Конфигурации вертикальных уступов зданий

Определение. Вертикальная неравномерность геометрии здания включает одно или несколько изменений размера перекрытий в пределах высоты здания. Здесь конфигурация уступа определяется как геометрическая проекция на вертикальную плоскость. Некоторые характерные типы конфигураций уступов представлены на рис. 5.4.1.

Рис. 5.4.1. Характерные конфигурации уступов	Рис. 5.4.2. Использование формы уступов для уменьшения затенения

	Рис. 5.4.3. Здания Эмпайр Стейт Билдинг (а) и Левер Билдинг (б) (не в масштабе)
	Рис. 5.4.4. Здание Даллас Сити Холл

Вертикальные уступы могут присутствовать и в сложных очертаниях. Размеры вертикальных уступов могут быть различными и зависят от типов используемых строительных систем. Проектирование вертикальных уступов, в основном, определяется архитектурным решением здания. Иногда вертикальные уступы вводятся исходя из требований зонирования верхних этажей, которые отклоняются от красной линии для того, чтобы обеспечить поступление воздуха лучшую освещенность примыкающих территорий (рис. 5.4.2). Например, в очертаниях зданий Эмпайр Стейт Билдинг и Левер Билдинг имеются незаполненные объемы, что объясняется как их архитектурным стилем, так и коммерческими соображениями (рис. 5.4.3).

В настоящее время требования, относящиеся к необходимости сохранения естественной освещенности, находят свое отражение в новой архитектурной концепции включения в конструкцию зданий фонарей верхнего света, что, в свою очередь, возрождает интерес проектировщиков к формам вертикальных уступов; эта обновленная концепция означает отказ от прямоугольных сплошных форм. Иной тип конфигурации вертикальных уступов характерен для зданий, площадь пола которых увеличивается с ростом высоты; такая конфигурация называется обратным уступом. Геометрические пропорции обратных уступов, необходимые для обеспечения общей устойчивости сооружений, менее выражены, чем пропорции прямых уступов. Было спроектировано и построено несколько зданий сложной формы, а некоторые из них стали образцами архитектурных стилей (рис. 5.4.4).

Проблемы, возникающие в ходе проектирования. Наличие вертикальных уступов в здании и сооружении определяет изменение прочности и жесткости по вертикали. Степень влияния вертикального уступа на работу здания зависит от относительных пропорций и абсолютных размеров частей здания. Кроме того, симметрия или асимметрия плана части здания, расположенной выше и ниже уступа, также оказывает влияние на характер возникающих усилий. Если башня или основание здания (или и то и другое) динамически асимметричны, то в конструкции возникают скручивающие усилия, значительно осложняющие анализ работы здания.

Рис. 5.4.5. Уступы: аналогия перехода от конусообразной конструкции балки к ступенчатой: а - суживающаяся кверху; б - суживающаяся кверху, с неглубокими ступенями; в - ступенчатая балка: резкое изменение жесткости

Концентрация усилий возникает в месте перелома вертикального очертания здания. Чем меньше ступени в вертикальном уступе, тем меньше влияние концентратора. Трапециевидная форма помогает практически полностью избежать влияния концентрации напряжений (рис. 5.4.5).

Рис. 5.4.6. Уступы, включающие диафрагмы, могут искажать траекторию передачи нагрузок на конструкцию фундаментов	Рис. 5.4.7. Конструкция, состоящая из узкой башни на широком подиуме, часто используемая для зданий с встроенным гаражом

В прямом или обратном уступе с равномерным наклоном (если каркас и заполнение обладают свойством неразрезности) почти нет резкого изменения жесткости (хотя работа таких уступов не может быть оценена с помощью стандартных методов и требует специального анализа). В случае если в верхней части здания имеются диафрагмы, то в месте их сопряжения с основной конструкции возникает ступень изменения жесткости и эти диафрагмы передают значительные усилия на диск перекрытия (рис. 5.4.6). Если диафрагмы не сплошные, то опрокидывающие моменты так же, как и поперечные силы, должны находить альтернативные пути восприятия. Таким образом, вертикальный уступ с разрезными поперечными диафрагмами создает различные аномалии взаимодействия, которые могут дополнять и усиливать друг друга.

Обычно вертикальные уступы характерны для конструкции отдельно стоящего здания, однако может возникнуть ситуация, когда их включают в комплекс соединенных между собой зданий, имеющих различную высоту. Например, в 1972 г. в Манагуа во время землетрясения шестиэтажное здание Ланг Билдинг с одной стороны примыкало к трехэтажному зданию, а с другой - к двухэтажному. Особенно сильное повреждение произошло на уровне чуть выше второго этажа, со стороны примыкания шестиэтажного здания к двухэтажному; в то время как выше второго этажа серьезных повреждений замечено не было. Такое повреждение частично можно отнести за счет независимых колебаний примыкающих зданий, в результате которых одно здание ударялось о другое; однако основное повреждение произошло по причине ступенчатого изменения жесткости на уровне кровельного покрытия примыкающего двухэтажного здания. Поскольку нижние этажи здания Ланг Билдинг сжимались примыкающими зданиями, то в этой части и наблюдалось максимальное повреждение.

Конструкция зданий башенного типа обычно включает рамный каркас без диафрагм. Конструкция стилобата, имеющего большие размеры в плане, как правило, состоит из нескольких подземных уровней (этажей) со своими стеновыми элементами, жесткость которых почти бесконечна по сравнению с более гибким каркасом башни (рис. 5.4.7). На уровне передачи поперечных нагрузок с конструкции башни на элементы периметра стилобата следует предусмотреть специальную массивную горизонтальную диафрагму с соединениями в виде специальных связей.

Как обычные вертикальные, так и обратные уступы создают условия для изменения жесткости и концентрации напряжений; что касается соответствующих характеристик общей формы, то их воздействие различно. Например, при замене одного большого уступа несколькими меньшего размера, или при придании трапециевидной формы зданию с обычным вертикальным уступом, можно сгладить те сложности, которые возникают при резком изменении жесткости. Однако для здания с обратным уступом такая замена только создаст дополнительные трудности, так как наиболее целесообразно центр массы здания или центр тяжести по возможности приблизить к уровню грунта. Действие сил на более низком уровне означает меньшую длину плеча силы, а следовательно, и меньший опрокидывающий момент. Обычный вертикальный уступ или пирамидальная конфигурация распределяет массу здания правильно, в то время как при наличии обратных выступов распределение массы происходит вразрез с основными расчетными критериями. В здании, имеющем форму перевернутой пирамиды, происходит уменьшение массы на единицу высоты здания по направлению к поверхности грунта, что не соответствует оптимальности конфигурации зданий для сейсмостойкого строительства.

Специфика проектирования вертикальных уступов. На протяжении многих лет проектирование вертикальных уступов считается одной из наиболее сложных проблем архитектурно-строительной технологии. Здания, в конструкцию которых включены вертикальные уступы с размерами башенной части в плане в каждом из направлений равными по меньшей мере 75% соответствующего размера нижней части здания в плане, могут рассматриваться как однородные, без каких-либо уступов и других отклонений от правильной формы. Для прямоугольников это правило выдерживается когда площадь плана башенной части составляет 9/16 от площади плана подиума (рис. 5.4.8). Иногда требуется передать поперечную нагрузку с верхнего стенового элемента, образующего вертикальный уступ, на стеновой элемент, расположенный ниже. Включение вертикальных уступов требует специального анализа возможности возникновения опрокидывающего момента. Во многих случаях вертикальные уступы создают определенную степень неравномерности распределения жесткостей, требующей специального анализа динамических характеристик конструкции. Это необходимо для обеспечения наиболее оптимального распределения поперечных нагрузок.

Существуют эмпирические соотношения, которые не всегда включены в нормы проектирования, но которые, тем не менее, рекомендуется соблюдать. Условно можно выделить четыре основных расчетных состояния [4], краткое описание которых приводится на рис. 5.4.9 и в табл. 7-1.

Рис. 5.4.9. Категории уступов, определенные в 1958 г. по предложению подкомитета по уступам сооружений
Рис. 5.4.8. Соотношение площадей уступов по вертикали

Таблица 5.4.1

АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ УСТУПОВ СООРУЖЕНИЙ

Соотношение габаритов здания			Расчетный вариант
	от 0.8 до 1	Любая	А - средняя ширина
от 0.6 до 0.8	>0.35	Б - основание и надстройка
от 0.4 до 0.6	>0.25
от 0 до 0.4	>0.4	В - башня и пристройки
от 0.6 до 0.8	от 0.65 до 1
от 0.4 до 0.6	от 0.75 до 1	Г - все, что подходит для любого элемента; средняя ширина, 120% нагрузок, основание и башня как в случае Б
>0.4	от 0.8 до 1
>0.4	>от 0.4 до 0.8
от 0.6 до 0.8	>от 0.35 до 0.65

A. Уступ здания выдается не настолько, чтобы изменить работу здания. Для определения периода колебаний и горизонтальных нагрузок, действующих у стилобата, здание следует рассматривать, как одно целое (одной полной длины), с шириной, величина которой равна средневзвешенной сумме размеров башенной части и стилобата.

Б. Конструкция стилобата является основной, а башенную часть можно считать дополнительным элементом, который подвергается воздействию перемещения грунта при ускорении, которое равно ускорению верхнего диска стилобата. Стилобат следует рассматривать как отдельное здание со своей собственной высотой и приданной массой башни при приложении горизонтальной нагрузки в уровне покрытия. Смещение основания башни принимается увеличенным на 40%, чем при допущении, что башня являет отдельным зданием, стоящим на грунте. Горизонтальные нагрузки определяются для случая отдельно стоящего здания и далее пропорционально увеличиваются.

B. Башенная часть в здании преобладает, часть стилобата, которая не находится в пределах проекции плана башни на поверхность грунта, представляет собой пристройку, дополнительная масса и несущая способность которой должна приниматься в расчет (для определения сейсмических коэффициентов следует мысленно продлить башенную часть через стилобат до уровня фундамента и рассматривать ее как отдельно стоящее здание полной высоты). Дополнительная масса частей стилобата, не включенных в "удлиненную" башню, учитывается при сейсмическом расчете фиктивного здания, с высотой, равной высоте стилобата только для определения величины дополнительных горизонтальных нагрузок, действующих в уровне нижних этажей. По меньшей мере, 70% всех нагрузок будет действовать в пределах размеров плана удлиненной башни.

Г. Промежуточные случаи наиболее трудно поддаются определениям. Эти категории конструкций предусматривают рассмотрение ситуаций, при которых обе части здания работают как единая конструкция полной высоты. Для определения горизонтальной нагрузки, действующей в любом месте или элементе, следует применять один из следующих способов: принимается, что башня и стилобат составляют одно здание полной высоты, со средневзвешенной величиной ширины; значение сейсмического коэффициента при этом увеличивают на 20%; рассматривают стилобат и башенную часть как два отдельных здания с использованием метода Б, приведенного выше.

В качестве рекомендации можно предусматривать конструктивные каркасы как рамные, так и связевые или их сочетание в конструкции башни и стилобата любого здания, имеющего вертикалью уступы высотой более одного этажа. Кроме того, рекомендуется предусматривать в конструкции здания колонны, которые, ограничивая уступ, проходят вниз до уровня фундамента (рис. 5.4.10).

Рис. 5.4.10. Уступы в каркасных зданиях а - сплошные колонны; б - разрыв колонны по вертикали	Рис. 5.4.11. Башня административного здания Кайама Интернешнл Билдинг, Лос-Анджелес, отделенная антисейсмическими швами от гаража

Конструктивные решения конфигураций вертикальных уступов аналогичны решениям, принимаемым в случае проектирования планов с входящими углами. Первый тип решения заключается в обеспечении антисейсмических швов, позволяющих отдельным частям здания проявлять свою реакцию в ответ на воздействие сейсмической нагрузки. В этом случае следует принять во внимание рекомендации, приведенные выше (рис. 5.4.11). Если конструкции здания не разделяются антисейсмическими швами, то необходимо при расчете руководствоваться анализом соотношений вертикальных уступов. Особое внимание следует уделить обеспечению в вертикальных колоннах неразрезности конструкций так, чтобы размер уступов мог соответствовать нормальным размерам пролета. Динамические характеристики работы конструкции любого крупномасштабного здания с преобладанием вертикальных уступов должны тщательно изучаться. При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений следует избегать включения в решение плана протяженных обратных уступов сложной формы.

Дата добавления: 2015-07-13