from 01.01.1977 to 01.01.2023
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
employee
Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
employee
Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
student
Russian Federation
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
BBK 385 Строительные конструкции
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
An approach to the choice of the optimal design of the frame of a high-rise building and the location of the outrigger floors is proposed. Five variants of the design models of the frame with varying the number and location of the outrigger floors are considered. Taken two design decisions outriggers, uniting columns at the perimeter of the building connecting floors in the form of farms and monolithic walls. As criteria of an effective arrangement and the optimum constructive decision of a skeleton of a building the characteristics of the General stability of a skeleton, acceleration of the top floor from action of a dynamic component of a wind load, character of forms and a spectrum of frequencies of natural fluctuations are accepted. According to the results of the study, an optimal design scheme of a high-rise building with a rational location of outriggers is proposed.
high-rise building, outrigger floor, dynamic comfort, finite element method, finite element model
В условиях плотной городской застройки современных городов высотное строительство развивается быстрыми темпами. При проектировании высотных зданий необходимо обеспечить прочность и общую устойчивость. Один из способов повышения прочности и устойчивости является применение аутригерных этажей. Для каждого здания форма и расположения аутригерного этажа устанавливается индивидуально, но чаще всего такие этажи располагают на технических этажах.
Цель исследования - определение наиболее оптимальной конструкции и расположения аутригерных этажей в каркасе высотного здания. В качестве критериев эффективного расположения и оптимального конструктивного решения приняты нормируемые характеристики общей устойчивости каркаса здания, ускорение верхнего этажа от действия динамической составляющей ветровой нагрузки, характер форм и спектр частот собственных колебаний.
Объектом исследования является пространственный каркас высотного жилого здания в г. Ростове-на-Дону, представляющий собой пространственную плитно-стержневую конструкцию, выполненную из железобетонных колонн, стен, диафрагм жесткости и плит перекрытий. Пространственная расчетная модель разработана методом конечных элементов в программном комплексе Лира-САПР (Рис. 1).
Рис. 1. Конечно-элементная модель: а) проекция на плоскость XZ,
б) 3D-модель здания
Предложено два вида виртуальных аутригерных систем: в виде фермы, объединяющих колонны по периметру здания (Рис. 2а) и монолитных стен, объединяющих колонны по периметру здания (Рис. 2б).
Рис. 2. Расчетные схемы аутригерных этажей : а) в виде железобетонных ферм; б) в виде монолитных железобетонных стен
Применение предложенных конструктивных решений аутригерных систем устраняет необходимость в устройстве сложных соединений аутригеров с колоннами и центральным ядром, сводя к минимуму возможность случайной передачи нагрузки, возникающей из-за неравномерных деформаций между периметром и центральным ядром.
Рассмотрено пять вариантов конструктивной схемы каркаса здания:
– без аутригерных этажей;
– два аутригерных этажа на технических этажах в виде ферм;
– два аутригерных этажа на технических этажей в виде стен;
– один аутригерный этаж на последнем этаже в виде ферм;
– один аутригерный этаж на последнем этаже в виде стен.
В расчетных моделях учтены статические и динамические нагрузки: собственный вес конструкций здания, снеговая нагрузка на покрытие, полезная нагрузка, ветровая нагрузка. Граничные условия задаются в опорных узлах стержней и стеновых пластин в виде жесткой заделки.
Выполнены расчеты на общую устойчивость; получены формы потери и коэффициенты запаса устойчивости. В таблице сведены коэффициенты запаса устойчивости в зависимости от конструктивной схемы здания.
Таблица 1. Коэффициенты запаса устойчивости
|
Вариант расчетной схемы |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Коэффициент запаса устойчивости |
10,48 |
13,39 |
13,50 |
13,00 |
13,20 |
Выполнен динамический расчет пяти вариантов расчетных схем. Получены частоты и формы собственных колебаний. Анализ форм колебаний показал, что первая форма колебаний всех расчетных моделей поступательная, третья форма колебаний – крутильная. Вторая форма первой, третьей, четвертой и пятой моделей – крутильные (Рис. 3а); второй расчетной модели – поступательная (Рис. 3б).
Рис.3. Вторая форма колебаний: а) первая модель; б) вторая модель
Вторая крутильная форма колебаний подтверждает сложные конструктивные решения исследуемого каркаса и требует дополнительных исследований работы каркаса зданий при динамических нагрузках. Вторая поступательная форма подтверждает правильность принятых конструктивных решений, отвечающих требованиям надежности и экономичности.
Анализ спектра частот и периодов колебаний первой, третьей, четвертой и пятой моделей показал отличие в значениях менее 5%.
Выполнено сравнение динамических характеристик второй и четвертой расчетных моделей. Частоты колебаний второй модели уменьшились на 36%, периоды колебаний выросли на 54% по сравнению с частотами и периодами колебаний четвертой расчетной модели.
Выполнено исследование динамической комфортности расчетных схем, определены ускорения верхних точек каркас здания. Результаты представлены в
табл. 2.
Таблица 2. Ускорение плиты перекрытия последнего этаж
|
Вариант конструктивного решения |
а (Х) (мм/с2)
|
а (Y) (мм/с2) |
а (Z) (мм/с2) |
а (мм/с2), расчетные значения |
а (мм/с2), нормативные значения |
|
1 вариант |
0,115 |
115,095 |
0,872 |
115,098 |
82,21 |
|
2 вариант |
1,403 |
95,234 |
0,419 |
95,245 |
68,03 |
|
3 вариант |
82,437 |
1,976 |
2,895 |
82,512 |
58,94 |
|
4 вариант |
82,457 |
1,077 |
2,897 |
82,515 |
58,94 |
|
5 вариант |
83,986 |
1,025 |
2,935 |
84,043 |
60,03 |
Согласно нормативным требованиям ускорение верхнего этажа не должно превышать величины ас, max=0,08 м/с2. Анализ результатов динамического расчет показал, что вариант конструктивного решения без аутригерного этажа не удовлетворяет требованиям динамической комфортности.
Принятое конструктивное решение с двумя аутригерными этажами на технических этажах в виде ферм позволяет увеличить общую устойчивость каркаса здания, удовлетворяет требованиям по динамической комфортности и отвечает требованиям экономичности проектных решений.
Оптимизацию конструктивной схемы рекомендуется производить на самых ранних стадиях проекта. При таком подходе можно создать максимально эффективную аутригерную систему: колонны будут размещены в наиболее оптимальных местах; вертикальные нагрузки будут восприниматься конструкциями аутригера и колоннами.
Разработанный вариант каркаса с рациональным конструктивным решением аутригерных этажей и уточнением общей устойчивости может быть использован при исследовании высотного здания на прогрессирующее обрушение.
1. Travush V.I., Konin D.V. Rabota vysotnyh zdanij s primeneniem etazhej zhestkosti (autrigerov) // Vestnik TGASU. 2009. №2. S. 77-91.
2. Agahanov E.K., Kravchenko G.M., Trufanova E.V. Regulirovanie parametrov sobstvennyh kolebanij prostranstvennogo karkasa zdaniya //Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki, - 2016. - № 3. - S. 8-15.
3. Agahanov E.K., Agahanov M.K. Equivalence of effects for a limiting stress state. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 365(2018) 042044 doihttps://doi.org/10.1088/1757-899X/365/4/042044.
4. Agahanov E.K. O razvitii kompleksnyh metodov resheniya zadach mekhaniki deformiruemogo tverdogo tela. Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. - 2013. - № 2. - c. 39-45.
5. CHernuha N.A., Gorelik P.I., Lepeshkina D.O., CHervova N.A. Optimal'noe polozhenie i konstrukciya autrigernyh sistem vysotnyh zdaniyah. Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij, 2015, №9. S 19-22.
6. Agahanov E. K., Kravchenko G. M., Osadchij E.V., Trufanova E.V. Raschet zdanij slozhnoj geometricheskoj formy na vetrovye vozdejstviya. Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. - 2017. - № 2. - c. 8-17.
7. Kravchenko G. M., Trufanova E. V., Bojko A. G., Adlejba T. S. Issledovanie obshchej ustojchivosti karkasa zdaniya metodom konechnyh elementov // Stroitel'stvo i arhitektura . 2019. №. 1. S. 45-48.
8. Kravchenko G., Trufanova E., Kostenko D., Tsurikov S. Analysis of blast load on a reinforced concrete column in the time domain // International Science Conference SPbWOSCE-2016 "SMART City".- 2017. - S. 04019.
