CC BY
36УДК 624.014
ПОВЫШЕНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КАРКАСА ДВЕНАДЦАТИЭТАЖНОЙ ГОСТИНИЦЫ ДЛЯ ЮЖНОГО БЕРЕГА КРЫМА
Синцов В.П., Гавина А. С., Синцов А.В.
Академия Строительства и Архитектуры, ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-mail: [email protected]
Аннотация. Многоэтажные здания - это объектам высокого уровня ответственности. Возникновение и развитие аварийных ситуаций в таких зданиях может иметь очень тяжелые последствия материального, экономического, экологического и социального характера. Рекомендуется при проектировании принимать симметричные конструктивные схемы и добиваться равномерного распределения жесткостей конструкций и масс. Симметричная форма плана уменьшает эффекты закручивания здания и обеспечивает равномерное укорочение вертикальных конструкций от действия вертикальных нагрузок. Однако при этом современное проектирование направлено на повышение архитектурной выразительности сооружений, их взаимосвязь с ландшафтом и живой природой, внедрение уникальных объемно-планировочных решений. Все это воплощается при помощи асимметричных форм зданий. Также диктует появление зданий неправильной формы плотная городская застройка и высокая стоимость земельных участков.
Предмет исследования: сейсмостойкость металлического каркаса общественного здания несимметричного в плане.
Материалы и методы: в качестве исходногоматериала принято существующее конструтивное решение многоэтажной гостиницы с несимметричным планом, запроектитируемое для г. г. Алушта на южном берегу Крыма. Для проведения исследований применен метод конечного элемента, который реализован в ПК ЛИРА. Для проведения исследований разработаны шесть конструктивных схем здания, отличающиеся местами и формой связей, которые обеспечивают жесткость каркаса и повышают его сейсмостойкость.
Результаты: получены мозаики перемещений узлов здания при различных конбинациях и углов поворота, на основе которых построены графики дефомативности изучаемых конструктивных схем.
Выводы: наиболее эффективной, по результатам анализа, является конструктивная схема с наружным решетчатым стволом с вертикальными связями на высоту этажа. По сравнению с базовой моделью перемещения узлов снижены в среднем на 57%. Крутильные деформации снижены на 56%. Исходя из этого, можно рекомендовать использование данной схемы при строительстве многоэтажных зданий с металлическим каркасом для сейсмоопасных районов Крыма.
Ключевые слова: многоэтажные здания, металлические каркасы, компьтерные модели.
ВВЕДЕНИЕ
Многоэтажные здания относятся к объектам высокого уровня ответственности и класса надежности. Удельная стоимость их строительства значительно выше зданий малой этажности. Это обусловлено не только технологическими, конструктивными и другими факторами, но в значительной степени и мерами комплексной безопасности, принимаемыми на всех стадиях -проектирования, строительства и эксплуатации. Возникновение и развитие аварийных ситуаций в таких зданиях может иметь очень тяжелые последствия материального, экономического, экологического и социального характера.
Проектирование зданий и сооружений в сейсмически опасных районах начинается с соблюдения общеполагающих принципов
сейсмостойкого строительства, в соответствии с которыми все используемые строительные материалы, конструкции и конструктивные схемы должны обеспечивать наименьшее значение сейсмических нагрузок. Рекомендуется при проектировании принимать симметричные конструктивные схемы и добиваться равномерного распределения жесткостей конструкций и масс. Симметричная форма плана уменьшает эффекты закручивания здания и обеспечивает равномерное укорочение вертикальных конструкций от действия вертикальных нагрузок.
Но современная архитектура формирует эстетическое окружение человека, выражая тем самым общественные идеи и стремления в художественных образах. Историческое течение времени и развитие общества дает понять, что однообразная городская среда порождает
ощущения дискомфорта. В строительстве появилась необходимость связывать не только технические и функциональные начала, но и эстетические. Поэтому современное
проектирование направлено на повышение архитектурной выразительности сооружений, их взаимосвязь с ландшафтом и живой природой, внедрение уникальных объемно-планировочных решений. Все это воплощается при помощи асимметричных форм зданий.
Также диктует появление зданий неправильной формы плотная городская застройка и высокая стоимость земельных участков. В свое время быстрое массовое строительство жилья для населения и хаотичная незаконная застройка привели к дефициту участков правильной формы. Все что осталось сейчас для нового строительства это территории со сложным рельефом или неправильным очертанием. Очень ярко это выражено в Крыму в прибрежных городах и поселках. Найти свободный участок правильной формы и при этом достаточной площади, чтобы избежать сложностей в проектировании и не допустить строительства в стесненных условиях непростая задача. Таким образом, в Крыму на южном берегу в ближайшем будущем вопрос строительства многоэтажных зданий неправильной формы в плане встанет очень остро.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
По данным Ассоциации развития стального строительства (АРСС) в Европе и США доля стальных каркасов в общей массе многоэтажных зданиях составляет мира 50—70%, тогда как в России лишь 13%. Порядка быть 3/4 зданий со стальным каркасом — это промышленные, сельскохозяйственные и
другие рамы нежилые здания
негражданского назначения. В то же время в самом массовом виде — жилищном строительстве металлокаркасы занимают менее 5% [1]. Сдерживают этог вид строительства в
основном отсутствие в отечественной нормативной базе ряда современных решений, недостаток практики массового проектирования гражданских объектов с применением стальных каркасов, а также скептическое отношение к ним инвесторов и потребителей.
В то же время металлокаркасы обладают рядом преимуществ: при такой же себестоимости строительства, как у традиционного монолитного здания, скорость возведения здания выше на 20— 30%. Кроме этого, такое строительство выполняется фактически всесезонно, при этом обеспечивается компактность стройплощадки, разнообразие планировочных решений за счет отсутствия несущих стен. У
металлокаркасов высокое качество, сами
здания намного легче, следовательно,
снижается нагрузка на фундамент. Для
возведения таких зданий требуется меньшее количе ство рабочих на стройплощадке [2, 3].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве исходной конструктивной схемы здания принято конструктивное решение двенадцатиэтажного здания гостинцы
несимметричной формы в плане с внутренним атриумом, которое расположенно в Алуште на участке ограниченном существующей застройкой, что и оказало влияние на форму здания в плане [12].
На основании конкретных исходных данных для проведения численных исследований в ПК ЛИРА разработана базовая модель каркаса, состоящего из продольных и поперечных рам. Колонны и ригеля образованы стержневыми элементами, представляющие собой прокатные двутавры. Фундаментная плита, стены цокольного этажа и перекрытие над ним образованы пластинами [4-8].
Совершенствование базовой модели осуществлось путем установки вертикальных связей между колоннами в разных секторах каркаса в плане здания. Во всех вариантах принят единый тип связей - крестовые - так как они являются наиболее распространенными и при этом придают каркасу максимальную жесткость и достаточно просты в исполнении. Связи образованы стержневыми элементами, представляющими собой круглую трубу. Связевая система отвечает принципу концентрации материала и позволяет проектировать большинство элементов каркаса и их сопряжения более легкими, простой конструктивной формы и в максимальной степени типизировать [9-11].
Для проведения исследований разработаны шесть численных моделей, каждой из которых присвоен номер для упрощения дальнейшего описания результатов анализа:
№1 - рамный каркас (базовая модель);
№2 - каркасно - коробчатое решение (связи по внешнему периметру с частотой на этаж);
№3 - каркасно - коробчатое решение (связи по внешнему периметру с частотой на 4-е этажа);
№4 - каркасно - ствольная решение (святи по периметру атриума с частотой на этаж);
№5 - каркас с решетчатыми диафрагмами жесткости по углам внешнего контура;
№ 6 - каркас с решетчатыми диафрагмами жесткости по срединным рамам.
Действующие на каркас нагрузки в каждой новой модели остаются неизменными.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
и)
к)
л)
м)
н)
п)
Рис. 1 .Конструктивные схемы многоэтажных зданий: Fig. 1. Constructive schemes of multi-storey buildings:
а — бескаркасная с параллельными несущими стенами; б — ствольная с несущими стенами; в — коробчатая; г — с консольными перекрытиями в уровне каждого этажа; д — каркасная с безбалочными плитами перекрытия; е — с консолями высотой на этаж в уровне каждого второго этажа; ж — с подвешенными этажами; з — с фермами высотой на этаж, расположенными в шахматном порядке; и — рамно-каркасная; к — каркасно-ствольная; л — каркасная с решетчатыми диафрагмами жесткости; м — каркасная с решетчатыми горизонтальными поясами и решетчатым стволом; н - коробчато-ствольная (труба в трубе); п — многосекционная коробчатая
Практика показала, что рамный стальной каркас проигрывает по металлоемкости связевому, поэтому в современном строительстве чаще применяются именно связевые и рамно-связевые каркасы. При различной расстановке вертикальных связей можно определить вариант, при котором не только будет достигнута большая жесткость каркаса, а также эффективность его работы будет максимальной, а перемещения узлов будут минимальны.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Для анализа выбрали максимальные перемещения узлов на верхней этаже в каждом каркасе при всех РСН по направлениям осей Х и У
для каждой модели было выявлено наиболее неблагоприятное сочетание
Рис. 2. Размещение характерных узлов для анализа деформирования каркаса под нагрузкой. Fig. 2. Placement of the characteristic nodes for the analysis of the carcass deformation under load.
В каждой модели при наиболее опасных РСН (№3, №4, №5, №6) в узлах «1» и «2» были зафиксированы перемещения по направлениям осей Х и У на третьем, шестом, девятом и двенадцатом этаже. И для каждого узла построен наглядный график, где отображены его
перемещения при конкретном сочетании нагрузок для всех численных моделей одновременно. На графике видна интенсивность нарастания перемещений с увеличением высоты этажа и эффективность работы каждой конструктивной схемы по сравнению с другими.
Рис. 3. Перемещения узла «1» вдоль оси Х и оси У при РСН№4 Fig. 3. Movements of the node "1" along the X axis and the Y axis with DCF № 4
в-
у/ ^
/ "У
■«¿л
1Й t
Рис. 4 Перемещения узла «2» вдоль оси Х и оси У при РСН№4 Fig. 4 Movements of the node "2" along the X axis and the Y axis with DCF № 4
ВЫВОДЫ
Во всех моделях отмечено равномерное нарастание перемещений узлов при увеличении высоты этажа, что говорит о правильной работе каркаса при заданных нагрузках.
В ходе анализа выявлено, что наиболее эффективной является конструктивная схема с наружным решетчатым стволом с вертикальными связями на высоту этажа. По сравнению с базовой моделью перемещения узлов снижены в среднем на 57%. Крутильные деформации снижены до 56%. Исходя из этого, можно рекомендовать использование данной схемы при строительстве многоэтажных металлических каркасов в сейсмически опасных районах Крыма.
Казалось бы, такое решение каркаса может лишь нарушить внешний облик здания, но, если говорить о необходимости повышения сейсмостойкости конструкций изначально необычных, несимметричных в плане, то привлечение опытных и заинтересованных архитекторов может привести к появлению оригинальных зданий, обладающих целостной архитектурной формой. Форма решетчатой системы, как показывает практика зарубежных проектировщиков и строителей, может быть разнообразной: скульптурной или служить целям солнцезащиты и эстетической выразительности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лоусон М. Стальные конструкции в архитектуре / М. Лоусон, А. Билык - К.: УЦСС 2015. — 140 с.
2. Беленя Е.И. Металлические конструкции / Е. И. Беленя - М.: Книга по требованию, 2013. -560 с. ISBN 978-5-458-36164-4
3. Металлические конструкции: учебник / А. В. Пермяков [и др.]; под ред. А. А. Нилова - К.: Сталь, 2010.- 869 с.
4. ЛИРА-САПР 2015 НИИАСС (Сертификаты соответствия РОСС RU.0001.11Cn15).
5. Дворецкий А.Т. «Влияние солнечной радиации на продолжительность отопительного периода зданий в Крыму»/ Дворецкий А.Т. журнал «Биосферная совместимость: человек, регион, технологии». ЮЗГУ. № 3 (7). - Курск, 2014, стр. 74-81. ISSN: 2311-1518
6. Пакеты прикладных программ для автоматизированного проектирования конструкций 2006. / М. С. Барабаш, Ю. Д. Гераймович, А. Н. Кекух [и др.]; Под ред. Академика РААСНА. С. Городецкого. - К. : Факт.-210 с.
7. Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий (в развитие СНиП РК 2.03-04-2001), Часть 1 ; Введ. 2003-08-01. - М.: Стандартинформ, 2003. -52 с.
8. Сейсмостойкое строительство зданий: учеб. пособие для вузов / И. Л. Корчинский [и др.]; под ред. И.Л. Корчнского - М.: Высшая школа, 1971. - 320 с.
9. Толушов С. А. Проблемы проектирования сейсмостойких зданий / Толушов С. А., Немова Е. Ю., Загарина М. С. // Молодой ученый. — 2015. — №11. — 450 с.
10. Бержинская Л. П. Надежность региональных типов зданий при сейсмических воздействиях: На примере Прибайкалья. Диссертация ... кандидата технических наук. И., 2006.- 125 с.
11. Сахаров О. А. Обоснование уровня расчетного сейсмического воздействия при оценке сейсмостойкости зданий и сооружений,
эксплуатируемых в особых условиях. Диссертация ... кандидата технических наук. СПб., 2006. - 125 с.
12. Маклакова Т. Г. Высотные здания. Градостроительные и архитектурно-
конструктивные проблемы проектирования / Т. Г. Маклакова - М.: АСБ, 2008. - 160 с.
REFERENCES
1. Louson M. Stal'nyye konstruktsii v arkhitekture / M. Louson, A. Bilyk - K.: UTSSS 2015. — 140 s.
2. Belenya Ye.I. Metallicheskiye konstruktsii / Ye. I. Belenya - M.: Kniga po trebovaniyu, 2013. -560 s. ISBN 978-5-458-36164-4
3. Metallicheskiye konstruktsii: uchebnik / A. V. Permyakov [i dr.]; pod red. A.A. Nilova-K.: Stal, 2010.- 869 s.
4. LIRA-SAPR 2015 NIIASS (Sertifikaty sootvetstviya ROSS RU.0001.11SP15).
5. Dvoretskiy A.T. «Vliyaniye solnechnoy radiatsii na prodolzhitel'nost' otopitel'nogo perioda zdaniy v Krymu»/ Dvoretskiy A.T. zhurnal «Biosfernaya sovmestimost': chelovek, region, tekhnologii». YUZGU. № 3 (7). - Kursk, 2014, str. 7481. ISSN: 2311-1518
6. Pakety prikladnykh programm dlya avtomatizirovannogo proyektirovaniya konstruktsiy 2006. / M. S. Barabash, YU. D. Geraymovich, A. N.
Kekukh [i dr.]; Pod red. Akademika RAASNA. S. Gorodetskogo. - K. : Fakt.-210 s.
7. Manual for the calculation and design of steel seismic resistant skeletons of multi-storey buildings (in the development of SNiP RK 2.03-04-2001), Part 1; Enter. 2003-08-01. - Moscow: Standardinform, 2003. -52 p.
8. Seismic resistant building construction: Textbook. manual for universities / IL Korchinsky [and others]; Ed. I.L. Korchinskogo - M .: Higher School, 1971. - 320 p.
9. Tolushov SA Problems of designing seismic resistant buildings / Tolushov SA, Nemova E. Yu., Zagarina MS // Young Scientist. - 2015. - № 11. - 450 sec.
10. Berzhinskaya LP Reliability of regional types of buildings under seismic influences: On the example of Pribaikalye. Thesis ... Cand.Tech.Sci. I., 2006.- 125 pp.
11. Sakharov OA. Justification of the level of design seismic action in assessing seismic resistance of buildings and structures operated under special conditions. Thesis ... Cand.Tech.Sci. SPb., 2006. - 125 p.
12. Maklakova TG High-rise buildings. Urban planning and architectural and constructive design problems / TG Maklakova - M .: ASB, 2008. - 160 p.
INCREASING THE SEISMIC RESISTANCE OF THE METAL FRAMEWORK OF THE TWELVE THOAT HOTEL FOR THE SOUTHERN COAST OF CRIMEA
Sintsov V.P., Gavina A.S., Sintsov A.V.
Summary. Multi-storey buildings are objects of a high level of responsibility. The emergence and development of emergency situations in such buildings can have very serious consequences of a material, economic, ecological and social nature. It is recommended to take symmetrical structural schemes in the design and to achieve an even distribution of the rigidities of structures and masses. The symmetrical shape of the plan reduces the effects of twisting the building and ensures a uniform shortening of vertical structures from the action of vertical loads. However, modern design is aimed at increasing the architectural expressiveness of structures, their relationship with the landscape and wildlife, the introduction of unique space-planning solutions. All this is embodied with the help of asymmetric forms of buildings. Also dictates the appearance of irregularly shaped buildings dense urban development and the high cost of land.
Subject: seismic resistance of the metal frame of a public building is asymmetrical in plan.
Materials and methods: As an initial material, the existing constructive solution of a multi-storey hotel with an asymmetrical plan, designed for the city of Alushta on the southern coast of the Crimea, was adopted. To carry out the research, the finite element method, which is implemented in LIRA PC, is applied. To carry out the research, six structural schemes of the building have been developed, differing in places and form of connections, which provide rigidity of the frame and increase its seismic stability.
Results: Mosaics of the movement of the building's nodes are obtained for various concurrences and angles of rotation, on the basis of which the graphs of the deformability of the studied constructive schemes are constructed.
Conclusions: The most effective, according to the analysis results, is a constructive scheme with an external grating barrel with vertical connections to the height of the floor. Compared to the basic model, the displacement of nodes is reduced by an average of 57%. Torsional deformations were reduced by 56%. Proceeding from this, we can recommend the use of this scheme in the construction of multi-storey buildings with a metal frame for seismically dangerous areas of the Crimea.
Key words: multi-storey buildings, metal frames, computer models.
