В классических методах строительной механики в настоящее время происходят серьезные изменения, связанные с внедрением в проектирование электронной вычислительной техники.
Пересмотру подвергаются такие принципиальные вопросы, как выбор расчетной схемы и методов расчета.
Электронные машины позволяют перейти на качественно новую ступень проектирования строительных конструкций, в том числе и многоэтажных зданий, полнее учесть физические свойства материалов конструкций, характер деформаций, перейти к расчету пространственных систем.
Работу вертикальных диафрагм жесткости многоэтажных зданий на действие горизонтальных нагрузок наиболее правильно рассматривать как работу балки-стенки, ослабленной проемами (наиболее общий случай). Но, учитывая, что теоретическое решение этой задачи сложно, чаще всего вертикальные диафрагмы с проемами рассматриваются как многоэтажные стержневые рамные системы, работающие в упругой стадии, у которых стойками являются простенки диафрагм, а ригелями -o перемычки, монолитно связанные с простенками.
Имеющиеся способы расчета многоэтажных диафрагм с проемами достаточно трудоемки, причем трудоемкость вычислений возрастает с увеличением этажности здания. Большое разнообразие применяемых в строительной механике методов расчета таких конструкций объясняется стремлением найти путь с минимальным объемом вычислений. Данное обстоятельство, столь важное при ручных методах расчета, является второстепенным при использовании электронных вычислительных машин. Вот почему, например, статический расчет вертикальных диафрагм с проемами целесообраз-
но выполнять классическим методом строительной механики - методом сил. Этим методом в Моспроекте выполнено большое количество расчетов диафрагм с проемами многоэтажных зданий на электронных вычислительных машинах БЭСМ-2М и "Минск-2" по программе СМ-4. Анализ выполненных расчетов показал, в частности, что в диафрагмах с большим числом рядов проемов, рассчитываемых как многоэтажные многопролетные рамные системы, продольные деформации простенков от нормальных сил не оказывают значительного влияния на величину усилий М, N, Q. Для таких систем удобно использовать программу СПДР-3 при работе на БЭСМ-2М, по которой при определении деформаций сооружения учитывается только влияние из-гибной жесткости.
В диафрагмах с одним или двумя рядами проемов влияние продольных деформаций простенков значительно, происходит увеличение изгибающих моментов в стойках-простенках и уменьшение в перемычках-ригелях.
Аналогично решается задача расчета несущих панельных стен, которые рассматриваются как дискретные стержневые системы.
Принцип расчета рамно-связевых и рамных систем многоэтажных каркасных зданий изложен на примере расчета 19-этажного жилого дома (рис. 13.12)*.
19-этажный жилой дом запроектирован на базе унифицированного каркаса серии 1МГ-601Д (см. рис. 13.12, а). Здание как в поперечном, так и в продольном направлении представляет собой сложную статически неопределимую систему. Плоские конструкции здания представляют собой рамные (оси / и 9 в поперечном направлении и оси А, В, Г, Е в продольном), рамно-связевые (оси 4 и 5 в поперечном направлении и Б, Д в продольном) и, наконец, связевые системы (оси 2 и 5 в поперечном направлении).
Таким образом, конструктивную основу здания составляют вертикальные связевые диафрагмы в виде железобетонных стен и рамный каркас, работающие совместно на восприятие горизонтальных ветровых нагрузок.
В расчете приняты следующие допущения: диски в уровне перекрытий являются абсолютно жесткими; ветвь диафрагмы жесткости и колонны, примыкающие к ней, в расчете учитывались как единое составное двутавровое сечение. Основные этапы расчета. Первый этап. Определяется расчетная ветровая нагрузка на все здание в заданном направлении по формуле
Для этого к каждому ярусу каждой плоской системы прикладываются единичные силы. Полученные обратные силы перемещений составляют матрицы жесткостей плоских систем. Имея жесткость сооружения в заданном направлении, из решения характеристического уравнения определяются динамические характеристики здания. Так, период свободных колебаний здания в поперечном направлении равен Г =1,93 се/с, соответственно коэффициент динамичности |х = 1,8. Второй этап. Расчетная ветровая нагрузка распределяется по связе-вым системам пропорционально их жесткостям.
Использование ЭВМ дало возможность для данной конструктивной схемы здания оценить точность различных методов распределения расчетной ветровой нагрузки пропорционально жесткостям по плоским системам: распределение пропорционально жесткости в верхнем ярусе от силы, приложенной там же; распределение пропорционально жесткости в каждом ярусе от силы, приложенной в верхнем ярусе; распределение пропорционально жесткости в каждом ярусе от сил, приложенных по всем ярусам (полная матрица жесткостей).
Третий этап. Выполняется расчет плоских систем на ветровую нагрузку, приходящуюся на данную систему по одной из типовых программ ЭВМ-Расчетные усилия для плоских систем получены точным методом строительной механики с учетом деформаций от изгиба и сдвига, а также от продольных деформаций.
В результате многовариантного расчета в поперечном направлении удалось подобрать жесткость плоских систем таким образом, что оказалось возможным применять без усиления типовые элементы сборного каркаса для торцовых рамных систем (оси 1 и 9) для всех 19 этажей.
Четвертый этап. Выполняется расчет здания в продольном направлении на постоянную, временную и ветровую нагрузки. Поскольку здание представляет собой сложную многократную стати-. чески неопределимую комбинированную систему, то для правильной оценки де-формативности сооружения были приняты три варианта расчетной схемы:
а) в первом варианте при расчете на ветровую нагрузку учитывалась только жесткость продольных рам по осям Л, Б, В, Г, Д, Е; при этом расчетный максимальный прогиб верха сооружений составил 1,88 см, период свободных колебаний Т= 1,52 сек;
б) во втором (основном) варианте учитывалась совместная работа рам по осям А, В, Г, Е и диафрагм с рамами по осям Д и Б; максимальный прогиб верха сооружения составил в этом случае 1,28 см; период свободных колебаний Т =1,94 сек;
в) в третьем варианте принята связе-вая система, состоящая только из двух продольных диафрагм жесткости по осям Б и Д. В этом случае максимальный прогиб верха сооружения составил 11,6 см. Период свободных колебаний сооружения Г = 5,23 сек.
Анализ расчетов по второму и третьему варианту наглядно показал, в каких пределах находятся расчетные величины
деформаций сооружения при том или ином выборе расчетной схемы.
При рассмотрении всех плоских систем в продольном направлении наиболее нагруженными являются рамные системы по осям А, Е. Проведенный расчет показал, что усилия от вертикальной и ветровой нагрузки в узлах не превышают несущей способности узлов сборного железобетонного каркаса.
За последние годы разработано большое количество программ, которые успешно могут быть использованы для расчета конструкций многоэтажных зданий. Так, программа СМ-4 для ЭВМ "Минск-2" предназначена для автоматического расчета методом сил любых плоских стержневых систем с числом неизвестных до 81. В соответствии с программой автоматизируются следующие этапы работы: определение геометрических размеров элементов конструкций (часть геометрических размеров задается); определение усилий в элементах основной системы; вычисление коэффициентов и свободных членов канонических уравнений; решение систем канонических уравнений; вычисление усилий в элементах; определение деформации сооружения. Следует, однако, отметить, что ввиду количественных и качественных ограничений программы СМ-4, она не может полностью удовлетворить требования, предъявляемые к статическому расчету конструкций многоэтажных зданий. В связи с этим разработан вариант программы для ЭВМ "Минск-22".
Принимая во внимание, что учет динамического воздействия порывов ветра на многоэтажное здание, в зависимости от частоты и формы его свободных горизонтальных колебаний, является весьма трудоемким, в Моспроекте составлена программа В-1 по определению расчетной ветровой нагрузки для многоэтажных каркасных зданий.
Эта программа позволяет определить расчетную ветровую нагрузку на сооружение в целом; распределить ветровую нагрузку по отдельным плоским системам пропорционально их жесткостям; получить усилия М, N, Q от ветровой нагрузки по каждой плоскости конструкции; получить прогиб верха сооружения от расчетной ветровой нагрузки.
Заслуживает внимания при расчете стержневых систем применение метода энергий, так как большинство задач расчета упругих систем можно свести к отысканию минимума энергии. Программа МАРОС-100 для ЭВМ "Минск-2" (машинный автоматизированный расчет стержневых систем), основанная на применении условно-экстремального принципа, применима для расчета стержневых конструкций многоэтажных зданий. Для конструкции каркасных многоэтажных зданий может быть использована программа СНДР-3 (статика и динамика рам) для ЭВМ БЭСМ-2М. Программа реализует метод распределения узловых моментов (метод X. Кросса).
Дальнейшим направлением по применению ЭВМ для расчета конструкций многоэтажных зданий должен стать переход от механизации расчета отдельных частей здания к комплексному расчету сооружений в целом с учетом взаимодействия его частей.
Необходима разработка методов полной автоматизации всех этапов расчета на ЭВМ. Наряду с разработкой универсальных алгоритмов следует разработать алгоритмы частных, но важных задач с доведением решений до необходимых конечных результатов.
Одна из основных и наиболее перспективных областей применения ЭВМ - вариантное проектирование, где благодаря быстрому и достаточно точному расчету на ЭВМ ряда возможных вариантов с помощью той же машины удается выбрать оптимальный по заданным требованиям.
