и втором полуциклах колебаний каркаса
Предельная упругая деформация ЭПС из стали С255
??э,у = = .
Уровень пластических сдвиговых деформаций стенки ЭПС еп = = 4,7 ?? еmax
где еmax – 14 максимальный расчетный уровень пластических сдвиговых деформаций при количестве циклов
N = 60. (см главу 6).
Таким образом, стальной каркас выдержит землетрясение с интенсивностью на 30% больше расчетной, благодаря установке в раскосах связей сдвиговых энергопоглотителей, работающих в упруго-пластической стадии на знакопеременные сейсмические нагрузки.
Расчет стенок колонн узлов каркаса
Например, максимальная поперечная сила в стенках колонн рамного узла третьего яруса каркаса, к которому не крепятся связи:
Qуз = - 5,9 = 45,5 тс.
Приведенные напряжения в стенках колонны квадратного трубчатого сечения:
??пр = =
=3,03 тс/см2 ?? 1,15 ?? ???? ?? Ry = 1,15 ?? 1,3 ?? 2,45 = 3,66 тс/см2
где Мк = 11,48 тс.м;
N = 236,1
тс – изгибающий момент и нормальная сила в колонне.
??ху = = 0,76 тс/см2.
Коэффициент 1,15 учитывает возможность развития в стенках рамного узла пластических деформаций.
Расчет рамных узлов и баз колонн каркаса здания следует выполнять по методике, изложенной в главе 3, где приведены примеры такого расчета.
Расчет узлов примыкания связей к колоннам каркаса (рисунок 4.17) рекомендуется производить по методике расчета узлов тяжелых ферм. Наиболее полно это изложено в литературе по металлическим мостам.
5 ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТАЛЬНЫЕ СЕЙСМОСТОЙКИЕ КАРКАСЫ ЗДАНИЯ
Пространственные стальные каркасы многоэтажных зданий с расположением основных несущих конструкций, воспринимающих горизонтальные сейсмические нагрузки, по периметру здания или лифтовой шахты отличаются низкой металлоемкостью, повышенной жесткостью и простотой архитектурно-планировочных решений внутреннего объема здания.
Большую часть вертикальных нагрузок воспринимают внутренние колонны каркаса, работающие, как правило, на центральное сжатие. Такое разделение функций работы элементов каркаса на горизонтальные сейсмические и вертикальные нагрузки определило высокую эффективность применения пространственных каркасов для сейсмических районов.
Высокую сейсмостойкость стальных пространственных каркасов многоэтажных зданий можно обеспечить только за счет элементов, работающих в упруго-пластической стадии на знакопеременные сейсмические нагрузки. Это требует нетрадиционного подхода к конструированию таких каркасов, обеспечивающему свободное развитие пластических деформаций в отдельных элементах и узлах при минимальных уровнях концентрации деформации.
5.1 Схемы каркасов
На рисунке 5.1 приведены наиболее характерные схемы пространственных стальных каркасов многоэтажных зданий, которые можно разделить на три группы: каркасно-ствольные, (1, 4), коробчатые (2, 5, 6) и коробчато-ствольные (3, 7).
В каркасно-ствольной схеме на горизонтальные сейсмические нагрузки работает оболочка ствола, в коробчатой – наружная оболочка каркаса, расположенная по периметру здания, в коробчато-ствольной – совместно наружная оболочка каркаса и оболочка ствола.
По конструктивной схеме оболочки пространственного здания могут быть рамного типа (см. рисунок 5 тип 1, 2, 3) и связевого типа (см. рисунок 5 тип 4, 5, 6, 7). Особо следует отметить каркас, в котором наружная оболочка состоит из наклонных стержней, выполняющих функции колонн и связей (тип 6). Эта оболочка отличается высокой жесткостью при работе на горизонтальные нагрузки.
Выбор конструктивной схемы стального пространственного каркаса многоэтажного здания зависит от ряда причин: архитектурного облика, планировки помещений, металлоемкости конструкций, возможности их изготовления на существующих заводах.
Обязательным условием при разработке несущих конструкций пространственных каркасов, возводимых в сейсмических районах, является активная их сейсмозащита, обеспечивающая надежную работу при землетрясениях расчетной интенсивности. Для обеспечения этого каркасы должны быть оснащены стальными энергопоглощающими элементами, работающими без разрушений в упруго-пластической стадии на знакопеременные сейсмические нагрузки, в том числе при пиковых перегрузках.
В качестве энергопоглощающих элементов таких каркасов могут быть ригели рам, стенки рамных узлов и базы колонн в каркасах рамного типа или специальные стальные энергопоглотители различного типа в каркасах связевого типа.
Рисунок 5.1 – Характерные схемы пространственных стальных каркасов
многоэтажных зданий
Эффективность работы оболочек рамного типа на горизонтальные сейсмические нагрузки возрастает с уменьшением шага колонн и увеличением высоты ригелей. Идеальной является перфорированная оболочка с минимальными отверстиями для окон.
В пространственных каркасах связевого типа целесообразно применять крупноразмерные связи (см. рисунок 5.1 типы 5, 7), что обеспечивает снижение нормальных сил в колоннах от горизонтальных сейсмических нагрузок.
Каркасы с наружной оболочкой из перекрестных стержней (см.рисунок 5.1 тип 6) обладают повышенной сейсмостойкостью из-за высокой статической неопределимости системы и большого числа энергопоглотителей, роль которых выполняют узловые элементы. Особенно эффективны каркасы, наклонные стержни которых выполнены из труб, а узловые элементы из пустотелых шаров.
5.2 Конструктивные формы элементов стальных пространственных каркасов
5.2.1 Пространственные каркасы рамного типа.
В оболочках рамного типа целесообразно все рядовые наружные колонны выполнять из двутавров, а угловые – из трубчатых или крестообразных сечений. Внутренние колонны, работающие главным образом на центральное сжатие, рекомендуется проектировать квадратного или круглого трубчатого сечения. На рисунке 5.2 показаны рекомендуемые сечения колонн пространственных каркасов рамного типа.
Шаг двутавровых колонн оболочки каркаса здания должен быть минимальным, а высота сечения колонны максимально возможной из условия устройства оконных проемов. Двутавровые колонны за пределами узловых соединений с ригелями рекомендуется выполнять с поперечно-гофрированной стенкой максимальной толщины, определяемой расчетом на прочность.
Ригели оболочки рамного типа должны иметь двутавровое сечение с поперечно-гофрированной стенкой с целью снижения их металлоемкости. Высота таких ригелей должна быть максимально возможной из условия требуемой высоты оконных проемов. Как правило, здания с пространственными рамными каркасами не следует проектировать с балконами, требующих установки дверей, что уменьшает высоту ригелей и эффективность работы пространственного каркаса на горизонтальные сейсмические нагрузки.
Оболочки рамного типа стальных пространственных каркасов многоэтажных зданий целесообразно разбивать на укрупненные отправочные элементы, габариты которых определяются из условий транспортировки. На рисунке 5.3 приведен фрагмент наружной оболочки пространственного каркаса, разбитого на укрупненные отправочные элементы. Каждый отправочный элемент состоит из двух колонн двутаврового сечения длиной , трех ригелей длиной и шести полуригелей длиной , приваренных к колоннам в заводских условиях. Двутавровые колонны имеют сечение высотой . Ригели каркаса двутаврового сечения с поперечно-гофрированной тонкой стенкой имеют высоту .
Ширина отправочного элемента 3800мм.
Все монтажные стыки колонн и ригелей вынесены в зоны минимальных моментов от горизонтальных сейсмических нагрузок.
Основные несущие сварные швы каркаса выполняются в заводских условиях полуавтоматической сваркой, что обеспечивает высокое качество изготовления стальных конструкций каркаса здания.
Монтажные стыки колонн и ригелей каркаса выполняются на сварке или высокопрочных болтах. Для обеспечения высокой точности монтажа конструкций каркаса изготовление отправочных элементов следует выполнять в кондукторах.
5.2.2 Пространственные каркасы связевого типа.
Колонны оболочек связевого типа целесообразно выполнять из прокатных или сварных двутавров с плоской или продольно-гофрированной стенками. В отдельных случаях рациональней выполнить рядовые наружные колонны из стальных квадратных или круглых труб.
Угловые колонны связевых каркасов рекомендуется проектировать трубчатого сечения.
Элементы оболочки с пересекающимися стержнями могут иметь круглое или квадратное трубчатое сечение, а также двутавровое и крестовое из двух уголков.
Балки перекрытий и ригели проектируются из прокатных или сварных двутавров, в том числе с поперечно-гофрированной стенкой. Элементы связей следует выполнять трубчатого сечения из двух швеллеров или уголков, а также крестового сечения из двух уголков. Раскосы связей, работающих только на растяжение, могут быть выполнены из одиночных уголков или круглой стали. Конструктивные формы элементов оболочек связевого типа показаны на рисунке 4.2.
Сейсмозащита пространственных каркасов связевого типа, осуществляется так же как и для связевых каркасов плоской схемы с помощью энергопоглотителей различного типа, устанавливаемых в систему вертикальных связей по колоннам.
5.3 Узловые соединения
Узловое соединение ригелей с поперечно-гофрированными и колонны двутаврового сечения показаны на рисунке 5.4.
1,2 – рядовые, 3,4 – угловые, 5,6 –внутренние
Рисунок 5.2 – Рекомендуемые сечения колонн пространственных каркасов
Рисунок 5.3 – Фрагмент наружной оболочки пространственного каркаса выполненной в виде укрупненного отправочного элемента
Рисунок 5.4 – Рамный узел пространственного каркаса
Рамный узел пространственного каркаса отличается от обычного рамного каркаса увеличенной высотой ригеля, что возможно только при установке рам по периметру здания.
Применение гофрированной стали для стенок ригелей позволят обеспечить их устойчивость при минимальной толщине.
Ригели увеличенной высоты позволяют снизить изгибающие моменты в колоннах каркаса.
На рисунке 5.5 показан эффективный вариант узла опирания колонны пространственного каркаса рамного типа на фундамент. Изгибающий момент в колонне воспринимается дополнительными ригелями каркаса, высота которых значительно меньше, чем рядовых ригелей на этажах здания. При таком решении колонна передает на фундамент, практически, только нормальную и поперечную силы. Это упрощает конструктивное решение опорного узла колонны и позволяет регулировать изгибающий момент в нижнем сечении колонны от горизонтальных сейсмических нагрузок за счет изменения жесткости ригелей.
Фундаментные болты опорного узла воспринимают только отрывающие усилия, возникающие в колонне от сейсмических нагрузок.
На рисунке 5.6 показан рамный узел угловой колонны квадратного трубчатого сечения и сварной монтажный стык ригелей каркаса. Колонна изготовлена из четырех стальных листов, при этом диафрагмы вварены в коробку из трех листов, после чего установлена четвертая стенка колонны.
Узлы пространственных каркасов связевого типа ничем не отличаются от узлов обычных связевых каркасов (см. рисунки 4.3; 4.4; 4.5; 4.6; 4.7; 4.8; 4.9).
Узел каркаса с наружной оболочкой из наклонных трубчатых стержней (рисунок 5.1, тип 6) приведен на рисунке 5.7.
Использование пустотелых шаровых фасонок для такого каркаса упрощает конструктивные решения узловых соединений.
Пустотелые шаровые фасонки собирают из двух полусфер, изготовленных горячим штампованием в специальной матрице. Стыковой сварной шов выполняют автоматом на стальной подкладке толщиной не менее . Допуск на размер наружного диаметра шара ?? .
Элементы наружной оболочки каркаса выполняются из круглых прямошовных стальных труб, при этом длина элементов должна быть строго выдержана по проекту с допуском + 0, . На торцах труб должна быть снята фасонка (см. рисунок 5.7).
Все монтажные швы выполнять полуавтоматом с соблюдением требований ГОСТ 11533-75 и СНиП РК 5.04-18-2002.
5.4 Энергопоглощающие элементы
В пространственных каркасах рамного типа в качестве энергопоглотителей используются пояса ригелей, работающие в пластической стадии на растяжение – сжатие. Для включения в пластическую работу необходимого объема стали в поясах предусматриваются зоны равного сопротивления, расположенные за пределами сварных соединений узлов (см. рисунки 5.4; 5.5; 5.6).
Большой эффект достигается при использовании в качестве сдвигового энергопоглотителя стенки рамного узлового соединения ригеля с колонной двутаврового сечения (см. рисунок 5.4; 5.5).
В связевых пространственных каркасах многоэтажных зданий применяются энергопоглощающие элементы различных типов, аналогичные используемым в связевых каркасах (см. главу 4).
В пространственных каркасах с наружной оболочкой из наклонных элементов в качестве энергопоглотителей могут быть использованы узловые элементы, например, пустотелые шаровые фасонки (см. рисунок 5.7).
5.5 Особенности расчета
Расчет стальных пространственных каркасов многоэтажных зданий должен производиться по пространственной схеме совместно с фундаментами и основанием. Расчет выполняется по деформированной схеме в соответствии с требованиями СНиП РК 2.03-04-2002 «Строительство в сейсмических районах».
В связи с тем, что стальные каркасы, возводимые в сейсмических районах всегда должны иметь сейсмозащиту с помощью энергопоглотителей, последние проверяются на малоцикловую прочность (см. главу 6).
Если стенки колонн в пределах рамных узлов пространственного каркаса работают в качестве сдвиговых энергопоглотителей, то нормальная сила и изгибающий момент в зоне узла воспринимаются поясами колонны, а стенка работает только на сдвиг за пределом упругости стали.
