КОНСОЛЬНЫЕ ЗДАНИЯ И ИХ ОСОБЕННОСТИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Консольные здания и их особенности

Грузков Александр Артурович,

студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, aleksandrgruzkov29@mail.ru

Матвиенко Вероника Дмитриевна

студент, департамент архитектуры и дизайна, Дальневосточный федеральный университет, veroni.matviencko@mail.ru

Солянник Павел Евгеньевич,

студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, pavelgrand557@gmail.com

Вернин Никита Александрович,

студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, navernin@gmail.com

В данной статье отмечена перспектива использования консолей в архитектуре. Проведен анализ существующих проектов и реализованных зданий и сооружений консольного типа. Дано описание актуальности и необходимости применения консолей в современной архитектуре.

Рассмотрены особенности проектирования и возведения консольного здания расположенного на краю обрыва у моря. Описана важность выбора строительного участка и специфических грунтовых условий.

Проведен анализ выбора основных несущих конструкций здания путем сравнения различных вариантов. Были подобраны оптимальные конфигурации основных несущих ферм. Также были проанализированы варианты несущих конструкций перекрытий.

Были предложены варианты разработки скального грунта. Также была подобрана конфигурация фундамента, удовлетворяющего характеру и специфике возникающих усилий и реакций. Рассмотрена проблема инсоляции в зданиях консольного типа. Ключевые слова: консольное здание, эффективность, оптимизация.

С развитием строительства как науки появилось множество методов оценки прочности, устойчивости, надежности и долговечности конструкций. Появились как прикладные ручные методы, так и вычислительные автоматизированные. Появление последних стало возможно благодаря развитию ЭВМ (электронно-вычислительных машин).

Компьютеры позволили сделать качественный скачок в сфере проектирования и расчетов в строительстве. Именно поэтому в последние десятилетия стали появляться здания и сооружения, имеющие размеры и формы, воплотить в жизнь которые было бы невозможно без применения компьютеров.

Одним из таких видов зданий и сооружений является консоль. Казалось бы, консоль является самым простым видом сооружения. Ее расчет является наиболее простым из всех видов расчетных схем. Распределение усилий также является самым очевидным. Однако при увеличении ее размеров возникает ряд трудностей, которые будут разобраны далее.

На данный момент консоли очень часто встречаются в архитектуре зданий. Однако консольными выполняются лишь отдельные небольшие элементы.

В промышленном строительстве консоли служат для крепления кранов и грузозахватных механизмов.

Однако полностью консольные здания являются очень редкими. Существует всего лишь несколько проектов, в которых основная часть здания является консольной. Эти проекты в основном имеют небольшие размеры.

Рассмотрим особенности проектирования и возведения консольного здания расположенного на краю обрыва у моря.

1) Актуальность применения консолей

Актуальность применения консолей в зданиях обуславливается тем, что такой прием может приблизить человека к его давнему желанию - чувству полета.

Также выразительные архитектурные решения вкупе с видовыми площадками позволят стать такому зданию точкой притяжения для туристов и жителей города.

2) Выбор участка строительства

Важно выбрать участок, который будет подчеркивать архитектурную выразительность здания.

Предполагается, что участок должен обладать следующими характеристиками:

- отвесный участок скалы вблизи моря;

- наличие подъезда;

- наличие вблизи участка инженерных коммуникаций (электричество, вода, канализация);

- ориентация на юг или юго-восток.

3) Грунтовые условия

При выборе участка необходимо учесть специфические требования к грунтовым условиям.

Классификация грунтов производится согласно ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» [1].

Для реализации проекта необходимо чтобы основание было из скального грунта высокой прочности (табл. Б.1 [1]). По степени сплошности массив скального грунта

X X

о

го А с.

X

го т

о

м о м о

о см о см

о ш т

X

<

т О X X

должен быть монолитным в пределах распространения существенных напряжений, возникающих от здания (табл. Г.1 [1]).

4) Выбор несущих конструкций 4.1) Выбор основной несущей конструкции Необходимо подобрать несущие конструкции способные воспринять большой изгибающий момент, а также необходимо обеспечить пространственную жесткость здания, так как на него будут действовать ветровые и сейсмические нагрузки.

Таблица 1

Сравнительный анализ различных конфигураций ферм

Рисунок 1 - Усилия в консольном стержне

Исходя из специфики здания предлагается в качестве основной несущей конструкции применить стальную консольную ферму.

Было проведено сравнение двух вариантов закрепления опорных узлов фермы: шарнирного и жесткого. Была приложена вертикальная единичная распределенная нагрузка на верхний и нижний пояса ферм. Также была приложена сейсмическая нагрузка. По результатам сравнения было выявлено, что при разных закреплениях усилия распределяются практически одинаково. Однако при жестком варианте отсутствует необходимость в опорной стойке. А также ферма лучше закреплена в пространстве.

Также по ходу данного сравнения было выявлено, что из-за нестандартного расположения конструкций в рассматриваемом здании, основное направление при рассмотрении сейсмического воздействия является вертикальном. Горизонтальные сейсмические волны оказывают меньшее влияние на здание. Их учет необходим, но только вкупе с вертикальными.

Для определения самой подходящей конфигурации фермы было проведен сравнительный анализ, приведенный в таблице 1. К нижним и верхним поясам ферм была приложена распределенная единичная нагрузка. Для анализа были взяты фермы пролетом 21 м, высотой 3 м, длиной панели 3 м.

Исходя из сравнительного анализа было выявлено, что наилучшим вариантом является ферма с раскосной решёткой.

Далее были предприняты попытки по уменьшению усилий в опорных стержнях путем добавления шпренге-лей. Данные расчеты не дали особых улучшений.

Итак, можно сделать вывод, что раскосная ферма с нисходящими раскосами является наиболее оптимальной несущей конструкцией для разрабатываемого здания.

Вид решетки фермы

Крестовая

Раскосная

Продольные усилия, кН

Также, если необходимо будет сделать в здании более одного этажа, возможен вариант трех- или четырех-поясных ферм.

Для возможности крепления ограждающих конструкций предлагается выполнить фермы из труб квадратного или прямоугольного сечения.

Так как в ферме возникают большие усилия, для того чтобы уменьшить сечения элементов фермы предлагается использовать предварительное напряжение.

Самым экономичным и простым является устройство строительного подъема. Придав элементам верхнего пояса выгиб к свободному концу фермы на заводе,

можно создать предварительное сжатие этих элементов, что при последующей работе уменьшит растягивающие усилия и уменьшит прогиб.

Но данный вариант сложно осуществим, так как планируется выполнять заливку монолитного железобетонного перекрытия и уклон, созданный приподнятым концом, не позволит залить все перекрытие целиком.

Тогда оптимальным вариантом является создание предварительного натяжения затяжками, выполненными из стальных канатов. Также можно учесть последовательность приложения нагрузки и производить ступенчатое натяжение.

Расчёт предварительного напряжения приведен в книге Б. А. Сперанского «Решетчатые металлические предварительно напряженные конструкции» [2]. Также был проведен прикидочный расчет в программе SCAD, по результатам которого можно сделать вывод, что предварительное натяжение верхнего пояса позволяет уменьшить усилия в элементах фермы.

Обладает большей пространственной жесткостью по сравнению с предыдущими вариантами. Также самый экономичный вариант по расходу материала. При частичной сборке секций на заводе, существенно ускоряется монтаж.

Исходя из вышеперечисленного, наиболее предпочтительным вариантом является выполнение перекрытий в виде структурной плиты.

5) Способ крепления здания к скале 5.1) Проектирование фундамента здания Данный вопрос является основным и самым сложным для проектирования, так как готовых унифицированных решений нет, а усилие, которое необходимо будет передать со здания на основание велико.

Фундамент должен воспринять следующие усилия: для верхней опоры растягивающее горизонтальное и вертикальное усилия, для нижней - сжимающее горизонтальное и незначительное вертикальное усилия. Также из плоскости фермы будут действовать ветровая и сейсмическая нагрузки.

Рисунок 2 - Схема ферм с напряжением растянутого пояса [2]

Натяжение будет происходить на опорные пластины, находящиеся внутри профиля пояса. Производить его будут с помощью домкратов. Фиксация будет происходить при помощи цанговых клиновых анкеров.

Рисунок 3 - Варианты расположения затяжек в прямоугольном профиле [2]

Так как в консольной ферме идет уменьшение усилий к свободному концу, и разница в усилиях между началом и концом фермы велико, при пролете фермы более 20 м имеет смыл изменить сечение поясов в середине фермы. Также данный вариант необходим для удобной отправки фермы на строительную площадку.

4.2) Выбор конструкций перекрытия

При пролете между несущими фермами более 15 м применение обычных балок является нецелесообразным в виду их большой высоты. Исходя из этого предлагаются более экономичные варианты.

а) Перфорированные двутавровые балки

Их преимущество по сравнению с традиционными балками состоит в том, что в них убран материал из тех мест, где он не работает. Балка начинает работать как ферма. Также возможно пропустить коммуникации через отверстия.

б) Фермы

Тот же принцип. Элементы распложены только в местах работы. Все элементы в основном работают на рас-тяжение\сжатие.

в) Структурная плита

Рисунок 4 - Опорные реакции фермы от единичной распределенной нагрузки

Исходя из характера усилий, приходящихся на опорные узлы, можно выделить особенности, которыми должен обладать фундамент здания:

а) для обеспечения пространственной работы здания, а также более равномерной передачи усилий на основание предлагается выполнить фундамент единым монолитным;

б) так как в верхнем опорном узле возникают значительные растягивающие усилия, предлагается устройство горизонтальных анкеров. Также в верхнем опорном узле возникают значительные вертикальные усилия, поэтому требуется проверка работы анкеров на срез;

в) так как в нижнем опорном узле возникают сжимающие усилия, то дополнительное устройство анкеров не требуется;

г) также для обеспечения пространственной работы здания предлагается по краям опоры устройство наклонных (в горизонтальной плоскости) анкеров.

Исходя из вышеперечисленных особенностей была разработана конструкция фундамента здания.

X X

о

го А с.

X

го m

о

м о м о

о см о см

о ш т

X

А

т О X X

Рисунок 5- Эй-вид фундамента

Рисунок 6 - Вид фундамента сбоку

Рисунок 7 - Вид фундамента со стороны основания

сдвигающей (выдергивающей) нагрузки от закрепляемого строительного объекта в грунт в зоне заделки.

Анкер состоит, как правило, из трех основных частей: оголовка, свободной части и заделки (корня):

- Оголовок. В конструкции анкера эта часть выполняет функцию передачи нагрузочных усилий закрепляемой конструкции или другого элемента непосредственно на стержень анкера - анкерный тяж.

- Анкерная тяга. Главное техническое назначение элемента заключается в промежуточной передаче выдергивающих усилий от оголовка на корневую часть анкера.

- Корневая часть - заделка, оставляемая в земле.

Заделку в грунт обеспечивают путем инъекции цементного или иного твердеющего раствора в один или несколько этапов.

О)- ЬрОМСННЫЙ. 6} - ПОСТОЯННЫЙ.

1 - оголовок анкера, 2 упорная конструкция,

3 - амкерусмос сооружение, 4 - пуродо еккажнна. нголнруюшыо&олючка.б- тип, 7 - цементное тело аделкн, $ их та, 9 - II : '.'II14 |руба, 1, л"нм.1 анкера, • - свобошш пн-п анкера, I. линия илелкн анкера,'': -1'ШИН'111?к 1111 .1

таи, - панна аалелин ши

Рисунок 9 - Основные элементы грунтового анкера [Э]

Оголовок состоит из выпуска тяги, опорной плиты и крепежных элементов (гайка, шайба, обойма, цанговые зажимы или конус арматурных канатов и др.

Сферически шАьа

Рисунок 8 - Вид фундамента сверху

Для лучшей передачи усилий из плоскости ферм фундамент реализован в виде шпоночного соединения. Для этих же целей размещены крайние анкера под углом 45°.

Для восприятия горизонтальных и вертикальных опрокидывающих усилий предназначены перепад (с) и анкера, работающие на выдергивающую нагрузку и на срез.

Ширина опоры Ь), размер и количество шпонок, высота (с) выступающей части фундамента, длина, сечение и количество анкеров должны быть определены исходя из расчета.

5.2) Выбор анкеров

Для скального грунта в основном используют грунтовые анкера. Эти устройства отличаются экономичностью, относительной простотой в изготовлении и надежностью.

Грунтовый буроинъекционный анкер - устраиваемая буровым способом горизонтальная, наклонная или вертикальная геотехническая конструкция для передачи

Рисунок 9 - Конструкция оголовка анкера [5]

Процесс установки производится в следующей последовательности:

1) В грунтовом массиве производится бурение скважин до расчетной отметки, указанной в проекте.

2) На этом этапе начинается погружение арматурного стержня или пряди канатов в отверстие скважины до проектной отметки. По мере углубления анкерной конструкции в тело скважины подается промывочная жидкость. Обычно это водно-цементная смесь, которая очищается скважину от шлама.

3) Достижение буровой коронки проектной глубины означает завершение процесса бурения.

4) Начинается нагнетание раствора в корневую часть.

5) Натяжение анкера должно проводиться после твердения инъекционного раствора в корне анкера, для чего обычно требуется 7 суток.

6) После натяжения анкера и проведения всех испытаний анкер блокируют на опоре.

Важной задачей является обеспечение антикоррозионной защиты анкера.

При расчете грунтовых анкеров, а также при принятии решений о выборе его типа и способа производства работ по его установке, следует использовать следующую нормативную литературу: СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», ГОСТ Р 57355-2016/EN 1537:2014 «Анкеры грунтовые. Правила производства работ», ВСН 506-88/Минмонтажспецстрой СССР «Проектирование и устройство грунтовых анкеров», СТО НО-СТРОЙ 2.5.126-2013 «Устройство грунтовых анкеров, нагелей и микросвай» [5].

Однако работа грунтовых анкеров направлена в основном на восприятие растяжения, что не подходит в рассматриваемом случае.

Поэтому предлагается дополнить грунтовые анкера, которые будут воспринимать основную горизонтальную выдергивающую нагрузку, сталежелезобетонными (или железобетонными) сваями. Они совместно с железобетонным фундаментом будут воспринимать вертикальную нагрузку и моменты.

6) Методы разработки скального грунта

Необходимо выбрать методы разработки, учитывающие специфические свойства скального грунта.

Основные методы разработки скального грунта:

- взрывной метод;

- бурение с последующим откалыванием больших частей;

- механический метод.

Взрывной и метод бурения с откалыванием больших частей не подходят в связи с небольшими объемами выемки, а также из-за необходимости соблюдения точности при разработке грунта.

Механический метод реализуется гидромолотами. Обычно он устанавливается на базе экскаватора вместо ковша. С его помощью можно разработать скальный грунт, и что самое главное процесс разработки можно производить с уровня земли, что является очень важным для создания выемки под фундамент консольного здания.

Был проведен анализ рынка экскаваторов с гидромолотами и можно сделать вывод, что гидромолоты не устанавливают на экскаваторы с глубиной копания более 5 м. Это связано с тем, что большая глубина обычно не требуется. Но для данного уникального случая возможно применить тяжелый экскаватор с глубиной копания 15 м и более, и присоединить к нему гидромолот.

Работа гидромолотов возможна в положении от горизонтального до вертикального, что позволит выполнить выемку нужной формы под фундамент здания.

7) Инсоляция

При вылете 20 м и более, необходимо предусмотреть мероприятия, которые поспособствуют выполнению требований по инсоляции помещений здания.

Инсоляция - прямое солнечное облучение поверхностей и пространств.

Солнечный свет - важная составляющая для нормальной жизнедеятельности любого живого организма. При нехватке света человек не может функционировать

нормально. При нехватке освещения, у него могут развиться многие болезни, некоторые из которых тяжело поддаются лечению.

Однако во всем должна быть золотая середина. Избыток солнечного света также негативно влияют на организм человека, как и его нехватка.

Расчет инсоляции производится согласно ГОСТ Р 57795-2017 «Здания и сооружения. Методы расчета продолжительности инсоляции».

И, хотя с выходом постановления Правительства РФ N 87 от 16 февраля 2008 г. «О составе разделов проектной документации», раздел с расчетом по инсоляции стал необязательным, но по ГОСТ Р 57795-2017 «Здания и сооружения. Методы расчета продолжительности инсоляции» расчет инсоляции необходим для решения практических задач, связанных с инсоляционными режимами помещений и территорий, предусмотренными СП 42.13330, СП 54.13330, СП 160.1325800, и направлены на выполнение гигиенических требований СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076, СанПиН 2.1.2.2645, СанПиН 2.4.1.3049, СанПиН 2.4.2.2821 по продолжительности инсоляции помещений в проектируемых, строящихся и существующих зданиях, а также на территориях детских и спортивных площадок, принадлежащих этим зданиям.

Поэтому предлагаются следующие способы решения проблемы инсоляции в комплексе:

- ориентация главного фасада на Ю или ЮВ;

- создание атриума для освещения опорной части здания;

- технические помещения и лестнично-лифтовой узел располагать у опорной части здания;

- остекленные части южных фасадов умным стеклом, то есть стеклом, которое меняет свою прозрачность под действием электрического тока.

Итак, был проведен анализ существующих и планируемых зданий и сооружений консольного типа, в результате которого были выделены основные особенности проектирования таких зданий. Исходя из этих особенностей для разрабатываемого проекта были предложены конструктивные решения, основанные на учебной и нормативной литературе, опыте проектирования и мировых тенденциях.

Также были проанализированы современные технологии производства различных работ и выделены наиболее подходящие для реализации в планируемом проекте.

Литература

1. ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация», -введен 2013 г.

2. Сперанский Б.А. «Решетчатые металлические предварительно напряженные конструкции», - издательство литературы по строительству, Москва 1970 г.

3. СТО НОСТРОЙ 2.5.126-2013 «Устройство грунтовых анкеров, нагелей и микросвай», - ОАО ЦНИИС «Научноисследовательский центр «Тоннели и метрополитены», Москва 2016 г.

Cantilever buildings and their features

Gruzkov A.A., Matvienko V.D., Solyannik P.E., Vernin N.A.

Far Eastern Federal University

This article highlights the perspective of using cantilevers in architecture. The analysis of existing projects and implemented buildings and structures of the cantilever type is carried out. The article describes the relevance and necessity of using consoles in modern architecture.

X X О го А С.

X

го m

о

to о м о

The features of the design and construction of a cantilever building located on the edge of a cliff near the sea are considered.

The importance of choosing a construction site and specific ground conditions is described.

The analysis of the choice of the main load-bearing structures of the building is carried out by comparing different options. Optimal configurations of the main load-bearing trusses were selected. Variants of load-bearing structures of floors were also analyzed.

Options for the development of rock soil were proposed.

The Foundation configuration was also selected to meet the nature

and specifics of the emerging efforts and reactions. The problem of insolation in cantilever buildings is considered. Keywords: cantilever building, efficiency, optimization. References

1 GOST 25100-2011 "Soils. Classification", - introduced in 2013

2 B. A. Speransky "Latticed metal prestressed structures", -

publishing house of literature on construction, Moscow 1970

3 STO NOSTROY 2.5.126-2013 "device of ground anchors, nagels

and micro-piles», - OAO TsNIIS "scientific Research center "Tunnels and metropolitens", Moscow 2016

o

CN O CN

O m m x

<

m o x

X