крыши воспринимаются стенами. Несущими могут быть стены: наружные и внутренние, продольные и поперечные, а также одновременно продольные и поперечные. Наиболее эффективной конструктивной схемой бескаркасных зданий является схема зданий с внутренними поперечными несущими стенами. Эта схема наиболее распространена в крупнопанельном домостроении.

В зависимости от качественных показателей здания различных конструктивных схем подразделяют на степени или классы. К важнейшим качественным показателям относятся: огнестойкость, долговечность, капитальность. По огнестойкости здания делятся на пять степеней: I, II, III, IV, V. К I, II и III степеням относятся каменные оштукатуренные.

Рис. 22. Конструктивные схемы зданий с неполным каркасом: а — с продольным расположением ригелей; б — то же, с поперечным; в — безригельное решение

Рис. 23. Конструктивные схемы бескаркасных зданий: а — с продольным расположением несущихстен; б — то же, с поперечным; в — смешанная

По долговечности ограждающих конструкций здания подразделяют на три степени: I; II и III. К I степени относятся здания со сроком службы не менее 100 лет, ко II — со сроком службы не менее 50 лет, к III — со сроком службы не менее 20 лет. По капитальности здания делят на четыре класса: I, II, III и IV. К I классу относятся здания, к которым предъявляются повышенные требования, а к IV — здания, удовлетворяющие минимальным требованиям. Капитальность зданий определяется исходя из совокупности требований к огнестойкости, долговечности основных конструктивных элементов, а также эксплуатационных качеств здания (внутренняя отделка, техническое оборудование, планировка).

Для зданий различного назначения установлены разные требования, определяющие их класс. Эти требования изложены в нормах проектирования соответствующих зданий.

31. Расчетные схемы зданий и сооружений

Расчетная схема устанавливается на основе конструктивной схемы сооружения. Расчетная схема - это упрощенное изображение конструкции с действующими нагрузками, принимаемыми для выполнения расчетов. По существу расчетная схема - это геометрическая схема конструкций с учетом соединений между элементами действующими нагрузками.

В расчетной схеме стержни условно заменяются их центральными линиями - осями, пластиы - их срединными поверхностями, реальные опорные поверхности заменяются идеальными опорными связями, нагрузки на поверхности на оси или срединные поверхности.

В расчетной схеме, определяющей усилия в элементах важную роль играют узлы, соединения элементов в узлах, характер опирания конструкции на опоры и основания. Соединения элементов могут быть:

· жесткие, не допускающие взаимного перемещения элементов.

· свободные, или шарнирные, позволяющие взаимное перемещение между собой

· упругоподатливые соединения, допускающие взаимные перемещения, но с возникновением реакций в соединениях.

При выборе расчетной схемы возможны определенные допущения, предпосылки, идеализации. Например, стержневое металлическое структурное покрытие заменяется на сплошную непрерывную плиту с условными характеритиками материалов и расчетной выстой. От расчета пространственных систем, переходят к расчету плоских рам. Учитывая неопределенность отпора грунта, ленточный фундамент рассматривается как балка с распределенной нагрузкой. Расчетная схема, если она сложна для расчета, подвергается дальнейшему упрощению исключением некоторых устройств, играющих второстепенную роль в сооружении и не снижающих его надежности в эксплутации.

Подготовка расчетной схемы включает в себя:

· схематическое представление конструктивного решения, анализ конструктивных элементов (стержни, пластины), установление перечня нагрузок, действующих на сооружение;

· принятие решения о характере закрепления узлов, отпирания и соединения элементов в узлах (жесткое, шарнирное, упругоподатливое);

· прослеживание траектории восприятия внешних нагрузок конструктивными элементами и передача усилий с одного элемента на другой или на основание;

· проверка выбранной расчётной схемы на геометрическую изменяемость. При её обнаружении необходимо вернуться к анализу соединений в узлах и опорах. В некоторых случаях усилия в элементах конструкции зависят от деформации. Так, в поперечных сечениях ствола Останкинской телебашни при отсутствии крена фундамента изгибающие моменты не возникают. Однако при действии ветровой нагрузки и одностороннем нагреве солнечной радиацией поверхности ствола развиваются горизонтальные деформации, как следствие возникают эксцентриситеты и дополнительные изгибающие моменты в поперечных сечениях от вертикальных нагрузок. Расчёт таких сооружений ведут по деформируемой расчётной схеме, согласно которому внутренние усилия определяют в зависимости от деформации конструкции.

32. Расчет строительных конструкций по несущей способности

При расчете прочности элементов сооружения допускаемой нагрузкой считается такая, при которой наибольшее напряжение (в опасной точке элемента) равно допускаемому напряжению. При этом допускаемое напряжение принимается равным пределу текучести деленному на нормативный (требуемый) коэффициент запаса прочности:

Величина нагрузки Р, при которой напряжение в опасной точке элемента равно допускаемому, называется допускаемой нагрузкой, а величина P_r при которой напряжение в этой точке равно пределу текучести, — опасной нагрузкой.

Рис. 1.17

При напряжениях в материале, не превышающих предела пропорциональности, усилия и напряжения в конструкции прямо пропорциональны действующим на нее нагрузкам. Поэтому коэффициент n является коэффициентом запаса не только по напряжениям, но и по нагрузкам:

При нагрузке P_r не происходит полное исчерпание несущей способности конструкции, так как при этой нагрузке напряжения лишь в ограниченной зоне равны пределу текучести; в остальной части конструкции имеются меньшие напряжения.

Расчет по предельным нагрузкам позволяет более полно использовать несущую способность конструкций, чем расчет по напряжениям, и потому он является более экономичным. Такой способ расчета называют также расчетом по несущей способности, расчетом по предельному состоянию, расчетом по разрушающим нагрузкам. Предельную нагрузку, деленную на нормативный коэффициент запаса прочности n назовем предельно допускаемой нагрузкой и обозначим P_np

В большинстве случаев предельно допускаемая нагрузка больше допускаемой нагрузки, подсчитанной с тем же значением коэффициента запаса, а в некоторых случаях равна ей, т. е. P_np ≥ P.

Значения нормативного коэффициента запаса для расчета по предельным нагрузкам устанавливаются такими, чтобы напряжения во всех точках конструкции при предельно допускаемых нагрузках были меньше предела текучести.

Расчет по предельным нагрузкам может производиться лишь при конструкциях, изготовленных из пластичных материалов и при действии статической нагрузки. Он неприменим для конструкций из хрупких материалов и при действии переменных напряжений, которые вызывают хрупкое разрушение материала. При расчете по предельным нагрузкам действительная диаграмма деформации материала заменяется условной диаграммой, называемой диаграммой Прандтля. Материал, деформация которого характеризуется диаграммой Прандтля, называется идеальным упруго-пластическим.

Диаграмма Прандтля основана на предположении, что предел пропорциональности совпадает с пределом текучести, а площадка текучести имеет неограниченную протяженность. Если после достижения предела текучести напряжения (σ или τ) уменьшают, например, начиная от точки 3 диаграммы (сначала путем разгрузки, а потом путем приложения нагрузки противоположного направления), то материал ведет себя как упругий; линии разгрузки (3—4) и нагружения нагрузкой противоположного направления (4—5) параллельны линии 1—2.

После того как напряжения достигают предела текучести (точка 5), дальнейшая деформация происходит при постоянном напряжении (участок 5—6).

 

33. Расчет строительных конструкций по деформативности (пригодности к нормальной эксплуатации)

Выполняются расчеты на образование, раскрытие (закрытие) трещин и чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса, амплитуды колебаний). Цель расчета: не допустить в конструкции возникновения чрезмерных перемещений (прогибов, углов перекоса, поворота, колебаний), а также чрезмерного образования и раскрытия трещин, затрудняющих нормальную эксплуатацию или снижающих долговечность конструкции. Расчет по второй группе предельных состояний должен гарантировать сохранение эксплуатационных качеств конструкции с учетом изменчивости прочностных и деформативных свойств материалов. При расчете по II группе предельных состояний должно соблюдаться условие: ∆ ≤ [∆], где ∆ – величина обратимых деформаций, возникающих в результате действия эксплуатационных нагрузок; [∆] – соответствующая предельная величина, установленная нормами или заданная при проектировании и гарантирующая нормальную эксплуатацию конструкции. Удовлетворение требований II группы предельных состояний в общем случае включает расчеты по образованию, раскрытию трещин и по деформациям (прогибам, перемещениям и пр.).

Расчет по образованию трещин. Трещины в элементе не появляются, если выполняется условие: F ≤ Fcrc, (здесь F – максимально возможное усилие в сечении элемента от действующей нагрузки; Fcrc – минимально возможное усилие, воспринимаемое сечением перед образованием трещин.

Расчет по раскрытию трещин. Если по условиям эксплуатации образование трещин допустимо, то должна быть ограничена ширина их раскрытия, т.е. должно соблюдаться условие: acrc ≤ [acrc], где acrc – установленная расчетами ширина раскрытия трещин; [acrc] – установленная нормами предельно допустимая ширина раскрытия трещин, зависящая от условий работы конструкции.

Расчет по деформациям (перемещениям, прогибам). При необходимости ограничения прогиба конструкции должно выполняться условие: 9 f ≤ [ f ], где f – установленная расчетами величина прогиба конструкции; [f] – предельно допустимое значение прогиба, установленное нормами.

 

34. Определение категории технического состояния обследуемых конструкций с учетом степени повреждения и величины снижения их несущей способности

Оценку категорий технического состояния несущих конструкций производят на основании результатов обследования и поверочных расчетов. По этой оценке конструкции подразделяются на: находящиеся в исправном состоянии, работоспособном состоянии, ограниченно работоспособном состоянии, недопустимом состоянии и аварийном состоянии. При исправном и работоспособном состоянии эксплуатация конструкций при фактических нагрузках и воздействиях возможна без ограничений. При этом, для конструкций, находящихся в работоспособном состоянии, может устанавливаться требование периодических обследований в процессе эксплуатации. При ограниченно работоспособном состоянии конструкций необходимы контроль за их состоянием, выполнение защитных мероприятий, осуществление контроля за параметрами процесса эксплуатации (например, ограничение нагрузок, защиты конструкций от коррозии, восстановление или усиление конструкций). Если ограниченно работоспособные конструкции остаются неусиленными, то требуются обязательные повторные обследования, сроки которых устанавливаются на основании проведенного обследования. При недопустимом состоянии конструкций необходимо проведение мероприятий по их восстановлению и усилению. При аварийном состоянии конструкций их эксплуатация должна быть запрещена.

Обследование строительных конструкций зданий и сооружений проводится, как правило, в три связанных между собой этапа: подготовка к проведению обследования; предварительное (визуальное) обследование; детальное (инструментальное) обследование.

Состав работ и последовательность действий по обследованию конструкций независимо от материала, из которого они изготовлены, на каждом этапе включают: Подготовительные работы: ознакомление с объектом обследования, его объемно-планировочным и конструктивным решением, материалами инженерно-геологических изысканий; подбор и анализ проектно-технической документации; составление программы работ (при необходимости) на основе полученного от заказчика технического задания. Предварительное (визуальное) обследование: сплошное визуальное обследование конструкций зданий и выявление дефектов и повреждений по внешним признаками с необходимыми замерами и их фиксация. Детальное (инструментальное) обследование: работы по обмеру необходимых геометрических параметров зданий, конструкций, их элементов и узлов, в том числе с применением геодезических приборов; инструментальное определение параметров дефектов и повреждений; определение фактических прочностных характеристик материалов основных несущих конструкций и их элементов; измерение параметров эксплуатационной среды, присущей технологическому процессу в здании и сооружении; определение реальных эксплуатационных нагрузок и воздействий, воспринимаемых обследуемыми конструкциями с учетом влияния деформаций грунтового основания; определение реальной расчетной схемы здания и его отдельных конструкций; определение расчетных усилий в несущих конструкциях, воспринимающих эксплуатационные нагрузки; расчет несущей способности конструкций по результатам обследования; камеральная обработка и анализ результатов обследования и поверочных расчетов; анализ причин появления дефектов и повреждений в конструкциях; составление итогового документа (акта, заключения, технического расчета) с выводами по результатам обследования; разработка рекомендаций по обеспечению требуемых величин прочности и деформативности конструкций с рекомендуемой, при необходимости, последовательностью выполнения работ. Некоторые из перечисленных работ могут не включаться в программу обследования в зависимости от специфики объекта обследования, его состояния и задач, определенных техническим заданием.

На основании имеющейся проектно-технической документации или технического задания на обследование определяют нормативные значения постоянных и временных нагрузок, действующих на конструкции: от веса стационарного оборудования; от веса складируемых материалов; от мостовых, тельферных кранов, напольного транспорта и другого подъемного оборудования; от веса ремонтных материалов и перемещаемого оборудования; от временных равномерно распределенных нагрузок, от ветра; от снега. Коэффициенты надежности по этим нагрузкам принимают в соответствии со СНиП 2.01.07. При обследовании объекта определяют следующие фактические нагрузки: от собственного веса несущих и ограждающих конструкций; от веса полов, перегородок и внутренних стен, опирающихся на несущие конструкции; от веса технологической пыли, скапливающейся на покрытии и конструкциях. Нагрузки от собственного веса сборных несущих конструкций определяют по чертежам и каталогам, действовавшим в период строительства обследуемого объекта, а при отсутствии чертежей — по результатам обмеров, полученным при обследовании. Вес монолитных железобетонных несущих конструкций определяют по результатам обмеров, полученным при обследовании. Собственный вес металлических конструкций можно определять по результатам обмеров основных элементов. К основным элементам относятся: в фермах — пояса и стержни решетки; в балках и сплошностенчатых колоннах — пояса и стенка; в сквозных колоннах — пояса; в связях — пояса и элементы решетки. Полный вес конструкций определяют умножением собственного веса основных элементов на строительный коэффициент веса. Нагрузки от стационарного оборудования определяют на основании анализа технической документации, уточненной результатами натурного обследования, составляют схему расположения стационарного оборудования с привязкой к разбивочным осям здания и указанием способа опирания на конструкции.. В необходимых случаях на схему дополнительно наносят расположение коммуникаций с указанием их веса и мест крепления к конструкциям. Постоянные нагрузки на конструкциях покрытий и перекрытий определяют по результатам вскрытий с определением плотности и толщины слоев или по результатам взвешиваний материалов на вырезанных участках площадью от 0,04 до 0,25 м2, при этом число вскрытий должно быть не менее трех на этаж и не менее шести — на 500 м2 площади.

 

35. Установление эксплуатационной пригодности строительных конструкций по основным критериям, определяющим их функциональное назначение (температурно-влажностной режим, загазованность, герметичность, степень агрессивности среды, состояние антикоррозионных и огнезащитных покрытий и футеровок, освещенность, звукоизоляция и т.д.)

Параметры, характеризующие устойчивость и обитаемость здания делятся на основные и второстепенные.

Параметры делятся на: физические; моральные.

Параметры при диагностики повреждений зависят;

- от материала конструкции;

- от назначения обследуемого здания;

- от агрессивности внешней среды;

- от внешних воздействий.

Здания отличаются набором параметров эксплуатационного качества. В процессе эксплуатации с помощью приборов можно обнаружить несоответствие показателей и принять меры по устранению. После установления значения критериев работа сводится к контролю их с помощью системы приборов.

Нормируется: параметры определяющие микроклимат помещения -, температура воздуха, влажность, освещенность, химический состав.

Можно установить обобщенные параметры эксплуатационного качества жилого здания:

- прочность и устойчивость;

- деформативность;

- теплозащитные свойства;

- герметичность;

- звукоизоляция;

- состояния воздушной среды;

- влажность материала конструкции;

- освещенность.

Техническое состояние здания в целом является функцией работоспособности отдельных конструктивных элементов и связей между ними.

Факторы, вызывающие изменения работоспособности в целом и отдельных элементов, подразделяются на 2 группы: внутреннего и внешнего характера.

К группе причин внутреннего характера относят:

Физико-химические процессы, протекающие в материалах конструкций;

Нагрузки и процессы, возникающие при эксплуатации;

Конструктивные факторы;

1. Качество изготовления.

К группе причин внешнего характера относят:

климатические факторы (температуру, влажность, солнечную радиацию);

факторы окружающей среды (ветер, пыль, биологические факторы);

качество эксплуатации.

В процессе эксплуатации зданий их техническое состояние изменяется. Это выражается в ухудшении количественных характеристик работоспособности, в частности, надежности. Ухудшение технического состояния зданий происходит в результате изменения физических свойств материалов, характера сопряжений между ними, а также размеров и форм.

Также причиной изменения технического состояния зданий являются разрушения и другие аналогичные виды утрат работоспособности конструктивными материалами.

Полное время эксплуатации здания можно разделить на три периода: приработки, нормальной эксплуатации, интенсивного износа.

С течением времени несущие и ограждающие конструкции и оборудование зданий и сооружений изнашиваются, стареют. В начальный период эксплуатации зданий происходят взаимная приработка элементов; релаксация напряжений; осадочные явления, вызванные изменением и нагрузками па основания, деформациями ползучести в материалах, и т.д. Происходит снижение механических, прочностных и ухудшение эксплуатационных характеристик конструкций зданий. Все эти изменения в конструкциях зданий могут быть как общими, так и локальными, они происходят самостоятельно и в совокупности.

Наибольшее количество дефектов, отказов и аварий приходится на процесс строительства и в первый период эксплуатации зданий и сооружений. Главные причины - недостаточное качество изделий, монтажа, осадка оснований, температурно-влажностные изменения и т.д.

Пocтроечный и первый послепостроечный периоды характеризуются приработкой всех элементов на сложной единой системе здания. В этот период происходят сдвиг и отрыв внутренних стен от наружных, усадка, температурные деформации конструкции, ползучесть материалов и т.д.

По окончании периода приработки конструкций и элементов зданий с окружений, после заделки дефектных участков в период нормальной эксплуатации количество отказов снижается и стабилизируется.

Основными деформациями этого периода являются внезапные деформации, связанные с условиями работы и эксплуатации элементов.

Причиной внезапных деформаций во времени могут быть неожиданные концентрации нагрузок, ползучесть материалов, неудовлетворительная эксплуатация, температурно-влажностные воздействия, неправильное выполнение ремонтных работ.

Третий период, период интенсивного износа, связан с явлениями старения материала конструкций, снижением упругих свойств.

Конструкции и оборудование даже при нормальных условиях эксплуатации имеют разные сроки службы и изнашиваются неравномерно. Продолжительность службы отдельных конструкций зависит от материалов, условий эксплуатации. На долговечность конструктивных элементов влияет конструктивное решение и капитальность здания в целом; в зданиях, выполненных из прочных материалов и надежных конструкций, любой элемент служит дольше, чем в зданиях из недолговечных материалов.