Расчет и рациональное проектирование многоэтажных железобетонных зданий с оболочечными перекрытиями

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Расчет и рациональное проектирование многоэтажных железобетонных зданий с оболочечными перекрытиями

Данг Хань Ан

Санкт-Петербург 2010

Работа выполнена на кафедре Строительной механики ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Плетнев Валентин Иванович

(Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Веселов Анатолий Александрович

(Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет)

кандидат технических наук

Дмитровская Любовь Николаевна

(Петербургский государственный университет путей сообщения)

Ведущее предприятие: ЗАО “НИИ ПетербургКомплексПроект”

Защита состоится « 17 » июня 2010 года в 14 час 30 мин на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.03 ГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный архитекурно-строительный университет” по адресу: 190005 г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний.

Факс: (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке при ГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный архитекурно-строительный университет”

Автореферат разослан « ___» мая 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Л.Н. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение шага колонн в многоэтажных зданиях до 9 - 12 и более метров желательно в общественных , торговых и деловых центрах. В то же время пакет перекрытий большого пролета создает возможность прогрессирующего обрушения типа падения одного перекрытия и лавинообразного разрушения нижележащих перекрытий. Обе эти проблемы могут быть решены путем использования оболочек в качестве основной несущей конструкции междуэтажных перекрытий.

При этом необходима выравнивающая конструкция, на которую опирается плоскость пола. Выполненная в виде ребер оболочки, она может быть эффективно включена в работу каркаса на горизонтальную нагрузку.

Диссертационная работа посвящена решению расчетных и конструктивных проблем, связанных с внедрениям оболочечных перекрытий многоэтажных зданий.

Цель работы:

- обосновать достоинства оболочечного перекрытия многоэтажных зданий;

- найти формы оболочек наиболее рациональные по прочностным и функциональным критериям;

- определить рациональные типы выравнивающих конструкций, на которые опирается плоскость пола;

- оценить влияние таких перекрытий на горизонтальную жесткость каркаса здания; перекрытие здание ребристый платформа

- исследовать возможность использования ребристых оболочек в качестве связей-платформ между башнями зданий сложной макроструктуры(ЗСМ), определить рациональный способ сопряжения платформ с башнями ЗСМ;

- оценить возможность снижения кренов и усилий в ЗСМ от неравномерной осадки башен с помощью деформационных швов в связях-платформах;

- оценить сейсмостойкость ЗСМ с оболочечными платформами;

- оценить возможность снижения усилий в ЗСМ от сейсмической нагрузки с помощью деформационных швов в связях-платформах.

Научную новизну составляют и выносятся на защиту:

- результаты численных экспериментов над оболочками различного вида и с различными типами выравнивающих конструкций под действием вертикальных нагрузок;

- рациональная форма междуэтажного перекрытия в виде крестовой оболочки с контурными и диагональными выравнивающими ребрами;

- сравнение перекрытия в виде крестовой оболочки с плоским в виде кессонной плиты;

- результаты анализа горизонтальной жесткости зданий с оболочечными перекрытиям различной этажности;

- конструкция связей-платформ между башнями ЗСМ и способы их сопряжения с башнями;

- использование сдвиговых деформационных швов в платформах ЗСМ для снижения кренов и усилий от неравномерных осадок башен и снижения усилий от сейсмической нагрузки.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к использования в проектировании монолитных железо- бетонных зданий повышенной этажности в OOО “Ремарк” (Санкт-Петербург).

Достоверность результатов работы основывается на использовании строгих упругих КЭ-моделей конструкций и сооружений, а также сертифицированного ПК ING+.

Практическое значение работы состоит в расчетно-конструктивном обеспечении внедрения в строительную практику зданий с оболочечными междуэтажными перекрытиям и платформами.

Это позволяет значительно увеличить шаг колонн каркаса и высотность зданий с одновременными увеличением их надежности, безопасности и комфортности.

Апробация работы. Основные положения диссертационных исследований представлены и одобрены на 61-й, 62-й, 63-й международных научно-технических конференциях молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов (СПбГАСУ 2008 г., 2009 г., 2010 г.), на 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета(СПбГАСУ 2009 г.), на 23-й международной конференции математического моделирования в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов Санкт-Петербург, Россия 30 сентября 2009 года. На семинаре «Расчет и рациональное проектирование высотных зданий сложной макроструктуры(ЗСМ). Современные программные средства для расчета и проектирование высотных зданий», 10-11 марта 2010 года в СПбГАСУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 работы в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Общий объем работы 132 страниц, в том числе 77 рисунков, 56 таблиц и список литературы, включающий 124 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследований, приводятся основные положения диссертации, которые выносятся на защиту, обосновывается их научная новизна.

В первой главе диссертационной работы выполнен обзор литературы, посвященной проблемам исследования многоэтажных зданий.

Дана классификация многоэтажных зданий по этажности, по соотношению размеров в трех измерениях, по характеру расположения одномерных и плоских силовых элементов, по конструктивной схеме, по материалу, по технологии возведения.

Рассматриваются основные элементы конструкции, которые часто используются в многоэтажных зданиях. Плоские перекрытия (ребристые с балочными плитами; ребристые с плитами, опертыми по контуру; безбалочные; часторебристые перекрытия; перекрытие по фермам) и оболочечные перекрытия. Вертикальные несущие конструкции много- этажных зданий (колонны; стены и диафрагмы; тонкостенные колонны; ядра жесткости). Рассматриваются фундаменты многоэтажных зданий в зависимости от инженерно-геологических условий и экономики. Существуют 2 типа фундамента: открытый котлован (отдельные фундаменты; ленточные фундаменты под колонны; ленточные фундаменты под стены; сплошные фундаменты ) и закрытый котлован (свайный фундамент).

Наиболее распространен каркасно-стеновой тип несущих систем высотных зданий повышенной этажности (чисто-каркасные здания; каркасно-стеновые конструкции; стоечно-стеновые конструкции; перекрестно-стеновые конструкции; конструкции с тонкостенными колоннами).

Из приведенного обзора видно, что рассмотренные плоские перекрытия достигают пролетов только 9м, перекрытие по фермам применимо лишь с построением технического этажа. Оболочечное перекрытие обладает многими достоинствами: увеличение пролета до12 и более метров, увеличение прочности и надежности здания, активная работа при горизонтальных нагрузках в составе каркаса.

Во второй главе излагаются результаты исследования трех вариантов оболочек ( крестовая, сферическая и трансляционная) с различными подкрепляющими (и одновременно выравнивающими верхнюю поверхность перекрытия) конструкциями. Рассмотрены следующие варианты: 1.Чистая оболочка;2.Оболочка с контурными фермами; 3.Оболочка с контурными и диагональными фермами; 4.Оболочка с контурными , центральными и диагональными фермами; 5.Оболочка с контурными фермами и центральными ребрами сплошного сечения; 6.Оболочка с контурными фермами и сплошными диагональными ребрами; 7.Оболочка с контурными фермами и сплошными центральными и диагональными ребрами; 8.Оболочка со сплошными ребрами по контуру; 9.Оболочка со сплошными центральными и контурными ребрами; 10.Оболочка со сплошными контурными и диагональными ребрами; 11. Оболочка со сплошными контурными, диагональными и центральными ребрами.

Рассматривается наиболее неблагоприятный случай угловой оболочки, не взаимодействующий по бокам с другими оболочками. Работа же в составе многоэтажного каркаса учитывается введением в расчетную схему выше и ниже оболочки четырех колонн длиною hэт/2 с шарнирно неподвижными опорами по концам. (рис. 2)

Расчет производится с помощью ПК ING+ , реализующий метод конечных элементов.Скорлупа оболочки и ребра моделируется с использованием плоских оболочечных элементов, составляемых из элементов „балка-стенка” и „плита”(первый имеет в каждом узле 3 степени свободы - две поступательных и одна вращательная, элемент „плита”-2 вращательных и одна поступательная):

[ r ] = [ r(a) ]+ [ r(b) ] (1)

(18x18) (9x9) (9x9)

Рис. 1. Элемент

КЭ модель приведена на рис.2:

Рис. 2. КЭ-модель

Глобальная система имеет вид:

[K].{Z}={P} (2)

где [K]-матрица жесткости размера[1200x1200], {Z}- матрица перемещений размера[1200x1],{P}- матрица узловых нагрузок размера[1200x1].

Рассматривались крестовые оболочки пролетом 12м при двух значениях стрелы подъема: f=1м (R=18.5м) и f=1.5м (R=12.75м). Затем сферические оболочки и оболочки переноса того же пролета и радиусом 18.5м. Нагрузки : постоянная q=5.54 Кн/м2 и временная p=10.40 Кн/м2.

Результат исследования приведены в таблицах 1,2.

Таблица 1: Перемещения Uz(мм)

	Крестовые оболочки R=18,5м	Крестовые Оболочки R=12,75м	Сферические оболочки R=18,5м	Трансляционные оболочки R=18,5м
1	-44.63	-27.05	-18.9	-20.7
2	-41.03	-25.2	-8.19	-9.85
3	-24.72	-18.06	-8.54	-8.53
4	-27.54	-16.07	-8.46	-8.45
5	-25.39	-16.85	-8.47	-10.1
6	-14.42	-9.3	-6.62	-8.32
7	-14.14	-9.28	-6.99	-8.69
8	-35.31	-20.37	-4.42	-5.31
9	-21.59	-13.82	-4.57	-5.41
10	-12.97	-8.37	-4.20	-4.96
11	-12.5	-8.32	-4.33	-5.01

Рис. 3. График сравнения перемещения Uz различных оболочечных вариантов

Таблица 2 : Напряжение в оболочках, вариант подкрепления 11 (кН/м2)

	Крестовые оболочки R=18.5м	Крестовые Оболочки R=12.75м	Сферические оболочки R=18.5м	Трансляционные Оболочки R=18.5м
Sr(-)	-5798.5	-3703.4	-2051.2	-2119.9
Sr(+)	+1132.2	+679.0	+3760.8	+4623.1
Ss(-)	-8447.6	-5622.8	-7320.9	-7531.1
Ss(+)	+3340.0	+2257.8	+380.5	+477.8

Sr - широтное напряжение, Ss - меридианальное напряжение.

Для большой наглядности перемещения представлены в виде диаграмм (рис. 3)

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы :

- Уменьшение стрелы подъема конечно ухудшает НДС крестовой оболочки, но не слишком и ввиду архитектурных преимуществ может быть принята к реализации оболочка f=1.0м.

- Из рис. 3 видно что по жесткости оболочки располагаются так: сферическая оболочка, трансляционная оболочка, крестовая оболочка.

- Для чистой оболочки характерен большой прогиб и большие усилия в колоннах вследствие большого распора.

- Контурные фермы повышает жесткость оболочки, но не уменьшают усилия в оболочках.

- Контурные конструкция в виде ребер сплошного сечения воспринимают распор и уменьшается усилия в оболочках лучше чем контурные фермы.

- В сферических и трансляционных оболочках растягивающие усилия Sr много больше чем в крестовых оболочках, но сжимающие усилия Sr меньше чем в крестовых оболочках.

- Вариант 11 самый лучший из всех вариантов выравнивающих конструкцией.

В целом же видно, что наиболее эффективная в архитектурном отношении крестовая оболочка не на много уступает по прочностным качествам сферической и трансляционной.

Сравнивается работа этой оболочки с кессонным перекрытием(рис.4) с пролетом 12м. Сравнивается НДС каждого перекрытия и расход материалов.Нагрузки оболочечного перекрытия : постоянная q=5.54 Кн/м2 и временная p=4.80 Кн/м2. Нагрузки кессонного перекрытия : постоянная q=2.66 Кн/м2 и временная p=4.80 Кн/м2.

Конструкция кессонного перекрытия (рис.4)



Рис. 4. План кессонного перекрытия, разрез А-А

Конструкция крестового оболочечного перекрытия (рис.5)

Рис. 5. План оболочечного перекрытия, разрез А-А

Таблица 3 : Сравнение напряжений в двух перекрытиях (кН/м2)

	Крестовое оболочечное перекрытие	Кессонное перекрытие
Sr(кН/м2)	-3638.8/+473.8	-7038.7/+12391.8
Ss(кН/ м2)	-5456.5/+1345.3	-7038.7/+12391.8
Srs(кН/ м2)	-2252.2/+2251.9	-4359.5/+4359.5

Таблица 4 : Сравнение жесткости и расхода материалов в двух перекрытиях

Вариант перекрытия	Крестовое оболочечное перекрытие	Кессонное перекрытие
Вертикальный прогиб Uz (мм)	8.37	39.3
Объем бетона каждого перекрытия(м3) V(м3)	30.83	38.94
Расход арматуры в скорлупе(кг)	1370	2130
Расход арматуры в ребрах(кг)	1440	3960
Суммарный расход арматуры (кг) (скорлупа+ребро)	2810	6090

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Жесткость оболочечного перекрытия в 5 раз больше чем жесткость кессонного перекрытия.

Объем бетона оболочечного перекрытия незначительно меньше чем объем бетона кессонного перекрытия. По расходу же арматуры оболочечное перекрытие значительно эффективнее. Можно ожидать значительное превосходство его и по несущей способности.

Следует отметить , что кессонное перекрытие несколько превосходит оболочечное по проценту полезного использования объема здания (Vпол./Vгеом.)*100%. В первом случае он равен 87.5%, во втором - 79.2% .

В третьей главе рассмотрена крестовая оболочка со сплошными контурными , диагональными и центральными ребрами, применёная в одной новой форме многоэтажного здания с оболочечными перекрытиями (рис.6) и исследована его горизонтальная жесткость . Место строительства: Санкт-Петербург , климатический район: по весу снегового покрова (III) , по ветровому давлению (II).

Рис. 6. План и разрез A-A здания

Конструкция колонн : 1-ый вид . (4 колонны находятся в глубине здания ) ; 2-ой вид . (8 колонн находятся на краю здания ); 3-ий вид . (4 колонны находятся на углу здания ) (рис.7). По нормам максимальное горизонтальное смещение верха здания (Uy) должно быть меньше 1/500 высоты здания (H).

Рис. 7. Конструкция колонн

Определение собственных частот и форм собственных колебаний.Данный этап является наиболее трудоемкой частью расчёта. Матрицы частот щ и форм собственных колебаний Ш определяются из обобщенной проблемы собственных значений:

(К- щ 2М). Ш= 0; (3)

det(К- щ 2М)=0.

где К - матрица жесткости, М - матрица масс

Критерием точности вычисления коэффициентов форм собственных колебаний является удовлетворение их условиям ортогональности, имеющим вид:

Шi.К. Шj = 0;(i?j); (4)

Шi.M. Шj = 0;(i?j).

Периоды рассматриваемых зданий находятся в промежутке T=4 ч 10с.

Рис. 8. Расчетная схема

Таблица 5 : Перемещения верха здания от ветровой нагрузки Uy(мм) и

ускорение верха здания при ветровой пульсации апуль (м/с2)

Варианты зданий	Uy(мм)	апуль (м/с2)
1(Н=75м; 10 эт.)	61	0.041
2 (H=112.5м; 15 эт.)	184	0.077
3(H=150.0м; 20 эт.)	177	0.035
4(H=187.5м; 25 эт.)	362	0.076
5(H=225м; 30 эт.)	409	0.076
6(H=262.5м; 35 эт.)	651	0.09

Результаты вычислений показывают, что до 15 этажей - проходит чисто рамный каркас, до 25 этажей - с центральным ядром, до 30 этажей - с центральным ядром и с диафрагмами по внешнему контуру здания, до 35 этажей - здание не проходит по жесткости даже с раскосами по внешнему контуру здания.

В четвертой главе рассматривается возможность использования ребристых оболочек в качестве связей-платформ между башнями зданий сложной макроструктуры(ЗСМ). Выполнены расчеты двухбашенного ЗСМ на вертикальные и ветровые нагрузки. Конструкция башни: толщина стены 200мм, толщина перекрытия 160мм.

Сравниваются 2 варианта здания:

а) ЗСМ с двумя башнями, которые соединяются друг с другом коробчатой системой с ребрами переменной высоты с верхней пластиной и нижней обшивкой в виде цилиндрической оболочки.(толщина ребер - 200мм, толщина пластины - 160мм, толщина цилиндрической оболочки - 160мм).

б) Только одна башня.

Рис. 9. План здания

Рис. 10. Конструкция платформы и расположение связи-платформы.

Таблица 6 : Сравнение деформации и усилия в ЗСМ и отдельной башне

	Деформация	Усилия в башнях	Усилия в связи - платформы
Варианты	Uу(мм)	Ux(мм)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
ЗСМ	35.0	12.2	-3360.72/ 4696.35	-12298.1/ 1016.4	-3804.25/ 3811.04	-4396.31/ 2880.4
Одна башня	35.0	56.36	-2544.07/ 21.75	-12169.3/ 24.97	-	-

Таблица 7 : Сравнение собственных колебаний двух схем конструкций

N формы	ЗСМ	Одна башня
1	2.51	3.31
2	2.49	2.28
3	1.34	0.58

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

ЗСМ по направлению пермычки имеет жесткость больше чем башня в 5 раз и уменьшает период колебания.

Усилия от вертикальной нагрузки в башнях и платформах ЗСМ вполне допустимы.

Большая жесткость может отрицательно сказатья при неравномерной осадке башен. Она может вызвать дополнительные усилия в патформе и крен ЗСМ. Проблему можно решить введением сдвигового деформационного шва в середине платформы. Он будет представлять собой штрабу, с арматурой, герметизированной эластичным материалом или бетоном низкой марки. Ширина штрабы lш зависит от ожидаемых сдвигов и от площади арматурных стержней в сечении. При большой lш штраба может заполняться чередующимися слоями резины и перфорированными металлическими пластинками.

Упругая жесткость вертикального сдвига такого деформационного шва определяется по формуле:

 , (5)

где - жесткость изгиба отдельного арматурного стержня. Она должна быть достаточно малой, чтобы давать эффект снижения усилий от неравномерной осадки башен.

lш - ширина штрабы.

Таблица 8: Упругая жесткость вертикального сдвига отдельного арматурного стержня с различными длинами арматуры.

	Z(Кн)
	L= 0.3м	L= 0.5м	L= 0.7м	L= 1.0м
Ф=12мм	485.0	100.0	36.5	12.5
Ф=16мм	1530.0	316.0	115.0	39.5
Ф=20мм	3742.0	770.0	281.6	96.5

Выполнен расчет ЗСМ при осадке одной башни Uz =0.1м, при разных длинах деформационного шва: 1.ЗСМ без деформационного шва; 2. ЗСМ с шириной деформационного шва lш =0.3м; 3. lш =0.5м; 4. lш =0.7м; 5. lш =1.0м.

Таблица 9: Сравнение усилия в связи-платформе ЗСМ и кренов при осадке одной башни Uz=0.1м

Усилия Варианты	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Uxвверх(мм)
ЗСМ без шва	-4539.4 /4514.9	-3046.0/3033.0	111.0
ЗСМ с деформационным швом при ширине швы lш =0,3м	-3691.6/3670.5	-2593.3 /2690.8	96.3
ЗСМ с деформационным швом при ширине швы lш =0,5м	-2344.8/2330.3	-2013.6 /2089.0	67.6
ЗСМ с деформационным швом при ширине швы lш =0,7м	-1328.7 /1331.6	-1303.2 /1341.2	42.1
ЗСМ с деформационным швом при ширине швыlш =1м	-623.6/603.7	-610.5 /633.3	18.7

Показана возможность снижения кренов и усилий в ЗСМ от неравномерной осадки башен с помощью деформационных швов в связях-платформах. При lш =0.7м усилия снижаются в 3.5 раза, а крен в 2.5 раз. При lш =1.0м усилия снижаются в 7.5 раза, а крен в 6 раз.

Далее сделаны расчеты четырехбашенных ЗСМ, которые соединяются друг с другом оболочечными связями-платформами

Рассмотрим расчеты на горизонтальную (ветровую) нагрузку и вертикальные нагрузки для двух вариантов а) , б) расположения платформ (рис.12) и в) Одна башня.

Конструкция оболочечного перекрытия (рис.11) . Пролет (размеры в плане) 2a x 2a(a=15.0м); Стрела подъема f (2.0метра, 1/15 пролета); Радиус кривизны оболочек R=57.25м

Рис. 11. План здания сложной макроструктуры с оболочечным связями-платформами и конструкция оболочечной связи-платформы

Таблица 10 : Сравнение деформации и усилия в ЗСМ двух схем конструкций

	Деформация	Усилия в ЗСМ	Усилия в оболочках
Варианты ЗСМ	Ux(мм)	Sr (кН/м2)	Ss кН/м2)	Sr (кН/м2)	Ss кН/м2)
ЗСМ с 9 платформами	118	-19769.3/ 22738.6	-29510.1/ 8009.2	-11871.3/ 5042.1	-12236.5/ 5030.5
ЗСМ с 4 платформами	151	-20165.2 /25464.4	-25414.0 /6204.1	-12321.9 /6269.1	-8505.3 /6180.8
Одна башня	226	-3550.5/ 712.7	-23661.2/ 1334.5	-	-

Рис. 12. Два варианта расположения оболочечных связей-платформ.

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Как видно, горизонтальная жесткость обеспечивается при 2-х платформах.

Как видно, НДС крестовой оболочки от вертикальной нагрузки вполне приемлемое. Возможно уменьшение высоты опорного сечения ребра до 0.2м, толщина верхней и нижней оболочки (пластины) до 0.1м.

Имеет место концентрация усилий в углах примыкания платформ и это требует усиления участков стен, примыкающих этому углу (t=0.3м).

Исследуем 2 варианта сопряжения оболочечных связей-платформ с башнями ЗСМ.

Вариант 1: Сопряжения оболочечных связей-платформ с башней ЗСМ в одной точке (пересечение ребер оболочки и стен башни, добавив еще усиленную стену с толщиной 0.3м). Для варианта 1, мы рассмотрим 2 варианта оболочки:

1а. Крестовая оболочка: пролет (размеры в плане) 2a x 2a(a=15.0м); Стрела подъема f (2.0метра, 1/15 пролета); Радиус кривизны оболочек R=57.25м.

1б. Сферическая оболочка: пролет (размеры в плане) 2a x 2a(a=15.0м); Стрелы подъема на сторонах контура f1=1м; f2=1м; Радиус кривизны оболочек R=113.0м.

1) 2)

Рис. 13. Вариант 1 и Вариант 2

Вариант 2: Сопряжения оболочечных связей-платформ с башней ЗСМ в трех точках. Для варианта 2, рассмотрим 2 варианта оболочки:

2а. Крестовая оболочка: пролет (размеры в плане) 2a x 2a(a=21.0м); Стрела подъема f (2.0метра, 1/15 пролета); Радиус кривизны оболочек R=111.25м.

2б. Сферическая оболочка: пролет (размеры в плане) 2a x 2a(a=21.0м); Стрелы подъема на сторонах контура f1=1.5м; f2=1.5м; Радиус кривизны оболочек R=147.75м.

Таблица 11 : Сравнение деформации вариантов ЗСМ

Форма Варианты	Ux(мм) Горизонтальный прогиб	Uz(мм) Вертикальный прогиб
1а	151.1	105.3
2а	118.7	86.3
1б	117.6	95.9
2б	147	118.5

Таблица 12 : Сравнение усилий в оболочке ЗСМ

Усилия Варианты	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
1а	-12321.9 /6269.1	-8505.3 /6180.8
2а	-5902.4 /3365.8	-7177.7 /3340.0
1б	-10933.0/12595.4	-34989.2 /1598.8
2б	-5810.7/8135.7	-16553,3/1078,9

Таблица 13 : Сравнение усилия в ЗСМ

Усилия Варианты	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
1а	-20165.2 /25464.4	-25414.0 /6204.1
2а	-15052.5 /21921.9	-27332.7 /6771.4
1б	-20581.1 /21052	-28989.2 /3605.9
2б	-22529.8 /30829.2	-33711.6 /11801.8

Из таблиц 11; 12; 13 получены несколько выводов

-Если добавить пластину в месте сопряжения оболочки и башни (при 2a=30м) можно повысить горизонтальный жесткость здания и понизить усилия в здании.

-Вариант 2а: ЗСМ с крестовыми оболочечными связями-платформами 2a=42м представляет самый жесткий вариант с наименьшими усилиями.

Выполним расчет ЗСМ при осадке двух башен Uz =0.1м. Ширина деформационного шва влияет на его эффект.

Таблица 14: Сравнение усилия в оболочке и кренов ЗСМ при неравномерной осадке 2х башен в Uz =0.1м

Усилия Варианты	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Uxвверх(мм)
ЗСМ без шва	-3227.3 /3275.3	-5369.7/5334.0	150
ЗСМ с деформационным швом при ширине швы lш =0.5м	-2116.4 /2051.0	-2930.1 / 2926.1	100
ЗСМ с деформационным швом при ширине швы lш =0.7м	-1202.8 /1198.9	-1438.3 / 1429.8	60
ЗСМ с деформационным швом при ширине швы lш =1м	-648.7 /682.5	-755.6 /750.9	34

Показана возможность снижения кренов и усилий в ЗСМ от неравномерной осадки башен с помощью деформационных швов в связях-платформах. При lш =0.7м усилия снижаются в 3.0 раза, а крен в 2.5 раза. При lш =1.0м усилия снижаются в 4.5 раза, а крен в 4.5 раза.

В пятой главе выполнен анализ сейсмостойкости зданий сложной макроструктуры (ЗСМ) рассмотренных в главе IV со сдвиговыми деформационными швами посредине платформы и без шва.

H=75м	H=150м	H=75м	H=150м

Рис. 14. Расчетная схема здания

Расчётная сейсмичность площадки строительства - 9 баллов; Категория грунта по сейсмическим свойствам - II; Учитывается поступательное сейсмическое воздействие вдоль осей х, у и вращательное воздействие вокруг оси z. Расчёт ведётся по линейно-спектральной теории (методика СНиП II-7-81* строительство в сейсмических районах) при абсолютном жёстком основании.

2ух башенное здание (H=75м)

Таблица 15: Сравнение периодов T (с) колебаний ЗСМ с различными длинами шва

N формы	Без шва	lш = 0,5м	lш = 1,0м
1	0.91	1.00	1.06
2	0.75	0.75	0.76
3	0.55	0.65	0.73

Таблица 16: Сравнение напряжений в ЗСМ с различными длинами шва (Поступательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±3837.3	±10266.9	±4078.1	±3333.9
lш = 0,5м	±2083.2	±10616.7	±1740.9	±1487.6
lш = 1,0м	±1983.78	±9924.56	±568.9	±539.1

Таблица 17: Сравнение напряжений в ЗСМ с различными длинами шва (Вращательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±949.83	±4318.95	±949.83	±996.22
lш = 0,5м	±831.6	±4082.9	±319.66	±297.2
lш = 1,0м	±749.1	±3746.7	±118.0	±101.6

В таблицах 16 и 17 приведены напряжения от сейсмического воздействия. Как видно вращательная сейсмика в здании даже без сдвигового шва дает добавку всего в 25 ч 30%. Сдвиговые швы снижают сейсмические напряжения, особенно в перемычках(почти на порядок).

2ух башенное здание (H=150м)

Таблица 18: Сравнение периодов T (с) колебаний ЗСМ с различными длинами шва

N формы	Без шва	lш = 0,5м	lш = 1,0м
1	2.51	3.00	3.48
2	2.49	2.51	2.51
3	1.34	1.59	2.11

Таблица 19: Сравнение напряжений в ЗСМ с различными длинами шва (Поступательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±12120.9	±15737.5	±10253.7	±10117.5
lш = 0,5м	±6743.76	±15683.4	±5490.83	±5760.1
lш = 1,0м	±2966.45	±15733.8	±1429.67	±2182.7

Таблица 20: Сравнение напряжений в ЗСМ с различными длинами шва (Вращательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±2388.1	±4179.7	±2495.5	±2740.8
lш = 0,5м	±1423.7	±3922.6	±1420.7	±1540.3
lш = 1,0м	±818.6	±4148.2	±355.2	±671.3

В таблицах 19 и 20 приведены напряжения от сейсмического воздействия. Как видно вклад вращательная сейсмика для более высоких зданий снижается. Также уменьшается эффект сдвигового шва.

4ех башенное здание (H=75м)

Таблица 21: Сравнение периодов T (с) колебаний ЗСМ с различными длинами шва

N формы	Без шва	lш = 0,5м	lш = 1,0м
1,2	2.38	2.58	2.72
3	2.31	2.43	2.54

Таблица 22: Сравнение напряжений в различных элементах ЗСМ. (Поступательная сейсмика).

	Напряжения в башнях	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±4456.2	±28078.4	±27434.8	±10903.9
lш = 0,5м	±4324.5	±30849.1	±13971.9	±3652.2
lш = 1,0м	±4088.2	±29413.4	±4998.7	±1063.7

Таблица 23: Сравнение напряжений в ЗСМ с различными длинами шва (Вращательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±976.7	±7447.0	±6093.0	±2137.8
lш = 0,5м	±921.4	±7051.9	±2254.5	±1096.9
lш = 1,0м	±991.8	±7643.4	±800.7	±453.5

4ех башенное здание (H=150м)

Таблица 24: Сравнение периодов T (с) колебаний ЗСМ с различными длинами шва.

N формы	Без шва	lш = 0,5м	lш = 1,0м
1,2	5.87	6.66	7.22
3	5.47	5.78	6.09

Таблица 25: Сравнение напряжений в ЗСМ (Поступательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±4772.33	±25605.4	±34009.9	±13960.5
lш = 0,5м	±3644.99	±24595.7	±15751.1	±4586.22
lш = 1,0м	±3371.39	±22769.6	±5623.83	±2468.5

Таблица 26: Сравнение напряжений в ЗСМ (Вращательная сейсмика).

	Напряжения в башне	Напряжения в перемычке
Варианты ЗСМ	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)	Sr(кН/м2)	Ss(кН/м2)
Без шва	±956.4	±7372.7	±8359.3	±2700.6
lш = 0,5м	±865.6	±6686.7	±3022.2	±1039.3
lш = 1,0м	±806.2	±6245.5	±1274.3	±667.8

Как видно, для четырехбашенных ЗСМ справедливы те же выводы, что и для двухбашенных:

Сравнительный анализ форм и периодов собственных колебаний показывает, что при введении податливого шва в горизонтальном элементе происходит снижение общей жёсткости здания. Вместе с тем изменяются формы собственных колебаний здания.

Развитость ЗСМ в плане требует учета вращательной компоненты сейсмического воздействия. Однако она дает небольшую добавку к сейсмическим напряжениям от поступательных воздействий. Для ЗСМ высотою 75м порядка 25%. С увеличением высоты эта дабавка снижается.

Сдвиговые деформационные швы существенно снижают напряжения от сейсмического воздействия. В башнях напряжения снижаются в 1.5ч2 раза, в перемычках- почти на порядок.

Основные результаты данной работы состоят в следующем

Предложены различные конструкции оболочечных перекрытий (крестовые, сферические, трансляционные) для междуэтажных перекрытий зданий.

Произведено сравнение различных форм оболочечного перекрытия

с пролетом 12м и выбран рациональный по совокупности свойств вариант крестового оболочечного перекрытия (оболочка со сплошными контурными, диагональными и центральными ребрами с стрелой подъема f=1.0м; радиус кривизны оболочек R=18.5м).

Исследована горизонтальная жесткость конструкций многоэтаж- ного здания с использованием оболочечного перекрытия (габаритные размеры здания в осях 36х36м, высота этажа составляет 7.50м). Найдена максимальная высота здания - в рамном варианте (15 этажей при высоте Н= 112.5м) и в рамно-связевом варианте (30 этажей при высоте Н= 225м).

Рассмотрен дальнейший способ увеличения горизонтальной жесткости зданий - использование некоторых новых схем зданий сложной макроструктуры (ЗСМ). Достигнуто снижение кренов и усилий в ЗСМ от неравномерной осадки башен с помощью деформационных швов в связях-платформах. Для двух-башенных зданий: при lш=0.7м усилия снижаются в 3.5 раза, а крен в 2.5 раз; при lш=1.0м усилия снижаются в 7.5 раза, а крен в 6 раз. Для четырех-башенных зданий: при lш=0.7м усилия снижаются в 3.0 раза, а крен в 2.5 раза; при lш=1.0м усилия снижаются в 4.5 раза, а крен в 4.5 раза.

Показана достаточная сейсмостойкость 2х и 4х башенных ЗСМ при 9ти бальном воздействии. Вращательная сейсмика дает вклад в усилия не более 25%. Возможно снижение сейсмических усилий введением сдвиговых деформационных швов. В башнях напряжения снижаются в 1.5ч2 раза, в перемычках- почти на порядок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Данг Хань Ан. Анализ горизонтальной жесткости многоэтажных зданий с оболочечными перекрытиями при сетке колонн 12x12 метров / Данг Хань Ан // Актуальные проблемы современного строительства: сб. материалов 61-й Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых / С.-Петерб. гос. архитур.-строит. ун-т. - СПб., 2008. - Ч. 1. - С. 93-98.

Данг Хань Ан. Анализ работы оболочек различного вида в составе междуэтажного перекрытия здания / Данг Хань Ан // Докл. 66-й науч. конф. проф., предподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитект.-строит. ун-т. - СПб., 2009. - В 5 ч., Ч. 1. - С. 46-51.

Данг Хань Ан. Анализ работы междуэтажного оболочечного перекрытия и его влияния на горизонтальную жесткость здания / Данг Хань Ан // Промышленное и гражданское строительство. - 2009. - № 4. - С. 51-52. ( публикация в издании, рекомендованном ВАК ).

Данг Хань Ан. Сравнение железобетонного междуэтажного перекрытия в виде крестовой оболочки с кессонным перекрытием с опиранием на сетку колонн 12x12м / Данг Хань Ан // Актуальные проблемы современного строительства: сб. материалов 62-й Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2009. - Ч. 1. - С. 194-197.

Голых О. В., Нгуиен К.Т., Данг Х. А. Упруго-пластические вставки в зданиях сложной макро-структуры, их жесткостные характеристики и влияние на напряженно-деформированное состояние зданий при неравномерной осадке / О. В. Голых, К. Т. Нгуиен, Х. А. Данг // Вестник гражданских инженеров. - 2010. - № 1. - С. 51-55. ( публикация в издании, рекомендованном ВАК ).

Размещено на Allbest.ru

...