Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальное состояние вопроса строительства крупнопанельных домов в Российской Федерации . 15
1.1 Основные предпосылки и аспекты диссертационного исследования, экспертные мнения научного сообщества 15
1.1.1 Аналитический обзор показателей жилищных условий населения Российской Федерации 15
1.1.2 Климатические аспекты строительства на территории Российской Федерации 16
1.1.3 Анализ рынка строительства жилья в разрезе проблемы миграции населения 17
1.1.4 Проблема подбора квартирографии 18
1.1.5 Экспертные мнения научного сообщества 18
1.2 Обзор нормативно-правовой, нормативно-технической документации, проводимые исследования в области крупнопанельного домостроения 20
1.3 Обзор существующих конструктивных типов крупнопанельных жилых домов и поиск конструктивной системы крупнопанельного дома нового поколения 23
1.4 Выводы по Главе 1 32
Глава 2. Определение и обоснование планировочных и технических параметров УЖС 34
2.1 Методика определения основных планировочных параметров УЖС 34
2.2 Результат определения основных планировочных параметров УЖС 36
2.3 Методика определения конструктивных параметров несущей продольной стены УЖС 37
2.4 Результат определения конструктивных параметров несущей продольной стены УЖС 39
2.5 Методика определения планировочных габаритов несущих наружных продольных стен УЖС 40
2.6 Результат определения планировочных габаритов наружных стен УЖС 41
2.7 Методика решения вопроса архитектурной выразительности фасадов 42
2.8 Результат решения вопроса архитектурной выразительности фасадов 43
2.9 Методика обеспечения УЖС инженерными сетями в условиях свободной планировки 46
2.10 Результат обеспечения УЖС инженерными сетями в условиях свободной планировки 47
2.11 Выводы по Главе 2 52
Глава 3. Поиск и обоснование конструктивной системы, обеспечивающей общую поперечную монтажную и эксплуатационную жесткость и устойчивость остова УЖС, а также устойчивость к прогрессирующему обрушению 53
3.1 Методика поиска и обоснования конструктивной системы, обеспечивающей общую поперечную монтажную и эксплуатационную жесткость и устойчивость остова УЖС 53
3.1.1 Методика расчета поперечной устойчивости УЖС за счет поперечных элементов продольных стен – пилонов 54
3.1.2 Результаты расчета поперечной устойчивости УЖС за счет поперечных элементов продольных стен – пилонов 58
3.1.3 Оценка результатов расчета поперечной устойчивости УЖС за счет поперечных элементов продольных стен – пилонов 63
3.1.4 Проверка полученных результатов расчета поперечной устойчивости УЖС за счет поперечных элементов продольных стен – пилонов с помощью компьютерного моделирования 66
3.1.5 Методика расчета поперечной устойчивости УЖС за счет торцевых стен 72
3.1.6 Результаты расчета поперечной устойчивости УЖС за счет торцевых стен 74
3.1.7 Оценка результата расчета поперечной устойчивости УЖС за счет торцевых стен 76
3.1.8 Проверка полученных результатов исследования поперечной устойчивости УЖС за счет торцевых стен с помощью компьютерного моделирования. 77
3.1.9 Проверка полученных результатов на горизонтальное перемещение верха конструкции 79
3.2 Обеспечение возможности сопротивления прогрессирующему обрушению 81
3.2.1 Методика обеспечения возможности сопротивления прогрессирующему обрушению 81
3.2.2 Результат обеспечения возможности сопротивления прогрессирующему обрушению 83
3.3 Спектральный анализ возможности возникновения резонансов в конструкциях УЖС при сейсмических воздействиях на территории Москвы 84
3.3.1 Методика спектрального анализа возможности возникновения резонансов в конструкциях УЖС при сейсмических воздействиях на территории города Москвы 86
3.3.2 Расчет диска перекрытия 88
3.3.3 Расчет торцевых стен 91
3.3.4 Результаты расчетов и оценка на спектре Фурье возможности резонансных колебаний 94
3.4 Выводы по Главе 3 96
Глава 4. Оценка результатов исследования. Экспериментальные проектные разработки и предложения конструктивных элементов УЖС 97
4.1 Конструкции крупнопанельного дома с продольными несущими стенами 97
4.2 Конструкция плиты перекрытия 101
4.3 Конструкция наружной продольной несущей стеновой панели 109
4.4 Конструкции пилона и торцевой стены 114
4.5 Сравнение предложенной УЖС по затратам конструкционных материалов с традиционными крупнопанельными домами 119
4.6 Выводы по Главе 4 120
Заключение 123
Список сокращений и условных обозначений 125
Список литературы 126
Приложение А. Показатели жилищных условий населения Российской Федерации 140
Приложение Б. Архитектурные концепции крупнопанельных жилых домов с продольными несущими стенами, отображающие описанные в диссертационной работе решения 143
Приложение В. Характеристики домов серий П-44Т, КОПЭ-2000 и предлагаемой УЖС 149
- Обзор существующих конструктивных типов крупнопанельных жилых домов и поиск конструктивной системы крупнопанельного дома нового поколения
- Методика расчета поперечной устойчивости УЖС за счет поперечных элементов продольных стен – пилонов
- Проверка полученных результатов на горизонтальное перемещение верха конструкции
- Конструкция плиты перекрытия
Введение к работе
Актуальность темы. Высокая миграция населения в условиях рыночной экономики приводит к быстрым демографическим изменениям в различных регионах страны. Это вызывает необходимость быстрого (в течение нескольких лет) изменения квартирного состава жилищного фонда региона. В связи с этим в составе жилищного фонда любого региона страны должна быть часть домов, приспособленная для быстрой и экономичной смены их планировочных параметров по составу и количеству квартир при сохранении остова здания на весь срок его службы. Важность строительства домов со свободной планировкой и возможностью перепланировки, возможностью разнообразия фасадных решений отмечалась в постановлениях Правительства Российской Федерации (приказ Министерства регионального развития РФ от 30 мая 2011 г. № 262) и Правительства Москвы (от 3 октября 2011 г. №460-ПП и от 21 мая 2015 г. № 305-ПП).
Для строительства таких домов в наибольшей степени подходят
крупнопанельные здания, как возводимые наиболее быстро и с наименьшими затратами. В стране накоплен более чем полувековой опыт панельного домостроения, существует его развитая промышленная база. Поэтому до 40% многоэтажного жилищного строительства в Российской Федерации приходится на крупнопанельное домостроение. Но преобладающая на сегодняшний день конструктивная система панельных домов с поперечными несущими стенами и панелями перекрытий на комнату не может обеспечить свободу планировочных решений и возможность будущей перепланировки по запросам текущего времени. Эта возможность может быть реализована при применении конструктивной системы дома с продольными несущими стенами. В таких домах междуэтажные перекрытия выполняются из пустотных плит (настилов), работающих по балочной схеме. Для обеспечения поперечной жесткости и устойчивости домов с такими перекрытиями в них необходима частая (через 10 – 20 м) установка поперечных диафрагм жесткости, что в значительной степени снижает свободу планировки и перепланировки.
Таким образом, актуальной является разработка конструктивной системы крупнопанельного дома, обладающей поперечной жесткостью и устойчивостью в пределах каждой секции, но без внутренних поперечных стен, кроме стен, ограждающих лестнично-лифтовые узлы.
Степень разработанности темы исследования. Накопленный опыт
диссертационных исследований за последние 20 лет показывает наличие достаточно
глубокой проработки в области архитектурно-планировочных решений
индивидуализации квартир в условиях Российского рынка жилья. Так в своих работах Асафова Т.Г., Петрова Л.В., Чопалавов Т.Т., Шамаева Т.В. рассматривают вопросы по архитектурным приемам улучшения жилища, индивидуализации квартир в массовом сегменте рынка жилья, создания функционально-планировочных решений квартир повышенного комфорта в многоквартирных жилых домах.
Другой значительной частью накопленного опыта являются исследования в
области конструктивных решений крупнопанельных домов. Вопросы прочности и
деформативности стен, в том числе на разнонаправленное действие вертикальных и
горизонтальных нагрузок, совершенствования несущей стеновой системы,
оптимизация технологии крупнопанельного домостроения рассмотрены в научных трудах Николаева С.В., Давеяна С.А., Куликова И.М., Ласькова Н.Н., Нассер М.Х.И.,
Шен Ш. Исследования в области повышения сейсмической устойчивости отражены в работах Луговой Е.В., Рзаева Р.А., Смертина О.С., в области совершенствования стыковых соединений конструкций – в работах Зенина С.В., Дербенцева И.С., Нарушевича А.Н., Седова А.Н., Смилянского А.Л.
Однако в указанных работах не рассматривается решение проблемы, состоящей из двух аспектов: обеспечение свободной планировки при применении конструктивной системы крупнопанельного дома. Этот вопрос впервые рассматривается и решается в данной диссертационной работе.
Также степень разработанности темы исследования отражена в проектных предложениях ведущих институтов страны по данной проблеме: АО «МНИИТЭП» и АО «ЦНИИЭП жилища – институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий». В проектах этих организаций предлагается увеличить шаг поперечных несущих стен до пределов технической возможности и экономической целесообразности применения многопустотных настилов – до 7–9 м или частичное применение элементов каркаса.
Цель диссертации состоит в создании научных предпосылок разработки
конструктивно-планировочной системы универсальной жилой секции
крупнопанельного дома с продольными несущими стенами, обеспечивающей свободную планировку и перепланировку здания в процессе его эксплуатации, и, тем самым, исключающей моральное старение здания при долговременной сохранности его остова.
Задачами являются:
– изучение опыта строительства крупнопанельных домов в Российской Федерации;
– разработка и научное обоснование планировочного решения универсальной жилой секции (далее – УЖС) крупнопанельного дома, обеспечивающего свободу планировки и перепланировки в процессе эксплуатации и отвечающего современным требованиям по безопасности, комфорту, эстетике и экономической целесообразности;
– разработка и научное обоснование конструктивного решения секции, обеспечивающего прочность, жесткость и устойчивость ее остова, сопротивление прогрессирующему обрушению и возможность разнообразия пластических решений фасадов;
– разработка и научное обоснование принципиальных конструктивных решений основных элементов остова здания, обеспечивающих их прочность, общую и местную монтажную и эксплуатационную устойчивость, возможность прокладки в их габаритах элементов внутренних инженерных и санитарно-технических сетей.
Объектом исследования является планировочная и конструктивная системы крупнопанельного дома с продольными несущими стенами, обеспечивающие свободную планировку и перепланировку, а также разнообразие пластики фасадов.
Предметом исследования являются оптимальные параметры планировочной системы и поперечная жесткость конструктивной системы при принятых параметрах планировочной системы крупнопанельного дома с продольными несущими стенами в условиях обеспечения свободной планировки и перепланировки.
Научная новизна диссертации заключается в создании научно-обоснованной конструктивно-планировочной системы крупнопанельного дома с продольными несущими стенами, секции которого свободны от поперечных стен в пределах всей
полезной площади.
Другими элементами новизны являются научное обоснование:
– степени продольного армирования (вдоль продольных стен секции) дисков междуэтажных перекрытий, сплоченных из панелей перекрытий, обеспечивающей поперечную устойчивость дома при ветровых и сейсмических воздействиях и устойчивость к прогрессирующему обрушению;
– размеров поперечных элементов наружной стены, обеспечивающих её монтажную и местную эксплуатационную устойчивость;
– геометрии вертикальных стыков стеновых панелей, обеспечивающей их надежную перевязку;
– мест и способов крепления монтажных соединений, обеспечивающих надежность остова здания и возможность создания разнообразной пластики фасадов за счет удаления или смещения отдельных панелей из основной плоскости наружной стены;
– конструкции панели междуэтажного перекрытия повышенной жесткости и
звукоизоляции, обеспечивающей возможность продольного армирования
горизонтального диска секции и возможность размещения в пределах строительной высоты панелей элементов инженерных и санитарно-технических сетей с узлами подключения приборов и оборудования, в количестве, достаточном для осуществления свободной планировки и перепланировки без перекладки этих сетей;
– конструкции внутренних стеновых панелей, полости которых позволяют осуществлять проводку вертикальных элементов инженерных и санитарно-технических домовых сетей.
Теоретическая значимость исследования заключается:
– в теоретическом обосновании новой конструктивной системы секции дома с
продольными несущими стенами без поперечных диафрагм, обеспечивающей его
поперечную жесткость, устойчивость и возможность предотвращения
прогрессирующего обрушения;
– в разработке методик ориентировочного расчета возможных габаритов и армирования несущих элементов остова секции крупнопанельного здания при статических и сейсмических воздействиях.
Практическая значимость предлагаемой конструктивно-планировочной
системы секции крупнопанельного дома и конструктивных элементов его остова заключается в следующих аспектах:
– осуществление гибкого, вариативного планировочного решения и
перепланировки в процессе эксплуатации в пределах секции: от 26 малых однокомнатных квартир до нескольких многокомнатных квартир с большими помещениями;
– членение фасадов дома кратно одному или нескольким размерам наружных панелей с использованием объемов, заступающих или выступающих за основную плоскость несущей стены, что обеспечивает возможность получения пластики фасадов современной архитектуры;
– размещение в полостях предлагаемых плит перекрытий и внутренних стеновых панелей элементов инженерных и санитарно-технических сетей с узлами подключения в местах возможного подключения приборов при различных планировочных решениях, что удешевит и ускорит процесс перепланировки;
– на основании полученных результатов могут быть даны предложения в Проект СП «Крупнопанельные конструктивные системы. Правила проектирования» (далее – Проект СП) по исключению требования по организации поперечных диафрагм жесткости с шагом 24 м при продольно-стеновой конструктивной системе здания;
– результаты работы вошли в подготовленное ЦНИИЭП жилища методическое пособие «Проектирование жилых многоквартирных зданий с широким шагом несущих конструкций, обеспечивающих свободную планировку».
Методология и методы диссертационного исследования.
В диссертационной работе использованы методы анализа и сопоставления современных проектных решений конструктивных систем крупнопанельных зданий, публикаций в профессиональных периодических изданиях и сведений из актуальной нормативной литературы (СП, СНиП) по проектированию и строительству. На основании анализа и сопоставления имеющегося исторического опыта произведено определение основных объемно-планировочных параметров жилой секции. Для поиска и обоснования конструктивной системы использовались следующие методы: математического моделирования основных конструктивных элементов, компьютерного моделирования, обработки информации и анализа с помощью графиков и графологических таблиц. Расчеты при компьютерном моделировании производились методами конечных элементов и шагово-итерационного решения нелинейных уравнений в программном комплексе Lira. Предложена методика расчета несущих элементов здания на сейсмические воздействия, в которой использован метод волновых резонансов. В завершении работы использован проектный метод как внедренческий в практику и определяющий целостность диссертационного исследования, полученные результаты которого подверглись сопоставлению с нормируемыми показателями.
Личный вклад.
На основе исследования возможностей обеспечения поперечной устойчивости УЖС различными конструктивными элементами, образующими ее остов, предложила конструктивную систему, в которой общая поперечная устойчивость обеспечивается совместной работой торцевых стен и горизонтальных поэтажных дисков, сплоченных из панелей перекрытий путем их сплошного армирования на всю длину секции, а местная и монтажная устойчивость обеспечивается пилонами, продольная устойчивость секции обеспечивается совместной работой пилонов с панелями стен и перекрытий. Леонтьева М.П. предложила включить в систему специальные панели перекрытий и внутренних стен, позволяющие в их полостях разместить элементы инженерно- и санитарно-технических сетей.
Положения, выносимые на защиту:
– научное обоснование планировочных параметров универсальной жилой секции крупнопанельного дома, дающих свободу планировки и перепланировки в процессе эксплуатации, разнообразие пластических решений фасада;
– научное обоснование конструктивного решения остова секции
крупнопанельного жилого дома, обеспечивающее поперечную жесткость и устойчивость дома в процессе его монтажа и эксплуатации, предотвращение прогрессирующего обрушения и разнообразие пластических решений фасада;
– научное обоснование конструктивных решений элементов остова секции (панели стен, перекрытий и пилонов), обеспечивающих монтажную и местную
эксплуатационную устойчивость, размещение в полостях панелей элементов инженерных и санитарно-технических сетей дома.
Степень достоверности и апробация результатов определяется достоверностью известных положений строительной механики и акустики, используемых в расчетах элементов остова зданий, достоверностью прочностных, упругих и инерционных характеристик конструкционных материалов, сейсмических характеристик грунта основания, взятых из нормативной литературы по строительству. Параметры предлагаемых конструктивных элементов (габариты, армирование) близки к параметрам подобных элементов, применяемых на практике и к рекомендациям, содержащимся в проекте нового СП «Крупнопанельные конструктивные системы. Правила проектирования» Москва - 2016г.
Апробация результатов исследования: содержание выполненных автором разработок полноценно отражено в публикациях, выполненных по теме диссертации, в ряде докладов на межвузовских научно-теоретических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов.
Публикации.
Основные результаты работы изложены в 4-х опубликованных работах, в том числе 2-х работах, опубликованных в российских рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации.
Объем работы - 150 стр. Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения. Количество источников использованной литературы - 146 шт., количество приложений - 3 приложения. Количество рисунков - 56 шт., количество таблиц - 11 шт.
Обзор существующих конструктивных типов крупнопанельных жилых домов и поиск конструктивной системы крупнопанельного дома нового поколения
Масштабные разрушения городов и переселение масс людей во время второй мировой войны на территориях Советского Союза и Европы привели к необходимости быстрого восстановления и создания нового жилищного фонда. В результате возникли условия для развития индустриального и, в частности, как наиболее быстрого и экономичного, - крупнопанельного домостроения и связанных с ним научных исследований. Пионерами европейского крупнопанельного домостроения в середине ХХ века были фирмы Камю, Куанье, Ламбалет и в настоящее время оно продолжает развиваться усилиями большого количества строительных фирм практически всех европейских стран.
В Советском Союзе панельное домостроение получило наиболее широкое распространение благодаря большой продолжительности в годовом цикле отрицательных температур, препятствующих нормальному набору прочности бетона.
В настоящее время крупнопанельное жилищное домостроение устойчиво занимает около 40 % от всего многоэтажного жилищного строительства в России [7] благодаря высокой степени его индустриализации и относительной дешевизны. Такое положение сложилось благодаря относительно малой стоимости зданий и высокой скорости их возведения, особенно в условиях холодного климата нашей страны, ограничивающего применение мокрых процессов в условиях строительства при отрицательных температурах. 40% панельного домостроения от всего многоэтажного строительства жилья означает ежегодную трату на него около одного триллиона рублей. Поэтому любой прогресс в совершенствовании панельного домостроения будет иметь существенное народнохозяйственное значение.
Из первоначального большого разнообразия конструктивных и технологических решений крупнопанельных зданий отечественная и зарубежная практика домостроения отобрала конструктивную схему с поперечными несущими стенами из железобетонных панелей на комнату. На рисунке 1 представлен пример плана дома такой конструктивной системы.
Преимуществом этой системы оказалось удачное сочетание функциональных свойств каждого вида панелей, составляющих здание. Так тяжелый прочный бетон, обеспечивающий высокую степень звукоизоляции, применяется для изготовления панелей внутренних несущих стен и междуэтажных перекрытий, а легкий бетон, обеспечивающий теплоизоляцию, – для изготовления навесных наружных панелей. Габариты и веса всех панелей близки, что позволяет рационально использовать производственное, транспортное и монтажное оборудование. В результате по стоимостным показателям и времени возведения крупнопанельные дома с поперечными несущими стенами лидируют среди других видов зданий в сегменте жилищного строительства. Стоимость заводского изготовления деталей крупнопанельного дома составляет 60% от всей его стоимости. По этому показателю у него нет конкурентов в капитальном строительстве.
Крупнопанельный дом с поперечными несущими стенами, благодаря ячейковой структуре остова здания и перевязке всех его вертикальных швов, обладает значительной продольной и поперечной жесткостью, устойчивостью и достаточной надежностью при неблагоприятных воздействиях в чрезвычайных ситуациях (землетрясениях, неравномерных осадках основания, взрывах бытового газа и т.п.).
Малопривлекательный архитектурный облик крупнопанельных зданий на начальном этапе строительства за полувековое развитие приобрел вполне достойный вид благодаря специфическим для крупных панелей приемам пластики фасадов.
К недостаткам рассматриваемых зданий относится отсутствие монтажной устойчивости стеновых панелей, из-за которого приходится применять большое количество оснастки для удержания и выверки проектного положения панелей в процессе их монтажа. Это обстоятельство является причиной удорожания и увеличивает сроки строительства.
Другим недостатком, присущим рассматриваемой конструктивной системе, является нерациональный расход значительного количества конструкционного железобетона из-за того, что стеновые панели верхних этажей недогружены, а межкомнатные перегородки, особенно с дверными проемами, не требующие большой степени звукоизоляции, выполняются той же толщины, что и основные несущие межквартирные стены.
Третьим, и на начальном этапе развития крупнопанельного домостроения в ситуации острой нехватки жилья, незначительным недостатком было отсутствие возможности свободной планировки квартир из-за жесткой ячейковой структуры остова здания с поперечными несущими стенами. Но в дальнейшем, по мере роста благосостояния населения и обеспеченности его жильем, этот недостаток стал первостепенным. Стало очевидным, что конструктивная схема с малым шагом поперечных несущих стен (с панелями перекрытий на комнату, опертыми на четыре стороны) на современном этапе крупнопанельного домостроения себя исчерпала.
Попытки перейти на крупный шаг поперечных стен ситуацию улучшили незначительно. Стала очевидной необходимость перехода на конструктивную схему с продольными несущими стенами.
В 1960–80-х годах разработаны серии крупнопанельных домов с продольными несущими стенами: 1-465, 1-463, 1-480, 1-515 и 1-507, состоящие из трех продольных стен, на которые опираются перекрытия. В этой схеме, рисунок 2, используются пустотные плиты перекрытий (настилы), опирающиеся короткими сторонами на продольные стены. Связь между плитами по свободным длинным сторонам первоначально осуществлялась заполнением швов цементно-песчаным раствором. Остов такой системы обладает значительно меньшей жесткостью и устойчивостью в поперечном направлении по сравнению с домами, имеющими панели перекрытий на комнату. Поэтому для обеспечения поперечной жесткости и устойчивости этих домов требуется установка поперечных стеновых панелей в качестве диафрагм жесткости с шагом 10 – 20 м. Но даже при принятых мерах надежность таких домов оказалась недостаточной. Это наглядно показало землетрясение 7 декабря 1988 года в Армении: дома с пустотными плитами перекрытий разрушились, дома с панелями перекрытий на комнату, при наличии различной степени повреждений, сохранились. Повреждения (частичная сдвижка панелей, раскрытие швов) во многом произошли из-за некачественного выполнения монтажных соединений.
В дальнейшем надежность перекрытий повышалась путем заполнения продольных рифленых швов бетоном на мелкозернистом заполнителе и использованием в различном исполнении металлических связей. Однако, наличие поперечных диафрагм жесткости в конструктивных системах с продольными несущими стенами возможности свободной планировки радикально не изменило.
В 2010 году Научно-технический совет по градостроительным проблемам при правительстве Москвы [89] обратился ко всем организациям и предприятиям комплекса крупнопанельного домостроения с призывом разработать проекты и внедрить принципиально новые системы крупнопанельных зданий, обеспечивающие свободную планировку квартир.
Наиболее успешным в этом направлении на сегодняшний день является проект АО «ЦНИИЭП жилища – институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий» (рисунок 3), описанный в статье «СПКД – система строительства жилья для будущих поколений» [65], в котором один пролет секции жилого дома с тремя продольными несущими стенами, включая лестнично-лифтовой узел и малые помещения, разгороженные поперечными панелями, обеспечивает поперечную жесткость здания.
Другой пролет, связанный в плоскости перекрытий с первым, совершенно свободен от поперечных стен и тем самым в своих пределах обеспечивает свободу планировки и перепланировки в процессе эксплуатации здания за счет возможности перестановки перегородок. Полностью освободиться от промежуточных поперечных стен в пределах секции в этом проекте пока не удалось. Кроме того, при предложенных планировочных параметрах секции, отношение свободной площади к площади лестнично-лифтового узла составляет всего около 7, что является весьма низкой планировочной характеристикой секции жилого дома.
Методика расчета поперечной устойчивости УЖС за счет поперечных элементов продольных стен – пилонов
Жесткость здания в поперечном направлении должна обеспечивать условия устойчивости здания при воздействии горизонтальных нагрузок. Из известных горизонтальных наземных нагрузок на жилые здания имеются ветровая и сейсмическая нагрузки. При их сравнении выявлено, что сейсмическая нагрузка в 5 баллов превосходит по силе ветровую при наиболее неблагоприятных условиях. Поэтому за горизонтальную нагрузку принята сейсмическая нагрузка в 5 и 6 и 7 баллов по 12-и бальной шкале (MSK-64) [51] как наибольшая, кроме собственного веса, из всех нормируемых нагрузок на жилое здание, характерная для 95 % территорий Российской Федерации.
В расчетном обосновании устойчивости УЖС выделен поперечный элемент (пилон) и использована схема, приведенная на рисунке 18, где в качестве пилона рассмотрен прямоугольный диск, стоящий на горизонтальном жестком неподвижном основании, в плоскости которого действуют опрокидывающие его горизонтальные силы. Удерживающими вертикальными силами является собственный вес пилона и нагрузка, передаваемая опирающимися на него конструкциями стен и перекрытий. Опрокидывающие силы передаются поэтажно в уровнях перекрытий, удерживающие силы передаются по центральной оси пилона. Такая схема принята потому, что пилоны распределены вдоль наружных стен равномерно, и на каждый из них в пределах каждого этажа нагрузка передается непосредственно от двух плит.
Согласно [92] и в соответствии с действующими нормами [99] расчеты с учетом сейсмических воздействий произведены на нагрузки, представляющие статический эквивалент нагрузок, возникающих при сейсмических воздействиях. Обобщенно, по укрупненному сбору нагрузок согласно [108], с учетом собственного веса всех наземных конструкций и полезной нагрузки, исходная вертикальная равномерно распределенная нагрузка принята 10 кН/м2 площади этажа секции. За горизонтальную нагрузку принята сейсмическая нагрузка, которая определена согласно [50] и [51] как масса конструкции, умноженная на долю ускорения свободного падения, соответствующую баллу сейсмичности на участке строительства.
Согласно расчетной схеме вертикальная (удерживающая) нагрузка на пилон собирается с половины пролета плит перекрытий, а горизонтальная (опрокидывающая) - с полного пролета плит. Это происходит потому, что устойчивость панелей внутренней продольной стены в направлении действия горизонтальной сейсмической нагрузки значительно меньше устойчивости пилона.
Рассмотрено два варианта работы пилона: I вариант - пилон-диск, II вариант - пилон-консоль. В качестве диска пилон работает при относительно небольшой высоте и небольшой горизонтальной нагрузке. В реальности такие условия могут быть при монтаже здания или в построенном здании небольшой этажности. С ростом этажности устойчивость диска-пилона исчерпывается, и он посредством армирования и металлических связей с основанием начинает работать по консольной схеме. Задача расчетных исследований состоит в том, чтобы определить границы работы пилона, приемлемых с планировочной точки зрения параметров, в качестве диска и в качестве консоли. Приемлемые с планировочной точки зрения размеры пилона шириной 1 м и толщиной 0,2 м определены в Главе 2.
Сравнение воздействия опрокидывающих и удерживающих сил на пилоны проведено по возникающим усилиям - моментам с применением следующих формул и расчетных положений:
I вариант схемы работы пилона (пилон-диск): Муд. Мопр., (1) где Муд. - удерживающий момент, возникающий в пилоне, от вертикальных удерживающих сил, кНм; Мопр. - опрокидывающий момент, возникающий в пилоне, от горизонтальных опрокидывающих сил, кНм.
II вариант схемы работы пилона (пилон-консоль): Муд. + МА Мопр., (2) где МА - удерживающий момент рабочего армирования пилона, кНм.
Вертикальная удерживающая сила Р на каждый пилон определяется по формуле Р = , (3) где q = 10 кН/м2 - вертикальная равномерно распределенная нагрузка на перекрытие; її и 12 - габариты грузовой площади, приходящейся на пилон, равные 8 м и 6 м соответственно.
Горизонтальная опрокидывающая сила Т на каждый пилон определяется по формуле Т = цкс1г12, (4) где кс - коэффициент сейсмической активности, равный 0,025, 0,05, 0,1 для 5, 6, 7 баллов сейсмической активности соответственно.
Удерживающий и опрокидывающий моменты для обоих вариантов определяются по формулам пРЬп Мт =—, (5) Monv=T( K (6) где п - этажность здания; Ьп - ширина пилона, равная 1 м; h - высота пилона, равная 3 м.
Площадь арматуры пилона по II варианту пилон-консоль определяется из условия МА = Мопр. - Муд. = AsRsbn (7) где As - площадь арматуры, см2; Rs - расчетное сопротивление арматуры растяжению.
Поскольку сейсмическая нагрузка разнонаправлена, арматура площадью, указанной в формуле (7), размещается дважды у краев пилона. Величина защитного слоя бетона при большой ширине пилона в ориентировочном расчете не учитывается.
Согласно [109] процент армирования (ПА) вертикальных несущих железобетонных конструкций не должен превышать 5%. ПА определяется по формуле 2AS ПА = — 5%. (8)
В данной работе приводится принципиальная методика расчета для выявления основных зависимостей конструктивных характеристик здания от сейсмической активности и не учитываются коэффициенты условий работы, соответственно они для упрощения расчета приравниваются 1, кроме коэффициента кс, учитывающего балл сейсмической интенсивности местности строительства.
При проектных расчетах, используя данный алгоритм расчета, будет необходимо осуществить привязку к конкретной местности и конкретным характеристикам сейсмического воздействия с введением необходимых коэффициентов при определенных условиях местности.
Обработка полученных результатов расчетов осуществлена методом анализа с помощью графиков и графологических таблиц.
Проверка полученных результатов на горизонтальное перемещение верха конструкции
Максимальные перемещения верха конструкции определены двумя методами - приближенных (ориентировочных) расчетов методами строительной механики, допускаемых п. 5.3.9. [114], и расчета с помощью компьютерного моделирования методами конечных элементов в программном комплексе Lira.
Очевидно, что максимальное перемещение верха конструкции при действии горизонтальной нагрузки наблюдается в середине секции. Оно складывается из смещения верха торцевой стены и середины диска перекрытия. Поскольку на данной стадии рассмотрения задачи еще не запроектированы конкретные конструктивные элементы и способы их соединения, для ориентировочного расчета в первом приближении было принято решение, воспользовавшись рекомендациями п. 6.2.6 и п. 6.2.7 [ПО], принять минимальные значения коэффициентов, понижающих значение модуля упругости бетона. Это позволило вести расчет деформаций по упругой стадии работы бетона, без учета влияния арматуры. Прогиб диска перекрытия в его плоскости определялся по следующей формуле f =i i4 (13) 38 4 EI где q - сейсмическая нагрузка на диск перекрытия, кН/м; 1 - длина диска перекрытия, м; EI - изгибная жесткость в плоскости диска перекрытия.
Смещение верха торцевой стены в ее плоскости определялось по формуле f =s (14) 8 7 где q - сейсмическая нагрузка на стену, кН/м; EI - изгибная жесткость стены в ее плоскости; Н - приведенная высота стены, м, при которой удерживающий момент, противодействующий ее изгибу, равен нулю.
Помимо исходных данных по торцевой стене и диску перекрытий указанных выше в расчете смещений суммарная толщина полок плит перекрытий принималась 8 см, бетон класса В20, коэффициенты понижения модуля упругости бетона - 0,6 для торцевой стены и 0,2 для диска перекрытий, коэффициент сейсмичности для 7 баллов - 0,1. Смещение верха стены в ее плоскости рассматривалось с учетом разгружающего момента от веса стены и приходящейся на нее нагрузки. Это смещение составило 4,44 см, прогиб в плоскости диска перекрытия - 0,3 см, суммарное смещение верха здания - 4,7 см 10 см = 1/500 50 м, что соответствует требованию п. 5.2.6 [ПО].
Для проверки горизонтальных отклонений здания составлена расчетная схема предложенной секции дома в программном комплексе Lira (рисунок 31) со следующими характеристиками:
- этажность: 15 этажей;
- нагрузки: постоянная - собственный вес (рассчитывается автоматически), временная длительная - 7 кН/м, сейсмическая задана при активности 7 баллов согласно схеме и значениям, представленным на рисунке 30;
- продольные панели продольной несущей стены дома намеренно не показаны, а заданы нагрузками на поперечные элементы - пилоны;
- узлы элементов, непосредственно примыкающих к фундаментам, имеют закрепления от горизонтальных и вертикальных линейных и угловых перемещений вокруг осей х, у, z;
- горизонтальные стены лестничной клетки дома намеренно не показаны, и предусмотрены как запас прочности дома.
На рисунке 33 приведены значения горизонтальных перемещений, полученных из программного расчета при 7 баллах сейсмической активности.
Представленная диаграмма с максимальным смещением верха равным 4,5 см подтверждает результаты приведенного ориентировочного расчета по смещениям верха дома.
Конструкция плиты перекрытия
При сооружении жилых и общественных зданий предложенной конструктивной системы необходимо обеспечить перекрытие пролетом до 9 м, имея при этом гладкие потолки. Для таких целей используют пустотные панели повышенной толщины (строительной высоты).
Известны многопустотные железобетонные плиты перекрытий:
– плита перекрытия безопалубочного формования [72] рассчитана на использование плит в балочном исполнении с опиранием на торцы плит;
– пустотелая плита с межпустотными усилителями, содержащая бетонное тело с верхней и нижней частями, разделенными поперечным рядом равномерно распределенных продольных пустот с возможностью образования бетонных перегородок между ними [73];
– пустотелая плита с межпустотными усилителями, содержащая бетонное тело с верхней и нижней частями, разделенными поперечным рядом равномерно распределенных продольных пустот с возможностью образования бетонных перегородок между ними. При этом две из них являются межпустотными усилителями в теле плиты, параллельными друг другу и симметричными относительно продольной оси плиты, и включают в себя продольные стержни, размещенные в верхней и в нижней частях указанных перегородок, арматурные элементы, соединенные с верхним и нижним основными стержнями фиксирующими средствами [71]. Данная плита предназначена для перекрытия больших пролетов и является прогрессивным решением на текущий момент времени.
Недостатком таких плит перекрытий, ограничивающим их область применения, является малая прочность торцевых опорных частей, ослабленных сквозными пустотами, и пониженная звукоизолирующая способность за счет резонансов в свободных пустотах, сложность прокладки инженерных и санитарно-технических коммуникаций в габаритах перекрытий, а также отсутствие жесткого диска перекрытия из-за отсутствия связей между плитами перекрытия.
Для перекрытия панельных и каркасных зданий жилого и общественного назначения и обеспечения свободных безопорных пространств внутри ограждающих несущих конструкций здания предлагается плита перекрытия увеличенного пролета с улучшенной звукоизоляцией между этажами, с повышенной прочностью торцевых опорных частей, с возможностью пропуска инженерных коммуникаций в пределах строительной высоты перекрытия, а также с обеспеченной жесткостью перекрытия при аварийной ситуации.
Данный результат иллюстрируется рисунками 43, 44, 45 и достигается за счет следующих решений: применение плит коробчатого сечения (ПП-1 и ПП-2), выполнение плит повышенной строительной высоты (Н) при сохранении эффективной высоты железобетона, применение кантов по периметру плит перекрытия (позиция 1), наполнение пустоты внутри коробчатого сечения легким материалом (позиция 2), например минеральной ватой, создание желобов в перекрытии для пропуска инженерных коммуникаций, создание единого диска перекрытия для обеспечение жесткости. Плиты перекрытия ПП-1 и ПП-2 имеют ширину 3 м для удобства их перевязки и длину 8,5 и 7,5 м соответственно.
Заполняющий пустоты легкий материал (позиция 2), объемным весом около 15 кг/м3, увеличивает звукоизолирующую способность панели по сравнению с пустыми полостями круглопустотных панелей равной поверхностной плотности. Это увеличение звукоизоляции происходит благодаря снижению резонансных колебаний в полостях, заполненных звукопоглощающим материалом, и демпфированию этим материалом изгибных колебаний полок коробчатого сечения. Одновременно с этим, при применении легкого материала в качестве заполнителя коробчатого сечения в период производства, данный материал выполняет функцию внутренней опалубки в отличие от классического метода производства многопустотных панелей перекрытия, при котором требуются специальные механизмы для образования пустот.
Толщина (строительная высота) плит (H) составляет 30 – 40 см при пролетах до 9 м с предварительным напряжением рабочей арматуры. Строительная высота (H) назначается из условий прочности и прогиба при изгибающем моменте от расчетной нагрузки. В данном случае, исходя из расчета Н принята равной 30 см.
Высота сечения канта (h) назначается из условий восприятия поперечных сил на опорах панели. В целях унификации опорных узлов с существующими железобетонными панелями высота канта по расчету на срез принята равной 10 см. Соответственно, высота желоба для пропуска инженерных коммуникаций составляет 20 см, что является достаточным для пропуска канализационной трубы с уклоном 5% на расстояние 4 м согласно рисунку 14.
Ширина канта по короткой стороне плиты назначена равной 30 см, а вдоль плиты – 7,5 см с таким расчетом, чтобы при опирании плит перекрытия на продольные стены и при продольном стыке с подобной панелью образованные желоба позволили разместить горизонтальные инженерные и санитарно-технические коммуникации: вентиляционные каналы небольших сечений, канализацию, трубы водоснабжения, отопления и электропроводку.
Согласно п. 2.9 – 2.10 в эти желоба заранее в процессе строительства, закладываются указанные коммуникации с частым расположением узлов подключения (рисунки 14, 15, 16) в центральной продольной несущей стене и желоба заделываются составом, выдерживающим эксплуатационную нагрузку, передаваемую через напольное покрытие. Очередная перепланировка отдельных помещений и этажей в целом будет производиться с гораздо меньшими затратами по сравнению с современными технологиями переоборудования зданий.
Плиты перекрытия ПП-1 и ПП-2 запроектированы для создания единого диска перекрытия. Как указано в пп. 3.1.5 – 3.1.7 и 4.1 предусмотрены две линии непрерывного продольного армирования диска перекрытия на всю длину здания для связи плит перекрытия.
На рисунках 44, 45 представлены конструктивные решения предложенных плит перекрытия. Имеется две типовые плиты перекрытия ПП-1 и ПП-2, размерами 3х8,5 и 3х7,5 м соответственно. Обе плиты имеют по одному продольному ребру жесткости и по поперечному ребру жесткости в центре пролета. В центральные поперечные ребра в процессе производства плит закладываются арматурные стержни, которые в процессе монтажа соединяются надежным стыком посредством сварки арматурных стержней или болтового соединения (рисунок 45 Узел Б).
Панель ПП-1 в отличие от ПП-2 имеет еще одно ребро жесткости, в котором заложен канал для пропуска непрерывного армирования. В процессе монтажа предусмотрена закладка арматурных стержней длиной 12 м, которые проходят в желобах вдоль наружной стены в местах ее сопряжения с панелями ПП-2 и в каналах панелей ПП-1. Соответственно на протяжении данной линии армирования для арматурных стержней предусмотрены три стыка (рисунок 45 Узел А), расположенных в желобах при примыкании ПП-2 к продольной наружной стене. Узел, иллюстрирующий непрерывный пропуск арматурных стержней по всей длине линии армирования, показан на рисунке 45 (Узел В).
Данные решения позволяют создать непрерывное армирование в зоне наибольших напряжений при изгибающих моментах в плоскости диска перекрытия, обеспечить прочные соединения панелей по центральной линии армирования, исключая «клавишность» плит перекрытия и в общем обеспечивают защиту здания от прогрессирующего разрушения.
Желоба после монтажа панелей перекрытий заливаются бетоном, кроме мест расположения узлов подключений, которые в свою очередь заглушаются щитками, способными воспринимать эксплуатационные нагрузки.
Заливка бетоном широких швов между панелями перекрытия и стенами позволяет получить в пределах этажа монолитный диск, объединяющий работу всех вертикальных элементов жесткости, т.е. пилонов и поперечных стен при их сопряжении.
Для расчета рабочего продольного армирования плиты перекрытия ПП-1 (Рисунок 44) принято приведенное двутавровое сечение. Площадь напрягаемой наиболее растянутой продольной арматуры Аs = 28,28 см2 (9 стержней диаметром 20 мм).