Для двух зданий

Целесообразность использования простого отношения длины стенового заполнения к площади перекрытия зависит от двух основных факторов: площадь перекрытия должна находиться в требуемом соответствии с массой здания, а следовательно, и с прилагаемыми нагрузками; длина стен должна быть точным индикатором несущей способности, обеспечиваемой связевой системой. Изменения в объемно-планировочной компоновке стеновых элементов (наличие симметричности расположения, несимметричности и др.) в свойствах используемых строительных материалов, а также в типе стыковых соединений, других конструктивных деталях, абсолютных размерах и характеристиках диафрагм оказывают существенное влияние на работу всего здания; однако отношение длины стен к площади перекрытия является полезным критерием и от него не следует отказываться. Указанное отношение принадлежит к перспективным аспектам проектирования с учетом его установления применительно к различным строительным системам, архитектурно-планировочным решениям, сейсмическим зонам и другим параметрам (рис. 10.4.9).

Углы зданий.Углы зданий являются особой проблемой проектирования сейсмостойких конструкций. Входящие или внутренние углы формы L описываются в последующих главах. Что касается наружных углов зданий, то за счет возникновения "ортогонального эффекта" они также создают определенные сложности расчета конструкций на сейсмические нагрузки. Движение грунта по диагонали к зданию может создавать напряжения в его конструкциях (особенно в угловых элементах), которые значительно больше тех, которые возникают вдоль основных осей. В углах здания прогиб стены в одной плоскости может вызывать недопустимый прогиб стены перпендикулярного направления. Такое взаимодействие может быть усилено при отсутствии сплошной стены у рассматриваемого угла, как и было в одном из зданий, пострадавших во время землетрясения на Аляске, 1964.

Несущая способность элементов, расположенных по периметру здания.В примерах на рис. 10.4.10 несмотря на одинаково симметричное решение плана с равным количеством диафрагм, проектные положения последних существенно отличаются друг от друга. На плане справа они образуют плечо рычага большей длины для сопротивления действию опрокидывающих и крутящих моментов. При проектировании сейсмостойких конструкций рекомендуется уделять особое внимание явлениям кручения. Рекомендуется также предусматривать в конструктивных решениях зданий повышенной этажности симметрично расположенные каркасы, работающие на восприятие моментов (независимо от типа стеновых элементов); при этом в каждом здании обеспечивается такое сопротивление горизонтальным нагрузкам, которое допустимо для несущих конструкций периферийных зон. В особенности это важно для зданий с навесными панелями, в которых необходимо компенсировать отсутствие несущих элементов в периферийной зоне, что было характерно для зданий старой постройки, надежная работа которых послужила основой при разработке нормативных документов на проектирование сейсмостойких конструкций.

	Рис. 10.4.10. Проектное положение вертикальных диафрагм для восприятия моментов кручения и опрокидывания: L - плечо рычага
	Рис. 10.4.11. Целесообразное расположение несущих элементов по периметру здания

При сопротивлении крутящему моменту, когда центр кручения здания с симметричным планом совпадает с геометрическим центром, увеличение расстояния расположения элементов от этого центра соответствует большая длина плеча рычага, а следовательно, и восприятие большего момента. Отсюда следует, что с точки зрения геометрических параметров наиболее оптимальным архитектурно-планировочным решением следует считать круглый план здания (рис. 10.4.11), хотя существует множество других достаточно эффективных конфигураций. Во всех случаях наиболее целесообразным является конструктивное решение, предусматривающее расположение несущих элементов по периметру здания, независимо от того, будут ли это стеновые перегородки, каркасы, рамы с элементами жесткости, а воспринимаемые нагрузки - горизонтальные усилия, кручение или и то и другое вместе.

Здания круглые в плане, имеющие одинаковую несущую способность во всех направлениях, в наибольшей степени отвечают требованиям сейсмостойкого проектирования, учитывающим те неопределенности, которые могут возникнуть во время землетрясения. Принимая вероятность воздействия сейсмических нагрузок по любому из возможных направлений, следует также говорить о неодинаковости сейсмических движений грунта в разных направлениях. Если бы мы могли точно знать направление оси, по которой ожидается воздействие сейсмической нагрузки, то именно в этом направлении следовало бы усилить несущие конструкции. При одинаковой массе материала жесткость двутавра в 1,5 раза больше, чем жесткость трубчатого элемента на изгиб относительно оси. Однако на сдвиг жесткость трубы выше в пять раз по сравнению с жесткостью двутавра, и еще выше при кручении. Круглый план здания скорее можно считать компромиссным, а не идеальным решением; он способствует максимальному сокращению отрицательных явлений, которые могут возникнуть при воздействии сейсмической нагрузки.

НАРУШЕНИЕ СИММЕТРИИ ПРОСТЫХ ПЛАНОВ

Изменение прочности и жесткости по периметру конструкций.На работу здания в условиях воздействия сейсмических нагрузок большое влияние оказывают конструктивные особенности элементов по периметру. В случае большого изменения прочности и жесткости в элементах, расположенных по периметру здания или сооружения, центр распределения масс не совпадает с центром жесткостей, в результате чего крутящие моменты будут стремиться повернуть здание вокруг центра жесткостей (рис. 10.5.1).

Такие нагрузки часто вызывают повреждение и разрушение здания. Влияние кручения наилучшим образом можно проиллюстрировать на одном из наиболее характерных зданий (рис. 10.5.2): боковые и задние стены почти не имеют проемов, а стена фасада с многочисленными окнами, выходящими на улицу, является достаточно открытой. При действии сейсмической нагрузки конструкции задних и боковых стен сохраняют свою жесткость, но стена фасада становится гибкой, а кровельное покрытие стремится к скручиванию. Проведенные исследования показали, что колонны, расположенные в конструкции стены фасада, будут дополнительно испытывать большие напряжения от кручения.

Рис. 10.5.1. Неуравновешенное сопротивление в горизонтальной плоскости. Реактивное усилие R и инерционная нагрузка F приложены внецентренно.

1 - угловой участок; 2 - центр вращения; 3 - центр масс в горизонтальной плоскости; 4 - перемещение грунта

Если здания с одинаковым решением плана имеют равномерно распределенные диафрагмы жесткости, то при рассмотрении только поперечных деформаций легко определить, что прогиб открытого торца здания при кручении изменяется пропорционально квадрату длины здания. Здания с величиной отношения длины к ширине, равной 1 / 2 или менее, не будут иметь больших разрушений от кручения во время землетрясения, так как полный прогиб от кручения увеличивается незначительно. При увеличении отношения длины к ширине свыше 1 / 2 величины дополнительного прогиба от кручения возрастают очень быстро, и при отсутствии специальных антисейсмических мероприятий свободный торец здания подвергнется интенсивному разрушению.

Рис. 10.5.2. Прогиб при кручении здания с гибкой стеной фасада

Магазин Брока серьезно пострадал во время землетрясения в 1952 г. в Керн-Каунти, Калифорния. Фасады этого здания выходят на три улицы, и поэтому конструктивное решение включало каркасную систему с оконными проемами. Четвертая сторона периметра здания примыкала к соседнему дому и была выполнена сплошной (рис. 10.5.3). Неравномерное распределение жесткости элементов в плане вызвало большие разрушения в результате кручения. Согласно проведенным расчетам на жесткость южной стены второго этажа приходилось от 80 до 90% суммарной жесткости элементов этого этажа в направлении запад-восток.

Рис. 10.5.3. Фасады здания магазина Брока, показывающие различные варианты расположения оконных проемов

1 - 1-й этаж; 2 – мезонин (антресоли); 3 - 2-й этаж; 4 - 3-й этаж

Основная цель любого решения данной проблемы заключается в уменьшении вероятности появления кручения. Для осуществления этого можно использовать одно из следующих четырех решений (рис. 10.5.4). Первое - разработка каркасной конструкции с приблизительно равной жесткостью и прочностью элементов по всему периметру здания. Сплошные конструкции периметра могут выполняться из ненесущих элементов, не оказывающих влияния на работу каркаса при воздействии сейсмических нагрузок. В этом случае могут использоваться легкие материалы или полностью изолированное от каркаса заполнение из тяжелых материалов, таких, как железобетон кирпичная кладка. Жесткая диафрагма отделена от трех гибких стен, усиленных каркасом с разделительным швом, который позволяет независимое перемещение. Второе - увеличение жесткости открытых фасадов за счет установки дополнительных диафрагм, располагаемых у открытых фасадов или вблизи них. Выбор решения зависит от особенностей данного проекта. Третье - использование в конструкции открытых фасадов усиленных рамных или связевых каркасов, которые по прочности и жесткости приближаются к сплошным стеновым элементам. Выбор этого решения зависит от размера фасада в плане: жесткость длинноразмерной металлической рамы не может приблизиться по жесткости к такой железобетонной стеновой панели. Удачным конструктивным решением можно считать здания жилых домов, имеющих деревянный каркас и гараж в нижнем этаже, так как жесткость даже длинноразмерной металлической рамы может быть равной жесткости диафрагм, т. е. перегородок, выполненных из клееной фанеры. Четвертое – расчет конструкций осуществляется на основе допущения о возможности кручения. Такое решение пригодно только для сравнительно небольших сооружений с жесткими диафрагмами, конструкция которых обеспечивает совместность их работы.

Решение 1. Рамная конструкция с равной прочностью и жесткостью по периметру	Решение 2. Поперечные диафрагмы добавлены вблизи открытого фасада	Решение 3. Жесткие рамные или связевые каркасы встроены в стену фасада	Решение 4. Открытый фасад, фактор кручения учтен при расчете

Рис. 10.5.4. Возможные решения зданий с открытым фасадом

Проектное положение ядер (стволов) жесткости. Псевдосимметрия. Размещение внутренних жестких вертикальных диафрагм обычно вступает в противоречие с требованиями функционального назначения, гибкости планировочного решения и открытого пространства; наружные стены при допущении большого количества проемов могут превратиться в раму. Поэтому наиболее часто у многоэтажных зданий роль диафрагм жесткости выполняют ядра (стволы) жесткости. Конструирование и расчет этих массивных элементов жесткости приобретает особенно большое значение в условиях сейсмического воздействия. Большое внимание при этом следует уделять вопросу расположения ядер жесткости относительно общей симметрии здания, так как в случае асимметричного местоположения возможность появления кручения резко возрастает.

Рис. 10.5.5. План здания Банко Сентраль, Манагуа

В архитектурном проектировании часто используется термин "псевдосимметрия", определяющий решение плана зданий, которые с внешней стороны кажутся простыми, правильными по форме и симметричными по конфигурации, однако за счет компоновки несущих элементов являются конструктивно асимметричными. Справедливость этой концепции подтверждается следующими примерами. Здание Банко Сентрал в Манагуа представляет 15-этажную железобетонную конструкцию, возведенную в 1962 г. (рис. 10.5.5). План здания представляет простой прямоугольник с несущей рамой, работающей на горизонтальные нагрузки. В направлении восток-запад ствол лифтовой шахты, расположенный в одном конце здания, имеет достаточную жесткость для сопротивления воздействию поперечной нагрузки, величина которой приблизительно равна 35% полной горизонтальной нагрузки. Во время землетрясения в 1972 г. это здание подверглось серьезным повреждениям; при этом разрушены были как несущие, так и ненесущие элементы конструкции. К наиболее серьезным конструктивным повреждениям следует отнести появление трещин в плите перекрытия вблизи шахт лифтов и лестничных клеток. Основные перемещения зарегистрированы в направлении восток-запад; жесткость железобетонных стен лифтовых шахт была значительно больше, чем жесткость рам, в результате чего в этих зонах перекрытие "разорвалось". Кроме этого, почти на всей площади перекрытия были обнаружены трещины толщиной 12,7 мм. Особенно сильно во время этого землетрясения пострадали ненесущие элементы, что произошло в результате интенсивных толчков, воздействующих на сравнительно гибкую раму (каркас), увеличивающихся за счет внецентренного расположения инженерного ствола здания. Так как в основном толчки грунта проходили в направлении восток-запад, здание не подверглось сильному воздействию кручения, которое могло бы возникнуть в связи с тем, что жесткое несущее ядро здания было смещено от центра.

Здание жилого дома Фор Сизонз в г. Анкоридж, Аляска, представляло собой шестиэтажную железобетонную конструкцию, возведенную методом подъема этажей, с простым прямоугольным планом и двумя симметрично расположенными железобетонными стволами жесткости: один - для лифта,другой - для лестничной клетки. Ствол, расположенный в южной части здания, был частично изолирован от перекрытия вырезом по каждому этажу (рис. 10.5.6). Во время землетрясения это совершенно новое здание было полностью разрушено. С точки зрения архитектурно-планировочного решения здание имело три основных недостатка:

1. две шахты не были соединены между собой в уровне фундамента (см. разрез);

2. несмотря на то, что внешне обе шахты кажутся одинаковыми, стены северной шахты создали значительно большую жесткость сечения, а следовательно, и псевдосимметрию, в результате чего несущая способность на действие изгибающих нагрузок этой шахты превышала на одну четверть несущую способность южной шахты;

3. за счет проема атриума в перекрытиях (которой расположен между двумя стволами жесткости здания) уменьшилась площадь контакта перекрытия и ядра.

План и разрез(1- проем)	1 - южное ядро; 2 - северное ядро

Рис. 10.5.6. План и разрез жилого дома Фор Сизонс, землетрясение в г. Анкоридж 1964 г.

Кроме того, здание построено на местности с большим перепадом отметок, имеет разное количество этажей (фундаменты неразрезные, в разных уровнях) и не имеет деформационных швов, а покрытие в одном уровне.

Очевидно, что одной из наиболее важных проблем при проектировании сейсмостойких конструкций следует считать создание баланса несущих элементов с точки зрения их расположения относительно всей конструкции здания, а также их локального расположения на каждом из этажей или между отдельными конструктивными частями здания. В случае центрального или периферийного расположения ствола или стволов жесткости в здании с симметричным решением плана уменьшается потенциальная возможность проявления кручения и воздействия толчков землетрясения на те конструктивныечасти, которые находятся далеко от этих ядер. Если особенности решения плана здания не позволяют разместить ядра жесткости симметрично, то вконструкцию следует включить некоторое количество дополнительных несущих элементов - что, однако, может быть трудно осуществить, учитывая характер возможных толчков без определенного и заранее известного направления их действия. В тоже время нельзя допускать, чтобы в проектируемой конструкции ядро жесткости являлось единственным несущим элементом; следует предусмотреть жесткую несущую раму (каркас) или диафрагмы, которые рекомендуется располагать по периметру здания. Необходимо учитывать, что инженерные стволы - шахты лифтов, лестничные клетки, коммуникационные каналы и другие подобные элементы создают многочисленные отверстия в конструкции перекрытия.