Вибір розрахункової схеми будинків і спосіб її реалізації в розрахунках

Наявність існуючої конструктивної схеми будівлі диктує необхідність вибору окремої розрахункової схеми, по якій можна було б визначити внутрішні зусилля в елементах обраної схеми, а потім за цими зусиллями уточнити розміри перерізів і здійснити підбір робочої арматури. Іншими словами, виконується логічна послідовність у розрахунку будь-якого елемента чи будівлі: 1) задання розрахункової схеми; 2) статичний розрахунок з визначенням зусиль M, N, Q; 3) конструктивний розрахунок, що включає перевірку розмірів перерізів з визначенням необхідної площі перерізу робочої і конструктивної арматури і потім безпосереднє конструювання арматурних сіток або каркасів.

Як приклад розглянемо чотири різновиди будівель: а) рамна каркасна система; б) безкаркасна будівля; в) пластинчаста система; г) одноповерхова промбудівля.

Процес проектування відноситься до розряду творчих процесів, він не підкорюється строгому шаблону і жорстким нормативним обмеженням. Тому вибір розрахункової схеми для однієї і тієї ж будівлі може вирізнятися деякими деталями, а іноді й принциповими положеннями. В існуючій розрахунковій практиці найчастіше будинок розділяється на окремі плоскі елементи, що найпростіше розглядати як відомі в будівельній механіці рами, ферми, пластини, оболонки та ін.

Для рамної каркасної системи розрахунковою схемою служать поперечні рами, що чергуються в будівлі з певним кроком. Тому розглядати весь будинок з наявністю просторових зв'язків необов'язково. Досить розглянути тільки одну раму в межах кроку рам, зібрати навантаження та розрахувати раму точним або наближеним методом на дію окремо вертикальних і окремо горизонтальних навантажень. Отримані зусилля M, N, Q служать вихідними для розрахунку і проектування поперечних перерізів стояків і ригелів рами.

Багатоповерхові багатопрольотні рами каркасних будинків мають переважно одноманітну (регулярну) розрахункову схему з рівними прольотами і поверхами. Навантаження по ярусах найчастіше також однакове. Вузли стояків таких рам мають приблизно рівні кути повороту і, отже, рівні вузлові моменти з нульовою точкою посередині стояків кожного поверху. Це дає підставу розчленити багатоповерхову раму на ряд одноповерхових рам з висотою стояків, рівній половині висоти поверху, із шарнірами по кінцях стояків, крім першого поверху (рис.7.6).

Якщо число прольотів рами більше трьох, раму практично заміняють трипрольотною рамою й приймають згинальні моменти в середніх прольотах багатопрольотної рами такими ж, як і в середньому прольоті трипрольотної рами. Розрахунок спрощених рам можна робити методом сил, методом переміщень або за допомогою довідкових таблиць.

Рис.7.6 – Розрахункова схема каркасного багатоповерхової багатопрольотної будівлі (а). Спрощення цієї схеми для реалізації в табличних розрахунках (б, в)

У таблицях опорні моменти ригелів рами, що має колони з однаковими поперечними перерізами, можуть визначатися за формулою

,

(7.1)

де α, β – табличні коефіцієнти, що залежать від схем завантаження і відношення суми погонних жорсткостей стояків, що примикають до вузла, i_ст, до погонної жорсткості ригеля i_р : i_ст / i_р;

g і v – постійне і тимчасове навантаження на ригель;

l – прольот ригеля.

Згинальні моменти в стояках визначають за різницею опорних моментів ригелів у даному вузлі, розподіляючи її пропорційно погонним жорсткостям стояків.

Згинальні моменти в прольотних перерізах ригелів, а також поперечні сили визначають як в однопрольотній балці, завантаженій зовнішнім навантаженням і опорними моментами по кінцях.

Для рамно-зв’язкових систем колони сприймають тільки вертикальні навантаження, тому розрахункові схеми для таких будинків трохи спрощуються і можуть бути представлені у вигляді з'єднаних гнучкими зв'язками рамної системи з вертикальними діафрагмами жорсткості (рис.7.7). Роль стержнів – зв'язків між багатоповерховою рамою і вертикальною діафрагмою виконують міжповерхові перекриття.

Рис.7.7 – Розрахункова схема рамно- зв’язкової системи з діафрагмами жорсткості

Горизонтальні навантаження в рамних системах сприймаються всією рамою. Розподілене горизонтальне навантаження (в основному вітрове) заміняють зосередженими силами, прикладеними у вузлах рами.

Ярусні поперечні сили рами визначають у рівні кожного поверху:

Ці поперечні сили розподіляються між окремими стояками пропорційно їхнім жорсткостям і прикладені вони в нульових точках стояків (найчастіше посередині):

,

(7.3)

тут B – жорсткість одного стояка; m – число стояків у ярусі.

Для рамно-зв’язкової системи зусилля M і Q в діафрагмі можуть бути визначені з вирішення диференціального рівняння при горизонтальному навантаженні p(х):

,

(7.4)

де ; ; ;

B – жорсткість усіх стояків; B₀ – загальна жорсткість усіх діафрагм і стояків; S – погонна жорсткість стояків; r – погонна жорсткість ригелів.

Значення М и Q знаходять з рівнянь

;	(7.5)
.	(7.6)

У цих рівняннях (7.5) і (7.6) прийняті такі позначення:

; – безрозмірна координата;

; x – поточне значення висоти будинки, де визначаються зусилля

.

(7.7)

У безкаркасній будівлі несучими елементами є поздовжні або поперечні стіни. Якщо несучими елементами є поздовжні стіни, то вертикальна стіна в межах між віконними прорізами представляється у вигляді нерозрізної багатопрольотної балки, що спирається на міжповерхові залізобетонні перекриття, які найчастіше приймаються нерухомими опорами. У межах кожного поверху допускається розглядати самостійно окремий стояк, завантажений вертикальним навантаженням від вищележачих поверхів і зосередженим моментом від перекриття над цим поверхом (рис.7.8).

При врахуванні горизонтального навантаження в межах кожного поверху прикладається рівномірно розподілене навантаження і стояк розглядається як однопрольотна балка. Епюра моментів відповідає завантаженню рівномірно розподіленим навантаженням, інтенсивність якого з висотою будинку збільшується.

Якщо несучими елементами будуть поперечні стіни, тоді їхня розрахункова схема відповідатиме умовно центрально завантаженому стержню з розрахунковою довжиною, яка дорівнює висоті поверху. Зовнішні стіни розраховують як самонесучі елементи.

У пластинчастих системах, прикладом яких можуть бути багатоповерхові монолітні залізобетонні будинки, а також панельні будинки зі збірних залізобетонних елементів, у розрахункових схемах повинна бути при-

а	б	в
Рис.7.8 – Конструктивна (а) і розрахункова схеми (б, в) безкаркасної будівлі с цегельними стінами

сутня просторова модель всієї будівлі або хоч частина цієї будівлі, тому що розчленування такої будівлі на плоскі елементи дає неточні результати статичного розрахунку. Розрахункова модель пластинчастого елемента базується на використанні методу скінченних елементів при визначенні всіх силових і деформативних параметрів розглянутої будівлі. На рис.7.9 показаний приклад поділу площинних елементів будинку (стін і перекриття) на прямокутні елементи з розміром елемента 0,5х0,5 м. Чим дрібніша буде сітка, тим точніше буде результат розрахунку, однак дуже велика кількість скінченних елементів призводить до значного обсягу канонічних рівнянь і значного часу для здійснення розрахункового процесу і аналізу отриманих результатів.

Рис.7.9 – Розрахункова модель окремого блоку пластинчастої будівлі з поділом його на скінченні елементи, розмір елемента 0,5х0,5 м. Умовно показаний поділ тільки двох панелей (вертикальної і горизонтальної)

Навантаження прикладається у вузлах прямокутних елементів, при цьому навантаження може враховуватися окремо від власної ваги і від тимчасового завантаження. Сполучення у вузлах також можуть прийматися диференційовано, тобто або з обмеженням переміщень і поворотів, або з можливістю поворотів. Існуючі стандартні програми для розрахунку подібних систем дозволяють використовувати персональні комп'ютери та інші обчислювальні комплекси для визначення внутрішніх зусиль (M, N, Q) і переміщень для всього будинку. Основними програмними комплексами є „Ліра”, “SCAD”, „MIRAG”, „МОНОМАХ”, „ROBOT” та ін.

Цей спосіб представлення розрахункової схеми будівлі є найбільш прогресивним, тому що він враховує не тільки різні конфігурації будинку, наявність прорізів у перекриттях і стінах, але й дозволяє врахувати просторову роботу будівлі, а це істотно знижує зосереджені навантаження в нижніх поверхах будинку і згинальні моменти від горизонтальних (вітрових) навантажень.

У сучасних і перспективних методах розрахунку передбачається поєднання графічних програмних комплексів типу “AVTOКAD” з розрахунковими комплексами, тобто достатньо буде накреслити якусь будівлю з її конструктивними та архітектурними особливостями, потім дати команду „розрахунок”, і програмний комплекс видасть армування та конструювання основних несучих елементів з їх графічним зображенням.

Ще один приклад розрахункових схем будівель розглянемо на прикладі рами одноповерхової промбудівлі. Як розрахункова схема тут застосовується одноповерхова n-прольотна рама із шарнірним з'єднанням стояків та ригелів і жорстким защемленням стояків у фундаментах. Така рама може розраховуватися будь-яким відомим з будівельної механіки методом: методом сил, методом переміщень, змішаним методом (рис.7.10) або за допомогою програмних розрахункових комплексів.

Найбільш прийнятним методом розрахунку для таких рам є метод переміщень, який полягає в тому, що в рівні верхнього ригеля впроваджується додатковий горизонтальний зв'язок а.

Рис.7.10 – Розрахункова схема одноповерхової двопрольотної промислової будівлі

Канонічне рівняння для такої рами можна записати в наступному вигляді:

.

(7.8)

де С_dim – коефіцієнт, що враховує просторову роботу будівлі;

r₁₁ – одинична реакція у зв'язку а від одиничного зсуву Δ = 1;

R_ip – сумарна реакція у зв'язку а від зовнішнього вантажного впливу.

Просторовий коефіцієнт С_dim враховується тільки для кранового навантаження і тільки для одно- та двопрольотних будівель. Для інших навантажень С_dim = 1. Дані розрахункові схеми завантажуються чотирма видами навантажень: постійного від власної ваги всіх елементів, тимчасового: снігове, кранове і вітрове. Комбінуючи отримані зусилля M, N, Q від кожного виду завантаження в невигідному їхньому сполученні, одержують розрахункові зусилля для розрахунку колон і фундаментів. Значення опорних реакцій у зв'язку а від різних видів завантажень наведені в Додатку V.

Ригель в одноповерховій промбудівлі (балка, ферма, арка, крупнорозмірні елементи покриття типу КЖС чи малоуклонні плити) розраховують незалежно від розрахункової схеми всієї рами. Взаємний вплив ригеля і стояків на перерозподіл зусиль у рамній системі одноповерхової промбудівлі в існуючих методах розрахунку не відтворюється, хоча цей вплив і має деяке значення.

Жорсткість поперечної рами забезпечується тільки за рахунок защемлення колон у фундаментах і наявності жорсткого диска покриття. Чим більше прольотів у будівлі, тим жорсткіша поперечна рама, тому для трипрольотних рам з більшою кількістю прольотів у рівнянні (7.8) значення D = 0, і зміщення горизонтального зв'язку в розрахунках не враховується.

Таким чином, були розглянуті кілька прикладів можливих розрахункових схем цивільних і промислових будівель. Але вони не вичерпують значне розмаїття таких схем. У ряді конструктивних рішень будівель необхідно використовувати нестандартні, оригінальні розрахункові схеми, що можуть відбити і специфіку проектованого будинку, і його просторову роботу, і взаємний вплив одних конструктивних елементів на інші, і особливості деформування ґрунтових підвалин або температурні впливи і ін.

Контрольні запитання для самоперевірки

1. Які існують типи рамних каркасів промислових і цивільних будівель?

2. Як забезпечується просторова жорсткість будівель, виконаних із застосуванням рамних систем?

3. Охарактеризуйте спрощені способи розрахунку багатоповерхових рам на вертикальні навантаження.

4. Охарактеризуйте спрощені способи розрахунку багатоповерхових рам на горизонтальні навантаження.

5. Як виконують конструктивну схему поперечної рами одноповерхової промбудівлі?

6. Послідовність розрахунку поперечної рами в одноповерховій промбудівлі.

7. Яку приймають конструктивну і розрахункову схему для стін безкаркасних цегельних будівель?

Р О З Д І Л 8
ФУНДАМЕНТИ ПІД БУДИНКИ І СПОРУДИ

Фундаменти є одним з найголовніших елементів будинку. Наскільки вдало і технічно грамотно запроектовані фундаменти, настільки забезпечується надійність і довговічність експлуатації всієї будівлі або споруди. Найчастіше фундаменти проектують залізобетонними в монолітному чи збірному варіантах. Поряд з цим існують фундаменти цегельні, кам'яні, дерев'яні і навіть металеві.

До різновидів залізобетонних фундаментів слід віднести стрічкові, окремо стоячі стовпчасті, пальові, плитні й фундаменти типу оболонок (рис.8.1).

а	б	в	г	д
Рис.8.1 – Основні типи залізобетонних фундаментів: а – стрічкові; б – окремо стоячі стовпчасті; в – пальові; г – плитні; д – фундаменти-оболонки

Монолітні окремо стоячі стовпчасті фундаменти влаштовують під збірні й монолітні каркаси будівель та споруд. Типові конструкції монолітних фундаментів, що з’єднуються зі збірними колонами, розроблені в типових серіях 1.412–1 і 1.412–2, підошви цих фундаментів приймають від 1,5х1,5 до 5,4х6 м, дільно 300 мм, висота фундаментів 1,5; 1,8; 2,4; 3; 3,6; 4,2 м.

Типи монолітних фундаментів, що сполучаються з монолітними колонами, які найчастіше застосовуються в практиці будівництва, наведені на рис.8.2.

а б в

Рис.8.2 – Монолітні стовпчасті фундаменти: а – одноступінчатий; б – двоступінчатий; в – пірамідальний

За формою виготовлення вони бувають східчастими й пірамідальними. Загальна висота плитної частини фундаменту приймається такою, щоб не було потрібно її армування хомутами і відгинами. Тиск від колон у фундаменті передається під кутом 45°. Цим керуються при призначенні розмірів верхніх ступенів фундаментів, щоб лінія тиску проходила обов'язково в тілі фундаменту.

Монолітні й збірні фундаменти армуються у нижній плиті плоскими зварними або в’язаними сітками (за результатами розрахунку кількість сіток може бути одна, дві і більше). При розмірах сторони підошви фундаменту більше 3 м з метою економії сталі можна застосовувати нестандартні зварені сітки, в яких половину стержнів не доводять до кінця на 1/10 загальної довжини фундаменту.

Для з'єднання з монолітною колоною з фундаменту випускають арматуру площею перерізу, рівної розрахунковому перерізу арматури колони у верхньому обрізі фундаменту. По бокових гранях фундаменту випуски з'єднують у каркас хомутами і встановлюють на бетонні чи цегельні підкладки або приварюють до сітки нижньої плити. Стики арматурних випусків фундаменту з арматурою колон роблять вище рівня майбутньої підлоги першого поверху.

Збірні залізобетонні фундаменти залежно від їхніх розмірів можуть бути суцільними або складеними. Розміри цільних фундаментів у плані коливаються від 1500 до 2100 мм, висота – від 600 до 900 мм (рис.8.3). Розміри фундаментів у всіх напрямках прагнуть робити дільними 300 мм. В окремих випадках ці розміри можуть бути кратними 100 мм. Фундаменти виконують з важких бетонів класів В10-В25, встановлюють їх на піщано-гравійну чи бетонну підставу товщиною 80-100 мм. Мінімальна товщина захисного шару бетону нижньої сітки для збірних фундаментів при наявності підстави складає 30, без підстави – 70 мм.

Рис.8.3 – Збірні цільні залізобетонні фундаменти: а – фундамент з похилими ступенями; б – фундамент з прямокутними ступенями

Збірні колони встановлюють у спеціальні заглиблення (стакани) фундаментів. Глибину закладання h_ст приймають рівною 1÷1,5 більшого розміру поперечного перерізу колон (рис.8.3, б). Товщина нижньої плити стакана має бути не менше 200 мм. Зазори між колоною та стінками стакану повинні бути: знизу – не менше 50 мм, зверху – не менше 75 мм. При монтажі колону встановлюють за допомогою підкладок, клинів, кондукторів і обов’язково рихтують, тобто встановлюють точно по осях і висоті, потім зазори заповнюють бетоном класу на ступінь більший, ніж клас бетону фундаменту, із застосуванням дрібного заповнювача.

Збірні фундаменти великих розмірів виконують складеними з декількох монтажних блоків. При цьому стакан з однією плитою завжди виконують суцільним, а покладені під нього плити виготовляють складеними з декількох елементів. На такі фундаменти витрачається більше матеріалів, вони менш економічні. При значних моментах і горизонтальних розпорах елементи складених фундаментів необхідно з'єднувати арматурними випусками, петлевими захватками, закладними деталями і т. п., що істотно ускладнює і здорожчує процес влаштування фундаментів. У цьому разі більш ефективно застосовувати монолітні фундаменти.