Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий

Уровень пластических деформаций энергопоглотителя определяется для каждого этажа здания по циклограмме «сейсмическая нагрузка - горизонтальное перемещение в пределах этажа». На рис. 2.5 приведена циклограмма деформирования этажа рамно-связевого каркаса здания при знако­переменном нагружении горизонтальной сейсмической нагрузкой. При этом предполагается, что в первом полуцикле нагружения горизонтальная сейсмическая нагрузка равна расчетной, определенной по СНиП РК 2.03-04-2001, а в последующих полуциклах каркас получает только половину энергии, воспринятой в первом полуцикле.

На циклограмме (рис. 2.5) видно, что энергопоглощающий элемент ограничивает нагрузку на связь S₁, св, в которой он установлен. При этом даже при значительной пиковой перегрузке энергопоглотитель способен ограничить усилие в связи до заданной в проекте величины, несколько увеличив усилия в раме, работающей в упругой стадии. В каждом полуцикле знакопеременного нагружения поглощается поступающая к каркасу энергия сейсмических воздействий за счет пластической работы материала энергопоглотителя, что исключает резонансные явления и перегрузку связей. Упруго работающая рама каркаса здания обеспечивает возвращение его при колебаниях к первоначальному положению и частично аккомулирует энергию сейсмических воздействий, отдавая ее в последующих полуциклах энергопоглощающему элементу, который преобразует последнюю в тепло и рассеивает в окружающей среде. Таким образом, активная сейсмозащита каркасов многоэтажных зданий обеспечивает высокую их надежность при землетрясениях, и позволяет в отдельных случаях снизить на 10-15% сейсмическую нагрузку практически без дополнительных затрат.

S_o , y_o – расчетная сейсмическая нагрузка и деформация этажа каркаса;

S₁ - сниженная на 10% сейсмическая нагрузка, при которой развиваются пластические

деформации в энергопоглотителе; S_1cв, S_1p – сейсмическая нагрузка на раму и связь;

У_эп1, У_эп2 – пластические деформации энергопоглотителя в первом и втором полуциклах нагружения

Рисунок 2.5 - Циклограмма деформирования этажа при знакопеременном нагружении

сейсмической нагрузкой

3 Стальные рамные каркасы сейсмостойких зданий

Стальные чисто рамные каркасы целесообразно использовать в сейсмостойком строительстве для многоэтажных зданий небольшой высоты до 12 - 20 этажей из-за простоты конструктивных решений элементов и узлов, а также способов активной сейсмозащиты. При этом роль энерго­поглощающих элементов выполняют непосредственно конструкции каркаса (ригели, рамные узлы и базы колонн). Это позволяет не только обеспечить высокую сейсмостойкость здания, но и снизить металлоемкость каркаса за счет уменьшения нагрузки.

3.1 Схемы рамных каркасов

Дополнительно к схемам рамных каркасов, приведенным на рис. 2.1, можно рекомендовать схемы каркасов повышенной жесткости (рис. 3.1).

В первом из них (рис. 3.1а) жесткость увеличивается за счет связевых перемычек в среднем пролете здания, во втором – за счет отклонения от вертикали крайних колонн (рис. 3.1в) поперечных рам.

В отдельных случаях допускается применение нерегулярных по высоте рам (рис. 3.1с). Однако предпочтение следует всегда отдавать регулярным рамным каркасам без резких изменений жесткостей по высоте здания.

а – поперечная рама каркаса с жесткими ригелями в среднем пролете;

b – поперечная рама с наклонными крайними колоннами;

с – поперечная рама с разным числом пролетов по высоте

Рисунок 3.1 - Схемы рамных каркасов повышенной жесткости:

3.2 Конструктивные формы колонн и ригелей рамных каркасов

Наиболее простой и экономичной формой стальных колонн для рамы, работающей на гори­зонтальные сейсмические нагрузки только одного направления, является стальной прокатный или сварной двутавр. При работе колонны одновременно в поперечной и продольной рамах оптимально

квадратное трубчатое сечение. На рис. 3.2 показаны рекомендуемые сечения колонн двутаврового и квадратного трубчатого сечений.

Колонны из прокатных широкополочных двутавров просты в изготовлении, но имеют повышенную металлоемкость и не всегда подходят по сечению, особенно в рамных узлах каркаса. Сварные двутавры с плоской стенкой позволяют решить эти проблемы, однако увеличивают трудозатраты и стоимость при изготовлении. Наименьшей металлоемкостью обладают сварные двутавровые колонны с поперечно и продольно гофрированными тонкими стенками (рис. 3.2 типы 3, 4). При этом двутавры с поперечно-гофрированными стенками имеют односторонние поясные швы, что в два раза уменьшает их протяженность по сравнению со сварными двутаврами с плоской стенкой, где тре­буются двусторонние поясные швы.

Толщина поперечно - гофрированной стенки t_w двутавровой колонны назначается по расчету, при этом шаг гофров должен быть не более: а £ 60 t_w, а высота гофров f ³30 + мм, где h_w – высота стенки в мм. Толщина продольно - гофрированной стенки двутавровой колонны определяется при расчете ее на устойчивость, причем шаг гофров должен быть а £ 30 t_w, а высота гофры f не менее 40 мм при шаге поперечных диафрагм не более 3 .

1 - прокатной двутавр; 2 - сварной двутавр с плоской стенкой;

3 - сварной двутавр с поперечно гофрированной стенкой;

4 - сварной двутавр с продольно-гофрированной стенкой;5 - квадратного трубчатого из угловой стали;

6 - квадратного трубчатого из гнутых швеллеров; 7 - квадратного трубчатого из листовой стали

Рисунок 3.2 - Сечения колонн

Для ригелей стальных рамных каркасов многоэтажных зданий, работающих на изгиб, не может быть лучшего сечения, чем двутавровое. На рис 3.3 приведены применяемые сечения ригелей, из которых для сейсмических каркасов следует применять ригели с поперечно - гофрированной стенкой, отличающиеся высокой малоцикловой прочностью и минимальной металлоемкостью.

1 – прокатной двутавр; 2 – сварной двутавр с разной шириной полок;

3 – сварной двутавр с поперечно гофрированной стенкой

Рисунок 3.3 - Сечения ригелей:

Особенно эффективны ригели с зонами равного сопротивления в местах примыкания к колоннам (рис. 3.4), из-за высокой способности поглощения энергии сейсмических воздействий при землетрясе­ниях.

«При использовании в качестве ригелей рам сварных двутавров с плоской стенкой, ее гибкость h_w / t_w где h_w и t_w – соответственно высота и толщина стенки) должна быть не более 80 при t/R_s£ 0,75 и не более 50 при 0,75< t / R_s£1,0. Применение плоских стенок с гибкостью менее 40 не допускается при колоннах замкнутого коробчатого сечения. Для ригелей с поперечно - гофрированной стенкой ее толщина должна быть не менее 1/100 - 1/120 от ее высоты. Для обеспечения устойчивости поперечно - гофрированной стенки ригеля следует принимать шаг гофров не более 60 t_w, а высоту f ³ 30 + h_w /30 мм. Свес поясов ригелей 0,5(в + 2/3 * f) ограничивается величиной - , где - модуль упругости, - расчетное сопротивление стали в МПа, в - ширина пояса.

Поясные сварные швы ригелей выполняются односторонней полуавтоматической сваркой. Если толщина поясов t_f значительно больше толщины стенки t_w двутавра, то поясные швы должны иметь неравные катеты, при этом катет, примыкающий к стенке должен быть не более 1,2 t_w, а примыкающий к полке определяется из условий тепловложения по таблице 39 СНиП РК 5-04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

3.3 Узловые соединения рамных каркасов

Узловые соединения ригелей с колоннами стальных рамных каркасов являются ответственными элементами несущих конструкций сейсмостойких многоэтажных зданий, от которых в значительной степени зависит надежность их работы при землетрясениях. При проектировании необходимо уделять внимание конструктивной форме рамных узлов, обеспечивающей минимальный уровень кон­центрации напряжений.

На рис. 3.5 и 3.6 показаны рекомендуемые сварные узловые соединения ригелей и колонн двутаврового сечений стальных рамных каркасов многоэтажных зданий.

Отличительной особенностью этих узлов является отсутствие накладок (рыбок). Для обеспе­чения нормального монтажа при таких конструктивных решениях узлов торцы двутавровых ригелей должны фрезероваться после их изготовления, при этом длина выдерживается с допусками +0, -2 мм. Пояса ригелей в месте прикрепления к колоннам уширяются путем приварки пластин, имеющих плавный переход к основному сечению, что обеспечивает необходимую прочность сварных соедине­ний и развитие пластических деформаций в поясах ригелей вне узлового соединения.

Если в стенке колонны в пределах узлового соединения допускается развитие пластических сдвиговых деформаций при землетрясениях расчетной интенсивности, то ее гибкость должна быть не более .

В рамном узле (рис. 3.6) высота гребешка h, назначается равной высоте железобетонной плиты перекрытия. При этом пояса гребешка устанавливаются и привариваются после укладки плит перекрытия.

На рис. 3.7 приведен болтовой рамный узел каркаса с фланцевым соединением. Для соединения рекомендуется применять высокопрочные болты, для фланцев сталь 14Г2АФ по ГОСТ 19281-89*. Для обеспечения качественного монтажа конструкций каркаса необходимо изготавливать колонны с фиксированной высотой сечения, а ригели с точной длиной между фланцами. Это возможно при изготовлении колонн и ригелей каркаса в кондукторах или по другой специально разработанной технологии. Болтовые узлы каркасов безусловно более трудоемки в изготовлении, требуют высокой точности и гораздо дороже сварных, поэтому они не нашли такого широкого применения в практике строительства многоэтажных зданий в сейсмических районах Республики Казахстан.

Сварное узловое соединение ригелей с колонной квадратного трубчатого сечения из четырех уголков показано на рис. 3.8.

Основной особенностью такого соединения является необходимость установки в колонне двух полудиафрагм строго фиксированных на уровне поясов примыкающих ригелей, что требует двойной сборки колонны. Расположение диафрагм должно быть отмечено рисками на наружных гранях колонны. Толщину диафрагм рекомендуется делать увеличенной на 2 мм по сравнению с толщиной поясов. Особое внимание следует уделять качеству сварных швов, соединяющих уголки в пределах узлового соединения. Эти швы должны иметь полный провар и выводиться за пределы узлового соединения не менее чем на 100 мм от диафрагм. Полудиафрагмы должны привариваться к стенкам колонны полуавтоматической сваркой швом Т8 по ГОСТ 14771-76*.

При изготовлении колонн из листовой стали конструкция рамного узла показана на рис. 3.9.

В этом случае диафрагмы выполняются из целого листа и ввариваются в корытообразное сечение колонны, сваренное из трех листов, после чего приваривается четвертая стенка. Это несколько усложняет технологию изготовления колонн. На рис. 3.10 приведено болтовое соединение ригелей с колонной квадратного трубчатого сечения из листовой стали.

Особенности этого соединения - корытообразные сердечники, выполняющие функции кондук­торов при сборке ствола колонны. Длина ригелей с фланцевыми соединениями к колонне должна быть строго выдержана, что возможно только при изготовлении в кондукторе или при фрезеровке торцов ригелей после их изготовления.

Другим ответственным узлом рамного каркаса является соединение колонны с фундаментом, конструкция которого должна исключать перегрузки ствола колонны при землетрясениях. Это обеспечивается упруго - пластическим соединением колонны с фундаментом. На рис. 3.11 показан такой узел соединения колонны двутаврового сечения с фундаментом. Упруго - пластическое соединение обеспечивается работой стенок траверс колонны на сдвиг за пределом упругости стали, благодаря чему ограничивается предельный изгибающий момент в колонне. Стенки траверс колонны должны изготавливаться из пластичной стали, при этом отношение высоты станки к толщине должно быть не более , а катет поясных швов не менее толщины стенки.

На рис. 3.12 приведена колонна квадратного трубчатого сечения с упруго - пластическим соеди­нением с фундаментом. Причем роль энергопоглощающих элементов выполняют стенки траверс.

а - с зоной равного сопротивления в нижнем поясе;

b - с зонами равного сопротивления в обоих поясах,

образованных фрезеровкой кромок

Рисунок 3.4 - Ригели с поперечно гофрированными стенками:

Рисунок 3.5 - Сварной рамный узел каркаса

(колонна двутаврового сечения)

Рисунок 3.6 - Рамный узел с увеличенной высотой ригеля

Рисунок 3.7 - Болтовое соединение ригелей с колонной двутаврового сечения

Рисунок 3.8 - Сварной рамный узел каркаса

(колонна трубчатого сечения из 4-х уголков)

Рисунок 3.9 - Сварной рамный узел каркаса

(колонна трубчатого сечения из 4-х листов)

Рисунок 3.10 Болтовое соединение ригелей с колонной трубчатого сечения

3.4 Энергопоглощающие элементы рамных каркасов

В качестве энергопоглощающих элементов в чисто рамных стальных каркасах многоэтажных зданий используются:

- ригели, где пластические деформации развиваются в приопорных участках поясов за пре­делами сварных соединений с колонной. Для увеличения объема металла работающего за пределом упругости при расчетном землетрясении рекомендуется создавать в поясах ригелей зоны равного сопротивления (рис. 3.4). В местах развития пластических деформаций свес поясов не должен превышать ;

-стенки колонн в зоне рамных узлов, в которых допускается развитие сдвиговых пластических деформаций. При этом изгибающие моменты и нормальные силы, действующие в колонне, воспринимаются поясами колонн, а стенка работает только на сдвиг (рис. 3.5; 3.6; 3.7);

- стенки траверс баз колонн, где возможно развитие пластических сдвиговых деформаций при землетрясении расчетной интенсивности (рис. 3.11; 3.12). При этом отношение высоты стенки к ее толщине не должно превышать . Увеличение длины траверс колонн снижает поперечные силы и площади поперечных сечений траверс, что приводит к увеличению пластических сдвиговых деформаций и поглощенной энергии сейсмических воздействий.

Как уже отмечалось ранее, для элементов каркаса здания, в которых предусмотрено проектом развитие пластических деформаций должны применяться пластичные малоуглеродистые и легированные стали.

3.5 Особенности расчета стальных рамных каркасов многоэтажных

зданий, оснащенных энергопоглощающими элементами

Расчет стальных рамных каркасов высотой до 50 м, оснащенных энерго­поглощающими элементами допускается выполнять по спектральному методу в соответствии с требованиями СНиП РК 2.03-04-2001 «Строительство в сейсмических районах». Расчет таких каркасов должен, как правило, выполняться по пространственным схемам при действии горизонтальных сейсмических нагрузок в направлении продольной и поперечной осей здания и под углом 45° к ним. Разрешается при определении горизонтальных сейсмических нагрузок на каркас здания располагать массы в узлах рам.