Железобетон

Сборный железобетонный унифицированный каркас

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

9. РАСЧЕТ ТЯЖЕЛОГО КАРКАСА

Специфика рамных конструкций из элементов унифицированного каркаса обусловлена решением узлов сопряжения колонн ригелей, которые запроектированы как упругопластические связи.

Как уже отмечалось, физическая нелинейность работы узлов рамы приводит к тому, что ее поведение под нагрузкой существенно зависит от истории нагружения. Однако после однократногоа приложения максимальных нагрузок всех видов (вертикальных Я ветровых в двух направлениях) узлы получают такие остаточные деформации, что впоследствии при любых сочетаниях нагрузок рама работает упруго—происходит так называемое приспособление

В связи с тем, что "рамы обладают   податливыми   узлами, их рассчитывают по деформированной схеме с учетом реальных жескостных характеристик узлов и присоединенных к ним масс конструкций и нагрузок, приходящихся на отдельно стоящие колонны В частности, это означает, что помимо собственно рам в расчетную схему должны включаться и отдельно стоящие колонны, условно связанные с рамами шарнирно опертыми ригелями или панелями перекрытий.

Кроме того, при расчете рам первого вида учитывается упругопластическая работа их узлов, т. е. расчет ведется г учетом не только геометрической (деформированная схема), но II физической (пластичность) нелинейности. Указанным расчетным требованиям удовлетворяет методика автоматизированного с помощью ЭВМ расчета упругопластических рам.

В связи с упругопластическим характером работы узлов рам при определении расчетных значений усилий и деформаций в их отдельных элементах необходимо учитывать историю загружения нсей конструктивной системы. В качестве расчетных рассматриваются последовательности приложениия нагрузок следующего типа:

1-й этап — одновременно прикладываются все вертикальные нагрузки (точнее — значения всех вертикальных нагрузок возрастают пропорционально одному параметру от нуля до расчетного шачения);

2-й этап — на раму, загруженную вертикальными нагрузками, действует расчетная ветровая нагрузка (при постоянных значениях вертикальных нагрузок значение ветровой нагрузки возрастает от нуля до расчетного значения);

3-й этап — ветровая нагрузка снимается (при постоянных значениях вертикальных нагрузок значение ветровой нагрузки уменьшается от расчетного до нуля).

При расчете несимметричных рам рассматривают две расчетные последовательности нагружения указанного типа, отличающиеся направлением ветровой нагрузки, прикладываемой на 2-м тгапе.

В случаях когда значительная часть полезной нагрузки (более 40 %) на нескольких рядом расположенных рамах (3 и более) может быть приложена несимметрично, проводят дополнительный расчет на три описанных выше этапа загружения, при котором полезная вертикальная нагрузка прикладывается несимметрично, так, чтобы горизонтальные перемещения рамы от этой несимметрии совпадали по направлению с перемещениями от ветровой нагрузки, прикладываемой на 2-м этапе.

Усилия в элементах рам первого вида, найденные на 2-м йтапе, рассматриваются как вызванные действием всех нагрузок, иключая нагрузки с малой длительностью действия. Усилия, найденные на 1-м и 3-м этапах загружения, рассматриваются как вызванные нагрузками, не включающими нагрузки, суммарная длительность действия которых мала.

Расчет рам второго вида (см. главу 2) выполняют, как для упругих систем, на однократное действие различных расчетных сочетаний нагрузок. При расчете рам второго вида рассматривают два сочетания нагрузок: все вертикальные нагрузки и ветер, только вертикальные нагрузки.

Вертикальные нагрузки могут вызывать дополнительные сосредоточенные изгибающие    моменты,    действующие на колонны вследствие асимметричного загружения полок ригелей. Наряду с этим при определении нагрузок на рамы учитывают дополнительные изгибающие моменты, приложенные к колоннам по фасадным осям от горизонтальных ветровых нагрузок в соответствии с принятой схемой крепления наружных стен к каркасу.

Рамы первого и второго видов и их отдельные элементы рас считывают по предельным состояниям первой и второй групп.

Расчет  по предельному состоянию первой группы выполняют при расчетных, а расчет по деформациям — при нормативных значениях нагрузок и сопротивлений упругопластических элементов.

Независимо от конструктивной системы здания все колонны рассчитывают по предельному состоянию первой группы с учетом эксцентриситетов двух направлений.

Для зданий смешанной конструктивной системы расчетные эксцентриситеты в плоскости рам (первого вида) определяют по результатам расчета, выполненного по деформированной схеме. Эксцентриситеты из плоскости рамы в этом случае определяют специальным расчетом колонны как неразрезного внецентренно сжатого стержня.

Основные положения методики расчета тяжелого каркаса сводятся к следующему.

Ригели и колонны рамы рассматривают как линейно-упругие элементы. В расчете учитывают только изгибную жесткость элементов рамы.

Жесткость ригелей определяют в начале расчета с учетом образования трещин. При этом эпюру моментов в ригеле принимают как для балки с заделанными концами и с упругопластическими шарнирами в местах расположения стыков ригеля с колоннами, загруженной  заданной  равномерно  распределенной  нагрузкой.

Ригель разбивают на участки с трещинами и без трещин. Моменты образования трещин и жесткости участков ригелей определяют по формулам СНиП. Жесткость предварительно напряженных ригелей определяют без учета образования трещин.

Колонны рассматривают как элементы, работающие без образования трещин.

Принимают, что работа узлов примыкания ригелей к колоннам описывается диаграммой Прандтля. Ограничения накладываются только на моменты, вызывающие растяжение верхней зоны стыка ригелей с колонной.

Наличие упругопластических стыков ригелей с колоннами обусловливает неупругую работу всей рамы и вызывает необходимость учитывать историю загружения конструкции.

Процесс загружения разбивают на интервалы (этапы загружения), на которых превращение всех меняющихся нагрузок происходит пропорционально одному параметру. Усилия и перемещения   в раме определяют для каждого этапа загружения.

На этапах загружения, на которых приращение горизонтальной нагрузки равно нулю, раму рассчитывают по недеформиро-ванной схеме. На этапах загружения, на которых приращение горизонтальной нагрузки отлично от нуля, расчет рамы выполняют по деформированной схеме. При этом осевые силы в колоннах, используемые при учете воздействий, вызываемых изменением геометрии системы, определяют приближенно. Их принимают равными сумме осевых сил, полученных в результате расчета на предыдущем этапе загружения, и,осевых сил от приращения нагрузки на данном этапе, определенных в предположении, что в местах стыков ригелей с колоннами расположены идеальные шарниры.

Перечисленные основные положения расчетной методики реализованы в программе РУПК-2 для ЭВМ БЭСМ-4М, предназначенной для расчета рам с упругопластическими шарнирами.

По программе РУПК-2 рассчитывают плоские прямоугольные железобетонные рамы с произвольными длинами пролетов и высотами этажей. Программа позволяет учитывать смещение осей колонн в местах стыковки колонн разного сечения. Смещения осей колонн предусмотрены не более чем на двух этажах рамы и только для крайних колонн. Длины пролетов рамы принимают одинаковыми на всех этажах рамы  (без учета смещения осей колонн).

В местах стыков ригелей с колоннами могут быть заданы шарниры. Для этого жесткость таких стыков принимают на несколько порядков меньше жесткости обычных стыков. Практически эта жесткость может быть принята равной 100 кН-м2. Предельные моменты в таких стыках принимают равными нулю.

Оси колонн и ригелей рамы должны образовывать в расчетной схеме сплошную прямоугольную сетку.

Если рама имеет ступенчатую форму, то она может быть рассчитана путем добавления в ее расчетную схему фиктивных колонн малой жесткости (практически эту жесткость можно принимать равной 100 кН-м2) и фиктивных ригелей, имеющих в местах их стыков с колоннами шарниры. При этом геометрические и жесткостные характеристики фиктивных ригелей могут приниматься такими же, как для обычных ригелей рамы.

Рамы рассчитывают с учетом последовательности приложения отдельных нагрузок. Для этого история загружения разбивается на конечное число этапов, на каждом из которых нагрузка складывается из следующих обобщенных (групповых) нагрузок, изменяющихся от этапа к этапу пропорционально одному параметру: один любой набор горизонтальных сил, действующих в уровнях ригелей; один произвольный набор сосредоточенных вертикальных сил и моментов, приложенных в узлах рамы; любое число (Ng) наборов равномерно распределенных вертикальных нагрузок на ригели.

В целях увеличения объема задачи, решаемой программой, и сокращения количества задаваемой исходной информации, при составлении расчетной схемы рамы все отдельно стоящие колонны, соединенные с жесткими рамами и между собой ригелями с шар-Я нирами на концах и загруженные на уровнях этажей вертикальными осевыми силами, заменяются одной колонной с суммарной жесткостью и нагрузкой.

Аналогично ряд одинаковых и одинаково загруженных рам, со- I единенных между собой ригелями с шарнирами на концах, заменяется одной рамой, обладающей суммарной жесткостью и загруженной суммарной нагрузкой.

Для получения окончательных результатов расчета из результатов, определенных после такой замены, необходимо моменты,  полученные в заменяющей колонне, распределить между исходными колоннами пропорционально их жесткостям, а продольные усилия — пропорционально нагрузкам на эти колонны; усилия в защемляющей раме разделить на число исходных рам.

Программа РУПК-2 выдает результаты счета для каждого этапа загружения в виде таблиц с указанием момента в стыках,  пластических и упругих углов поворота в стыках, моментов в колоннах и ригелях, поперечных сил в ригелях, продольных сил в I колоннах и горизонтальных перемещений.

Общую жесткость рам с упругопластическими узлами допускается оценивать по величине горизонтального смещения верхнего Я ригеля.

При этом учитываются возможные длительные и кратковременные перемещения. Под длительными перемещениями понимаются перемещения, вызванные пластическими деформациями, и упругие перемещения, вызванные длительно действующими нагрузками; под кратковременными перемещениями понимаются упругие перемещения, вызванные кратковременными нагрузками. Эти перемещения определяются результатами расчета рамы на втором (фг) и третьем (фз) этапах загружения.

Максимальные длительные перемещения, вызываемые сравнительно редкими многократными воздействиями ветровой нагрузки одного направления  (с учетом частичной релаксации   остаточных усилий в пластических узловых шарнирах в периоды   отсутствия ветра) и несимметрией вертикальной нагрузки, оцениваются соотношением

Математические основы методики расчета. Методика построена с учетом следующих допущений:

ригели и стойки каркаса являются линейно-упругими элементами; деформации всей системы в целом — малые;

узлы примыкания ригелей к стойкам законструированы таким образом, что их работа описывается диаграммой Прандтля, так что значения опорных моментов в ригелях не могут превысить заданные.

При этом состояние всей системы в интервалах между появлением или закрытием пластических шарниров описывается классическим упругим расчетом. В упругом расчете учитывается только нзгибная жесткость элементов каркаса.