Тема 7. Конфигурации, виды и решения

Программная аннотация темы

Простые конфигурации, возможность их комбинации; сложные конфигурации как объединение простых. Проблемы, возникающие при выявлении конфигурации и варианты их решений. Особенности решений основных типов зданий в сейсмических районах. Параметры, учитываемые при проектировании сейсмостойких зданий.

Лекционные материалы

Введение. В настоящий момент отсутствует систематический анализ сейсмостойких конструкций, определяющий их работу в условиях землетрясения совместно с такими показателями, как качество выполненных строительных работ и используемые строительные материалы. Отсюда стремление в общих чертах определить те рамки, ту структуру, которые были бы общими как для архитектора, так и для инженера. Здесь эта структура определена как конфигурация

Проблемы конфигурации. Для архитекторов важны три аспекта: правильное понимание проблем и особенностей проектирования сейсмостойких конструкций; влияние конфигурации здания на несущую способность элементов конструкций при сейсмике; и, наконец, идентификации и толкованию основных трудностей, создаваемых типовыми конфигурациями планов и упрощенными методами преодоления этих трудностей или полного их устранения.

Участие инженера в разработке проекта на самых ранних стадиях не являются чем-то новым, однако это случается по-прежнему редко по трем основным причинам. Первая - установки, которые обязывают архитектора стремиться к снижению стоимости работ на ранней стадии проектирования, а именно в это время могут определяться наиболее важные аспекты решения проектируемого объекта. Вторая причина - роль ведущего проектировщика предназначена архитектору; это может привести к тому, что архитектор не будет стремиться к тесному сотрудничеству с инженером. Третья причина - специфика работы инженера, его привычка к традиционным приемам использования тех или иных строительных материалов и отсутствие стремления к поиску альтернативных решений.

Принципы работы зданий в зависимости от их конфигурации почти полностью основаны на эмпирической информации: данные получали в результате изучения работы зданий во время землетрясений. С точки зрения архитектора, работа инженеров направлена на абстрактные конструктивные понятия, которые представляют упрощенные модели собранных им зданий. Необычные архитектурные формы не всегда являются предметом усложненного анализа работы конструкций. Требование простоты аналитической модели понятно: количество переменных, которое может быть изучено, ограничено, а проектирование реальных зданий и сооружений по определению наиболее оптимальной конфигурации с учетом всех мыслимых факторов будет слишком сложным процессом. Данные расчета обычно округляются даже для простых зданий, которые представляют основной объем проектной работы, и сложные архитектурные формы расчетчиком приводятся к простым конструктивным схемам, а элементы индивидуального облика здания в расчете обычно никогда не учитываются.

Одна из целей будущего заключается в том, чтобы аналитический расчет и данные модельных испытаний отвечали в максимальной степени реально возводимым объектам, а не упрощались в целях соответствия существующим ограничениям. Такая задача требует создания более сложных моделей, которые должны включать не только общие характеристики конфигурации, но и ненесущие элементы, дополняющие конструктивный каркас и превращение его в удобное для эксплуатации здание. Для этого архитектору следует принимать самое активное участие в предшествующей научно-исследовательской работе. В результате совместной деятельности архитектора и инженера наряду с разработчиками новых концепций проектирования будут созданы новые руководства, предложения, а также нормы, которые, способствуя принятию оптимальных решений, уравновесят влияние архитектурных и инженерных аспектов на сейсмостойкость конструкций (в том числе влияние, оказываемое используемыми строительными материалами).

Определение конфигурации. Здесь рассматриваются правила определения конфигурации. Так как выбор конфигурации основывается на чистых геометрических параметрах, требуемой степени сейсмостойкости и функциональных требованиях к проектируемому зданию, одни и те же формы постоянно повторяются в практике сейсмостойкого строительства. За счет различных комбинаций, осуществляемых на основе этих трех характеристик, возможно сокращение неограниченного количества конфигураций до сравнительно небольшого количества решений. От этих определений легко перейти к соответствующим формам, реализуемым с помощью средств вычислительной техники. Основа рассматриваемой системы классификации относится к геометрическим параметрам выпуклости и вогнутости. При использовании этих концепций в отношении планов, разрезов или сечений зданий можно правильно и сравнительно быстро определить степень сложности: отличить здания простой формы от зданий сложной формы с входящими углами или криволинейными поверхностями (как в плане, так и в разрезе).

Здесь не предлагается показ всех возможных форм и вариантов; необходимо установить основу, по которой для различных функциональных целей можно найти ту или иную подходящую конфигурацию (рис. 7.1, 7.2, 7.3).

	Рис. 7.1. Примеры зданий с простым планом и простым вертикальным разрезом
	Рис. 7.2. Примеры зданий со сложным планом и простым вертикальным разрезом
	Рис. 7.3. Примеры зданий с простым планом и сложным вертикальным разрезом

	Рис. 7.4. Простые и сложные формы плана и разреза I - планы; II - вертикальные разрезы; а - простые; б - сложные

На рис. 7.4 показаны примеры форм, определяемых отдельно, как простые и сложные в плане и как простые и сложные в разрезе. Показываемые формы выбраны в качестве наиболее характерных, используемых в проектировании. На рис. 7.5 показано, как указанные характеристики собираются в матрицу, которая определяет четыре основные категории строительных форм. И, наоборот, все конфигурации объектов строительства могут быть соотнесены с этой матрицей.

После определения четырех основных форм приводятся характеристики скосов применительно к простым сложным формам в плане и в разрезе. Кроме этого, показан способ образования скосов, например, форма, состоящая из большого количества малых ступеней, приводящая неизбежно к L-образной форме в плане или в разрезе. Важность этой концепции состоит в том, что планы зданий, имеющих уступы, решаются только скошенными конструкциями, а поэтому ступенчатая геометрическая форма не обязательно обозначает конструкцию с входящими углами в плане или конструкцию с уступом в разрезе (рис. 7.6).

В конечном итоге выбираются три компонента конфигурации, поскольку они имеют важное значение в проектировании сейсмостойких конструкций и принимаются на ранней стадии эскизного проектирования: первый - конструкции, проектируемые по периметру здания, характер которых определен с точки зрения доли площади проемов и регулярности сечений элементов, второй - характер разделения внутреннего пространства (организации пространства) определяется насыщенностью конструкциями и соответствием требованиям к планировочным решениям; третий - важный элемент конструкции - ядро жесткости. Ядро - серия отверстий в перекрытиях, которые расположены по вертикальной линии, что позволяет вертикально расположить механические элементы инженерных коммуникаций, лифтов, лестничных клеток по всему зданию; может быть заключено в конструкцию для восприятия вертикальных или поперечных нагрузок; схематично представляет собой трубчатый элемент, но, как правило, оно имеет более сложную форму. Определение каждого параметра и его характеристик приводится в графическом виде (рис. 7.7 – 7.10).

	Рис. 7.5. Матрица, составленная из четырех основных форм зданий: I - горизонтальный план; II - вертикальный разрез; а - простой; б - сложный
	Рис. 7.6. Изменение размеров применительно к простой и сложной формам плана. Различные скосы для различных планов зданий а - скосы в плане; 1 - угол; б - скосы в вертикальном разрезе

I II

Рис. 7.7. Компоненты конфигурации: конструктивные решения периметра зданий

I - относительная площадь проемов: а — высокая; 6 — средняя; в — низкая;

II - равномерность распределения наружных элементов между фасадами здания или перекрытиями: а - равномерное; б - неравномерное

Ia Iб

Iв

IIa IIб

Рис. 7.8. Компоненты конфигурации: организация внутреннего пространства

I - плотность, т.е. количество внутренних стен и перегородок (отношение линейного размера для перегородок к площади плана): а - высокое; б - среднее, в - низкое;

II - перманентность разделительных элементов внутреннего пространства: а - низкая; б - высокая

Рис. 7.9. Компоненты конфигурации: ядра жесткости

Простое		Сложное
	Одинарное, внутреннее
	Множественное, внутреннее
	Одинарное, наружное
	Множественное, наружное
	Комбинации

Рис. 7.10. Компоненты конфигурации: проектное положение ядра

В таблицах 7.1÷7.8 приведены варианты конфигураций на основании выбранных характеристик.

Табл. 7.1

ПРОСТОЙ ПЛАН И ПРОСТОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

	Абсолютные размеры (размер)	Относительные размеры (пропорции)
План	Для прямоугольников, a и b - длина и ширина определяют параметры плана, так как они также определяют c - максимальный размер плана в любом направлении, и площадь, равную a*b.	a/b - соотношение сторон
Для непрямоугольных планов наиболее оптимальными характеристиками являются площадь и с.	Для неправильных многоугольников требуется интерполяция и индивидуальная оценка.
Вертикальный разрез	Длина и ширина - а и Ь. Прямоугольные призмы являются наиболее простыми для определения; другие формы требуют индивидуальной оценки высоты до центра тяжести. Другие методы, описанные выше, могут применяться для определения неправильных форм.	Высота/толщина, h/a или h/b определяют отношение свободной длины к радиусу инерции здания. Несмотря на подобие этих двух коэффициентов (отношение высоты к ширине), конструктивно-планировочные решения этих двух случаев различны.

Табл. 7.2

ПРОСТОЙ ПЛАН И ПРОСТОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ: ВАРИАНТЫ РАЗМЕРОВ

Табл. 7.3

СЛОЖНЫЙ ПЛАН И ПРОСТОЙ РАЗРЕЗ: ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

	Абсолютные размеры	Относительные размеры
План	a2 и b2 определяют абсолютные размеры стоек.	a1/b и b1/a определяют соотношение сторон прямоугольных элементов.
c - максимальное расстояние между двумя любыми точками плана.	a1/a и b1/b определяют пропорциональные размеры стоек, которые изменяются от нуля до одного.
Более сложные планы определяются дополнениями выше указанных определений. Непрямолинейные элементы определяются так же, как и для простых планов.
Вертикальный разрез	h - полная высота Могут использоваться другие размеры высоты: см. табл. А. 3-1.	h/a1 и h/b1 - отношения высоты к ширине или h/d - отношения для прямоугольных элементов стоек. - h/a и h/b -то же, что и h/d для полной формы. h/а2 и h/b2 то же, что и отношения h/d для выступающих частей стоек.

Табл. 7.4

СЛОЖНЫЙ ПЛАН И ПРОСТОЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ: ВАРИАНТЫ РАЗМЕРОВ

Табл. 7.5

ПРОСТОЙ ПЛАН Й СЛОЖНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

	Абсолютные размеры	Относительные размеры
План	Простой план, поэтому определение дается как для случая простой план / простой разрез; но поскольку форма плана изменяется на различных уровнях, процесс применяется к двум или более планам	Так же, как и для случая простой план / простой разрез полное соотношение сторон равно а/b. b/а1 - соотношение сторон для башни a1/a - определяет относительное количество уступов
Вертикальный разрез	h2 определяет высоту башни h1, которая является базовой.	h/a и h/b определяют полные значения отношений Н / D.
Определения могут быть расширены как для случая простой план / простой разрез.	h2/а1 и h2/b определяют отношение Н/D только для h1/а и h1/b только для основания.
	h2/h определяет относительное количество вертикальных уступов.

Табл. 7.6

ПРОСТОЙ ПЛАН И СЛОЖНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ: ВАРИАНТЫ РАЗМЕРОВ

Табл. 7.7

СЛОЖНЫЙ ПЛАН И СЛОЖНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ:

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

	Абсолютные размеры	Относительные размеры
План	Эти определения такие же, как и для других случаев сложного плана (сложный план, но простой вертикальный разрез - категория L-образного плана). При добавлении в планировочное решение конструкции уступов (для сложного плана) необходимо определение плана на каждом уровне, где происходит изменение формы.
Вертикальный разрез	Эти определения такие же, как и для других случаев со сложным вертикальным разрезом (сложный разрез, но простой план - категория уступов). При дополнительной сложности плана и вертикального разреза, необходимо определение вертикальных разрезов вдоль различных осей (h, h1 и h2 могут быть различными для всех крыльев зданий)

Табл. 7.8

СЛОЖНЫЙ ПЛАН И СЛОЖНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ: ВАРИАНТЫ И СЕЧЕНИЯ

Возможно неограниченное количество форм, но их определение осуществляется последовательным применением ранее описанных переменных. Эти переменные суммированы ниже.

Проблемы, возникающие при выявлении конфигурации сейсмостойкого здания и оптимальные варианты их решений (в существующих условиях) приведены в таблице 7.9.

Таблица 7.9

ПРОБЛЕМЫ КОНФИГУРАЦИИ И ИХ РЕШЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ КОНФИГУРАЦИИ	АРХИТЕКТУРНЫЕ КОНЦЕПЦИИ	КОНСТРУКТИВНЫЕ СЛОЖНОСТИ	РЕШЕНИЕ
Проблемы, возникающие в случае экстремальных размеров	Экстремальное значение отношения высоты к ширине		Функций планировочного решения или фактор ограничения строительной площадки	Увеличение нагрузок на опрокидывание, вызывающих повреждение ненесущих элементов	Изменение пропорций или специальные конст­руктивные системы
Экстремальная площадь плана		Характерно для складских помещений, промышленных предприятий, торговых центров	Увеличение усилий в диафрагме	Разделение здания анти­сейсмическими швами
Экстремальное отношение длины к ширине		Характерно для старых зданий, школ, многоэтажных жилых домов	Рост поперечных на­грузок по периметру: большая разница в несущей способности элементов по 2-м осям	Разделение здания анти­сейсмическими швами
Проблемы, возникающие при различной горизонтальной планировке	Простая конфигурация плана Различные значения прочности - жесткости по периметру		Часто результат пла­нировочного решения, например, пожарные станции, фасады магазинов, где нужны сплошные стены в углах зданий.	Кручение, вызываемое изменение прочности и жесткости.	Дополнительный каркас и разделение сен, или каркасы и легкие стены.
Псевдосимметрия		Требования планировочного решения; вертикальное перемещение для использования пространства.	Кручение, вызываемое асимметричной жесткостью ядра.	Отделение ядра или кар­каса от ненесущих стен
Входящие углы		Требования планировочного решения: узкие крылья, например в жилых домах, больницах, ограничение пло­щади строительной площадки в городских условиях; характерно для старых построек без кондиционирования воздуха и ламп дневного света.	Кручение и концентрация усилий в углах	Разделение частей   Однородное ядро   Центральное ядро   Изменение конфигурации
Несколько эксцентриситетов		Требования планировочного решения: книгохранилища в библиотеках, специальное оборудование, плавательные бассейны (приподнятые).	Кручение, концентрация напряжений	Пересмотр планировоч­ного решения; усиление ненесущих элементов вокруг сосредоточенной массы
Проблемы, возникающие при вертикальной планировке	Вертикальные и перевернутые уступы		Вертикальные уступы как результат проектного решения из-за условий строительной площадки.	Концентрация напряжений в уступах, различные периоды колебаний для различных частей здания, рост усилий в диафрагме, передающихся на уступы.	Специальные конструктивные системы, динамический расчет.
Гибкий этаж - каркас		Функциональное требование открытых пространств первого этажа или больших пространств на любом этаже	Скачкообразное изменение жесткости в точке разрезности.	Дополнительные связи. Дополнительные колонны. Связи.
Изменение жесткости колонн в пределах этажа		Функциональное требование разнообразия пространства и высоты помещения	Внезапное изменение жесткости, значительно большие усилия в жестких колоннах	Пересмотр конструк­тивной системы для уравновешивания жесткостей
Разрезные несущие перегородки		Планировка ограничивает использование поперечных перегородок на первом этапе или создание впечатления "плавающего куба"	Разрыв траектории передачи нагрузки и концентрация напряжений в наиболее нагруженных элементах	Не имеются
Колонны ослабленного сечения - прочные балки		Характерно для зданий с большим объемом остекления: школ, больниц, учреждений.	Разрушение колонн наступает до разрушения балок, короткие колонны должны воспринимать смещение этажа.	Дополнительные стены для уменьшения усилий в колоннах, отделение заполнения навесных панелей с каркасом.
Модификации основной конструкции		Функциональные требования высоких окон; характерно для реконструкции, иногда по условиям интерьера.	Наиболее опасно при кирпичном заполнении, изменяющем конструктивную схему; короткие жесткие колонны создают концентрации напряжений.	Разделение заполнения, использование легких материалов.
Примыкающие конструкции	Разделение зданий		Различные части одного здания (уступы) или здания на примыкающих участках.	Возможность ударов, зави­сящая от периода колеба­ний здания, его высоты, сдвига, расстояния.	Требуемое разделение, принимая противоположное направление колебания зданий
Несущие перегородки	Парные		Характерное решение для коридоров с дву­сторонним движением.	Несовместные деформации стен и связей.	Обеспечение надежных связей или создание системы, благоприятной для восстановления
Случайное расположение оконных проемов		Необходимость в окнах, дверях, проемах для каналов.	Снижение несущей спо­собности в месте передачи максимальной нагрузки.	Учет работы конструкции в неупругой стадии.
Диафрагмы	Проемы		Необходимость вер­тикальных коммуни­каций, световых шахт, фонарей верхнего света.	Снижение несущей спо­собности диафрагмы.	Учет работы в неупругой стадии.
Конфигурация		Вертикальный транспорт лифты у входящих углов.	Ослабление диафрагм в наиболее критических зонах.	Учет работы в неупругой стадии.
Башня		См. табл. 13-16.	Диафрагмы в месте уступов должны передавать полную нагрузку от расположенной выше части.	Расчет с учетом вклю­чения диафрагм.

Дата добавления: 2015-07-13