Публикации »

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




«« назад