CC BY
448
Вестник ТГАСУ № 2, 2009
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 721.011.27:624.92
В.И. ТРАВУШ, докт. техн. наук, проф., академикРААСН,
Д. В. КОНИН, научный сотрудник, konden@inbox.ru
ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, Москва
РАБОТА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭТАЖЕЙ ЖЕСТКОСТИ (АУТРИГЕРОВ)
Рассматриваются проблемы определения рационального положения аутригера по высоте в конструкциях высотных зданий различной этажности, рациональной формы расположения вертикальных связей в плане, а также их формы и способов прикрепления к основным элементам конструкции. Даются практические рекомендации по проектированию аутригеров в высотных зданиях.
Ключевые слова: высотное здание, аутригер, опоясывающая ферма, ядро жесткости, конструктивная система «труба в трубе», горизонтальное перемещение верха здания.
1. Работа аутригеров.
Обзор рекомендаций для выбора мест постановки аутригеров
В [1, 2] отмечено, что при высоте более 40 этажей конструктивная система здания, состоящая из ядра жесткости в виде вертикальных замкнутых шахт, колонн и перекрытий, становится малоэффективной, так как для устройства вертикальных элементов жесткости требуется значительный расход материалов. Эффективность конструктивной системы повышается за счет устройства горизонтальных поясов жесткости (аутригеров), включающих в работу периметральные колонны каркаса. В этом случае изгибающий момент, создаваемый ветровой нагрузкой, частично воспринимается ядром жесткости, а частично - периметральными колоннами, которые препятствуют горизонтальному перемещению ядра и догружаются вертикальной нагрузкой от момента. Очевидно, что степень совместной работы ядра жесткости и периметральных колонн повышается с увеличением числа поясов жесткости.
В общем, аутригер представляет собой систему перекрещивающихся ферм и также может быть использован для изменения шага внутренних или наружных колонн. Классическая схема аутригера представляет собой сочета-
© В.И. Травуш, Д.В. Конин, 2009
ние опоясывающей фермы, располагаемой по наружным колоннам, и вертикальных связей, соединяющих ферму с центральным ядром (рис. 1).
Рис. 1. Основные элементы высотного здания с конструктивной системой «труба в трубе»:
а - вертикальный пилон, или ядро жесткости; б - периметральные колонны; в - опоясывающая ферма; г - вертикальная связь
В литературе, посвященной проблемам проектирования высотных зданий, даются некоторые рекомендации по поводу размещения аутригеров по высоте здания. В частности, для зданий высотой 60 этажей [1, 2] рекомендуют размещение аутригеров вверху и посередине высоты здания. В [3, 4] для здания высотой 50 этажей наиболее эффективным считается размещение аутригеров на расстоянии /5 от уровня земли (32-й этаж) и в уровне 8-го этажа. Возможно, в этих расчетах при определении оптимального положения аутригеров использовались разные расчетные модели и разные методики оценки их эффективности. В данной работе эффективность работы той или иной системы аутригеров оценивалась по деформационным и динамическим характеристикам, регламентируемым действующими строительными нормами.
Несмотря на рекомендации по оптимальному размещению аутригеров, их размещение должно согласовываться, как правило, с расположением технических этажей, определяемым размещением инженерного оборудования и противопожарными нормами.
1.1. Численный эксперимент размещения аутригеров в зданиях различной этажности
Для выполнения численного эксперимента по определению приемлемых уровней размещения аутригеров в зданиях различной этажности
была выбрана обычная конструктивная схема, применяющаяся при проектировании высотного здания. 75-, 60- и 45-этажные здания с размерами в плане 51,5^43 м имеют железобетонное ядро размерами в осях 17^25,5 м, разбитое продольными и поперечными стенами на 6 квадратных ячеек со стороной 8,5 м. Толщина наружных стен ядра колеблется в пределах величин 0,4—1,0 м и зависит от общей высоты здания. Внутренние стены ядра - толщиной 0,4 м. Металлические периметральные колонны - в виде квадратной трубы габаритами 0,6x0,6 м и толщиной стенки 120 мм, а также из прокатных двутавров HD400x744 по стандарту ARBED. Колонны расположены по периметру с шагом 8,5 м. Металлические балки перекрытий пролетом 13 м выполнены из двутавров IPE500 по стандарту Euronorm 19-37 и шарнирно прикреплены с одной стороны к ядру жесткости, а с другой - к обвязочной балке перекрытия или периметральной колонне. Высота этажей принята равной 4 м. Опоясывающая ферма аутригера связана с ядром жесткости в каждом шаге колонн треугольными вертикальными связями. Кроме того, в уровне перекрытий этажа жесткости устроены горизонтальные связи. Вертикальная и ветровая нагрузки для г. Москвы приняты в соответствии с [5]. Для статического и динамического расчета конечно-элементной модели использован лицензированный ПК SCAD 11.1.
В качестве критериев, по которым определяется эффективность размещения аутригера, приняты характеристики, нормируемые в [5]: горизонтальное перемещение верха здания, ускорение в горизонтальной плоскости от действия динамической составляющей ветровой нагрузки, а также рекомендуемая частота первой формы собственных колебаний от динамического воздействия ветра.
В ходе эксперимента аутригер поочередно устанавливался на определенных этажах расчетной схемы, и для каждого случая фиксировались расчетные характеристики. После того, как по относительному перемещению находилось оптимальное положение одного аутригера, в расчетную схему вводился второй, который также устанавливался на определенных этажах. По относительному перемещению верха здания определялось оптимальное положение второго аутригера. После анализа полученных данных можно заключить следующее.
При высоте 45 этажей уменьшение относительного горизонтального перемещения здания с рациональным положением аутригера по сравнению с перемещением здания без аутригера составляет 26 %, при высоте 60 этажей - 20 %, а при высоте 75 этажей - 14 % (рис. 2). При других размерах здания в плане эффект от установки аутригера может быть заметнее. Очевидно, что у зданий небольшой этажности при наличии аутригера степень совместной работы ядра и периметральных колонн больше. Рациональное положение первого аутригера зависит от высоты здания и определяется на высоте (5/6-13/14)Н от верха фундаментной плиты, где Н - общая высота здания. Как показывают кривые на рис. 2, заметное уменьшение относительных горизонтальных перемещений также дает расположение аутригеров на верхнем этаже здания. Для здания высотой 45 этажей (180 м) уменьшение
перемещений составляет 24 %, для 60-этажного (240 м) - 18 %, а для 75-этажного (300 м) - 13 %.
Рациональное положение второго аутригера определилось в зоне расположения первого (см. рис. 2). Это показывает, что с точки зрения повышения жесткости здания вместо двух аутригеров на разных уровнях выгоднее устанавливать аутригеры с большей высотой, чем высота типового этажа, или использовать двухэтажный аутригер. В этом случае уменьшение относительного горизонтального перемещения по сравнению со зданием с одним аутригером составило: для 75-этажного здания 8 %, для 60-этажного 11 %, для 45-этажного 15 %. По сравнению со зданием без аутригеров уменьшение составляет: для 75-этажного здания 21 %, для 60-этажного 29 %, для 45-этажного 37 %.
Для рассмотренных расчетных схем величина ускорений по 1-й форме колебаний составляет 26-36 мм/с2, причем максимальные ускорения для зданий с одним аутригером (рис. 3) относятся к тем схемам, в которых аутригер установлен в середине здания по высоте и ниже. Графики зависимости ускорений от положения второго аутригера имеют более пологое очертание, чем графики для зданий с одним аутригером, и располагаются параллельно графикам для зданий с одним аутригером. Кроме того, рис. 4 показывает, что постановка аутригера на рациональной высоте 75-этажного здания позволяет снизить период первой формы собственных колебаний на 0,6-0,7 с, а двух аутригеров - на 0,85 с.
Номер этажа, на котором расположен второй аутригер
Рис. 2. Зависимость горизонтальных перемещений верха здания от положения первого (пунктирные линии) и второго аутригеров
Номер этажа, на котором расположен второй аутригер
Рис. 3. Зависимость ускорений верхнего этажа здания от положения первого (пунктирные линии) и второго аутригеров
• 75-эт. здание
* 60-эт. здание ■ 45-эт. здание
Номер этажа, на котором расположен второй аутригер
Рис. 4. Зависимость частот собственных колебаний здания от положения первого (пунктирные линии) и второго аутригеров
Из проведенных расчетов и анализа полученных результатов понятно, что установка аутригеров посередине высоты здания [1], и тем более в уровне восьмого этажа [3], представляется нецелесообразной. Для невысоких зданий, например, высотой 40-50 этажей и меньше выгоднее увеличить момент инер-
ции ядра жесткости, чем устанавливать сложную систему аутригеров. Для зданий высотой 65-80 этажей вместо двух аутригеров, расположенных на разных уровнях, целесообразно использовать двухэтажные аутригеры (в том числе в целях эффективного снижения периода первой формы собственных колебаний).
1.2. Численный эксперимент по выбору рациональной конструкции аутригера
В данном параграфе рассмотрены различные комбинации элементов аутригера и условия их примыкания друг к другу и ядру жесткости. В качестве исследуемой принята расчетная схема 60-этажного здания, описанная в разделе 1.1, в которой аутригер размещен на 55-м этаже, то есть в месте, где его установка дает максимальное уменьшение горизонтального прогиба от ветровой нагрузки. Для удобства описания конструкции аутригера в табличной форме применены некоторые условные обозначения элементов аутригера, представленные на рис. 5.
1.2.1. Расстановка вертикальных связей в плане
Рассмотрены различные варианты установки их в плане, а результаты сведены в табл. 1. Отмечено, что наиболее жесткая конструкция аутригера (схема А), при которой вертикальные связи установлены в каждом шаге периметральных колонн, дает уменьшение горизонтального перемещения верха здания на 22 % по отношению к зданию без этажа жесткости. Однако такой вариант труден для реализации на практике, так как в некоторых точках конструкции, например в углах ядра жесткости, сходится достаточно большое количество элементов с жесткими узлами. Из конструктивно реализуемых вариантов наибольший выигрыш в перемещениях (19 %) дает вариант Д. В нем связи расположены равномерно по периметру обстройки и обеспечивают равномерную передачу горизонтальных воздействий на внешние колонны. Заметим, что данный вариант расстановки связей конструктивно значительно проще схемы А при незначительной (менее 3 %) разнице показателей.
При сравнении схем Ж и Л установлено, что при небольшом выигрыше в перемещениях в схеме Ж на пару связей больше (по коротким сторонам здания). Таким образом, компоновка по схеме Л является более предпочтительной, так как имеет меньшее число связей (аналогично схемы М и Н).
Варианты Г и Е по рассматриваемым параметрам имеют одинаковые показатели, значит, установка вертикальных связей по длинной стороне может быть выполнена на любом удалении от углов ядра жесткости.
Постановка угловых связей, располагаемых между углами ядра жесткости и углами периметральной обстройки, дает выигрыш в горизонтальном перемещении при отсутствии вертикальных связей по короткой стороне на 5 % по сравнению со схемой без связей по углам. Так, перемещение верха (схема Л) составляет 188 мм, в то время как для схемы М - 180 мм. Вариант, при котором устанавливаются вертикальные связи по короткой стороне в комбинации с угловыми вертикальными связями, не дает существенного выигрыша в горизонтальном перемещении (схема Н). Отметим также, что угловые вертикаль-
ные связи не компенсируют отсутствие связей по длинной стороне (см. схемы Н (перемещение - 195 мм), П (203 мм) и Л (1SS мм)). Установка только угловых связей уменьшает горизонтальное перемещение верха здания на 13 % (схема С), что является наиболее низким показателем по сравнению с другими вариантами. Однако конструктивно вариант схемы С наиболее прост и освобождает пространство между вертикальными связями по длинным и коротким сторонам.
План высотного здания
АГФІ
На
АЩ ч ’ V АГФ2 \ А-А
.../
Ва
Т
Т
Б-Б
АГР2
На
II
\_____Л
АВР
АГ Р|.
7
ZS
Рис. 5. Обозначения элементов аутригера, использованные при составлении таблиц:
На - высота аутригера (этажа жесткости), равная расстоянию между перекрытиями аутригера 1 и 2; Ва - ширина аутригера, равная расстоянию от оси стены ядра жесткости до оси периметральных колонн; АК - колонны, расположенные в зоне аутригера; АВР 1,2 - раскосы опоясывающей фермы; АГР1,2 - обвязочная балка по периметру здания; АГФ1,2 - элементы горизонтальной решетки аутригера (горизонтальная ферма); АП1,2 - балки перекрытия в зоне аутригера; АВС -элементы вертикальных связей аутригера
Таблица 1
Влияние формы плана вертикальных связей аутригера на податливость конструкции 60-этажного высотного здания
Индекс варианта Форма плана Расчетные критерии здания
Горизонтальное перемещение верха здания (/), мм Относительное перемещение верха здания <т Максимальное ускорение (а„й), мм/с2 Частоты собственных колебаний, Гц
Значение, *103 Уменьшение перемещения относительно здания без аутригера на, %
1-я форма 2-я форма 3-я форма
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Без аутригера 228 0,95 0 % 27,82 0,147 0,203 0,649
2 А 1 177 0,74 22 % 25,18 0,161 0,213 0,613
Б ЕЗ 182 0,76 20 % 25,29 0,159 0,211 0,613
В 185 0,77 19 % 25,26 0,158 0,211 0,613
Г 1 192 0,80 16 % 25,39 0,155 0,208 0,613
Д ■нм 184 0,77 19 % 25,30 0,158 0,210 0,613
Е ЕШ 190 0,79 16 % 25,42 0,156 0,207 0,613
Ж Й2І 187 0,78 18 % 25,37 0,157 0,209 0,613
И Б 194 0,81 15 % 25,50 0,155 0,206 0,613
Л 188 0,78 17 % 25,50 0,157 0,206 0,613
М !Щ 180 0,75 21 % 25,65 0,155 0,203 0,613
Н : : 195 0,81 15 % 25,29 0,154 0,210 0,613
П 203 0,84 11 % 25,41 0,152 0,207 0,613
Р 208 0,86 9 % 25,67 0,151 0,202 0,613
С 198 0,83 13 % 25,52 0,154 0,205 0,613
Величины ускорений а^ъ в горизонтальной плоскости верха здания незначительно отличаются при разных комбинациях вертикальных связей и колеблются в диапазоне величин 25,2-25,7 мм/с2. Максимальное ускорение зафиксировано в схемах с наименьшим количеством вертикальных связей (М и Р), а минимальное, напротив, - с наибольшим количеством связей (А).
В табл. 1 также представлены частоты трех форм собственных колебаний, величины которых, так же как и ускорения, от схемы к схеме меняются незначительно и в среднем имеют следующие значения: 0,151-0,161 Гц для первой формы, 0,202-0,213 Гц - для второй и 0,613 Гц - для третьей. Рассматриваемые изменения конструкции аутригера практически не влияют на вторую и третью формы колебаний.
1.2.2. Конструктивное решение вертикальных связей аутригера
В процессе исследования комбинировались различные очертания вертикальных связей (крестовая, портальная, раскосная), а также условия закрепления их к элементам здания. Результаты численного моделирования представлены в табл. 2. Наибольшую эффективность с точки зрения передачи горизонтальных нагрузок на конструкцию обстройки показали крестовые и портальные (Л-образные) вертикальные связи (схемы 3-А-3 и 3-А-4 в табл. 2). Однако наличие таких связей приводит к увеличению поперечного сечения (а следовательно, жесткости) колонн в зоне аутригера, так как в местах сопряжения последних с вертикальными связями возникают значительные изгибающие моменты от действия постоянных и временных вертикальных нагрузок (105 тм для крестовой связи и 96 тм для Л-образной) и ветровых (10,7 тм для крестовой связи и 11 тм для Л-образной). Основной вклад в напряженное состояние элементов колонн и вертикальных связей вносят не горизонтальные, а вертикальные воздействия, что свидетельствует о «подвешивании» этажей. Такое явление обусловлено тем, что аутригерный этаж является горизонтальным жестким диском, консольно защемленным в ядре жесткости и воспринимающим часть вертикальной нагрузки, приложенной к смежным этажам. Вследствие этого в наклонных и горизонтальных элементах вертикальных связей возникают растягивающие и сжимающие продольные усилия величиной несколько тысяч тонн (-2050...+2010 т - Л-образные связи и -2020...+1850 т -крестовые). Учитывая достаточно большую свободную длину сжатых элементов связей, данный эффект при реальном проектировании приводит к значительному увеличению их сечений, а также осложняет конструирование узлов. Таким образом, рассматриваемые варианты форм связей нельзя отнести к рациональным, а только к применяемым в случае необходимости для обеспечения прохода в уровне технического этажа.
Второй по эффективности передачи горизонтальных нагрузок от ядра жесткости к колоннам является форма вертикальной связи с восходящим раскосом от ядра к периметральным колоннам. Уменьшение горизонтального перемещения здания относительно здания без аутригера составляет 18,4 % (схема 3-А-2). Описанный выше эффект «подвешивания» этажей присутствует при применении и этой связи, поэтому от вертикальных нагрузок в раскосе возникают продольные усилия сжатия величиной около 3000 т. В то же время изгибающие моменты в колоннах обстройки в плоскости связей несколько
меньше, чем при установке крестовых или портальных связей. Абсолютные значения изгибающего момента не превышают величины 85 тм от действия вертикальных нагрузок и 7 тм - от горизонтальных. Этот вариант также не может быть рациональным из-за больших усилий сжатия в раскосе.
Наиболее разумным с точки зрения распределения внутренних усилий в системе является форма вертикальной связи с раскосом, нисходящим от ядра жесткости к колоннам. При наличии таких вертикальных связей в каждом шаге периметральных колонн происходит уменьшение горизонтального перемещения верха здания на 18,2 %. «Подвешивание» этажей в данном случае минимизируется, и в раскосе возникает растягивающее усилие величиной 2700 т, что значительно ниже, чем при рассмотренных ранее вариантах. В колонне обстройки в зоне аутригера отмечен также изгибающий момент величиной 110 тм. Плюсом данного решения является то, что раскос, являющийся нераскрепленным элементом, растянут, а сжатый нижний горизонтальный элемент связи раскреплен из плоскости плитой перекрытия. В силу того, что данная форма связи является наиболее предпочтительной с точки зрения конструирования, рассмотрены некоторые другие варианты компоновки аутригера, представленные также в табл. 2. Особенно интересна схема 3-А-1-3, которая не предусматривает наличия опоясывающей фермы. В качестве компенсации примерно в два раза увеличена жесткость периметральных колонн, расположенных в плоскости вертикальных связей, по всей высоте здания. При таком варианте уменьшение горизонтального перемещения верха здания составляет 19,3 %, что практически соответствует результатам, полученным для схемы 3-А-1-1, в которой колонны не имели увеличенной жесткости, при наличии опоясывающей фермы.
Что касается вариантов прикрепления элементов вертикальных связей к смежным частям здания, то следует отметить, что наиболее рациональной показала себя комбинация, при которой раскос имеет шарнир со стороны обстройки и жесткое крепление к ядру (схема 3-А-1-6). Разница в горизонтальных перемещениях по сравнению со схемой 3-А-1-7, в которой раскос жестко закреплен с обеих сторон, составляет всего 0,4 %, причем больший прогиб соответствует схеме с одним шарниром (3-А-1-6). Шарнирный узел крепления раскоса к колонне обстройки упрощает его конструирование. Если же раскос шарнирно крепится к периметральной колонне и ядру жесткости (схема 3-А-1-8), то данная компоновка дает выигрыш в горизонтальном перемещении всего на 10 % по сравнению со зданием без аутригера; тот же показатель для схемы 3-А-1-6 с одним шарниром составляет 15,8 %.
Также рассмотрен вариант расчетной схемы, в которой вертикальные связи аутригера расположены на этаж выше опоясывающей фермы (схема 4-А-1-1). Данная схема показала результаты, аналогичные схеме со связями, установленными в уровне с опоясывающей фермой (3-А-1-6).
В табл. 2 также представлены результаты комбинирования различных соотношений ширины вертикальной связи аутригера Ва к ее высоте На (схемы 1-А-10-1...4). Построен график зависимости относительного горизонтального перемещения от соотношения этих величин (рис. 6), на котором наблюдается экстремум величины перемещения в окрестностях значения Ва На = 1,75. Данное соотношение, при котором выигрыш в перемещении верха относительно здания без аутригера составляет 24 %, можно рекомендовать как наиболее рациональное.
Таблица 2
Влияние формы вертикальных связей аутригера на податливость конструкции 60-этажного высотного здания
Индекс варианта Описание конструкции аутригера Расчетные критерии здания
Геометр, хар-ки, м АК АВР АСВ Горизонтальное перемещение верха здания ф, мм Относительное пер емещ. верха здания ($Н) Макси- мальное ускорение (а,й), мм/с2 Частоты собственных колебаний, Гц
аа Е^, т *10* Ъ’ *10* Примы- кание т/м2 *104 Форма Форма плана Примы- кание Значение, +103 Уменьшение пер емещ. относительно здания без аутригера на, % 1-я форма 2-я форма 3-я форма
1 5 6 7 8 9 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
4 13 199,1 Без аутригера 228 0,95 0% 27,82 0,147 0,203 0,649
1 А 10 1 б 13 199,1 12,5 Ж 12,5 Л Ж 174 0,721 24,1 % 26,55 0,167 0,219 0,641
2 8 13 199,1 12,5 Ж 12,5 Л Та же Ж 176 0,721 24,0 % 26,81 0,167 0,219 0,641
3 10 13 199,1 12,5 Ж 12,5 Л Та же Ж 179 0,727 23,5 % 27,20 0,166 0,218 0,637
4 12 13 199,1 12,5 Ж 12,5 Л Та же Ж 183 0,738 22,2 % 27,54 0,166 0,216 0,637
3 А 1 1 4 13 199,1 12,5 Ш 12,5 / 186 0,78 18,2 % 26,48 0,161 0,213 0,641
2 4 13 199,1 - - 12,5 Тоже 187 0,78 17,7 % 26,59 0,161 0,212 0,641
3 4 13 483,8 - - 12,5 Тоже 19+ 0,77 19,3% 26,24 0,161 0,213 0,637
4 4 13 483,8 12,5 / ■ шт Ш 185 0,77 18,9% 26,63 0,156 0,210 0,641
5 4 13 483,8 - - 12,5 Таже шж 200 0,83 12,4% 26,63 0,156 0,210 0,641
6 4 13 483,8 12,5 Ш 12,5 Таже шж 192 0,80 15,8% 26,38 0,158 0,212 0,637
7 4 13 483,8 12,5 ш 12.5 Таже Ж 191 0,80 16,2% 26,37 0.159 0,212 0.637
8 4 13 199,1 12,5 ш 12,5 Таже ш 205 0,85 10,0% 26,91 0,155 0,227 0,645
2 4 13 199,1 12,5 ш 12,5 \ ш 186 0,78 18,4% 26,49 0,161 0,213 0,641
3 4 13 199,1 12,5 ш 12,5 X Таже ш 177 0,74 22,1 % 26,19 0,16+ 0,216 0,641
4 4 13 199,1 12,5 ш 12,5 Л Таже ш 177 0,74 22,1 % 26,30 0,164 0,216 0,641
4 А 1 1 4 13 483,8 12,5 ш 12,5 / .ЮЕ . ш 190 0,79 16,8% 26,33 0,159 0,213 0,637
00
о
Работа высотных зданий с применением этажей жесткости
Соотношение сторон вертик. св. аутригера, Ва1На
Рис. 6. Зависимость относительного перемещения верха здания от соотношения сторон вертикальной связи аутригера
По результатам проведенных исследований можно заключить, что наиболее рациональной формой вертикальной связи с точки зрения распределения усилий в конструкции аутригера и нижележащих этажей является нисходящий от ядра жесткости к колоннам обстройки раскос с соотношением сторон Ва /На = 1,75 (обозначения - см. рис. 5). Для облегчения конструирования узлов прикрепления раскоса к колоннам обстройки следует выполнять шарнирными, а к ядру - жесткими. Кроме того, вместо опоясывающей фермы можно увеличивать жесткости колонн на всю высоту здания, расположенные в плоскости вертикальных связей.
2. Анализ размещения аутригеров в конструкциях существующих и строящихся зданий
Для анализа размещения аутригеров в реальных конструкциях были выбраны два здания, расположенные в ММДЦ «Москва-Сити» на 10-м и 12-м участках. Конструктивная система этих зданий одинакова и представляет собой «трубу в трубе».
Здание, расположенное на участке 10 (рис. 7, а), размером в плане 39,8^72 м, имеет 56 надземных этажей высотой 4,3 м и 5 подземных. Общая высота сооружения - 265,5 м от уровня верха фундаментной плиты. Железобетонное ядро жесткости имеет размер в осях 43,4x15 м. Колонны установлены по периметру здания с шагом 6 м и выполнены из фасонной стали двутаврового профиля. Перекрытия - монолитные сталежелезобетонные по несъемной опалубке из профилированного листа, уложенного на стальные балки. Аутригеры расположены на отм. +110,7 м (+26-й этаж) и +241,0 м (+56-й этаж) и представляют собой опоясывающую ферму, соединенную с ядром жесткости вертикальными связями различного очертания.
70-этажное здание на участке 12 (рис. 7, б) имеет размер в плане 66,24x45,3 м и высоту 322 м от уровня верха фундаментной плиты. Высота ти-
пового этажа равна 4,425 м. Ядро жесткости представляет собой сталежелезобетонную конструкцию из стальных колонн коробчатого и двутаврового сечения, соединенных железобетонными стенами-диафрагмами. Периметральные колонны на пяти подземных этажах и первом надземном установлены с шагом 9,9 м и имеют сечение в виде квадратной трубы. На остальных этажах для колонн применены прокатные двутавры, а их шаг уменьшен до величины 3,3 м, для чего на уровне второго этажа устроена опоясывающая ферма. Эта ферма связана с ядром жесткости вертикальными связями и в совокупности с ними образует аутригер. Второй аутригер расположен на отм. +208 м (47-й этаж).
Сначала здание рассчитывалось без аутригеров, затем в расчетную схему в проектное положение устанавливался нижний аутригер, затем он удалялся и устанавливался верхний. После этого в расчетную схему возвращался нижний аутригер.
Последовательная установка аутригеров в расчетную схему 75-этажного здания, расположенного на 12-м участке ММДЦ «Москва-Сити», показала, что аутригер, расположенный на 8-м этаже, уменьшает горизонтальное перемещение верха здания на 1,1 % по сравнению с расчетной схемой без аутригеров, а расположенный на 55-м этаже - на 12,24 %. Разница между горизонтальными перемещениями здания с одним аутригером на 55-м этаже и здания с двумя аутригерами на 8-м и 55-м этажах составляет чуть более 1,5 %. Эти показания говорят о неэффективности аутригера, расположенного на 8-м этаже.
Последовательная установка аутригеров в расчетную схему 57-этажного здания, расположенного на 10-м участке ММДЦ «Москва-Сити», показала, что аутригер, расположенный на 26-м этаже, уменьшает горизонтальные перемещения на 9,0 % по сравнению с расчетной схемой без аутригеров, а расположенный на 57-м этаже - на 10,6 %. Разница между перемещениями верха здания с одним аутригером на 57-м этаже и здания с двумя аутригерами на 26-м и 57-м этажах составляет около 7 %. Таким образом, данный вариант расстановки аутригеров представляется более рациональным по сравнению с вариантом 12-го участка.
Рис. 7. Высотные здания, строящиеся на 10-м и 12-м участках ММДЦ «Москва-Сити»
Выводы
1. Рациональное положение первого аутригера зависит от высоты здания и определяется на расстоянии (5/6-13/14)Н от уровня верха фундамента. Заметное уменьшение горизонтальных перемещений верха здания дает расположение второго аутригера в непосредственной близи от первого (на смежном уровне). Для невысоких зданий, например, высотой 40-50 этажей (160-200 м) и меньше выгоднее увеличить момент инерции ядра жесткости, чем устанавливать сложную систему аутригеров. Для зданий высотой 65-80 этажей вместо двух аутригеров, расположенных на разных уровнях, целесообразно использовать двухэтажные аутригеры (в том числе в целях эффективного снижения периода первой формы собственных колебаний). В случае, когда на нижних этажах здания для изменения шага колонн обстройки необходима опоясывающая ферма, не рекомендуется связывать ее с ядром жесткости вертикальными связями, так как при незначительном увеличении жесткости здания увеличивается трудоемкость устройства данной конструкции. Также установлено, что аутригерные конструкции практически не влияют на величины ускорений верха зданий от динамического действия ветра, которые можно понизить путем увеличения жесткости ядра или иными конструктивными мероприятиями.
2. Наиболее рациональным расположением вертикальных связей аутригера считается то, при котором они расположены равномерно по плану здания, то есть их шаг по всему периметру здания примерно одинаков. Не рекомендуется применять схемы, при которых вертикальные связи установлены только по длинной стороне здания, а особенно - только по короткой. Рациональной формой вертикальной связи с точки зрения распределения усилий в конструкции аутригера и нижележащих этажей является нисходящий от ядра жесткости к колоннам обстройки раскос с соотношением сторон Ва /На = 1,75. Для облегчения конструирования узлов прикрепление раскоса к колоннам обстройки следует выполнять шарнирным, а к ядру - жестким, а вместо опоясывающей фермы можно увеличивать жесткости на всю высоту здания только тех колонн, которые расположены в плоскости вертикальных связей. Кроме того, допускается делать разрывы в решетке опоясывающей фермы, то есть раскосы опоясывающей фермы можно располагать только в непосредственной близости от вертикальных связей. Если высота технического этажа, на котором предполагается размещение аутригера, менее 4 м, при проектировании можно рассмотреть вариант, при котором сквозная конструкция вертикальных связей заменяется на перфорированную балку-стенку с высотой, равной высоте этажа.
3. Вследствие того, что аутригерные этажи располагаются согласованно с техническими, можно рекомендовать устраивать аутригеры на верхнем этаже и в середине здания. В таком случае рациональной представляется конструктивная схема, при которой аутригер, расположенный в средней части здания и имеющий незначительное влияние на жесткость всей конструкции здания, не имеет опоясывающей фермы, а все его узлы - шарнирные. Отсутствие опоясывающей фермы компенсируется повышенной жесткостью колонн на всю высоту здания, расположенных в плоскости вертикальных связей аутригера. Верхний аутригер предлагается выполнить по схеме, при которой все
Вестник ТГАСУ № 2, 2009
91
узлы крепления вертикальных связей к ядру жесткости и опоясывающей фермы жесткие, а крепление вертикальных связей к колоннам периметра - шарнирное. Такая компоновка существенно облегчит монтаж металлических конструкций, по сравнению со схемой, в которой оба аутригера имеют опоясывающую ферму и большое количество жестких узлов. Установлено, что разница в горизонтальных перемещениях верха зданий между двумя схемами будет составлять менее 1 %, а в ускорениях - около 1,5 мм/с2.
Библиографический список
1. Шуллер, В. Конструкции высотных зданий / В. Шуллер. - М. : Стройиздат, 1979. - 248 с.
2. Schuller, W. The Vertical Building Structure / W. Schuller. - New York : Van Nostrand Reinhold, 1990. - 721 p.
3. Buttner, O. Bauwerk Tragwerk Tragstructur. Band 1 und 2 / Buttner O. Hampe E. - Berlin, 1984.
4. Энгель, Х. Несущие системы / Х. Энгель. - М. : АСТ, Астрель, 2007. - 344 с.
5. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий-комплексов в городе Москве.
V.I. TRAVUSH, D.V. KONIN
HIGH-RISE BUILDINGS WITH OUTRIGGER EFFORT
The present article considers some problems of definition of rational outrigger position in high-rise buildings; rational arrangement of vertical ties in plan, as well as the forms and method of their fixing to their basic structure elements. The practical recommendations on designing of outriggers in high-rise buildings are given.
УДК 624.046.5
Г.В. КОВАЛЕНКО, канд. техн. наук, профессор, magfmp@mail.ru
Е.А. ЧЕВСКАЯ, канд. техн. наук, доцент,
chevskay-e@mail.ru
С.А. ЖЕРДЕВА, аспирант,
popa 72@yandex.ru
БрГУ, Братск
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЕЙ ПО РАЗНЫМ РАСЧЕТНЫМ МОДЕЛЯМ
Проведен анализ целесообразности оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций по деформационной модели, позволяющей выполнять расчет с учетом физической и геометрической нелинейности конструктивных железобетонных систем в целом и их отдельных элементов. Приведены результаты исследования по двум расчетным моделям, которые согласуются с экспериментальными данными.
© Г.В. Коваленко, Е.А. Чевская, С.А. Жердева, 2009
