10694
.pdf
11
Рис. 4. Формообразование оболочки купола
Геометрия оболочки купола определяет эффективность конструкции. В свое время Фуллер для геодезической сети производил сложнейшие вычисления длин стержней с точностью до шестого знака после запятой. Сейчас есть программы построения сферических сетей по различным схемам. Однако построение цифровой 3D модели сферической структуры
– основы расчетной и конструктивной схем – является сложной задачей.
УДК 624.014
C.А. Жданова
Определение редуцированного сечения тонкостенного гнутого профиля при расчете на устойчивость
Высокая конкуренция на строительном рынке требует эффективных конструктивных решений строительных конструкций. Одним из направлений повышения эффективности металлических конструкций зданий является применение оцинкованных холодногнутых профилей толщиной до 4 мм.
Холодногнутые тонкостенные конструкции обладают рядом преимуществ: незначительный собственный вес, все элементы соединяются при помощи болтов или самонарезающих винтов, высокие
12
эксплуатационные характеристики, высокая коррозионная стойкость, монтаж таких конструкций не зависит от погодных условий, возможность изготовления на строительной площадке, что позволяет снизить стоимость конструкций «в деле».
В связи с тем, что продольно-сжатые участки тонкостенного профиля могут потерять местную устойчивость при напряжениях, не достигших предела текучести стали fy, расчетные геометрические характеристики сечения следует определять с учетом его редукции, т.е. снижения рабочей площади. Редуцирование поперечного сечения при местной потере устойчивости выполняется путем выключения из работы части сжатых элементов профиля с дальнейшим использованием в расчете «эффективного» сечения.
Первые сообщения об использовании гнутых профилей за рубежом относятся к середине XIX века. В России гнутые профили из тонколистовой стали впервые были применены в 1838 году.
Основоположником теории расчета тонкостенных стержней в России следует считать проф. С. П. Тимошенко. Так же исследования в этой области проводились многими учеными: Власовым, Т. Карманом, Винтером и др. Ими были определены коэффициенты редуцирования площади поперечного сечения стержня [3-6].
При рассмотрении вопроса расчета металлических тонкостенных конструкций с определением редуцированной площади профиля основным нормативным техническим документом в настоящее время является Еврокод 3 [2]. Основные положения расчета редуцированной площади применимы для тонкостенных холодногнутых профилей с одинарным и двойным краевым отгибом (рис. 1).
Рис. 1. Увеличение жесткости в результате перехода от одинарного отгиба к двойному
Эффективная площадь поперечного сечения Аs краевого отгиба определяется по формулам: As = t(be2 + ceff) – для одинарного краевого
13
отгиба и As = t(be2 + ce1 + ce2 + deff) – для двойного краевого отгиба, где сeff и deff – значения эффективных ширин определяются по формулам (1, 2):
сeff = bp,c |
(1) |
где 
— понижающий коэффициент при потере устойчивости пластины определяется по [2], с учетом коэффициента потери устойчивости k .
deff = bp,d, |
(2) |
Предел текучести стали в местах гиба гнутого профиля в процессе его прокатки возрастает по сравнению с его значением на плоских участках. Поэтому Еврокод 3 [2] и другие зарубежные нормы рекомендуют учитывать такое увеличение предела текучести стали при определении ее расчетного сопротивления. Среднее значение повышенного предела текучести стали в гнутом профиле согласно Еврокоду следует определять по формуле:
(3)
где Аq – площадь поперечного сечения профиля;
fyb – нормативное значение предела текучести;
fu – временное сопротивление стали по стандарту; k– коэффициент, зависящий от вида формования;
n – число гибов на 90° в поперечном сечении профиля;
t – расчетная толщина листа до холодного формования, исключая толщину слоев металлического и органического покрытий.
Произведя аналитический расчет согласно методике, указанной в Еврокоде 3 для профиля ПН-150-08 (поперечное сечение профиля приведено на рис. 3 [1]), получили следующие результаты:
1.редуцированная площадь, определенная без учета повышенного значения предела текучести в местах гиба профиля, – 0,575 см2;
2.редуцированная площадь, определенная с учетом повышенного значения предела текучести в местах гиба профиля, – 0,570 см2;
3.редуцированная площадь, взятая в рекомендациях Э.Л. Айрумяна,
[1]– 0,640 см2.
Для сравнения произведем численный расчет того же профиля длиной 1,5 м методом конечных элементов (МКЭ) в закритической стадии работы материала. Численный расчет для определения редуцированной площади выполним на значение максимальной нагрузки сжатия, соответствующей потере общей устойчивости стержня и местной устойчивости элементов поперечного сечения с учетом нелинейной работы материала. В качестве программного комплекса, решающего данную задачу, используется пакет прикладных программ Nastran.
Для графического метода вычисления редуцированной площади в стержне выделено опасное сечение, расположенное на расстоянии 0,41 м от правого конца стержня. Фрагмент деформированной схемы полок профиля приведен на рис. 2.
14
Рис. 2. Фрагмент деформированной схемы полок профиля ПН-150-08
В опасном сечении рассмотрим распределение эквивалентных напряжений по поперечному сечению (рис. 3).
а) |
б) |
Рис. 3. Эпюра эквивалентных напряжений в поперечном сечении профиля ПН-150-08 на шаге нагружения, соответствующем потере местной устойчивости:
а) без учета повышенного значения предела текучести в местах гиба; б) с учетом повышенного значения предела текучести в местах гиба.
За границы участка при определении редуцированной площади примем точки поперечного сечения, в которых интенсивность напряжений не изменяется при увеличении перемещений смежных зон сжатых полок и стенки.
15
Аналогично выполнено определение редуцированной площади для профиля ПН-150-08 с учетом увеличения предела текучести стали в местах гиба профиля.
Результаты расчетов получились следующие:
-редуцированная площадь, определенная по результатам
численного расчета МКЭ без учета значения повышенного предела текучести в местах гиба профиля, – 0,736 см2;
-редуцированная площадь, определенная по результатам
численного расчета МКЭ с учетом значения повышенного предела текучести в местах гиба профиля, – 0,709 см2.
На основании сравнения результатов расчетов, выполненных по методике, приведенной в Еврокод 3 [2], и МКЭ можно сделать следующие выводы:
1.Редуцированная площадь, для рассматриваемого типа профиля, определенная по методике, изложенной в Еврокод 3 [2], составляет 29,3 % от полной площади поперечного сечения;
2.Численный расчет тонкостенного профиля на местную устойчивость с учетом нелинейных свойств материала в его закритической стадии работы показывает неравномерное распределение эквивалентных напряжений по поперечному сечению с исключением из работы участков сечения, удаленных от мест гиба;
3.Значение редуцированной площади, определенной МКЭ, превышает площадь аналогичного сечения, определенную по методике Еврокод 3 [2], на 28%;
4.Учет изменения свойств материала на участках гиба при определении редуцированной площади приводит к ее уменьшению на 0,9% по методике Еврокода 3 [2], на 3,8% по МКЭ.
Литература
1.Айрумян, Э. Л. Рекомендации по проектированию, изготовлению
имонтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО
конструкций «БалтПрофиль»/ Э. Л. Айрумян. – М.: ЦНИИПСК им. Мельникова, 2004. – 69 с.
2.Eurocode 3. Design of steel structures. EN 1993-1-3: Part 1-3: General rules. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting, Stage 34. European Committee for Standardisation, 2004. – 124 p.
3.Karman, Th. H. The strength of thin plates in compression/ Th. Karman, E. E. Sechler, L. H. Donnell// Transactions, ASME. – 1932. – P. 53-57.
4.Winter, G. Strength of thin steel compression flanges/ G. Winter // Transactions. – 1947. – V. 112, Paper № 2305. – P. 527-554.
16
5.Koiter, W. T. A general theory for the interaction between local and overall buckling of stiffened panels/ W. T. Koiter, M. Pignataro // WTHD. – 1976. – № 83. – 49 p.
6.Winter, G. Strength of thin steel compression flanges/ G. Winter // Transactions. – 1947. – V. 112, Paper № 2305. – P. 527-554.
УДК 072
С.С. Жмаев
Аспекты архитектурно-планировочных решений высотных жилых зданий
Современные тенденции жилищного строительства в крупнейших городах России свидетельствуют о росте в этой отрасли доли высотных зданий. Проектные решения с такими домами используются на вновь осваиваемых городских территориях и, в особенности, при реконструкции селитебных территорий с типовой и низкоэффективной жилой застройкой.
Но такой вид строительства в большинстве случаев пока носит экспериментальный характер и не имеет универсальных решений, которые могли бы заменять сложившуюся комплексную типовую застройку. Это связано с тем, что архитекторы и инженеры сталкиваются с наличием пробелов в нормативной базе, а также совокупностью целого ряда аспектов: конструктивных, инженерных, функциональных, экономических, градостроительных, инсоляционных, требований пожарной безопасности и комфортных условий пребывания жильцов в таких домах.
На сегодняшний день в крупнейших городах России уже сформировались некоторые принципы конструктивных решений. В первую очередь, это возведение зданий с железобетонным каркасом, так как он имеет ряд преимуществ перед стальными конструкциями, прежде всего высокую огнестойкость. В условиях пожара железобетон способен сохранять несущую способность до 4 часов, что особенно важно в высотных зданиях.
Но сама технология строительства из монолитного железобетона и принимаемые конструктивные решения во многом уже устарели. Вопервых, большую часть высотных жилых зданий составляют отдельно стоящие дома точечной застройки башенного типа с жесткими планировочными решениями. Из-за неэффективности такой застройки, квартиры в них необоснованно дороги, нет необходимой инфраструктуры, отсутствуют возможности применения гибких планировочных решений в жилых помещениях.
Дома такой застройки представляют в плане прямоугольник со сторонами от 35 до 45 м, что применимо только в некоторых градостроительных ситуациях, квартиры имеют жесткую планировку, а
17
вертикальные межэтажные коммуникации, как правило, приходятся на этаж, значительно меньший по площади, чем пожарный отсек, предусмотренный нормативными документами. Подобная планировка представлена на рис. 1а. Конструктивная схема здесь ствольно-стеновая – дорогая и материалоемкая. А при размещении комплекса таких зданий, для выполнения требований инсоляции помещений их придется размещать на довольно большом расстоянии друг от друга, что в значительно степени уменьшит плотность застройки на дорогостоящей городской земле.
а) |
б) |
в)
Рис. 1. Планировочные решения высотных жилых зданий
На рис. 1б и рис. 1в представлено 2 вида планировок секционных домов коридорного типа. При таком решении есть резервы для увеличения площади этажа и количества квартир, располагающихся на нем. В первом случае использована неполная каркасная система, но с жесткой планировкой, а во втором – уже со свободной. Но в обоих
18
вариантах сохраняются основные недостатки: квартиры имеют ориентацию только на одну сторону света, значительную часть этажа занимают горизонтальные межквартирные коммуникации, большая протяженность здания. При этом ширина корпуса такого здания в основном составляет не более 15 метров. А для обеспечения конструктивной устойчивости здания необходимо выполнение соотношения наименьшей длины стороны здания к его высоте в диапазоне 1/5-1/8. В противном случае дороговизна конструктивных мероприятий, обеспечивающих жесткость и устойчивость, сделает здание нерентабельным. Соответственно, при таком виде планировочного решения необходимо учитывать, что увеличение ширины корпуса примерно на каждые 0,5 метра дает в итоге возможный прирост к зданию целого этажа. Также для уменьшения количества вертикальных межэтажных коммуникаций целесообразно использовать, как минимум по 2 секции. При этом лестнично-лифтовой узел с типом лестницы Н2 может быть общим на 2 пожарных отсека (2 секции).
На российском рынке уже достаточное количество компаний освоило и применяет технологии монолитного преднапряженного железобетонного строительства. В некоторых источниках конструктивная схема на основе такой технологии называется безригельным преднапряженным каркасом (БПК).
Соотношение пролета здания к толщине перекрытия из преднапряженного бетона более чем в 1,5 раза больше, чем у зданий из обычного бетона (рис. 2). Это значит, что при приведенной толщине плиты перекрытия 25 см длина пролета в здании с преднапряженным бетоном составляет около 11 м, тогда как при той же толщине плиты перекрытия пролеты здания в традиционном исполнении едва ли достигнут 7 м.
Рис. 2. Соотношение длины пролѐта и |
Рис. 3. Расход бетона в каркасе здания в |
толщины перекрытия в зданиях с |
зависимости от длины пролета при |
применением обычного и |
применении обычного и |
преднапряженного железобетона |
преднапряженного железобетона |
В монолитном строительстве, особенно в каркасном, расход товарного бетона во многом зависит от толщины перекрытия. Поэтому изменения показателей расхода бетона (рис. 3) и толщины перекрытия
19
(рис. 2), в зависимости от длины пролета, получаются аналогичными. Строительство с применением преднапряженного каркаса позволяет сокращать расход бетона по сравнению со строительством на базе традиционного монолитного каркаса. Причѐм экономия в расходе бетона возрастает с увеличением пролетов здания (рис. 3).
Что касается второго по значимости показателя материалоѐмкости расхода арматурной стали, то здесь наблюдается кардинальное улучшение положения. Как видно из графика (рис. 4), при 6-метровом шаге колонн расход стали в каркасе для обычного и преднапряженного бетонов составляет около 21 и 16 кг, соответственно. При увеличении пролетов до 9 м расход стали для обычного бетона возрастает до 41 кг, а для преднапряженного он не превышает 24 кг, что в очередной раз подтверждает существенное преимущество преднапряженного бетона.
Оценка технико-экономических показателей строительства с применением проектов серии БПК выявляет исключительно положительные результаты использования в несущих конструкциях здания преднапряженного железобетона. Благодаря существенному ресурсосбережению, в некоторых случаях удается снизить общий вес здания до 40%, что логически приводит к сокращению затрат на возведение монолитного каркаса здания до 35% (рис. 5).
Рис. 4. Расход арматуры в каркасе здания в |
Рис. 5. Экономия в стоимости возведения |
зависимости от длины пролета при |
монолитного каркаса в результате |
применении обычного и |
применения проектов серии БПК на базе |
преднапряженного железобетона |
преднапряженного бетона |
Среди противопожарных требований следует отметить, что в соответствии с МГСН 4.19-2005 высотное здание следует разделять на горизонтальные и вертикальные пожарные отсеки. Наибольшая площадь этажа между противопожарными стенами может быть 2000 кв. м (для жилых помещений). Площадь пожарного отсека стилобатной части не может превышать 3000 кв. м. А по высоте каждый пожарный отсек должен быть не более 50 м (16 этажей). Все пожарные отсеки должны быть разделены противопожарными преградами первого типа и иметь дверные проемы так же первого типа. По вертикали пожарные отсеки должны разделять технические этажи, на которых располагается требуемое пожарное оборудование, объектовые пункты пожаротушения и резервуары
20
с водой и другие емкости с огнетушащими веществами для обеспечения работы спринклерной системы пожаротушения и других систем автоматизированного предупреждения и пожаротушения.
Каждый пожарный отсек должен иметь не менее двух незадымляемых лестничных клеток и по СП 1.13130.2009 среди них должно быть не более 50% типа Н2 (с принудительным подпором воздуха) или Н3 (с входом через тамбур-шлюз с подпором воздуха во время пожара), а остальные типа Н1 (с входом через незадымляемую наружную воздушную зону). При этом они должны быть эвакуационными и вести наружу. Так же с них должен быть выход на покрытие здания, где размещается площадка для эвакуации людей с помощью вертолѐта. Зазор между маршами самой лестницы принимается не менее 120 мм.
При выходе лестницы типа Н2 в вестибюль следует также предусматривать тамбур-шлюзы с подпором воздуха. Из подземной части здания должно устраиваться не менее двух лестниц типа Н3, ведущих непосредственно наружу. В жилом доме на пути от квартиры до лестничной клетки типа Н1 должно быть не менее двух последовательно расположенных самозакрывающихся дверей (не считая дверей из квартиры). При этом расстояние от дверей квартиры до ближайшего эвакуационного выхода не должно превышать 12 м.
Важное влияние на принимаемые архитектурно-планировочные решения оказывают инженерные системы здания (водоснабжение, канализация, отопление, вентиляция). До сих пор даже новые жилые здания подключают в основном к системам центрального отопления Это во многом ограничивает применение свободных планировочных структур в жилых помещениях, так как расположение стояков и радиаторов вынуждает выполнять дополнительные дорогостоящие отделочные работы, чтобы скрыть их.
В европейских государствах многие жильцы уже давно отказались от использования водяного отопления. Российские компании так же предлагают альтернативные способы обогрева помещений. Наиболее эффективными являются поквартирные, при которых жильцы могут настроить систему индивидуально для каждого помещения и платят только за то, чем действительно пользуются. Есть несколько таких видов отопления: нагрев пола, нагрев воздуха, инфракрасный обогрев.
Все это говорит о том, что перед отечественными проектировщиками стоит сложнейшая задача по разработке и предложению таких архитектурно-планировочных решений, которые могли бы учитывать особенности современного высотного жилого строительства.