Диафрагма жесткости в каркасных зданиях

Диафрагмы жесткости обеспечивают пространственную жесткость многоэтажных зданий, которые связывают между собой колоны и панели.

Несущая способность диафрагм жесткости преимущественно обеспечивается прочностью бетона, однако для повышения надежности конструкции из конструктивных соображений диафрагмы армируются горизонтальными и вертикальными стержнями у противоположных граней

В бескаркасных зданиях бетонные диафрагмы армируются плоскими вертикальными каркасами, расстояние между которыми не более 1500 мм.
Плоский горизонтальный каркас устанавливается в верхнем и нижнем краях диафрагм. Если диафрагма имеет проем, то вертикальные каркасы устанавливаются по краям проёма, а также предусматривается армирование перемычки над проемом.

Железобетонные диафрагмы, несущая способность которых обеспечивается совместно бетона и арматуры, тогда армируются вертикальными плоскими каркасами, расстояние между которыми принимается не более 400 мм. Горизонтальные соединяющие стержни устанавливаются с шагом не более 500 мм.

Наиболее распространенные каркасные диафрагмы по серии ИИ-04 и 1.020-1 отличаются между собой по принципам армирования и конструктивного оформления.

Диафрагмы серии ИИ-04 имеют угловые подрезки в верхних зонах для размещения консолей колонн. В этой же зоне имеются выпуски арматурных стержней, которые привариваются к деталям колонн.

Армируются диафрагмы этой серии замкнутым контурным каркасом из стержней диаметром 12-28 мм.

Диафрагмы серии 1.020-1 не имеют угловых подрезок и армируются плоскими вертикальными каркасами. Дополнительно диафрагмы обеих серий по всей площади армируются сетками с ячейками 200 мм и стержней диаметром 5-12 мм. Диафрагмы устанавливают в плоскости параллельно ригелям, заменяют ригели, и плиты перекрытий опирают непосредственно на консоли диафрагм.

Диафрагмы перпендикулярные ригелям не имеют консолей. По вертикальным граням диафрагм серии ИИ-04 устанавливаются отдельные места оголения конструктивных каркасов (А) для соединения их с колоннами. В диафрагмах серии 1.020-1 для этой цели предусмотрены специальные закладные детали.
Типы диафрагм жесткости
• С одной полкой
• С двумя полками;
• Без проемов;
• С вентиляционными каналами;
• С дверными проемами.

Пример маркировка диафрагм:
1ДПК 30.36

Условные обозначения:
Д — диафрагма жесткости;
1Д – д. ж. с одной полкой. Наложение производится на них плит с одной стороны;
2Д – д. ж. с двумя полками. Наложение производится на них плит перекрытия с двух сторон;
Д — диафрагма жесткости;
36-длина диафрагмы (дм);
30-высота диафрагмы (дм).

1Д30-33
Габариты (Д х Ш х В в мм.): x

1Д30-42
Габариты (Д х Ш х В в мм.): x

1ДП30-33
Габариты (Д х Ш х В в мм.): x

Что такое диафрагмы жёсткости

Диафрагма жёсткости представляет собой внутреннюю стеновую панель, вертикально установленную между стенами по всей высоте строения, при этом сверху изделия могут выполняться с полками, на которые опираются плиты перекрытия. Диафрагмы предназначены для связывания между собой панелей и колонн, что способствует обеспечению пространственной жёсткости зданий.

Эти конструкции расставляют в помещениях в каждом направлении для пересечения и образования в плане буквы «Г» либо «Т». Изделия крепятся к колоннам минимум в трёх местах по всей высоте посредством сварки закладных элементов. Как правило, диафрагмы жёсткости устанавливаются на ленточный фундамент (чаще монолитный).

Разновидности диафрагмы жёсткости

Диафрагмы жёсткости подразделяются на следующие виды:

однополочные и 2-хполочные: имеют соответственно одну или две полки;
сплошные: в конструкции не предусмотрены проёмы;
с наличием дверных проёмов;
с наличием вентиляционных каналов (диафрагма-вентблок);
составные конструкции, собирающиеся из нескольких элементов.

Панели для диафрагмы жёсткости изготавливаются в специальных формах, установленных в горизонтальной плоскости. Для производства обычно используют бетонный раствор класса M300 или M200 – первые конструкции применяются при возведении нижних этажей домов, а вторые – для самых верхних.

Для монтажа в летний период времени можно использовать диафрагмы жёсткости, в которых бетон набрался прочности минимум на 70% от проектных параметров, а при установке зимой бетон должен достигнуть прочности на все 100%. Для сборки арматурного каркаса железобетонных изделий монтируются верхние и нижние сетки, при этом конструкции дополняются укрупнённым арматурным блоком.

Если высота диафрагм не превышает 3 метра, а в конструкции панелей отсутствуют дверные или другие проёмы, то изделия могут выполняться с лёгким каркасом. Примером служат железобетонные панели В(Н) Ж-26-30. Изделия, в конструкции которых предусматривается обустройство проёмов, для дополнительной жёсткости армируют по периметру выполняемых вырезов. Особо крепким выполняется армирование в угловых местах проёмов.

Особенности производства диафрагмы жёсткости

Главной задачей, которая стоит перед проектировщиками и конструкторами при создании диафрагм жёсткости, является правильная сборка пилонов. В данном случае важно грамотно произвести расчёт геометрических характеристик и проверить соответствие прочностных параметров. Особый анализ применяется к действующим усилиям, возникающим в железобетонных конструкциях.

Независимо от типа и комплектации, диафрагмы жёсткости проектируются с расчётом на центральное и внецентровое сжатие, на сдвигающее усилие от вертикальной и горизонтальной нагрузки. Если конструкция предусматривает любые проёмы, то диафрагмы дополнительно проверяют на совместные воздействия горизонтального напряжения в верхних частях стен, а также сдвигающие усилия при смежном монтаже в горизонтальной плоскости перекрытия.

На основе проведённых практических испытаний специалисты составляют соответствующую таблицу, где указываются характеристики и точные размеры предварительного проектирования несущей конструкции надземной части каркасного здания из описываемых диафрагм жёсткости.

Особенности маркировки диафрагмы жёсткости

Диафрагмы жёсткости маркируются следующим образом: 2-ДП 26.33,

где 2 – обозначение двухполочной конструкции;
Д – указание, что речь идёт о диафрагме жёсткости;
26 – длина изделия в дм;
33 – высота межэтажного пространства в дм.

Выделяют два вида каркасных диафрагм жёсткости, которые зачастую применяют при строительстве: 1.020-1, ИИ-04. Данные конструкции характеризуются разными принципами армирования и оформления при изготовлении.

Панели ИИ-04 выполняются со специальными подрезками по верхним углам куда в дальнейшем будут вставляться консоли колонн. При этом в углах таких имеется выпуск металлических стержней. Чтобы укрепить такие диафрагмы, применяют каркас с замкнутым контуром из высокопрочных металлических стержней 12-28 мм в диаметре. При строительстве выступающие стержни приваривают к элементам колонн, что способствует обеспечению дополнительной прочности конструкции.

У диафрагм 1.020-1 угловые подрезки отсутствуют. Такие изделия армируются специальными вертикальными каркасами, а по периметру конструкций прикрепляют металлическую сетку из стержней 5-12 мм с ячейками 20 см. Диафрагмы жёсткости 1.020-1 монтируют параллельно к ригелям, а затем целиком замещают данные строительные элементы. При этом для соединения конструктивных каркасов бетонных конструкций с колоннами применяются специальные закладные детали.

Влияние диафрагм жесткости на деформативность монолитного каркаса Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ДИАФРАГМА ЖЕСТКОСТИ / ЖЕСТКОСТЬ КАРКАСА / ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ЗДАНИЯ / МОНОЛИТНЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН / ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА / STIFFENING DIAPHRAGM / STIFFNESS OF A FRAMEWORK / BUILDING DEFORMABILITY / INSITU REINFORCED CONCRETE / WIND LOAD

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Гринев Вадим Венедиктович, Цингель Павел Алексеевич

В статье решается задача снижения материалоёмкости строительства за счет оптимизации количества диафрагм жесткости , и намечаются пути её решения. Сравнительный анализ определения горизонтальных деформаций здания аналитическим методом и методом конечных элементов показал удовлетворительную сходимость результатов. Это дает возможность использовать указанные методики для практических определений деформаций здания с последующим подбором диафрагм жесткости .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF STIFFENING DIAPHRAGM ON THE DEFORMABILITY OF THE MONOLITHIC FRAMEWORK

In article is solved the problem of decrease in a material capacity of construction due to optimization of quantity of stiffening diaphragms, and ways of its decision are outlined. The comparative analysis of definition of horizontal deformations of the building by analytical method and by method of final elements showed satisfactory convergence of results. It gives the chance to use the specified techniques for practical definitions of deformations of the building with the subsequent selection of stiffening diaphragms.

Текст научной работы на тему «Влияние диафрагм жесткости на деформативность монолитного каркаса»

Вестник науки и образования Северо-Запада России http://vestnik-nauki.ru/ ——

ВЛИЯНИЕ ДИАФРАГМ ЖЕСТКОСТИ НА ДЕФОРМАТИВНОСТЬ МОНОЛИТНОГО КАРКАСА

В.В. Гринев, П.А. Цингель

INFLUENCE OF STIFFENING DIAPHRAGM ON THE DEFORMABILITY OF

THE MONOLITHIC FRAMEWORK

V.V. Grinev, P.A. Tsinhel

Аннотация. В статье решается задача снижения материалоёмкости строительства за счет оптимизации количества диафрагм жесткости, и намечаются пути её решения. Сравнительный анализ определения горизонтальных деформаций здания аналитическим методом и методом конечных элементов показал удовлетворительную сходимость результатов. Это дает возможность использовать указанные методики для практических определений деформаций здания с последующим подбором диафрагм жесткости.

Ключевые слова: диафрагма жесткости; жесткость каркаса; деформативность здания; монолитный железобетон; ветровая нагрузка.

Abstract. In article is solved the problem of decrease in a material capacity of construction due to optimization of quantity of stiffening diaphragms, and ways of its decision are outlined. The comparative analysis of definition of horizontal deformations of the building by analytical method and by method of final elements showed satisfactory convergence of results. It gives the chance to use the specified techniques for practical definitions of deformations of the building with the subsequent selection of stiffening diaphragms.

Key words: stiffening diaphragm; stiffness of a framework; building deformability; insitu reinforced concrete; wind load.

В настоящее время всё больше зданий проектируется из монолитного железобетона. В монолитном строительстве возможно возвести здание в короткие сроки и достичь любой формы и этажности.

Большое значение для обеспечения общей устойчивости, уменьшения изгибающих моментов в колоннах и плитах перекрытия в монолитных каркасных зданиях играют диафрагмы жесткости (пилоны, стены жесткости). Диафрагмы жесткости воспринимают часть вертикальных и основную часть горизонтальных нагрузок, действующих на здание, и передают их фундаментам. Они же обеспечивают общую устойчивость здания, а их жесткость определяет значение деформаций здания в целом.

Основные элементы каркаса — колонны, перекрытия и диафрагмы жесткости — размещают на самой ранней стадии проектирования, что неразрывно связано с компоновкой здания в целом. Размещение диафрагм жесткости достаточно сложный процесс, цель которого состоит в максимально возможном сочетании функциональных особенностей здания, его архитектуры, рационального размещения инженерных систем и чистоты конструктивной схемы.

Современные мощные программные комплексы для расчета и проектирования конструкций позволяют не только составить и исследовать подробные расчетные схемы, но и провести компьютерное моделирование процессов жизненного цикла конструкции, включая стадии возведения и эксплуатации.

Однако вопросы о размещении диафрагм жесткости в плане и по высоте здания и их влияние на деформативность элементов монолитного каркаса в руководствах и пособиях по проектированию конструкций монолитных зданий даны в очень малом количестве. Проектировщик вынужден полагаться на эти немногочисленные данные и собственный опыт расстановки диафрагм жесткости, возникают различные мнения о влиянии диафрагм на работу несущих конструкций здания и вообще о необходимости их постановки в зависимости от особенностей конструктивного решения здания.

Так как перед строительной отраслью в настоящее время стоит задача уменьшения материалоёмкости и снижения стоимости возводимых объектов, то определение мест наиболее эффективного размещения диафрагм в здании и достижение минимально достаточного их размера позволило бы существенно удешевить и ускорить возведение зданий и сооружений.

Перед проектировщиком после согласования планировки (высота этажа, габариты здания в плане и по высоте) стоит задача размещения диафрагм жесткости. При решении этой задачи он должен:

^ обосновать расчетом необходимое количество и сечение диафрагм жесткости для удовлетворения требований безопасности и эксплуатационной пригодности;

^ данные элементы жесткости должны вписываться в архитектурно-планировочную концепцию здания, по возможности совмещать в себе несколько функций -несущую и ограждающую (требование функциональности).

Существующие реалии проектирования (несогласованность смежных разделов) создают осложняющие факторы. Основной из них — «нестатичность» исходных данных. Прежде чем утвердится окончательный вариант объемно-планировочного решения здания, оно претерпевает многочисленные изменения. Изменения вносятся многочисленными специалистами смежных разделов (дымоудаление, пожаротушение), инвестором, архитекторами и дизайнерами, как на стадии «А» так и на стадии «С». Конструктор вынужден в сжатые сроки реагировать на данные изменения, проверяя расчетом несущую способность и деформативность всего здания.

Задача данной статьи — сбор информации и сопоставление имеющихся способов расчета деформативности каркасного здания в зависимости от расположения диафрагм жесткости и геометрии здания.

Цель работы авторов — поиск менее затратного метода подбора диафрагм жесткости в зависимости от внешних усилий и геометрии здания.

Итак, что имеет современный инженер-конструктор в своём арсенале для решения поставленной задачи? Благодаря шагнувшим вперёд информационным технологиям его арсенал средств гораздо более внушительный, чем несколько десятков лет назад. Теперь не требуется наличия огромного суперкомпьютера для решения конечно-элементной задачи большой размерности, созданы программы с дружественным к пользователю интерфейсом, и мощностей персонального компьютера достаточно для моделирования и расчета довольно большого по размерам здания.

Однако даже использование таких современных технологий не даёт полного решения тех задач, которых мы поставили перед проектировщиком в предыдущем разделе. С помощью конечно-элементной модели возможно получить значения горизонтальных деформаций здания и определить требуемое армирование диафрагм жесткости. То есть мы можем решить лишь один элемент из ряда задач — обеспечение прочности, устойчивости и жесткости здания. Как же убедиться, что принятые сечения действительно самые

экономичные, и как быть готовым к необходимости оперативной корректировки расчетной схемы?

Изучался опыт расчета многоэтажных зданий различных авторов [1, 2, 3, 4]. Одним из наиболее широко известных авторов, который в 70-х годах прошлого столетия занимался вопросом расчета многоэтажных зданий на горизонтальные нагрузки и вывел четкую последовательность определения горизонтальных прогибов и углов перекоса здания является Виктор Викторович Ханджи. Большого внимания заслуживает его книга «Расчет многоэтажных зданий со связевым каркасом» [1]. В ней для определения прогибов и углов наклона принята статическая схема здания в виде консоли высотой H от уровня условного защемления в основании и высотой Н0 от поверхности земли (см. рис. 1).

Рисунок 1 — Отклонение здания при ветровой нагрузке

Под действием статической ветровой нагрузки произвольное по высоте сечение здания отклоняется от вертикали на значение уст (рис. 1). Пульсация ветра вызывает колебания здания вокруг отклоненного от вертикали положения с амплитудой удин. Максимальное горизонтальное перемещение рассматриваемого произвольного сечения (1):

Аналогично суммируют и углы наклона вертикальных несущих конструкций (2):

ф = ф ст + Ф дин (2)

Это позволяет использовать формулы сопротивления материалов для записи выражения прогибов и углов наклона на любой высоте с координатой ъ от поверхности земли (3, 4, 5, 6):

Уст = В (к7 + Ч2 к8 )

где Б] — жесткость здания (Вх или Ву) относительно оси, перпендикулярной к направлению ветровой нагрузки;

П — повышающие коэффициенты (пх или пУ), вычисляемые по формулам (7):

где Он, Ох, ОУ, — критические веса здания;

к5.. ,к8- функции координаты 2, определяемая по формулам (8):

к5 = 112 ( 0,012 + 0,23м + м2 — м3 + 0,5м4 — 0,1м5) к6 = ^(0,022 + 0,43м + 2м2 — и3 + 0,1м5)

к7 = — (0,23 + 2м — 3м2 + 2м3 + 0,5м4 ) 7 12 V /

к8 = 12 (0,43 + 4м — 2м2 + 0,5м4 ) В этих формулах (8) и=2/Н0.

Метод расчета, предлагаемый в книге [1] ориентирован на многоэтажные здания со связевым каркасом. Несмотря на это он может быть использован и при расчете рамно-связевых систем. Для этого следует либо в запас прочности не учитывать работу рам и все горизонтальные нагрузки воспринимать пилонами, либо имитировать рамы пилонами эквивалентной жесткости (данное допущение содержится в четвертой главе первого раздела).

Как вывод укажем следующее: используя приведённые формулы, можно предложить подход к определению влияния диафрагм жесткости на деформативность всего монолитного каркаса.

В настоящее время широко используется метод конечно-элементного расчета здания в программных комплексах типа «SCAD», «Lira» и других. Как правило, последовательность действий проектировщика такова — строится расчетная схема каркаса здания, назначаются жесткостные характеристики, условия сопряжения элементов, нагрузки и затем выполняется расчет, по результатам которого получают значения горизонтальных деформаций здания.

В предыдущем разделе были представлены аналитические формулы, по которым возможно определить деформации здания. По этим формулам в книге [1] приведён также пример определения горизонтальных прогибов несущих конструкций здания (пример 1 на стр. 149). Здание имеет схему, показанную на рис. 2.

Рисунок 2 — Схема здания из [1] для определения горизонтальных деформаций

Последовательность расчета геометрических и жесткостных характеристик данного здания в статье не приводятся, они достаточно подробно описаны в книге [1].

Далее в статье сравнивались значения деформаций здания, по результатам аналитического расчета и расчета методом конечных элементов (программа «SCAD»).

В расчетной схеме сечение колонн принято 400х400 мм, толщина диафрагм жесткости 200 мм, плит перекрытия 220 мм. Коэффициент Пуассона для железобетона равен 0,2. Модуль упругости колонн и диафрагм жесткости принят 1,923х107 кН/м2, плит перекрытия 7,112х106 кН/м2. Высота надземной части здания H0=45 м, её нормативный вес 0н=200 МН.

В настоящее время в Республике Беларусь ветровая нагрузка определяется по ТКП EN 1991-1-4-2009 «Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия» [5] с использованием коэффициентов надежности по ТКП EN 1990-2011* «Еврокод. Основы проектирования строительных конструкций» [6].

Однако для сравнительного анализа было принято значение ветровой нагрузки из [1], для обеспечения сопоставимости результатов.

1) Статическая составляющая в уровне низа здания (эпюра нагрузки имеет трапециевидную форму): q1=14 кН/м

2) Статическая составляющая в уровне верха здания (эпюра нагрузки имеет трапециевидную форму): q2=32,8 кН/м

3) Верхняя ордината динамической составляющей ветровой нагрузки (эпюра нагрузки имеет треугольную форму): qз=28,8 кН/м (смотри рис. 3).

Диафрагмы жёсткости

Диафрагмы жёсткости, фото 2

Определение «диафрагма жесткости» введено для каркасных железобетонных зданий, где оно означает конкретную железобетонную конструкцию, работающую на обеспечение пространственной жесткости всего здания.

Подобные конструкции встречаются практически в любом здании, но не имеют такого точного названия, поэтому я буду применять это определение относительно всех зданий. На первый взгляд рассматривание конструкций диафрагм жесткости не имеет отношения к крышам, но это не так. Крыши могут воздействовать на стены распором от стропильных ног или передавать на них боковую нагрузку от давления ветра, поэтому конструкции зданий должны быть достаточно жесткими и не менять своих геометрических размеров.

В первую очередь внимание нужно уделять длинным наружным стенам не имеющим внутренней связки из поперечных стен. Например, сруб не рекомендуется делать без диафрагмы жесткости с длиной стен более 8 м. Их нужно связывать внутренней стеной. Такая конструкция сруба носит название пятистенок — четыре наружных стены и одна внутренняя (диафрагма жесткости). Внутренняя стена удерживает бревна наружных стен от кручения во время высыхания, от выдавливания при распоре от стропил и от разрушения при ураганном ветре. Внутренняя стена в конструкции здания из любого материала — это первый вид диафрагмы жесткости. Примеров можно привести предостаточно. Внутренние стены фундаментов удерживают внешние стены от выдавливания их грунтом. Кирпичные, гипсовые и пр. перегородки нельзя делать длинными без боковой поддержки. Длина свободно стоящих стен из различных материалов определяется строительными нормами и зависит от вида материала и от вида его скрепления, а также от наличия в нем армирования.

Второй тип диафрагмы жесткости — балки, заделанные в стены. Для примера возьмем тот же сруб, его стены связывают врубкой половых и потолочных балок. В зданиях из легкобетонных блоков должен обязательно устраиваться монолитный железобетонный пояс по всему периметру стен и если эти стены длинные, то должна быть внутренняя связь удерживающие внешние балки пояса.

Третий тип диафрагмы жесткости — перекрытие. Стены по нижней и верхней части можно удерживать от выпучивания или сдавливания устройством монолитного или закрепленного сборного перекрытия. Понятно, что монолитное железобетонное перекрытие будет сохранять свою геометрию и удерживать от смещения стены. В сборном железобетонном перекрытии этого добиваются скручиванием плит между собой, занкериванием их в стены и бетонированием швов. Приклеивание досок пола к деревянным балкам перекрытия и/или использование шпунтованных досок создает жесткий диск, который не только уменьшает прогиб балок, но и увеличивает жесткость перекрытия.

Четвертая диафрагма жесткости — продольные и диагональные (вертикальные и горизонтальные) связи. Такой тип конструкций был показан на двух предыдущих страницах сайта. Так же диагональные связи устанавливаются в стенах каркасных зданий.

Основные
Производитель	Собственное производство
Страна производитель	Беларусь
Пользовательские характеристики
Состояние	Новое

Информация для покупателя

222302, РБ, Минская обл., г. Молодечно, ул. Великий Гостинец, 143Б, пом. 18, к. 432

Дата регистрации в Торговом реестре/Реестре бытовых услуг: Не подлежит занесению в реестр

Номер в Торговом реестре/Реестре бытовых услуг: Не подлежит занесению в реестр, Республика Беларусь

Регистрационный орган: Молодечненский районный исполнительный комитет

Дата регистрации компании: 20.01.2022

День	Время работы
Понедельник	09:00-18:00
Вторник	09:00-18:00
Среда	09:00-18:00
Четверг	09:00-18:00
Пятница	09:00-18:00
Суббота	Выходной
Воскресенье	Выходной

В наличии

Диафрагма жесткости в каркасных зданиях