Чтобы рассчитать нагрузку на стены многоэтажного здания гражданского типа с жесткой пространственной схемой необходимо в первую очередь учитывать нагрузки от вертикальных сил: собственного веса стен и опорных реакций от междуэтажных перекрытий и верхних покрытий. Ветровые нагрузки оказывают малое влияние на работу стен и в большинстве случаев не учитываются. В этом и заключается основное различие методов расчета гражданских зданий и промышленных зданий с большими высотами и пролетами стен. Нормы проектирования других видов конструкции рассматривают ветровую нагрузку, как не основную, и разрешают при ее учете повышать допускаемые напряжения примерно на 10%. В каменных конструкциях для гражданских зданий с жесткой схемой ветровые нагрузки не учитываются вовсе, что равносильно некоторому повышению допускаемых напряжений. В зданиях же промышленного типа, не имеющих жесткой конструктивной схемы, ветровое давление является основной нагрузкой и должно учитываться в полной мере. Приводим краткий анализ предельной гибкости стен, при которой можно не учитывать ветровой нагрузки.
Расчет нагрузки на стены
Произведем подсчет напряжений от изгиба под действием ветровой нагрузки в стене (рис. 1) с ослаблением по площади сечения μ. Коэффициент ослабления μ выражает отношение площади сечения проема в площади сечения всей стены брутто. В рассматриваемом на чертеже случае μ = b-a/b, откуда a/b = 1-μ.
Рис. 1. Работа на ветровую нагрузку стены, ослабленной отверстиями.
При ветровой нагрузке, нагрузка на единицу высоты рассматриваемой полосы составит bw. Коэффициент в формуле изгибающего момента может быть принят 1/10, так как прилегающие участки стены и перекрытия сверху и снизу частично препятствуют повороту сечения.
M = qh2/10 = bwh2/10; M/W = 6bwh2/10ad2 = 0,6w/1-μ(h-d)2.
Если принять по аналогии с другими конструкциями возможность повышения напряжений при учете ветровой нагрузки на 10-15%, то дополнительные напряжения от ветра могут доходить до величины ∆σ = ±1кг/см2. При этом перенапряжения сжатой зоны будут незначительны. Растягивающие же напряжения будут полностью или в значительной степени погашены сжатием от нормальной силы. Что касается коэффициента ослабления, то в подавляющей массе гражданского строительства μ не превышает 0,7.
Основная ветровая нагрузка на стены по нормам составляет 40 кг/м2 = 0,004 кг/см2.
Подставляя значения ∆σ = 1 кг/см2, μ = 0,7 и w = 0,004 кг/см2, получаем из формулы предельную гибкость, удовлетворяющую поставленных условиям:
d=√∆σ/2w=√1/(2*0,004)=11
Следовательно при гибкости, не превышающей 11, при расчете стен зданий с жесткой конструктивной схемой (гражданского типа), ветровая нагрузка может не учитываться. Вывод предельной гибкости позволяет установить случаи, при которых поверка на ветровую нагрузку обязательна и при гибкости менее 11. Эти случаи следующие:
- при ветровой нагрузке, превышающей 40 кг/м2;
- при ослаблении стен отверстиями по площади сечения более 70%
Поскольку эти ограничения встречаются в практике редко, подавляющая масса гражданских зданий не требует расчета на ветер. За пределами поставленных ограничений в случаях, если напряжения от ветровой нагрузки не будут превышать ±1 кг/см2, при расчете стен зданий с жесткой схемой ветровая нагрузка разрезной также может не учитываться.
Разрешение не рассчитывать на ветровую нагрузку не распространяется на такие элементы здания, как парапеты и карнизы, а также на здания, не имеющие жесткой конструктивной схемы, для которых давление ветра рассматривается как основная нагрузка.
При расчете напряжений в стенах многоэтажного здания с жесткой конструктивной схемой от горизонтальных и внецентренно вертикальных нагрузок, стены и столбы могут рассматриваться как вертикальные неразрезные балки, опертые на перекрытия. Эпюра моментов для случая внецентренной нагрузки стен перекрытиями показана на рис. 2, а. Мы видим, что изгибающие моменты в любом сечении стены меньше тех моментов, которые могут создать в разрезной балке нагрузки, приложенные в отдельных этажах.
Рис. 2. Эпюра моментов от междуэтажных перекрытий при расчете стены: а - как неразрезной балки; б - как разрезной балки с шарнирным соединением участков стены на уровне перекрытий.
Этот метод расчета нагрузки на стены дает наиболее экономное решение стены, приближающееся в то же время ближе всего в ее действительной работе. Недостатком его является значительная сложность, особенно в случаях, когда мы имеем неодинаковое сечение стен и различную высоту этажей. Для упрощения расчета разрешается пренебречь влиянием неразрезности стены и рассматривать ее как сочетание разрезных балок, соединенных шарнирами. Эпюра моментов при таком методе расчетов показана на рис. 2, б. При этой схеме расчета от этажа к этажу через шарнир передается только осевая сила. Моменты же от верхнего и нижнего этажей погашаются реакциями опор этих этажей и на величине моментов в пределах рассматриваемого этажа не сказываются. Таким образом в пределах каждого этажа учитываются только моменты от тех сил, которые приложены в пределах данного этажа. В месте примыкания стены верхнего этажа к рассчитываемому участку стены предполагается отсутствие опорного момента и, следовательно нагрузка приложена равномерно по сечению. Следовательно, равнодействующая нагрузки, представляющая собой вес всех верхних этажей, принимается приложенной в центре тяжести сечения примыкающей сверху стены. Если в месте перехода от одного этажа к другому сечение стены не меняется, то нагрузка от верхних этажей приложена без эксцентриситета и, следовательно не вызывает момента. Если же сечение стены меняется не симметрично или имеется смещение оси, то нагрузка от верхних этажей передается на стену рассматриваемого этажа с соответствующим эксцентриситетом. Нагрузка от перекрытия над рассматриваемым этажом обычно бывает приложена с эксцентриситетом и вызывает момент. Эпюра моментов принимается как для шарнирной балки, т. е. уменьшается внизу по треугольнику.
Для любого сечения, зная момент и осевую силу, можно определить напряжения по формулам внецентренного сжатия.
Иногда при расчете стен нижних этажей многоэтажного здания неправильно складывают моменты от нагрузки верхних этажей. При этом получается эпюра моментов, показанная на рис. 3. Для нижних этажей она дает чрезмерно преувеличенные моменты. Такая эпюра не имеет ничего общего с действительной эпюрой моментов (рис. 2, а), которая получается при схеме расчета стены, как неразрезной балки. Она отвечает случаю нагружения моментами в различных сечениях консольной балки, заделанной в грунт, и следовательно противоречит принятой для расчета конструктивной схеме, в которой перекрытия рассматриваются как неподвижные опоры.
Рис. 3. Эпюра моментов от междуэтажных перекрытий при неправильном расчете стены без учета опирания ее на перекрытия.
Чтобы иметь возможность рассчитать стену, как многопролетную балку, неразрезную или шарнирную, мы должны иметь уверенность, что узлы опирания перекрытия на стены способны воспринять опорные реакции. Для типичного случая нагрузки стены междуэтажными перекрытиями, показанного на рис. 4, опорная реакция А составляет: А = Pe/h. Сила трения Т = Pf. Чтобы обеспечить передачу опорного давления на перекрытия должен быть обеспечен двойной коэффициент запаса, т. е. A ≤ T/2, отсюда e/h≤f/2.
Коэффициент трения для деревянных балок по кладке принимается равным 0,6 и для железных балок 0,5. Таким образом во всех случаях, когда е меньше 0,25h, силы трения обеспечивают с достаточным запасом равновесие. В зданиях рассматриваемого типа эксцентриситеты весьма незначительны и во много раз меньше ¼ h. Величина силы трения может оказаться недостаточной в следующих случаях:
- при больших боковых давлениях;
- при консольных кранах с большим выносом;
- когда большие моменты вызываются не опорными давлениями от перекрытий, а эксцентриситетом продольной силы при смещении оси стены.
Во всех этих случаях требуется специальное прикрепление стен к перекрытиям, по расчету.
Как мы отметили, связь стен с перекрытиями в основном осуществляется посредством развивающихся сил трения. Поэтому опирание стен на перекрытия принимаются в плоскости нижней грани балок, через которые передается давление от стены на перекрытия. Наличие анкеров не меняет положения опор, так как анкеры могут получить натяжение и включиться в работу только после некоторого сдвига балок, когда сил трения окажется недостаточно. Анкеры в зданиях ставятся обычно для связи стен с перекрытиями не при нормальных условиях эксплуатации здания, а на случай возможного появления больших деформаций, которые могут быть вызваны неравномерными осадками фундаментов, потерей устойчивости, раздавливанием отдельных участков стен и т. п. В этих случаях наличие анкерной связи обеспечивает совместную работу отдельных элементов и отдаляет момент окончательного разрушения здания. В подвальном этаже нижняя опора стены принимается на уровне середины высоты бетонного пола.
Рис. 4. Схема действующих сил при внецентренной нагрузке стены междуэтажным перекрытием.
Несущая способность стен
Несущая способность стен регламентируется СНиП II-B.2-7 в зависимости от марки полнотелого кирпича и марки строительного раствора. Проведенные испытания стен из силикатных утолщенных кирпичей и камней различной пустотности показали, что расчетное сопротивление таких кладок может быть принято одинаковым с сопротивлением кладок из полнотелого кирпича.
Значения упругой характеристики α которая имеет стена из кирпича силикатного одинарного полнотелого и утолщенного пустотелого кирпича составляют 0,75 α кладок из керамических материалов. Упругие же характеристики кладок из пустотелых силикатных камней и из керамических материалов одинаковы.
