Сравнение конструктивных схем высотных зданий со стальным каркасом

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

Таблица 2

Сравнительная таблица металлоемкости исследуемых каркасов

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.