Вибір розрахункової схеми будинків і спосіб її реалізації в розрахунках

 

Наявність існуючої конструктивної схеми будівлі диктує необхід-ність вибору окремої розрахункової схеми, по якій можна було б визначи-ти внутрішні зусилля в елементах обраної схеми, а потім за цими зусилля-ми уточнити розміри перерізів і здійснити підбір робочої арматури. Інши-ми словами, виконується логічна послідовність у розрахунку будь-якого елемента чи будівлі: 1) задання розрахункової схеми; 2) статичний розра-хунок з визначенням зусиль M, N, Q; 3) конструктивний розрахунок, що включає перевірку розмірів перерізів з визначенням необхідної площі пе-рерізу робочої і конструктивної арматури і потім безпосереднє конструю-вання арматурних сіток або каркасів.

 

Як приклад розглянемо чотири різновиди будівель: а) рамна каркас-на система; б) безкаркасна будівля; в) пластинчаста система; г) одноповер-хова промбудівля.

 

Процес проектування відноситься до розряду творчих процесів, він не підкорюється строгому шаблону і жорстким нормативним обмеженням. Тому вибір розрахункової схеми для однієї і тієї ж будівлі може вирізняти-ся деякими деталями, а іноді й принциповими положеннями. В існуючій розрахунковій практиці найчастіше будинок розділяється на окремі плоскі елементи, що найпростіше розглядати як відомі в будівельній механіці ра-ми, ферми, пластини, оболонки та ін.

 

Для рамної каркасної системи розрахунковою схемою служать по-перечні рами, що чергуються в будівлі з певним кроком. Тому розглядати весь будинок з наявністю просторових зв'язків необов'язково. Досить роз-глянути тільки одну раму в межах кроку рам, зібрати навантаження та роз-рахувати раму точним або наближеним методом на дію окремо вертикаль-них і окремо горизонтальних навантажень. Отримані зусилля M, N, Q слу-жать вихідними для розрахунку і проектування поперечних перерізів стоя-ків і ригелів рами.

 

 

Багатоповерхові багатопрольотні рами каркасних будинків мають переважно одноманітну (регулярну) розрахункову схему з рівними про-льотами і поверхами. Навантаження по ярусах найчастіше також однакове. Вузли стояків таких рам мають приблизно рівні кути повороту і, отже, рів-ні вузлові моменти з нульовою точкою посередині стояків кожного повер-ху. Це дає підставу розчленити багатоповерхову раму на ряд одноповерхо-вих рам з висотою стояків, рівній половині висоти поверху, із шарнірами по кінцях стояків, крім першого поверху (рис. 6.6).

 

Якщо число прольотів рами більше трьох, раму практично заміняють трипрольотною рамою й приймають згинальні моменти в середніх прольо-тах багатопрольотної рами такими ж, як і в середньому прольоті трипро-льотної рами. Розрахунок спрощених рам можна робити методом сил, ме-тодом переміщень або за допомогою довідкових таблиць.

 

а)				б)				в)
h				h/2
h
h				h/2
			h/2
h
h1
l	l	l	l	l	l	l	l	l	l	l

Рис. 6.6 – Розрахункова схема каркасного багатоповерхової багатопрольотної будівлі (а). Спрощення цієї схеми для реалізації в табличних розрахунках (б, в)

У таблицях опорні моменти ригелів рами, що має колони з однако-вими поперечними перерізами, можуть визначатися за формулою

 

M оп=(αg + βv) l ^2,

(6.1)

де α, β – табличні коефіцієнти, що залежать від схем завантаження і ві-дношення суми погонних жорсткостей стояків, що примикають до вузла, i_ст,до погонної жорсткості ригеля i_р: i_ст / i_р; g і v –постійне і тимчасовенавантаження на ригель; l – прольот ригеля.

Згинальні моменти в стояках визначають за різницею опорних моме-нтів ригелів у даному вузлі, розподіляючи її пропорційно погонним жорст-костям стояків.

 

Згинальні моменти в прольотних перерізах ригелів, а також попереч-ні сили визначають як в однопрольотній балці, завантаженій зовнішнім на-вантаженням і опорними моментами по кінцях.

 

Для рамно-зв’язкових систем колони сприймають тільки вертикальні навантаження, тому розрахункові схеми для таких будинків трохи спро-щуються і можуть бути представлені у вигляді з'єднаних гнучкими зв'яз-ками рамної системи з вертикальними діафрагмами жорсткості (рис. 6.7). Роль стержнів – зв'язків між багатоповерховою рамою і вертикальною діа-фрагмою виконують міжповерхові перекриття.

 

Горизонтальні навантаження в рамних системах сприймаються всією рамою.

 

 

Розподілене горизонтальне нава-
нтаження (в основному вітрове) замі-
няють зосередженими силами, прикла-
деними у вузлах рами.
Ярусні поперечні сили рами ви-	H
значають у рівні кожного поверху.
У безкаркасній будівлі несучими
елементами є поздовжні або поперечні
стіни. Якщо несучими елементами є	Рис. 6.7 – Розрахункова схема рамно-
поздовжні стіни, то вертикальна стіна в
межах між віконними прорізами пред-	зв’язкової системи з діафрагмами
ставляється у вигляді нерозрізної бага-	жорсткості
топрольотної балки, що спирається на міжповерхові залізобетонні перек-
риття, які найчастіше приймаються нерухомими опорами. У межах кожно-
го поверху допускається розглядати самостійно окремий стояк, завантаже-
ний вертикальним навантаженням від вищележачих поверхів і зосередже-
ним моментом від перекриття над цим поверхом (рис.6.8).
При врахуванні горизонтального навантаження в межах кожного по-
верху прикладається рівномірно розподілене навантаження і стояк розгля-
дається як однопрольотна балка. Епюра моментів відповідає завантаженню
рівномірно розподіленим навантаженням, інтенсивність якого з висотою
будинку збільшується.
Якщо несучими елементами будуть поперечні стіни, тоді їхня розра-
хункова схема відповідатиме умовно центрально завантаженому стержню з
розрахунковою довжиною, яка дорівнює висоті поверху. Зовнішні стіни
розраховують як самонесучі елементи.
У пластинчастих системах, прикладом яких можуть бути багатопо-
верхові монолітні залізобетонні будинки, а також панельні будинки зі збі-
рних залізобетонних елементів, у розрахункових схемах повинна бути
присутня просторова модель всієї будівлі або хоч частина цієї будівлі, то-
му що розчленування такої будівлі на плоскі елементи дає неточні резуль-
тати статичного розрахунку. Розрахункова модель пластинчастого елемен-
та базується на використанні методу скінченних елементів при визначенні
всіх силових і деформативних параметрів розглянутої будівлі. На рис. 6.9
показаний приклад поділу площинних елементів будинку (стін і перекрит-
тя) на прямокутні елементи з розміром елемента 0,5х0,5 м. Чим дрібніша
буде сітка, тим точніше буде результат розрахунку, однак дуже велика кі-
лькість скінченних елементів призводить до значного обсягу канонічних
рівнянь і значного часу для здійснення розрахункового процесу і аналізу
отриманих результатів.
Навантаження прикладається у вузлах прямокутних елементів, при
цьому навантаження може враховуватися окремо від власної ваги і від
тимчасового завантаження. Сполучення у вузлах також можуть приймати-
ся диференційовано, тобто або з обмеженням переміщень і поворотів, або з
можливістю поворотів.

 

 

Існуючі	стандартні про-	а	б	в
грами для розрахунку подібних			^G M1=P1.l1
систем	дозволяють	використо-
вувати персональні комп'ютери
та інші обчислювальні компле-
кси для визначення внутрішніх			Hэт
зусиль	(M, N, Q) і переміщень
для всього будинку. Основними
програмними	комплексами	є
„Ліра”,	“SCAD”,	„MIRAG”,
„МОНОМАХ”, „ROBOT” та ін.
Цей спосіб представлен-	Рис. 6.8 – Конструктивна (а) і розрахункова
ня розрахункової схеми будівлі	схеми (б, в) безкаркасної будівлі
є найбільш прогресивним, тому		с цегельними стінами
що він враховує не тільки різні
конфігурації будинку, наявність прорізів у перекриттях і стінах, але й до-
зволяє врахувати просторову роботу будівлі, а це істотно знижує зосере-
джені навантаження в нижніх поверхах будинку і згинальні моменти від
горизонтальних (вітрових) навантажень.
			3,0м
			3,5			3,0м
						3,0м
Рис. 6.9 – Розрахункова модель окремого блоку пластинчастої будівлі з поділом
його на скінченні елементи, розмір елемента 0,5х0,5 м. Умовно показаний поділ
	тільки двох панелей (вертикальної і горизонтальної)

У сучасних і перспективних методах розрахунку передбачається по-єднання графічних програмних комплексів типу “AVTOКAD” з розрахун-ковими комплексами, тобто достатньо буде накреслити якусь будівлю з її конструктивними та архітектурними особливостями, потім дати команду „розрахунок”, і програмний комплекс видасть армування та конструюван-ня основних несучих елементів з їх графічним зображенням.

 

Ще один приклад розрахункових схем будівель розглянемо на прик-ладі рами одноповерхової промбудівлі. Як розрахункова схема тут засто-совується одноповерхова n-прольотна рама із шарнірним з'єднанням стоя-ків та ригелів і жорстким защемленням стояків у фундаментах. Така рама може розраховуватися будь-яким відомим з будівельної механіки методом: методом сил, методом переміщень, змішаним методом (рис. 6.10) або за допомогою програмних розрахункових комплексів.

 

Найбільш прийнятним методом розрахунку для таких рам є метод переміщень, який полягає в тому, що в рівні верхнього ригеля впроваджу-ється додатковий горизонтальний зв'язок а.

 

w

 

 

a

w

 

M1 M¹

M2	M3
a

 

Рис. 6.10 – Розрахункова схема одноповерхової двопрольотної промислової будівлі

 

	Канонічне рівняння для такої рами можна записати в наступному вигляді:
	^C dim ^r 11 1 ^+ ^Rip ^= ^0.	(6.8)
де	Сdim –коефіцієнт,що враховує просторову роботу будівлі;	r11 –оди-

нична реакція у зв'язку а від одиничного зсуву = 1; R_ip – сумарна реакція у зв'язку а від зовнішнього вантажного впливу.

 

Просторовий коефіцієнт С_dim враховується тільки для кранового на-вантаження і тільки для одно- та двопрольотних будівель. Для інших нава-нтажень С_dim = 1. Дані розрахункові схеми завантажуються чотирма вида-ми навантажень: постійного від власної ваги всіх елементів, тимчасового: снігове, кранове і вітрове. Комбінуючи отримані зусилля M, N, Q від кож-ного виду завантаження в невигідному їхньому сполученні, одержують ро-зрахункові зусилля для розрахунку колон і фундаментів. Значення опорних реакцій у зв'язку а від різних видів завантажень наведені в Додатку V.

 

Ригель в одноповерховій промбудівлі (балка, ферма, арка, крупнорозмі-рні елементи покриття типу КЖС чи малоуклонні плити) розраховують неза-лежно від розрахункової схеми всієї рами. Взаємний вплив ригеля і стояків на перерозподіл зусиль у рамній системі одноповерхової промбудівлі в існуючих методах розрахунку не відтворюється, хоча цей вплив і має деяке значення.

 

Жорсткість поперечної рами забезпечується тільки за рахунок защем-лення колон у фундаментах і наявності жорсткого диска покриття. Чим біль-ше прольотів у будівлі, тим жорсткіша поперечна рама, тому для трипрольо-тних рам з більшою кількістю прольотів у рівнянні (6.8) значення = 0, і зміщення горизонтального зв'язку в розрахунках не враховується.

 

Таким чином, були розглянуті кілька прикладів можливих розрахун-кових схем цивільних і промислових будівель. Але вони не вичерпують значне розмаїття таких схем. У ряді конструктивних рішень будівель необ-хідно використовувати нестандартні, оригінальні розрахункові схеми, що можуть відбити і специфіку проектованого будинку, і його просторову ро-боту, і взаємний вплив одних конструктивних елементів на інші, і особли-вості деформування ґрунтових підвалин або температурні впливи і ін.

 

 

Р О З Д І Л 7