» » Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

18.04.2016

Нормативная спектральная кривая (график β в СНиП СССР, кривая С в Коде США и т. п.) порождает тенденцию предпочтительного отношения к гибким конструктивным решениям зданий. Стремление по возможности уменьшить сейсмическую нагрузку, например, при проектировании каркасных зданий приводит к применению таких приемов, как маятниковая подвеска стеновых панелей к стойкам каркаса, вынос за его пределы каменных стен и т. п.
Такой подход к решению задачи по обеспечению необходимой сейсмостойкости здания представляется нам односторонним, поскольку он основан на рассмотрении лишь одной части исходных условий этой задачи, а именно — силового воздействия. Между тем, сохранность здания при землетрясении зависит не только от величины действующих сейсмических сил, но и от способности несущих конструкций здания сопротивляться этим силам. Поэтому эффективность любого изменения в конструктивном решении здания должна оцениваться по результатам сопоставления соответствующих изменений в сейсмической нагрузке и несущей способности здания. Разумеется, такой анализ должен производиться с учетом экономических показателей здания.
Заполнение ячеек каркаса каменной кладкой либо бетоном (преимущественно легким) приводит к заметному повышению жесткости здания и, как следствие, к росту расчетной сейсмической нагрузки. Вместе с тем, как было показано в предыдущих разделах книги, этот конструктивный прием обеспечивает существенное (доходящее до 10 и более раз) повышение сопротивляемости стен здания горизонтальным и вертикальным нагрузкам.
Интересную информацию по рассматриваемому вопросу дают расчеты, выполненные А.В. Триппелем. Им рассмотрено 12 конструктивных вариантов 4-этажных каркасных зданий с заполнением и без заполнения. Сечения элементов каркаса и марка бетона во всех вариантах были приняты одинаковыми, а жесткость заполнения менялась. Результаты определения сейсмической нагрузки по первой форме колебаний при расчетной сейсмичности 9 баллов и полезной нагрузке на перекрытия 300 кг/м2 приведены в табл. VII—1. Эти данные показывают, что максимум сейсмической нагрузки был получен для каркаса с заполнением (вариант I). Для «чистого» каркаса (варианты 3, 4, 5, 6) сейсмическая нагрузка оказалась меньше, соответственно, в 2,01; 1,85; 2,66 и 2,43 раза. В связи с этим А.В. Триипель замечает, что «резкое снижение сейсмических нагрузок при исключении заполнения из работы каркаса как бы подтверждает целесообразность строительства в сейсмических районах каркасных зданий с навесными панелями и с выносом заполнения за пределы каркаса. Ho такой вывод является преждевременным».
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Далее А.В. Триппель показывает (рис. VII—I), что введение заполнения в состав стен здания практически не отразилось на величине поперечной силы, приходящейся на рамы 1-го этажа здания, а на всех остальных этажах отмечалась существенная разгрузка элементов каркаса.
Наибольшая нагрузка на рамы каркаса 1-го этажа была получена при выполнении этого этажа гибким (варианты 7, 8).
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Чтобы иметь возможность судить о работе каркаса при поврежденном заполнении, относительная жесткость заполнения в описываемых расчетах менялась от 1 до 0 с градацией через 0,25 при постоянной вертикальной нагрузке. Эти расчеты показали (табл. VII—2), что с уменьшением жесткости здания в целом поэтажная поперечная сила снижается, однако нагрузка на рамы каркаса нижних этажей при этом почти не изменяется, а в верхнем этаже заметно возрастает. При полном выключении заполнения из работы нагрузка на рамы нижнего этажа по сравнению с вариантом каркаса с заполнением единичной жесткости уменьшилась на 12%, а на 2-м, 3-м и 4-м этажах увеличилась, соответственно, на 5, 15 и 50%.
Данные табл. VII—2 А. В. Триппель рассматривает как доказательство того, что здания, в которых заполнение исключено из работы каркаса, не имеют никаких преимуществ перед зданиями с жестким заполнением, тем более, что такое заполнение даже после появления в нем трещин способно нести значительную нагрузку.
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

В табл. VII—3 приведены результаты расчета 4- и 7-этажных зданий с одинаковой жесткостью нижних этажей. Эти данные указывают на незначительное различие в значениях поперечной силы, приходящейся на рамы нижних этажей этих зданий. Учет высших форм колебаний для 7-этажного здания привел к увеличению сейсмической нагрузки на 1-м этаже на 3%, а на 7-м этаже — на 19%.
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Расчетный материал, полученный А.В. Триппелем, позволяет, заключить, что сейсмостойкое здание в целом желательно проектировать гибким, а поэтажно — жестким. Гибкость здания, как известно, существенно зависит от его высоты, а поэтажная жесткость — от деформативных характеристик заполнения.
Рассмотрим рекомендации по проектированию каркасно-каменных зданий, содержащиеся в действующих нормативных документах.
Согласно «Руководству по проектированию жилых и общественных зданий с железобетонным каркасом, возводимых в сейсмических районах», каркасы проектируемых зданий могут быть решены в рамной системе, в которой горизонтальная нагрузка воспринимается в основном колоннами и ригелями каркаса или в виде рамно-связевой системы, в которой преобладающая часть нагрузки приходится на вертикальные диафрагмы жесткости. В соответствии с этим наружные ограждающие конструкции могут быть выполнены в виде заполнения, не участвующего либо участвующего в работе каркаса на горизонтальные нагрузки. В отдельных случаях принимаются самонесущие стены, опирающиеся на самостоятельные фундаменты. Высота таких стен ограничивается в зависимости от расчетной сейсмичности здания.
В качестве ограждающих конструкций, не участвующих в работе каркаса на горизонтальные нагрузки, рекомендуется использовать преимущественно навесные панели из легких материалов, что позволяет уменьшить собственный вес здания и, следовательно, сейсмическую нагрузку. Однако в «Руководстве» обращается внимание на то, что при значительной высоте и небольших размерах в плане здания с таким конструктивным решением отличаются повышенной деформативностью и, добавим, пониженными диссипативными характеристиками.
B качестве ограждающих конструкций, участвующих в работе каркаса, «Руководством» разрешено применение каменной кладки на растворе марки 25.
К сожалению, в этом документе не делается различия между каркасно-каменными зданиями I и II типа, а рекомендации по их проектированию сведены к минимуму.
Расчет сейсмической нагрузки

Согласно «Руководству», расчетное значение сейсмической нагрузки, соответствующее i-му тону собственных колебаний, определяется по формуле
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

где Sik — действующая в точке k расчетная сейсмическая сила, соответствующая i-му главному направлению (i-й форме собственных колебаний);
Qk — нагрузка, вызывающая инерционную сейсмическую силу, принятая сосредоточенной в точке k. Определяется в соответствии с указаниями п. 2. 3 "Руководства";
Kc — коэффициент сейсмичности. При расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов принимается равным, соответственно, 0,025, 0,05 и 0,1; для 5—9-этажных зданий значения Кс увеличиваются умножением на коэффициент [1+0,1 (n—5)], где n — число этажей;
βi — коэффициент динамичности, соответствующий i-й форме собственных колебаний здания, определяется в зависимости от периода собственных колебаний здания по формуле
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

ηik — коэффициент, определяемый в зависимости от формы деформаций здания при его собственных колебаниях по i-й форме и от места расположения нагрузки Qk согласно указаниям п. 2. 8 "Руководства".
В случае, если жесткость и масса здания незначительно изменяются по высоте и T1<0,5 сек, допускается при определении сейсмической нагрузки учитывать колебания только 1-го тона.
В «Руководстве» содержится указание о том, что сейсмическая
нагрузка на каркасно-каменное здание может быть определена с учетом повреждения заполнения. В этом случае коэффициент динамичности вычисляется по формуле
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

где βi — коэффициент динамичности каркаса с неповрежденным заполнением, определяется по формуле (VII-2);
λc — коэффициент, учитывающий повреждение заполнения. Для зданий высотой до 5 этажей определяется по графику на рис. VII-2 в зависимости от отношения величин периодов собственных колебаний здания без учета (Т0) и с учетом (Ti) жесткости заполнения.
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

При расчете сейсмических сил с учетом повреждения заполнения масса последнего принимается во внимание. Таким образом, сейсмическая нагрузка на каркасно-каменное здание с поврежденным заполнением, подсчитанная по методике, рекомендуемой «Руководством», всегда будет меньше, чем для такого же здания с неповрежденным заполнением, и больше, чем для каркасного здания без заполнения. Такая методика расчета сейсмических сил согласуется с результатами экспериментального определения жесткости каркасно-каменных зданий и их моделей н,а разных стадиях работы под нагрузкой.
Расчет прочности каркасно-каменных зданий

Описанная выше методика определения сейсмической нагрузки рекомендуется «Руководством» преимущественно для случаев выполнения заполнения из кладки III категории сейсмостойкости. При этом указывается, что сейсмические силы, подсчитанные с учетом повреждения заполнения, должны восприниматься только элементами каркаса, то есть заполнение из работы на горизонтальную нагрузку полностью выключается.
Столь осторожный подход к расчету прочности каркасно-каменных зданий на определенном этапе исследования их работы под нагрузкой вполне закономерен.
По мере накопления информации о поведении изучаемой конструкции при силовом воздействии происходит совершенствование методов ее расчета. He случайно многие ведущие специалисты в области теории расчета конструкций называли коэффициент запаса прочности, -фигурировавший в методе расчета конструкций по разрушающим нагрузкам, коэффициентом «незнания». Меньшему объему информации о характере работы конструкции под нагрузкой, как правило, соответствовало большее значение этого коэффициента.
В настоящее время о поведении стен каркасно-каменных зданий на различных стадиях их работы под нагрузкой накоплен довольно большой объем сведений. Опыты, выполненные многими отечественными и зарубежными авторами, несмотря на подчас существенные различия в методике их осуществления, каждый раз приводили к выводу о том, что повреждение заполнения при неповрежденном каркасе сопровождается падением жесткости каркасно-каменной стены, но не снижает ее несущей способности. Этот вывод, очевидно, должен быть положен в основу метода расчета каркасно-каменных зданий при сейсмическом воздействии.
Исходя из принципа, что во всех случаях повреждение заполнения должно опережать разрушение каркаса, сечения элементов последнего, очевидно, следует проверять на действие не только расчетной горизонтальной нагрузки (Qi), но и той (Nri), которую может выдержать рассматриваемый участок стены при фактически установленной прочности сцепления в кладке и заданной вертикальной нагрузке. Естественно, что при этом должно соблюдаться условие Qi<Nт. Вряд ли, при отсутствии обоснованных методов оценки прочности каркасно-каменных стен с поврежденным заполнением, следует допускать в расчете возможность появления этих повреждений при расчетных значениях сейсмической нагрузки, которые, к тому же, иногда оказываются ниже фактической нагрузки, возникающей при землетрясениях. В порядке исключения, при выполнении определенных условий, можно допускать повреждение отдельных участков заполнения, о чем будет сказано ниже.
Выполненные примеры расчета стен нескольких зданий показывают, что подобранная таким путем площадь поперечного сечения рабочей арматуры элементов каркаса редко выходит за пределы, устанавливаемые расчетом на основные сочетания нагрузок и конструктивными соображениями. Тем не менее, для того чтобы убедиться в отсутствии противоречий между намечаемым принципом расчета стен каркасно-каменных зданий и экономическими требованиями, необходимо выполнить более широкие проектные изыскания. Только после этого можно будет окончательно решить вопрос о приемлемости этого принципа.
При расчете прочности каркасно-каменных панелей с проемами, заполнение которых представлено узкими простенками и широкими участками кладки, может оказаться, что в какой-нибудь панели расчетное состояние узкого простенка наступает при горизонтальной нагрузке на панель Nт1, значительно меньшей нагрузки Nт2, вызывающей повреждение широкого участка кладки. В этом случае целесообразно определить новое значение Nт2 при коэффициенте проемности панели, вычисленном без учета площади поперечного сечения узкого простенка. Если при этом снова окажется, что Nт1 < Nт2, то наличием в заполнении узкого простенка можно пренебречь, допустив тем самым его разрушение.
В настоящее время ЦНИИСК им. В.И. Кучеренко при участии ряда других организаций приступил к переработке «Руководства по проектированию жилых и общественных зданий с железобетонным каркасом, возводимых в сейсмических районах». Полагаем, что результаты изучения поведения стен каркасно-каменных зданий под нагрузкой, полученные в последние годы, найдут отражение в новой редакции «Руководства».
Пока же действующая методика расчета каркасно-каменных зданий ставит их в невыгодные условия по сравнению с «чисто» каркасными зданиями, поскольку при формально одинаковой расчетной несущей способности сейсмическая нагрузка на каркасные здания всегда будет меньше, чем на каркасно-каменные.
В случаях, когда заполнение каркасно-именных стен выполняется из кладки I или II категории сейсмостойкости, расчет зданий может выполняться по методике, изложенной в брошюре. Согласно этой методике, сейсмическая нагрузка на здание определяется без учета повреждения заполнения, однако при этом она распределяется не только на элементы каркаса, но и на заполнение.
Расчетная несущая способность заполнения i-той панели при действии горизонтальной силы определяется по формуле:
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

где Rср — касательное сцепление в кладке заполнения;
f — коэффициент трения (для кладки из сплошного кирпича и сплошных камней f=0,7*0,8=0,56; для кладки из многодырчатого кирпича f = 0);
li, di — длина и толщина заполнения;
λпн — отношение длины заполнения к высоте;
γ'пр — коэффициент, учитывающий влияние проемов на прочность заполнения; для глухих панелей γ'пр=1; при наличии проемов вычисляется по формуле:
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

применимой при следующих ограничениях:
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

где lпр, hпр — ширина и высота проема.
В СНиП II-B. 2—62 содержалось указание о том, что «учет несущей способности заполнений с проемами в работе каркасной стены допускается в том случае, если в рассматриваемом ярусе каркасной стены кроме заполнений с проемами имеется не менее 30% (от количества панелей каркаса) сплошных заполнений». В СНиП II-B. 2—71 это указание отсутствует, однако оно включено в «Руководство по проектированию каменных и армокаменных конструкций».
На наш взгляд, это очень жесткое требование, ставящее проектировщиков в весьма затруднительное положение, в свое время явилось следствием недостаточно полной изученности работы каркасно-каменных стен (особенно II типа) под нагрузкой.
За время, прошедшее с момента официального появления этого требования, объем наших знаний о конструктивном сочетании железобетонного каркаса и заполнения в виде каменной кладки существенно возрос. Появилась возможность расчетным путем оценивать эффективность этого сочетания при различных параметрах составляющих элементов. Очевидно, в такой ситуации необходимость в сохранении рассматриваемого требования отпадает.
В последние годы вопросы проектирования и строительства каркасно-каменных зданий получили отражение в республиканских строительных нормах ряда республик, ведущих сейсмостойкое строительство. Коротко рассмотрим основные указания по проектированию таких зданий, содержащиеся в этих нормативных документах.
Рекомендации по разработке конструктивно-планировочных решений зданий

Применение разнообразных способов усиления каменной кладки по существу приводит к различным конструктивным решениям зданий, для стен которых используется природный или искусственный камень. Каждому из таких решений присуща своя область наиболее рационального применения.
Согласно республиканским строительным нормам Молдавии — PCH 10-73, каменные здания по конструктивному признаку классифицируются на:
а) здания с неусиленной кладкой стен;
б) здания с армокаменными стенами;
в) здания со стенами комплексной конструкции;
г) комбинированные здания;
д) каркасно-каменные здания I и II типов.
Одним из важных вопросов проектирования сейсмостойких зданий является выбор их высоты (этажности).
В начале книги мы отмечали тенденцию к повышению этажности городских застроек во всех районах страны, в том числе и в сейсмических. В известной мере это стремление отразилось и на каменных зданиях. В настоящее время в крупных городах объем строительства трех- и даже четырехэтажных каменных зданий резко снизился. Преимущественное распространение получили пятиэтажные здания, а в таких республиках, как Молдавия, Азербайджан, Армения, где основным стеновым материалом является природный камень, все чаще можно встретиться с примерами его использования в зданиях повышенной этажности. Стены таких зданий, как правило, решаются в виде сочетания монолитного (реже сборного) железобетонного каркаса и каменной кладки (рис. VII—3).
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

В PCH 184—70 и PCH 10—73 высота каркасно-каменных зданий II типа при расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов ограничивается, соответственно, 9-ю, 7-ю и 5-ю этажами. Эти же нормы не допускают возведения зданий с другими конструктивными решениями выше 5-этажей (таб. VII—4). Такое положение, с одной стороны, отражает определенное преимущество органического сочетания железобетонного каркаса и каменной кладки перед другими распространенными способами ее усилия, с другой стороны, ограничивает область применения этого решения пределами, продиктованными сегодняшним уровнем наших знаний о работе каркасно-каменных зданий повышенной этажности в динамическом режиме. Разумеется, не исключено, что по мере накопления сведений по этому вопросу окажется возможным повышение предельной этажности здании. Такая информация может быть получена, в частности, при проведении натурных динамических испытаний зданий с помощью мощных вибромашин.
В отношении конфигурации и размеров в плане каркасно-каменные здания должны удовлетворять требованиям, предъявляемым СНиП II—А. 12—69 к группе каркасных зданий.
При компоновке здания стойки каркаса следует располагать преимущественно в сопряжениях капитальных стен. В отдельных случаях целесообразно предусматривать стойки у граней широких проемов, а в зданиях повышенной этажности — дополнительные стойки на первых этажах с целью уменьшения толщины стен.
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Согласно PCH 10—73 шаг стоек каркаса рекомендуется назначать в пределах от 3 до 7 м. Причем в заполнении между двумя стойками разрешается предусматривать не более двух проемов, размеры которых так же, как и размеры простенков, должны удовлетворять требованиям СНиП II—А. 12—69.
В этих нормах указано, что при проектировании каркасно-каменных зданий следует стремиться к тому, чтобы на каждом этаже в продольном и в поперечном направлении не менее 15% панелей каркаса имели оплошное заполнение, причем симметрично расположенное относительно главных осей здания. Как показал опыт проектирования каркасно-каменных зданий, рекомендация эта вполне выполнима.
Как правило, стойки железобетонного каркаса следует проектировать квадратного сечения со стороной квадрата равной толщине стены, но не менее 40 см. При толщине стен свыше 40 см нормы допускают устройство стоек прямоугольного сечения с меньшим размером 40 см при большем, равным толщине стены.
Обычно оси стоек должны совпадать с центральными плоскостями заполнения. Отступление от этого принципа допускается при облицовке поверхностей стоек плитками из керамики, декоративного бетона или природного камня (рис. VII—4).
Стойки каркаса следует армировать симметрично относительно обеих главных осей сечения стержнями диаметром не менее 14 мм. На нижних этажах зданий повышенной этажности минимально допустимый диаметр продольной арматуры стоек следует повысить до 20 мм.
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Максимально допустимый шаг поперечных стержней в стойках ах), установленный нормами, принимается равным 15 d в вязаных каркасах и 20 d — в сварных (d — диаметр продольных стержней). При этом величина ах не должна превышать меньшего размера поперечного сечения стойки. На участке длиной по 80 см в стороны от узлов каркаса величина ах устанавливается не более 20 см.
Последнее требование основано на наблюдениях за характером разрушения железобетонных рам каркасно-каменных панелей при испытании на перекос. Здесь уместно напомнить, что при испытаниях многопанельных образцов стен, как правило, происходил срез по косому сечению средних стоек каркаса примерно посредине их высоты. Этот факт указывает на целесообразность постановки в этих местах каркаса дополнительной поперечной арматуры.
Ригели каркаса следует располагать в уровнях перекрытий и покрытия здания по всему периметру капитальных стен. В отличие от стоек каркаса ригели могут выполняться из сборно-монолитного железобетона, при условии обеспечения совместной работы сборных и монолитных частей и надежного соединения их с кладкой заполнения. В этой связи в PCH 10—73 содержится указание о том, что конструкция сборно-монолитных ригелей должна быть такова, чтобы при их выполнении не менее 80% площади поперечного сечения стен оказывалось в контакте с монолитным железобетоном. Пример такого конструктивного решения рассмотрен в следующем разделе данной главы.
В многоэтажных зданиях ширина сечений ригелей обычно назначается равной толщине стен, а высота — в зависимости от результатов расчета и в увязке с конструкцией элементов перекрытий.
Армировать ригели следует двойной арматурой, схема расположения и площадь поперечного сечения которой определяются в соответствии с результатами расчета здания на основные и особые сочетания нагрузок, а также с учетам конструктивных особенностей ригелей и технологии их изготовления. Шаг полеречных стержней задается в результате расчета ригелей на перерезывающие усилия, при этом Oih не должен превышать половины высоты сечения ригеля.
При включении в состав ригелей сборных железобетонных элементов узловые участки каркаса предусматриваются, как правило, из монолитного железобетона (рис. VII—5).
Основные принципы проектирования каркасно-каменных зданий

Для осуществления вентиляции в каркасно-каменных зданиях целесообразно использовать универсальные трехканальные железобетонные вентиляционные блоки, предназначенные для зданий любой этажности. Такие блоки органически входят в состав стен и соединяются с кладкой и элементами каркаса при помощи выпусков арматуры и закладных деталей. В этом случае ригели каркаса в местах прохождения через них вентиляционных каналов необходимо усиливать дополнительными стержнями.
Желательно вентиляционные блоки использовать в качестве дополнительных вертикальных элементов железобетонного каркаса, например, располагая их у граней проемов.
В материалах глав III и V содержится достаточно большой объем экспериментальных данных, указывающих на то, что проемы в заполнении заметно снижают сопротивление каркасно-каменных стен горизонтальной нагрузке и что снижение это в значительной мере может быть компенсировано за счет загружения стен вертикальной нагрузкой. Исходя из этого, можно заключить, что в зданиях протяженных в плане несущими должны быть продольные стены, поскольку они наиболее изрезаны проемами.
Если и в этом случае несущая способность отдельных панелей (наиболее вероятно — верхнего этажа), определенная по результатам расчета узких простенков, окажется недостаточной, то такие простенки необходимо усилить вертикальной арматурой. При этом обязательно выполнение следующих условий. Во-первых, концы вертикальных стержней должны быть надежно заанкерены в ригелях каркаса, во-вторых, сами стержни не должны иметь изгибов по длине, а располагать их в простенках следует по возможности ближе к плоскостям, ограничивающим проемы.
В зданиях точечного типа перекрытия желательно выполнять из плит, опертых по контуру. Это позволит достичь примерного равенства жесткости и прочности здания в направлении обеих главных осей, что весьма желательно с точки зрения обеспечения его сейсмостойкости.