CC BY
0
Исследования вертикальных перемещений высотного здания при различных вариантах приложения ветровой нагрузки
на элементы каркаса
А.А. Клюкин, Н.В. Линьков
Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет (НИУМГСУ)
Аннотация: В статье предоставлены результаты расчета высотного здания, в несущем каркасе которого применены деревянные конструкции. При значительной высоте сооружения, большое влияние на деформативность каркаса начинает оказывать ветровая нагрузка. Предложена расчетная схема, в которой рассмотрены два варианта приложения ветрового давления - на колонны и в ригели перекрытий.
Ключевые слова: высотное здание, постоянные нагрузки, кратковременные нагрузки, мгновенные нагрузки, модуль упругости, жесткость, напряжение, перемещение, САПР.
Введение
Среди строительных материалов древесина является естественным полимером, состоит из клеток волокон, которые имеют трубчатую форму и направленных вдоль древесного ствола [1-3]. Основными достоинствами древесины, делающими её абсолютно конкурентоспособным строительным материалом, являются: прочность, особенно в направлении вдоль волокон; долговечность, при соблюдении конструктивных и химических мер защиты; стойкость к воздействию химически-агрессивной среды; стойкость к динамическим и вибрационным воздействиям; природная декоративность и простота обработки; самовозобновление ресурса [4-5]. На сегодняшний день на рынке жилищного строительства возникла потребность в развитии направления проектирования зданий с применением деревянных конструкций в составе несущего каркаса [6].
Цель работы - предложить конструктивную схему здания, в состав несущих конструкций которого будут входить деревянные конструкции. Необходимо выполнить расчет модели сооружения, рассмотрев влияние воздействия ветрового давления на перемещения узлов несущего каркаса. В
М Инженерный вестник Дона, №5 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2024/9228
модели следует предусмотреть возможность различного приложения ветрового воздействия [7].
Общие данные расчетной модели За основу принята модель здания с железобетонным ядром жесткости и системой ригелей и колонн, выполняемых из древесины [8]. Основные конструктивные параметры сооружения представлены в таблице 1. Место строительства соответствует Москве и Московской области - III снеговой и I ветровой районы.
Таблица 1
Общие характеристики сооружения
Параметр Условное обозначение Значение Ед.изм.
1 2 3 4
Длина здания Ььм 27 м
Ширина здания Вьм 27 м
Высота этажа Щ 4 м
Количество этажей НА 8 шт.
Шаг колонн Вс1шп 4,5 м
Пролет ригелей 4,5 м
В расчетной схеме деревянные элементы каркаса замоделированы типом конечного элемента №10 - универсальный пространственный конечный элемент [9]. Размеры колонн составляют bxh=400x400 мм. Размер ригелей составил ЬхИ=200х400 мм. В качестве жесткостных характеристик задан модуль упругости Е=10000 МПа, объемный вес принят 500 кг\м3. Общий вид расчетной схемы с цветовой индикаций назначенных жесткостей представлен на рисунке 1.
и
Рис.1. Общий вид расчетной схемы с цветовой индикаций
назначенных жесткостей
Всего было сформировано 8 загружений: 4 постоянных, 2
кратковременных и 2 мгновенных ветровых - в предположении действия
ветра на колонны каркаса и в ригели перекрытий и покрытия [10]. Общий
вид таблицы загружений показан на рисунке 2. Сппажзагэуж&ши
Имя вдгрукмм
1 ШбСТВ&МаЛ ВЕС ДгГ
2 собсгвен-ьй вк_ий
3 псрскрь-^с
4 псифотуе пвгру^е пд п-р-аия наруэкд_].
3
=И1
ПОЛИНАМ ( Р) ПКТГННнОС ( Р) Постоя^« ( р} Погг(?ятос (-Р) Крвтк. —
<рЛТ-(. ДЭН1И1Т.2 ...
МЧ0О«Чй£(М)
Е-ь; Т й р Я -ь_п ц} ён+ь IТ и к №НйК№КК(М)
+
У
Л
'Г
Рис.2. Общий вид списка загружений, приложенных к элементам в расчетной схеме
Данные сбора нагрузок на ригели:
• Расчетная нагрузка на ригели от конструкции перекрытий др=2,13кН\м2*4,5м=9,6 кН\м.
• Расчетная нагрузка на ригели от конструкции покрытий др=2,8кН\м2*4,5м=12,6 кН\м.
• Расчетная нагрузка на ригели в покрытии от веса снегового давления др=2,1кН\м2*4,5м=9,5 кН\м.
Ветровая нагрузка определялась с учетом ширины грузовой площади колонн и ригелей для I ветрового района - 0,23 кН\м2. Тип местности В -городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м. Значения ветровой нагрузки вычислялись на высоту здания 32 м. Значения ветровой нагрузки вычислялись для наветренной и подветренной сторон. Величина ширины грузовой площади для рядовых колонн составил 4,5 м, для торцевых 2,25 м. Величина грузовой площади для ригелей перекрытий составила 4 м. Шаг сканирования величины ветрового давления составил 1 м. Общий вид вычисленных значений ветрового давления на наветренную и подветренные стороны представлен на рисунках 3 и 4. В расчетной схеме предполагается действие ветровой нагрузки вдоль положительного направления оси Х. В указаниях программы уточняется, что положительное действие нагрузки противоположно положительному направлению вектора оси Х глобальной системы координат, что требует вводить значения ветровых нагрузок со знаком минус. Общий вид расчетной схемы с приложенными ветровыми нагрузками на колонны сооружения и в ригели перекрытий представлен на рисунках 5 и 6.
Рис. 3. Ветровая нагрузка. Наветренная сторона
Рис. 4. Ветровая нагрузка. Подветренная сторона
Рис. 5. Загружение 7. Ветер приложен к колоннам
М Инженерный вестник Дона, №5 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2024/9228
Рис. 6. Загружение 8. Ветер приложен к ригелям Для оценки перемещений узлов каркаса было сформировано два пользовательских сочетания. В первое сочетание входят совместное действие постоянных, временных нагрузок и мгновенной ветровой нагрузки на колонны. Второе сочетание содержит сочетание постоянных, временных нагрузок и мгновенной ветровой нагрузки на ригели. Общий вид расчетных сочетаний нагрузок представлен на рисунке 7.
I1 Г1|шш|г шин иир| ■■ ТС
-1 ---- | | «г, мщ||||
_ _ I
-ри -ч.' *(!■ - ^ "¡1
Чщи
Рис. 7. Пользовательские РСН для оценки перемещений
М Инженерный вестник Дона, №5 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2024/9228
Результаты
По результатам расчета получены значения максимальных перемещений узлов несущего каркаса от ветрового воздействия в предположении различного приложения ветрового давления. Мозаика перемещений узлов каркаса представлены на рисунках 8, 9.
Т
Рис. 8. Мозаика перемещений от сочетания DW ,
I
X
Рис. 9. Мозаика перемещений от сочетания DW пер Предельно-допустимую величину перемещений определяем из условия D uLт=S/500=8 мм. Сравнение полученных результатов между собой, а также с допустимым нормами значением в 1/500 от высоты этажа сооружения, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты расчета
Параметр Условное обозначение Значение Ед.изм.
Горизонтальные перемещения при ветре в колонны п х кол 4,93 мм
Горизонтальные перемещения при ветре в ригели П х пер 5,03 мм
Предельно-допустимое значение Г>х и иът 8 мм
Разница между расчетными значениями ОшХпер / ОшХкол 1,02
Разница между расчетным и предельным значениями ОшХпер / ОшХЦЪТ 0,62
Разница между расчетным и предельным значениями ОшХкол / 0Хцьт 0,63
Сравнение результатов расчета показывает, что:
1. Величина горизонтального перемещения в случае приложении ветрового воздействия в колонны составляет 4,93 мм.
2. Величина горизонтального перемещения в случае приложении ветрового воздействия в ригели составляет 5,03 мм.
X X
3. Разница между изгибающими моментами DW пер / DW ] составила 1,02 раза.
X
кол
X
4. Величина предельно-допустимого перемещения D ^т составляет (1/500) Ш=8 мм.
5. Разница между расчетным и предельным значениями
X X
перемещений DW пер / DW ^т составляет 0,62.
6. Разница между расчетным и предельным значениями
X X
перемещений DW кол / D составляет 0,63.
X
кол
7. Величина расчетного перемещения в обоих вариантах
приложения ветровой нагрузки не превышает установленных нормами предельных значений.
Выводы
1. Выполнен расчет высотного здания, в несущий каркас которого входят железобетонное ядро жесткости и система деревянных колонн и ригелей.
2. В случае приложения ветрового давления в колонны максимальное перемещение составляет DW кол=4,93 мм.
3. В случае приложения ветрового давления в колонны максимальное перемещение составляет DW пер=5,03 мм.
4. В обоих расчетных случаях значения перемещений не превышает предельно-допустимого значения установленного нормами DXULT=S/500=8 мм.
5. Разница в перемещениях при различном приложении ветрового давления составляет 0,1 мм.
6. Процент использования по 2-й группе предельных состояний от нормативных значений нагрузок для узлов каркаса составляет 63%, а коэффициент запаса жесткости составляет 0,37.
Литература
1. Найчук А.Я. Прочность элементов деревянных конструкций в условиях сложного неоднородного напряженного состояния. Москва: ЦНИИПромздания, 2006. 378с.
2. Лабудин Б.В. Совершенствование деревянных клееных конструкций с пространственно-регулярной структурой. Архангельск: АГТУ, 2006. 310с.
3. Попов А.Ф. Деревянные клееные конструкции в конце XX века и пути их дальнейшего развития. Деревообрабатывающая промышленность. №6, 2000. 24-29с.
4. Василькин А.А., Рахмонов Э.К. Системотехника оптимального проектирования элементов строительных конструкций. Инженерный вестник Дона. 2013, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203
5. Найчук А.Я. Клееная древесина - строительный материал будущего. Архитектура и строительство. 2009. №3. URL: ais.by/story/1942
6. Воронкова Г.В., Габова В.В. Исследование динамических характеристик несущих ферм при выносе вентиляционного оборудования на кровлю цеха. Инженерный вестник Дона, 2019, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2019/5613.
7. Стяпин Р.А. Унификация изгибаемых клееных деревянных конструкций по принципу подобия. Инженерный вестник Дона. 2013. №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1608
8. Ковальчук Л.М., Пьянов А.Н. Необходимость перехода на создание клееных деревянных конструкций из унифицированных элементов. Деревообрабатывающая промышленность. 2008 - №6, 19-20с.
9. Городецкий А.С., Барабаш М.С., Сидоров В.Н. Компьютерное моделирование в задачах строительной механики. Москва. АСВ. 2016. 338с.
10. Смоленский С.С., Батин Н.В. Оптимизация решений на основе методов и моделей математического программирования. Учебное пособие, Минск 2003. 136с.
References
1. Naychuk A.YA. Prochnost' elementov derevyannykh konstruktsiy v usloviyakh slozhnogo neodnorodnogo napryazhennogo sostoyaniya [Strength of wooden structural elements under conditions of complex nonuniform stress state]. Moskva: TSNIIPromzdaniya, 2006. 378p.
2. Labudin B.V. Sovershenstvovaniye derevyannykh kleyenykh konstruktsiy s prostranstvenno-regulyarnoy strukturoy. [Improving laminated wood structures with a spatially regular structure]. Arkhangelsk: AGTU, 2006. 310p.
3. Popov A.F. Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. №6, 2000. pp.2429.
4. Vasil'kin A.A., Rakhmonov E.K. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013, №4. URL : ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203
5. Naychuk A.YA. Kleyenaya drevesina - stroitel'nyy material budushchego. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2009. №3. URL: ais.by/story/1942.
6. Voronkova G.V., Gabova V.V., Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, № 1. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/n 1y2019/5613.
7. Styapin R.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1608
8. Koval'chuk L.M., P'yanov A.N. Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. 2008. №6. pp.19-20.
9. Gorodetsky A.S., Barabash M.S., Sidorov V.N. Komp'yuternoe modelirovanie v zadachax stroiteFnoj mexaniki. [Computer modeling in problems of structural mechanics]. Moskva. ASV. 2016. 338p.
10. Smolenskiy S.S., Batin N.V. Optimizatsiya resheniy na osnove metodov i modeley matematicheskogo programmirovaniya. [Optimization of solutions based on methods and models of mathematical programming]. Minsk. 2003. 136p.
Дата поступления: 30.03.2024 Дата публикации: 12.05.2024
