Каркас многоэтажного здания. Общие положения

3.61. Каркасы многоэтажных зданий для сейсмических районов рекомендуется проектировать по следующим конструктивным схемам:

рамной со всеми жесткими узлами сопряжений ригелей (поперечных и продольных) с колоннами;

связевой с вертикальными устоями жесткости в виде железобетонных диафрагм, стальных связей или рам при шарнирном опирании ригелей и плит;

комбинированной, в которой в одном направлении здания принимается рамная схема, а в другом - связевая.

Примечание. При числе этажей более 5 допускается при соответствующем обосновании вводить в рамные конструктивные схемы со всеми жесткими узлами сопряжении ригелей с колоннами вертикальные устои жесткости - железобетонные диафрагмы или стальные связи.

3.62. Вертикальные устои жесткости, воспринимающие горизонтальную нагрузку, должны быть непрерывными по всей высоте здания и располагаться равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания.

3.63. При выборе конструктивных схем каркаса предпочтение следует отдавать схемам, в которых зоны пластичности могут возникать в горизонтальных элементах каркаса.

3.64. Каркасы зданий массового применения должны проектироваться, как правило, из железобетона с применением сборных конструкций, предназначенных для использования в сейсмических районах. Продольные ригели могут выполняться монолитными железобетонными (рис. 48, а),

Каркасы зданий массового применения из стальных конструкций следует проектировать в тех случаях, когда не представляется возможным использование железобетонных конструкций или когда применение стальных каркасов допускается действующими «Техническими правилами по экономному расходованию основных строительных материалов».

3.65. Перекрытия и покрытия, как правило, должны проектироваться из сборных железобетонных плит и образовывать неизменяемый жесткий диск, способный передавать горизонтальные сейсмические нагрузки на вертикальные несущие элементы каркаса здания(колонны, стальные связи и др.) и обеспечивать их совместную работу (см. п. 3.74).

Рис. 48. Балочные перекрытия (покрытия) многоэтажного здания.

а - план перекрытия с продольными монолитными ригелями; б - план перекрытия с продольными сборными ригелями; 1 - поперечные сборные железобетонные ригели; 2 - продольные монолитные железобетонные ригели; 3 - сборные железобетонные плиты; 4 - продольные сборные железобетонные ригели

3.66. Покрытия многоэтажных зданий с укрупненной сеткой колонн в верхнем этаже проектируются с соблюдением требований, предъявляемых к покрытиям одноэтажных зданий (см. пп. 3.27- 3.39).

3.67. В связевых системах диафрагмы или связи следует располагать в плоскости колонн в соответствии с п. 3.62.

Рис. 49. Динамическая расчетная схема каркаса многоэтажного здания

а - поперечный разрез здания; б - динамическая расчетная схема каркаса здания

Количество вертикальных устоев жесткости, воспринимающих горизонтальные нагрузки, устанавливается по расчету с учетом их несущей способности и принимается не менее двух в каждом направлении здания; при этом они не должны располагаться в одной плоскости. Расстояние между связевыми панелями и расстояние между крайними разбивочными осями и связевыми панелями должны быть проверены по несущей способности диска перекрытий.

3.68. Балочная клетка перекрытия, на которую опирается оборудование, должна быть рассчитана с учетом дополнительной вертикальной нагрузки, вызванной моментом от горизонтальной сейсмической нагрузки, от веса оборудования, приложенной в центре тяжести оборудования. При этом значение произведения коэффициентов βη K _ψ принимается как для каркаса в уровне рассматриваемого перекрытия, но не менее 2.

3.69. Временную нагрузку большой интенсивности (тяжелое стационарное оборудование, складируемые материалы и т. п.) с целью, облегчения условий работы несущих конструкций многоэтажных зданий рекомендуется размещать на нижних этажах.

3.70. Каркасы многоэтажных зданий (отсеков), имеющие период основного тона собственных колебаний больше 0,4 с, следует рассчитывать на сейсмические нагрузки с учетом не менее трёх высших форм колебаний.

При учете высших форм собственных колебаний сейсмические нагрузки находятся отдельно для каждой формы, а расчетные усилия определяются в соответствии с п. 2.12.

При определении периодов (или частот) и соответствующих им форм собственных колебаний многоэтажных каркасов динамическую расчетную схему рекомендуется принимать в виде консольного гибкого стержня, имеющего в любом уровне жесткость, равную суммарной жесткости элементов здания в том же уровне и несущего сосредоточенные веса - Q_k, которые определяются с учетом расчетных нагрузок на конструкции. Сосредоточенные веса - Q_k прикладываются на уровне перекрытий и покрытий; их количество определяет число степеней свободы в принятой расчетной схеме (рис. 49).

Величина каждого веса Q_k вычисляется в соответствии с пп. 2.2 и 2.3 от нагрузок, расположенных в пределах половины высоты выше- и нижележащих этажей.

В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, при расчете каркаса в поперечном направлении здания величина Q_k определяется с учетом нагрузок от собственного веса мостов кранов.

Частоты и формы собственных колебаний определяются из системы уравнений

                      (41)

где p_i - Круговая частота i -й формы собственных колебаний, связанная с периодом собственных колебаний зависимостью

p_i = 2π/ T_i;                                                            (42)

m_k - масса, соответствующая весу Q_k, сосредоточенному на уровне k -го перекрытия или покрытия, кг;

,                                            (43)

здесь g - ускорение силы тяжести, м/с²;

п - число колеблющихся масс (число этажей);

δ _kj - смещения k -гo яруса от действия единичной горизонтальной силы, приложенной в j -ом ярусе, в м/Н;

X _ij - амплитуда i -ой формы собственных колебаний в точке j, в м/Н.

Уравнения (41) для многомассовых систем рекомендуется решать при помощи ЭВМ с использованием существующих стандартных программ. Для систем, имеющих не более пяти степеней свободы, может быть использован итерационный метод, метод спектральных функций, способ понижения порядка частотных уравнений и др.

3.71. Сейсмическая нагрузка, действующая на весь каркас здания в уровне какого-либо перекрытия или покрытия, определяется по формулам (1) и (2), где вес Q _k принимается равным соответствующему весу, вычисленному при определении периодов и форм собственных колебаний каркаса (см. п. 3.70). Сейсмическую нагрузку от собственного веса мостов кранов рекомендуется учитывать согласно п. 3.17.

В уровнях перекрытий или покрытия сейсмические нагрузки распределяются между отдельными рамами каркаса пропорционально их жесткости C_ka

,                                                            (44)

где S_ka - расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка, приходящаяся на рассматриваемую раму а в уровне k -го перекрытия или покрытия;

S_k - расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка, действующая на каркас здания (отсека) в уровне k -го перекрытия или покрытия;

C_ka - жесткость рассматриваемой рамы а при приложении единичной силы в уровне k -го перекрытия или покрытия

;                                                              (45)

 - общая жесткость каркаса здания (отсека) при приложении единичной силы в уровне k -го перекрытия или покрытия

;                                                                 (46)

δ _kk - перемещение каркаса здания (отсека) на уровне k -го перекрытия или покрытия от горизонтальной единичной силы, приложенной в уровне k -го перекрытия или покрытия в центре жесткости;

 - перемещение рассматриваемой рамы на уровне k -го перекрытия или покрытия от горизонтальной единичной силы, приложенной в уровне k -го перекрытия или покрытия.

Сейсмические нагрузки S_ka определяются при полном загружении каркаса временной нагрузкой без учета отсутствия на отдельных ригелях временной нагрузки.

Деформация каркаса многоэтажного здания (отсека) на уровне k -го перекрытия или покрытия от действия расчетных сейсмических нагрузок определяется:

при учете i -й формы собственных колебаний

;                                       (47)

при учете высших форм собственных колебаний

.                                                         (48)

В формулах (47) и (48) принято:

К ₁, K ₂, А, β _i, K _ψ, η _ik - обозначения приведены в п. 2.7;

T_i - период i -го тона собственных колебаний, с;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

Δ _ik - значения перемещений рассматриваемого перекрытия или покрытия, вычисленных по формуле (47) для каждой из учитываемых форм собственных колебаний каркаса.