Помощь студентам в учебе
Пространственная работа многоэтажного жилого здания под воздействием пульсационной ветровой нагрузки
|
Введение
1. Краткая характеристика конструктивного решения здания
семнадцатиэтажного жилого дома, выполненного по типовому проекту «КУБ 2,5» 9
2. Анализ технического состояния каркасного здания 15
2.1. Материалы строительных конструкций 16
3. Поверочные расчеты жесткости сооружения 17
3.1. Краткая характеристика методики расчета 19
3.2. Исходные данные расчётной схемы 23
3.3. Математическая модель 24
3.3. Определение нагрузок 27
3.3.1. Сбор нагрузок 28
3.3.2. Определение средних ветровых нагрузок посредством сателлита
«ВеСТ» 35
3.4. Сбор масс для динамики 39
3.5. Условное основание 40
3.4.1. Определение коэффициентов постели для расчётной схемы с податливым основанием 47
4. Результаты статического и динамического расчёта 51
4.1. Определение количество учитываемых форм колебания 52
4.2. Анализ усилий и перемещений 54
5. Динамическая комфортность 61
6. Оценка процентного вклада отдельных конструкций в суммарную работу
на горизонтальную нагрузку 64
7. Обеспечение пространственной жесткости каркаса 70
7.1. Анализ влияния расстановки жесткостных конструкций на развитие
горизонтальных перемещений сооружения 70
8. Определение воздействия инерционных сил на сооружения 105
8.1. Возникающие усилия в несущих колоннах 105
8.2. Возникающие усилия в ограждающих конструкциях 113
Основные выводы 119
Список использованной литературы 124
Приложение 130
1. Краткая характеристика конструктивного решения здания
семнадцатиэтажного жилого дома, выполненного по типовому проекту «КУБ 2,5» 9
2. Анализ технического состояния каркасного здания 15
2.1. Материалы строительных конструкций 16
3. Поверочные расчеты жесткости сооружения 17
3.1. Краткая характеристика методики расчета 19
3.2. Исходные данные расчётной схемы 23
3.3. Математическая модель 24
3.3. Определение нагрузок 27
3.3.1. Сбор нагрузок 28
3.3.2. Определение средних ветровых нагрузок посредством сателлита
«ВеСТ» 35
3.4. Сбор масс для динамики 39
3.5. Условное основание 40
3.4.1. Определение коэффициентов постели для расчётной схемы с податливым основанием 47
4. Результаты статического и динамического расчёта 51
4.1. Определение количество учитываемых форм колебания 52
4.2. Анализ усилий и перемещений 54
5. Динамическая комфортность 61
6. Оценка процентного вклада отдельных конструкций в суммарную работу
на горизонтальную нагрузку 64
7. Обеспечение пространственной жесткости каркаса 70
7.1. Анализ влияния расстановки жесткостных конструкций на развитие
горизонтальных перемещений сооружения 70
8. Определение воздействия инерционных сил на сооружения 105
8.1. Возникающие усилия в несущих колоннах 105
8.2. Возникающие усилия в ограждающих конструкциях 113
Основные выводы 119
Список использованной литературы 124
Приложение 130
Динамика сооружений является важнейшим разделам строительной механики. Многолетний опыт проектирования и эксплуатации зданий показывает, что для обеспечения их эксплуатационной надежности недостаточно выполнения только расчетов условий прочности при статическом нагружении. В истории существует немало крупных катастроф и разрушений, произошедших из-за недоучета при проектировании динамических воздействий на сооружения или его частей.
В настоящее время сооружения все больше усложняются, их строительство производится в короткие сроки и достичь можно любой формы и этажности. Тенденция к уменьшению стоимости строительных материалов зачастую приводит к уменьшению жесткостных и прочностных характеристик сооружений [36]. Кроме традиционных строительных конструкций в строительную практику внедряются новые, еще не до конца изученные конструкции. По этим и другим причинам возрастает вероятность разрушения сооружений от колебаний. Вместе с тем, кроме обеспечения прочности и жесткости сооружений, к ним часто предъявляются требования по учету влияния колебаний на точные технологические процессы и на людей. Вследствие этого, расчеты зданий на колебания является актуальными и важными задачами. Колебание это одна из наиболее распространённых форм перемещений. Это движение вызывает дополнительные напряжения и деформации сооружений, оказывают вредное воздействие на людей и приводят к увеличению опасности их разрушения.
Усилия в элементах при колебаниях имеют знакопеременный характер, поэтому они вызывают усталость материала, из которого изготовлено здание. Это, в свою очередь, приводит к разрушению конструкций сооружения и, как следствие, к аварийным ситуациям. Изучение колебаний имеет важное практическое значение, так как позволяет избежать нежелательных последствий колебаний путем ограничения их уровня. Лишь на базе глубокого изучения различных видов колебаний можно установить оптимальные
пропорции элементов конструкций. Только на основе теории колебаний могут быть решены важные практические проблемы динамики сооружений.
Огромное значение для обеспечения общей устойчивости здания, уменьшения изгибающих моментов в отдельных конструкциях каркасных зданий играют жесткостные конструкции (Диафрагмы жесткости, связи, подкосы, и т.д.). Данные конструкции воспринимают часть вертикальных и основную часть горизонтальных нагрузок, действующих на здание, и передают их фундаментам. Они же обеспечивают общую устойчивость сооружения, а их жесткостные характеристики определяют значение деформаций здания в целом [32].
Размещение диафрагм жесткости и связей достаточно сложный процесс, целью которого является максимально выгодное сочетание функциональных особенностей объекта, его архитектурной выразительности, рационального расположения инженерных систем и чистоты конструктивной системы.
Впрочем, вопросы о размещении жесткостных конструкций в плане, и по высоте здания, и их влияние на деформативность каркаса в целом в пособиях и руководствах по проектированию конструкций зданий и сооружений, даны в минимальном объеме. Проектировщик вынужден полагаться на эти немногочисленные данные и собственный опыт расстановки диафрагм жесткости, возникают различные мнения о влиянии диафрагм на работу несущих конструкций здания и вообще о необходимости их постановки в зависимости от особенностей конструктивного решения здания.
Так как перед строительной отраслью в настоящее время стоит задача сокращения материалоёмкости и уменьшения стоимости возводимых зданий и сооружений, то определение мест наиболее эффективного расположения диафрагм в здании и достижение минимально достаточного их габаритов позволило бы существенно уменьшить стоимость и ускорить строительство объектов.
В настоящее время все меньше часов отводится на изучение влияния динамических воздействий на сооружение. В результате этого усложняется задача ознакомления будущего специалиста с теоретическими основами, методами, алгоритмами и приемами расчета сооружений на колебания.
В настоящей работе рассмотрено исследование сооружения с учетом этих соображений
В настоящее время сооружения все больше усложняются, их строительство производится в короткие сроки и достичь можно любой формы и этажности. Тенденция к уменьшению стоимости строительных материалов зачастую приводит к уменьшению жесткостных и прочностных характеристик сооружений [36]. Кроме традиционных строительных конструкций в строительную практику внедряются новые, еще не до конца изученные конструкции. По этим и другим причинам возрастает вероятность разрушения сооружений от колебаний. Вместе с тем, кроме обеспечения прочности и жесткости сооружений, к ним часто предъявляются требования по учету влияния колебаний на точные технологические процессы и на людей. Вследствие этого, расчеты зданий на колебания является актуальными и важными задачами. Колебание это одна из наиболее распространённых форм перемещений. Это движение вызывает дополнительные напряжения и деформации сооружений, оказывают вредное воздействие на людей и приводят к увеличению опасности их разрушения.
Усилия в элементах при колебаниях имеют знакопеременный характер, поэтому они вызывают усталость материала, из которого изготовлено здание. Это, в свою очередь, приводит к разрушению конструкций сооружения и, как следствие, к аварийным ситуациям. Изучение колебаний имеет важное практическое значение, так как позволяет избежать нежелательных последствий колебаний путем ограничения их уровня. Лишь на базе глубокого изучения различных видов колебаний можно установить оптимальные
пропорции элементов конструкций. Только на основе теории колебаний могут быть решены важные практические проблемы динамики сооружений.
Огромное значение для обеспечения общей устойчивости здания, уменьшения изгибающих моментов в отдельных конструкциях каркасных зданий играют жесткостные конструкции (Диафрагмы жесткости, связи, подкосы, и т.д.). Данные конструкции воспринимают часть вертикальных и основную часть горизонтальных нагрузок, действующих на здание, и передают их фундаментам. Они же обеспечивают общую устойчивость сооружения, а их жесткостные характеристики определяют значение деформаций здания в целом [32].
Размещение диафрагм жесткости и связей достаточно сложный процесс, целью которого является максимально выгодное сочетание функциональных особенностей объекта, его архитектурной выразительности, рационального расположения инженерных систем и чистоты конструктивной системы.
Впрочем, вопросы о размещении жесткостных конструкций в плане, и по высоте здания, и их влияние на деформативность каркаса в целом в пособиях и руководствах по проектированию конструкций зданий и сооружений, даны в минимальном объеме. Проектировщик вынужден полагаться на эти немногочисленные данные и собственный опыт расстановки диафрагм жесткости, возникают различные мнения о влиянии диафрагм на работу несущих конструкций здания и вообще о необходимости их постановки в зависимости от особенностей конструктивного решения здания.
Так как перед строительной отраслью в настоящее время стоит задача сокращения материалоёмкости и уменьшения стоимости возводимых зданий и сооружений, то определение мест наиболее эффективного расположения диафрагм в здании и достижение минимально достаточного их габаритов позволило бы существенно уменьшить стоимость и ускорить строительство объектов.
В настоящее время все меньше часов отводится на изучение влияния динамических воздействий на сооружение. В результате этого усложняется задача ознакомления будущего специалиста с теоретическими основами, методами, алгоритмами и приемами расчета сооружений на колебания.
В настоящей работе рассмотрено исследование сооружения с учетом этих соображений
1. Анализ технического состояния несущих строительных конструкций жилого дома, установленные фактические физико-механических параметры материалов стен, позволяют сделать следующие выводы:
Вследствие некорректной расстановки связей, здание обладает повышенной деформативностью. Некорректность заключается в том, что их центр тяжести смещен относительно центра жесткости здания в плане. Это привело к тому, что здание под действием горизонтальных ветровых нагрузок работает на кручение.
В результате повышенной деформативности сооружения, в местах сопряжения элементов каркаса с внутренними конструктивными элементами образовались и получили развитие контактные трещины. Ширина их раскрытия составляет от 3,5 мм и более, что приводит также и к повышенной продуваемости помещений и излишним теплопотерям.
Кроме того, согласно данным изложенным в типовом проекте «Унифицированная система сборно-монолитного безригельного каркаса КУБ 2,5» [9], утвержденного Госстроем СССР в 1990 г., каркас системы КУБ-2,5 предназначен для применения в жилых и общественных зданиях, а также во вспомогательных зданиях промышленных предприятий с количеством этажей до 15 включительно. В результате здание имеет повышенную подвижность [28].
Вследствие нарушений требований нормативных документов по устройству трехслойных ограждающих панелей фиксируется потеря устойчивости и выпадения участков наружного слоя стен. Вследствие повышенной деформативности здание не отвечает требованиям нормативных документов по второй группе предельных состояний (условиям нормальной эксплуатации), а также требованиям обеспечения комфортности проживания жильцов. Здание семнадцатиэтажного жилого дома находится в целом в ограниченно работоспособном состоянии.
2. На основании выполненных статических, динамических и поверочных расчетов несущих конструкций, анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы:
Здание имеет повышенную подвижность. Вычисленные горизонтальные перемещения каркаса по направлению «X» при воздействии пульсационной составляющей ветровой нагрузки в направлении буквенных осей составляют 142,5 мм, и превышают предельно допустимые, в соответствии с СП 20.1330.2016 равные 108 мм (приложение Д, таблица Д.4) [8]. Превышение допустимого значения составляет 32%. Горизонтальные перемещения каркаса по направлению «Y»» при воздействии пульсационной составляющей ветровой нагрузки в направлении цифровых осей составляют 182,3 мм, и превышают предельно допустимые, в соответствии с СП 20.1330.2016 равные 108 мм (приложение Д, таблица Д.4) [8]. Превышение допустимого значения составляет 69%. Кроме того, ускорение 16 этажа (последнего жилого) при воздействии пульсационной составляющей ветровой нагрузки в направлении цифровых осей составляет 0,187 м/с2и превышает предельно допустимое, равное 0,08 м/с2, СП 20.1330.2016. (приложение В.3) [8]. Данный параметр используется при оценке комфортности пребывания людей в зданиях (динамическая комфортность). При превышении предельно допустимых значений ускорений не удовлетворяются требования комфортного проживания.
Вследствие передачи горизонтальных усилий с элементов каркаса на наружные ограждающие конструкции образовались трещины в местах концентрации напряжений (оконные проемы, изменение прямолинейности стен). Максимальное растягивающее напряжение 289 кН/м2.
Устранение причин развития перемещений каркаса здания представляет собой сложную инженерную задачу. Восстановить пространственную жесткость сооружения, не затрагивая интересов проживающих в жилом доме не представляется возможным. Эти работы весьма трудоемки. Их длительность может быть определена только при наличии соответствующих проектных решений и проекта производства работ. Типовых проектных решений по данному вопросу не имеется. Возможность проживания истцов в квартире равно, как и жильцов дома сомнительна, т.к. ремонтные работы в первую очередь должны быть направлены на обеспечение пространственной жесткости всего сооружения и только потом - ликвидацию местных повреждений в отдельных квартирах.
3. При определении процентного вклада подкосов в работу на горизонтальную нагрузку математическим способом выяснено, что подкосы воспринимают 75% горизонтальной нагрузки вдоль цифровых осей и 66% вдоль буквенных осей, что более чем 50% согласно СП 14.13330.2014 [19].
Для определения эффективности работы диафрагм жесткости и дальнейшего сравнения данной характеристики с подкосами, произведены расчёты с одинаковыми условиями размещения их в плане и отметками по высоте. В результате определенно, что диафрагмы жесткости воспринимают 78% горизонтальной нагрузки вдоль цифровых осей и 82% вдоль цифровых осей.
Исходя из данных можно сделать вывод, что диафрагмы жесткости при данном сечении воспринимают на 3% больше горизонтальных нагрузок вдоль цифровых осей и на 16% вдоль буквенных осей чем железобетонные подкосы.
4. В результате проведённых численных исследований и сравнения их результатов можно сделать следующие выводы:
Пространственная жесткость здания зависят от взаимного сочетания и расположения жесткостных конструкций. В соответствии с теорией строительной механики стержни открытого сечения фактически не работают на кручение [41, 42]. Наоборот, стержни с поперечным сечением в виде закрытого профиля обладают высокой сопротивляемостью кручению. При сравнении результатов пространственной работы несимметричного в плане здания выявлено, что при расположении диафрагм жесткости таким способом, что бы в плане они наибольшим образом представляли собой закрытый профиль, работа сооружения на горизонтальные (статические и динамические) нагрузки улучшается 30% вдоль оси относительно которой здание является несимметричным. Кроме того, в зданиях с открытой схемой расстановки жесткостных конструкций наблюдаются нехарактерные деформации вдоль оси перпендикулярной действию ветровой нагрузки. Этот фактор отражает слабую сопротивляемость здания на кручения под воздействием горизонтальных сил. Схемы с расположением диафрагм жесткости в виде закрытого сечения работают на кручение вдоль буквенных осей лучше на 200% от действия ветра в направлении цифровых осей и на 400% в направлении цифровых осей от действия ветра вдоль буквенных осей. Так как здание несимметрично относительно буквенных осей горизонтальные перемещения Х-У^ больше, чем ХЦИфрна 200%.
Так как, пространственная жесткость здания — это характеристика, зависящая от множества факторов, взаимного сочетания и расположения конструктивных элементов, их геометрических характеристик, прочности узлов соединений и т.д. [21]. пространственную работу здания невозможно охарактеризовать только одним параметром. В данной работе рассмотрена зависимость пространственной жесткости от расстояния от центра масс и центра жесткости этажа, можно сделать вывод что, не существует прямой зависимости данных характеристик, но при увеличении значения расстояния от центра масс и центра жесткости этажа в целом, наблюдается ухудшение пространственной жесткости здания и увеличение ускорений последних жилых этажей.
5. Усилия, рассматриваемые в колонне от нормативно-длительных воздействий, при учёте динамического воздействия возрастают, продольная сила увеличивается на 10%, изгибающий момент относительно цифровых осей на 25%, изгибающий момент относительно буквенных осей на 50%. Исходя их этих данных можно сделать вывод что учет динамический усилий в колоннах крайне важен при проектировании и дальнейшей эксплуатации сооружения.
Безригельного каркаса КУБ 2,5» [9], подбор колонн выполняется исходя из сочетания действующих в них усилий, согласно указанным данным в предлагаемой документации, колонны находятся в предельном состоянии и дальнейшее ухудшение материалов, раскрытие трещин, повлечёт уменьшение жесткостных характеристик и может привести к аварийной ситуации.
Вследствие нарушения конструктивного решения по устройству зазоров между ограждающими конструкциями и несущих колон и, как следствие, передачи нагрузок от колонн к наружным стенам, ограждающая конструкция испытывает воздействия, не предусмотренные проектом. Что повлекло за собой раскрытию трещин, увеличению теплопотерь и снижению шумоизоляции.
Вследствие некорректной расстановки связей, здание обладает повышенной деформативностью. Некорректность заключается в том, что их центр тяжести смещен относительно центра жесткости здания в плане. Это привело к тому, что здание под действием горизонтальных ветровых нагрузок работает на кручение.
В результате повышенной деформативности сооружения, в местах сопряжения элементов каркаса с внутренними конструктивными элементами образовались и получили развитие контактные трещины. Ширина их раскрытия составляет от 3,5 мм и более, что приводит также и к повышенной продуваемости помещений и излишним теплопотерям.
Кроме того, согласно данным изложенным в типовом проекте «Унифицированная система сборно-монолитного безригельного каркаса КУБ 2,5» [9], утвержденного Госстроем СССР в 1990 г., каркас системы КУБ-2,5 предназначен для применения в жилых и общественных зданиях, а также во вспомогательных зданиях промышленных предприятий с количеством этажей до 15 включительно. В результате здание имеет повышенную подвижность [28].
Вследствие нарушений требований нормативных документов по устройству трехслойных ограждающих панелей фиксируется потеря устойчивости и выпадения участков наружного слоя стен. Вследствие повышенной деформативности здание не отвечает требованиям нормативных документов по второй группе предельных состояний (условиям нормальной эксплуатации), а также требованиям обеспечения комфортности проживания жильцов. Здание семнадцатиэтажного жилого дома находится в целом в ограниченно работоспособном состоянии.
2. На основании выполненных статических, динамических и поверочных расчетов несущих конструкций, анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы:
Здание имеет повышенную подвижность. Вычисленные горизонтальные перемещения каркаса по направлению «X» при воздействии пульсационной составляющей ветровой нагрузки в направлении буквенных осей составляют 142,5 мм, и превышают предельно допустимые, в соответствии с СП 20.1330.2016 равные 108 мм (приложение Д, таблица Д.4) [8]. Превышение допустимого значения составляет 32%. Горизонтальные перемещения каркаса по направлению «Y»» при воздействии пульсационной составляющей ветровой нагрузки в направлении цифровых осей составляют 182,3 мм, и превышают предельно допустимые, в соответствии с СП 20.1330.2016 равные 108 мм (приложение Д, таблица Д.4) [8]. Превышение допустимого значения составляет 69%. Кроме того, ускорение 16 этажа (последнего жилого) при воздействии пульсационной составляющей ветровой нагрузки в направлении цифровых осей составляет 0,187 м/с2и превышает предельно допустимое, равное 0,08 м/с2, СП 20.1330.2016. (приложение В.3) [8]. Данный параметр используется при оценке комфортности пребывания людей в зданиях (динамическая комфортность). При превышении предельно допустимых значений ускорений не удовлетворяются требования комфортного проживания.
Вследствие передачи горизонтальных усилий с элементов каркаса на наружные ограждающие конструкции образовались трещины в местах концентрации напряжений (оконные проемы, изменение прямолинейности стен). Максимальное растягивающее напряжение 289 кН/м2.
Устранение причин развития перемещений каркаса здания представляет собой сложную инженерную задачу. Восстановить пространственную жесткость сооружения, не затрагивая интересов проживающих в жилом доме не представляется возможным. Эти работы весьма трудоемки. Их длительность может быть определена только при наличии соответствующих проектных решений и проекта производства работ. Типовых проектных решений по данному вопросу не имеется. Возможность проживания истцов в квартире равно, как и жильцов дома сомнительна, т.к. ремонтные работы в первую очередь должны быть направлены на обеспечение пространственной жесткости всего сооружения и только потом - ликвидацию местных повреждений в отдельных квартирах.
3. При определении процентного вклада подкосов в работу на горизонтальную нагрузку математическим способом выяснено, что подкосы воспринимают 75% горизонтальной нагрузки вдоль цифровых осей и 66% вдоль буквенных осей, что более чем 50% согласно СП 14.13330.2014 [19].
Для определения эффективности работы диафрагм жесткости и дальнейшего сравнения данной характеристики с подкосами, произведены расчёты с одинаковыми условиями размещения их в плане и отметками по высоте. В результате определенно, что диафрагмы жесткости воспринимают 78% горизонтальной нагрузки вдоль цифровых осей и 82% вдоль цифровых осей.
Исходя из данных можно сделать вывод, что диафрагмы жесткости при данном сечении воспринимают на 3% больше горизонтальных нагрузок вдоль цифровых осей и на 16% вдоль буквенных осей чем железобетонные подкосы.
4. В результате проведённых численных исследований и сравнения их результатов можно сделать следующие выводы:
Пространственная жесткость здания зависят от взаимного сочетания и расположения жесткостных конструкций. В соответствии с теорией строительной механики стержни открытого сечения фактически не работают на кручение [41, 42]. Наоборот, стержни с поперечным сечением в виде закрытого профиля обладают высокой сопротивляемостью кручению. При сравнении результатов пространственной работы несимметричного в плане здания выявлено, что при расположении диафрагм жесткости таким способом, что бы в плане они наибольшим образом представляли собой закрытый профиль, работа сооружения на горизонтальные (статические и динамические) нагрузки улучшается 30% вдоль оси относительно которой здание является несимметричным. Кроме того, в зданиях с открытой схемой расстановки жесткостных конструкций наблюдаются нехарактерные деформации вдоль оси перпендикулярной действию ветровой нагрузки. Этот фактор отражает слабую сопротивляемость здания на кручения под воздействием горизонтальных сил. Схемы с расположением диафрагм жесткости в виде закрытого сечения работают на кручение вдоль буквенных осей лучше на 200% от действия ветра в направлении цифровых осей и на 400% в направлении цифровых осей от действия ветра вдоль буквенных осей. Так как здание несимметрично относительно буквенных осей горизонтальные перемещения Х-У^ больше, чем ХЦИфрна 200%.
Так как, пространственная жесткость здания — это характеристика, зависящая от множества факторов, взаимного сочетания и расположения конструктивных элементов, их геометрических характеристик, прочности узлов соединений и т.д. [21]. пространственную работу здания невозможно охарактеризовать только одним параметром. В данной работе рассмотрена зависимость пространственной жесткости от расстояния от центра масс и центра жесткости этажа, можно сделать вывод что, не существует прямой зависимости данных характеристик, но при увеличении значения расстояния от центра масс и центра жесткости этажа в целом, наблюдается ухудшение пространственной жесткости здания и увеличение ускорений последних жилых этажей.
5. Усилия, рассматриваемые в колонне от нормативно-длительных воздействий, при учёте динамического воздействия возрастают, продольная сила увеличивается на 10%, изгибающий момент относительно цифровых осей на 25%, изгибающий момент относительно буквенных осей на 50%. Исходя их этих данных можно сделать вывод что учет динамический усилий в колоннах крайне важен при проектировании и дальнейшей эксплуатации сооружения.
Безригельного каркаса КУБ 2,5» [9], подбор колонн выполняется исходя из сочетания действующих в них усилий, согласно указанным данным в предлагаемой документации, колонны находятся в предельном состоянии и дальнейшее ухудшение материалов, раскрытие трещин, повлечёт уменьшение жесткостных характеристик и может привести к аварийной ситуации.
Вследствие нарушения конструктивного решения по устройству зазоров между ограждающими конструкциями и несущих колон и, как следствие, передачи нагрузок от колонн к наружным стенам, ограждающая конструкция испытывает воздействия, не предусмотренные проектом. Что повлекло за собой раскрытию трещин, увеличению теплопотерь и снижению шумоизоляции.