CC BY
1ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2017. № 6 (49)
Строительство и архитектура
УДК 624.012.45
к.т.н. Емец Е. В., Коняшкина О. А., Никишина И. А.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ
НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МНОГОЭТАЖНЫХ РАМ НА НЕРАВНОМЕРНО ДЕФОРМИРУЕМОМ ОСНОВАНИИ
Исследовано напряженно-деформированное состояние многоэтажных рам при воздействии на них перемещений основания. Проанализированы факторы влияния продольных усилий, вызванных вертикальными нагрузками, на напряженно-деформированное состояние многоэтажных рам.
Ключевые слова: перемещение оснований, деформированное основание, напряженно-деформированное состояние, рамные системы, жесткость.
Характер влияния продольных усилий, возникающих в стойках рамы от вертикальных нагрузок, на величины расчетных изгибающих моментов в сечении элементов рассмотрен при каждом виде воздействий перемещений основания отдельно:
- симметричные и несимметричные оседания;
- симметричные и несимметричные горизонтальные перемещения;
- крен здания.
При этом за 100 % были приняты величины моментов в сечениях, полученные из статического расчета рамы с учетом податливости основания. Воздействие общего крена основания при статическом расчете можно заменить горизонтальными составляющими нагрузок в уровне соответствующих перекрытий.
Величина горизонтальных составляющих нагрузок принималась равной произведению суммарных вертикальных нагрузок по перекрытию и величины крена основания. Расчетная схема рамы на симметричные и несимметричные перемещения основания приведена на рисунке 1.
На рисунках 2-8 приведены графики изменения величин изгибающих моментов в сечениях элементов рамы (в процентном отношении при возрастании вертикальных нагрузок от нуля до критического значения).
а)
Рисунок 1 Расчетная схема многоэтажной рамы на симметричные и несимметричные перемещения основания
(М1-М0У МО. %
0 2 0 А 0 -----Jj £ 0 8 0 9 0.
Рисунок 2 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии несимметричных горизонтальных перемещений основания
Несимметричные горизонтальные перемещения основания (рис. 1, б) вызывают максимальные по абсолютной величине усилия в колоннах и ригелях первого этажа. При этом наибольшие значения усилий возникают в сечениях колонны, под фундаментом которой происходят горизонтальные перемещения основания, а также в сечении ригеля, примыкающего к этой колонне. С возрастанием вертикальных нагрузок (рис. 2) усилия в сечениях нагруженной колонны (элемент 3 узел ригеля и колонны и узел колонны и фундамента) и в сечении примыкающего к ней ригеля (элемент 16) незначительно уменьшаются. Из рисунка видно, что при отношении вертикальных нагрузок и их критических значений, равном 0,5 (к = 0,5), изменения расчетных усилий не превышают 10 %. Значительное уменьшение изгибающих моментов в узле сопряжения ригеля и колонны не может сильно повлиять на напряженно-деформированное состояние рамы, так как по величине это усилие на порядок меньше усилий в других сечениях элементов первого этажа. Усилия в остальных сечениях ненагруженных элементов первого этажа при возрастании вертикальных нагрузок возрастают пропорционально уменьшению усилий в загруженных элементах. При к = 0,5 они из-
меняются не более чем на 10 %, а при к = 0,8 - до 35 %.
Несимметричные повороты основания (рис. 1, в) вызывают наибольшие по абсолютной величине усилия в сечениях элементов первого этажа. С возрастанием вертикальных нагрузок (рис. 3) усилия в сечениях стойки, воспринимающей поворот (элемент 3 узел ригеля и колонны и узел колонны и фундамента), и в сечении примыкающего к ней ригеля (элемент 16) значительно уменьшаются. При этом отмечается, что чем больше по абсолютной величине усилие, тем медленнее оно уменьшается. А именно, при отношении вертикальных нагрузок к их критическим значениям к = 0,5 наибольшее значение изгибающего момента уменьшается на 16 % (элемент 3), а усилие в сечениях элементов 3, 16 изменяется более чем в 2 раза. Причем изменения значений усилий не только в численном выражении, но и в знаковом.
Рисунок 3 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии несимметричных поворотов основания
При к = 0,8 усилия в сечениях элемента 3 (узел колонны и фундамента) уменьшаются на 55 %, а в сечениях элементов 3 (узел ригеля колонны), 16 более чем в 4 раза. Усилия в сечениях незагруженных элементов (8, 13, 17) в сечении ригеля (элемент 16) резко возрастают и их численные значения при к = 0,5 увеличены на 75 %.
Несимметричные оседания основания (рис. 1, г) вызывают значительные усилия по всем этажам рамы (рис. 2). Наибольшие по абсолютной величине усилия при этом возникают в ригелях. Максимальные усилия в колоннах возникают в сечениях крайних рядов колонн и в нижнем этаже среднего ряда. Во втором и третьем этаже усилия в колоннах среднего ряда на порядок меньше. При увеличении вертикальных нагрузок (рис. 4) усилия в сечениях ригелей, примыкающих к колонне, фундамент которой оседает (элементы 16, 18, 20), уменьшаются, а в симметричных им относительно оси рамы сечениях незагруженных ригелей (элементы 17, 19, 21) увеличиваются.
(ш-моумол*
Рисунок 4 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии несимметричных осадок основания
При этом во втором и третьем этажах для симметричных сечений имеет место обратно пропорциональная зависимость. При отношении вертикальных нагрузок к их критическим значениям к = 0,5 в сечениях ригелей и колонн верхнего этажа усилия изменяются на 5-15%, второго этажа — на 25-35%. При к = 0,8 эти изменения составляют соответственно 15-20 %, 40-70 %.
В сечениях элементов первого этажа (элементы 3, 8, 13, 16, 17) расчетные усилия при возрастании вертикальных нагрузок более резко изменяются, а в отдельных
сечениях (элементы 3, 8, 16) меняют знак на противоположный. Так, в сечениях ригеля, примыкающего к загруженной колонне (элемент 16), усилия уменьшаются при к = 0,5 на 40-70 %, а при к = 0,8 — более чем в 2 раза и меняют знак. В верхних сечениях загруженной колонны (элемент 3) и средней колонны (элемент 8) уже при к = 0,5 усилия уменьшаются более чем в 2 раза. В нижних сечениях колонн первого этажа (элементы 3, 8, 13) и в верхнем сечении правой незагруженной колонны (элемент 13) усилия резко возрастают, и при к = 0,5 наблюдается рост значений усилий более чем в 2 раза.
Расчет рамной системы от воздействия крена основания, вызванного горными выработками, позволяет определить величины изгибающих моментов во всех сечениях рамы (рис. 5), которые значительно превышают полученные в результате статического расчета.
Так, при к = 0,5 разница в величинах расчетных усилий для сечений ригелей верхнего этажа (элемент 20) составляет 25 %, второго этажа (элемент 18) — почти 40 %, первого этажа (элемент 16) — 75 %, для сечений колонн верхнего этажа (элементы 5, 10) — до 25 %, второго этажа (элементы 4, 9) — 30-50 %, первого этажа (элементы 3, 8) — более 90 %. При соотношении к= 0,8 учет продольного изгиба дает величины усилий в сечениях элементов нижних этажей, более чем в 2 раза превышающие расчетные усилия, полученные при статическом расчете.
При симметричных относительно основания рамы перемещениях расчет рамы на неравномерные воздействия основания дает более точные величины расчетных усилий в сечениях элементов (рис. 6, 7, 8), которые при отношении величин вертикальных нагрузок к их критическим значениям к < 0,5 не превышают 5 %, при к = 0,5-10 %, и только при к = 0,8 достигают 20 %.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2017. № 6 (49)
Строительство и архитектура
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.Я
б
а) для сечений ригелей
б) для сечений колонн
Рисунок 5 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии общего крена основания
Рисунок 6 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии симметричных перемещений основания (горизонтальных перемещений)
Рисунок 7 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии симметричных перемещений основания (поворотов)
Рисунок 8 Влияние продольного изгиба на
величины расчетных усилий в опорных сечениях элементов рамы при воздействии
симметричных перемещений основания (осадок)
Вывод:
1. Учет податливости основания при расчете многоэтажных рам на воздействие горизонтальных перемещений основания снижает величины максимальных расчетных усилий в ригелях первого этажа на 40-50 %, а в колоннах первого этажа — на 50-80 %.
2. При расчете многоэтажных рам на воздействия поворотов основания учет податливости защемления фундамента снижает величины расчетных усилий на 75 %.
3. Учет податливости основания при расчете рамных систем на воздействие неравномерных оседаний основания снижает величины максимальных расчетных усилий на 70 %.
4. Наибольшее влияние на величины расчетных усилий в элементах многоэтажных рам при расчете их на горизонтальные перемещения основания и повороты оказывает податливость основания, обусловленная неравномерным сжатием грунта.
5. Расчет рамы на воздействие несимметричных горизонтальных перемещений основания с учетом изгибающего влияния продольных усилий при к < 0,5 не превышают 5 %, при к = 0,5-10 %, и только при к = 0,8 достигают 20 %.
6. Влияние изгибающего воздействия продольных усилий возрастает при приближении величин вертикальных нагрузок к критическим значениям.
7. Статический расчет рам на воздействие несимметричных поворотов и оседаний основания не отражает фактического напряженного состояния многоэтажных рам. Так, при вертикальных нагрузках, составляющих 10 % от критических, разница в усилиях, полученных в результате статического расчета и с учетом изгибающего влияния продольных усилий, составляет 50 %. Этот факт важно учитывать при расчете рам на подрабатываемых территориях, особенно когда здание расположено вблизи мульды сдвижения.
8. Статический расчет многоэтажных рам каркасных зданий на общий крен осно-
Библиографический список
вания дает удовлетворительные результаты только при вертикальных нагрузках, составляющих не более 10 % от их критических значений. При более высоких значениях вертикальных нагрузок учет изгибающего влияния продольных усилий изменяет напряженно-деформированное состояние в сторону увеличения расчетных усилий в сечениях конструкций. Этот факт необходимо учитывать при проектировании высотных каркасных зданий, в которых продольные усилия в колоннах нижних этажей достигают максимальных величин, а воздействия горизонтальных перемещений, поворотов и оседаний основания могут быть частично локализованы в уровне фундаментов путем устройства их в виде сплошных плит, перекрестных балок.
9. При вертикальных нагрузках, не превышающих 50 % их критических значений, расчет на симметричные относительно оси рамы перемещения основания можно выполнять без учета изгибающего влияния продольных усилий.
1. Клепиков, С. Н. Расчет сооружений на деформируемом основании [Текст] / С. Н. Клепиков. — К. : НИИСК, 1996. — 204 с.
2. Малышев, М. В. Прочность грунтов и устойчивость оснований [Текст] /М. В. Малышев. — М. : Стройиздат, 1977. — 176 с.
3. Голышев, А. Б. Железобетонные конструкции [Текст] / А. Б. Голышев, В. П. Полищук, В. Я. Бачинский. — К. : Логос, 2001. — 420 с.
4. Эренбург, В. М. Эксплуатационные пластические шарниры в железобетонных ригелях рамных каркасов общественных зданий [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук / В. М. Эрен-бург. — М., 1994. — 24 с.
5. Емец, Е. В. Совершенствование методов расчета конструкций каркасных зданий при неравномерных осадках основания [Текст] / Е. В. Емец // Современные проблемы строительства: ежегодный научно-технический сборник. —Донецк : Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО "Лебедь", 2003. — Вып. 1(6). — С. 46-50.
© Емец Е. В.
© Коняшкина О. А.
© Никишина И. А.
Рекомендована к печати и.о. заведующего каф. СКДонГТУ, к.т.н., доц. Псюком В. В., д.т.н., проф. каф. ГиПСИСАиЖКХЛНУ им. В. Даля Дроздом Г. Я.
Статья поступила в редакцию 22.05.17.
к.т.н. €мець О. В., Коняшкша О. А., НЫшина I. О. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
АНАЛ1З ВПЛИВУ ПОЗДОВЖН1Х ЗУСИЛЬ НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН
БАГАТОПОВЕРХОВИХ РАМ НА НЕР1ВНОМ1РНО ДЕФОРМОВАН1Й ОСНОВ1
Досл1джено напружено-деформований стан багатоповерхових рам при вплив1 на них перемщень основи. Проанал1зоват фактори впливу поздовжтх зусиль, викликаних вертикальними навантаженнями, на напружено-деформований стан багатоповерхових рам.
Ключовi слова: перемщення основ, деформована основа, напружено-деформований стан, рамт системи, жорстюсть.
PhD Yemets E. V., Koniashkina O. A., Nikishina I. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR) ANALYZING ON THE INFLUENCE OF AXIAL FORCES ON STRESS-STRAIN STATE OF MULTISTORY BENTS WITH UNEQUALLY DEFORMED BASEMENT
The stress-strain state of multistory bents has been examined when the basement displacement influenced them. The influences of axial forces caused by vertical loads on the stress-strain state of multistory bents have been analyzed.
Key words: basement displacement, deformed basement, stress-strain state, framed systems, rigidity.
