Новые конструктивные решения многоэтажных каркасных зданий

В предыдущих разделах настоящей главы отмечалась практическая необходимость разработки и реализации новых систем сейсмозащиты каркасных зданий. Ниже кратко рассмотрены некоторые из развиваемых в последние 10-15 лет подходы к созданию таких систем каркасных зданий. Исследования проводятся в двух направлениях: совершенствование традиционных технических решений и создание систем активной сейсмозащиты, с помощью которых удается снизить сейсмические нагрузки на системы несущих и ограждающих конструкций за счет повышения их способности к поглощению энергии сейсмических колебаний, уменьшения кинематической связи надземной части зданий с грунтом, регулирования в требуемом направлении параметров сейсмической реакции зданий, динамических характеристик, в первую очередь частот и форм собственных колебаний.

Совершенствование традиционных и разработка новых систем каркасов проводится на основе анализа экспериментальных данных, новой исходной сейсмологической информации в соответствии с практическими задачами сейсмостойкого строительства.

К перспективным решениям железобетонных многоэтажных каркасов с точки зрения удовлетворения требований надежности, экономичности, технологичности, архитектурной выразительности и удобства планировки относятся: каркасные системы с применением предварительно напряженных конструкций, в том числе последующего натяжения перекрытий на стадии монтажа [39, 40]; рамно-ствольные системы с ядрами жесткости и наружной каркасной обстройкой, в том числе возводимые методом подъема этажей [99]; каркасные системы с плоскими ригелями и безригельным решением (разработки НИИЖБ, ЦНИИЭП жилища, НИИСА и др.); рамно-связевые системы с составными диафрагмами жесткости, венчающими диафрагмами (разработки КазПСНИИП, ТбилЗНИИЭП); пространственно-связевые каркасные системы с ядрами жесткости, диафрагмами, решетчатыми связями и т. п.; каркасы с крупной сеткой колонн; система сейсмозащиты каркасов с безбалочными перекрытиями и скользящими опорами (разработки ЦНИИпромзда-ний и КазПСНИИП) и ряд других.

Остановимся коротко на зданиях с последующим натяжением перекрытий. Данные по другим решениям приведены во многих монографиях и статьях.

Каркасно-панельные здания с натяжением перекрытий в построечных условиях разработаны ТбилЗНИИЭП совместно с Министерством строительства Грузинской ССР [39,40] на основе творческого использования югославской системы ИМС, автором которой является академик Б. Жежель. В Тбилиси осуществлено строительство экспериментальных 16-этажных 75-квартирных жилых домов (расчетная сейсмичность 7 баллов), проведена серия испытаний и технологических изысканий. Запланированы строительство и натурные испытания аналогичных домов, проводятся экспериментальные исследования крупномасштабных моделей в лабораторных условиях. Разрабатываются модификации решений каркаса для промышленных и общественных зданий.

В основу конструктивного решения положена безригельная система, основные изделия которой состоят из укрупненных ребристых панелей перекрытий и элементов колонн высотой до четырех этажей (рис. 2.9). После замоноличивания напрягаемой в построечных условиях арматуры, пропускаемой в местах зазоров между плитами перекрытий в створе колонн, образуются скрытые ригели. Многие изделия (колонны, диафрагмы, стеновые панели, ограждения фасадных элементов и др.) могут приниматься по типовой серии с незначительными модификациями, что обеспечивает возможность максимальной унификации технических решений. К индивидуальным изделиям относятся часторебристые панели перекрытий, бортовые и балконные элементы. Натяжение арматуры из канатов типа К-7 диаметром 15 мм осуществляется с помощью гидродомкратов системы АрмНИИСА с использованием переставных металлических упорных столиков и цанговых захватов. В экспериментальных домах башенного типа применена сетка колонн 4,2x4,2 и 6x6 м, высота типового этажа 3 м, первого этажа — 5,7 м. Сборные элементы колонн на четыре этажа имеют сечение 40x40 см и соединяются только с помощью выпусков продольной арматуры. Для сопряжения с перекрытиями в них предусмотрены отверстия диаметром 40 мм для пропуска напрягаемой арматуры. Панели диафрагм жесткости выполнены с размерами 3,6x3 и 3x6,6 м, толщиной 16 см.

Технико-экономические показатели экспериментальных домов в сравнении с каркасно-панельными домами усовершенствованной серии ИИС-04 свидетельствуют об определенных преимуществах разработанной системы. Для реализации указанных преимуществ необходим и в настоящее время реализуется комплекс натурных и модельных испытаний зданий, разработка расчетных динамических моделей каркасов, отражающих особенности их возведения и деформирования в условиях сейсмических воздействий, совершенствования технологии и оснастки для строительно-монтажных работ.

К перспективным решениям многоэтажных зданий со стальным каркасом относятся рамно-связевые, связевые и пространственно-рамно-связевые каркасы с системами энергопоглотителей [66]; каркасные системы с упругофрикционными узловыми сопряжениями ригелей и колонн, элементов вертикальных связей на высокопрочных болтах [34, 35]; каркасные системы с предварительным напряжением зданий в целом и отдельных элементов несущих конструкций (разработки ЦНИИСК им. Кучеренко, МИСИ им. В.В. Куйбышева); каркасы рамной схемы с зонами развития контролируемых пластических деформаций (разработки ЦНИИСК им. Кучеренко, ЦНИИпроект-стальконструкция и специалистов США и других стран) [29,49, 66, 130, 142]; системы зданий каркасно-ствольной конструкции с подвесными этажами, вантово-ствольной конструкции, с крупной сеткой колонн (разработки КиевЗНИИЭП, МИСИ им. В.В. Куйбышева, ЦНИИпромзданий, ТбилЗНИИЭП и др.).

Остановимся на некоторых наиболее разработанных решениях. Раннее отмечалась целесообразность применения в ригелях многоэтажных каркасов гофрированных стенок, за счет чего снижается металлоемкость элементов несущих конструкций. В Казахском отделении ЦНИИпроектстальконструкция разработаны также рекомендации и технические решения по созданию в ригелях, траверсах баз колонн зон равного сопротивления, в том числе с гофрированной стенкой. За счет указанных конструктивных мероприятий повышается способность ригелей каркасов к поглощению энергии сейсмического воздействия, используются резервы работы элементов стенок в закритической стадии [66].

Применение энергопоглотителей в качестве самостоятельного конструктивного мероприятия для повышения способности строительных конструкций к поглощению энергии сейсмических воздействий, как и в сочетании с другими системами сейсмозащиты, получило достаточно широкое распространение в Новой Зеландии, США, Канаде и в некоторых других странах. В нашей стране разработка и исследование систем энергопоглотителей проводились в основном в Казахском отделении ЦНИИпроектстальконструкция. Предложены и экспериментально изучены несколько типов устройств, располагаемых в системах связей стальных каркасов - кольцевой, сдвиговый, трубчатый и балочный энергопоглотители. В каждом из них создаются специальные зоны для развития контролируемых пластических деформаций при работе на изгиб, внецентренное растяжение (сжатие) или на сдвиг. За счет применения энергопоглотителей допускается при расчете по п. 2.2а СНиП (в предположении упругой работы конструкций стальных каркасов) принимать значения коэффициента К_? = 1, независимо от отношения высоты стоек h к радиусу инерции r.

На рис. 2.10 в качестве примера показан трубчатый энерго-поглотитель, предназначенный для установки в полураскосных вертикальных связях.

Применение высокопрочных болтов в качестве элементов монтажных соединений рекомендовано главой СНиП 11-23-81 как одно из мероприятий, повышающих технологичность изготовления и монтажа металлоконструкций (рис. 2.11). Применительно к сейсмостойкому строительству использование высокопрочных болтов позволяет создавать принципиально новые технические решения (рис. 2.12). Особенностью упругофрикционных соединений на высокопрочных болтах является допущение контролируемого сдвига при достижении определенного уровня усилий. При этом изменяется внутренняя динамическая структура каркаса здания и существенно повышается способность конструкций к поглощению энергии сейсмического воздействия.

Проведенные испытания образцов связей и балок при статических и знакопеременных вибрационных нагрузках [11, 35] подтвердили физическую реализуемость процессов проскальзывания в соединениях и правильность исходных расчетных предпосылок. Упругофрйкционные соединения ригелей пространственных и плоских элементов стальных каркасов (см. рис. 2.12, а) рекомендуется выполнять в виде пластин-накладок поясов ригеля, стянутых высокопрочными болтами. Центр стыка следует принимать на расстоянии (1/5?1/6)l_р от грани колонн, где l_р - пролет ригеля. Высокопрочные болты устанавливаются в отверстия; диаметр которых на 3-6 мм больше диаметра болтов. Благодаря разности номинальных диаметров отверстий и болтов при усилии N_уф происходит контролируемый сдвиг в соединении, при этом существенно (в 2-3 раза) возрастает способность конструкций к поглощению энергии сейсмического воздействия.

Количество высокопрочных болтов в соединении определяется из условия, что подвижка при расчетном воздействии является обязательной, поэтому

где N_уф = M_уф/h'_p - расчетная продольная сила в поясе ригеля; M_уф - изгибающий момент в центре стыка ригеля, определенный в предположении упругой работы стального каркаса; m_кр - коэффициент, назначаемый в соответствии с табл. 9 "Рекомендации по проектированию структурных конструкций" (М.:, Стройиздат, 1984); m_уф = 1,2 - коэффициент условий работы упругофрикционного соединения;

расчетное усилие, воспринимаемое соединяемыми элементами, стянутыми высокопрочным болтом, где ?b = 0,8 при n f — количество плоскостей трения; ?h = 1,3 - коэффициент надежности при динамической нагрузке в случае контроля усилия натяжения болтов по моменту закручивания и отсутствия обработки поверхностей.

Расчет соединений элементов связей на высокопрочных болтах следует выполнять по формулам (2.2) и (2.3), где N_уф — расчетное осевое усилие в связи.

При применении упругофрикционных соединений в стальных каркасах расчетные сейсмические нагрузки по п. 2.2а СНиП следует определять при значении коэффициента K_? = 0,85 независимо от относительной гибкости h/r стоек.

Аналогичные решения на высокопрочных болтах предложены для узловых сопряжений элементов железобетонных каркасов(А.с. № 1004588//БИ. - 1983. - № 10), установок и систем инженерного и встроенного технологического оборудования [92]. Необходимость сейсмозащиты инженерного и технологического оборудования зданий различного назначения подтверждена результатами ряда землетрясений. При креплении элементов оборудования к несущим и ограждающим элементам каркасов с успехом могут быть использованы разнообразные конструктивные методы сейсмозащиты (скользящие опоры, пружинные, резинометаллические и металлополимерные демпферы, энергопоглотители, растяжки и пр.). Реализация в проектной и строительной практике минимальных по дополнительным затратам конструктивных мероприятий позволит существенно снизить потенциальный ущерб от повреждений и выхода из строя жизненно важных систем оборудования и коммуникаций, приостановки технологических процессов, а также расширить области применения типовых установок инженерного и технологического оборудования, выпускаемых заводами в несейсмическом варианте, на районы повышенной сейсмичности.