Проектирование и исследование зданий, возводимых методом подъема
Опыт проектирования и строительства зданий повышенной этажности, накопленный СПЭКБ, показывает, что связевой каркас в сочетании с ядром жесткости экономичнее каркаса с диафрагмами. К тому же ядро жесткости (лифтовая шахта) в процессе монтажных работ обеспечивает устойчивость связевого каркаса. Жилые дома целесообразно проектировать с одним ядром жесткости, расположенным в центральной части здания, что позволяет избежать значительных температурных напряжений и сделать относительно легкую привязку проекта к условиям сложного рельефа. Протяженная застройка может быть обеспечена блокировкой системы зданий с одним ядром жесткости.
Для эффективного восприятия усилий от кручения (без закладных элементов и сварки) сечение ядра жесткости следует проектировать в виде многогранника. Внутри него целесообразно располагать лифты и другие вертикальные коммуникации. Освещение лестничных клеток естественным светом осуществляется через дверные проемы. Перемычки над проемами должны быть настолько жесткими, чтобы ядро жесткости работало как единая пространственная система.
Элементы связевого каркаса, плит перекрытий, колонн и ядра жесткости необходимо компоновать таким образом, чтобы при изгибе свести к минимуму усилия, возникающие в плитах перекрытий при их депланации. При значительных величинах изгибающих моментов необходимо увеличить консольные вылеты плит перекрытий в зоне ядра жесткости. В этом случае ядро жесткости, воспринимающее вертикальные нагрузки от плит перекрытий, целесообразно возводить с опережением с таким расчетом, чтобы использовать перемычки над проемами шахт в качестве опор для подъемников. Такое решение принято в проекте 25-этажного здания. Пригружение ядра жесткости перекрытиями повышает его устойчивость при действии горизонтальных нагрузок.
Для обеспечения противопожарных мероприятий в зданиях 16—25 этажей необходимо входы в квартиры осуществлять через воздушные зоны, а входы в лестнично-лифтовую группу — из воздушных зон через зоны подпора. Такое решение реализовано при строительстве 16-этажных зданий.
Для предотвращения значительных температурных напряжений целесообразно все колонны в зданиях высотой 16 этажей и выше размещать в отапливаемых зонах. Необходимо также лимитировать максимальные прогибы, так как в зданиях повышенной этажности в ряде случаев предельное состояние определяется не прочностью, а чрезмерными деформациями. Соответственно должны быть ограничены поэтажные смещения в горизонтальной плоскости.
Возможности и преимущества метода подъема необходимо использовать максимально, чтобы в проектируемых зданиях создать предпосылки для уменьшения физических объемов конструкций и видов работ с получением высоких экономических показателей, В частноста, в жилых зданиях высотой 16 и более этажей целесообразно сосредоточить возможно большее число квартир в одной лестнично-лифтовой группе.
Необходимо также использовать технологические особенности метода подъема, исключающие применение скользящей или переставной опалубки, и силами общестроительных организаций обеспечить его внедрение в массовое строительство. При возведении зданий повышенной этажности метод подъема позволяет эффективно использовать краны и механизмы, предназначенные для малоэтажного строительства (рис. 1).
Особенности конструктивной схемы зданий с ядрами жесткости и отсутствие надежных методов их расчета стимулировали проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований. Актуальной является разработка эффективных мероприятий по обеспечению сейсмостойкости зданий. В ОПЭКБ с помощью мощной вибромашины (рис. 2) проводились натурные испытания ядер жесткости, а также зданий при различных этапах их возведения, в упругой стадия и за пределами упругости.
Сейсмостойкость зданий повышалась при включении в систему демпферных устройств (рис. 3). Были проведены экспериментальные исследования шахт и зданий на железобетонных моделях при различных стадиях их работы вплоть до разрушения на основе теории расширенного подобия. Уточнялись и совершенствовались методики расчетов конструкций зданий при действии сейсмических и ветровых нагрузок с учетом полученных результатов.
Исследования натуры и моделей показали, что при действии изгибающих и крутящих усилий ядро жесткости как в упругой стадии, так и за пределами упругости можно представить в виде обычной консольной балки, при этом величины изгибных и крутильных жесткостей шахт следует определять с учетом ослабления их стен проемами. Последние существенным образом уменьшают изгибную и, в еще большей мере, крутильную жесткость. На крутильную жесткость ощутимое влияние оказывают утолщения стенок по контуру проемов и изменение расположения проемов по вертикали.
При горизонтальных нагрузках первые трещины в моделях железобетонных шахт с проемами появились на растянутой грани, а затем в соединительных перемычках при 0,6—0,8 расчетной сейсмической нагрузки. Увеличение нагрузки приводило к развитию имеющихся и появлению новых трещин и, как следствие, к уменьшению сжатой зоны сечения. Характер трещин и их развитие, вплоть до стадии разрушения моделей, свидетельствует о достаточности сечения ядра жесткости при действии расчетных сейсмических нагрузок. При действии горизонтальных нагрузок (эквивалентных сейсмическим) совместно с крутящими моментами несущая способность железобетонных шахт с проемами уменьшается примерно на 10% по сравнению с несущей способностью тех же шахт, работающих только на изгиб. Однако при совместном действии горизонтальных нагрузок и крутящих моментов характер образования и развития трещин практически остается таким же, как и при простом изгибе.
На основании динамических исследований 9- и 12-этажных зданий сделаны следующие основные выводы.
Экспериментальные значения периодов и форм колебаний ядра жесткости и каркаса практически получаются одинаковыми, что свидетельствует о работе здания как дельной пространственной конструкции. Соотношение собственных частот поступательных колебаний составляет ряд 1 : 3,4 : 6,3, а для крутильных колебаний — 1 : 3 : 5. С увеличением возбуждающей силы собственные частоты колебаний зданий уменьшаются, а значения логарифмических декрементов колебаний увеличиваются.
Расчетную схему таких зданий можно представить в виде рамно-связевой системы, где изгибным элементом является ядро, а сдвиговым — каркас с заполнением. Отличительной особенностью конструкций зданий является применение в качестве ригелей каркаса неразрезных, цельных на этаж, безбалочных плит перекрытий. Совместная работа ригелей такого типа с введенным внутрь каркаса ненесущим заполнением приводит к значительному увеличению жесткости здания. Общая приведенная жесткость за счет заполнения увеличивается в 2—2,5 раза по сравнению с жесткостью здания без заполнения.
Крутильная жесткость каркаса без заполнения ничтожно мала по сравнению с крутильной жесткостью шахты. Заполнение каркаса, по-этажно связанного с неразрезными плитами перекрытий, приводит к созданию дополнительной крутильной жесткости, величина которой соизмерима с жесткостью шахты.
Установлено, что величины логарифмических декрементов затуханий высших форм колебаний зданий значительно превышают величину логарифмического декремента по основному тону колебаний. При этом между тоном колебаний и декрементом затухания наблюдается зависимость, близкая к линейной. Отношение средних значений логарифмических декрементов затуханий второго тона к первому и третьего тона к первому оказались в пределах: 1,9—2; 2,8—3,3.
Для повышения сейсмостойкости каркасных зданий с -несущими шахтами предложено в поэтажные технологические зазоры между плитами перекрытий и несущей шахтой ввести стальные V-образные или песочные демпферы, способные существенно увеличить поглощение энергии механических колебаний всей системы.
На одноэтажной и трехэтажной крупномасштабных железобетонных моделях (высота 4,5 м, размеры в плане 4X4 м) каркасных зданий с ядром жесткости при вынужденных и свободных изгибно-сдвиговых колебаниях, возбуждаемых вибромашиной типа В-1, была установлена высокая эффективность V-образных и песочных демпферов в гашении резонансных колебаний. В результате испытаний одноэтажной модели установлено, что наличие V-образных демпферов в кольцевом зазоре между шахтой и плитой перекрытия уменьшает амплитуду резонансных колебаний в 8 раз по сравнению с жестким соединением. Коэффициент поглощения энергии колебаний системы с демпферами почти в 5 раз больше, чем при жестком соединении шахты с каркасом. Исследования на трехъярусной модели позволили установить высокую эффективность песочных демпферов как при основной, так и при высших формах колебаний. При наличии песочных демпферов, в отличие от жесткого соединения, колебания каркаса и шахты происходят с разными амплитудами, но при единой частоте всей системы. Собственная частота системы зависит от количества песка в демпфере. С его увеличением собственные частоты возрастают и в пределе достигают значения, которое они имели бы при жестком соединении шахты с каркасом.
Устройство демпферов между плитами каркаса и шахтой приводит к образованию новой пространственной системы, с динамическими характеристиками, отличными от характеристик системы при жестком соединении. Для определения периодов и форм свободных поступательных колебаний многоэтажных зданий при наличии демпферных устройств в зоне соединения шахт с каркасом разработана методика расчетов и составлена программа на ЭВМ «Раз- дан-3». Получены компактные формулы для определения периодов свободных колебаний системы.
Разработана также методика расчета и составлена программа для ЭВМ «БЭСМ-6» для решения задачи гармонических и сейсмических колебаний многоэтажных зданий с демпферами, упруго-гистерезионые характеристики, которых на основании экспериментальных данных представлены в виде параллелограмма.
Расчеты для 112-этажного здания показали, что устройство между несущей шахтой и каркасом песочного демпфера приводит, по сравнению с жестким соединением ядра с каркасом, к одновременному уменьшению прогибов ядра жесткости примерно в 9 раз и прогибов каркаса примерно в 4 раза при резонансных колебаниях системы по основному тону. При этом логарифмический декремент затухания здания с песочными демпферами примерно в 5 раз больше, чем при жестком соединении. Таким образом, теоретические и экспериментальные работы подтверждают целесообразность применения демпферов в многоэтажных каркасных зданиях с несущими шахтами, возводимых в сейсмических районах.
Результаты исследований легли в основу проектирования сейсмостойких многоэтажных каркасных зданий с ядрами жесткости, возводимых методом подъема. Для расширения области применения метода подъема необходимо, помимо разработки руководств, пособий, каталогов унифицированных конструктивных решений, уточнять и дополнять действующие СНиП описаниями специфики этого метода.
В десятой пятилетке СПЭКБ в содружестве с ведущими институтами страны продолжает исследования и совершенствование существующих и разработку новых архитектурных, конструктивных и технологических решений, а также разработку унифицированных конструкций зданий различного назначения, сооружаемых методом подъема этажей и перекрытий.