Конструктивные и расчетные схемы зданий и сооружений.

Все здания и сооружения на железнодорожном транспорте -вокзал, локомотивные и вагонные депо, заводы по ремонту подвижного состав; мосты, телевизионные башни, высотные здания и т. .д.) состоят из отдельных частей - конструктивных элементов. Взаимное расположение и характер работы несущих элементов здания, связь их между собой определяют его консруктивную схему.

Конструктивная схема - это взаимосвязанные системы несущих конструкций (вертикальных, горизонтальных, наклонных, пространсвенных) здания и сооружения, воспринимающих постоянные и временные нагрузки, воздействия окружающей среды (температурные, влажностные и др.) и передающих их на грунтовое основание. Несущие конструкции, образующие конструктивную схему сооружения, должны обеспечивать прочность, устойчивость и необходимую жесткость в течение всего срока службы здания сооружения.

Конструктивная схема позволяет выявит игру сил, поэтапную передачу нагрузки с одного элемента здания на другой. В конструктивной схеме поперечной рамы одноэтажного производственного здания поэтапная передача нагрузки осуществляется по двум цепочкам-траекториям (рис. 8.1).

Рис 8.1 Конструктивная (а) и расчетная (б) схема поперечной рамы: 1 - фундамент (Ф); 2 - колонна (К); 3 - ригель; 4 - плиты перекрытия (П); 5 - мостовой ран; 6 -подкрановая балка; 7 - консоль колоны (K1) 8 - продольные связи между колонами; 9 - основание (О);

1) П->Р->К->Ф->0

2) Q->ПБ->К1->К->Ф->О

Для обеспечения устойчивости поперечных рам в продольном направлении устанавливают продольные связи. Основные конструктивные схемы здания из железобетона следующие

• Каркасная (колонны, ригеля, плиты перекрытия)

• Бескаркасная (стеновая) с поперечными и продольными несущими стенами

• Из объемных блоков

• Стволовая (несущий ствол-остов в середине здания на всю высоту)

• Комбинированная ( комбинация различных конструктивных стен)

Расчетная схема устанавливается на основе конструктивной схемы сооружения. Расчетная схема - это упрощенное изображение конструкции с действующими нагрузками, принимаемыми для выполнения расчетов. По существу расчетная схема - это геометрическая схема конструкций с учетом соединений между элементами действующими нагрузками.

В расчетной схеме стержни условно заменяются их центральными линиями - осями, пластиы - их срединными поверхностями, реальные опорные поверхности заменяются идеальными опорными связями, нагрузки на поверхности на оси или срединные поверхности.

В расчетной схеме, определяющей усилия в элементах важную роль играют узлы, соединения элементов в узлах, характер опирания конструкции на опоры и основания. Соединения элементов могут быть:

· жесткие, не допускающие взаимного перемещения элементов.

· свободные, или шарнирные, позволяющие взаимное перемещение между собой

· упругоподатливые соединения, допускающие взаимные перемещения, но с возникновением реакций в соединениях.

При выборе расчетной схемы возможны определенные допущения, предпосылки, идеализации. Например, стержневое металлическое структурное покрытие заменяется на сплошную непрерывную плиту с условными характеритиками материалов и расчетной выстой. От расчета пространственных систем, переходят к расчету плоских рам. Учитывая неопределенность отпора грунта, ленточный фундамент рассматривается как балка с распределенной нагрузкой. Расчетная схема, если она сложна для расчета, подвергается дальнейшему упрощению исключением некоторых устройств, играющих второстепенную роль в сооружении и не снижающих его надежности в эксплутации.

Подготовка расчетной схемы включает в себя:

· схематическое представление конструктивного решения, анализ конструктивных элементов ( стержни, пластины), установление перечня нагрузок, действующих на сооружение;

· принятие решения о характере закрепления узлов, отпирания и соединения элементов в узлах (жесткое, шарнирное, упругоподатливое);

· прослеживание траектории восприятия внешних нагрузок конструктивными элементами и передача усилий содного элемента на другой или на основание;

· проверка выбранной расчётной схемы на геометрическую изменяемость. При её обнаружении необходимо вернуться к анализу соединений в узлах и опорах. В некоторых случаях усилия в элементах конструкции зависят от деформации. Так, в поперечных сечениях ствола Останкинской телебашни при отсутствии крена фундамента изгибающие моменты не возникают. Однако при действии ветровой нагрузки и одностороннем нагреве солнечной радиацией поверхности ствола развиваются горизонтальные деформации, как следствие возникают эксцентриситеты и дополнительные изгибающие моменты в поперечных сечениях от вертикальных нагрузок. Расчёт таких сооружений ведут по деформируемой расчётной схеме, согласно которому внутренние усилия определяют в зависимости от деформации конструкции.

9. Примеры составления расчётных схем.

Расчётные схемы конструкции могут изменяться в процессе строительства и эксплуатации. Например, сборная многопролётная железобетонная балка при монтаже разрезная, а после омоноличивания стыков под временной нагрузкой работает как неразрезная (рис.9.1).

Рис.9.1 Расчетные схемы мно­гопролетной балки:

а — при монтаже, 6 — в эксплуатации.

Величина нагрузки может также влиять на расчётную схему. Железобетонная ферма (рис. 9.2) в эксплуатационной стадии рассматривается с жёстким соединением в узлах.

Однако в растянутых элементах с увеличением нагрузки появляются поперечные трещины, эти элементы воспринимают только продольные усилия, и ферма работает как система с шарнирными узлами, что учитывается в расчетах на прочность.

Конструктивная схема Останкинской радиотелевизионной башни представлена на рис.9.3.

Рис. 9.2 Расчетные схемы железобетонной фермы: а — сегментная ферма с ломаным верхним поясом; б—расчетная схема фермы в стадии эксплуатации (жесткое соединение в узлах); в — расчетная схема фермы в предельном состоянии (шарнирное соединение в узлах).

Основные элементы конструктивной схемы:

Фундамент - железобетонный, монолитный предварительно напряжённый в виде десятиугольной кольцевой плиты высотой h=3 м, шириной b=9.5 м. Кольцевая напрягаемая арматура состоит из 108 пучков, каждый из которых включает 24 проволоки класса В-1400.

Наклонные ноги. 10 наклонных ног башни жёстко соединены с фундаментом. На отметке 16 м железобетонные ноги объединены в одно целое мощным железобетонным перекрытием и переходят в опорную базу.

Опорная база - конической формы , на отметке 65 м сопрягается со стволом.

Оболочка ствола имеет коническую форму до отметки 321 м, выше которой ствол принимает цилиндрическую форму. Толщина стенки ствола переменная (400-500 мм). Защитный слой бетона а_з=60 мм с целью защиты арматуры класса А400, расположенной внутри стенок ствола, от коррозии и огневого воздействия.

Рис.9.3. Схема Останкинской телебашни.

1 – металлоконструкция (антенна);

2 – железобетонный ствол (коническая оболочка);

3 – опорная база;

4 – наклонные ноги;

5 – фундамент.

Толщина защитного слоя a_з=60мм.

Н = 540 м; Н_жб = 385 м.

Армирование ствола выполнено ненапрягаемой и напрягаемой арматурой. Ненапрягаемая арматура класса

А400 расположена внутри стенок ствола. Особенностью конструктивного решения ствола башни заключается в том , что напрягаемая арматура расположена вне толщины стенок (не обетонирована). Класс арматуры В1400.

Условия эксплуатации. Нижняя граница облаков расположена на отметке 150 м, влажность воздуха w = 80-90 % и более. В течении года бетон испытывает 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Прочность бетона на сжатие в возрасте 5 лет превышала проектную на 50 %.

Пожар на Останкинской телебашне возник 27.08.2000г. В результате замыкания электрической сети на отметке 430 м воспламенилась изоляция из полихлорвинила. В верхней части ствола температура t = 350-400 С, на отметках 200-300 метров поднималась до t = 400-500C. На этих высотах происходило отслоение защитного бетона на глубину Δb = 30-40 мм.

Часть канатов, в результате нагрева, находилась в состоянии свободного провисания: они полностью потеряли предварительное напряжение, снизилась прочность на растяжение на 47-75%, и они не могут обеспечить проектное обжатие бетона ствола башни.

На основании обследования состояния железобетонного ствола после пожара и теоретического анализа влияния огневого воздействия на железобетонную конструкцию установлено следующее:

1) прочность и устойчивость железобетонного ствола после пожара не ниже проектного;

2) жесткость железобетонного ствола значительно снижена и в нем возможно образование и развитие горизонтальных трещин при значительной ветровой нагрузке.В настоящее время на железобетонном стволе башни смонтированы и натянуты 146 высокопрочных канатов, обеспечивающих проектное усилие обжатия бетона.

Расчет конструкции башни выполняется на воздействие нагрузки в стадии возведения и эксплуатации.

При расчете учитываются постоянные и временные нагрузки.

Радиотелевизионная башня преимущественно работает на восприятие горизонтальных ветровых нагрузок. При определении усилий в сечениях ствола башни она рассматривается как консольный стержень, заделанный в фундамент.

Расчёт выполняется по деформированной схеме (рис.9.4) с учётом влияния горизонтальных смещений ствола на величину внутренних усилий при воздействии:

1) горизонтальных нагрузок

2) вертикальных нагрузок

3) одностороннего температурного нагрева поверхности ствола солнечной радиацией

4) возможного крена ствола, значение которого принимается не более .

Изгибающие моменты, возникающие в поперечном сечении ствола башни:

М = Мг + Мв (9.1)

Mr – изгибающий момент от горизонтальной (ветровой) нагрузки

Мв – изгибающий момент в сечении на расстоянии Z_k от верха фундамента от всех сил Pi, расположенных выше сечения К,

P_i – все вертикальные силы, расположенные выше рассматриваемого сечения (Z_i>Z_k).

f_i и f_k – суммарные отклонения оси ствола от вертикального положения:

f_i = f_i1 + f_i2 + f_i3 (9.3)

f_i1 = (Z_i + h_ф) tgθ - горизонтальные отклонения, обусловленные креном фундамента.

f_i2 – горизонтальные перемещения оси ствола от внешних воздействий (ветровой нагрузки) при условии, что материал башни работает в упругой стадии.

f_i3 – горизонтальные перемещения оси ствола башни от одностороннего нагрева солнечной радиации.

Рис.9.4 Расчётная схема Останкинской телебашни.

а – горизонтальная ветровая нагрузка;

б – вертикальная нагрузка;

в – деформации оси ствола башни.

Устойчивость положения башни проверяется на опрокидывание относительно оси, перпендикулярной плоскости действия опрокидывающего момента. Ось проходит через точку А, перпендикулярно плоскости чертежа.

Необходимо выполнить условие:

М_опр = R_w (h_w + h_ф)

М_уд – удерживающий момент;

М_опр – опрокидывающий момент;

R_w – равнодействующая ветровой нагрузки.

10. Расчетные модели.

Расчётная модель - это геометрическая схема конструкции с действующими нагрузками и данными, характеризующими физико-механические свойства материала. Добавляются предпосылки о виде диаграммы « напряжения-деформации» ( рис. 10.1), распределение напряжений или внутренних усилий в элементе конструкции в эксплуатационной стадии или в момент разрушения (рис. 10.2).

Рис. 10.1. Диаграммы «напряжения — относительные деформации»: 1—для стали с ярко выраженной площадкой текучести; 2 — для бетона; 3 — для высокопрочной проволоки; σн, R_b — предел прочности; σу— предел текучести.

Рис. 10.2. Распределение напряжения по высоте сечения в изгибаемом элементе; а — при упругой работе материала; б— при образовании пластического шарни­ра; в— в предельном состоянии железо­бетонной балки; х — высота сжатой зоны; А_s — площадь сечения арматуры.

11. Цели и задачи расчёта несущих конструкций.

Цель расчёта при проектировании - создание конструктивных оптимальных решений с соблюдением определённых гарантий против появления в сооружении неблагоприятных состояний. В процессе службы несущих конструкций в пределах установленного срока должна быть обеспечена их надёжность в работе и заданная долговечность от воздействия нагрузок и окружающей среды. Поставленная цель должна быть достигнута при минимальном расходе материалов, обеспечении высоких эксплуатационных качеств здания или сооружения с наименьшими трудовыми и энергетическими затратами.

Расчёт строительных конструкции состоит их трёх основных этапов (рис.11.1).

На первом этапе методами строительной механики определяются внутренние усилия во всех элементах конструкций здания или сооружения. Однако для определения усилий в статически неопределимых системах необходимо знать сечения элементов и характер соединения их между собой.

На втором этапе определяют необходимые размеры сечений элементов. Размеры поперечных сечений устанавливают на основе характера распределений напряжений по высоте сечений с учётом их связи с относительными деформациями (диаграмма

σ-ε), предельно допустимых значении сопротивлений конструкционных материалов. При этом применяются некоторые гипотезы, например, гипотеза плоских сечений.

На практике во многих случаях размеры поперечных сечений элементов назначают из опыта проектирования с учётом требований изготовления и монтажа конструкций. Впрочем, необходимо помнить, что изменение геометрических характеристик сечений элементов в статически неопределимых системах на 25-30 % влечёт за собой изменение внутренних усилий на 3-5%.

На третьем этапе необходимо сравнить усилия от нагрузок и воздействий F с несущей способностью Ф. На этом этапе устанавливают необходимые соотношения между внутренними усилиями и несущей способность, определяемой по геометрическим параметрам и механическим характеристикам конструкционных материалов.

На этом этапе расчёта в конструкции закладываются проектные гарантии надёжности и безопасности их работы в течении срока эксплуатации.

Расчёт и конструирование имеют экономическую направленность - создать конструкцию оптимальной стоимости с минимальными трудовыми, материальными и эксплуатационными затратами. Такая цель достигается благодаря наиболее выгодному использованию свойств материалов, применению рациональных конструктивных решений, наиболее полному использованию несущей способности конструкций.

Рис. 11.1 Этапы расчета строительных конструкций