Конструкции несущих и самонесущих стен

Лекция 6. КОНСТРУКЦИИ НЕСУЩИХ И САМОНЕСУЩИХ СТЕН Общая характеристика и компоновка конструктивных схем здания Сплошные и многослойные каменные стены применяются в промышленном и гражданском строительстве в качестве ограждающих и несущих конструкций. В зависимости от назначения здания, этажности и других факторов стены проектируют: а) несущие, воспринимающие, кроме нагрузок от собственного веса, нагрузки от покрытий, перекрытий, кранов, ветра и т. д.; б) самонесущие, воспринимающие только собственный вес; в) каркасные, в которых стеновой материал используется как заполнение панелей, образованных ригелями и стойками каркаса. Вертикальные и горизонтальные нагрузки от веса конструкций, ветра, снега и так далее, действующие на каждый из взаимосвязанных элементов, вызывают в несущих каменных стенах и столбах внецентренное сжатие и изгиб. Продольные и поперечные стены вместе с перекрытиями и покрытиями образуют пространственную коробку, работающую на восприятие всех нагрузок, действующих на здание. Для обеспечения совместной работы горизонтальных частей здания (ферм, перекрытий) со стенами и столбами они должны быть связаны друг с другом при помощи анкеров. Прочность и устойчивость стен и столбов проверяется расчетом. Коэффициент β (отношение высоты стены между перекрытиями Н к ее толщине) должен удовлетворять требованиям норм и технических условий проектирования. Величина β зависит от так называемой группы кладки (табл. 7), конструктивного назначения стены (несущая, ненесущая), способа ее опирания, наличия и величины проемов и т. д. Предельная величина β приведена в СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции». Устойчивость и жесткость стен зависят не только от жесткости самих стеновых конструкций, но и от жесткости перекрытий и покрытий, которые обеспечивают опирание или закрепление стен и столбов по их высоте. По степени пространственной жесткости здания с несущими стенами можно разделить на две группы: а) здания с жесткой конструктивной схемой; б) здания с упругой конструктивной схемой. Отнесение здания к одной из конструктивных схем зависит от расстояния между поперечными устойчивыми конструкциями, жесткости покрытий или перекрытий и группы кладки, из которой выполнены стены. К зданиям с жесткой конструктивной схемой относят здания с частым расположением поперечных стен, расстояние между которыми меньше lст (табл. 8), т. е. преимущественно гражданские здания. В этих зданиях перекрытия или покрытия рассматриваются как неподвижные — жесткие опоры, на которые опираются стены и столбы, как вертикальные балки. Воспринимаемые перекрытиями горизонтальные усилия передаются на поперечные стены. Таблица 1 Группы каменных Вид каменной кладки I II III IV Крупные блоки из кирпича или камней (вибрированные или невибриро- ванные) на растворе марки 25 и выше — — — Сплошная кладка из кирпича или камней правильной формы марки 50 и выше на растворе марки 10 и выше на растворе марки 4 То же, марок 35 и 25 — на растворе марки 10 и выше на растворе марки 4 — То же, марок 15, 10, 7 — — на любом растворе То же, марки 4 — — — — на любом нарастворе глиняном Кладка из грунтовых материалов на известковом растворе Облегченная кладка из кирпича или бетонных камней с перевязкой горизонтальными тычковыми рядами на растворе марки 25 и выше с бетоном или вкладышами марки 25 и выше на растворе марки 10 и выше с бетоном или вкладышами марок 10 и 15 Облегченная кладка колодцевая (с перевязкой вертикальными стенками) на растворе марки 25 и выше с бетоном или вкладышами марки 25 и выше на растворе марки 10 и выше с бетоном или вкладышами марки 15 и ниже или с засыпкой Кладка из бута под скобу или из плитняка на растворе марки 50 и выше на растворе марок 25 и 10 на растворе марки 4 Кладка из постелисто- го бута — на растворе марки 25 и выше на растворе марки 10 и 4 Кладка из рваного бута — на растворе марки 50 и выше Бутобетон на бетоне марки 100 на бетоне марок 75 и 50 растворе с бетоном марок 4 и 7 или с засыпкой на растворе марок 25 и 10 на бетоне марки 35 — на глиняном растворе на растворе марки 4 К зданиям с упругой конструктивной схемой относят здания у которых поперечные конструкции установлены на расстояниях, больших lст. При расчете стен и столбов этих зданий покрытия (перекрытия) рассматривают как упругие опоры, на которые опираются стены или столбы. За неподвижные или жесткие опоры для каменных стен и столбов принимаются: а) поперечные каменные стены толщиной не менее 12 см, железобетонные толщиной не менее 6 см и другие конструкции, рассчитанные на восприятие горизонтальной нагрузки, передающейся от стен; б) междуэтажные перекрытия и покрытия при расстоянии между поперечными устойчивыми конструкциями не более l lст (табл. 8). Приведенные в табл. 8 расстояния lст должны быть уменьшены в следующих случаях: а) при давлении ветра 70 кГ/м2 — на 15%, а при 100 кГ/м 2 — на 25%; б) при высоте здания более 21 м — на 10%, более 32 м — на 20% и более 48 ж — на 25%; в) для узких зданий при ширине здания L менее двойной высоты этажа Н — пропорционально отношению L/2H ; г) при сопряжении внутренних и наружных стен крупноблочных зданий гибкими связями — на 10%; д) при применении облегченных кирпичных блоков с заполнением бетоном марки ниже 25—на 20%. Таблица 2 - Максимальное расстояние между поперечными конструкциями lст Класс перекрытий 3 Вид перекрытий и покрытий Максимальное расстояние между поперечными конструкциями lст, м при группе кладок I II III IV А Деревянные 30 24 18 12 Б Из сборного железобетона 42 36 24 — В Железобетонные монолитные, сборные замоналиченные 54 42 30 — Расчет стен зданий с жесткой конструктивной схемой В зданиях с жесткой конструктивной схемой стену и столб рассматривают как вертикальную неразрезную балку, опертую на неподвижные опоры перекрытия (рис. 20, а). Для упрощения расчета можно стену многоэтажного здания рассматривать как ряд разрезных однопролетных балок, опирающихся в горизонтальном направлении на перекрытия (рис. 20, б) и находящихся под воздействием внецентренно приложенной продольной силы. Рисунок 1. К определению изгибающих моментов: a – от вертикальных внецентренно приложенных нагрузок при рассмотрении стены как неразрезной балки; б – то же, при рассмотрении стены в пределах этажа как простой балки; в – от горизонтальной ветровой нагрузки Пролет разрезной балки принимается равным расстоянию от низа перекрытия вышерасположенного этажа до низа перекрытия, нижерасположенного этажа, а за ось вертикальной балки следует принимать ось, проходящую через центр тяжести стены рассчитываемого этажа. Нагрузка, действующая на стену каждого этажа на уровне низа перекрытия, состоит из нагрузок от верхних этажей; перекрытия опирающегося на стены рассматриваемого этажа; ветровой нагрузки. Изгибающие моменты учитываются от тех нагрузок, которые приложены в пределах рассчитываемого этажа (рис. 20, б). Нагрузка от верхних этажей LN, включая вес стены, перекрытий и так далее, приложена в центре тяжести стены вышележащего этажа (рис. 21, а ). Опорное давление от перекрытия, расположенного непосредственно над рассматриваемым этажом, приложено с эксцентриситетом е , равным расстоянию от центра тяжести стены до центра тяжести эпюры опорного давления. Последнюю для определения е разрешается принимать в виде треугольника. В этом случае расстояние от реакции перекрытий (Q+P) до внутренней грани стены равно одной трети глубины заделки, но не более 10 см . 4 Продольная сила на уровне низа перекрытия, рассматриваемым этажом, выражается формулой =∑ + расположенного над + где Q и Р — постоянная и временная (полезная) нагрузки от перекрытия. Рисунок 2. Вертикальные нагрузки, действующие в стене на уровне перекрытия: a – при одинаковой толщине стены; б – при применении центрирующих плит; в – при различной толщине стены Изгибающий момент на том же уровне M - = (P + Q e e=a ,н - c 3 где 1,н — расстояние от оси центра тяжести стены до ее грани со стороны перекрытия; при прямоугольном сечении стены 1, = 2н, (а н — толщина стены); с — глубина опирания балки. С целью уменьшения величины эксцентриситета под концы балок могут быть уложены центрирующие подкладки, сдвинутые к оси центра тяжести стены (рис. 21, б). Если сечение стены над рассматриваемым этажом изменяется и ось стены верхнего этажа смещена относительно оси рассматриваемого этажа (рис. 21, в), то нагрузка от всех верхних этажей передается на стену рассчитываемого этажа с эксцентриситетом, равным смещению е' оси центра тяжести верхней стены относительно оси центра тяжести рассматриваемого этажа. В этом случае изгибающий момент на уровне низа перекрытия от всей вышележащей нагрузки = ( + − ′ где ∑ — продольная сила от веса вышерасположенных этажей (стены, перекрытий, кровли, полезной нагрузки и т. д.). При прямоугольном сечении стены = н в (а в — толщина стены верхнего этажа). Рассмотренные выше нагрузки составляют основное сочетание. 5 В том случае, когда учитывается ветровая нагрузка, входящая к дополнительное сочетание, все расчетные нагрузки, кроме собственного веса конструкций, умножаются на коэффициент 0,9. Ветровая нагрузка в расчете может не учитываться, если вызываемые ею в кладке напряжения не превышают 1 кг/см2. Влияние ветровой нагрузки на усилия в продольных стенах зданий учитывается как в величине изгибающего момента, так и в величине продольной силы. Для определения изгибающего момента в , возникающего от ветра, рассчитываемая стена рассматривается как неразрезная балка ± 2эт в= 12 где q — ветровая нагрузка на 1 пм высоты стены; Н — высота этажа. Знак + или — принимается в зависимости от учитываемого в расчете направления ветра. Направление же ветра (активное или пассивное давление) принимается таким, чтобы суммирование М + М х - Х увеличивало равнодействующий момент, а не уменьшало его. При определении продольной силы Nв, возникающей в стене от ветра, рассматривается пространственная работа всего здания. Расчетную схему бескаркасного здания можно представить в виде консольного стержня сложного профиля, образованного из стен перегородок и перекрытий. Перекрытия выполняют роль жестких диафрагм, передающих горизонтальную нагрузку на стены. Поперечные стены, совместно с примыкающими участками наружных продольных стен, образуют в плане как бы швеллеры, двутавры или прямоугольники. Прямоугольное сечение принимается, если сопряжение по линии контакта продольных и поперечных стен осуществлено связями, не обеспечивающими совместной работы и взаимной передачи сдвигающих усилий. Нагрузка от ветра (активная и пассивная) собирается на длине продольной стены, равной +2 л, где L n и Ь л — расстояния между рассматриваемой поперечной стеной и двумя соседними поперечными стенами. Нагрузка от ветра передается на поперечные стены через перекрытия и приложена к оси поперечных стен. Расчетная длина участков продольных стен 5 (рис. 22) принимается по формулам: а) для глухой стены = 0,8 где Н — расстояние от верха поперечной стены до уровня рассматриваемого сечения; б) для стены с проемами = 0,7 ℎпояс бр нт где ∑ ℎпояс — суммарная высота горизонтальных поясов кладки между оконными проемами от верха стены до рассматриваемого сечения; F бр — площадь горизонтального сечения поясов по длине S стены; F H T — площадь простенков на той же длине. 6 Рисунок 3. К расчету поперечных и продольных стен при изгибе здания под действием ветра: 1 – активное давление ветра; 2 – пассивное давление ветра Нормальные напряжения от изгиба в продольных стенах (полках сечения) приближенно принимаются убывающими по линейному закону от максимума по оси поперечной стены до нуля на расстоянии S от оси поперечной стены. Продольные усилия N в стенах и простенках продольных стен, вызываемые изгибом стен от ветровой нагрузки, учитываются по формуле в = в′ 1− где в ′ — расчетный изгибающий момент от ветровой нагрузки в балкеконсоли на уровне рассчитываемого сечения; F — площадь сечения рассчитываемого простенка; у — расстояние от оси простенка до оси, проходящей через центр тяжести сечения стен в плане; J — момент инерции сечения простенков относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения стен в плане; х — расстояние от поперечной оси простенка до оси поперечной стены. Расчет стены начинаем с верхних этажей. При определении усилий, действующих на стену, принимаем, что на уровне низа балок верхнего перекрытия действуют нагрузки от чердачного перекрытия, крыши карниза и др. Изгибающий момент от ∑ , Q и Р на уровне низа верхнего перекрытия в пределах этажа, исходя из принятой нами статической схемы — простой балки, — изменяется по прямой линии от максимального значения на уровне низа верхнего перекрытия до нуля на уровне низа нижнего перекрытия. Несущая способность стены должна определяться для сечения под балкой верхнего перекрытия, где изгибающий момент обычно наибольший. В этом сечении, как опорном, коэффициент продольного изгиба принимается равным единице. 7 Кроме того, следует убедиться в достаточной прочности сечения посередине высоты этажа, где изгибающий момент будет меньше, чем в верхнем сечении, но зато и коэффициент продольного изгиба будет наименьшим. Если рассчитываемый участок стены имеет проемы, то в качестве расчетного сечения и под балкой и посредине этажа следует проверять прочность простенка. После определения в опасных сечениях изгибающего момента и продольной силы определяют эксцентриситет = и в зависимости от проверяют несущую способность элемента по формулам расчета внецентренно сжатых сечений. При включении в совместную работу поперечных и продольных стен должно быть обеспечено восприятие сдвигающих усилий в местах их взаимного примыкания, величина которого в пределах одного этажа определяется по формуле = в эт 2 = 1− ′ 2 где Qв — расчетная поперечная сила от ветровой нагрузки, воспринимаемой поперечной стеной в уровне перекрытия, примыкающего к рассчитываемым перемычкам; Н эт — расстояние по высоте между серединами проемов, разделяемых перемычкой; x’ — расстояние от оси продольной стены до оси поперечной стены; s — длина участка продольной стены; l — пролет (в свету) перемычки. Если перемычка неармированной, то прочность ее считается достаточной при условиях, что: ≤ ≤ = 2 3 гл = 1 6 р,и с где гл — расчетное сопротивление кладки при главных растягивающих напряжениях; р,и — расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по перевязанному сечению; с — высота перемычки; F —площадь поперечного сечения перемычки. При необходимости усиление перемычки производится продольной арматурой или железобетоном. Расчет поперечной стены, которую рассматривают как стенку двутавровой (тавровой или другой формы) консольной балки, на ветровую нагрузку заключается в проверке прочности по горизонтальным сечениям и по косым сечениям (на главные растягивающие напряжения). Расчет поперечных стен на ветровую нагрузку не исключает необходимости расчета их на продольные силы и изгибающие моменты от вышележащих стен, перекрытий и других нагрузок, который выполняется так же, как и расчет продольных стен. 8 Расчет поперечных стен на главные растягивающие напряжения производится по формуле: в ≤ в = ск п — расчетная поперечная сила от ветровой нагрузки; R C K — расчетное сопротивление скалыванию кладки, обжатой продольной расчетной силой N с коэффициентом перегрузки n=0,9; в ск = гл ( гл + = — расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениям; — коэффициент неравномерности касательных напряжений в сечении; для двутавровых сечений = 1,15, для тавровых =1,35, для прямоугольных сечений =1,5; b — высота сечения стены в направлении действия ветра (при двутавровом сечении — расстояние между осями полок). Кроме этого, для выявления возможности восприятия перемычками поперечных сил и изгибающих моментов, возникающих от ветровой нагрузки, должны быть проверены вертикальные сечения стены, ослабленные проемами. Поперечная сила Т и изгибающий момент М для них определяются по формулам: гл в эт = = 2 где l — пролет перемычки между осями опорных площадок. 9