Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Чылбак Алдынай Александровна
В статье рассматриваются основные принципы обеспечения сейсмостойкости зданий, процесс передачи сейсмических нагрузок на здания и сооружения, основные конструктивные схемы.
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Чылбак Алдынай Александровна
Зависимость времени остановки работы канализационного трубопровода от глубины заложения (на примере г. Кызыл)
IMPACT of seismic forces on buildings and structures
The article discusses the basic principles of earthquake resistance of buildings, transfer seismic loads to buildings and structures, basic design scheme.
Текст научной работы на тему «Воздействие сейсмических сил на здания и сооружения»
1. Mayny, SH.B. Analiz avariy kanalizatsionnykh truboprovodov (na primere g. Kyzyla) / SH.B. Mayny // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. — 2015. — № 3(50). S. 197-201].
Что делать при землетрясение, если вы в помещении — советы МЧС России
2. SP 32.13330.2012 Kanalizatsiya. Naruzhnyye seti i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.04.03-85.
3. Terekhov, L. D., Ginzburg, A.V. Avariynost’ vodovodov BAMa. Materialy seminara MDNTP / Obespecheniye nadezhnosti sistem khozyaystvenno-pit’yevogo vodosnabzheniya. M.:MDNTP, 1989. S. 63-66.
4. Mayny, SH.B., Terekhov, L.D., Zaborshchikova, N.P. Metodika opredeleniya minimal’noy glubiny zalozheniya nachal’nogo uchastka kanalizatsionnykh truboprovodov v surovykh klimaticheskikh usloviyakh / SH.B. Mayny, L.D., Terekhov, N.P. Zaborshchikova // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. — 2016. — № 3(50). S. 116-122.
5. Dadar, A.KH. Arkhitekturno-stroitel’noye i organizatsionno-tekhnologicheskoye proyektirovaniye zdaniy v interesakh energoresursosberezheniya. Yestestvennyye i tekhnicheskiye nauki. 2015. № 8 (86). S. 101-104.
6. Bolotin, S.A., Dadar, A.KH., Oolakay, Z.KH., Chebokchinova, G.S. Metodika detalizatsii «novykh» norm prodolzhitel’nosti stroitel’stva na osnove statistiki SNiP 1.04.03-85. Izvestiye vuzov. Stroitel’stvo. — Novosibirsk: NGASU (Sibstrin), 2013. Vypusk 5 — S. 41-47.
7. Rekomendatsii po teplotekhnicheskim raschetam i prokladke truboprovodov v rayonakh s glubokim sezonnym promerzaniyem gruntov. — M.: NIIOSP, 1975. — 91 s.
ВОЗДЕЙСТВИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИЛ НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
Тувинский государственный университет, Кызыл
IMPACT OF SEISMIC FORCES ON BUILDINGS AND STRUCTURES
Tuvan state university, Kyzyl
В статье рассматриваются основные принципы обеспечения сейсмостойкости зданий, процесс передачи сейсмических нагрузок на здания и сооружения, основные конструктивные схемы.
Ключевые слова: сейсмические нагрузки, сейсмостойкость.
The article discusses the basic principles of earthquake resistance of buildings, transfer seismic loads to buildings and structures, basic design scheme.
Keywords: seismic loads, seismic stability.
Сейсмические нагрузки вызываются колебаниями земной поверхности в результате землетрясений. Сейсмические нагрузки вызывают различные повреждения в несущих конструкциях и даже разрушения не сейсмостойких сооружений. В связи с этим в районах, которые подвержены землетрясениям, необходимо применять меры, повышающие сопротивление конструкцийот сейсмических воздействий.
Правила поведения при землетрясении.
Основными принципами обеспечения сейсмостойкости, установленными на основе анализа повреждений зданий и сооружений при землетрясениях, являются: равномерное распределение сейсмических сил посредством применения простых форм в плане с равномерным и симметричным распределением объемов, масс и жесткостей несущих элементов; уменьшение сейсмических сил путем облегчения собственного веса конструкций и понижения их центра тяжести, а также увеличения допустимой гибкости несущих элементов; обеспечение восприятия значительных «пиковых» перегрузок за счет допущения пластических деформаций в отдельных сечениях, узлах и соединениях конструкций; обеспечение в максимально-возможной степени совместной пространственной работы всех несущих элементов зданий при сейсмическом воздействии [1].
Все здания и сооружения, возводимые в сейсмических районах, рассчитываются на одновременное действие собственного веса конструкций, снеговой нагрузки, временной нагрузки на перекрытия и сейсмической нагрузки. Расчет зданий и сооружений на действие сейсмических сил включает: определение величин и направлений сейсмических сил; непосредственный расчет конструкций на действие этих сил. Точное определение величин и направлений сейсмических сил, действующих на сооружение, невозможно, т. к. колебания земной коры в процессе землетрясения носят случайный характер и не могут быть описаны аналитически. Горизонтальная устойчивость зданий, проектируемых в сейсмических районах, обеспечивается рядом мероприятий, которые повышают горизонтальную жесткость здания и сооружения.
Для того чтобы рассмотреть воздействие сейсмических силна здания, необходимо определить основные принципы действия нагрузок и значение несущей конструкции для существования объекта, неизменяемости его формы, способности противостоять этим нагрузкам.
Задача несущих конструкций заключается не только в том, чтобы контролировать и нести собственный вес сооружения, но и воспринимать дополнительные нагрузки. При этом наибольший интерес представляет процесс не восприятия нагрузки, а передачи нагрузки, происходящий внутри конструкции.
Любая несущая конструкция работает в трех последовательных фазах:
Эти фазы называют работой конструкций, понимание которой является основополагающей предпосылкой для проектирования несущей конструкции, ее основной идеей. Движение сил достаточно ясно до тех пор, пока форма объекта соотносится с направлением воздействующих сил.
Изменение направления сил является предпосылкой для создания новых картин внешних воздействий, т.е. передача сил должна распределяться и проводиться по новым каналам. Поэтому отвод сил является принципом регулирования усилий в объекте. Проектирование несущей конструкции несет в себе задачу разработки системы восприятия нагрузок, которая соответствует уже заданной функциональной разработке или приближается к ней вплотную. Без несущей конструкции нет системы. Несущая конструкция должна проектироваться так, чтобы она могла противостоять действующим силам, т.е. мобилизовать силы противодействия, которые гарантируют равновесие [2].
Проект несущих систем сооружений не только предполагает обширные знания механизмов всех несущих систем, но и требует из-за своей зависимости от структуры плана и интеграции элементов технического оборудования, основополагающих знаний о внутренней взаимосвязи всех факторов, определяющих это сооружение.
Здания и сооружения, проектируемые в сейсмических районах требуют неразрывности элементов и конструкций, которые передают нагрузку на основание, и тем самым согласованности передачи нагрузок для каждого этажа.
Несущие системы зданий в сейсмических районах — это системы из прочных жестких элементов, располагаемых преимущественно в вертикальном протяжении, в которых перераспределение сил, а именно, фокусирование и заземление горизонтальных сил, осуществляется определенной «устойчивой по высоте» структурой.
По типу несущей конструкции здания и сооружения можно подразделить на:
— рамные (каркасные конструкции),
— с несущими стенами,
Рис. 1. Типы зданий по типу несущих конструкций
Основная задача проектировщика состоит в том, чтобы по возможности интегрировать эти три системы и создать такую конструктивную основу, которая бы взяла на себя все эти функции.
Сейсмические нагрузки — это горизонтальные силы, вызванные воздействием землетрясения, создают различные комплексные движения и деформации в сооружении. При воздействии горизонтальных сил появляются такие деформации как: изгиб, сдвиги на разных уровнях сооружения, опрокидывание, наклон, кручение, колебания.
/ I / / I ‘ I Я I 1 11
Рис. 2. Деформации здания при горизонтальном воздействии сил.
Поэтому одной из главных задач при проектировании несущих конструкций является защита сооружений от такого рода изменений или сведение их к минимуму. Для придания жесткости конструкции при воздействии горизонтальных нагрузок используют различные приемы.
Высокую сейсмостойкость обеспечивают крупнопанельные здания и здания с монолитными многослойными железобетонными стенами. В крупнопанельном строительстве для повышения сейсмостойкости зданий их проектируют таким образом, чтобы в них было большое количество вертикальных диафрагм (несущие стены).
Эти диафрагмы несут функцию жестких связей и способны гасить энергию землетрясения. При строительстве высотных зданий, очень важно добиться того, чтобы они были жесткими, и в них не возникали недопустимые деформации. Для этого каждое из этих зданий должно иметь так называемое ядро жесткости.
В центре объекта возводят жесткий пространственный стержень из монолитного железобетона. Он занимает 30% от площади каждого этажа. Именно эта конструкция и удерживает небоскреб во время сильных ветров, осадков и колебаний основания. Их отличительной чертой является фундамент глубокого заложения. Важное значение на
сейсмостойкость оказывают системы междуэтажных перекрытий и покрытий, работающих как диафрагмы жесткости, обеспечивающие распределение сейсмической перегрузки на вертикальные несущие конструкции.
Появление современных видов строительных материалов, типов конструкций, технологий приводит к появлению нового поколения зданий и сооружений, которые по сравнению с построенными ранее являются более легкими и гибкими. Большие открытые пространства внутри здания, балки большого пролета,большая высота здания существенно уменьшают несущую способность. Такие сооружения, как правило, характеризуются повышенной чувствительностью к горизонтальным воздействиям. В связи с этим учет горизонтальных воздействий на здание становится одним из основополагающих факторов при расчете здания на прочность. Ведутся постоянные исследования и поиск новых более точных и совершенных методов расчета, дающих возможность проектировщику оценивать горизонтальные воздействия с большей степени точности, чем это требовалось раньше.
Задача проектировщика состоит в том, чтобы обеспечить такую работу здания под воздействием сейсмических нагрузок, которая отвечала бы требованиям надежности и пригодности к нормальной эксплуатации в течение всего срока его службы. Определение воздействия сейсмических нагрузок на здания и инженерные сооружения в большинстве случаев приводит к весьма сложным проблемам, решение которых требует особо серьезного внимания.
1. Основы проектирования зданий в сейсмических районах. / Под ред. И. Л. Корчинского. — М.: Стройиздат, 1961.
2. СНиП II-7-81 * Строительство в сейсмических районах. М.: Госстрой России, 2000.
1. Osnovy proektirovaniya zdaniy v seismicheskih raionah. / Pod red. I.L. Korchinskogo. -M.: Stroyizdat, 1961.
2. SNIPII-7-81* Stroitelstvo v seismicheskih raionah. M.: Gosstroi Rossii, 2000.
Источник: cyberleninka.ru
Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях.
требованиям, направленным на повышение прочности зданий. Это и специальные фундаменты; и способы крепления стен зданий; и металлические «обручи», которыми, как бочку, опоясывают здание, предотвращая, тем самым, развал панелей стен дома; это и ограничение этажности и еще много других специальных антисейсмических приемов, направленных на усиление конструкции в уязвимых местах. Колебание сооружения зависит от многих факторов: от формы и глубины заложения фундамента, от жесткости конструкции, от типа грунтов, от резонансных частот и пиковых амплитуд предельно допустимого смещения. Дело в том, что возникновение резонансных колебаний влияет на контакт фундамента с грунтом. По мнению Е.А.Вознесенского, особую опасность представляют маятниковые колебания, резонансное усиление которых, при расположении
у центра тяжести сооружения далеко от его фундамента, например, трубы, высотные здания, высокие мостовые опоры, телебашни и др. Раскачивание таких сооружений приводит к их разрушению (рис. 18.4.1; 18.4.2). Чрезвычайно важно знать некоторые важные характеристики грунтов, такие как модуль сжатия, модуль сдвига, коэффициент затухания колебаний, вязкость грунтов, их слоистость, степень изотропности, влажность. Рыхлые увлажненные грунты – глины, пески, суглинки меняют свои механические свойства, когда через них проходят упругие сейсмические волны. Особенно опасно разжижение водонасыщенного грунта, когда при колебаниях исчезают контакты между
зернами, слагающими грунт, и последние оказываются как бы «взвешенными» в воде, которая содержалась в порах (рис. 18.4.3).
При этом прочность грунта резко снижается и сооружения либо разрушаются, либо наклоняются, перекашиваются или даже «тонут». Подобное катастрофическое разжижение грунтов наблюдалось во время землетрясений 1964 г. 27 марта у берегов Аляски около г.Анкоридж (М=8,4) и 16 июня в Ниигате, Япония (М=7,5).
Землетрясения приводят к активизации оползней и оползней-потоков в горных районах. Во время Хаитского землетрясения в Таджикистане в 1949 г. с М=8,0, сорвавшиеся со склонов гор оползни-обвалы привели к гибели 25000 человек.
Таким образом, избирательное усиление колебаний грунта определенных частот, потеря прочности грунтов и их разжижение, а также возникновение оползней – потоков и обвалов – вот что приводит к разрушению жилых зданий и промышленных сооружений во время землетрясений.
Рис. 18.4.1. Землетрясение 1954 г. Алжир
Рис. 18.4.3. Разжижение грунта
при землетрясении ( по Е.А.Вознесенскому). а – рыхлые водонасыщенные пески с крупными порами до землетрясения, б – фрагмент сейсмограммы, в – момент разжижения ( связи между частицами грунта разорваны и они оказываются взвешенными в воде), г — уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц
Цунами
Термин «цунами» в переводе с японского означает «большая волна в заливе». В нашей стране он стал известен после трагедии на Курильских островах, когда в 1952 г. в результате огромной волны до 12 м высотой, был полностью разрушен г.Северо-Курильск на о.Парамушир.
В результате подводного землетрясения, происходящего в открытом океане, возникает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью. Это возмущение обусловлено быстрым поднятием или опусканием морского дна, которое приводит к возникновению на поверхности океана длинных гравитационных волн, называемых волнами цунами.
Длина волн цунами определяется площадью эпицентральной области и может достигать сотни и даже больше км. Если где-то в океане происходит мгновенное поднятие дна, то на поверхности воды возникает как бы водяная «шляпка гриба» высотой в 5-8 м. Затем она распадается с образованием круговых волн, разбегающихся в разные стороны. Иногда в этой водяной «шляпе» наблюдаются всплески, небольшие фонтаны, брызги, появляются кавитационные пузырьки. Если какое-нибудь судно попадает в такую зону, то оно подвергается мощным ударам, вибрации и звуковому воздействию, причиной которой являются сейсмоакустические волны сжатия с амплитудой до 15 Мпа.
Рис. 18.5.1. Образование цунами. 1 – до землетрясения, светлое – вода, точки – океаническое дно; 2 – землетрясение вследствие сброса на дне, на поверхности океана возникает впадина; 3 – на месте впадины образуется купол воды; 4 – купол распадается на круговые волны
Распространяясь во все стороны от эпицентральной области, волны проходят очень большие расстояния. Например, после сильного землетрясения 4 октября 1994 г. вблизи
о.Шикотан Курильской островной дуги с М=8,0 по шкале Рихтера, волны достигали побережья Южной Америки через 20-21 час. Чаще всего скорость распространения волн цунами не превышает 200 км/час, в то время как скорость сейсмических волн составляет несколько км/сек, что позволяет выдать прогноз возникновения цунами после землетрясения, которое регистрируется почти мгновенно, и оповестить население о приближающейся опасности. Скорость, с которой волна цунами подходит к берегу равна:
где Н – глубина океана g = 9,81 м/сек 2 — гравитационное ускорение. Например, если землетрясение происходит вблизи Курильской гряды и Восточной Камчатки, то время пробега волны цунами составляет всего 10-60 минут, что очень мало для принятия срочных мер по эвакуации населения.
Когда волна цунами высотой в 5-6 м подходит к отмелому берегу, ее высота начинает возрастать до нескольких десятков метров в силу различных причин. Явление увеличения высоты волны на пологом берегу хорошо известно, особенно любителям поплавать на доске перед гребнем волны. «Выросшая» в своей высоте волна цунами всей мощью обрушивается на пологий берег, сметая все на своем пути и проникает вглубь побережий иногда на десятки км.
Цунами чаще всего происходят в Тихом океане, где за последние 10 лет их произошло более 70. Так, 02.09.1992 волна высотой в 10 м на побережье Никарагуа привела к гибели около 170 человек. 12.12.1992 г. цунами высотой до 26 м в Индонезии погубило более 1000 человек. 17.08.1998 г. цунами высотой до 15 м обрушилось на Папуа-Новую Гвинею, во время которого более 2000 человек оказались смытыми волной в лагуну, в которой они утонули или были съедены крокодилами.
На Тихоокеанском побережье России цунами за последние 300 лет наблюдались 70 раз, причем самое разрушительное цунами произошло 04.11.1952 г.. когда волной около
10 м был сильно разрушен г.Северо-Курильск на о.Парамушир. Остальные цунами, хоть и вызывали сильные разрушения, но человеческих жертв не было.
Цунами возникают не только в результате землетрясений. Известен случай на Аляске 09.07.1958 г., когда в бухту Литуя со склонов горы Фейруэзер сошел огромный
оползень в 80 млн. м 3 , вызвавший волну в 524 м высотой, что почти равно Останкинской телевизионнной башне в Москве! Такая высота установлена по заплеску волн на склонах гор.
К появлению цунами приводят и взрывы вулканических островов. Например, цунами, возникшее при гигантском взрыве вулкана Кракатау в Зондском проливе 26 августа 1883 г., привело к гибели 36 000 человек, а волны достигли Африки и обогнули ее,
так какв Англии был зарегистрирован подъем воды на 15 см. Под воздействием цунами, по-видимому, погибла Минойская цивилизация на о.Крит в Эгейском море, когда в XV в. до н.э. произошло мощное взрывное извержение вулкана Санторин.
В очаге цунами нередко происходит быстрый подъем к поверхности холодных глубинных вод и при этом температура поверхностной воды в диаметре до 500 км понижается на 5-6°С и подобная аномалия держится более суток. Такие аномалии уже много раз зафиксированы со спутников в океанах вблизи Тихоокеанского побережья Америки, в Охотском море и других местах.
Существует специальная служба оповещения о приближающемся цунами. Однако,
ее эффективность не очень высока, т.к. не каждое землетрясение в океане вызывает цунами. Поэтому большой процент ложных тревог. На побережье Японии вдоль дорог установлены плакаты, на которых написано: «Путник, помни о землетрясении; услышав землетрясение, помни о цунами; увидев цунами, беги в гору». И это, нередко, единственная возможность спастись от разрушающей волны.
Сейсмические колебания океанического дна вызывают такое явление, как моретрясение,при котором море мгновенно«вскипает»,образуются стоячие волнывысотой до 5-6 м, водяные бугры, остающиеся на одном месте. Все это напоминает кипящее масло на сковородке. Нередко моретрясение сопровождается сильным гулом.
Это явление зафиксировано экипажами кораблей, подвергавшихся жуткой тряске, ударам по корпусу и вибрации, вызывавших даже разрушения на палубах. Моретрясения возникают при особом типе колебания океанического дна, когда образуются высокоэнергетические акустические волны. Если колебания дна происходят со скоростью 1 м/с, то на фронте волны сжатия скачок давления достигает 15 атмосфер. Именно такая волна воспринимается судном как удар.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Источник: cyberpedia.su
СТРОИТЕЛЬСТВО В ОСОБЫХ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Строительство в сейсмических районах. Общие положения
Под особыми геофизическими условиями строительства понимают такие, при которых в процессе проектирования, строительства и эксплуатации учитываются дополнительные воздействия, могущие вызвать недопустимые деформации, способные привести даже к разрушению зданий или ухудшающие их санитарно-гигиенические качества. Наиболее распространенными воздействиями являются сейсмические, возникающие в результате землетрясений.
Землетрясением называют упругие колебания земной коры, вызванные в большинстве случаев тектоническими процессами в ее толще, часто связанные с извержением вулканов или обвалами потолков подземных карстовых пород. Сила землетрясения оценивается в баллах. В России и ряде других стран принята 12-балльная шкала. Землетрясения интенсивностью до 6 баллов особых повреждений зданиям и сооружениям не причиняют. В них могут возникнуть отдельные трещины, чаще всего в отделочных слоях.
При землетрясении в 6 баллов, которое считается уже сильным, могут произойти разрушения штукатурки, возникнуть трещины в ограждениях, но, как правило, неопасного характера. Опасными являются землетрясения силой 7 баллов и выше, при которых имеют место значительные повреждения зданий, разрушения и обвалы. В результате землетрясения наблюдаются разрушения пород и большие остаточные деформации внутри Земли. Ограниченный участок внутри Земли, в котором начался процесс сдвига, называют гипоцентром (или фокусом) землетрясения. Проекцию фокуса на поверхности Земли называют эпицентром, расстояние от эпицентра до любой точки на поверхности Земли — эпицентральным расстоянием.
Механизм распространения сейсмических волн из очага землетрясения схематически показан на рис. 17.1, а. Кривыми линиями отмечены зоны интенсивности воздействия, которые уменьшаются по мере удаления от эпицентра. Кривые, соединяющие точки с одинаковой интенсивностью, называют изо- сейсмами.
В эпицентральной зоне вертикальная составляющая преобладает над горизонтальными, а по мере удаления от эпицентра уменьшается, при этом горизонтальная составляющая уже главная (рис. 17.1, б). Она и является наиболее опасной для зданий и сооружений.
В России к сейсмическим районам с силой землетрясения 6 баллов и более относят Прикарпатье, Крым, Кавказ, республики Средней Азии, Алтай и Саяны, Прибайкалье, Верхоянскую зону, Чукотку, Сахалин, Камчатку и Курильские острова. Таким образом, свыше 20 % территории России занимают районы, подверженные землетрясениям. Нормами проектирования зданий и сооружений в этих районах предъявляются специальные требования по обеспечению сейсмостойкости.
Рис. 17.1. Характеристика очага землетрясения: а — схема распространения сейсмических волн; б — характер колебаний точки грунта в зависимости от удаления от эпицентра
При проектировании сейсмичность пункта строительства определяют по нормам или картам сейсмичности, после чего на основании СНиП 11-7-81 «Строительство в сейсмических районах» устанавливают расчетную сейсмостойкость для проектируемого здания. В зависимости от назначения здания, его значимости, этажности и количества находящихся в нем людей расчетная сейсмостойкость может быть равна, больше или меньше расчетной.
Источник: bstudy.net
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
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.
Источник: ctcmetar.ru