Ресурсосберегающая схема каркаса многоэтажного гражданского здания для строительства в сейсмических районах

Монолитные железобетонные здания. Наряду с крупнопанельными, каркасными и другими типами зданий в сейсмостойком строительстве жилых и гражданских зданий находят применение бескаркасные дома, возводимые в монолитном железобетоне. Опыт строительства подобных зданий как за рубежом (Румыния, Болгария, Япония и США), так и в СССР показывает на большие возможности обеспечения сейсмостойкости этих зданий при снижении стоимости их и экономии стали по сравнению с другими видами конструктивных решений.

В настоящее время масштабы строительства зданий из монолитного бетона еще невелики, однако тенденция к массовому строительству достаточно заметна.

Монолитное домостроение наилучшим образом обеспечивает совместную работу всех элементов здания за счет более надежного перераспределения внутренних усилий, поэтому конструирование монолитных зданий дает возможность рационально производить армирование элементов, что позволяет избавиться от расхода металла, располагаемого в различных элементах по так называемым «конструктивным соображениям».

Особенностью монолитных бескаркасных зданий являются способы их возведения, которые в известной мере диктуют конструирование их несущих элементов.

Принципиальной основой монолитных зданий является индустриализация строительного процесса на стройплощадке за счет высокого уровня строительной техники. Один из распространенных методов возведения монолитных зданий -- это метод скользящей опалубки, заимствованный из промышленного строительства (элеваторов, копров и т. п.). Этим методом возводятся стены на всю высоту здания.

Принципиальной основой монолитных зданий является индустриализация строительного процесса на стройплощадке за счет высокого уровня строительной техники. Один из распространенных методов возведения монолитных зданий -- это метод скользящей опалубки, заимствованный из промышленного строительства (элеваторов, копров и т. п.). Этим методом возводятся стены на всю высоту здания. В стенах предусматриваются горизонтальные пазы замоноличивания с выпусками арматуры в уровнях перекрытий, так как сами перекрытия осуществляются с отставанием на 1--2 этажа или же после окончания возведения всех стен.

Конструкции перекрытия могут быть изготовлены как из монолитного, так и сборного железобетона. В первом случае перекрытия выполняются в переставной горизонтальной опалубке (штрабе), а арматура перекрытий соединяется со стержневыми выпусками из стен. Во втором случае плиты перекрытия изготовляются сборными и могут быть установлены в процессе возведения стен или же после полного их сооружения.

Другим методом возведения монолитных зданий является метод переставной опалубки тоннельного типа. Этот метод применяется за рубежом при производстве зданий с параллельными несущими стенами. Опалубка, применяемая в этом случае, состоит из трех шарнирно соединенных щитов, которые устанавливаются на ранее выполненные перекрытия в положение «тоннеля». В процессе бетонирования образуются две стены и перекрытие, а после окончания бетонирования эти «тоннели» выдвигаются домкратами на монтажные галереи и переставляются на следующую позицию (рис. 1.22).



Рис. 1.22. Строительство многоэтажного здания в монолитном бетоне методом перестановки опалубки тоннельного типа

Конструкции наружных стен в отмеченных выше методах возведения монолитных зданий могут быть однослойными или слоистыми. В качестве однослойных могут быть применены легкие бетоны (керамзитобетон, железобетон и т. п.). которые облегчают процесс формования. Если прочность этих материалов недостаточна для несущих конструкций, стены делают слоистыми. В частности, в зарубежной практике применяются двухслойные стены, состоящие из слоя тяжелого бетона (несущий слой) и теплоизоляционного слоя, укладываемого в опалубку в процессе формования стен или же навешиваемого по окончании их возведения. ЦНИИЭП жилища применил в проектах 16-этажного жилого дома в Туле трехслойные панели, состоящие из несущего железобетонного слоя толщиной 15 см (В15), теплоизоляционного слоя из пенобетона 18 см и наружного железобетонного слоя 7 см.

Как видно из краткого описания методов возведения монолитных железобетонных домов, особых антисейсмических мер в данном конструктивном решении не требуется, так как конструирование несущих элементов осуществляется по общим правилам расчета железобетонных конструкций, испытывающих горизонтальные нагрузки.

Более того, отсутствие сборных элементов несколько облегчает задачу расчета подобных зданий по сравнению со сборными, где учет податливости узлов замоноличивания сопряжен с известной интуитивной оценкой.

Нет сомнений, что монолитное домостроение в сейсмостойком строительстве со временем займет должное место, как одно из наиболее экономичных и эстетически совершенных конструктивных решений.

1.3 Методы расчета несущих остовов зданий

Любая задача расчета имеет три стороны: статическую (или динамическую), геометрическую и физическую. Статическая (динамическая) сторона задачи заключается в установлении связи между внешними нагрузками, действующими на конструкцию, и внутренними усилиями статического (динамического) равновесия. Поскольку внутренние усилия заранее неизвестны, приходится привлекать геометрические и физические соотношения.

Геометрические соотношения связывают перемещения и деформации конструкций. Физические определяют закон, по которому напряжения зависят от деформаций. Характер изменения напряженно-деформированного состояния сечений обычных железобетонных элементов в процессе нагружения был известен в начале нашего века. Однако теоретические основы, учитывающие его особенности, отсутствовали. Существовал лишь метод расчета по допускаемым напряжениям. Он и был принят первоначально для расчета.

При расчете сооружений учитывается целый ряд воздействий, главными из которых являются статические и динамические и изменения температуры. Цель расчета состоит в определении внутренних усилий, возникающих в элементах системы, в установлении перемещений ее отдельных точек и выяснении условий устойчивости и колебаний системы. В соответствии с результатами расчета устанавливаются размеры сечений отдельных элементов конструкций, необходимые для надежной работы сооружения и обеспечивающие минимальные затраты материалов.

Встречающиеся на практике системы сооружений, в зависимости от методики их расчета, подразделяют на 2 основных типа: статически определимые системы, которые могут быть рассчитаны с использованием только уравнений статики; статически неопределимые системы, для расчета которых в дополнение к уравнениям статики составляются уравнения совместимости деформаций.

При расчете дискретных статически неопределимых систем (для которых справедлив принцип независимости действия сил) применяют 3 основных метода: метод сил, метод перемещений и смешанный.

При расчете по методу сил часть связей в выбранной расчетной схеме сооружения «отбрасывается», с тем, чтобы превратить заданную систему в статически определимую геометрически неизменяемую систему (основную) систему. «Отброшенные» связи заменяют силами (лишними неизвестными), для определения которых составляют (исходя из условия тождественности деформаций основной и заданной систем) канонические уравнения. Найденные при решении этих уравнений лишние неизвестные «прикладываются» вместе с нагрузкой к основной системе как внешние силы, после чего определяются (методами сопротивления материалов) внутренние усилия в элементах системы и перемещения её отдельных точек.

При расчете по методу перемещений основная система получается из данной путём наложения дополнительных (лишних) связей, с тем, чтобы превратить её в сочетание элементов, деформации и усилия которых заранее изучены. За лишние неизвестные принимаются перемещения по направлению лишних связей. Для их определения составляется система уравнений, вытекающих из условия равенства нулю реакции в лишних связях.

Смешанный метод представляет собой сочетание методов сил и перемещений; основная система образуется путём удаления одних и наложения других связей. Поэтому лишними неизвестными являются и силы, и перемещения.

При расчёте сложных и пространственных статически неопределимых систем применение одного из этих методов становится невозможным.

В результате этого есть решение, при котором сложные и пространственные системы решаются при помощи методом конечных элементов.

Применение метода конечных элементов. Расчет конструктивной системы здания производится широко применяемым в настоящее время методом конечных элементов (МКЭ). При этом, линейные железобетонные конструкции (балки, колонны) моделируются линейными (стержневыми) конечными элементами, плоские железобетонные конструкции (плиты, стены) моделируются плоскими (оболочечными) конечными элементами. В результате расчета для линейных конечных элементов определяются изгибающие и крутящие моменты, продольные и поперечные силы, действующие по боковым сторонам линейных конечных элементов, а для плоских конечных элементов определяются крутящие и изгибающие моменты, продольные, поперечные и сдвигающие силы, действующие по боковым сторонам плоских конечных элементов. В целом мы получаем для линейных железобетонных конструкций распределение изгибающих и крутящих моментов, продольных и поперечных сил в нормальных сечениях по длине этих конструкций, а для плоских конструкций -- распределение изгибающих и крутящих моментов, продольных, поперечных и сдвигающих сил в нормальных сечениях по площади плоских конструкций.

Метод конечных элементов применим ко всем видам систем, этим методом получается более точный расчет.

1.4 Цели и задачи исследований

В основу диссертационной работы положена следующая рабочая гипотеза: Выбор рационального конструктивного решения многоэтажного гражданского здания для строительства в сейсмических районах может быть произведен в результате анализа напряженно-деформированного состояния несущего остова здания.

В связи с изложенным предложением, определена цель исследований: научное обоснование эффективного решения конструктивной схемы каркаса многоэтажного гражданского здания для строительства в сейсмических районах.

Исходя из цели исследований, анализа литературных данных были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать работу монолитного ригельного каркаса;

2. Исследовать работу монолитного безригельного каркаса;

3. Исследовать работу каркаса с заполнением.

4. Провести анализ напряженно-деформированного состояния элементов каркаса и дать заключение по наиболее ресурсосберегающему решению.

2. ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объект исследований и действующие нагрузки

В качестве объекта исследований были приняты 3 конструктивные схемы каркаса семиэтажного здания гостиницы с подвалом - ригельный каркас, безригельный каркас и каркас с заполнением. Высота первого этажа здания составляет 4.2 м, остальных - 3.3 м. В плане здание имеет сложную форму. В качестве района строительства выбран город Ташкент, сейсмичность площадки строительства - 8 баллов.

Принятые к исследованию схемы каркасов характеризуются следующим образом.

1) Ригельный каркас представляет собой пространственную монолитную железобетонную конструкцию, состоящую из колонн сечением 400х400 мм, ригелей сечением 400х300 мм и перекрытия толщиной 200 мм. Монолитное перекрытие имеет жесткую связь с ригелями и работает как жесткий диск. Фундаментные стеновые блоки толщиной 400 мм жестко защемлены в железобетонную фундаментную плиту толщиной 600 мм. Все элементы каркаса совместно работают на восприятие внешних воздействий. Стены являются ограждающими конструкциями.

2) Безригельный каркас также представляет собой пространственную монолитную железобетонную конструкцию, состоящую из колонн сечением 400х400 мм и перекрытия толщиной 200 мм, опирающегося на колонны. Подземная часть здания выполнена аналогично решению в ригельном каркасе. Все элементы каркаса совместно работают на восприятие внешних воздействий. Стены выполняют также только ограждающую функцию.

3) Каркас с заполнением. В этой конструктивной системе стены толщиной 380 мм выполняют роль ограждающих и одновременно несущих конструкций. Они воспринимают собственный вес и ряд других, действующих на них, нагрузок.

Расчеты трех пространственных схем каркасов семиэтажного здания выполнялись с использованием программного комплекса прочностных расчетов и проектирования строительных конструкций “ЛИРА-софт” (версия 9.4).

На все три конструктивных схемы при сравнительном расчете были приложены одинаковые нагрузки: статические, динамические и воздействия изменяющейся температуры. В первой и второй схемах в расчетных моделях были введены только несущие конструктивные элементы, а действие наружных стен и перегородок было компенсировано нагрузками. А в третьем варианте схемы наружные стены, участвующие в работе, были заложены в расчет в виде несущих конструкций.

Плоские плиты перекрытий и продольные несущие стены смоделированы элементами оболочки; колонны представлены стержневыми конечными элементами общего вида, жестко сопряженными с плитами перекрытий, покрытий и с фундаментами в опорных узлах на уровне их обреза.

Для анализа и сравнения работы трех схем каркасов на восприятие внешних воздействий ко всем схемам были приложены одинаковые нагрузки.

2.2 Принятые методы исследований

Основным видом исследований в диссертационной работе были приняты теоретические расчетные методы, основанные на использовании программного комплекса прочностных расчетов и проектирования строительных конструкций “ЛИРА-софт” (версия 9.4).

На программном комплексе “ЛИРА-софт” были созданы три конечно-элементные модели здания в соответствие с принятыми для исследования конструктивными схемами каркаса.

В первой и во второй расчетных моделях каркаса использованы только их несущие элементы. Собственный вес в программном комплексе «ЛИРА-софт» назначается автоматически. Наружные стены и внутренние перегородки смоделированы нагрузками без ввода самих элементов в расчетную схему, так как они не участвуют в работе (рис 2.1).

Рис.2.1. Конечно-элементная расчетная схема ригельного и безригельного каркаса

В третьем варианте расчетной схемы наружные стены смоделированы как элементы, участвующие в работе, и поэтому они были заложены в схему в виде несущих конструкций (рис 2.2).



Рис 2.2. Конечно-элементная расчетная схема каркаса с заполнением

Плоские плиты перекрытий и продольные несущие стены смоделированы элементами оболочки; колонны представлены стержневыми конечными элементами общего вида, жестко сопряженными с элементами плит перекрытий и покрытия и в уровне обреза фундаментов.

3. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ МНОГОЭТАЖНОГО ГРАЖДАНСКОГО ЗДАНИЯ ДЛЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

3.1 Исследование работы монолитного ригельного каркаса

Теоретическое исследование работы ригельного каркаса основано на изучении возникающих усилий и деформаций в элементах каркаса под внешними воздействиями с учетом сеймики. Расчеты были выполнены на следующие виды загружений:

загружение 1 - статическое загружение (собственный вес);

загружение 2 - статическое загружение (постоянные нагрузки);

загружение 3 - статическое загружение (временные нагрузки);

загружение 4 - статическое загружение (ветер по Х);

загружение 5 - статическое загружение (ветер по Y);

загружение 6 - динамическое загружение (сейсмика по КМК 2.01.03-96, учитывается три формы колебаний KF=3) (сейсмика по оси Х);

загружение 7 - динамическое загружение (сейсмика КМК 2.01.03-96, учитывается три формы колебаний KF=3) (сейсмика по оси Y);

загружение 8 - динамическое загружение (сейсмика КМК 2.01.03-96, учитывается три формы колебаний KF=3) (сейсмика по оси Z).



Рис 3.1. Пространственная модель ригельного каркаса

Выполненный расчет ригельного каркаса позволил определить собственные значения частот и периоды колебаний здания. Результаты расчета приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Собственные значения, частоты, периоды колебаний ригельного каркаса

№ п/п	собств. значения	частоты	периоды	коэффициент распределения	модальная масса, %
		рад/с	Гц	с
1	2	3	4	5	6	7
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 6
1	0.195903	5.104574	0.812830	1.230269	10.494218	27.434542	27.434542
2	0.184968	5.406352	0.860884	1.161597	10.942292	29.827318	57.261860
3	0.159735	6.260381	0.996876	1.003134	2.042706	1.039463	58.301323
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 7
1	0.195903	5.104574	0.812830	1.230269	10.874136	29.456904	29.456904
2	0.184968	5.406352	0.860884	1.161597	-10.638847	28.195947	57.652851
3	0.159735	6.260381	0.996876	1.003134	0.998073	0.248154	57.901005
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 8
1	0.195903	5.104574	0.812830	1.230269	10.874136	29.456904	29.456904
2	0.184968	5.406352	0.860884	1.161597	-10.638847	28.195947	57.652851
3	0.159735	6.260381	0.996876	1.003134	0.998073	0.248154	57.901005

В 7 графе приведена модальная масса, собранная из загружения по трем формам колебания.

Были определены максимальные и минимальные перемещения узлов каркасов в пространстве (по осям Х, Yи Z) при наиболее невыгодном загружении (табл.3.2)

Таблица 3.2.

Перемещения узлов ригельного каркаса при сейсмическом воздействии

Направление	Загружение 6	Загружение 7	Загружение 8
	Перемещение, мм	Перемещение, мм	Перемещение, мм
	max	min	max	min	max	min
Ось	При первой форме колебани	При первой форме колебания	При первой форме колебания
X	110	-8.49	114	-8.8	28.6	-2.2
Y	109	-0.00022	113	-0.00023	28.1	-5.78
Z	7.17	-12.8	7.43	-13.3	1.86	-3.33

По результатам выполненных расчетов были выбраны наиболее опасные нагружения и по усилиям, возникающим от их воздействия в элементах каркаса, назначались размеры сечений элементов, необходимые для надежной работы сооружения и обеспечивающие минимальные затраты материалов (табл. 3.3).

Таблица 3.3.

Расход материалов на ригельный каркас и его стоимость

Этаж	Конструкция	Материал	Объем	Стоимость за одну единицу (сум)	Полная стоимость (тыс. сум)
Подвал	Фундаментная плита	Арматура A-III Ш 14	8.83 т	2307365	20374.03
		Арматура A-I Ш 8	0.919 т	2302123	2115.65
		Бетон В 25	218.9 м3	215082	47081.45
1	Колонны (28шт)	Арматура A-III Ш 28, Ш 25, Ш 22	2.02 т	2310725	4667.66
		Арматура A-I Ш 8	0.446 т	2302123	1026.75
		Бетон В 25	18.8 м3	215082	4043.54
	Ригели (30шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.921 т	2307365	2125.08
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.52 т	2302123	1197.1
		Бетон В 25	20.4 м3	215082	4387.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	6.26 т	2307365	14444.10
		Арматура A-I Ш 8	0.411 т	2302123	946.17
		Бетон В 25	77.5 м3	215082	16668.86
2	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 28, Ш 25, Ш 22	0.55 т	2310725	1270.9
		Арматура A-III Ш 20, Ш 16	0.342 т	2307365	789.12
		Арматура A-I Ш 8	0.301 т	2302123	692.94
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (26шт)	Арматура A-III Ш 25, Ш 22	0.236 т	2310725	545.33
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	1.21 т	2307365	2791.91
		Арматура A-I Ш 8	0.515 т	2302123	1185.59
		Бетон В 25	18.9 м3	215082	4065.05
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	5.58 т	2307365	12875.1
		Арматура A-I Ш 8	0.367 т	2302123	844.88
		Бетон В 25	69.1 м3	215082	14862.17
3	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 28, Ш 25, Ш 22	0.477 т	2310725	1102.22
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16	0.356 т	2307365	821.42
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.246 т	2302123	566.32
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 22	0.053 т	2310725	122.47
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	1.28 т	2307365	2953.43
		Арматура A-I Ш 8	0.486 т	2302123	1118.83
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12, Ш 14	5.74 т	2307365	13244.28
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
4	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 28, Ш 25, Ш 22	0.283 т	2310725	653.94
		Арматура A-III Ш 20, Ш 16	0.446 т	2307365	1029.08
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.235 т	2302123	541
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	1.18 т	2307365	2722.69
		Арматура A-I Ш 8	0.486 т	2302123	1118.83
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	4.86 т	2307365	11213.79
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
5	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 25	0.102 т	2310725	235.69
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16,	0.527 т	2307365	1215.98
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.197 т	2302123	453.52
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	1.25 т	2307365	2884.21
		Арматура A-I Ш 8	0.486 т	2302123	1118.83
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 14, Ш 10,	5.01 т	2307365	11559.9
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
6	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16	0.539 т	2307365	1243.67
		Арматура A-I Ш 6	0.17 т	2302123	391.36
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.94 т	2307365	2168.92
		Арматура A-I Ш 8	0.486 т	2302123	1118.83
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	4.86 т	2307365	11213.79
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
7	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16	0.539 т	2307365	1243.67
		Арматура A-I Ш 6	0.17 т	2302123	391.36
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (23шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.83 т	2307365	1915.11
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.424 т	2302123	976.1
		Бетон В 25	17.5 м3	215082	3763.94
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	5.53 т	2307365	12759.73
		Арматура A-I Ш 8	0.364 т	2302123	837.97
		Бетон В 25	68.5 м3	215082	14733.12
1-7	Стены	Пеноблоки	403 м3	180000	72540
	ИТОГО				425416.6

Полные результаты расчета ригельного каркаса приведены в Приложении 1.

3.2 Исследование работы монолитного безригельного каркаса

Теоретическое исследование работы безригельного каркаса основано на изучении возникающих усилий и деформаций в элементах каркаса под внешними воздействиями с учетом сеймики. Расчеты были выполнены на следующие виды загружений:

Загружение 1 - статическое загружение (собственный вес);

Загружение 2 - статическое загружение (постоянные нагрузки);

Загружение 3 - статическое загружение (временные нагрузки);

Загружение 4 - статическое загружение (ветер по Х);

Загружение 5 - статическое загружение (ветер по Y);

Загружение 6 - динамическое загружение (сейсмика по оси Х, три формы колебаний);

Загружение 7 - динамическое загружение (сейсмика по оси Y, три формы колебаний);

Загружение 8 - динамическое загружение (сейсмика по оси Z, три формы колебаний).



Рис 3.2. Пространственная модель безригельного каркаса

Выполненный расчет безригельного каркаса позволил определить собственные значения частот и периоды колебаний здания. Результаты расчета приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4.

Собственные значения, частоты, периоды колебаний безригельного каркаса

№ п/п	собств. значения	частоты	периоды	коэффициент распределения	модальная масса, %
		рад/с	Гц	с
1	2	3	4	5	6	7
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 6
1	0.247504	4.040347	0.643367	1.554322	5.019656	7.100433	7.100433
2	0.229638	4.354679	0.693420	1.442127	12.799669	46.167291	53.267723
3	0.215537	4.639570	0.738785	1.353574	1.947112	1.068363	54.336086
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 7
1	0.247504	4.040347	0.643367	1.554322	11.876893	39.750497	39.750497
2	0.229638	4.354679	0.693420	1.442127	-5.381029	8.159577	47.910074
3	0.215537	4.639570	0.738785	1.353574	4.647114	6.085603	53.995677
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 8
1	0.247504	4.040347	0.643367	1.554322	11.876893	39.750497	39.750497
2	0.229638	4.354679	0.693420	1.442127	-5.381029	8.159577	47.910074
3	0.215537	4.639570	0.738785	1.353574	4.647114	6.085603	53.995677

В 7 графе приведена модальная масса, собранная из загружения по трем формам колебания.

Были определены максимальные и минимальные перемещения узлов каркасов в пространстве (по осям Х, Y и Z) при наиболее невыгодном загружении (табл.3.5)

Таблица 3.5.

Перемещения узлов безригельного каркаса при сейсмическом воздействии

Направление	Загружение 6	Загружение 7	Загружение 8
	Перемещение, мм	Перемещение, мм	Перемещение, мм
	max	min	max	min	max	min
Ось	При второй форме колебания	При первой форме колебания	При первой форме колебания
X	187	-2.01	185	-15	46.3	-3.74
Y	0.219	-78.2	263	-0.00021	65.9	5.32
Z	10.9	-8.11	7.05	-18	1.76	-4.51

По результатам выполненных расчетов были выбраны наиболее опасные нагружения и по усилиям, возникающим от их воздействия в элементах каркаса, назначались размеры сечений элементов, необходимые для надежной работы сооружения и обеспечивающие минимальные затраты материалов (табл. 3.6).

Таблица 3.6.

Расход материалов на безригельный каркас и его стоимость

Этаж	Конструкция	Материал	Объем	Стоимость за одну единицу (сум)	Полная стоимость (тыс. сум)
Подвал	Фундаментная плита	Арматура A-III Ш 14	8.83 т	2307365	20374.03
		Арматура A-I Ш 8	0.919 т	2302123	2115.65
		Бетон В 25	218.9 м3	215082	47081.45
1	Колонны (28шт)	Арматура A-III Ш 25, Ш 22	0.373 т	2310725	861.90
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16	0.671 т	2307365	1548.24
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.363 т	2302123	835.67
		Бетон В 25	18.8 м3	215082	4043.54
	Пояса (21шт)	Арматура A-III Ш 12	0.41 т	2307365	946.02
		Арматура A-I Ш 6	0.185 т	2302123	425.89
		Бетон В 25	10.2 м3	215082	2193.84
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	6.26 т	2307365	14444.10
		Арматура A-I Ш 8	0.411 т	2302123	946.17
		Бетон В 25	77.5 м3	215082	16668.86
2	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16	0.56 т	2307365	1292.12
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.23 т	2302123	529.49
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Пояса (18шт)	Арматура A-III Ш 28, Ш 25, Ш 22	0.405 т	2310725	935.84
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16	0.692 т	2307365	1596.7
		Арматура A-I Ш 8	0.31 т	2302123	713.66
		Бетон В 25	9.5 м3	215082	2043.28
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 14	7.6 т	2307365	17535.97
		Арматура A-I Ш 8	0.367 т	2302123	844.88
		Бетон В 25	69.1 м3	215082	14862.17
3	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16	0.56 т	2307365	1292.12
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.23 т	2302123	529.49
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Пояса (14шт)	Арматура A-III Ш 25, Ш 22	0.526 т	2310725	1215.44
		Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 12	0.361 т	2307365	832.96
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.26 т	2302123	598.55
		Бетон В 25	8.2 м3	215082	1763.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 14	6.62 т	2307365	15274.76
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
4	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16	0.539 т	2307365	1243.67
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.208 т	2302123	478.84
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Пояса (14шт)	Арматура A-III Ш 25	0.288 т	2310725	665.49
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16	0.601 т	2307365	1386.73
		Арматура A-I Ш 8	0.268 т	2302123	616.97
		Бетон В 25	8.2 м3	215082	1763.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 14, Ш 12	5.74 т	2307365	13244.28
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
5	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16	0.539 т	2307365	1243.67
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.208 т	2302123	478.84
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Пояса (14шт)	Арматура A-III Ш 25, Ш 22	0.395 т	2310725	912.74
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16,	0.469 т	2307365	1082.15
		Арматура A-I Ш 8	0.268 т	2302123	616.97
		Бетон В 25	8.2 м3	215082	1763.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 14, Ш 12	5.74 т	2307365	13244.28
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
6	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 16	0.501 т	2307365	1020.72
		Арматура A-I Ш 6	0.17 т	2302123	391.36
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Пояса (14шт)	Арматура A-III Ш 25	0.381 т	2310725	880.39
		Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14	0.431 т	2307365	994.47
		Арматура A-I Ш 8	0.268 т	2302123	616.97
		Бетон В 25	8.2 м3	215082	1763.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	4.86 т	2307365	11213.79
		Арматура A-I Ш 8	0.32 т	2302123	736.68
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
7	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 16	0.501 т	2307365	1020.72
		Арматура A-I Ш 6	0.17 т	2302123	391.36
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Пояса (14шт)	Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.627 т	2307365	1446.72
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.251 т	2302123	577.83
		Бетон В 25	8.2 м3	215082	1763.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	5.53 т	2307365	12759.73
		Арматура A-I Ш 8	0.364 т	2302123	837.97
		Бетон В 25	68.5 м3	215082	14733.12
1-7	Стены	Пеноблоки	438 м3	180000	78840
	ИТОГО				413468.6

Полные результаты расчета безригельного каркаса приведены в Приложении 2.

3.3 Исследование работы каркаса с заполнением

Теоретическое исследование работы каркаса с заполнением основано на изучении возникающих усилий и деформаций в элементах каркаса под внешними воздействиями с учетом сеймики. Расчеты были выполнены на следующие виды загружений:

Загружение 1 - статическое загружение (собственный вес);

Загружение 2 - статическое загружение (постоянные нагрузки);

Загружение 3 - статическое загружение (временные нагрузки);

Загружение 4 - статическое загружение (ветер по Х);

Загружение 5 - статическое загружение (ветер по Y);

Загружение 6 - динамическое загружение (сейсмика по оси Х, три формы колебаний);

Загружение 7 - динамическое загружение (сейсмика по оси Y, три формы колебаний);

Загружение 8 - динамическое загружение (сейсмика по оси Z, три формы колебаний).



Рис 3.3. Пространственная модель каркаса с заполнением

Выполненный расчет каркаса с заполнением позволил определить собственные значения частот и периоды колебаний здания. Результаты расчета приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7.

Собственные значения, частоты, периоды колебаний каркаса с заполнением

№ п/п	собств. значения	частоты	периоды	коэффициент распределения	модальная масса, %
		рад/с	Гц	с
1	2	3	4	5	6	7
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 6
1	0.142092	7.037671	1.120648	0.892341	16.005909	49.507663	49.507663
2	0.119174	8.391118	1.336165	0.748410	-7.908695	12.087079	61.594742
3	0.086842	11.515223	1.833634	0.545365	-1.631668	0.514488	62.109230
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 7
1	0.142092	7.037671	1.120648	0.892341	7.995153	12.352797	12.352797
2	0.119174	8.391118	1.336165	0.748410	15.485535	46.340869	58.693666
3	0.086842	11.515223	1.833634	0.545365	2.213565	0.946883	59.640549
Собственные значения, частоты, периоды колебаний загружения 8
1	0.142092	7.037671	1.120648	0.892341	7.995153	12.352797	12.352797
2	0.119174	8.391118	1.336165	0.748410	15.485535	46.340869	58.693666
3	0.086842	11.515223	1.833634	0.545365	2.213565	0.946883	59.640549

В 7 графе приведена модальная масса, собранная из загружения по трем формам колебания.

Были определены максимальные и минимальные перемещения узлов каркасов в пространстве (по осям Х, Y и Z) при наиболее невыгодном загружении (табл.3.8)

Таблица 3.8.

Перемещения узлов каркаса с заполнением при сейсмическом воздействии

Направление	Загружение 6	Загружение 7	Загружение 8
	Перемещение, мм	Перемещение, мм	Перемещение, мм
	max	min	max	min	max	min
Ось	При первой форме колебания	При второй форме колебания	При второй форме колебания
X	104	0	9.79	63.1	2.45	-15.8
Y	55	-0.00153	107	-0.00095	26.8	-0.00024
Z	17.8	-21.1	18	-19.6	4.49	-4.9

По результатам выполненных расчетов были выбраны наиболее опасные нагружения и по усилиям, возникающим от их воздействия в элементах каркаса, назначались размеры сечений элементов, необходимые для надежной работы сооружения и обеспечивающие минимальные затраты материалов (табл. 3.9).

Таблица 3.9.

Расход материалов на каркас с заполнением и его стоимость

Этаж	Конструкция	Материал	Объем	Стоимость за одну единицу (сум)	Полная стоимость (тыс. сум)
Подвал	Фундаментная плита	Арматура A-III Ш 14	8.83 т	2307365	20374.03
		Арматура A-I Ш 8	0.919 т	2302123	2115.65
		Бетон В 25	218.9 м3	215082	47081.45
1	Колонны (28шт)	Арматура A-III Ш 22	0.05 т	2310725	115.54
		Арматура A-III Ш 20, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.617 т	2307365	1423.64
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.307 т	2302123	706.75
		Бетон В 25	18.8 м3	215082	4043.54
	Ригели (30шт)	Арматура A-III Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.972 т	2307365	2242.76
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.408 т	2302123	939.27
		Бетон В 25	20.4 м3	215082	4387.67
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	6.26 т	2307365	14444.10
		Арматура A-I Ш 6	0.231 т	2302123	531.79
		Бетон В 25	77.5 м3	215082	16668.86
2	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 20, Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.33 т	2307365	761.43
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.18 т	2302123	414.38
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (26шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.946 т	2307365	2182.77
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.38 т	2302123	874.81
		Бетон В 25	18.9 м3	215082	4065.05
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	5.58 т	2307365	12875.1
		Арматура A-I Ш 6	0.206 т	2302123	474.24
		Бетон В 25	69.1 м3	215082	14862.17
3	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 20, Ш 14, Ш 12	0.307 т	2307365	708.36
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.175 т	2302123	402.87
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	1.19 т	2307365	2745.76
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.474 т	2302123	1091.21
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	4.86 т	2307365	11213.79
		Арматура A-I Ш 6	0.19 т	2302123	437.4
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
4	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 20, Ш 12	0.295 т	2307365	680.67
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.172 т	2302123	395.97
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	1.20 т	2307365	2768.84
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.477 т	2302123	1098.11
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 12	4.86 т	2307365	11213.79
		Арматура A-I Ш 6	0.19 т	2302123	437.4
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
5	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 12,	0.289 т	2307365	666.83
		Арматура A-I Ш 6	0.169 т	2302123	389.06
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.824 т	2307365	1901.27
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.382 т	2302123	879.41
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 10	3.37 т	2307365	7775.82
		Арматура A-I Ш 6	0.19 т	2302123	437.4
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
6	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 12,	0.289 т	2307365	666.83
		Арматура A-I Ш 6	0.169 т	2302123	389.06
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.787 т	2307365	1815.90
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.364 т	2302123	837.97
		Бетон В 25	17.8 м3	215082	3828.46
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 10	3.37 т	2307365	7775.82
		Арматура A-I Ш 6	0.19 т	2302123	437.4
		Бетон В 25	60.2 м3	215082	12947.94
7	Колонны (24шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 12,	0.289 т	2307365	666.83
		Арматура A-I Ш 6	0.169 т	2302123	389.06
		Бетон В 25	12.7 м3	215082	2731.54
	Ригели (23шт)	Арматура A-III Ш 18, Ш 16, Ш 14, Ш 12	0.721 т	2307365	1663.61
		Арматура A-I Ш 8, Ш 6	0.284 т	2302123	653.80
		Бетон В 25	17.5 м3	215082	3763.94
	Плита перекрытия	Арматура A-III Ш 10	3.84 т	2307365	8860.28
		Арматура A-I Ш 6	0.234 т	2302123	538.7
		Бетон В 25	68.5 м3	215082	14733.12
1-7	Стены	Кирпич	612.6 м3	90675	55547.51
	ИТОГО				379063.6

3.4 Выбор рационального конструктивного решения многоэтажного гражданского здания для сейсмических районов строительства

В результате выполненных расчетов ригельного каркаса, безригельного каркаса и каркаса с заполнением были определены внутренние усилия, возникающие в их элементах, установлены перемещения отдельных характерных точек каркасов, а также выявлены условия устойчивости и колебаний каждой рассматриваемой конструктивной схемы. Кроме того, были назначены размеры сечений элементов, необходимые для надежной работы сооружения и обеспечивающие минимальные затраты материалов.

Так как наибольший интерес представляла работа конструктивных схем каркасов на сейсмические воздействия, то именно ее анализ и явился определяющим в выборе наиболее рационального конструктивного решения здания.

Были определены максимальные и минимальные перемещения узлов каркасов в пространстве (по осям Х, Y и Z) при наиболее невыгодном загружении (табл. 3.10).

Таблица 3.10

Перемещения узлов каркасов при сейсмическом воздействии

Направление	Загружение 6	Загружение 7	Загружение 8
	Перемещение, мм	Перемещение, мм	Перемещение, мм
	max	min	max	min	max	min
Ригельный каркас
Ось	При первой форме колебания	При первой форме колебания	При первой форме колебания
X	110	-8.49	114	-8.8	28.6	-2.2
Y	109	-0.00022	113	-0.00023	28.1	-5.78
Z	7.17	-12.8	7.43	-13.3	1.86	-3.33
Безригельный каркас
Ось	При второй форме колебания	При первой форме колебания	При первой форме колебания
X	187	-2.01	185	-15	46.3	-3.74
Y	0.219	-78.2	263	-0.00021	65.9	5.32
Z	10.9	-8.11	7.05	-18	1.76	-4.51
Каркас с заполнением
Ось	При первой форме колебания	При второй форме колебания	При второй форме колебания
X	104	0	9.79	63.1	2.45	-15.8
Y	55	-0.00153	107	-0.00095	26.8	-0.00024
Z	17.8	-21.1	18	-19.6	4.49	-4.9

Анализ значений, представленный в табл. 3.10 показывает, что наиболее рациональной схемой каркаса семиэтажного здания в условиях сейсмически опасной зоны является каркас с заполнением, так как у этой схемы период колебаний сокращается в 1,4 раз по сравнению с ригельным каркасом и в 1,7 раз по сравнению с безригельным каркасом; наибольшее перемещение по оси Х меньше, соответственно, в 1,1 и 1,8 раз; наибольшее перемещение по оси Y меньше, соответственно в 1,05 и 2,4 раза и только перемещения по оси Z оказываются больше, чем у ригельного каркаса в 1,5 раза и безригельного каркаса в 1,2 раза.

Также оценка эффективности конструктивных схем каркасов была проведена по их полной ресурсной стоимости (табл. 3.11).

Таблица 3.11

Сводная таблица стоимости каркасов

Ригельный каркас
Полная ресурсная стоимость каркаса (тыс.сум)
425416.6
Безригельный каркас
Полная ресурсная стоимость каркаса (тыс.сум)
413468.6
Каркас с заполнением
Полная ресурсная стоимость каркаса (тыс.сум)
379063.6

Полученные значения полной ресурсной стоимости конструктивных схем каркасов также подтвердили рациональность использования в восьмибальном сейсмическом районе каркаса с заполнением. Его полная ресурсная стоимость на 11% меньше полной ресурсной стоимости ригельного каркаса и на 8,3% меньше полной ресурсной стоимости безригельного каркаса.

Выводы по главе

1. Исходя из исследования выявлено, что каркас с заполнением по сейсмическим сравнениям, т. е. по перемещению сейсмоустойчивее, чем ригельный каркас и безригельный каркас.

Каркас с заполнением показал, что у него период колебаний сокращается в 1,4 раз по сравнению с ригельным каркасом и в 1,7 раз по сравнению с безригельным каркасом; наибольшее перемещение по оси Х меньше, соответственно, в 1,1 и 1,8 раз; наибольшее перемещение по оси Y меньше, соответственно в 1,05 и 2,4 раза и только перемещения по оси Z оказываются больше, чем у ригельного каркаса в 1,5 раза и безригельного каркаса в 1,2 раза.

2. Расчет ресурсной стоимости каркасов показал, что каркас с заполнением является дешевле, чем ригельный каркас и безрегельный каркас.

Полная ресурсная стоимость каркаса с заполнением на 11% меньше полной ресурсной стоимости ригельного каркаса и на 8,3% меньше полной ресурсной стоимости безригельного каркаса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абдурашидов К.С. Натурные исследования колебаний зданий и сооружений и методы их восстановления. Ташкент, Фан, 1974.-213 с.

2. Абдурашидов К.С., Айзенберг Я.М., Жунусов Т.Ж. Сейсмостойкость сооружений. М., Наука 1969.-192 с.

3. Айзенберг Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. М., Стройиздат, 1976.-229 с.

4. Бондаренко В.М., Бакиров P.O., Назаренко В.Г., Римшин В.И. Железобетонные и каменные конструкции. М., Высшая школа. 2004.- 880 с.

5. Бондаренко В.М., Судницын А.И. Назаренко В.Г. Расчет железобетонных и каменных конструкций. М., Высшая школа. 1988. -303 с.

6. Борджес Дж. Ф., Равара А. Проектирование железобетонных конструкций для сейсмических районов: Пер. с англ./ Под ред. С. В. Полякова.-М.:Стройиздат, 1978.

7. Городецкий А.С., Батрак Л.Г., Городецкий Д.А., Лазнюк М.В., Юсипенко С.В. Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона - Киев, «ФАКТ», 2004 - 104 с.

8. Дроздов П. Ф. Додонов М. И. Проектирование и расчет многоэтажных гражданских зданий и их элементов. - М.: Стройиздат, 1986. - 351 с.

9. Дыховичный Ю. А. Конструирование и расчет жилых и общественных зданий повышенной этажности. Стройиздат, Москва 1970 г.

10. ?М? 2.01.03 - 96 Строительство в сейсмических районах - Т.: Госархитектстрой, 1996 - 174 с.

11. Мартемьянов А.И. Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах. М., Стройиздат, 1985.-255 с.

12. Поляков С.В.Сейсмостойкие конструкции зданий. М."Высшая школа", 1969.- 333 с.

13. Попов Г. И. Совершенствование строительных конструкций и методов их расчетов. Издание МАДИ, 1988, 136 с.

14. Ханджи В. В. Расчет многоэтажных зданий со связевым каркасом. М., Стройиздат, 1977, 187 с.

15. http://seismostroi.ru/p-3/

Размещено на Allbest.ru