КРУЧЕНИЕ. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ЗДАНИЙ

Неоднородное распределение массы приводит к расположению центра тяжести на некотором расстоянии от геометрического центра.

Во время землетрясения здания колеблются. При этом появляются силы инерции: каждая частица тела получает ускорение в поперечном направлении (иногда и в вертикальном). Если равнодействующая реактивных сил за счет включения в работу стеновых блоков или каркаса проходит через геометрический центр перекрытия (где с противоположным знаком приложена результирующая прилагаемых нагрузок), то сохраняется динамическое равновесие. Если это условие не выдерживается, то возникает горизонтальное вращение или кручение (см. рис. 10.3.1).

Рис. 10.3.1. Кручение в здании простой конфигурации

Кручение в здании с простым решением плана, объясняется тем, что равномерно распределенная горизонтальная нагрузка не уравновешена равномерным распределением сопротивлений элементов конструкции. Для симметрично решаемых планов с равномерно распределенной массой перекрытий, стеновых блоков и колонн идеальное архитектурно-планировочное решение сейсмостойких зданий и сооружений предусматривает симметричное во всех направлениях расположение элементов конструкции, при котором, независимо от направления воздействия на перекрытие сейсмической нагрузки, конструкция работает при распределенной жесткости, что предотвращает возникновение вращения. Поэтому, при проектировании сейсмостойких конструкций зданий и сооружений необходимо стремиться к симметричному относительно главных осей и равномерному в плане распределению масс и жесткостей.

Общая компоновка конструкций сейсмостойкого здания предусматривает такое расположение несущих вертикальных конструкций (рам, связевых диафрагм и других конструктивных элементов), при котором удовлетворяются требования симметричности и равномерности распределения масс и жесткостей. При этом следует иметь в виду, что конструктивные меры, повышающие пространственную жесткость здания в целом, вместе с тем повышают и его сейсмостойкость. В этих целях следует применять поперечные и продольные связевые диафрагмы, связанные перекрытиями. Сборные железобетонные конструкции успешно применяют в сейсмических районах. Об этом свидетельствует опыт строительства зданий, впоследствии подвергавшихся сейсмическим воздействиям. План здания должен быть простым, в виде прямоугольника, без выступающих пристроек и углов. При сложных очертаниях здания в плане устраивают антисейсмические швы, разделяющие здание на отдельные блоки простой прямоугольной формы. Обычно их совмещают с температурными и осадочными швами. Чтобы повысить сейсмостойкость здания, фундаменты в пределах одного блока должны залегать на одной глубине. При слабых грунтах устраивают перекрестные фундаментные ленты или же сплошную фундаментную плиту. При плотных грунтах допустимы отдельные фундаменты под колонны, связанные поверху балками-связями в обоих направлениях. В многоэтажном здании целесообразно устройство подвала и свайного основания.

Связевые каркасы работают подобно диафрагмам, хотя их несущая способность может быть несколько ниже, в зависимости от расчетных параметров. Связевые элементы жесткости таких каркасов обычно выполняются из металлических прокатных профилей, стержней круглого сечения, или труб; усилия, соответствующие значительным колебаниям, могут вызвать сжатие или удлинение связевых элементов, в результате чего происходит выключение их из работы, возникают большие деформации или разрушение основных конструкций. Для обеспечения требуемой надежности соответствующего узла необходимо учесть работу связевых элементов каркаса в неупругой стадии.

Рамные каркасы. При обеспечении сейсмостойкости зданий путем применения несущих рамных каркасов, воспринимающих момент, горизонтальные поперечные усилия воспринимаются колоннами и балками, работающими на изгиб и сдвиг, сопряжение которых осуществляется в стыках, также способных воспринять изгибающий момент. Стыки находятся в условиях большого напряжения, поэтому детали их конструкции являются особенно важными. Работа каркасов в неупругой стадии становится одним из важных факторов при определении сопротивления системы за счет поглощения энергии при развитии остаточных деформаций, возникающих в конструкции до начала разрушения. По этой причине рамные каркасы обычно выполняются в металле с жесткими сварными швами (для которых собственная пластичность материала имеет большое значение) или в железобетоне (отличаются достаточно хорошим показателем пластичности), обеспечивая несущую способность конструкции стадией неупругой работы до начала разрушения.

Ненесущие элементы здания иногда могут включаться в работу несущей системы, предназначенной для восприятия горизонтальных нагрузок. Конструкции зданий, расположенных в зонах военно-воздушных баз в Эднмендорфе и Форт-Ричардсоне в г. Анкоридж (США), включали стеновое заполнение из бетонных неармированных стеновых блоков толщиной около 10 см, которые включались в работу конструктивной системы при диагональном сжатии или растяжении. Некоторые из них мгновенно разрушились,и, если бы землетрясение произошло в другое время, человеческих жертв было бы значительно больше. Показатели жесткости этих стен не учитывались в расчетах, и это явилось существенной ошибкой при проектировании объектов.

Если элементы жесткой ограждающей конструкции или разделительные перегородки не отделяются от остальной конструкции деформационными швами, то их следует учитывать в расчете как неотъемлемую часть всей конструкции. Часто жесткость элементов стенового заполнения гораздо больше жесткости несущих рам здания. Поэтому несимметричное расположение стеновых элементов может вызвать появление крутящих моментов, воспринимаемых симметричной конструкцией рамного каркаса. Аналогично лестничные клетки могут включаться в работу как дополнительные связи, что может привести к положительным или отрицательным последствиям.

Ненесущие элементы могут также создавать некоторую степень статической неопределимости системы. В старых жилых домах или зданиях гостиниц неразрезные деревянные балки иногда за счет неучтенной работы консолей сохраняют несущую способность после разрушения наружных стеновых элементов. Одно из наиболее важных преимуществ обычных жилых зданий, имеющих деревянный каркас, заключается в том, что в этих конструкциях достигается многовариантность путей передачи нагрузки при большом разнообразии типов соединений.

Сейсмоизолирующие опоры. Одним из эффективных методов возведения многоэтажных зданий в районах повышенной сейсмичности является применение сейсмоизолирующих опор. Сейсмоизолирующие опоры обладают более чем трехкратным запасом по наибольшему сейсмическому перемещению. Причиной больших относительных перемещений между фундаментом и хорошо сейсмоизолированным зданием является то, что они снижают расчетную сейсмическую нагрузку с 8- до 6-баллов.

Рис. 10.3.2. Конструкция сейсмо-изоляции фундамента типа "сэндвич", выполненная из стальных пластин и резиновых прокладок

Под сейсмоизолирующими опорамиимеется в виду применение высоконадежных устройств в уровне первого этажа, которые частично или полностью отделяют верхние конструкции от влияния перемещений грунта. Предложения о возведении зданий на слое шариковых подшипников, сделанные еще в XIX в., сейчас пересматриваются с учетом современной строительной технологии. Например, плиты оснований колонн изолируются от фундаментов пластиной типа "сэндвич", которая выполнена из металлических листов и резиновых прокладок и работает на сдвиг (рис. 10.3.2), или используются квазигидравлические амортизаторы ударов, перекачивающие твердый свинец через отверстие и обратно по мере перемещения фундамента вперед и назад. Во Франции, Новой Зеландии, Швейцарии, России, СНГ уже построены подобные здания. Эти устройства предназначены снижать (но не полностью исключать) нагрузки, воздействующие на конструкцию верхнего строения зданий. Анализ показал, что принципы влияния конфигурации здания при этом сохраняются.