Полная версия

Главная arrow Строительство

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Взаимодействие рамно-связевого каркаса и аутригерных этажей

Каркасно-связевое здание неэффективно при зданиях высотой более 40 этажей (слишком большой расход материалов для жестких связей). Применение горизонтальных решетчатых поясов высотой в этаж (аутригерных этажей), жестко связанных с каркасом и со стволом, примерно на 30 % увеличивает жесткость здания. При изгибе здания пояса распределяют напряжения на колонны по периметру здания. А колонны работают как стержни, препятствующие деформациям ствола.

Чем больше в здании поясов жесткости, тем меньше общие деформации здания [14; 15]. Применение аутригерных этажей экономически выгодно для зданий высотой около 60 этажей.

Деформирование здания такого типа выявляет достаточно сложную картину (рис. 4.15). Ствол жесткости работает как консоль, заделанная в основании (верх ствола может пово-

83

рачиваться - рис. 4.15, а). Жесткая рама хорошо воспринимает усилия сдвига в основании. Аутригерный этаж в месте примыкания препятствует повороту столба (своеобразное частичное защемление столба). Это происходит за счет большой собственной жесткости и связи с колоннами каркаса и, соответственно, жесткой рамой (рис. 4.15, б). Поэтому поворот столба в этом месте ограничен. Система не работает больше как чистая консоль, поскольку защемлена аутригерными этажами, и кривая деформаций между ними носит S-образный характер (с нулевым изгибающим моментом в точке перегиба - рис. 4.15, в). Отсюда вывод: общая кривая деформаций здания напоминает синусоиду (но вдоль криволинейной оси), а изгибающий момент в основании здания меньше, чем при отсутствии аутригерных этажей (в связи с появлением вертикальных осевых усилий от горизонтальных нагрузок), и горизонтальное перемещение здания также уменьшается.

Деформирование решетчатых стволов и поясов

Рис. 4.15. Деформирование решетчатых стволов и поясов

жесткости

Здания коробчатой конструкции

В настоящее время значительная часть самых высоких зданий в мире имеют несущие конструкции в виде коробчатой системы (в виде трубы). С увеличением высоты здания эффективность коробчатой системы сильно возрастает (расход материалов на 1 м2 полезной площади сопоставим с расходами для рамных зданий вдвое меньшей высоты) [14; 15].

84

Несущие конструкции внешней оболочки работают как консольный полый стержень коробчатого сечения (аналогично стволовым зданиям). Поэтому уменьшается значение внутренних связей и стен-диафрагм. Часто стены наружной коробки (оболочки) имеют вид решетки разного очертания (рис. 4.16), совмещенной с близко расположенными по периметру здания колоннами (перфорированная стена фасада).

Наружные стены коробчатых зданий

Рис. 4.16. Наружные стены коробчатых зданий: а - решетка из колонн, балок и диагональных элементов; б - решетка из балок и диагональных элементов; в - решетчатая конструкция из диагональных элементов

Жесткость наружных стен повышается с помощью диагональных связей (стены работают как фермы) (табл. 4.4).

Предлагаются к рассмотрению варианты зданий коробчатой системы;

наружная несущая оболочка:

  • - безраскосная пространственная решетка;
  • - раскосная пространственная решетка: решетчатая из колонн и диагональных связей; решетчатая из диагональных элементов;

наружная несущая оболочка с внутренними связями:

- наружная несущая оболочка с параллельными стенами-диафрагмами ;

- наружная несущая оболочка с центральным стволом;

модернизированная несущая оболочка:

  • - наружная решетчатая оболочка с жесткими рамами;
  • - внутренняя несущая оболочка с наружными стенами-диафрагмами;
  • - многосекционная коробчатая оболочка.

Таблица 4.4

Несущие конструкции зданий, решенных по коробчатой схеме

п/п

Изображение

Схема

Характеристики

1

Система коробчатая из балок Вирен- деля - стальная пространственная безраскосная решетка (Сиэтл Фест Нэ- шинл Бэнк, 50 этажей, 189 м, сталь, Сиэтл, Вашингтон, арх. Нарамор, Бэйи, Брэди, Джонсон)

2

Система коробчато-ствольная (Уан Шелл Плаза, Хьюстон, 52 этажа,

218 м, железобетон, S.O.M.)

Продолжение табл. 4.4

п/п

Изображение

Схема

Характеристики

3

Наружная коробка со стальной раскосной решеткой (Джон Хэнкок Билдинг, Чикаго, 100 этажей, 336 м, сталь, S.O.M.)

4

Система коробчатая из балок Виренделя (Стандарт Ойл, Чикаго, 83 этажа,

345 м, сталь, арх. Э. Д. Стоун)

Окончание табл. 4.4

п/п

Изображение

Схема

Характеристики

5

Система коробчатая из балок Виренделя (Уорд Трейд Сентр, Нью-Йорк, 110 этажей, 412 м, сталь, арх. М. Ямасаки)

6

Система многосекционная коробчатая (Сирс Билдинг, Чикаго, 109 этажей, 442 м, сталь, S.O.M.)

Наружная несущая оболочка

Наружная оболочка из пространственной безраскос- ной решетки. Оболочка выполнена из часто расположенных прямоугольных колонн и балок (жесткие соединения узлов). Хорошо работает на горизонтальные нагрузки без участия внутренних конструкций (такую конструкцию наружных стен называют коробкой из балок Виренделя). Внутренние колонны рассчитываются только на вертикальные нагрузки (рис. 4.17). Жесткие перекрытия работают как диафрагмы, перераспределяющие горизонтальные нагрузки между наружными стенами. Первое такое здание построено в Чикаго (1961 г.) - жилое здание Девид Честнат (43 этажа).

Другие здания той же конструкции: 83-этажное здание компании «Стандарт Ойл» (Чикаго) и 110-этажное здание Уорд Трейд Сентер (Нью-Йорк). В этих зданиях наружные коробчатые оболочки имеют значительную жесткость при кручении. В них в сетку наружных колонн и балок вмонтированы переплеты остекления (рис. 4.17).

Стеновая коробка в виде пространственной жесткой безраскосной решетки

Рис. 4.17. Стеновая коробка в виде пространственной жесткой безраскосной решетки

Эпюра распределения напряжений в стеновой коробке

Рис. 4.18. Эпюра распределения напряжений в стеновой коробке

При воздействии ветра боковые грани работают как независимые жесткие рамы (с учетом гибкости обвязочных балок). Это следствие депланации (искажения сечений) при сдвиге. При этом угловые колонны нагружены больше, чем промежуточные (рис. 4.18).

Такая конструктивная схема экономична для зданий со стальным каркасом до 80 этажей и с железобетонным каркасом до 60 этажей.

Наружная оболочка из раскосной пространственной решетки. Недостаток коробок из безраскосной решетки - гибкость обвязочных балок. Их жесткость повышается при установке дополнительных диагональных связей (для восприятия сдвига). Тогда здания работают практически по схеме изгибаемой консоли (рис. 4.19).

Наружная оболочка из раскосной пространственной решетки

Рис. 4.19. Наружная оболочка из раскосной пространственной решетки

Наружная оболочка из раскосной пространственной решетки из колонн и диагональных связей. В этой системе диагонали включаются в прямоугольную сетку балок и колонн. Диагонали совместно с обвязочными балками обеспечивают жесткость и устойчивость оболочки при ветровых нагрузках (как стены-диафрагмы) и воспринимают вертикальные нагрузки как наклонные колонны и распределяют их практически по всему сооружению (рис. 4.20). А об- 90

вязочные балки работают как жесткие пояса по наружному контуру.

Такая конструктивная система при стальных каркасах применяется в зданиях высотой примерно до 100 этажей.

Конструктивная схема здания Джон Хэнкок Билдинг (Чикаго)

Рис. 4.20. Конструктивная схема здания Джон Хэнкок Билдинг (Чикаго)

Наружная оболочка из раскосной пространственной решетки из диагональных элементов. Здесь решетчатая оболочка образуется с помощью близко расположенных диагоналей. Они работают как наклонные колонны и повышают жесткость оболочки при ветре. Диагонали можно объединить горизонтальными балками. Но эта система менее экономична, чем с применением колонн.

Наружная несущая оболочка с внутренними связями

Наружную решетчатую оболочку иногда усиливают дополнительными диагональными связями, устройством внутренних стен-диафрагм или стволов (ядер) жесткости.

Наружная несущая оболочка с параллельными стенами-диафрагмами. При включении в работу наружной оболочки внутренних стен-диафрагм напряжения в ней будут создаваться в основном за счет осевых усилий, ветровые нагрузки будут восприниматься всем зданием, а сдвиговые деформации минимальны. Практически применяется два принципа размещения стен-диафрагм: широкий шаг наружных колонн с подкреплением их стенами-диафрагмами (рис. 4.21, а) и узкий шаг наружных колонн только с двумя стенами-диафрагмами (рис. 4.21, б).

Наружная оболочка с параллельными стенами-диафрагмами

Рис. 4.21. Наружная оболочка с параллельными стенами-диафрагмами

Наружная несущая оболочка с центральным стволом.

При включении в работу наружной оболочки ствола жесткости связующим звеном между ней и стволом будут межэтажные перекрытия. Напряжения в ней создаются в основном за счет осевых усилий, а на ветровые нагрузки обе конструкции работают как единое целое. Коробчато-ствольная система (наружная несущая оболочка с центральным стволом) воспринимает ветровые нагрузки подобно каркасно-диафрагмовому зданию, но наружная решетчатая оболочка намного жестче (рис. 4.22): оболочка хорошо воспринимает ветровую нагрузку в верхней части здания, а ствол - в нижней части.

Работа оболочки с центральным стволом

Рис. 4.22. Работа оболочки с центральным стволом

По такой системе построены, например, здание Брансвик Билдинг в Чикаго (38 этажей) и здание Уан Шелл Плаза Бил- динг в Хьюстоне (52 этажа).

В 60-этажном офисном здании в Токио (рис. 4.23) использованы три коробки. На ветер работает только наружная коробка, а на сейсмические нагрузки - все три коробки, соединенные перекрытиями (горизонтальными диафрагмами), что очень важно для Японии.

Здание с центральным стволом и двойной наружной коробкой

Рис. 4.23. Здание с центральным стволом и двойной наружной коробкой

Модернизированная несущая оболочка

Наружные несущие оболочки хороши для круглых и почти квадратных в плане зданиях. При более сложных формах зданий требуются специальные устройства для обеспечения совместной работы конструкций.

Наружная решетчатая оболочка с жесткими рамами. Офисное здание (40 этажей, г. Шарлотт, США) вытянутой шестиугольной формы в плане (рис. 4.24). В острых углах концентрируются сдвигающие усилия. Поэтому потребовалось связать наружные стены жесткими поперечными рамами.

Внутренняя несущая оболочка с наружными стенами-диафрагмами. Здание Вестерн Пенсильвания Нэйшнл Бэнк (32 этажа) в Питтсбурге имеет нерегулярный план (рис. 4.25). Это потребовало иного подхода к созданию коробчатой системы: два взаимно пересекающихся восьмиугольника образуют коробчатую конструкцию в центральной части здания. В обоих поперечных торцах здания устроены стены-диафрагмы (сечения в плане типа развернутого швеллера). На ветер работает все здание (комбинация внутренней коробки и наружных торцовых стен-диафрагм).

Наружная решетчатая оболочка с жесткими поперечными рамами

Рис. 4.24. Наружная решетчатая оболочка с жесткими поперечными рамами

Здание с нерегулярным планом

Рис. 4.25. Здание с нерегулярным планом

Многосекционная коробчатая оболочка. Для повышения этажности (увеличения жесткости) применяют многосекционные (модульные) коробки (например, здание Сирс Билдинг в Чикаго).

94

В таких зданиях наружная решетчатая несущая оболочка подкреплена внутренними взаимно перпендикулярными стенами (рис. 4.26) - аналог многосекционной коробки. Ее составляющие могут быть независимы от всего здания и могут объединяться в любую форму. При этом каждая коробка может иметь свою высоту и может не иметь внутреннего каркаса (свободная планировка в пределах одной составляющей).

Работа многосекционной коробки

Рис. 4.26. Работа многосекционной коробки

Межсекционные стены могут быть объединены. Они хорошо воспринимают сдвиговые деформации и имеют повышенную прочность при действии изгибающих моментов.

Эпюра напряжений в поперечном сечении многосекционной коробки (см. рис. 4.26) показывает, что при действии ветра межсекционные стены хорошо работают на сдвиг и концентрируют напряжения в крайних частях сечения. Но при этом они снимают часть усилий с углов сечения (более равномерно перераспределяют нагрузку - см. рис. 4.18).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>