Войти  |  Регистрация
Авторизация

Температурные воздействия на конструкции высотных зданий



Причины и виды температурных воздействий. В многоэтажных зданиях, построенных ранее, температурные воздействия не имели значительного влияния, так как при большой массе наружных и внутренних конструкций и при практически постоянных внутренних температурах не существовало проблемы разницы удлинения. Для промышленных и мостовых конструкций тепловые воздействия значительно уменьшаются за счет конструкции опор, обеспечивающих возможность изменения длины. Ситуация значительно усложняется для современных многоэтажных статически неопределенных легких конструкций зданий. К внутренним конструкциям крепятся конструкции наружного ограждения, здания имеют большую высоту и т.п. В результате возникает необходимость учета температурных воздействий.
Температурные воздействия могут быть вызваны следующими причинами: климатическим — в виде разницы температур в течение дня и года; эксплуатационными — от оборудования, например печей, котельных; вследствие взрыва, пожара, тушения пожара.
При проектировании зданий надо обязательно учитывать климатические температурные воздействия, эксплуатационные тепловые воздействия, которые необходимо нейтрализовать прежде всего изоляцией источников выделения тепла и близлежащих конструкций. Последние воздействия сложно учесть при проектировании, однако уже известны исследовательские работы, связанные с обеспечением пожарной безопасности.
Температурные воздействия на здание можно представить как:
- разницу относительной температуры Δt конструкции или ее части по отношению к условно принятой температуре;
- температурную разницу поверхностей сечения Δtf конструкции или элемента, определяемую как разницу температур на внешней и внутренней поверхности;
- температурную разницу части конструкции Δtr как целого, определяемую разницей средних температур их отдельных частей.
Температурные воздействия на конструкции высотных зданий

Сущность и характер температурных воздействий. Температурные воздействия относятся совместно с усадкой, обжатием и осадками опор к группе так называемых внутренних деформаций. Эти воздействия - деформации и напряжения — зависят прежде всего от свойств материала и условий крепления отдельных элементов, целой конструкции или отдельных ее частей. Рассмотрим это на примере растянутого или сжатого стержня, который не может потерять устойчивость (рис. 5.6). Закрепление на опорах характеризуется коэффициентом защемления к (простое опирание k = 0, асболютное защемление k = ∞). Изменения длины напряжения, вызванные температурными изменениями равномерными по всей длине и по всему сечению стержня, можно выразить зависимостью:
- результирующее перемещение
Температурные воздействия на конструкции высотных зданий

- результирующее напряжение
Температурные воздействия на конструкции высотных зданий

В зависимости от величины k возможны следующие случаи: k = 0, 0, свободное перемещение (простое опирание). Удлинение определяется по формуле
Температурные воздействия на конструкции высотных зданий

Из формулы (5.13б) видно, что максимальные напряжения в стержне появляются при неподвижном закреплении и они не зависят от длины и площади поперечного сечения стержня, в этом случае давление на опоры (опорная реакция) будет максимальным.
Для правильного учета температурных воздействий необходимо знать разность температур (t — t0). Для тонкостенных, в особенности металлических сечений предполагается, что все сечение за короткое время будет иметь температуру окружающей среды. Иначе обстоит дело с массивными сечениями, например железобетонными колоннами (ядрами), для которых требуется большая продолжительность для достижения равномерной температуры. Поэтому при расчете тонкостенных стальных колонн требуется принимать среднюю часовую температуру окружающей среды, для массивных бетонных элементов — среднюю дневную температуру. Это значит, что при прямом солнечном нагреве незащищенных стальных элементов они быстро нагреются и будут иметь практически максимальные температуры; массивные бетонные элементы нагреваются медленнее, поэтому для них достаточно принимать средний уровень температуры за день. При длительных низких температурах (морозах) нет различия между стальными и бетонными элементами.
Проектирование конструкций зданий с учетом температурных воздействий. С точки зрения воздействия температур здание можно разделить на две части — подземную, т.е. часть, находящуюся ниже уровня земли, и наземную. Подземная часть здания не только массивна, но и природно изолирована окружающим грунтом и поэтому здесь на температурные воздействия не стоит обращать внимание. Блоки, разделенные деформационными швами, выбираются из условия усадки и ползучести бетона, а также из-за допустимых возможных воздействий вследствие неравномерных осадок.
В наземной части действует температурная нагрузка в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном. Воздействиям в горизонтальном направлении всегда уделялось внимание; они были в допустимых границах особенно тогда, когда здание разделено деформационными (температурными) швами на отдельные части, имеющие разумные размеры, и система, обеспечивающая устойчивость (подсистема, передающая горизонтальное воздействие) , выполнена таким образом, что от горизонтальной температурной нагрузки в ней не возникают значительные напряжения или перемещения. Стальная конструкция в своей основе ’’более мягкая”, поэтому для чисто стального каркаса можно принимать большие температурные блоки, чем для железобетонного. С точки зрения горизонтальных температурных воздействий не возникает проблем при применении железобетонных конструкций зданий длиной до 60 м, а для стальных конструкций - до 80 м.
Температурным расширениям в вертикальном направлении для зданий, строившихся раньше, не уделялось никакого внимания, потому что они имели небольшую высоту, большую массу и единство конструктивной системы (либо система с кирпичными несущими стенами, либо система каркасная). Существует много причин, по которым в современных высотных зданиях уделяют большее внимание удлинению элементов в вертикальном направлении. Это прежде всего меньшая масса зданий, что приводит к большим температурным колебаниям в конструкциях. Внутренние помещения имеют кондиционирование, поэтому внутренние конструкции имеют более или менее постоянную температуру, а при колебаниях наружной температуры атмосферы разница температур между внутренними и внешними частями конструкций проявляется быстрее и больше. Разница температур, вполне понятно, зависит от функционального назначения здания, его местоположения, ориентации по отношению к странам света, внутреннего температурного режима, поверхности и отделки ограждающих и несущих конструкций, ситуации фасадных колонн или стен. Важной в этом случае является масса колонн, включая теплоизоляцию и прежде всего расположение колонн по отношению к фасадным ограждающим конструкциям. Колонны могут быть расположены внутри здания, в пределах конструкций наружного ограждения (промежуточное расположение) и снаружи перед фасадом. В последнее время колонны часто располагают перед фасадом, благодаря чему освобождаются от них и увеличиваются внутренние площади, а также достигается более эффективная конструктивная система, упрощаются конструкции ограждения. Это решение более выгодно с точки зрения пожарной безопасности и, наконец, этим достигается более выразительное архитектурное решение. С другой стороны, ухудшаются воздействия от разности температур. Для зданий, имеющих более 10 этажей, этой проблеме необходимо уделять большее внимание. В зависимости от соединения наружных колонн с остальными конструкциями воздействия от разности температур могут проявиться в широком диапазоне.
Воздействия разности температур наружных и внутренних конструкций надо определять по следующей схеме: определение реальных температур и их разности, т.е. наибольшие и наименьшие температуры всех основных конструкций в течение годового цикла; определение средних температур конструкций с учетом их массы, изоляции, соединения с остальными конструкциями; определение удлинений элементов от воздействия разности температур; расчет системы с учетом удлинений элементов; подбор сечений несущих и других конструкций.
Для зданий с рамным каркасом, т.е. имеющих многократно статически неопределимую систему, проявится воздействие разности температур внутренних и наружных колонн. Однако рама как непрерывная система в этом отношении является благоприятной конструкцией, так как в целом она не слишком жесткая, поэтому часть температурных воздействий проявится в виде деформаций, часть в виде внутренних напряжений. Для 10—15-этажных зданий с рамным каркасом воздействия разности температур, как правило, не учитываются. Рамные конструкции выгодны тем, что от воздействия разности температур наибольшие напряжения возникают в верхних частях, и наоборот, от ветровой нагрузки в нижних частях.
Температурные воздействия на конструкции высотных зданий

В зданиях с внутренним ядром конструкции ядра имеют более или менее постоянную температуру, иначе дело обстоит в прилегающих конструкциях. Значительные разности температур могут возникнуть между конструкциями ядра и вертикальными конструкциями наружных стен. Разность температур может быть ’’симметричной”, т.е. в противоположных конструкциях наружных стен одинакова (например, при низких температурах наружного воздуха), или ’’несимметричной”, когда одна сторона непосредственно нагревается солнцем, а другая находится в тени, в этом случае разница может быть до 30°С. Для учета температурных воздействий проектировщики имеют в основном три конструктивные возможности (рис. 5.7):
- обеспечивать свободные деформации колонн, например с помощью простого шарнирного опирания конструкций перекрытия на колонны и конструкции ядра;
- запроектировать между ядром и колоннами жесткую конструкцию (например, в верху здания), которая бы препятствовала удлинению колонн;
- обеспечить упругое закрепление конструкциями перекрытий, например жестким соединением главных балок перекрытия и колонн.
При наибольших перемещениях перекрытия следует за расширением колонн, что может вызвать проблемы с поперечными перегородками верхних этажей. Здесь имеется еще возможность уменьшить разность температур за счет ослабления вызывающих их причин, например устройством теплоизоляции вокруг колонн, или охлаждением и нагревом их (например, заполнением замкнутых пространств сечений колонн водой, что одновременно является противопожарной защитой). При второй конструктивной возможности имеют место минимальные перемещения, однако при этом возможны максимальные внутренние напряжения в несущих конструкциях (при минимальных напряжениях в других конструкциях). Этот способ можно применять для малонагруженных колонн и при относительно небольших разностях температур, так как в противоположном случае в колоннах и в жестком элементе возникают большие силы, которые значительно влияют на подбор сечений. Здесь можно искать особое решение, например для жесткого сечения применять материал высокой прочности или искать такое положение по высоте Жесткого элемента, чтобы суммарные воздействия ветра и температуры были равномерно распределены по конструкции. Последнее решение является хорошим компромиссом, когда часть воздействия от разности температур проявляется в виде напряжений, а часть — в виде перемещений.
В оболочковых (коробчатых) конструктивных системах основные несущие конструкции размещены возле фасада. И здесь существует проблема разных температур между внешними и внутренними конструкциями. Воздействия будут опять зависеть от способа соединения между наружными и внутренними конструкциями.
Температурные воздействия с точки зрения предельных состояний. Воздействие климатических температур относится к группе кратковременных нагрузок, хотя отдельные виды воздействия имеют разную продолжительность действия (например, длительные морозы и кратковременный нагрев солнцем). В связи с тем, что само воздействие имеет разные виды, которые имеют различную вероятность появления того или другого вида (соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке), еще более сложно определить вероятность совместного действия этого воздействия с остальными кратковременными нагрузками, как например, полезная нагрузка на перекрытия, ветровая нагрузка и др. В нормах CSN 73 0035 дан для этих трех видов кратковременных нагрузок коэффициент сочетаний C = 0,9.
Необходимо уделять внимание температурным воздействиям и с точки зрения второй группы предельных состояний, т.е. учитывать их влияние на дополнительные конструкции, такие, как перегородки, наружные стены и др. С точки зрения восприятия температурных воздействий между несущими и дополнительными конструкциями имеются опять три ранее рассмотренные возможности:
- дополнительные конструкции свободно опираются на несущие, поэтому разность температур не вызывает переноса сил в направлении с несущих конструкций на дополнительные, и наоборот;
- если в несущей конструкции предусмотрен элемент, препятствующий деформациям, то дополнительные конструкции могут более жестко соединяться с несущими конструкциями, в результате чего еще больше увеличивается жесткость всего здания;
- дополнительные конструкции соединены с изменяющей свою длину несущей конструкцией, в этом случае необходимо доказать, что деформации несущей конструкции находятся в таких пределах, что дополнительные конструкции способны воспринять эти деформации, при этом в них не произойдут повреждения.
При жестком соединении дополнительных и несущих конструкций всегда сложно принять правильную статическую модель, которая бы соответствовала действительной работе объединенной конструкции. Расчет без учета совместной работы несущих и дополнительных конструкций для несущих конструкций идет в запас, а для дополнительных работ — наоборот.
Температурные перемещения несущих конструкций, которые имеют наибольшее значение при вынесенных колоннах и свободном опирании перекрытий в крайних пролетах верхних этажей, хуже всего переносят кирпичные перегородки. Повреждения перегородок (трещины в местах присоединения к перекрытию и колонн) являются результатом действия сил сдвига, которые деформируют первоначальную прямоугольную форму перегородок в косоугольную (рис. 5.8). Некоторые публикации приводят данные, что кирпичная перегородка может еще воспринимать деформации несущих конструкций, если h/L ≤ 1/300 (где h - относительное изменение длины двух соседних опор; L - пролет перекрытия).
Температурные воздействия на конструкции высотных зданий

Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent