Возводимых в сейсмических районах

Особенности проектирования зданий,

●Сейсмическими называют районы, подверженные землетрясениям. Под землетрясением понимают кратковременные колебания (сотрясения) поверхности земной коры, вызванные сейсмическими волнами, возникающими при местном нарушении ее сплошности с внезапным выделением упругой энергии. Сейсмические волны распространяются во все стороны от очага землетрясе­ния, затухая по мере удаления (рис. 15.1, а).

Колебания грунта вызывают смещение оснований сооружений, а последние, в свою очередь, — инерционные силы в самих сооружениях. Характер колебаний почвы обычно является хаотичным, и инерционные силы могут иметь любое направление в пространстве. Наиболее опасны горизонтальные колебания. Они распространяются на большие расстояния (сотни км) от эпицентра землетрясения и вызывают в сооружениях значительные По интенсивности сейсмические инерционные силы, для воспринятая которых обычное сооружение не предназначено. Механизм возникновения горизонтальных сейсмических сил показан на рис. 15.1, б. Вертикальные колебания грунта обычно имеют значительные амплитуды и ускорения лишь в эпицентре землетрясения. Однако они также могут представлять опасность и на значительном расстоянии от эпицентра, прежде всего для большепролетных пространственных покрытий, арок, ферм и рам пролетами более 24 м и т. п.

Рис. 15.1. К расчету конструкций на сейсмические воздействия:

а — схема распространения сейсмических волн; б — механизм возникновения сейсмических сил; в — система с выключающимися связями; г — то же с включающимися связями; д — то же оборудованная динамическим гасителем колебаний; е — армирование узлов монолитного и ж — сборного каркаса сейсмостойкого здания; з — к определению сейсмических сил; 1 — эпицентр; 2 — Поверхность земли; 3 — очаг (гипоцентр); 4 — выключающиеся связи; 5 — включающиеся связи; 6 — дополнительные арматурные стержни

Ежегодно на земном шаре происходит свыше 300 тыс. землетрясений, большинство из которых имеет небольшую силу или происходит в ненаселенных районах. Тем не менее от землетрясений ежегодно погибает около 14 тыс. человек, а материальный ущерб исчисляется сотнями миллионов рублей. В условиях нашей страны проблема сейсмостойкого строительства имеет особо важное значение, поскольку в сейсмических районах проживает около ¹/₃ населения России.

Сила землетрясения при расчете сооружений оценивается сейсмическим ускорением при колебании почвы по 12-балльной шкале. Для землетрясений 7 баллов расчетное ускорение равно 100 см/с² (0,1 g), для 8 баллов — 200 см/с² (0,2 g) и для 9 баллов — 400 см/с² (0,4 g) [3]. При строительстве в районах с сейсмичностью 5...6 баллов специальные антисейсмические мероприятия не предусматриваются. В районах с сейсмичностью 7 баллов удорожание строительства за счет антисейсмических мероприятий составляет около 4%, для 8 баллов — 8%, для 9 баллов — 12 %; в тех районах, где возможны землетрясения 10 баллов, дополнительные затраты оказываются настолько велики, что строительство становится экономически нецелесообразным и не ведется. Сейсмичность площадки строительства определяется по карте сейсмического районирования [3] с учетом данных местных наблюдений. Интенсивность воздействия землетрясения на сооружение зависит от геологического строения грунтового основания. Неблагоприятными в сейсмическом отношении являются рыхлые и водонасыщенные грунты, благоприятными — скальные и плотные грунты в маловлажном состоянии.

Проектирование современных зданий в сейсмических районах развивается по двум направлениям, отвечающим основным принципам сейсмозащиты, — пассивной и активной. При пассивной сейсмозащите производится усиление основных несущих конструкций здания для воспринятая дополнительных усилий, вызываемых сейсмическим воздействием. Характер работы сооружения при этом не изменяется. Активная сейсмозащита — это относительно новое направление, заключающееся в проведении дополнительных конструктивных мероприятий, имеющих целью не допустить возникновения опасных резонансных колебаний и тем самым снизить сейсмическое воздействие. Это может быть достигнуто путем устройства специальных включающихся или выключающихся связей, установки динамических гасителей колебаний и т. п.

Идея применения выключающихся связей (рис. 15.1, в) состоит в том, что при возникновении резонансных колебаний здания от сейсмического воздействия должны разрушиться специально предусмотренные наиболее слабые элементы; выключение их из работы ведет к снижению жесткости и, следовательно, частоты собственных колебаний сооружений и выходу его из резонанса. Однако применение выключающихся связей оказывается эффективным не всегда. При землетрясениях в большинстве случаев колебания почвы имеют вначале высокую частоту, а затем она снижается; таким образом, выход из резонанса в начале сейсмического воздействия за счет разрушения связей и снижения частоты собственных колебаний сооружения еще не гарантирует его сохранности: возможен повторный резонанс при более низких частотах воздействия. Более эффективными являются включающиеся связи (рис. 15.1, г), которые повышают частоту собственных колебаний сооружения, выводя его из резонанса, и ограничивают горизонтальные перемещения.

Динамические гасители колебаний (рис. 15.1, д) представляют собой малые массы с упругой связью, устанавливаемые на сооружении. Жесткость упругой связи k и массу гасителя m подбирают таким образом, чтобы отношение k/m равнялось бы квадрату частоты вынужденных колебаний основания. В этом случае при резонансе сооружение смещаться не будет; колебание будет совершать только гаситель. Возможны и другие решения.

При компоновке конструктивной схемы сейсмостойкого здания нужно стремиться к такому расположению колонн, стен и перекрытий, при котором удовлетворяется требование симметрии и равномерности распределения масс и жесткостей. Все мероприятия, повышающие пространственную жесткость здания, повышают его сейсмостойкость. План здания должен быть простым, в виде прямоугольника, без выступающих пристроек и входящих углов. При сложных очертаниях в плане устраивают антисейсмические швы, разделяющие здание на отдельные, простые по форме блоки. Все выступающие части зданий — карнизы, козырьки, балконы должны быть жестко связаны с каркасом, а число их ограничено. Фундаменты в пределах одного блока располагают на одной глубине. При слабых грунтах устраивают перекрестные фундаментные ленты или сплошную фундаментную плиту. При хороших грунтах допустимы отдельные фундаменты под колонны, объединенные поверху балками-связями.

Каркасные здания решаются по рамной и рамно-связевой схемам. Узлы железобетонных рам каркаса следует усиливать путем установки арматурных сеток или замкнутых каркасов (рис. 15.1, е, ж). Целесообразно размещать стыки сборных элементов вне зоны максимальных усилий. Диафрагмы каркаса, воспринимающие горизонтальную нагрузку, следует устраивать на всю высоту здания. Стеновые панели жестко связываются с каркасом и перекрытиями.

Крупнопанельные здания следует проектировать преимущественно с продольными и поперечными несущими стенами, воспринимающими сейсмическую нагрузку. Их конструктивное решение должно обеспечить совместную пространственную работу всех стен и перекрытий, при этом соединение панелей рекомендуется выполнять на сварке рабочей арматуры.

В зданиях с несущими стенами из каменной кладки на уровне перекрытий устраивают антисейсмические пояса по всем продольным и поперечным стенам. Как правило, их следует выполнять в монолитном железобетоне с непрерывным армированием. Высота их должна быть не менее 15 см, класс бетона не ниже В15. Перекрытия и покрытия зданий должны быть жесткими в горизонтальном направлении и связаны с вертикальными несущими конструкциями. Сборные перекрытия выполняют из железобетонных панелей с последующим замоноличиванием одним из следующих способов: устройством железобетонных антисейсмических поясов или монолитных обвязок с заанкериванием в них панелей перекрытий и заливкой швов между панелями цементным раствором; без антисейсмических поясов с устройством между панелями, а также между панелями и элементами каркаса связей в виде армированных бетонных шпонок, выпусков, петель, закладных деталей, анкеров и т. п. Боковые поверхности панелей перекрытий должны иметь шпоночную или рифленую поверхность.

Нужно стремиться проектировать конструкции сейсмостойких зданий таким образом, чтобы исключить возможность хрупкого их разрушения и обеспечить условия, облегчающие развитие в них пластических деформаций. В целях недопущения хрупкого разрушения при расчете изгибаемых и внецентренно сжатых элементов с учетом сейсмических воздействий граничную относительную высоту сжатой зоны бетона ξ_R [см. формулу (4.5)] следует принимать с коэффициентом 0,85.

Расчет зданий и сооружений с учетом сейсмического воздействия производят по первому предельному состоянию (несущей способности) на особое сочетание нагрузок (см. гл. 2). При этом конструкции также должны удовлетворять расчетам на основное сочетание нагрузок.

Расчет на сейсмические воздействия можно вести статическими и динамическими методами. Большинство зданий с пассивной сейсмозащитой рассчитывают на статическую нагрузку, вызывающую в сооружении те же перемещения, что и инерционные силы реального землетрясения. Особо ответственные сооружения и здания более 16 этажей, а также оборудованные активной сейсмозащитой рассчитывают динамическими методами, основанными на решении дифференциальных уравнений движения сооружения. В последнем случае используют инструментальные записи ускорений почвы при реальных землетрясениях.

При определении горизонтальных сейсмических нагрузок по статическому методу расчетная схема здания обычно принимается в виде консольного стержня, несущего сосредоточенные массы, которые включают в себя массы перекрытий с временной нагрузкой, колонн и стен на высоту этажа (рис. 15.1, з). Действующую на k-ю массу сейсмическую силу определяют с учетом динамических характеристик здания (частот и форм собственных колебаний), интенсивности землетрясения, конструктивного решения и т. п. Сейсмическую силу для i-й формы собственных колебаний здания находят по формуле [3]

E_ik = Q_kAβ_ik_ψη_ikk₁k₂, (15.1)

где Q_k — вес k-гo перекрытия с временной нагрузкой, колонн и стен на высоту этажа (при его определении учитывают малую вероятность того, что в момент землетрясения постоянные и временные нагрузки на здание будут достигать полных расчетных значений, поэтому значения постоянных нагрузок умножают на понижающий коэффициент сочетаний 0,9, временных длительных — 0,8, кратковременных — 0,5); А — коэффициент, характеризующий сейсмичность района и равный отношению средних ускорений перемещающегося основания к ускорению силы тяжести; для 7 баллов A = 0,1, для 8 баллов A = 0,2, для 9 баллов — А = 0,4; β_i — коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных колебаний здания T_i и свойств грунта основания; k_ψ — коэффициент, учитывающий диссипативные свойства конструкций при колебаниях; η_ik — коэффициент, зависящий от формы деформации сооружения при колебаниях по i-му тону; k_i — коэффициент, учитывающий возможность допущения в элементах здания остаточных деформаций: при недопущении остаточных деформаций k₁ = l, при допущении остаточных деформаций k₁ = 0,25 или 0,12; k₂ — коэффициент, учитывающий особенности здания (конструктивную систему, этажность, габариты и т. п.).

Вертикальную сейсмическую нагрузку определяют по формуле (15.1) при k₂=k_ψ=1.

От полученных сейсмических нагрузок по каждой форме колебаний определяют усилия в конструкциях. В качестве расчетного принимают среднеквадратическое из усилий по учитываемым (всем или нескольким) формам колебаний:

где n — число учитываемых в расчете форм колебаний.

Достаточно жесткие здания и сооружения, имеющие период собственных колебаний первого (основного) тона менее 0,4 с, допускается рассчитывать с учетом только первой формы колебаний. Расчет гибких зданий и сооружений с периодом колебаний основного тона более 0,4 с производят с учетом высших форм, как правило, не менее трех. Наибольший изгибающий момент в основании консоли (рис. 15.1, з) от сейсмической нагрузки получается при колебаниях по первому тону (i=1), поскольку при высших формах сейсмические силы могут иметь противоположные направления (в промежуточных сечениях по высоте здания).

Расчетные усилия определяют от совместного действия сейсмических сил, собственного веса и временных нагрузок (с учетом коэффициента сочетаний); ветровую нагрузку при этом не учитывают. По найденным усилиям производят подбор сечений. При расчете на прочность железобетонных конструкций нормами рекомендуется вводить дополнительный коэффициент условий работы, учитывающий повышение прочностных характеристик материалов вследствие кратковременности действия сейсмической нагрузки (см. гл. 1). Значение этого коэффициента может быть принято для арматуры классов А-I, А-II, А-III—1,2; для A-IV, A-V—1,1; для бетона — 1,2.