Расчет — основа проектирования

Сообщение профессора БГПА, главного научного сотрудника БелНИИС, д. т. н. П. В. Алявдина "Конструктивные системы зданий, методы расчета и конструирования несущих каркасных конструкций. Технико-экономические показатели", сделанное им на конференции "Опыт освоения в массовом строительстве новых каркасных конструктивно-технологических систем многоэтажных зданий"

Здания, несущая часть которых представляет собой монолитный либо сборно-монолитный каркас, построены, либо строятся, либо проектируются не только в Минске - это имеет место и за пределами РБ. В том числе речь идет и о зданиях, несущая часть которых разработана специалистами БелНИИС.

Белниисовский вариант сборно-монолитного каркаса включает пустотные либо сплошные железобетонных плиты перекрытия. Особенностью таких перекрытий является то, что плиты перекрытия по контуру заключены в монолитную обойму. Как правило, эта обойма совпадает с сеткой колонн. Таким образом картина работы плит перекрытия становится качественно иной. До настоящего времени данный эффект был известен (работы Гвоздева, Никитина, Дроздова), однако по-настоящему массово и детально его исследование было осуществлено, скорее всего, в НИЭПГП "БелНИИС". Такая расчетная схема оказывается весьма плодотворной с точки зрения повышения как жесткости, так и прочности конструкции.

То же самое следует сказать и о монолитном каркасе.

Еще одной особенностью обсуждаемой конструктивной системы являются гибкие плиты. Таковыми являются, например, изделия ДСК толщиной 16-18 см при сетке колонн 6х6 м.

Проблема стыка перекрытия с колоннами была исследована в институте как аналитически, так и экспериментально. Существующие рекомендации по проектированию пока касаются только работающих в составе таких каркасов фундаментных плит, однако следует надеяться как на то, что тематика этих рекомендаций расширится должным образом, так и на то, что они войдут в соответствующие СНБ.

В работе по таким расчетным схемам существует целый ряд вопросов - например, проблема сбора нагрузок и выбора собственно расчетной схемы конструкции.

Учитываются, как обычно, вертикальные и горизонтальные нагрузки, в том числе ветровые, а также технологические нагрузки (особенно при изготовлении монолитных каркасов). Данные нагрузки передаются оснасткой. Когда производится бетонирование перекрытия, оснастка и подкрепляющие ее стойки (башни) опираются на нижележащие этажи. При этом скорость строительства достаточно высока, так что приходится сталкиваться с проблемой недостаточного набора прочности бетона, проявлением ползучести и усадки. Недостаточна и жесткость такого бетона.

Если срок строительства здания составляет хотя бы 9 месяцев, весьма важную роль играют температурные перепады, что также должен учитывать расчет.

Существенным образом может воздействовать на напряженное состояние конструктивных элементов и надежность всей конструкции и последовательность бетонирования ячеек по этажам.

Следует отметить, что в мире существуют тысячи программ машинного расчета конструкций по конечным элементам. Целый ряд конкурирующих между собой программных комплексов есть и в РБ. В БелНИИС эксплуатируются версии российско-германской программы Старт и Профет. (Что же касается комплекса Рекон, который является производным продуктом от известного комплекса Лира, то выяснилось, что соответствующий алгоритм неадекватно отражает неравномерную осадку зданий.)

Представляется необходимость сертифицирования и независимо от этого тестирования программных комплексов, эксплуатируемых в НИИ и проектных институтах.

Расчетами, осуществленными в БелНИИС, были охвачены различные по развитию в плане, расчетным схемам и сочетанию поперечных сечений и характеристик материалов конструктивных элементов здания.

Результаты обсчета пятиэтажных зданий показывают, что, как правило, диафрагмы жесткости влияют на общее напряженное состояние не очень значительно, поэтому иногда могут не включаться в расчет.

Если говорить о расчете высотных зданий, то он показывает, что на высоте 35 м действие диафрагмы является уже не сдерживающим, а отталкивающим. Физически это означает соизмеримость жесткости рамного и диафрагменного каркасов.

Критические параметры при расчетах на устойчивость 5- и 16-этажных зданий достаточно высоки. Как выяснилось, потеря устойчивости в зданиях до 16 этажей маловероятна. Тем не менее получены определенные результаты, характеризующие различные формы потери устойчивости (вдоль и поперек здания в плане, крутильные формы, а также формы потери устойчивости отдельных элементов). Кстати, программа Старт в ходе спектрального анализа позволяет выяснить, положение каких элементы конструкции каркаса является наиболее опасным. В соответствии с результатами расчета проектировщик принимает соответствующие решения.

Расчет здания на собственные колебания показывает, что низшая форма колебаний соответствует колебаниям здания вдоль продольной оси плана, то есть поперек собственно здания. Более высоким формам соответствуют как кручение, так и различные сочетания форм.

Данная методика позволяет выполнить расчет и на пульсацию ветра, который требуется при высоте зданий свыше 40 м.

Все расчеты, о которых шла речь, являются линейными расчетами (по недеформированной схеме). Что же касается особенностей каркаса в случае гибких плит, то данный случай характеризуется возникновением в плитах мембранных усилий, учет которых и позволяет реализовывать программа Старт. При этом гибкость перекрытий в горизонтальном направлении очень сильно влияет на перераспределение ветровых нагрузок.

Насколько все вышеизложенное приложимо к проектированию? Во-первых, к нашим услугам - определенные строительные нормы. Сегодня в РБ вводятся соответствующие СНБ, во многом являющиеся более или менее творческой переработкой известного Еврокода.

Специалистами БелНИИС было выяснено, что ни существующие на данный момент СНиП, ни вводимые СНБ совершенно не согласуются с опытами на продавливание, которые были выполнены в институте.

В конечном итоге было установлено, что наилучшим образом извлеченному опыту соответствуют рекомендации CEV 1990 г., в которых учтен процент армирования плит и колонн, что оказывается весьма важным при расчете на продавливание.