К вопросу расчета трехслойных ненесущих наружных стен с облицовкой кирпичом на ветровые нагрузки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Крупнопанельное домостроение

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 692.33

Э.И. КИРЕЕВА, канд. техн. наук ([email protected]), Е.Г. ВАЛЬ, канд. техн. наук

АО «ЦНИИЭП жилища — институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий» (АО «ЦНИИЭП жилища»)

(127434, г. Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)

К вопросу расчета трехслойных ненесущих наружных стен с облицовкой кирпичом на ветровые нагрузки

При расчете ненесущих трехслойных стен и их соединительных связей на действие кратковременных ветровых нагрузок допускается учитывать работу фрагментов стен как пластины с проемами и без них, работающей в двух направлениях - по неперевязанному и перевязанному сечениям. Расчетная схема рассчитываемых фрагментов зависит от условий их закрепления к несущим конструкциям здания - колоннам, балкам, стенам или пилонам. Расчетная модель стены представляется в виде пространственной конструкции, состоящей из наружного и внутреннего ограждающих слоев, соединенных между собой и прикрепленных, к несущим элементам здания гибкими соединительными связями. Результаты расчетов проиллюстрированы на примере монолитного каркасного здания с трехслойными наружными стенами для фрагментов с узким и широким шагом несущих конструкций, для зданий высотой 50, 75 и 100 м. Одновременно отмечена необходимость проверки прочности стен, являющихся заполнением каркаса здания, и их гибких связей на усилия от перекоса, вызванного разницей свободных деформаций соседних разнонагруженных колонн и (или) значительными неравномерными осадками основания.

Ключевые слова: ненесущие трехслойные наружные стены, изгиб из плоскости, перекос заполнения каркаса, неперевя-занное и перевязанное сечения, система гибких соединительных связей.

E.I. KIREEVA, Candidate of Science (Engineering) ([email protected]), E.G. VAL', Candidate of Science (Engineering) AO «TSNIIEP zhilishcha» — institute for complex design of residential and public buildings» (AO «TSNIIEP zhilishcha») (9/3, Dmitrovskoe Highway, Moscow,127434, Russian Federation)

To the Problem of Calculation of Three-Layered Non-Bearing External Walls with Brick Facing for Wind Loads

When calculating non-bearing three-layered walls and their connecting links for the impact of short-time wind loads, it is allowed to take into account the operation of walls fragments as a plate with openings and without them which operates in two directions - along the non-bonded and bonded sections. A design scheme of calculated fragments depends on the conditions of their fastening to bearing structures of a building - columns, beams, walls or pylons. The calculated model of the wall is presented as a spatial structure consisting of external and internal enclosing layers interconnected and fastened to bearing elements of the building with flexible connecting links. Results of calculations are illustrated on the example of a monolithic frame building with three-layered external walls for fragments with narrow and wide pitches of bearing structures for buildings of 50, 75, and 100 m height. At the same time, it is necessary to check the strength of walls which fill the building frame and their flexible links for forces of distortion caused by the difference of free deformations of neighboring differently loaded columns and /or significant non-uniform settling of the base.

Keywords: non-bearing three-layered external walls, out-of-plane bending, deformation of frame filling, non-bended and bended cross-sections, system of flexible connecting links.

Трехслойные ненесущие наружные стены из мелкоштучных материалов с облицовкой кирпичом в зданиях повышенной этажности должны рассчитываться на действие ветровых нагрузок, определяемых в соответствии с требованиями СП 20.13330.2011 (Нагрузки и воздействия). Основные принципы и особенности их расчета и проектирования рассмотрены на примере фрагмента монолитного каркасного здания гостиницы с высотой 50, 75 и 100 м; план колонн, пилонов и стен здания приведен на рис. 1. Сечения несущих железобетонных элементов каркаса для различной высоты зданий условно приняты одинаковыми: толщина перекрытия принята 200 мм, высота железобетонной балки по периметру наружных стен - 500 мм, высота этажа в расчетах принята 3 м. На плане выделены рассчитываемые фрагменты наружных стен (рис. 2):

• фрагмент Ф-1 с одним проемом в шаге несущих конструкций 4,4 м (узкий шаг);

• фрагмент Ф-2 с двумя проемами в шаге несущих конструкций 6 м (широкий шаг);

4о| -

При расчете фрагментов стен на ветровые нагрузки их расположение на фасаде здания рассмотрено для двух случаев: на угловых и рядовых участках стен. Угловая зона принята в крайних пролетах здания шириной 1,5 м.

Варианты решений ненесущих наружных стен трехслойной конструкции могут приниматься в соответствии с предложениями в [1]. В статье расчет фрагментов стен на ветровые нагрузки рассмотрен на примере конструкции трехслойной наружной стены, приведенной на рис. 3: внутренний слой - из ячеисто-бетонных блоков толщиной 200 мм, плотность бетона 500-600 кг/м3, класс бетона В2,5; средний слой - из минераловатных плит толщиной 150 мм, вентилируемый воздушный зазор толщиной 40 мм; наружный слой - из лицевого кирпича марки М100, марка раствора М75, толщина назначается по результатам расчета на ветровые нагрузки и может назначаться по одному из трех вариантов - 120, 190 или 250 мм.

Соединение слоев стен и их крепление к несущим конструкция каркаса здания производится с помощью системы

^^^^^^^^^^^^^ М'2016

Научно-технический и производственный журнал

ЖИЛИЩНОЕ

Л

Large-panel housing construction

деформационный шов

„300 и300 „300 300

Рис. 1. Фрагмент монолитного каркасного здания. План колонн, пилонов, стен

г г0 ° 1 1 ооооооооо \250\250\250\,- ^ ^ ' ' "1 1

1150 2100 1150

ж/б перекрытие

деформационный шов

-тЛ-Г

гибких соединительных связей, схема расположения которых дана на рис. 2:

• Н-1 (05 мм) - связи крепления наружного слоя стен к горизонтальной балке перекрытия;

• Н-2 (05 мм) - связи соединения наружного и внутреннего слоев стен;

• Н-5 (05 мм) - связи крепления наружного слоя стен к колоннам или пилонам в торце;

• ПЛ - связи из перфорированной ленты для крепления внутреннего слоя стен к колоннам или пилонам.

Фрагменты ненесущих наружных стен Ф-1 и Ф-2 и их соединительные связи рассчитываются на кратковременные ветровые нагрузки, а также, являясь заполнением каркаса, проверяются при необходимости на действие усилий от возможного перекоса колонн в результате разницы свободных деформаций соседних разнонагружен-ных элементов, а также в случаях значительных неравномерных осадок основания. В рассматриваемом примере ветровые нагрузки приняты для I ветрового района местности типа «В». При расчете стен и их гибких связей учтены пиковые значения ветровой нагрузки с аэродинамическими коэффициентами: Ср+=1,2 - для ветрового напора, Ср-=[-1,2] - для ветрового отсоса на рядовых участках стен и Ср-=[-2,2] - для ветрового отсоса на угловых участках фасадов.

Расчет выполнен с учетом статической и динамической составляющих ветровой нагрузки по программному комплексу ЛИРА-WINDOWS с использованием пространственной расчетной модели, состоящей из двух пластин, моделирующих стены наружного и внутреннего слоев, соединенных между собой и прикрепленных к несущим конструкциям здания стержневыми элементами, моделирующими гибкие связи в соответствии с рис. 4.

В рассматриваемом случае стены поэтажно опираются на перекрытия и крепятся гибкими связями к элементам каркаса с двух сторон - слева и справа к колоннам или пилонам и вверху - к продольной балке перекрытия. Расчетом определяются усилия (моменты) в наружном и внутреннем

Рис. 2. Фрагменты стен Ф-1, Ф-2. Схемы расположения гибких соединительных связей: а — угловой фрагмент Ф-1; б — рядовой или угловой фрагмент Ф-2. 1 — гибкие связи Н-1 — наружного слоя с монолитной ж/б балкой; 2 — гибкие связи из перфоленты ПЛ — внутреннего слоя с колоннами; 3 — гибкие связи Н-5 — наружного слоя с колонной или пилоном (в торце); 4 — гибкие связи Н-2 — наружного слоя с внутренним слоем

слоях стен от ветровой нагрузки по вертикали (неперевя-занное сечение) и по горизонтали (перевязанное сечение) и напряжения от собственного веса в простенках и перемычках, а также усилия растяжения-сжатия в соединительных связях и связях-креплениях слоев стены к несущим конструкциям. Растягивающие напряжения в наружном и внутреннем ограждающих слоях стен определяются с учетом действия изгибающего момента М от ветровой нагрузки и собственного веса стены N по формуле:

ст = М / W - N / F,

где W и F - соответственно момент сопротивления и площадь сечения рассчитываемых слоев.

Прочность кладки ограждающих слоев проверяется в соответствии с допускаемыми значениями растягивающих напряжений при изгибе соответственно по неперевязанно-му и перевязанному сечениям кладки по СП 15.13330.2012, СНиП 11-22-81*. При расчете по неперевязанному сечению кладки допускается момент сопротивления сечения кладки по растворному шву определять с учетом неупругих деформаций крайнего растянутого волокна по формуле W=bh2/4. При этом должна осуществляться проверка сечения по раскрытию трещин по ф. 33 СП 15.13330.2012, СНиП 11-22-81*.

Zx-4400

б

42016

41

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Расположение фрагмента Толщина облиц. слоя, (мм) Высота здания (м) Нагрузки, т/м2 Напряжения в наружном слое, кг/см2 Напряжения во внутреннем слое, кг/см2 Максимальные усилия в связях (т)* Перемещение, мм Оценка прочности

Рядовые участки Угловые участки Верхняя перемычка Нижняя перемычка Простенок крайний Простенок средний Верхняя перемычка Нижняя перемычка Простенок крайний Простенок средний Внутренний слой Наружный слой

Фрагмент Ф-1

Угловая зона 120 50 0,08 0,147 - - -

75 0,091 0,168 - - -

100 0,1 0,185 1,02 0,717 1,14 - 0, 5 0,5 0,5 - +0,113 / -0,092 - +

Фрагмент Ф-2

Угловая зона 190 50 0,076 0,141 0,68 0,51 0,85 0,97 0,28 0,084 0,24 0,6 +0,116 1,09 +

75 0,087 0,161 0,78 0,59 0,97 1,16 0,32 0,146 0,27 0,69 +0,132 1,25 +

100 0,096 0,178 0,86 0,65 1,1 1,33 0,35 0,162 0,3 0,76 +0,146 / -0,109 1,3 1,38 ( - )**

Рядовая зона 190 50 0,076 - 0,43 0,52 0,6 0,75 0,19 0,174 0,015 0,507 +0,085 0,89 +

75 0,087 - 0,49 0,6 0,65 0,92 0,22 0,2 0,11 0,58 +0,097 1,01 +

100 0,096 - 0,54 0,66 0,72 1,07 0,24 0,22 0,142 0,64 +0,108 / -0,09 1,07 1,12 +

* - усилия в связях: знак «+» - растяжение при отсосе ветра; знак «-» - сжатие при напоре ветра. ** - следует выполнить расчет по раскрытию трещин. Жирным выделены максимальные напряжения растяжения при изгибе по неперевязанному сечению, превышающие: в кирпичном слое 1,2 кг/см2.

0 Облицовочный кирпич 0,5НФ 250х60х65(ЬО мм

Облицовочный кирпич 1НФ 250х120х65(Ь1) мм

Рядовой кирпич

Рис. 3. Пример трехслойной наружной стены с внутренним слоем изячеисто-бетонных блоков: а — толщина облицовки 120мм; б — толщина облицовки 190 мм

42

4'2016

Научно-технический и производственный журнал

Large-panel housing construction

ПЛ

ПЛ

Н-5

Н-5

Рис. 4. Пространственная расчетная модель трехслойной стены фрагмента 2

Расчетом также определяются усилия растяжения-сжатия в соединительных связях.

С учетом полученных в результате расчета усилий произведена оценка прочности ограждающих слоев стен для угловых и рядовых зон фасадов, для фрагментов с одним (узкий шаг несущих конструкций - 4,4 м) и двумя (широкий шаг несущих конструкций - 6 м) проемами, для зданий высотой 50, 75 и 100 м.

При принятой системе соединительных связей максимальные усилия растяжения в наружном и внутреннем слоях стен фрагментов Ф-1 и Ф-2 приведены в таблице, из которой можно заключить:

1. Наибольшие напряжения растяжения при изгибе возникают в простенках наружного облицовочного слоя в крайних угловых зонах здания по неперевязанному сечению кирпичной кладки.

2. Прочность наружных стен в угловом фрагменте Ф-1 длиной 4,4 мм лимитируется прочностью простенка и обеспечивается в зданиях высотой до 100 м при толщине облицовочного слоя 120 мм (рис. 3, а). Максимальные величины напряжений, возникающие в облицовочном слое углового простенка, не превышают допускаемого значения по непе-ревязанному сечению ст=1,14 кг/см2 < ЯИ1=1,2 кг/см2.

3. Прочность наружных стен фрагмента Ф-2 лимитируется прочностью среднего простенка при расположении фрагмента в угловой зоне фасада и обеспечивается в зданиях высотой до 75 м при толщине облицовочного слоя 190 мм (рис. 3, б). В зданиях высотой 75-100 м следует либо увеличить толщину облицовочного слоя до 250 мм, либо при толщине 190 мм в крайних угловых зонах фасада следует предусмотреть следующие конструктивные меры:

• принять узкий шаг колонн, пилонов каркаса по аналогии

с фрагментом Ф-1 (до 4,4 м);

• усилить простенки в угловой зоне металлическими фахверками.

4. Расчеты показали, что горизонтальные перемещения наружного и внутреннего слоев стен при принятой системе соединительных связей практически одинаковы. Это говорит о том, что связи обеспечивают совместную работу наружного и внутреннего слоев в составе стены, а усилия от ветра распределяются между слоями пропорционально их жесткостям.

5. Максимальные усилия растяжения-сжатия в связях от ветровых нагрузок возникают в местах крепления на-

ружного облицовочного слоя к несущим конструкциям в зданиях высотой 100 м. Максимальные напряжения при перекосе стены возникают в связях крепления наружного слоя к продольной балке перекрытия и внутреннего слоя к колоннам, пилонам или стенам (связи «ПЛ»). Прочность связей на растяжение и узлов их анкеровки должна проверяться с учетом действия суммарных усилий, включая также усилия растяжения от температурно-влаж-ностных воздействий, определяемых в соответствии с СП 15.13330.2012, СНиП 11-22-81*.

6. При работе стены на перекос главные растягивающие напряжения в кладке слоев не превышают допускаемых значений, поэтому определяющими в этом случае являются расчетные усилия в гибких связях соединения слоев стены с несущими конструкциями каркаса.

Таким образом, толщина облицовочного слоя в ненесущих трехслойных стенах должна назначаться из расчета на действие кратковременных ветровых нагрузок и зависит от многих факторов: величины ветровых нагрузок для конкретного региона строительства, конструкции трехслойной стены (точнее, конструкции внутреннего слоя), наличия проемов, шага вертикальных несущих элементов каркаса (при шаге более 6 м результаты будут иными), высоты этажа, высоты здания и условий закрепления фрагментов стен, т. е. принятой системы соединительных связей и креплений к несущим конструкциям здания. При проектировании также следует учитывать, что эффективным конструктивным решением крайних пролетов в зданиях повышенной этажности является устройство в угловых зонах фасадов узкого шага колонн, пилонов или стен, для того чтобы оптимальную толщину облицовочного слоя в трехслойных ненесущих наружных стенах назначать исходя из прочности рядовых участков стен с меньшими пиковыми ветровыми нагрузками.

Гибкие связи должны обеспечивать надежную совместную работу внутреннего и наружного слоев стены и их крепление к несущим конструкциям здания, в том числе при возможных перекосах элементов каркаса.

Вне рассматриваемой темы остался вопрос обеспечения прочности лицевого слоя наружных стен при температурно-влажностных воздействиях, что решается путем расчета стен на температурно-влажностные воздействия, устройства вертикальных температурно-деформационных швов в облицовочном слое кладки и армирования кладки лицевого слоя в соответствии с требованиями СП 15.13330.2012, СНиП 11-22-81*.

1.

1.

Список литературы / References

Киреева Э.И., Беляев В.С. Конструкции ненесущих трехслойных наружных стен с облицовкой кирпичом в гражданских зданиях повышенной этажности. Строительные материалы. 2016. № 4. С. 64-68.

Kireeva E.I., Belyaev V.S. Construction of three-layer non-bearing exterior walls with brick veneer in civilian high-rise buildings. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2016. No. 4, pp. 64-68. (In Russian).

4'2016

43