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.
