РАБОТА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ПОД НАГРУЗКОЙ

С ростом высоты резко возрастает влияние горизонтальных нагрузок на здание. При этом горизонтальные деформации (прогибы здания) сильно возрастают. Поэтому решающими становятся требования к жесткости несущих конструкций. Оптимизация проектирования здания требует получения максимальной жесткости при минимальном весе. Общая прочность остова здания и его устойчивость к различным внешним воздействиям зависят в первую очередь от прочности и дефор- мативности конструктивных систем [4; 14; 15; 16].

В результате возникает необходимость найти решения, наиболее рациональные для заданного диапазона высот.

Здания с несущими стенами

Конструкции несущих стен исторически выполнялись из кирпичной кладки большой толщины. Препятствием их использования для высотных зданий были большой вес и негибкая планировка в плане. Но развитие новых методов кладки, применение сборных железобетонных панелей сделало экономичным строительство зданий повышенной этажности с несущими стенами. Это особенно выгодно для зданий с частым членением внутреннего пространства (например, жилые дома). Варианты расположения стен во многом зависят от внешнего облика и планировки зданий.

Но при этом необходимо учесть, что стеновые здания не бывают высотными. Их обычная высота составляет 10-20 этажей (т. е. около 60 м).

Несущие конструкции этих зданий представляют собой комбинацию плоских стен. Здания с несущими стенами можно разделить на три основные группы (в зависимости от расположения этих стен);

- здание с поперечными несущими стенами (стены расположены поперек здания); при этом расположение несущих стен весьма незначительно влияет на архитектурный облик главного фасада;

• - здание с продольными несущими стенами (стены расположены по длине здания); вид наружной стены определяет архитектурный облик главного фасада;
• - здание с перекрестными несущими стенами (стены расположены в обоих направлениях); при этом пространственная жесткость и устойчивость здания резко увеличиваются.

Здания могут быть выполнены из отдельных секций. В каждой из них может быть свой вариант расположения несущих стен.

Схема работы здания определяется степенью взаимной связности стен и связями стен с плитами перекрытий. В зданиях с кирпичными и сборными железобетонными стенами междуэтажные перекрытия обычно шарнирно прикреплены к стенам. Монолитные плиты и стены, как правило, неразрезные.

Здание из железобетонных конструкций имеет гораздо большую пространственную жесткость, чем здание с кирпичными стенами и сборными железобетонными перекрытиями с шарнирными сопряжениями. Поэтому считается, что железобетон - более экономичный материал для высотных зданий.

Но при этом необходимо учитывать, что в зданиях с монолитными конструкциями расположение стен-диафрагм часто бывает таким, что равнодействующая давления ветра не совпадает с вертикальной осью жесткости здания, тогда возникает кручение здания и растут сдвигающие усилия в отдельных стенах (см. рис. 4.4). А в зданиях с кирпичными стенами асимметрия центров жесткости и равнодействующей внешних воздействий обычно весьма незначительна. Кроме того, сборные железобетонные плиты перекрытий обычно пустотные, и их собственный вес примерно в два раза меньше, чем вес сплошных неразрезных монолитных плит.

Вертикальные нагрузки от перекрытий передаются непосредственно на стены. Обычно расстояние между стенами (пролет) составляет 3,0-7,0 м (в зависимости от несущей способности и горизонтальной жесткости перекрытия). В связи с большими сжимающими напряжениями в стенах оконные проемы следует располагать друг над другом, по одной вертикали.

Горизонтальные воздействия на здание через перекрытия, работающие как горизонтальные диафрагмы, передаются на вертикальные стены-диафрагмы, параллельные направлению действия нагрузки. Стены-диафрагмы являются жесткими элементами и работают как высокие балки (консоли), заделанные в фундаменты. Они хорошо воспринимают сдвигающие усилия (рис. 4.1) и опрокидывающие моменты.

Рис. 4.1. Работа стен-диафрагм

При ветровых нагрузках на главные фасады здания с поперечными несущими стенами на эти стены передаются не только вертикальные нагрузки, но и сдвигающие усилия от ветра (рис. 4.2, а). Продольные стены воспринимают ветровые нагрузки и через жесткие перекрытия передают их поперечным стенам-диафрагмам (расположенным в центре и по торцам здания).

При ветровых нагрузках на торцевые фасады такого здания фрагменты продольных несущих стен (устраиваемые обычно вдоль центрального коридора) также работают как стены-диафрагмы.

Рис. 4.2. Положение несущих стен в здании: а - продольные; б - поперечные; в - перекрестные

При ветровых нагрузках на главные фасады здания с продольными несущими стенами, продольные стены воспринимают ветровые нагрузки и через жесткие перекрытия передают их поперечным стенам (устраиваемым обычно по торцам здания), которые также работают как стены-диафрагмы (рис. 4.2, б).

Устойчивость монолитных зданий обеспечивается жестким (рамным) сопряжением стен и перекрытий (рис. 4.3). Такие здания работают как жесткий замкнутый блок, изгибаемый внешними усилиями.

Рис. 4.3. Ветровое давление совпадает с центром жесткости

Рис. 4.4. Несовпадение ветрового давления с центром жесткости

Стены в зданиях на рис. 4.2, в симметричны, и результирующая равнодействующая внешних нагрузок совпадает с вертикальной осью жесткости здания. Если несущие стены в здании несимметричны, то часто ветровое давление не совпадает с осью жесткости несущих стен (рис. 4.4). Тогда в здании возникают крутящие усилия и нежелательные сдвигающие напряжения в отдельных стенах.

Работа стены-диафрагмы при горизонтальных нагрузках сильно зависит от ее жесткости, ее формы в плане, от сил инерции, возникающих при ее изгибе. Самые распространенные формы стен-диафрагм приведены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Характерные формы стен-диафрагм

Обычно стены-диафрагмы ослаблены проемами (оконными или дверными - рис. 4.6). Поэтому на их работу под нагрузкой сильно влияют количество, размеры и места расположения этих проемов. В случае применения железобетонных диафрагм по контуру устраиваемых отверстий устанавливается дополнительное армирование - усиление.

Если в стене устроен вертикальный ряд небольших оконных проемов (рис. 4.6, а), то она воспринимает горизонтальные нагрузки как сплошная (без серьезного учета проемов). Вертикальные сжимающие напряжения в стенах настолько велики, что напряжения от изгиба (при ветровых нагрузках) никогда не могут превысить напряжений сжатия.

Аналогично ведут себя стены при расположении дверных проемов в шахматном порядке (рис. 4.6, б). В этом случае стена работает как единое целое.

Если ряд проемов делит стену на две отдельные конструкции (рис. 4.6, д, е), то каждая из них воспринимает нагрузку

Рис. 4.6. Напряжения в основаниях вертикальных стен

как самостоятельная стена. В этом случае вертикальные (постоянные) нагрузки относительно небольшие, и нагрузки от ветра могут вызвать растягивающие напряжения в стене.

Если проемы в стенах расположены неудачно или имеют значительные размеры (рис. 4.6, в, г), то предугадать реакцию такой стены очень трудно. Ее работа зависит от суммарной жесткости обвязочных балок, их способности к деформированию и других факторов.