Монолитные ребристые перекрытия круглых в плане высотных зданий

Яров Вячеслав Алексеевич; Прасоленко Евгений Владимирович

УДК 624.073.5

ЯРОВ ВЯЧЕСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ, канд. техн. наук, профессор, v-jarov@mail.ru

ПРАСОЛЕНКО ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ аспирант, angstremw@mail.ru

Сибирский федеральный университет,

660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82

МОНОЛИТНЫЕ РЕБРИСТЫЕ ПЕРЕКРЫТИЯ КРУГЛЫХ В ПЛАНЕ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Авторами выполнены численные исследования новых конструктивных решений монолитных перекрытий высотных зданий цилиндрической формы с различными вариантами расположения внутренних ребер жесткости. Новизна предлагаемых конструкций плит заключается в том, что в них применены криволинейные ребра, объединяющие в совместную работу верхние и нижние плиты монолитных перекрытий. Получены теоретические данные о напряженном состоянии перекрытий от воздействий, которые они испытывают при совместной работе с центральным ядром жесткости и контурными колоннами каркаса здания.

Ключевые слова: ребристые монолитные перекрытия, новые конструктивные решения, высотные здания, численные исследования.

YAROV, VYACHESLAV ALEKSEYEVICH, Cand. of tech. sc., prof., v-jarov@mail.ru

PRASOLENKO, EUGENIY VLADIMIROVICH, P.G.,

angstremw@mail.ru

Siberian Federal University,

82 Svobodny Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russia

REINFORCED CONCRETE RIB FLOORS IN HIGH RISE BUILDINGS

The numerical investigations of new structural reinforced concrete rib floors in high rise buildings with various stiffening ribs were carried out. The innovation of structural solution is that curved ribs with joint action of top and bottom reinforced concrete plates were used. The numerical data about the stressed state of floors with central core and contour column joint action was investigated.

Keywords: reinforced concrete rib floor, new structural solution, high rise buildings, numerical investigations.

С увеличением этажности и применением новых конструктивных решений высотные здания становятся сложными и ответственными сооружениями. Для обеспечения их прочности и устойчивости необходим тщательный расчет пространственно работающих несущих систем, так как пренебрежение совместной работой несущих конструкций может привести к недооценке возникающих в них усилий и негативно отразиться на качестве и надежности зданий [1].

Поэтому внедрение в практику высотного строительства конструктивных систем монолитных зданий с центральным ядром жесткости потребовало ис-

следования совместной работы ядра, колонн каркаса и перекрытий. Перекрытия в данном случае, оказывая сопротивление деформированию из своей плоскости, существенно влияют на характер распределения усилий в элементах несущей системы здания и сами испытывают сложное напряженное состояние.

При совместной работе в составе несущей системы перекрытия подвергаются деформациям от воздействия на здание вертикальных нагрузок, ветрового напора, сейсмических нагрузок, неравных осевых смещений ядра и контурных колонн. На напряженное состояние перекрытий также оказывают существенное влияние деформации опорных контуров, возникающие при изменении расчетной схемы и нагрузки в период возведения несущего остова здания. Так как несущие элементы рассматриваемой конструктивной системы монолитного здания взаимосвязаны и работают совместно, усилия в них должны определяться из комплексного расчета несущей системы с учетом всех комбинаций нагрузок.

Технические решения междуэтажных перекрытий рассматриваемых зданий отличаются разнообразием и зависят от конструктивной системы несущего остова здания, его этажности, габаритных размеров в плане и действующих на перекрытия вертикальных и горизонтальных нагрузок. При шаге несущих конструкций более девяти метров применение плоских железобетонных перекрытий с обычной стержневой арматурой становится экономически и технически нерациональным. В этом случае используют комбинированные, часторебристые и пространственные предварительно-напряженные перекрытия, обладающие повышенной жесткостью на изгиб и кручение. В связи с этим вопросы исследования напряженного состояния перекрытий при совместной работе их в составе пространственных несущих систем ствольных зданий приобретают особое значение.

Эффективность ствольных конструктивных систем в значительной степени зависит и от выбора оптимальной формы здания в плане. Многочисленные исследования, выполненные продуванием моделей в аэродинамических трубах и компьютерным моделированием с использованием расчетных программных комплексов, показали, что оптимальными формами планов высотных зданий являются круг, овал или квадрат [2]. В связи с этим вопросы исследования напряженного состояния перекрытий при совместной работе их в составе пространственных несущих систем ствольных зданий приобретают особое значение.

Исследования квадратных в плане монолитных перекрытий высотных зданий типа «каркасно-ствольного» были проведены доктором технических наук П.Ф. Дроздовым [3]. Авторами статьи выполнены исследования круглых перекрытий высотных зданий при их совместной работе с центральным ядром жесткости и контурными колоннами каркаса. Разработаны новые конструктивные решения монолитных перекрытий с различными схемами расположения внутренних ребер жесткости (рис. 1).

Поиск рациональных конструктивных решений предлагаемых плит выполнялся с использованием модуля топологической оптимизации программного комплекса ЛК8У8. Оптимизация форм подкрепляющих ребер в перекрытиях осуществлялась в соответствии с направлением силовых потоков, возникающих в конструкции от расчетных нагрузок. Были получены эффективные по расходу бетона конструктивные структуры ребристых плит, обла-

дающие большей изгибной жесткостью. Увеличение жесткости сопряжения ребер с центральным ядром здания достигалось их объединением и образованием в зоне примыкания к ядру участка перекрытия сплошного сечения.

В данной статье приведены результаты численных исследований предлагаемых монолитных перекрытий высотных зданий цилиндрической формы с различными вариантами расположения внутренних ребер жесткости.

Объектами исследований являлись круглые в плане двухслойные ребристые перекрытия диаметром 30 м, опирающиеся по внешнему контуру на регулярно расположенные колонны круглого сечения диаметром 50 см. По внутреннему контуру перекрытия монолитно связаны с центральным ядром жесткости диаметром 10 м, толщина перекрытий 40 см. Армирование монолитных плит осуществляется сетками. Ребра плит дополнительно армируются продольными стержнями, которые объединяются поперечной арматурой в пространственные каркасы.

Расчетные схемы исследуемых перекрытий представлены пространственными моделями, в которых монолитные перекрытия, периферийные колонны и центральное ядро здания моделировались объемными конечными элементами SOLID 45 [4]. Граничные условия - жесткое защемление колонн и ядра в основании.

Нанесение конечно-элементных сеток и создание геометрической модели осуществлялось в программном модуле ICEM CFD ПК ANSYS 11 sp 1. Применение конечно-элементной модели из объемных элементов позволило смоделировать работу узлов сопряжения монолитных перекрытий с колоннами, близкую к действительной, и получить реальные картины распределения напряженно-деформированного состояния плит в данных узловых зонах.

Для выявления напряженно-деформированного состояния предлагаемых конструкций перекрытий были проведены численные исследования пяти вариантов плит с различным расположением внутренних ребер жесткости: Пл-1 - с радиально-кольцевыми ребрами, Пл-2 - с радиально-кольцевыми и крестовыми ребрами, Пл-3 - с криволинейными и кольцевыми ребрами, Пл-4 - с криволинейными ребрами и Пл-5 - с криволинейными ребрами без нижней плиты.

Расчетные конечно-элементные модели плит перекрытий показаны на рис. 1.

Расчеты перекрытий выполнены с использованием программного комплекса ANSYS при загружении их полезной нагрузкой, собственным весом и нагрузкой от ветрового напора. Деформированное состояние, возникающее в перекрытиях при совместной работе в несущей системе здания от ветрового напора, имитировалось поворотом и кручением центрального ядра на условно заданные значения изгибающего и крутящего моментов.

Основные результаты численных расчетов круглых в плане монолитных перекрытий каркасно-ствольного здания представлены в таблице и на рис. 2-4 в графической форме. Анализ полученных результатов численных расчетов монолитных перекрытий на все виды загружений выполнен сравнением максимальных величин главных напряжений, возникающих в характерных радиальных сечениях: 1-6 - проходящих по осям колонн и 7-12 - между осями колонн, указанных в таблице. Картины изополей главных напряжений в плите перекрытия Пл-4 при загружении собственным весом и полезной нагрузкой приведены на рис. 2.

327Е+08

■200С+СИ

1S0E+C8 .100Е+08 JCWC+07 ■400Е+07 .300E+07 -2ООЕ+07 .10QE+07

Рис. 2. Картины изополей главных напряжений с и с3 (Па) в плите Пл-4 при ее загружении:

а, г - вертикальной нагрузкой; б, д - ветровой нагрузкой; в, е - вертикальной нагрузкой и крутящим моментом

Из анализа напряженного состояния перекрытий при загружении полезной нагрузкой, собственным весом и нагрузкой от ветрового напора установлено, что распределение главных напряжений Ci и с3 в их сечениях достаточно равномерно. Концентрация напряжений наблюдается в местах сопряжения монолитных перекрытий с колоннами каркаса и ядром жесткости здания.

Максимальные значения растягивающих напряжений в сечениях плит Пл-1-Пл-5 возникают в зонах сопряжения их с ядром жесткости и не превышают 3,0 МПа. В зоне сопряжения плит с периферийными колоннами главные растягивающие напряжения достигают 4,17 МПа. В плите Пл-4, благодаря применению в перекрытии криволинейных ребер, данные напряжений снизились до 2,12 МПа. Главные растягивающие напряжения в пролете плит находятся в пределах 1,70-1,93 МПа.

500Е+07

.100Е+06

ю

Главные напряжения Сті и Стз в плитах Пл1-Пл5, МПа

Главные растягивающие напряжения в пролете от действия вертикальной нагрузки х 106