Сейсмические воздействия на высотные здания
|
Характеристика воздействия, сейсмические районы. Сотрясения земной поверхности вызывают движение, скорости и ускорения, изменение, продолжительность и характер которых весьма неопределенны и неравномерны. Их точная регистрация весьма сложна. В разных частях земного шара неодинакова вероятность возникновения землетрясения. Более 500 сейсмических станций регистрируют непрерывно с помощью сейсмографов землетрясения, их эпицентры, силу и распространение. Так, на основе многолетних наблюдений определяются области вероятного возникновения землетрясения сейсмического риска. Области характеризуются различной балльностью сейсмического воздействия. В нормах Чехии и других стран принята 12-балльная сейсмическая шкала Меркали—Канкали—Зиберга (Merkalli-Cancali-Sieberg). По шкале MCS землетрясения интенсивностью 1-4 балла не ощущаются на рельефе, но в домах ощутимы; при 5—7 баллах — уже ощутимы и на рельефе, а в конструкциях зданий могут возникнуть незначительные повреждения; при 8—12 баллах землетрясения считаются сильными, разрушительными и катастрофическими. Сейсмические области назначаются в зависимости от значения величин сейсмических воздействий, которое необходимо учитывать при проектировании и статическом расчете, при проверке конструкций зданий. Большинство стран имеют нормы сейсмической нагрузки и в них приводятся карты сейсмических областей. В Чехии действуют нормы CSN 73 0046 ”Сейсмические нагрузки на здания и сооружения”. К счастью территория Чехии не относится к районам с большими разрушающими землетрясениями. Однако и у нас имеются области с 7 и 8 баллами по шкале MCS (возле г. Комарны, в Малых Карпатах, возле г. Тилина). Данные о землетрясениях в Чехии минимальны, поэтому необходимо получать данные о них из изучения землетрясений в районах, где они происходят, как, например, в США (Калифорния, Сан-Франциско), Россия (Казахстан, Армения и другие районы), Япония и тл. Считает, что для вновь строящихся, особо ответственных высотных зданий было бы не плохо, если бы такие здания проверялись на воздействие 7 баллов по шкале MCS даже в тех случаях, если для них прямо в нормах это не требуется. Учет определенных требований сейсмики при проектировании зданий связан с увеличением расходов, однако надежность здания при этом повысится. Наиболее важными силами, вызванными землетрясением, являются горизонтальные силы. Вертикальные силы являются важными только для определенных элементов, например для консолей (тяжелых балконов). Обычно необходимо запроектировать конструкцию так, чтобы при средних землетрясениях она не получила повреждений, чтобы остальные повреждения были минимальными и чтобы при сильном землетрясении не было обрушений; а в необходимых случаях и значительных повреждений. Конструкции зданий, строящихся в сейсмических районах, должны иметь, с одной стороны, достаточную жесткость (прочность), необходимую для восприятия сейсмических воздействий, с другой стороны — достаточную деформативность (податливость) для поглощения энергии, передающейся на конструкции через фундаменты. Сейсмические нагрузки, проверка конструкций на сейсмические воздействия. Для расчета конструкции на сейсмическое воздействие применяются два способа: - расчет с помощью эквивалентной статической нагрузки, заменяющей динамические воздействия сейсмических колебаний; - учет поведения конструкции на сейсмическую нагрузку от внезапного движения основания.  В инженерной практике и в нормах, особенно для районов с сейсмичностью до 8 баллов по шкале MCS и для массовых объектов обычно применяется первый способ расчета. Эквивалентными горизонтальными сейсмическими силами выражаются все основные воздействия землетрясения. Эти силы прежде всего пропорциональны собственной массе несущих и дополнительных конструкций, определенной части временных нагрузок (временные перегородки, оборудование, прочно соединенное с несущими конструкциями, и т.п.), зависят от характера движений при землетрясении, от условий заложения фундаментов и динамических свойств самой конструкции. Нормативные значения сейсмических сил Fk, действующих в точках k (например, на уровне каждого этажа), в которых сосредоточены массы с нормативным весом Gk (рис. 5.14), определяют по формуле, кН  Нормативное значение сейсмических нагрузок считается одновременно и расчетным значением нагрузки. Сейсмические воздействия относятся к особым временным воздействиям, которые действуют без учета ветровой нагрузки. Нормативный вес Gk для вычисления сейсмических сил определяется по формуле  При вычислении Gk — к постоянным и временным нагрузкам относятся только те, которые являются силами тяжести, т.е. не принимаются во внимание силы от предварительного напряжения, силы в подвесках, динамические воздействия машин и др. Сейсмический коэффициент Кi вычисляется по формуле   Отдельные коэффициенты определять весьма сложно, поэтому их значение дано в нормах в виде простейших зависимостей, основанных на эмпирических данных. В частности, сложным является определение коэффициентов δ и ηk выражающих динамическое поведение сооружения, так как они зависят от периода собственных колебаний T0 и от влияния разных форм колебания. Эти значения трудно установить без проведения измерений на определенных конструкциях, так как они имеют большое разнообразие в зависимости от конструктивных схем, разного распределения масс, от совместной работы несущих и дополнительных конструкций. Поэтому в нормах даны для отдельных коэффициентов и характеристик определенные простейшие формулы. Для периода собственных колебаний здания приводится эмпирическая зависимость для основного периода каркасных зданий  Кроме этой формулы применяется еще более простая зависимость, с  Эти формулы дают лишь информационные значения, так как при их определении используются только внешние размеры. В действительности период собственного колебания зависит от массы здания, конструктивной системы (статическая схема, размеры, пространственность работы, материал), совместной работы несущих и дополнительных конструкций, от условий заложения фундаментов и т.п. Для ответственных зданий, особенно высоких и гибких, необходим более точный расчет. Точные методы определения периода собственных колебаний зданий приведены в работах. Для массовых не очень высоких конструкций наибольшее значение имеет период первой формы собственных колебаний. Высотные здания, у которых период колебаний второй или других, более высоких форм собственных колебаний меньше 0,1 с (частота собственных колебаний меньше 7-10 Гц), необходимо проверить на более высокие формы колебаний. Кроме того, необходимо определить динамическим расчетом более высокие периоды собственных колебаний (для вычисления динамического коэффициента δ) и соответствующие формы собственных колебаний (для коэффициента h). В большинстве случаев достаточно учитывать первые три формы собственных колебаний (рис. 5.15).  Проектирование зданий с учетом сейсмического воздействия. Вычисленные нормативные сейсмические нагрузки принимаются за расчетные нагрузки (коэффициент надежности по нагрузке n = 1). Сейсмическая нагрузка относится к особым временным нагрузкам, это означает, что они могут возникнуть в исключительных случаях и имеют характер природной катастрофы, поэтому остальные одновременно с ней действующие нагрузки необходимо принимать во внимание в зависимости от вероятности их появления, например одновременное действие ветровой нагрузки полностью исключается. В соответствии с CSN 73 0035 и CSN 73 0036, конструкции, подверженные действию землетрясения, должны удовлетворять следующей зависимости между комбинацией нагрузок и условием прочности:  Так как усилия были определены из условия упругой работы системы, а определенные конструкции благодаря действительной упругопластической работе могут воспринимать более значительные нагрузки, можно коэффициент условия работы т принимать более 1. В этом случае коэффициент т практически имеет одинаковое значение с ’’коэффициентом деформативности”, который учитывает повышенную несущую способность из-за упруго пластических резервов сечения и системы. CSN 73 0036 дают наибольшее значение: mp = 1,3 — для стальных и монолитных железобетонных конструкций, mp = 1,2—1 — для конструкций из кирпичной кладки и сборных элементов с недостаточным замоноличиванием. В последнее время эти вопросы усиленно исследуются, особенно проблемы расчета конструкций, работающих с учетом пластических деформаций, зависящих от появления трещин, и с учетом так называемой низкоцикловой усталости. Однако эти вопросы решены еще не полностью. Большие успехи имеются в применении методики прямых динамических исследований. Вычислительная техника позволяет решать модели с многими степенями свободы, моделировать затухания колебаний и определять для них оптимальные значения, учитывать совместную работу фундаментов, основания, других конструкций и иные факторы. Расчет основывается на линейной упругой работе, который достаточен для определения нормальных сейсмических нагрузок, однако недостаточен для рассмотрения исключительных ситуаций. Некоторые сведения о землетрясениях. В последние годы имеются большие успехи в исследованиях влияния землетрясений на здания. Так, доказано, что в сейсмических районах необходимо применять простейшие конструкции, как правило, симметричные и с равномерным распределением массы. Крайне нежелательны резкие изменения жесткостей от одного к другому этажу. Конструкции первого этажа должны передавать перемещения фундаментов, вызванные землетрясением, вверх, а поэтому они должны иметь большую вертикальную жесткость, в противном случае могут возникнуть тяжелые повреждения и разрушения. С точки зрения сейсмики не рекомендуются здания, имеющие размеры этажей в плане в уровне верхних этажей большие, чем в уровне нижних, т.е. сужающихся книзу здания. В сейсмических районах необходимо снижать массу зданий, исключать ’’неиспользованный материал”, особенно в верхних этажах, а также не размещать в них тяжелые перегородки, архивы, резервуары с водой и т.п. Эти требования наилучшим способом можно выполнить, применяя стальной каркас. Распределение массы имеет решающее значение, а поэтому в сейсмических областях необходимо требовать, чтобы здания имели симметричный план, основные массы располагались как можно ниже и были исключены эксцентриситеты больших сил, так как при сейсмических толчках при определенных условиях могут возникать большие крутящие моменты. Важно, чтобы здание имело большую жесткость на кручение. В несимметричных зданиях или с эксцентричным расположением ядер и стен жесткости возникают значительные крутящие моменты. Конструктивная система здания должна иметь во всех направлениях приблизительно одинаковые модули сопротивления. Удлиненные и длинные здания этим требованиям не удовлетворяют, так как система связей решается только с точки зрения восприятия ветровых нагрузок, которые в поперечном направлении значительно большие, чем в продольном, а сейсмические нагрузки практически одинаковы в обоих направлениях. При землетрясениях в Сан-Франциско (1906 г.) и Токио (1923 г.) впервые было доказано хорошее поведение зданий со стальными конструкциями на протяжении всего времени действия толчков. Очевидно, что причиной этого является большая деформативность стальных систем, которые благодаря работе в упруго пластической стадии способны воспринимать значительно большие нагрузки, чем при работе в упругой стадии, а также благодаря свойствам сталей деформироваться, поглощая значительную часть энергии сейсмических колебаний. Благоприятно сказывается на работе конструкции и податливость соединений, например болтовых. В железобетонных конструкциях эти свойства уже не однозначны, их поведение при динамических нагрузках сложнее и зависит от деформативности несущих элементов. Недостаточная деформативность железобетонных элементов вызывает прежде всего большие осевые усилия или силы сдвига. Изучаются возможности уменьшения сейсмических нагрузок на железобетонные сооружения путем упругого опирания фундаментов, применения каркасных систем вместо панельных, устройства тонких стен с отверстиями, поглощающими статическую энергию, обетонирования (с жестким армированием) стальных каркасов (вначале разрушается бетон, на что расходуется значительная часть сейсмической энергии, и при этом остается неразрушенной стальная конструкция) и т.п. Обследование конструкций зданий после землетрясений показывает, что соединения элементов конструкций оказывают значительное влияние на сейсмостойкость зданий. Стыки должны иметь одинаковую с соединяемыми стержнями несущую способность и деформативность, в противном случае стержни теряют способность поглощать энергию и снижается способность деформирования. |
