Общие сведения о расчете монолитных зданий.

Монолитными называются здания в которых основные несущие конструкции (внутренние стены, колонны и перекрытия) выполнены из монолитного бетона. Сборными могут быть ограждающие конструкции, лестничные марши, перегородки и т.п. Доля монолитности должна составлять 70 и более % от общего объема конструктивных элементов здания.

Расчётная схема:

Расчетная схема здания включает данные о нагрузках и физическую модель;

Физическая модель здания представляет собой трехмерную систему из колонн, стен, плит, балок и их сопряжений, а также данные о физико-механических свойствах материалов;

Распределение усилий в пространственно-деформируемых системах в значительной степени определяется жесткостными характеристиками элементов и их сопряжениями, которые зависят как от материала и его напряженного состояния, так и от качества изготовления и монтажа, наличия дефектов, предыстории загружения, типа конструкции, влажности материала, степени повреждения (износа), температуры и других факторов. Ввиду сложности полного учета геометрические параметры и физические характеристики материалов и конструкций в расчетах принимаются заданными.

Расчет несущих конструктивных систем (КС) включает:

• определение усилий в элементах КС (колоннах, плитах перекрытий и покрытия, фундаментных плитах, стенах, ядрах) и усилий, действующих на основания фундаментов;

• определение перемещений КС в целом и отдельных ее элементов, а также ускорений колебания перекрытий верхних этажей;

• расчет на устойчивость КС (устойчивость формы и положения);

• оценку сопротивляемости КС прогрессирующему разрушению;

• оценку несущей способности и деформации основания.

Расчет несущей КС производят для всех последовательных стадий возведения и для стадии эксплуатации, принимая расчетные схемы, отвечающие рассматриваемым стадиям.

При этом учитывают:

• порядок приложения и изменения вертикальной нагрузки и жесткостей элементов в процессе монтажа и эксплуатации;

• образование трещин от температурно-усадочных деформаций бетона в процессе твердения и наличие технологических швов при бетонировании захватками;

• величину прочности и жесткости бетона в момент освобождения конструкции от опалубки и передачи нагрузки от вышележащих этажей.

Общие сведения для расчета:

Расчет несущей КС производят в пространственной постановке с учетом совместной работы надземных и подземных конструкций, фундамента и основания под ним;

Расчет несущих КС производят с использованием линейных и нелинейных жесткостей железобетонных элементов;

Линейные жесткости железобетонных элементов определяют как для сплошного упругого тела;

Нелинейные жесткости железобетонных элементов определяют по поперечному сечению с учетом возможного образования трещин, а также с учетом развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре, отвечающих кратковременному и длительному действиям нагрузки.

Жесткости элементов КС

На первой стадии расчета для оценки усилий в элементах КС допускается принимать приближенные значения жесткостей элементов (распределение усилий в элементах конструктивных систем зависит от соотношения жесткостей этих элементов).

Для уточненной оценки распределения усилий принимают уточненные значения жесткостей с понижающими коэффициентами учитывая существенное снижение жесткостей в изгибаемых плитных элементах (в результате возможного образования трещин) по сравнению с внецентренно сжатыми элементами.

В первом приближении рекомендуется принимать модуль упругости материала с понижающими коэффициентами:

– 0,6 - для вертикальных сжатых элементов;

– 0,3 - для плит перекрытий (покрытий) без трещин и 0,2 с трещинами с учетом длительности действия нагрузки.

На последующих стадиях расчета при известном армировании принимают уточненныежесткости плит с учетом армирования, наличия трещин и неупругих деформаций в бетоне и арматуре.

Расчет устойчивости КС

При расчете на устойчивость производят проверку устойчивости формы КС, а также устойчивости положения КС на опрокидывание и на сдвиг.

При расчете устойчивости формы КС принимают пониженные жесткости элементов конструктивной системы (учитывая нелинейную работу материала), поскольку устойчивость КС связана с деформативностью системы и отдельных элементов.Устойчивость КС зависит от сопротивления в основном внецентренно сжатых вертикальных элементов при длительном действии нагрузки и в стадии, приближающейся к предельной. Запас по устойчивости должен быть не менее чем 2.

При расчете устойчивости положения КС рассматривают как жесткое недеформированное тело. Удерживающий момент от вертикальной нагрузки должен превышать момент отвнешней горизонтальной нагрузки с коэффициентом:

– при расчете на опрокидывание1,5

– при расчете на сдвиг1,2.

При этом следует учитывать наиболее неблагоприятные значения коэффициентов надежности по нагрузке.

Методы расчета:

• Пространственная конструктивная система является статически неопределимой системой. Для расчета несущих конструктивных систем рекомендуется использовать дискретные расчетные модели, рассчитываемые методом конечных элементов.

• Расчет регулярных (или близких к ним) колонных и стеновых КС можно производить методом заменяющих (эквивалентных) рам, а стеновых КС - путем разложения на поперечную и продольную схемы

• В методе заменяющих (эквивалентных) рам выделяют отдельные рамы вертикальными сечениями, проходящими по середине шага колонн, в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис.)

План типового этажа здания с регулярной колонной КС

a – общая схема

b – поперечная схема

c – продольная схема

 

1, 4 и 2, 3 - две крайние и две средние поперечные рамы; 5, 7 и 6 - две крайние и средняя продольные рамы; l₁, l₂, l₃ - шаги продольных рам; b₁, b₂ – шаги поперечных рам.

К расчету стеновой КС

а – общая схема

б – поперечная схема

в – продольная схема

1, 2 - наружные и внутренние поперечные стены; 3, 4 - наружные и внутренние продольные стены; 5 - участки примыкающих стен перпендикулярного направления

Расчет стеновой КС на горизонтальные нагрузки можно выполнять методом разделения перекрестной КС на независимые поперечную(а) и продольную схемы (в). При несущих монолитных наружных стенах следует учитывать участки примыкающих стен перпендикулярного направления

Дискретизацию КС производят с применением оболочечных, стержневых и объемных (если это необходимо) КЭ.

При создании пространственной модели КС необходимо учитывать характер совместной работы стержневых, оболочечных и объемных КЭ, связанный с различным количеством степеней свободы для каждого из указанных элементов.

Деформативные свойства основания учитывают:

– уточненно - путем использования КЭ моделей основания, КЭ или краевых условий с заданной податливостью, моделирования массива грунта из объемных КЭ, комплексно с учетом совместной работы здания и основания.

– приближенно с помощью коэффициента постели

 

Расчетынапряженно-деформированного состояния железобетонных линейных, плоских и объемных элементов и их сопряжений главным образом разработаны для нормальных сечений при простых воздействиях. Расчеты по наклонным и пространственным сечениям с трещинами имеются лишь для частных случаев, для сложных воздействий и учета многих факторов применяют различные упрощения.

Сложные пространственные геометрические схемы упрощают путем замены реальной конструкции условной схемой: Ребристый и пустотный диски перекрытий, так же как и структурное покрытие из стержней, заменяются условной анизотропной пластиной постоянной толщины. Колонны и балки аппроксимируются стержнями, приведенными к оси, а плиты и стены - пластинами, приведенными к срединной плоскости.

В результате расчета несущей КС устанавливаются:

– в колоннах - значения продольных и поперечных сил, изгибающих моментов, а в необходимых случаях - и крутящих моментов;

– в плоских плитах перекрытий, покрытия и фундаментов - значения изгибающих и крутящих моментов, поперечных и продольных сил;

– в стенах - значения нормальных и сдвигающих продольных сил, изгибающих и крутящих моментов и поперечных сил.

– значения вертикальных перемещений (прогибов) перекрытий и покрытий,

– горизонтальные перемещения КС

– для зданий повышенной этажности - ускорения колебаний перекрытийверхних этажей (при действии пульсационной составляющей ветровой нагрузки)

В проектировании необходим учет всех нагрузок, возможных на всех стадиях изготовления, строительства и эксплуатации

• Постоянные Р_d - нагрузки, изменение расчетных значений которых в течение расчетного срока службы строительного объекта пренебрежимо мало по сравнению с их средними значениями;

• Длительные Р_l - нагрузки, сохраняющие расчетные значения в течение большого промежутка времени эксплуатации строительного объекта;

• Кратковременные Р_t - нагрузки, длительность действия расчетных значений которых значительно меньше срока службы сооружения;

• Особые P_s - воздействия, создающие аварийные ситуации с возможными катастрофическими последствиями; особые воздействия подразделяются на нормируемые особые воздействия (например, сейсмические, в результате пожара) и аварийные воздействия (например, при взрыве, столкновении с транспортными средствами, при аварии оборудования и отказе работы несущего элемента конструкции), которые не заданы в нормативных документах.

Основными характеристиками нагрузок являются их нормативные значения, установленные в СП 20.13330.2011 или в задании на проектирование.

Нормативные значения нагрузок имеют, как правило, два значения: полное и пониженное. Полное используется, в основном, при расчетах по прочности, пониженное – при расчетах по деформативности, трещиностойкости, выносливости. По СП 20.13330.2011 пониженное значение определяется умножением полного значения на коэффициент 0,35.

При расчете конструкций и оснований для условий возведения зданий и сооружений расчетные значения снеговых, ветровых, гололедных нагрузок и температурных климатических воздействий снижают на 20 %.

В зависимости от ответной реакции строительного объекта нагрузки и воздействия подразделяют на:

– статические, при действии которых допускается не учитывать ускорения и силы инерции строительных объектов;

– динамические, вызывающие заметные ускорения и силы инерции строительных объектов.

Тип воздействия (статический или динамический) устанавливают в соответствующих нормативных документах.

Для оценки реакции строительного объекта на динамические воздействия используют динамические модели. В этом случае выполняется динамический расчет. Или упрощенно выполняют статический расчет с введением коэффициентов динамичности, учитывающих возникающие в сооружениях силы инерции.

 

В соответствии с СП 20.13330.2011 расчетведется с учетом понижения нормативных (расчетных) нагрузок в зависимости от:

• сочетаний постоянных, длительных (y_li = 0,95 - 1,0), кратковременных (y_ti = 0,7 - 1,0) и особых нагрузок (п.6) – при основных и особых сочетаниях нагрузок;

• размеров грузовой площади (п. 8.2.4);

• количества перекрытий более 2 (п.8.2.5)

Для высотных зданий в современных нормах учитывают следующие кратковременные нагрузки:

• на покрытие от аварийно-спасательной кабины пожарного вертолета;

• на покрытия стилобатных и подземных частей зданий от транспортных средств и пожарного автотранспорта.

Эти нагрузки принимают в соответствии с техническими данными транспортных средств или в соответствии с техническим заданием на проектирование.

Площадки для спасательных кабин и пожарных вертолетов проектируют на покрытии зданий в соответствии с действующими нормами

Например, согласно МГСН 20:

Площадки для спасательных кабин должны размещаться на каждые неполные 1000 м² площади кровли здания, иметь размеры не менее 5´5 м и проектироваться из расчета общей нагрузки кабины 2500 кг, удельной нагрузки - до 2,5 кг/см².

В случае применения пожарных вертолетов для спасения людей согласно площадка должна иметь размеры не менее 20´20 м, находиться на расстоянии не менее 30 м от ближайшего выступа стены и не менее 15 м от края покрытия.

Примечание. Статическая нагрузка для вертолетов класса К-32 составляет 11 т, динамическая - 22 т. Статическая нагрузка для вертолетов класса МИ-17 составляет 12 т, динамическая - 24 т.

При расчете нагрузки на покрытие необходимо учитывать статическую и динамическую нагрузки.