Конструкция несущей рамы подвесного здания и способ ее монтажа Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

TECHNICAL SCIENCES

КОНСТРУКЦИЯ НЕСУЩЕЙ РАМЫ ПОДВЕСНОГО ЗДАНИЯ И

СПОСОБ ЕЕ МОНТАЖА

Азизов Т.Н.

доктор технических наук, профессор, Уманский государственный педагогический университет

THE STRUCTURE OF THE LOAD-BEARING FRAME OF A SUSPENDED BUILDING AND THE METHOD OF ITS

INSTALLATION

Azizov T.N.

Doctor of Engineering, Professor, Uman State Pedagogical University

АННОТАЦИЯ

В статье приведена усовершенствованная схема несущей рамы подвесного сейсмически безопасного здания. Показано, что в такой конструкции при воздействии землетрясения будет практически отсутствовать вертикальная составляющая колебаний. Этого достигнуто с помощью устройства подвесок строго вертикально. Приведена схема монтажа конструкции несущей рамы, которая позволит строить не только малоэтажные, но и высотные подвесные здания. Предложенная схема монтажа позволит строить подвесные здания без применения сложного оборудования, вертолетов и другой дорогостоящей техники.

ABSTRACT

The article shows an improved scheme of the bearing frame of a suspended seismically safe building. It is shown that in this design there are no vertical oscillations in the earthquake. This is done using a device of vertically suspended cables. The scheme of installation of a structure of a bearing frame is resulted. It is shown that such a frame will allow building not only low-rise, but also high-rise suspended buildings. The proposed installation scheme will allow building hanging buildings without the use of complex equipment, helicopters and other expensive equipment.

Ключевые слова: подвесное здание, сейсмическая безопасность, монтаж высотных конструкций, динамические силы

Keywords: suspended building, seismic safety, installation of high-rise structures, dynamic forces

Анализ исследований и постановка задачи.

Вопрос защиты зданий и сооружений от землетрясений всегда является важнейшей задачей при проектировании и строительстве в сейсмических районах. В работах автора настоящей статьи было показано [1-3], что одним из весьма эффективных способов существенного снижения динамических усилий на несущие конструкции здания или сооружения является способ подвешивания здания на несущую раму. В этих работах также показано, что применение систем демпфирования, выключающихся связей [4-7] является хорошим способом защиты, но при этом динамические усилия от действия землетрясения остаются достаточно большими, что вынуждает усиливать несущие конструкции и удорожает строительство.

Предварительные исследования автора показали [1], что подвешивание самого здания позволяет в несколько раз уменьшить усилия на несущие

конструкции. Необычное решение подвесного здания влечет за собой вопрос упрощения монтажа конструкций несущей рамы, а также совершенствования ее формы.

В связи с вышесказанным целью настоящей статьи является совершенствование формы несущей рамы подвесного здания, а также разработка способа ее простого монтажа без применения специальных приспособлений.

Изложение основного материала. Предложенное автором здание представляет собой конструкцию, когда все здание подвешено на несущей раме, масса которого во много раз меньше массы самого здания. Предварительные расчеты производятся методами теоретической механики с использованием уравнений Лагранжа второго рода [1, 8]. При этом предложено два варианта подвешивания здания: опирание на пирамидальную раму (рис. 1, а); опирание на прямоугольную в плане раму (рис. 1, б).

Рис.1. Схема подвешивания здания на несущую раму: а) - на пирамидальную; б) - на прямоугольную в плане. 1 - подвесное здание; 2 - несущая рама; 3, 4 - подвески (тросы)

В обоих случаях само здание шарнирно подвешено на тросах к несущей раме.

В [1, 3] рассмотрен принцип предварительного динамического расчета, целью которого является определение уравнений движения системы и порядка сейсмических сил, действующих на несущую

раму. При этом все подвесное здание (или сооружение) рассматривается в первом приближении как сосредоточенная масса, подвешенная на раме. Упрощенная, но наиболее приближенная динамическая расчетная схема в таком случае представлена в виде, приведенном на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема с колеблющейся опорой

Тележка крепится к опоре с помощью пружины жесткостью к Жесткость пружины моделирует перемещение конца рамы по горизонтали.

Жесткость пружины k подбирается из условия равенства статического прогиба конца консоли (несущей рамы) от единичной горизонтальной силы перемещению пружины от той же силы. Основание

системы (точка О на рис. 2) колеблется по горизонтали влево и вправо с амплитудой О-О^

Следует, однако, отметить, что такая схема справедлива для конструкции по рис. 1, а, но не совсем соответствует конструкции по рис. 1, б. Дело в том, что при использовании конструкции по рис. 1, б при горизонтальном колебании основания в подвесках здания возникают немалые вертикальные составляющие усилий, что должно быть учтено расчетом. В тоже время конструкция по рис. 1, а имеет тот недостаток. Что несущая рама занимает достаточно большую площадь.

Для устранения этого недостатка предлагается изменить конструкцию несущей рамы в виде, показанном на рис. 3, отличающуюся от конструкции по рис. 1, б тем, что подвески 3 и 4 расположены вертикально, а в несущей раме с этой целью устроены дополнительные раскосы. Благодаря этому при горизонтальном колебании основания здание будет также колебаться в горизонтальном направлении и вертикальная составляющая динамических усилий будет практически отсутствовать.

Рис. 3. Усовершенствованная схема несущей рамы подвесного здания 1 - подвесное здание; 2 - несущая рама; 3, 4 - подвески (тросы)

Так как при использовании схемы по рис. 3 в системе при малых колебаниях основания будут отсутствовать вертикальные усилия в подвесках, то использование динамической расчетной схемы по рис. 2 будет справедливо.

((т1 + т2)х + т21ф cos ф — т21ф2 sin ф

Расчет такой схемы производится с использованием уравнений Лагранжа второго рода [8]. Система уравнений, выведенная автором в [1] имеет вид:

(т1 + т2)р2а sin pt + kx = 0

х cos ф + 1ф — ap¿ sin pt cos ф + g sin ф = 0

(1)

В выражении (1) обозначено (см. рис. 2): т1, т2 обобщенные координаты; а и р - соответственно - соответственно массы тележки (имитирующей амплитуда и частота колебания основания; д -несущую раму) и самого подвесного здания; х и ф - ускорение свободного падения. Точка или две

точки над символом в выражении (1) обозначают соответственно первую и вторую производные по времени £

Система дифференциальных уравнений Ла-гранжа достаточно просто решается как численно, так и аналитически. Решение этой системы даст нам закон движения системы. Зная закон движения, достаточно просто получить силы, действующие на элементы системы, в том числе на пружину, что в нашем случае является горизонтальной составляющей на опорную раму.

Рассмотрим теперь способ монтажа конструкции несущей рамы. В случае подвешивания высокого здания длина колонн несущей рамы будет достаточно большой. Известны способы монтажа высотных сооружений наращиванием отдельных секций или подъемом целиком. При подъеме целиком используется, как известно, падающие мачты (шевры), высота которых принимается равной примерно трети высоты монтируемой опоры. В связи с

этим сложность производства работ и их стоимость увеличиваются. В случае монтажа конструкций несущей рамы подвесного здания можно избежать использования падающей мачты и существенно упростить монтаж (такой способ можно также применять при монтаже опор линии электропередач при по-парном подъеме одновременно двух опор). Схема монтажа приведена на рис. 4.

Левая 1 и правая 2 спаренные колонны рамы шарнирно крепятся к монолитному фундаменту 3. Свободные концы колонн 1 и 2 предварительно поднимаются на высоту h и укладываются на временные опоры. На фундаменте устанавливается лебедка 4. Трос лебедки 5 проводится через блок 6, закрепленный на правой колонне, и блок 7, закрепленный на левой колонне, и крепится в точке 8 фундамента. Таким образом можно проводить одновременный подъем обеих колонн.

Рис. 4. Схема монтажа конструкции несущей рамы

В виду того, что такая конструкция находится в состоянии неустойчивого равновесия, предусмотрены дополнительные тросы и блоки. С этой целью под колоннами устанавливаются временные противовесы 9 с закрепленными на них блоками 10 (справа) и 11 (слева). Трос 12 крепится в точке 13 правой опоры, проводится через блок 10, установленный на временном противовесе, через блок 13, закрепленный на правой опоре, и крепится к точке 14 на левой опоре. Аналогично трос 15 крепится в точке 16 на левой опоре, проводится через блок 11, закрепленный на временном противовесе, через блок 17, закрепленный на левой колонне, и крепится к точке 18 на правой колонне.

При включении ведущей лебедки 4 в случае, если нарушается равновесие и одна из колонн поднимается больше второй, то тросы 12 и 15 выравнивают равновесие. Так, если, например, правая опора стала бы подниматься больше левой (в случае отсутствия тросов 12 и 15), то левая опора могла бы упасть на землю. Наличие же троса 12 позволяет при подъеме правой опоры одновременно поднимать и левую опору (см. схему на рис. 4). Аналогично наличие троса 15 позволяет одновременно с левой поднимать правую опору. Таким образом, дополнительная система тросов 12 и 15 с блоками 10

и 11, стоящими на временных противовесах 9, позволяет создать положение устойчивого равновесия на всех стадиях подъема обеих колонн. Вес временных противовесов 9 может быть совершенно небольшим, т.к. левая и правая колонны имеют одинаковый вес и предназначение временных грузов только для того, чтобы обеспечить положение устойчивого равновесия. В связи с этим в качестве временных грузов можно использовать несколько сборных блоков фундаментов. Возможна также схема, при которой страховочные тросы 12 и 15 будут просто прикреплены в точках 10 и 11 соответственно без перекидки их на противоположную колонну. В этом случае в процессе монтажа их следует подтягивать, чтобы не было провиса, лебедками, установленными вместо блоков 10 и 11.

Представленная на рис. 4 схема монтажа является весьма эффективной. Наличие блока 6, через который подъемный трос 5 крепится к противоположной колонне резко уменьшает требуемое для подъема обеих колонн усилие. Это легко видеть из схемы, представленной на рис. 5, где представлена правая колонна (схема левой колонны будет симметричной).

На рис. 5 силовая лебедка условно обозначена точкой 4. Из условий равновесия легко вычислить усилия в тросе в двух вариантах: 1. Если бы трос крепился в точке 6 правой опоры и не перекидывался на левую опору (см. также рис. 4); 2. По предлагаемой схеме с использованием блоков 6 и 7, и креплением троса в точке 8. Усилия в тросе по двум вариантам, полученные из условий равновесия будут вычисляться по формулам:

(2) (3)

в^ а

N. =-

N2 =

к • соза—1

■х-Бта

+ к

Выражение (3) отличается от выражения (2) тем, что при определении N учитывается усилие N в верхней ветви троса (см. рис. 5). Угол а легко вычисляется из геометрической схемы, приведенной на рис. 5, при известных размерах Ь и высоты первоначального подъема колонн к. В результате наличия блоков 6 и 7 усилия N в верхней и нижней ветвях троса одинаковы.

С целью фиксации в вертикальном положении поднимаемые части каждой колонны должны иметь в верхней части перпендикулярно приваренную консоль длиной, равной половине расстояния между колоннами. После приведения обеих частей рамы в вертикальное положение консоли обеих колонн скрепляются между собой болтами или сваркой.

Следует отметить, что такой способ монтажа можно использовать не только для предложенных подвесных зданий, но и при монтаже других высотных сооружений, например, опор линий электропередач. Для этого опоры, стоящие на одной прямой,

можно попарно монтировать подобно схеме, приведенной на рис. 4.

В [1] показано, что в подвесном здании усилия на несущие конструкции при землетрясении в несколько раз уменьшаются по сравнению с усилиями в здании, построенном по традиционной консольной схеме. Масса несущей рамы при такой схеме в десятки раз меньше массы самого здания. Это одна из причин существенного уменьшения усилий на несущие конструкции [1].

Для демонстрации разницы массы несущей рамы и здания, а также для демонстрации преимущества способа монтажа несущей рамы, предложного выше, в таблице 1 приведены данные для расчета подвесного здания со следующими характеристиками: размеры в плане здания 12х12 м; суммарная нагрузка на квадратный метр одного этажа, включающая массу колонн, перекрытий, ограждающих конструкций и полезную нагрузку, равна 7.5 кН/м2; высота этажа 3.5 м; расстояние от шарнира до силовой лебедки (размер Ь на рис. 5) равно 10 м. Рассматриваются варианты 20 и 25 этажей. В таблице варьируется высота подъема конца колонны (размер к на рис. 5). В графах таблицы приняты следующие обозначения: I - длина несущих колонн рамы; к - высота подъема конца колонны перед монтажом; т2 - масса здания (тонн); тг - масса несущей рамы; N1 - усилие в несущем тросе при непосредственном подъеме колонны без объединения с противоположной колонной; N -усилие в несущем тросе по предложению автора (по рис. 4).

Таблица 1.

Сравнение усилий в тросе по двум вариантам, массы здания и несущей рамы_

N вар. L [м] H [м] mz [т] mr [т] m^/mr N1 [кН] N2 [кН] N1/N2

Количество этажей - 20; количество распорок - 4

1 77 15 2160 52,4 41,2 5730 591 9,7

2 77 20 2160 52,4 41,2 4225 437 9,67

3 77 25 2160 52,4 41,2 3303 342 9,65

Количество этажей - 25; количество распорок - 5

4 94,5 15 2700 72,1 37,4 11701 1023 11,44

5 94,5 15 2700 72,1 37,4 8680 759 11,42

6 94,5 15 2700 72,1 37,4 6842 599 11,41

Количество этажей - 25; количество распорок - 7

7 94,5 15 2700 62,6 43,1 10159 888 11,44

8 94,5 15 2700 62,6 43,1 7536 659 11,43

9 94,5 15 2700 62,6 43,1 5942 520 11,41

В таблице 1 также варьируется количество распорок в несущей раме, уменьшающих расчетную длину несущих колонн. Масса колонн подсчитана из расчета, что они изготовлены из стальных труб. Диаметр труб подбирался из условия обеспечения их прочности и устойчивости.

Как видно из таблицы масса здания в десятки раз больше массы несущей рамы. Значительно меньшая масса рамы также значительно уменьшает усилия от сейсмического воздействия. Хотя массы самого здания при традиционной консольной схеме (когда колонны заделаны в фундаменте) и при предлагаемой подвесной схеме практически не отличаются, усилия от колебания основания в подвесной схеме существенно ниже усилий в консольной схеме, что показано конкретными расчетами в [1].

Данные таблицы показывают также, что предложенный метод монтажа конструкций несущей рамы (изготовление в горизонтальном положении и подъем двух полурам одновременно) позволяет существенно уменьшить усилие в монтажном тросе. Это в свою очередь позволяет монтировать колонны большой высоты для подвешивания многоэтажного здания. Существенное уменьшение усилий в несущем тросе заметно облегчает возведение здания и уменьшает стоимость его строительства, т.к. при этом не требуется использование дорогостоящих механизмов, вертолетов и т.п.

Изменением соотношения массы рамы и массы здания, а также изменением длины нити подвески можно регулировать частоту собственных колебаний такого здания для исключения резонансных явлений при землетрясении.

Расчеты показывают, что горизонтальная составляющая динамического усилия на несущую раму подвесного здания при горизонтальном колебании основания в разы меньше аналогичной силы для традиционного консольного здания. Кроме того, в отличие от систем защиты с выключающимися связями предлагаемая система после землетрясения не требует замены каких-либо конструкций.

Выводы и перспективы исследований. В

статье показано, что масса подвесного здания во

много раз больше массы несущей рамы. Этот фактор вместе с конструктивными особенностями предложенной кинематической схемы здания позволяет существенно уменьшить динамические усилия в несущих конструкциях здания при землетрясении. Кроме того, предложенный метод монтажа конструкции несущей рамы позволяет строить здания такой конструкции, в том числе многоэтажные, без применения сложной техники, вертолетов и т.п. В совокупности, на взгляд автора, это делает предложенный тип здания привлекательным как с точки зрения сейсмической безопасности, так и с точки зрения относительной простоты строительства.

В перспективе планируется дальнейшее совершенствование методики динамического расчета подвесных зданий, а также разработка различных деталей предложенной конструктивной системы.

Литература

1. Azizov T.N. Dynamic design scheme of suspended seismically safe buildings / T.N. Azizov // Sciences of Europe. - 2017. - Vol 1, № 17. - S. 83-88.

2. Азiзов Т.Н. Конструкция сейсмiчно стшко! будiвлi / Патент на корисну модель №54247. Укра-!на. Бюлл. №20. 25.10.2010.

3. Азизов Т.Н. Расчет динамических усилий в элементах подвесного здания / Т.Н. Азизов // Sciences of Europe. - 2016. - Vol 4, № 9. - S. 69-73

4. Айзенберг Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. - М.: Стройиздат, 1976. - 229 с.

5. Смирнов А.Ф. и др. Строительная механика. Динамика и устойчивость сооружений. - М.: Стройиздат, 1984. - 416 с.

6. Смирнов В.И. Применение сейсмоизоляции зданий и исторических сооружений в России / В.И. Смирнов, Я.М. Айзенберг // Будiвельнi конструкций Мiжвiдомчий науково-техшчний збiрник. Вип. 60. - К.: НД1БК, 2004. - С. 210-217.

7. Смирнов В.И. Сейсмоизоляция зданий и сооружений / Промышленное и гражданское строительство, 1997, № 12. - С. 37-39.

8. Яблонский А.А. Курс теоретической механики. Часть II. Динамика. / А.А. Яблонский. - М.: Высшая школа, 1966. - 411 с.