Деформации при проектировании многоэтажных зданий

Деформации сооружений, частей сооружений или строительных элементов основаны на физических явлениях. Они неизбежны. Для предотвращения отрицательных влияний при эксплуатации величина деформаций в нормах ограничивается.

Деформации строительных элементов из стали несколько больше, чем аналогичных строительных элементов из бетона. При правильном расчете и конструировании стального каркаса и элементов ограждающих конструкций их отрицательные влияния могут быть исключены.

Ниже рассматриваются виды деформаций и их последствия. Деформации строительных элементов проявляются в изменении формы или объема строительного материала, деформации здания — смещением осей строительных элементов.

Изменение формы

Внешние воздействия или внутренние силы вызывают изменение формы строительного элемента. Строительные элементы не могут воспринимать нагрузки без изменения своей формы. Нагруженная колонна должна стать короче, нагруженное перекрытие должно прогнуться При изменении формы сжатый стержень (рис. 1.1) становится короче, но толще, растянутый стержень (1.2) длиннее, но тоньше. Другие примеры: прогнувшийся стержень (1.3) и диск, получивший деформацию вследствие сдвига (1.4).

Деформации упруги, если строительные элементы после удаления нагрузки принимают свою прежнюю форму. Они пластичны, если элементы после разгрузки остаются деформированными. Строительные материалы, как правило, подвергаются только упругим деформациям. Некоторые строительные материалы (например, бетон) претерпевают от длительно действующих нагрузок кроме упругих и пластические деформации вследствие ползучести.

Медленно нарастающие нагрузки ведут к постоянным деформациям, быстро нарастающие оказывают динамическое воздействие; ритмически повторяющиеся нагрузки могут вызвать колебания строительных элементов, частей сооружения или всего сооружения, например колебания перекрытий при ходьбе, колебания высотных домов при ветровой нагрузке. Каждое здание имеет ему одному свойственную частоту собственных колебаний. Усиленные колебания возникают, если частота вынужденных (возбужденных) колебаний приближается к частоте собственных колебаний нагруженного здания или кратна ей.

Объемные изменения

Объемные изменения строительных материалов проявляются вследствие:

• температурных изменений;
• усадки или набухания под действием химических процессов или в результате изменения влажности.

Изменения объема, которые не могут свободно развиваться в конструкции, создают внутренние реактивные усилия, которые тоже ведут к изменению формы. Балка (рис. 2.1), температура которой повышается, может свободно расширяться во все стороны, т. е. в длину, высоту и ширину. Другая балка (рис. 2.2) может изменяться только по высоте и ширине. Возникает сила реакции Z. Такое же действие возникает, если удлиненная вследствие температурного воздействия балки (рис. 2.1) примет под влиянием силы Z первоначальную длину.

Неравномерные изменения объемов искривляют строительный элемент. Балка (рис. 3) с верхней стороны нагревается солнечными лучами, снизу имеет температуру, равную температуре помещения. Такое же явление происходит в биметаллическом стержне вследствие неравномерного температурного расширения составляющих его материалов при одинаковой температуре или в деревянной балке, несимметрично вырезанной из бревна, в результате изменения влажности воздуха.

Сдвиг

Строительное сооружение состоит из отдельных частей, оси которых увязаны с модульной сеткой сооружения. Деформации строительных деталей могут привести к перемещению осевых опорных точек и способствовать деформации всего здания.

Нагрузка от перекрытий (рис. 4.1) изменяет положение осей здания незначительно. Ветровые силы (рис. 4.2), напротив, вызывают вследствие изменения длины стержней стенового каркаса значительное смещение осей элементов по горизонтали и по высоте.

Допустимые деформации зданий инструкциями большей частью не ограничиваются. В отдельных случаях оговаривается влияние деформации строительных элементов на эксплуатационные качества или совместимость их с другими строительными элементами и устанавливаются допустимые деформации. Жесткие конструкции дороже гибких, поэтому ограничивать деформации следует весьма осторожно.

Там, где две части здания или элементы примыкают друг к другу, появляется стык. Этот стык либо может обеспечивать свободные деформации примыкающих элементов без передачи усилий, либо появившиеся силы реакции от различных деформаций вследствие жесткости соединений передаются соседнему элементу. При этом в обеих соединенных друг с другом частях и в элементах соединения появляются упругие деформации.

Это положение действительно как при стыках между отдельными частями зданий, так и при стыках между строительными элементами. Нарушение этих правил часто бывает причиной повреждения сооружений.

В дальнейшем будут рассмотрены важнейшие воздействия на здание.

Влияние постоянной нагрузки

При рассмотрении деформаций исходят из заданного состояния здания, которое определяется:

• воздействием всех постоянных нагрузок; определенной температурой, большей частью 10° С;
• временем окончания усадки и ползучести бетона;
• определенной влажностью.

Деформации, возникающие от постоянных нагрузок, предварительно вычисляются и учитываются при назначении окончательной формы строительного элемента. Если отдельные детали или части сооружения выполнены из стали, то действие деформаций проявляется следующим образом:

• сжатые колонны и несущие железобетонные стены укорачиваются. Это влияние в большинстве случаев незначительно;
• растянутые элементы удлиняются. Это заметно, например, при монтаже висячих домов, опирающихся на массивные опоры, так как их удлинение суммируется с укорочением сжатой несущей конструкции ядра жесткости;
• вертикальные связи получают от вертикальных нагрузок напряжения сжатия, которые обнаруживаются в ходе монтажа;
• несущие конструкции перекрытия прогибаются под влиянием постоянных нагрузок. Стальным балкам можно придать на заводе строительный подъем путем выгиба их вверх, но для этого требуется дополнительный рабочий процесс, что, естественно, повышает их стоимость. Поэтому в основном со строительным подъемом изготовляются лишь балки большого пролета (приблизительно от 10 м).

Влияние временных нагрузок Деформации от временных нагрузок действуют в основном только на перекрытия. Ограничение их важно для:

• зданий, в которых размещены приборы высокой чувствительности;
• надежности и плотности наружных стен;
• предупреждения трещин в перегородках.

Обычно предельные значения для прогиба несущих конструкций перекрытия от временной нагрузки принимаются в следующих размерах:

Ограничиваются лишь прогибы от действия временной нагрузки, так как прогибы от постоянной нагрузки могут выравниваться строительным подъемом несущей конструкции перекрытия.

Можно согласиться с эмпирическим правилом, что из общей суммы временных нагрузок около трети приходится на нагрузки от неподвижных элементов — перегородок и от редко перемещаемого оборудования, например мебели; около трети составляет действительно изменяющаяся нагрузка и около трети — резерв для появления случайной кратковременной нагрузки, например от скопления людей.

Первая треть временных нагрузок может быть учтена совместно с постоянными нагрузками. Последняя треть временных нагрузок проявляется редко. Вызванные этой нагрузкой деформации после снятия ее прекращаются.

Перегородки должны иметь достаточную деформативность, чтобы воспринимать часть деформации перекрытия, появившуюся от временной нагрузки.

Влияние горизонтальных ветровых и сейсмических нагрузок

Если должны учитываться сейсмические воздействия, то здания рассчитываются на устойчивость, а не на деформативность.

Горизонтальные деформации зданий вследствие ветра имеют все же, и прежде всего в высотных зданиях, большое значение. Их учет влияет не только на структуру несущей системы, но и на проект всего здания.

Высокие здания могут раскачиваться под действием ветра. Колебания увеличивают свой размах и могут нанести вред высотным домам и здоровью находящихся в них людей.

Влияние температурных изменений

Для того чтобы оценить влияние температурных изменений (рис. 5), необходимо знать колебание температур наружного воздуха. Температура воздуха в Европе лежит в пределах от —30° С до +30° С. Отдельные строительные элементы, особенно темно-окрашенные стальные части, могут иметь вследствие прямого солнечного воздействия температуру до 80° С.

Рисунок 5. »
Большая разница в температурах характерна для всех частей здания во время строительства, а в процессе эксплуатации — только для частей, подвергающихся действию наружных температур.

Деформации от температурных изменений обусловливают устройство швов между частями здания. Правильное расположение и определенная ширина швов необходимы во избежание повреждений строительных конструкций и сооружений в эксплуатации.

Во время изготовления сборных строительных элементов они подвергаются обычно незначительным температурным колебаниям, поскольку и стальные элементы, и железобетонные сборные элементы изготовляют в закрытых цехах. Исходя из этого можно сделать вывод, что эти строительные элементы при расчетной температуре 10° С имеют проектные размеры.

Во время монтажа стальные конструкции могут подвергаться вюздействию температуры, которая иногда значительно отличается от расчетной; в этих случаях в статически неопределимых системах появляются дополнительные внутренние напряжения. Конструкции из монолитного бетона или сборные железобетонные детали с заполненными швами подвергаются в период строительства большим температурным колебани ям.

Затененные стальные детали, например связевые балки, в процессе монтажа имеют температуру окружающего воздуха.

Неотапливаемый, доступный воздействию наружного воздуха каркас здания воспринимает колебания температуры наружного воздуха. Строительные детали, которые подвергаются прямому солнечному облучению, могут иметь высокие температуры.

В эксплуатируемом отапливаемом здании внутренние температуры колеблются между 15 и 25° С и могут снижаться при временном выходе из строя отопления. Несколько большие колебания возможны в зависимости от изоляции несущих элементов покрытия при плоской кровле.

Наружные стены из-за перемещения точек закрепления испытывают суммарные деформации от деформации здания и деформаций элементов наружных стен. Деформации могут быть восприняты швами между элементами наружных стен.

Необлицованные стальные колонны в отапливаемых зданиях подвергаются действию наружных температур. Теплозащитная облицовка уменьшает нагревание колонн прямыми солнечными лучами, но не может помешать охлаждению колонн при продолжительном морозном периоде.

При пожарах могут возникнуть большие температурные перепады и как следствие значительное увеличение размеров элементов, особенно в несущих конструкциях перекрытий. Это принимается во внимание при определении расстояния между швами здания, чтобы в случае пожара избежать излишних деформаций.