Железобетонные каркасы высотных зданий
Высотные здания как правило характеризуются неравномерностью распределения силовых элементов в плане, определяющих их горизонтальную жесткость. Тем не менее конструктивная схема здания представляет собой единое геометрическое тело, близкое к башне или пластине, если элементы, работающие на сдвиг (перекрытия, распорки, ригели, диафрагмы, связи), достаточно регулярно распределены по высоте. Как известно, континуализацию можно проводить при пяти и более регулярных факторах системы, для консольных схем этот параметр может быть снижен до четырех. Таким образом, дискретными по высоте следует считать связи при их количестве три и менее.
Зданием сложной макроструктуры следует называть сооружение, состоящее из двух и более объемов, дискретно связанных между собой. Высотные здания сложной макроструктуры стали применяться в последние десятилетия по разным причинам. Прежде всего — по функциональным и эстетическим. Двухбашенные здания, объединенные перемычкой, эффектно оформляют магистраль в виде арки, обеспечивают внутренние коммуникации, во многом решают проблему противопожарной безопасности. Примером таких зданий может служить арка в районе Дефанс (Париж) или башни концерна «Петронас» в Куала-Лумпуре (Малайзия).
Общая жесткость таких зданий, характер поведения в ветровом потоке и при сейсмических воздействиях зависят от макроструктуры здания и параметров его элементов (башен, перемычек между башнями). Исследуем влияние этих факторов на динамические свойства системы. Рассмотрены двух-, трех- и четырехбашенные здания.
Во-первых, рассмотрена группа двухбашенных 25-этажных зданий. Размер каждой башни — 18x18 м в плане, высота — 75 м, расстоянии между башнями — 18 м. Здания моделировались пластинами по периметру и квадратным ядром жесткости в центре. Толщина всех пластин принята 200 мм. Момент инерции сечения одного корпуса равен 805,8 м4. Анализ проведен с помощью конечно-элементной программы. В процессе перебора вариантов варьировалась высота ригельной перемычки: 3, 6, 9 и 12 м на отметке 16 этажа. Характерные для двухбашенных зданий крутильные формы собственных колебаний проявляются при 3-й и 6-й частотах, что еще раз подчеркивает склонность зданий данного типа к кручению. Частоты, соответствующие крутильным формам, возрастают с увеличением высоты ригеля. Как видно, 2-я частота, соответсвующая изгибной форме колебаний относительно оси, перпендикулярной галерее, возрастает от 1-го до 4-го варианта с 1,5 до 2 Гц, что вполне закономерно (табл. 1).
Табл. 1. Результаты для двухбашенных зданий
|
Геометрическая схема галерей-диафрагм (размеры в м)
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
- |
4
|
|
|
3х6
|
6х6
|
9х6
|
- |
12х6
|
|
|
Момент инерции сечения галереи Iy, m4 при стенке 200 мм
|
|||||
|
6,3
|
28,8
|
78,3
|
- |
166
|
|
|
Относительная жесткость Iу галереи / Iу корпуса (%)
|
|||||
|
0,782
|
3,574
|
9,717
|
- |
20,551
|
|
|
Собственные частоты (Гц)
|
|||||
|
- |
- |
- |
- |
- |
характер формы
|
|
1
|
1,219
|
1,2
|
1,187
|
1,177
|
изгиб из пл.
|
|
2
|
1,505
|
1,736
|
1,914
|
2,04
|
изгиб в пл.
|
|
3
|
2,228
|
2,34
|
2,4
|
2,44
|
кручение целиком
|
|
4
|
5,3
|
5,58
|
5,53
|
5,49
|
изгиб из пл.
|
|
5
|
5,66
|
5,71
|
6,04
|
6,33
|
изгиб в пл.
|
|
6
|
5,96
|
6,616
|
6,3
|
6,41
|
кручение отд. корп.
|
Одиночные перемычки для оказания влияния на совместную работу башен должны иметь изгибную жесткость, составляющую 10–20 % от жесткости отдельных точечных зданий (табл. 1), а при связях, распределенных по высоте, — суммарную жесткость такого же порядка. При этом на кручение оптимально работают коробчатые связи, имеющие собственную крутильную жесткость, которая противодействует взаимным изгибным колебаниям башен [1].
Крутильные формы колебаний часто недооцениваются при расчетах. Двухбашенные здания проявляют склонность к крутильным колебаниям в первых формах. При несовпадении центра приложения ветровых нагрузок (неравномерный обдув из-за соседних зданий) с центром изгиба системы образуется эксцентриситет и, как следствие, кручение здания целиком. С учетом пульсационной ветровой нагрузки на первые формы крутильных колебаний накладываются вынужденные колебания вследствие срыва потока по граням корпусов и пульсации ветра, что при приближении частот собственных и вынужденных колебаний может приводить к резонансу.
При увеличении числа башен до четырех (при аналогичных перемычках) жесткость системы несколько повышается, первая частота возрастает с 1,2 до 1,5 Гц. Однако и здесь сохраняется склонность к крутильным колебаниям (3-я форма, 1,92 Гц). Также возникают формы, ромбовидные в плане, при которых возникают взаимные сближения башен по диагонали (4-я форма, 2,62 Гц).
Далее проведен анализ трехбашенной модели здания. Жесткостные параметры системы варьируются характером связей. Первый тип здания — три башни, связанные пластинами, равномерно распределенными по высоте. Второй тип здания — дополнительная связь сдвига на отметке 25-го этажа (стена толщиной 200 мм на высоту этажа по периметру). Третий тип — аналогичные связи сдвига на отметках 5, 10, 15, 20 и 25 этажей.
Табл. 2. Результаты расчета для трехбашенных зданий
|
Собственные частоты (Гц) и перемещения (см)
|
|||||||
|
Тип
|
f1
|
f2
|
f3
|
UxUl
|
UxS
|
UxP
|
UxSumm
|
|
1
|
0,383
|
0,428
|
1,134
|
15
|
16,73
|
10,71
|
27,46
|
|
2
|
0,404
|
0,456
|
1,016
|
15
|
9,3
|
5,76
|
15,3
|
|
3
|
0,692
|
0,773
|
1,414
|
15
|
3,44
|
1,87
|
5,22
|
Для данной группы зданий получены собственные частоты и перемещения верха от статической и пульсационной ветровой нагрузки (табл. 2). Анализ показывает, что уже при установке связи сдвига на верхнем этаже перемещения снижаются с 27 до 15 см, что отвечает требованию СНиП (Uxul). При установке дополнительных связей сдвига по высоте здания перемещения снижаются до 5 см. Что касается собственных частот, то в треугольном типе зданий, в отличие от 2-х и 4-башенных, частота, соответствующая крутильной форме колебаний, существенно выше первых 2-х частот, соответствующих изгибным формам. Из результатов, приведенных в таблицах, следует, что наибольший эффект дают связи сдвига на отметке верхнего этажа, объединяющие отдельные башни и сокращающие депланацию сечения здания целиком.
На основе приведенных результатов и анализа по характеру работы связи могут быть разделены на три обобщенных случая:
1) связи-распорки или платформы без изгибной жесткости;
2) отдельные связи сдвига, совместность работы башен на сдвиг;
3) связи, регулярные по высоте, совместность работы башен на изгиб.
Влияние горизонтальных нагрузок на динамическое и статическое поведение высотных зданий увеличивается при увеличении высот, падении массы здания, в результате применения новых материалов и рационального использования несущей способности. Для отдельных зданий с оптимизированной структурой падают одновременно и жесткость и масса, что ведет к падению собственной частоты колебаний и приводит к зыбкости верхних этажей. Для гарантирования прочностных свойств достаточна меньшая материалоемкость, чем для гарантирования нормированных ускорений и перемещений [2].
Поэтому выходом служит объединение комплекса зданий в здание сложной макроструктуры, при этом особое внимание следует уделить характеру связей между отдельными корпусами.
Литература
1. Дроздов П. Ф., Лишак В. И. «Пространственная жесткость и устойчивость различных конструктивных схем». — М., 1976.
2. Козак Ю. «Конструкции высотных зданий»./Пер. с чеш. Г. А. Казиной. — М.: Стройиздат, 1986.
3. Johami Etsele mid Ellen К loft, Hochhausatlas, Verlag D.W.Callwey GmbH & Co.KG, 2002.
| Автор: А. А. Смирнов Дата: 29.04.2006 Журнал Стройпрофиль 3-06 Рубрика: монолитное домостроение. опалубочные системы Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |