Бетон стал универсальным строительным материалом и более подходящими конструктивными формами, такими как сдвиговые стены и трубчатые конструкции. Высокие характеристики мертвой нагрузки не ограничены высотой бетонного здания. В противном случае, мертвая нагрузка от бетона имеет тенденцию быть более значительной в минимизации прогиба и вибрации пола, а также проблемы нестабильности.
Высокое здание не может быть определено в конкретных терминах, связанных с высотой или количеством этажей. Здание считается высоким, когда на структурный анализ и проектирование влияют боковые нагрузки. Боковые нагрузки начинают доминировать в структурной системе и приобретают все большее значение в общей системе здания при увеличении высоты здания.
Влияние вертикальной нагрузки и боковых нагрузок на здание весьма разнообразно и быстро возрастает с увеличением высоты. Прочность, жесткость и устойчивость – три основных фактора, которые необходимо учитывать при проектировании таких конструкций. В принципе, есть два способа удовлетворить эти требования: увеличить размер элемента для достижения требуемой прочности или изменить форму конструкции, сделав ее более жесткой и устойчивой.
Классификацияклассификация систем высотных зданий
Основная важная роль структурной системы высотного здания заключается в сопротивлении боковой нагрузке. Иерархия формирования систем может быть грубо классифицирована в зависимости от относительной эффективности сопротивления боковым нагрузкам. Так или иначе, в 1984 году была разработана методология каталогизации высотных зданий по их структурной системе. Тогда была принята схема классификации, включающая четыре различных уровня деления, ориентированного на каркас (Falconer and Beedle, 1984). Для высотных зданий обычно используются каркасная система с консолями, система рам с сопротивлением моменту, система сдвиговых стен, система стержней и выносных элементов, а также трубчатая система.
Разработка высотных зданий типа “труба в трубе
Здание “труба в трубе” представляет собой комбинацию сдвигаемой стены и каркасной трубы с близко расположенными колоннами и глубокими эстакадами. Эта система общепризнана как очень эффективная конструктивная система для высоких зданий. Простота системы труб была впервые представлена покойным доктором Фазлуром Ханом из архитектурной и инженерной фирмы Skidmore, Owings and Merrill. В трубчатой системе необходимо было использовать только самые основные элементы конструкции, а именно балки и стратегическое расположение колонн. Что еще более важно, так это то, что она не требует нового метода анализа.
Трубчатая конструкция в высотных сооружениях является эффективной системой, поскольку изгибные и поперечные нагрузки поддерживаются трехмерно на поверхности фланцев и полотна конструкции. Анализ трубчатых конструкций должен быть основан на трехмерном анализе с использованием конечных элементов.
Внедрение трубчатой системы произвело революцию в проектировании высотных зданий. Эффективность боковой прочности и жесткости этой системы обусловлена использованием одной только наружной стены в качестве ветроустойчивого элемента, чтобы все здание действовало как полая труба, консольно выступающая из земли. По сути, система стремится создать структуру трубчатой формы благодаря наружной стене вокруг здания. Внутри здания обычно оборудуется служебное ядро для размещения лифтов, аварийных лестниц, электрического и механического оборудования. Затем стены ядра становятся дополнительной жесткостью для здания, действуя как вторая труба внутри внешней трубы.
Каркас, состоящий из вертикальных колонн, обычно располагается по бескомпромиссной сетке в двух перпендикулярных направлениях по всему периметру наружной части здания, образуя периметральную трубу. Поскольку всю боковую нагрузку воспринимает периметральная рама, внутренний план этажа остается относительно свободным от больших колонн для увеличения чистой арендопригодной площади здания. Труба стала рабочей лошадкой в системе высотного строительства, поскольку она минимизирует структурную премию за боковую прочность и жесткость, одновременно учитывая последние тенденции в архитектурных формах.
Поведение трубы в высотном здании
Жесткость системы полых труб значительно повышается за счет использования сердечника не только для гравитационных нагрузок, но и для сопротивления боковым нагрузкам. Структура перекрытия связывает наружные и внутренние трубы вместе, и они реагируют на боковые нагрузки как единое целое. Реакция системы “труба в трубе” на ветер аналогична реакции каркасной конструкции и конструкции со сдвигаемыми стенами. Однако каркасная наружная труба намного жестче, чем жесткая рама. На следующем рисунке 2.1 показано, что наружная труба противостоит ветру в верхней части здания, в то время как сердечник несет основную нагрузку в нижней части.
( a ) Деформационная форма каркаса; ( b ) Деформационная форма сдвигаемой стены; ( c ) Форма деформации композитной конструкции
Стена прогибается в режиме изгиба с вогнутостью вниз по ветру и максимальным наклоном в верхней части, в то время как рама прогибается в режиме сдвига с вогнутостью вверх по ветру и максимальным наклоном в основании (Smith and coull, 1991). Когда рама и стена работают как составная конструкция, форма прогиба имеет профиль изгиба в нижней части и профиль сдвига в верхней части. Осевые силы заставляют стену удерживать раму у основания, а раму удерживать стену в верхней части.
На рисунке 2 показаны типичные кривые прогиба, момента и сдвига стеновой каркасной конструкции. Кривая прогиба и кривая момента стены показывают обратную кривизну с точкой перегиба, выше которой момент стены противоположен по смыслу моменту свободной консольной конструкции (рис. 2a и 2b). На рисунке 2c показано, что сдвиг приблизительно равномерен по высоте рамы, за исключением основания, где он уменьшается до незначительной величины. В верхней части, где внешний сдвиг равен нулю, рама подвергается значительному положительному сдвигу, который уравновешивается равным отрицательным сдвигом в верхней части стены, с соответствующей сосредоточенной силой взаимодействия, действующей между рамой и стеной.
Типичная деформация трубы в трубчатом здании. ( a ) Типичная диаграмма прогиба нагруженной сбоку стеновой каркасной конструкции; ( b ) типичная диаграмма моментов для компонентов стеновой каркасной конструкции; ( c ) типичная диаграмма сдвига для компонента стеновой каркасной конструкции.
Преимущества труб в трубчатых высотных зданиях
Концепция труб имеет множество существенных преимуществ перед другими каркасными системами не только по причинам экономичности и эффективности, но и по конструктивным причинам, таким как:
- Расположение ветрозащитной системы по периметру здания означает, что максимально используется общая ширина здания для противодействия опрокидывающим моментам.
Некоторые важные факторы, присущие построению концепций труб
Трубчатая концепция сама по себе не гарантирует жесткость каркаса, достаточную для удовлетворения ограничений по прогибу и вибрации. К счастью, в большинстве случаев по периметру здания имеется достаточно места для использования глубоких балок и широких, близко расположенных колонн.
Если колонны не находятся внутри фасада здания, могут возникнуть серьезные проблемы, связанные с влиянием разницы температур на колонны здания.
Диафрагма перекрытия становится жизненно важным элементом, и она необходима не только для распределения ветровых сил на боковые стены трубы, но и для обеспечения боковой поддержки всех колонн.
Реакция вертикальной и горизонтальной составляющих под действием ветровой нагрузки
Одной из основных отличительных характеристик высокого здания является необходимость противостоять большим боковым силам, возникающим при ветре или землетрясении. Система сопротивления ветровой нагрузке должна делать это, и в то же время должна предотвращать чрезмерные прогибы или ускорения и способствовать обеспечению устойчивости. Боковая система обычно считается эффективной, если обеспечение сопротивления боковой нагрузке не увеличивает размеры перекрытий и колонн сверх тех, которые требуются для гравитационных нагрузок.
Боковые нагрузки на это здание возникают в основном от воздействия ветрового давления, и их величина увеличивается с высотой здания. Системы сопротивления боковым нагрузкам должны не только обладать достаточной прочностью и жесткостью против боковых нагрузок, но и быть способными противостоять тенденциям к неустойчивости из-за опрокидывания, скольжения и подъема.
Основная конструкция является одной из основных систем сопротивления боковым нагрузкам для высотного здания типа “труба в трубе”. Она расположена по центру плана здания, а коммуникации проходят по всему зданию в шахтах. Плита, которая опирается на ядро, должна иметь достаточные боковые размеры, чтобы предотвратить опрокидывание ядра под действием боковых нагрузок.
Выбор больших колонн с глубокими балочками, очевидно, обеспечивает необычайную жесткость внешней трубы, которая, взаимодействуя с ядром, приводит к гораздо меньшему прогибу под действием ветровой нагрузки. Затем, очень высокое здание нуждается в жесткости для противодействия боковым ветровым нагрузкам. Общая стратегия передачи боковых нагрузок заключается в том, чтобы собрать все боковые нагрузки, действующие на фасад, и передать их в горизонтальном направлении по плоскостям через уровни этажей на главный элемент сопротивления боковой нагрузке в центре здания. В вертикальном направлении нагрузка передается по кратчайшему пути до передачи на фундамент. Стратегия преодоления эффекта опрокидывания заключается в использовании мертвой нагрузки ядра для противодействия воздействию боковой нагрузки.
Боковая нагрузка, передаваемая на плоскости перекрытий вторичной системой, сначала воспринимается первичными колоннами и распорными балками на фасаде. Затем нагрузки передаются по горизонтали через систему перекрытий, действующую как диафрагма, на центральное ядро. Ветровая нагрузка сначала воспринимается остеклением фасада и распорными балками, проходящими между основными колоннами. Часть нагрузки передается на основные колонны, которые принимают нагрузку непосредственно вниз, а остальная часть передается на плиты перекрытия и затем в ядро, где она будет передана на фундамент. Конструкция перекрытия действует как горизонтальная диафрагма и посредством горизонтального сжатия передает нагрузку на ядро. Таким образом, перекрытия этого высокого здания должны обладать достаточной жесткостью и прочностью, чтобы действовать как диафрагма для передачи и распределения горизонтальных сил на другой вертикальный элемент в высоких зданиях.
Явление сдвига, вызванное боковой нагрузкой трубы в трубе Высокое здание
Настоящая консольность трубы для высокого здания имеет большое значение для сопротивления всем боковым нагрузкам на наружные стены. Чтобы легко проиллюстрировать поведение каркасной трубы при воздействии боковых нагрузок (рис. 3a), если труба нагружена со стороны AB, то все рамы (фасады) AB и CD называются фланцевыми рамами, а рамы AD и BC – полотняными рамами. Когда каркасная труба находится под боковой нагрузкой, можно обнаружить, что сила в угловой колонне намного больше, чем сила в центральной колонне фланцевой рамы, особенно на уровне земли или первого этажа. С другой стороны, силы в 3b. Это явление называется сдвиговой задержкой. Это явление приводит к тому, что структурная система ведет себя иначе, чем это было бы предсказано инженерной теорией изгиба. Это происходит из-за сдвиговой гибкости фланцевых рам. Таким образом, отношение напряжения в центральной колонне к напряжению в угловой колонне определяется как коэффициент сдвигового запаздывания.
Эффект сдвигового запаздывания в трубчатых конструкциях. ( a ) Консольная труба, подверженная боковым нагрузкам; ( b ) Распределение напряжений сдвига;
Распределение напряжений во фланце и полотне колонны, которые находятся на противоположных сторонах нейтральной оси, подвергаются растягивающим и сжимающим усилиям под действием боковой нагрузки, как показано на рисунке 3b. Из приведенного рисунка видно, что рама, параллельная направлению боковой нагрузки AD и BC, подвергается обычному изгибу в плоскости и сдвигу или воздействию стоек. Основное действие заключается в гибкости распорных балок, которые создают сдвиг, увеличивающий напряжения в угловой колонне и уменьшающий напряжения во внутренних колоннах как фланцевых панелей AB и DC, так и полотнищ AD и BC (показано сплошной линией).
Основное сопротивление исходит от боковых панелей полотна, поэтому колонны A и B находятся в растяжении, а C и D – в сжатии. Взаимодействие между полотном и фланцем рам происходит через вертикальное смещение угловых колонн. Таким образом, смещение соответствует вертикальному сдвигу в колоннах фланцевых рам. Когда колонна C испытывает деформацию сжатия, она стремится сжать соседнюю колонну C1, как показано на рисунке 4, поскольку две колонны соединены между собой распорной балкой. Однако деформация сжатия не будет одинаковой, поскольку гибкая соединительная балка будет изгибаться, и осевая деформация соседней колонны будет меньше. Деформация колонны C1 в свою очередь вызовет деформацию сжатия следующей внутренней колонны C2, иначе произойдет меньшая деформация. Таким образом, каждая последующая внутренняя колонна будет испытывать меньшую деформацию и меньшее напряжение, чем внешние.
Вид сбоку осевой деформации фланца рамы, вызывающей эффект сдвигового зазора
Эффект сдвига приводит к изгибу плит перекрытия, в результате чего плоское поперечное сечение больше не может оставаться в плоскости. Вследствие этого происходит деформация внутренних перегородок и вторичных структурных компонентов, которая нарастает по всей высоте здания. Поэтому в моде несколько структурных формул, которые стремятся достичь трубчатого действия с минимальным эффектом сдвига и при этом разместить оконные проемы в наружных трубчатых стенах.
Каркасная труба Поведение
Первичное сопротивление боковой нагрузке каркасной трубы обеспечивается общим изгибом трубы путем создания растягивающих и сжимающих усилий на наветренной и подветренной сторонах трубы. Колонны по периметру можно рассматривать как сплошные стеновые элементы, имеющие вид квадратного углубления. При боковой нагрузке периметральные колонны являются преобладающими в режиме изгиба здания. Из диаграммы распределения напряжений, показанной на рисунке 5, легко представить поведение трубчатого здания, имеющего форму плана, отличную от квадратной.
Эффективность системы труб напрямую связана с геометрией формы здания, такой как общее отношение глубины к ширине и отношение высоты к ширине. Поведение трубы можно сравнить с полыми консолями, общее действие консолей на изгиб под действием боковой нагрузки из-за укорочения подветренной колонны и удлинения наветренной колонны плюс деформация сдвига, вызванная местным изгибом колонны и эстакады.
Принцип, лежащий в основе эффективной системы труб каркаса, заключается в проектировании системы крепления, которая минимизирует сдвиговый тип деформации и заставляет все здание изгибаться по существу как консоль. Фактически, плоскость наружной стены в значительной степени обеспечивает эффективную систему для переноса боковых нагрузок. Это связано с тем, что система в основном устраняет сдвиговый тип деформации. В любом случае, необходимо ввести элемент, сопротивляющийся сдвигу, между наветренной и подветренной колоннами, чтобы колонны в целом работали как цельные части трубы. Это требование может быть выполнено за счет системы близко расположенных колонн и глубоких эстакад по периметру здания.
Распределение осевых напряжений в квадратной полой трубе
Вихревой разброс явление
Боковая нагрузка от ветра на здание увеличивается по высоте. Горизонтальные колебания могут быть не опасны, но могут вызвать укачивание у жильцов. Высокие здания могут подвергаться воздействию ветра не только в направлении, параллельном ветру, но и в направлении, перпендикулярном ему. Основным критерием при проектировании здания является реакция на поперечный ветер и динамические силы, возникающие в результате ветровой нагрузки. Конструкция имеет значительный динамический отклик на ветер из-за эффекта бафтинга. Однако при изгибе под этой нагрузкой система здания может условно действовать как вертикальная консольная труба, сопротивляющаяся боковой силе.
Это явление попеременного осыпания вихря показано на рисунке 6. Здание под давлением ветра слегка изгибается и движется в верхней части. Сначала она движется в направлении ветра с величиной 0,61 м, а затем начинает колебаться вперед-назад. Вершина проходит через нейтральное положение, затем перемещается примерно на 0,61 м в противоположном направлении и продолжает колебаться вперед-назад, пока в конце концов не остановится под действием демпфирования, присущего конструкции.
Явление пролива вихря
Поведение взаимодействующих вертикальных и горизонтальных элементов зданий
Колонна и консольная балка
Действие колонн и балок может происходить под действием комбинированных вертикальных и боковых нагрузок. Жесткость балок и колонн может быть значительно увеличена за счет уменьшения свободного пролета и увеличения глубины, как рекомендовано Советом по высотным зданиям и городской среде обитания. Он рекомендует, чтобы расстояние между колоннами было порядка 1,5-4,5 м от центра до центра, максимум, а глубина балки обычно находится в диапазоне 600-1200 мм.
Колонны и балка жестко соединены вместе как единое целое, непрерывно окружающее здание и способное эффективно распределять напряжение колонн. Величина передаваемой деформации от одной колонны к другой зависит от жесткости соединительной балки (Alex Coull, et. al, 1991). Таким образом, колонна и соединение выполняют важную взаимодействующую роль между трубами и ядром каркаса. Больших значений смещений можно избежать, если при анализе учитывать жесткость соединения колонн и балок (Anderson, 1991).
В аналитических целях предполагается, что система перекрытий действует как жесткие диафрагмы. Форма поперечного сечения сохраняется на каждом уровне, и происходит перемещение жесткого тела в плане. Все горизонтальные перемещения могут быть выражены в терминах двух ортогональных трансляции и вращения (Alex Coull, et. al, 1991). Основное действие системы перекрытия заключается в передаче горизонтальных сил между трубами каркаса и стержневой системой. При рассмотрении взаимодействующей плиты перекрытия учитываются все возможные смещения с помощью трехмерного анализа.
Действие системы колонн и перекрытий на раму
Действие рамы в высоком здании может развиваться из-за того, что часть перекрытия является неглубокой балкой, непрерывной с колоннами. Как правило, бетонные перекрытия в высоких зданиях часто состоят из двухсторонней системы перекрытий. Плита перекрытия распределяет боковую нагрузку на различные элементы сопротивления посредством сил в собственной плоскости. Редко на распределение усилий в перекрытии влияет деформация в плоскости. Принятие перекрытия как полностью жесткого соединения используется почти во всех структурных анализах высотных зданий.
В конечно-элементном анализе трудно определить коэффициент жесткости здания по отношению к перекрытию, так как оно зависит от многих факторов, влияющих на его поведение. Концентрация напряжений в соединительном шве между колоннами и перекрытиями является одной из проблем при анализе высоких зданий с пренебрежением к боковой нагрузке. Нелинейное поведение конструкции начинается через растрескивание бетона и выход стали. В то время как поперечное армирование в месте соединения колонн с перекрытиями используется для улучшения поведения соединения и предотвращения раннего ухудшения жесткости при боковой циклической нагрузке.
Перекрытие, сдвижная стена и колонна
Применимый диапазон высоты системы перекрытий и сдвиговых стен может быть увеличен за счет включения каркаса между колоннами и перекрытиями. Стены могут быть как плоскими, открытыми секциями, так и закрытыми секциями вокруг лифтов и лестничных клеток. Действие рамы между колоннами и перекрытиями учитывается при анализе боковой нагрузки, поскольку это действие значительно связано с жесткостью элементов конструкции. Как правило, сопротивление опрокидыванию каркаса обеспечивается сдвигающей стенкой в диапазоне 10 – 20 процентов. Однако многие инженеры по-прежнему игнорируют действие рамы при проектировании здания и предполагают, что стена будет нести всю боковую нагрузку. В соответствии с текущей тенденцией всех структурных действий, рекомендуется включить действие рамы в анализ.
Комбинированная сдвиговая стена
Когда две или более сдвигаемые стены соединены системой балок или перекрытий, общая жесткость системы превышает суммарную жесткость отдельных стен. Это может быть связано с тем, что соединительная плита или балка сдерживает отдельные консольные действия каждой стены, заставляя систему работать как составная секция. Если сдвигаемая стена совместима с другими функциональными требованиями, такие стены могут экономично противостоять боковым силам. Однако плоскостные сдвигаемые стены эффективны только в том случае, если они расположены в плоскости боковой нагрузки.
Стены вокруг лифтов, лестниц и шахт обеспечивают превосходное сопротивление боковым и гравитационным нагрузкам. Закрытые или частично закрытые секции сдвиговых стен также эффективно противостоят кручению, изгибающим моментам и сдвиговым усилиям во всех направлениях здания.
Для достижения полной прочности стены необходимо, чтобы соединительная балка обладала высокой степенью вращательной способности. Сдвиг или диагональное раскалывание является распространенным способом разрушения балок RC с относительно низким отношением пролета к глубине и умеренным армированием (Subedi et al, 1986). Существует три основных режима разрушения, которые можно выделить в конструкциях сопряженных сдвиговых стенок, в зависимости от степени взаимодействия и поведения сопряженных балок. Режимы разрушения соединенных сдвиговых стенок следующие:
Изгибное разрушение соединительной балки
Этот режим разрушения возникает в стенах с относительно неглубоким армированием связевых балок небольшим количеством основных стержней. Стена будет деформироваться с образованием изгибных трещин в напряженной стене, как показано на рисунке 7a. Соединительные балки вблизи высоконапряженных уровней будут развивать изгибные трещины в местах соединения со стенами. По мере увеличения нагрузки изгибные трещины будут углубляться в стену. Некоторые трещины могут также развиваться по высоте стены и распространяться на более сопряженные балки. При увеличении нагрузки разрушение стены произойдет в результате раздавливания сжатой стены в наиболее напряженном углу (рис. 7a).
Сдвиговое или диагонально-рассекающее разрушение соединительных балок
Этот режим разрушения возникает в стенах с относительно глубокими и умеренно усиленными связевыми балками. Процесс разрушения начинается с образования изгибных трещин в напряженной стене. В соединительных балках, находящихся под высоким напряжением, могут появиться незначительные трещины изгиба в месте соединения со стеной.
По мере увеличения боковой нагрузки основным признаком разрушения является образование диагональных трещин в соединительной балке в районе высоконагруженных уровней. Эти наклонные трещины начинаются около центра соединительной балки и распространяются по диагоналям сжатия (рис. 7b).
Дальнейшее увеличение нагрузки покажет некоторое продвижение уже сформировавшихся изгибных трещин в стене и появление новых изгибных трещин по высоте. При дальнейшем увеличении нагрузки последует распространение раскола диагонали на другие соединительные балки. Разрушение стенки произойдет при раздавливании сжатой стенки в наиболее напряженном углу.
Жесткое действие соединительных балок
Разрушение связанной сдвиговой стенки характеризуется раздавливанием сильно напряженного угла сжатия с частичным повреждением или узлом на всей связующей балке. Это происходит из-за комбинированного действия стенок, вызванного более жестким соединением соединительных балок. В стене растяжения образуется большое количество трещин по высоте конструкции. Разрушение стены будет напоминать разрушение простой консольной балки под действием боковой нагрузки (Рисунок 2.7c).
Режим разрушения конструкций со связанными сдвигаемыми стенами. ( a ) Изгибное разрушение соединительных балок; ( b ) Разрушение соединительных балок; ( c ) Жесткое действие соединительных балок
Читайте далее:- Высотные сооружения.
- Типы структурных систем высотных зданий.
- Трубчатая структурная система: Типы и особенности.
- Соединительная балка RCC – типы, преимущества и конструкция соединительной балки согласно ACI.
- Конструктивная система аутригера для высотного здания: Все, что вам нужно знать: Объяснение с видео.
- Режимы разрушения в бетонных балках: разрушение при изгибе и сдвиге.
- Проектирование навесных стен для ветровых нагрузок – детали и расчеты.