ВЕРТИКАЛЬНЫЕ УСТУПЫ ЗДАНИЙ

Проблемы, возникающие в ходе проектирования. Наличие вертикальных уступов в здании и сооружении определяет изменение прочности и жесткости по вертикали. Степень влияния вертикального уступа на работу здания зависит от относительных пропорций и абсолютных размеров частей здания. Кроме того, симметрия или асимметрия плана части здания, расположенной выше и ниже уступа, также оказывает влияние на характер возникающих усилий. Если башня или основание здания (или и то и другое) динамически асимметричны, то в конструкции возникают скручивающие усилия, значительно осложняющие анализ работы здания.

Рис. 12.7.1. Здание Даллас Сити Холл

Концентрация усилий возникает в месте перелома вертикального очертания здания. Чем меньше ступени в вертикальном уступе, тем меньше влияние концентратора. Трапециевидная форма помогает практически полностью избежать влияния концентрации напряжений (рис. 10.7.2).

Рис. 10.7.2. Уступы: аналогия перехода от конусообразной конструкции балки к ступенчатой:а - суживающаяся кверху; б - суживающаяся кверху, с неглубокими ступенями; в - ступенчатая балка: резкое изменение жесткости

В прямом или обратном уступе с равномерным наклоном (если каркас и заполнение обладают свойством неразрезности) почти нет резкого изменения жесткости (хотя работа таких уступов не может быть оценена с помощью стандартных методов и требует специального анализа). В случае если в верхней части здания имеются диафрагмы, то в месте их сопряжения с основной конструкции возникает ступень изменения жесткости и эти диафрагмы передают значительные усилия на диск перекрытия (рис. 10.7.3).

Рис. 10.7.3. Уступы, включающие диафрагмы, могут искажать траекторию передачи нагрузок на конструкцию фундаментов	Рис. 10.7.4. Конструкция, состоящая из узкой башни на широком подиуме, часто используемая для зданий с встроенным гаражом

Если диафрагмы не сплошные, то опрокидывающие моменты так же, как и поперечные силы, должны находить альтернативные пути восприятия. Таким образом, вертикальный уступ с разрезными поперечными диафрагмами создает различные аномалии взаимодействия, которые могут дополнять и усиливать друг друга.

Конструкция зданий башенного типа обычно включает рамный каркас без диафрагм. Конструкция стилобата, имеющего большие размеры в плане, как правило, состоит из нескольких подземных уровней (этажей) со своими стеновыми элементами, жесткость которых почти бесконечна по сравнению с более гибким каркасом башни (рис. 10.7.4). На уровне передачи поперечных нагрузок с конструкции башни на элементы периметра стилобата следует предусмотреть специальную массивную горизонтальную диафрагму с соединениями в виде специальных связей.

Как обычные вертикальные, так и обратные уступы создают условия для изменения жесткости и концентрации напряжений; что касается соответствующих характеристик общей формы, то их воздействие различно. Например, при замене одного большого уступа несколькими меньшего размера, или при придании трапециевидной формы зданию с обычным вертикальным уступом, можно сгладить те сложности, которые возникают при резком изменении жесткости. Однако для здания с обратным уступом такая замена только создаст дополнительные трудности, так как наиболее целесообразно центр массы здания или центр тяжести по возможности приблизить к уровню грунта. Действие сил на более низком уровне означает меньшую длину плеча силы, а следовательно, и меньший опрокидывающий момент. Обычный вертикальный уступ или пирамидальная конфигурация распределяет массу здания правильно, в то время как при наличии обратных выступов распределение массы происходит вразрез с основными расчетными критериями. В здании, имеющем форму перевернутой пирамиды, происходит уменьшение массы на единицу высоты здания по направлению к поверхности грунта, что не соответствует оптимальности конфигурации зданий для сейсмостойкого строительства.

Специфика проектирования вертикальных уступов. На протяжении многих лет проектирование вертикальных уступов считается одной из наиболее сложных проблем архитектурно-строительной технологии. Здания, в конструкцию которых включены вертикальные уступы с размерами башенной части в плане в каждом из направлений равными по меньшей мере 75% соответствующего размера нижней части здания в плане, могут рассматриваться как однородные, без каких-либо уступов и других отклонений от правильной формы. Для прямоугольников это правило выдерживается когда площадь плана башенной части составляет 9/16 от площади плана подиума (рис. 10.7.5).

Иногда требуется передать поперечную нагрузку с верхнего стенового элемента, образующего вертикальный уступ, на стеновой элемент, расположенный ниже. Включение вертикальных уступов требует специального анализа возможности возникновения опрокидывающего момента. Во многих случаях вертикальные уступы создают определенную степень неравномерности распределения жесткостей, требующей специального анализа динамических характеристик конструкции. Это необходимо для обеспечения наиболее оптимального распределения поперечных нагрузок. Существуют эмпирические соотношения, которые не всегда включены в нормы проектирования, но которые, тем не менее, рекомендуется соблюдать. Условно можно выделить четыре основных расчетных состояния (описание приводится на рис. 10.7.6 и в табл. 10.7.1).

	Рис. 10.7.5. Соотношение площадей уступов по вертикали
Рис. 10.7.6. Категории уступов

Таблица 10.7.1

АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ УСТУПОВ СООРУЖЕНИЙ

Соотношение габаритов здания	b2/b	h2/h	Расчетный вариант
	от 0.8 до 1	Любая	А - средняя ширина
от 0.6 до 0.8	>0.35	Б - основание и надстройка
от 0.4 до 0.6	>0.25
от 0 до 0.4	>0.4	В - башня и пристройки
от 0.6 до 0.8	от 0.65 до 1
от 0.4 до 0.6	от 0.75 до 1	Г - все, что подходит для любого элемента; средняя ширина, 120% нагрузок, основание и башня как в случае Б
>0.4	от 0.8 до 1
>0.4	>от 0.4 до 0.8
от 0.6 до 0.8	>от 0.35 до 0.65

A. Уступ здания выдается не настолько, чтобы изменить работу здания. Для определения периода колебаний и горизонтальных нагрузок, действующих у стилобата, здание следует рассматривать, как одно целое (одной полной длины), с шириной, величина которой равна средневзвешенной сумме размеров башенной части и стилобата.

Б. Конструкция стилобата является основной, а башенную часть можно считать дополнительным элементом, который подвергается воздействию перемещения грунта при ускорении, которое равно ускорению верхнего диска стилобата. Стилобат следует рассматривать как отдельное здание со своей собственной высотой и приданной массой башни при приложении горизонтальной нагрузки в уровне покрытия. Смещение основания башни принимается увеличенным на 40%, чем при допущении, что башня являет отдельным зданием, стоящим на грунте. Горизонтальные нагрузки определяются для случая отдельно стоящего здания и далее пропорционально увеличиваются.

B. Башенная часть в здании преобладает, часть стилобата, которая не находится в пределах проекции плана башни на поверхность грунта, представляет собой пристройку, дополнительная масса и несущая способность которой должна приниматься в расчет (для определения сейсмических коэффициентов следует мысленно продлить башенную часть через стилобат до уровня фундамента и рассматривать ее как отдельно стоящее здание полной высоты). Дополнительная масса частей стилобата, не включенных в "удлиненную" башню, учитывается при сейсмическом расчете фиктивного здания, с высотой, равной высоте стилобата только для определения величины дополнительных горизонтальных нагрузок, действующих в уровне нижних этажей. По меньшей мере, 70% всех нагрузок будет действовать в пределах размеров плана удлиненной башни.

Г. Промежуточные случаи наиболее трудно поддаются определениям. Эти категории конструкций предусматривают рассмотрение ситуаций, при которых обе части здания работают как единая конструкция полной высоты. Для определения горизонтальной нагрузки, действующей в любом месте или элементе, следует применять один из следующих способов: принимается, что башня и стилобат составляют одно здание полной высоты, со средневзвешенной величиной ширины; значение сейсмического коэффициента при этом увеличивают на 20%; рассматривают стилобат и башенную часть как два отдельных здания с использованием метода Б, приведенного выше.

В качестве рекомендации можно предусматривать конструктивные каркасы как рамные, так и связевые или их сочетание в конструкции башни и стилобата любого здания, имеющего вертикалью уступы высотой более одного этажа. Кроме того, рекомендуется предусматривать в конструкции здания колонны, которые, ограничивая уступ, проходят вниз до уровня фундамента (рис. 10.7.7).

Рис. 10.7.7. Уступы каркасных зданий: а - сплошные колонны; б - разрыв колонны по вертикали	Рис. 10.7.8. Башня административного здания Кайама Интернешнл Билдинг, Лос-Анджелес, отделенная антисейсмическими швами от гаража

Конструктивные решения конфигураций вертикальных уступов аналогичны решениям, принимаемым в случае проектирования планов с входящими углами. Первый тип решения заключается в обеспечении антисейсмических швов, позволяющих отдельным частям здания проявлять свою реакцию в ответ на воздействие сейсмической нагрузки. В этом случае следует принять во внимание рекомендации, приведенные выше (рис. 10.7.8). Если конструкции здания не разделяются антисейсмическими швами, то необходимо при расчете руководствоваться анализом соотношений вертикальных уступов. Особое внимание следует уделить обеспечению в вертикальных колоннах неразрезности конструкций так, чтобы размер уступов мог соответствовать нормальным размерам пролета. Динамические характеристики работы конструкции любого крупномасштабного здания с преобладанием вертикальных уступов должны тщательно изучаться. При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений следует избегать включения в решение плана протяженных обратных уступов сложной формы.