Здания

Расчет конструкций жилого здания

Решение конкретных конструктивных задач начинается с уточнения основных геометрических параметров здания, характера протекающих в нем технологических процессов и всех особенностей площадки строительства, позволяющих сформулировать требования, которым должны удовлетворять конструктивные элементы здания. Полученные таким путем исходные данные дают возможность выявить все силовые и несиловые воздействия, которым подвергаются конструктивные элементы здания. Эти воздействия после их всесторонней качественной и количественной оценки группируются по природе их возникновения и по влиянию на характер протекающих в элементах здания последствий. При этом учитывается, что одни и те же воздействия могут оказывать на конструкцию как силовое, так и несиловое влияние и что сами они могут изменяться по величине, времени действия, степени повторяемости и вероятности достижения максимальных значений.

Выбранное конструктивное решение здания используют для компьютерного расчета несущих и ограждающих конструкций.

1. Предпосылки выбора конструктивного решения здания

Конструктивные элементы здания разделяют на несущие и ограждающие. Однако это разделение достаточно условно, так как многие из них могут выполнять те и другие функции одновременно. Сюда относятся стены, покрытия, перекрытия, перегородки, составляющие до 60–70 % общей стоимости здания. К конструкциям, выполняющим ярко выраженные только несущие функции, относятся прежде всего каркасы здания, представляющие его главный несущий остов. Ограждающие функции конструкций оценивают расчетами, основанными как на законах архитектурной физики, так и строительной механики.

1.1. Факторы выбора конструкции несущего остова здания

Выбор материала и конструктивной схемы несущего остова здания является ответственной инженерной задачей, так как от ее решения в значительной степени зависят все остальные конструктивные элементы здания.

Современный уровень развития строительной индустрии способствует наиболее широкому использованию в промышленном строительстве сборных железобетонных и металлических каркасов. Однако окончательное решение этого вопроса определяется правилами по экономному расходованию основных строительных материалов и сравнительными технико-экономическими сопоставлениями. Основными преимуществами сборных железобетонных каркасов являются их высокая долговечность, огнестойкость, малая деформативность. Расход металла на изготовление сборных железобетонных элементов (по сравнению с металлическим каркасом) ограничен, эксплуатационные затраты незначительны. К недостаткам его относятся большая масса, трудоемкость устройства стыковых соединений, трудность переустройства при реконструкции. В целях снижения массы железобетонных конструкций используют предварительно напряженные конструкции, в которых бетону задают необходимые сжимающие усилия, улучшающие его работу при возникновении в сечении растягивающих напряжений. Применением бетонов более высоких классов (В60 и более) и высокопрочной арматуры снижают размеры поперечных сечений изделий. Кроме того, облегчают массу бетона применением легких заполнителей.

Стальные каркасы обладают по сравнению с железобетонными значительно меньшей массой. Сечения их более ажурны, транспортировка и монтаж просты и менее трудоемки. Однако металлические каркасы подвержены коррозии, менее огнестойки, в процессе эксплуатации, особенно при наличии агрессивных сред, требуют постоянного наблюдения и проведения защитных мероприятий.

Деревянные конструкции в капитальном строительстве до последнего времени находили ограниченное распространение, несмотря на то, что дерево имеет малую объемную массу, большую прочность при работе на изгиб и сжатие, что выгодно отличает его от стали и железобетона. Кроме того, было распространено мнение, что дерево как материал с анизотропным строением вынуждает принимать большие запасы прочности, утяжеляющие и усложняющие конструкции, а способность древесины при изменении влажности окружающей среды разбухать или усыхать при неблагоприятных условиях способствует быстрому ее загниванию. По сравнению с другими конструкциями деревянные считаются менее огнестойкими. Бурное развитие химической промышленности и промышленности полимерных материалов позволило применять склеивание древесины в слоистые конструкции и создавать разнообразные рациональные и пластические архитектурные формы. Пропитка древесины антисептиками повысила ее устойчивость против гниения, а обработка антиперенами повысила ее невозгораемость. Металлические и железобетонные конструкции полностью теряют свою несущую способность уже при нагреве до 450 °С. Скорость же обугливания древесины при температуре горения около 800 °С составляет 0,5–0,8 мм/мин, что позволит при соблюдении пожарной безопасности своевременно ликвидировать пожар. Кроме того, выяснилась исключительно высокая стойкость деревянных конструкций в условиях агрессивной воздушной среды, при которой железобетон и металл разрушаются сравнительно быстро.

1.2. Факторы выбора ограждающих конструкций

Ограждающие конструкции здания предназначаются для формирования в его помещениях обеспечения комфортных условий для проживания людей. Ограждающие конструкции, предназначенные в целях защиты помещений от неблагоприятного влияния погодных условий (стены, покрытия), называют наружными. Конструкции, разгораживающие внутренний объем здания на отдельные помещения с различными параметрами внутренней среды или требующие их выделения по специфическим условиям эксплуатации, а также преграды противопожарного назначения именуют внутренними. Теплозащитные качества определяют конструктивное решение наружных ограждений. Так, при строительстве в районе низких расчетных зимних температур решающее значение будет иметь снижение потерь теплоты в холодное время года. При строительстве в районах с жарким климатом (средняя температура июля 21 °С и выше) ограждающие конструкции проверяют в первую очередь на опасность перегрева. В многослойных преградах не должно допускаться выпадение конденсата в теплоизоляционном слое во избежание увлажнения последнего.

Ограждающие конструкции, и прежде всего наружные вертикальные ограждения, как формирующие внешний облик здания, должны обладать необходимыми архитектурно-художественными качествами, принятыми по зданию в целом. Эти качества могут иметь самостоятельное значение или быть подчинены решению общего ансамбля окружающей застройки. Внутренние конструкции участвуют в архитектурном решении интерьера.

Проектируя ограждающие конструкции, исходят из того, что они всегда на виду, с ними человек соприкасается повседневно и по ним во многом судит о качестве строительства. Поддержание ограждающих конструкций на должном техническом и эстетическом уровне, обеспечение их долговечности и надежности – важнейшая задача.

Если ограждающая конструкция протекает, промерзает, не защищает от холода или шума, теряет эксплуатационные качества, то это не только портит настроение, наносит ущерб здоровью человека и снижает производительность труда, но и одновременно вызывает перерасход энергоресурсов. Устранение проявившихся дефектов требует существенных непроизводительных затрат.

2. Компьютерное моделирование и расчет конструкций здания

Современные вычислительный комплексы зарубежных и отечественных разработчиков существенно ускоряют и повышают надежность расчетов конструкций зданий, включают интегрированную систему прочностного анализа и проектирования конструкций на основе метода конечных элементов, позволяющую определить напряженно-деформированное состояние конструкций от статических и динамических воздействий, а также выполнить ряд функций проектирования элементов конструкций (рис. 1). Помимо статических расчетов, некоторые системы предусматривают рассмотрение различных видов динамических воздействий, таких как сейсмика, пульсация ветровой нагрузки, гармонические колебания, импульс, удар.

Расчетная схема и реализованный проект здания

Рис. 1. Расчетная схема (а) и реализованный проект (б) здания

Вычислительные комплексы включают развитые средства подготовки данных, расчета, анализа результатов проектируемых сооружений различных размеров и формы, позволяет провести расчет и проектирование как стальных, так и железобетонных конструкций.

Вычислительные комплексы имеют:

  • развитую библиотеку конечных элементов для моделирования стержневых, пластинчатых, твердотельных и комбинированных конструкций;
  • модули анализа устойчивости, формирования расчетных сочетаний усилий, проверки напряженного состояния элементов конструкций по различным теориям прочности, определения усилий взаимодействия фрагмента с остальной конструкцией, вычисления усилий и перемещений от комбинаций загружений, построения амплитудно-частотных характеристик. В системе реализован режим вариации моделей для совместного анализа нескольких вариантов расчетной схемы;
  • модули подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций, а также проверки и подбора сечений элементов стальных конструкций;
  • графические средства формирования расчетных схем, которые включают набор параметрических прототипов конструкций, позволяют автоматически сгенерировать сетку конечных элементов на плоскости, задать описания физико-механических свойств материалов, условий опирания и примыкания, а также нагрузок;
  • возможность сборки расчетных моделей из различных схем, а также широкий выбор средств графического контроля всех характеристик схемы;
  • результаты расчета, которые могут экспортироваться в редактор MS Word или электронные таблицы MS Excel, а также выводятся в виде деформированной схемы и схемы прогибов, цветовой и цифровой индикации значений перемещений в узлах, а также изополей и изолиний перемещений для пластинчатых и объемных элементов.

Выполняется анимация форм колебаний для динамических загружений и процесса деформирования – для статических. Усилия в стержневых элементах представляются в виде эпюр, а также цветовой индикацией максимальных значений выбранного силового фактора. Усилия и напряжения в пластинчатых и объемных элементах выводятся в виде изополей или изолиний в указанном диапазоне цветовой шкалы с возможностью одновременного отображения числовых значений в центрах и узлах элементов.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *