Investigation of the stress-strain state of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings

Abstract

EN: Problem statement. The use of timber in multi-storey buildings is a promising direction in terms of reducing the impact of the construction industry on the environment. Hybrid buildings represent a rational combination of timber as the main structural material and reinforced concrete for spatial stability providing. At present time there are no recommendations for the choice of structural system of multi-storey hybrid buildings, the issues of joint work and stress-strain state of load-bearing structures of timber and reinforced concrete in the spatial system of multi-storey buildings are insufficiently studied. The article is devoted to the analysis of the stress-strain state of hybrid timber-reinforced concrete multi-storey buildings. In the study, the number of storeys of the building was accepted of 5, 10 and 15 floors. The type of the joints between of the load-bearing structures and the method of ensuring spatial rigidity, namely the number and location of the shear walls and the rigidity core, were varied. For each option, a spatial finite element model was compiled and a static load analysis was performed in accordance with the requirements of current design standards. Results and conclusion. The data on the magnitude of the horizontal displacements of the upper part of the building, as well as the maximum values of the forces from adverse combinations of loads, were obtained. The analysis of the stability of the building and the bearing capacity of timber columns were performed. Based on the results obtained, the recommendations are proposed for choosing a structural scheme, a method for ensuring the spatial rigidity of a building, as well as assigning cross-sectional dimensions at the initial stage of the design of a hybrid timber-reinforced concrete multi-storey building.

UK: Постановка проблеми. Гібридні конструкції, завдяки раціональному поєднанню властивостей, дозволяють збільшити несну здатність та просторову жорсткість будівля, що дає можливість багатоповерхового будівництва з використанням деревини як основного конструкційного матеріалу. Застосування деревини в багатоповерховому будівництві є перспективним напрямком з точки зору зменшення впливу будівельної галузі на навколишнє середовище. На сьогоднішній день відсутні рекомендації щодо вибору конструктивної системи багатоповерхових будівель гібридної системи, питання спільної роботи та напружено-деформованого стану несучих конструкцій з деревини та залізобетону в просторовій системі багатоповерхової будівлі досліджені недостатньо. Мета статті полягає у дослідженні напружено-деформованого стану гібридних дерево-залізобетонних багатоповерхових будинків. Для аналізу було прийнято квадратний у плані будинок-прототип. Під час моделювання варіювалася кількість поверхів (5, 10 та 15), тип сполучення між несучими конструкціями (колонами та балками) та спосіб забезпечення просторової жорсткості (кількість та розташування діафрагм та ядра жорсткості). Для кожного варіанту з використанням програмного комплексу ЛІРА − САПР була складена просторова скінченноелементна модель та проведено статичний розрахунок відповідно до вимог чинних стандартів проектування. Результати та висновки. Проведена оцінка впливу конструктивної системи, поверховості та способу забезпечення просторової жорсткості на напружено-деформований стан багатоповерхових гібридних будівель.Отримані дані щодо горизонтальних переміщень свідчать про те, що просторова жорсткість забезпечується: для 5 та 10-поверхових будівель для всіх варіантів, крім шарнірних з'єднань елементів каркаса без додаткових заходів щодо забезпечення просторової жорсткості; для 15-поверхової будівлі для жорстких з'єднань елементів та для шарнірних з'єднань з ядром жорсткості або чотирма діафрагмами. За результатами аналізу коефіцієнта використання несучої здатності колон було встановлено, що прийняті розміри поперечного перерізу забезпечують несну здатність відповідно до вимог чинних нормативних документів. Виняток становить 5-поверхова будівля з шарнірними з'єднаннями, а також 10-поверхова будівля з жорсткими стиками між елементами (коефіцієнти використання 1,96 та 1,11, відповідно). Запропоновані рекомендації щодо вибору конструктивної схеми, способу забезпечення просторової жорсткості будівлі, а також призначення розмірів поперечного перерізу на початковому етапі проектування гібридної дерево-залізобетонної багатоповерхової будівлі.

RU: Постановка проблемы. Использование древесины в многоэтажных домах является перспективным направлением с точки зрения снижения воздействия строительной отрасли на окружающую среду. Гибридные здания представляют собой рациональное сочетание древесины как основного конструкционного материала и железобетона для обеспечения пространственной жесткости. В настоящее время отсутствуют рекомендации по выбору конструктивной системы многоэтажных гибридных зданий, вопросы совместной работы и напряженно-деформированного состояния несущих конструкций из дерева и железобетона в пространственной системе многоэтажных зданий недостаточно изучены. Статья посвящена анализу напряженно-деформированного состояния гибридных железобетонных многоэтажных зданий. Для анализа было принято квадратное в плане здание. При моделировании варьировалась количество этажей (5, 10 и 15), тип сопряжения между несущими конструкциями и способ обеспечения пространственной жесткости. Для каждого варианта была составлена пространственная конечноэлементная модель и выполнен статический расчет в соответствии с требованиями действующих стандартов проектирования. Результаты и выводы. Получены данные о величине горизонтальных перемещений верхней части здания, а также о максимальных значениях усилий от неблагоприятных сочетаний нагрузок. Проведен анализ устойчивости здания и несущей способности деревянных колонн. На основании полученных результатов предложены рекомендации по выбору конструктивной схемы, способа обеспечения пространственной жесткости здания, а также назначению размеров поперечного сечения на начальном этапе проектирования гибридного дерево-железобетонного многоэтажного здания.