Сравнение конструктивных схем высотных зданий со стальным каркасом

В статье произведен анализ разновидностей конструктивных схем высотного здания с применением стального каркаса.

Аннотация статьи
строительство
динамические нагрузки
стальной каркас
высотное здание
сравнительный анализ
металлоемкость
аутригер
статические нагрузки
перемещение
Ключевые слова

С каждым годом в нашей стране увеличивается объем строительства жилых высотных зданий с использованием стального каркаса, что делает актуальным изучение данной темы. Использование стального каркаса в строительстве за рубежом достигает 70%, в то время как в России этот показатель не превышает 15 процентов.

К высотным зданиям следует относить здания высотой более 75 м. Из-за достаточно значительной высоты в каркасе возникают большие усилия от собственного веса здания, полезной нагрузки на перекрытия, снеговой и ветровой нагрузок. Стальные каркасы способны более рационально воспринимать значительные нагрузки, так как имеют высокую жесткость и несущую способность при сравнительно незначительных сечениях и массе.

Несущая способность и жесткость стального каркаса высотного здания определяется взаимодействием всех элементов каркаса – колонн, связей и перекрытий.

Для исследования были выбраны следующие конструктивные схемы (рис.):

Каркас №1. Связевый каркас с внутренним стволом жесткости.

Каркас №2. Рамно-связевый каркас с использованием горизонтального пояса жесткости на 13 и 25 этажах.

Каркас №3. Рамно-связевый каркас с использованием пояса жесткости на 13 этаже.

Рис. Исследуемые конструктивные системы

В рамках данной работы рассматривается стальной каркас 25-ти этажного здания расположенного в 3 снеговом и 2 ветровом районе. Здание имеет прямоугольный план, размеры в плане 30,0×18,0 м. Высота этажа 3,0 м. Здание без подвала.

В поперечном направлении шаг колонн 6,0 м. В продольном направлении шаг поперечных рам 6,0 м.

Каркас здания связевой, колонны и балки перекрытия прокатные.

Расчет каркаса выполняется на действие следующих загружений:

  • 1 загружение: вес несущих конструкций;
  • 2 загружение: постоянная нагрузка;
  • 3 загружение: полезная нагрузка;
  • 4 загружение: снеговая нагрузка;
  • 5 загружение: ветровая нагрузка.

Одним из главных этапов исследуемой работы является анализ полученных расчетных схем после расчета перемещений и усилий.

В ходе работы производилось сопоставление значений и эпюр продольных и изгибающих моментов, подлежало сравнению полученные в процессе расчета максимальные и минимальные значения в элементах связей. Также рассматривались перемещения узлов стального каркаса высотного здания, его опорные реакции. Полученные данные были проанализированы на предмет соответствия действующим нагрузкам, сопряжения в узлах и типам сечений.

В ходе анализа перемещений выявлено, что полученные значения ни одного из каркасов не превышают допустимые значения заданные нормативными документами.

Также в результате анализа можно отметить, что по значениям перемещениям наиболее эффективно сопротивляется приложенным статическим нагрузкам каркас с внутренним стволом жесткости, в то время как динамическим нагрузкам наиболее эффективно сопротивляется каркас №2 – с горизонтальными поясами жесткостями на тринадцатом и двадцать пятом этажах.

Результаты анализа перемещений были сведены в таблицу 1, из которой видно, что самым максимальным перемещениям подвергается каркас №1 от воздействия динамических нагрузок, а самым стойким к динамическому воздействию оказывается каркас №2.

Таблица 1

Максимальные и минимальные значения перемещений в рассматриваемом каркасе

Наименование

Загружение

Каркас №1

Каркас №2

Каркас №3

Max

Min

Max

Min

Max

Min

Знач

Знач

Знач

Знач

Знач

Знач

X

1

0,088

-0,088

0,085

-0,085

0,101

-0,101

Y

1

0,219

-0,219

0,282

-0,282

0,28

-0,28

Z

1

0

-2,387

0

-2,25

0

-2,215

X

2

1,103

-1,105

3,85

-3,853

2,757

-2,758

Y

2

0,745

-0,757

3,062

-3,063

2,411

-2,412

Z

2

0

-56,22

0

-54,703

0

-56,85

X

3

0,232

-0,232

0,99

-0,99

0,694

-0,694

Y

3

0,261

-0,261

0,958

-0,958

0,825

-0,825

Z

3

0

-12,227

0

-11,475

0

-13,40

X

4

0,106

-0,106

0,168

-0,168

0,125

-0,125

Y

4

0,101

-0,101

0,173

-0,173

0,086

-0,086

Z

4

0

-2,759

0

-1,454

0

-2,724

X

5

2,899

-2,899

1,752

-1,752

0,125

-1,712

Y

5

1,316

-70,404

0,208

-64,007

0,086

-71,99

Z

5

2,183

-2,146

1,314

-1,33

0

-1,213

X

6

2,899

-2,899

2,499

-2,499

3,078

-3,078

Y

6

2,247

-149,014

2,527

-148,10

2,464

-148,8

Z

6

4,423

-4,386

2,504

-2,52

2,171

-2,208

Таблица 2

Сравнительная таблица металлоемкости исследуемых каркасов

Профиль

Каркас №1

Каркас №2

Каркас №3

C345 40К5

5142,63

5142,63

5142,63

С255 40Б1

2688,56

2688,56

2688,56

С255 12П

647,1

647,1

647,1

С255 Кв.Тр.300х10

862,93

-

-

С255 Кв.Тр. 180x10.0

-

1097,01

-

С255 Кв.Тр. 250x8.0

-

-

894,8

Всего металла:

9341,22

9575,29

9373,08

Благодаря анализу полученных данных в результате расчета, можно прийти к выводу о том, что несмотря на то, что каркас №2 успешнее остальных вариантов справляется с перемещениями от динамических нагрузок, а связи каркаса имеют наименьшее сечение, но в сумме металлоемкость превышает показатели других рассматриваемых вариантов, а также стоит отметить, что каркас №2 в разы превышает количество узлов сопряжения конструкций, что говорит об усложнение монтажа каркаса.

Исходя из этого наиболее выигрышный вариант в рамках рассматриваемого каркаса является каркас №1 с внутренним стволом жесткости, который по показателям перемещений не уступает каркасу №2, но превосходит его по количеству используемого металла и является вариантом с наименьшим количеством улов, подлежащих монтажу.

Текст статьи
  1. Баранов А.О. Конструктивные решения высотных зданий [Текст] / ALFABUILD. – 2018. – С.33-51.
  2. Иноземцева О.В., Иноземцев В.К. Нелинейный и линейный анализ общей устойчивости несущей системы высотного здания ствольного типа [Текст] / СМИКиС. – 2022. - С.93-103.
  3. Хрипунов А.А. Анализ характеристик жесткости вариантов конструктивных схем металлического каркаса высотного здания [Текст] / Шаг в науку. – 2017. - С.142-151.
  4. Голиков А.В., Кайдалов Д.О. Расчетные модели узлов стальных каркасов многоэтажных зданий. [Текст] / Инженерный вестник Дона. – 2020.
  5. Новоселов А.А. Анализ работы узлов соединения вертикальных связей стальных каркасов многоэтажных зданий [Текст] / Вестник СГУПС. – 2021. – С.78-84.
Список литературы