Проектування будівель та споруд в сейсмічних зонах

ВСТУП

Сьогодні перед багатьма архітекторами стоїть не просте завдання - проектування будівель та споруд в сейсмічних зонах.

Це питанням є дуже вагомим сьогодні. Сейсмічні катастрофи 1999 року в Туреччині, Греції, на Тайвані принесли незлічимі нещастя - загибель десятків тисяч людей і економічний збиток більш 50 млрд. доларів. Особливо уразливими виявилися залізобетонні каркасні будинки.

Після землетрусів у Газлі, Татарії та Сахаліну зрозуміло, що методика побудови карти загального сейсмічного районування СРСР 1978 року видання (СР-78), занижувала сейсмічну небезпеку територій із середньою і низькою активністю. Отже, землетруси останніх десятиліть чітко продемонстрували, що будинку одного типу не мають достатню сейсмостійкість (наприклад, будинки зі стінами з мало міцних матеріалів, каркасні будинки й ін.), а інші мають дуже високий ступінь сейсмостійкості (великопанельні, монолітні й ін.).

Такий гіркий досвід приніс величезну науково-практичну інформацію про поводження будинків і споруджень в умовах сейсмічних впливів, що в свою чергу сприяло розвитку сейсмостійкого будівництва.

Сьогодні сейсмостійке будівництво - це будівництво здійснюване в районах, схильних до землетрусів, з урахуванням впливу на будівлі та споруди сейсмічних (інерційних) сил.

Поряд з терміном "Сейсмостійке будівництво" набув поширення точніший термін "антисейсмічне будівництво". Додаткові вимоги до об'єктів, що будуються в сейсмічних районах, встановлюються відповідними нормами (правилами).

ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ ПРОЕКТУВАННЯ БУДІВЕЛЬ ТА СПОРУД В СЕЙСМІЧНИХ ЗОНАХ

Інтенсивність землетрусів у різних країнах оцінюється по різних сейсмічних шкалах. За прийнятою в СРСР шкалою (ГОСТ 6249-52) небезпечними для будівель і споруд вважаються землетруси, інтенсивність яких досягає 7 балів і більше. У районах, де прогнозована максимальна інтенсивність землетрусів (сейсмічність, сейсмічна активність) не перевищує 6 балів, проведення спеціальних антисейсмічних заходів (при проектуванні і будівництві), як правило, не передбачається. Сейсмічність районів, схильних до землетрусів, визначається по картах сейсмічного районування. Для уточнення сейсмічності майданчика (ділянки) будівництва проводяться відповідні вишукування. Будівництво в районах з сейсмічністю, що перевищує 9 балів, вельми неекономічно. Забезпечення повного збереження будівель під час землетрусів зазвичай вимагає великих витрат на антисейсмічні заходи, а в деяких випадках це практично нездійсненно. Враховуючи, що землетруси (особливо сильні) відбуваються порівняно рідко, нормами допускається можливість пошкодження елементів конструкцій, що не представляє загрози для безпеки людей або збереження цінного обладнання.

Ступінь сейсмічної дії на будівлі (споруди) значною мірою залежить від грунтових умов. Найбільш сприятливими в сейсмічному відношенні вважаються міцні скельні грунти. Сильно вивітрені або порушені геологічними процесами породи, райони осипів, пливунів, гірських виробок несприятливі, а іноді й непридатні для влаштування основ споруд; в тих випадках, коли будівництво все ж здійснюється в таких геологічних умовах, вдаються до посилення підстав і здійснюють додаткові заходи щодо сейсмозахисту споруд. Це призводить до значного подорожчання будівництва.

Сейсмостійкість споруди забезпечується як вибором сприятливої ??в сейсмічному відношенні майданчика будівництва, так і розробкою найбільш раціональних конструктивної і планувальної схем споруди, спеціальними конструктивними заходами, що підвищують міцність і монолітність несучих конструкцій, що створюють можливість розвитку в конструктивних елементах і вузлах пластичних деформацій, що значно збільшують опірність споруд дії сейсмічних сил. Велике значення для підвищення сейсмостійкості споруд має високу якість будівельних матеріалів і робіт.

Будинки, експлуатовані в сейсмічних районах до виникнення землетрусу, знаходяться в такому ж напруженому стані, як і в несейсмічних районах. Тому вони повинні відповідати всім експлуатаційним вимогам відповідно до загальбудівельних норм. І тільки в момент землетрусу, коли ці будівлі відчувають додаткові зовнішні впливи, повинні вступати в роботу той резерв міцності системи, який був заздалегідь передбачений проектувальником. Звідси видно, що несуча здатність будівлі повинна бути забезпечена за умови одночасної дії експлуатаційних і сейсмічних навантажень. Розрахунок конструкцій на таке поєднання зовнішніх навантажень називається розрахунком на особливі впливи.

Природно припускати, що будівлі в момент землетрусу не "завантажені" повною мірою експлуатаційними навантаженнями. Тому при розрахунку будинків на сейсмостійкість експлуатаційні навантаження приймаються дещо зменшеними в порівнянні з розрахунковими для не сейсмостійких будівель. Ця обставина враховується відповідними коефіцієнтами, які приводяться в нормах.

При виборі місця будівництва з точки зору його сейсмічної активності слід пам'ятати, що чим вище шкала району, тим вище пред'являються вимоги до антисейсмічним заходам, а значить, і вартість їх підвищується. Тому різні за своїм призначенням будівлі (ступінь відповідальності споруди, різні терміни експлуатації тощо), навіть за умови будівництва їх на одному будівельному майданчику, проектуються з різним ступенем особистої відповідальності.

Форма будівлі в плані в ряді випадків має велике значення, так як від форми залежить робота всієї системи. Зокрема, коло є найкращою формою будівлі, але не завжди відповідає вимогам планування; найкращим раціональним рішенням може бути квадрат. У цьому випадку стіни (рами) в обох напрямках мають однакову або близьку один одному міцність, що сприятливо позначається на рівноміцності будівлі при будь-якому напрямку сейсмічного впливу. Якщо ж з архітектурно - планувальних міркувань необхідні злами зовнішніх стін у плані будівлі, то за відсутності жорстких перекриттів, надійно об'єднують всі стіни в єдину систему, слід розрізати будівлю на окремі замкнуті по контуру відсіки простої форми. Ці вимоги пред'являються, в основному, до кам'яних і великопанельних безкаркасних будівлях. Конструктивні рішення таких відсіків повинні забезпечити незалежну роботу кожного з них при сейсмічних коливаннях. Це досягається за рахунок антисейсмічних швів, які слід поєднувати з метою економічності будівництва з температурними або осадочними швами, Залежно від конструктивних рішень будівель антисейсмічні шви здійснюються шляхом постановки парних стін, парних рам (колон), крім того, можна передбачити консолі, що виступають в рівні перекриттів контактуючих відсіків, але не пов'язаних один з одним.

Ширина антисейсмічних шва визначається розрахунком і не повинна бути менше подвоєної суми максимальних горизонтальних зміщень елементів відсіків. Згідно нормам ширину антисейсмічного шва потрібно призначити залежно від висоти будівлі, висотою до 5 м - не менше 3 см, вище 5 м на кожні 5 м висоти ширину шва збільшують на 2 см.

Внутрішнє планування будівлі повинна сприяти симетричному і рівномірному розподілу жорсткостей несучих елементів і мас. Тут особливу роль виконують міжповерхові перекриття і покриття, які повинні зв'язати по горизонталі в одне ціле несучі стіни і тим самим забезпечити розподіл сейсмічної сили в межах поверху. Досвід показує, що ті будівлі, перекриття яких недостатньо жорстко пов'язані з несучими стінами, при землетрусах пошкоджуються сильніше. Це стосується в першу чергу до кам'яних і крупнопанельних будинків, в яких наявність зламів стін у плані може викликати в місцях сполучення їх по висоті поверху значні зусилля Тому дуже важливо для подібних будівель наявність наскрізних стін на всю ширину будівлі.

Висоту будівлі в межах відсіку слід призначати однаковою. Збільшення висоти за інших рівних умовах призводить до збільшення його інерційної маси, а отже, до збільшення сейсмічної сили, що можуть призвести до економічно недоцільних за розмірами перерізів несучих елементів будівлі. При цьому найбільші внутрішні зусилля (поперечна сила і згинальний момент) з'являються в основі будівлі; вони можуть бути зменшені шляхом зниження рівня програми одно діючих сейсмічних сил по висоті будівлі. Це в основному за рахунок полегшення вище розташованих поверхів (застосування легких, але досить міцних конструкцій, перенесення важкого устаткування, матеріалів в нижні поверхи).

Будівля відповідної конструктивної системи загружена, в загальному випадку, нерівномірно розподіленим навантаженням. До неї належать корисні навантаження, а також власні ваги всіх конструкцій будівель. При переході до розрахункової схемою будівлі ці навантаження можуть бути приведені до рівномірно розподіленим або зосередженим. При проектуванні сейсмостійких будівель найчастіше користуються зосередженими по висоті навантаженнями, які розташовують у рівнях міжповерхових перекриттів, тобто кількість перекриттів визначає число зосереджених навантажень, величини яких залежать від ваги відповідного перекриття і тимчасового навантаження на нього, а також від ваги стін та інших конструкцій в межах половини висоти примикають поверхів. З цього випливає, що зібрані навантаження в будь-якому напрямку (уздовж або поперек будівлі) будуть однаковими.

Кількість зосереджених вантажів у свою чергу визначає число ступенів свободи даної системи.

Жорсткість будівлі при сейсмічних впливах повинна забезпечити роботу його, в першу чергу, в горизонтальному напрямку. Ця "праця " виконується, в основному, вертикальними несучими конструкціями, що з'єднують всі зосереджені навантаження в одну систему. У межах поверху горизонтальна жорсткість дорівнює сумі горизонтальних жорсткостей всіх вертикальних несучих елементів (стін, перегородок і колон відсіку).

Тут необхідно зазначити, що на відміну від розрахункових мас будівлі величини жорсткостей у взаємно перпендикулярних напрямках цієї ж системи не завжди одинакові, отже, і періоди власних коливань також можуть бути різні Це відіб'ється на величинах розрахункових сейсмічних сил (навантаженнях), які відрізнятимуться між собою в розглянутих напрямках одного і того ж будинку.

На практиці різні конструктивні системи характеризується умовними поняттями - "жорсткі" або "гнучкі". Це дозволяє виразити характер деформованого стану проектованих конструктивних систем. Одні з них можуть бути вирішені в жорстких часто розміщених вертикальних діафрагмах (стінах) з відносно малими деформаціями, які близькі за формою до зсуву. Подібні системи, як правило, обмежена періодом власних коливань Т < 0,5 сек і носять назву " жорстких систем".

Іншим різновидом конструктивних рішень є "гнучкі системи", конструкції яких працюють переважно на вигин. До таких систем можна віднести димові труби, вежі і інше. Основний період коливань цих систем зазвичай перевищує 0,6 сек До розряду гнучких систем відносяться також каркасні будівлі, в яких залежно від їх висоти спостерігаються не тільки згинальні, а й зсувні деформації, так як повороти міжповерхових перекриттів, викликані поздовжними деформаціями колон у межах поверхів, значно менше горизонтальних зміщень перекриттів, виникаючих від вигину цих колон. На практиці не завжди представляється можливим віднести те чи інше будівля до розряду жорстких або гнучких систем, так як конструктивно рішення нерідко поєднують в собі гнучкі і жорсткі несучі елементи (каркасні буд. з заповненнями з цегли, залізобетону або посилених сталевими діагональними зв'язками) У цьому випадку форми власних коливань визначаються результатом здвигових та згинних деформацій конструкцій будівлі.

Одним з важливих факторів, що визначають форму деформацій будівель, є хитання будівель, яке виникає від повороту будівлі як жорсткого тіла відносно центру його заснування. Це явище виникає, як правило, в слабких податливих грунтах і може відігравати значну роль при оцінці розрахункових сейсмічних сил.

Рис 1. Схеми деформацій різних конструктивних систем а - зрушення, б - локальний вигин, в - поворот підстави

На жорсткі системи податливість основи відбивається в загальному сприятливо, оскільки при цьому збільшується період власних коливань, а отже, знижується коефіцієнт динамічності Але не слід забувати, що не всяка податливість підстави дає позитивний ефект Прикладом зворотного результату можуть служити наслідки землетрусу в Ніїгата, де не пошкоджені будівлі сильно нахилилися або поперевертались через надзвичайно великих деформації грунту.

Вибравши відповідну конструктивну систему будівлі і знайшовши розрахункові сейсмічні сили, необхідно визначити зусилля (що перерізують сили, згинальні моменти) в несучих елементах Для цього розрахункова схема будівлі у вигляді консолі вже не може бути прийнятною з курсу будівельної механіки відомо, що зусилля в несучих елементах будівлі визначаються виходячи з умов місцевої роботи складових частин просторової системи. Однак зустрічаються труднощі в техніці розрахунку просторової системи змушують вдаватися до спрощення, що полегшує процес обчислення зусиль без суттєвого викривлення несучої здатності даної системи.

Найбільш поширеним прийомом розрахунку є розчленовування просторової системи будівлі на самостійні плоскі системи, які дозволяють розглядати роботу їх в подовжньому і поперечному напрямках будівлі незалежно один від одного.

У результаті розрахункова схема будівлі в даному напрямку буде складатися з плоских паралельно розташованих систем, об'єднаних горизонтальними зв'язками (ригелями, перекриттями) в одну структуру Цим же принципом користуються при розрахунку будинків на сейсмічні впливи.

Розподіл сейсмічної сили по несучих вертикальний системам залежить, в першу чергу, від конструктивного рішення горизонтальних діафрагм (перекриттів) Чим жорсткіше саме перекриття і чим надійніше його зв'язок з вертикальними (несучими) елементами, тим надійніше спільна робота всіх несучих конструкцій Якщо перекриття можна вважати абсолютно жорстким горизонтальним диском, то розподіл в плані сейсмічної сили в рівні якогось поверху може проводитися пропорційно жорсткості вертикальних елементів.

Розглянемо інший крайній випадок, коли зв'язок несучих вертикальних систем між собою практично = 0. Це може мати місце, коли горизонтальні (в'яжучі) елементи дуже гнучкі в порівнянні з вертикальними і не можуть виконувати роль розподільника горизонтального навантаження в плані. У цьому випадку кожна вертикальна система працюватиме на навантаження, що викликається силами інерції від власної ваги і корисних навантажень, що припадають лише на розглянуту вертикальну систему. Це навантаження збирається в плані з половини суміжних прольотів, теж по "вантажним" площам.

У відмінного від попереднього випадку тут розподіл загальної сейсмічного навантаження не залежить від жорсткості несучих елементів, а визначається розташуванням в плані вертикальних систем. Тому може виявитися, що найбільш гнучкі конструкції (системи) будуть завантажені більшою сейсмічного навантаженням, ніж жорсткі При однаковій несучої здатності цих конструкції робота перших виявиться в більш напружених умовах.

Звідси випливає висновок, що найбільш сприятливе рішення може бути досягнуто при надійному забезпеченні горизонтальними зв'язками спільної роботи всіх несучих систем.

Досвід проектування та будівництва показує, що горизонтальні зв'язки, здійснювані за допомогою залізобетонних перекриттів (монолітних або збірних) за своїми характеристик жорсткості знаходяться в проміжному положенні по відношенню до розглянутих двом випадків. Тому розподіл сейсмічної сили між паралельно працюючими конструкціями "Інструкцією" рекомендується здійснювати з урахуванням деформативності перекриттів за певною формулою.

Наведені приклади розподілу сейсмічних сил по несучих елементів поверху відносяться до симетричних в плані будівель. Під симетричністю в плані розуміють збіг його центру мас і жорсткостей У разі якщо центр жорсткості несучих елементів не збігається в плані з центром мас, то при сейсмічній дії така будівля може обернутися щодо центру жорсткості і тим самим відбудеться інше розбраті ділення сейсмічних сил. Якщо вважати, що перекриття досить жорсткі, щоб розподілити сейсмічне навантаження по жорсткості несучих елементів, то вплив повороту будівлі на яку-небудь вертикальну конструкцію а можна визначити за формулою.

Викладені принципи розподілу в плані будівлі сейсмічного навантаження по несучих вертикальним елементам як з урахуванням можливого повороту будівлі, так і без нього грунтуються на статичній дії зовнішніх сил Отримані при цьому результати є наближений і можуть бути рекомендовані, коли жорсткість горизонтального диска у своїй площині набагато більше жосткості вертикальних несучих конструкцій і коли розходи будівлі в плані відносно невеликі. Інакше, динамічний характер сейсмічної дії на будівлі викличе інший розподіл сейсмічних сил по несучих елементів будівлі.

Зупинимося на двох моментах динаміки просторової системи будівлі.

Будівля, представлена в плані протяжної системою, має два якісних особистих показника, кожен з яких відповідає поступовим або обертальним коливанням розрахункової схеми. Такими показниками є частоти і форми власних коливань системи.

Хоча для симетричної в плані системи частоти і форми поступальних і обертальних власних коливань є взаємно незалежними, але при сейсмічних впливах вони можуть проявитися одночасно, викликавши тим самим зусилля, відповідні кожної з форм коливань поступальні зазвичай враховуються інерційні сили, а обертання системи в плані - обертаючі моменти щодо центру обертання (в даному випадку щодо центру симетрії в плані), які викличуть найбільші зусилля у віддалених від центру обертання несучих елементах. Ця обставина має бути врахована при розподілі сейсмічного навантаження по несучих конструкціях. Іншими особливостями, що впливають на розподіл сейсмічних сил в плані системи, є динамічні характеристики перекриттів. Конструктивне рішення перекриття як горизонтального диска (діафрагми) може виявитися таким жорстким, що поняття "абсолютно жорсткий диск" практично відповідає його реальній роботі.

Тоді наведені вище міркування з розподілу сейсмічних сил для будівель малих розмірів в плані залишаються справедливими.

Однак факти показують, що в перекриттях появляється певна деформативність, в ряді випадків совимірна з несучими вертикальними елементами (крупнопанельні безкаркасні будівлі та інші подібні системи.)

Ця обставина пояснює деформативність контуру будівель (у плані), спостережувану в реалі з допомогою спеціальних приладів. Враховуючи це положення, можна уявити роботу перекриття у вигляді що згинається в своїй площині від зовнішніх сил багатопролітної балки або балки - стінки на пружних опорах. Опорами служать несучі вертикальні елементи, розташовані по довжині будівлі (рис. 2). Така модель перекриття ближче відображає фактичну роботу горизонтального диска як розпридільника сейсмічного навантаження і в той же час дозволяє виявити характерну особливість розподілу сил.

Рис. 2. Схема деформування перекриття в своїй площині при горизонтальних коливаннях усієї системи (заштриховані жорсткі діафрагми)

Для наочності даного питання розглянемо два простих приклади. Уявімо розрахункову схему перекривання у вигляді двопрогонової невагомої балки з двома рівними за величиною зосередженими в середині прольотів масами (рис. 3, а). Припустимо, що на таку систему діє сила Р - в одному випадку статично Рст, а в іншому - динамічно РЛ. Потрібно визначити величини опорних реакцій, які передаються на вертикаль ні несучі елементи просторової системи будівлі.

У разі застосування сили тільки в одному прольоті статично опорні реакції можна визначити по будь-якому довідкового посібника; вони рівні:

ЛСГ=0,406РСТ, ЈС1 = 0,688РС1, С 0,094РС1.

При цьому прогини в середині прольотів неоднакові.

Р, г=Р

Рис. 3. Схема деформування двопрольотної балки з двома масами:

А -- від статичної сили РСт; б -- від динамічної сили РД по двох формах власних коливань

При динамічному додатку сили в тій же точці Рд опорні реакції можливо визначити, розглядаючи коливання балки по головним напрямкам (формам власних коливань), як це прийнято при розрахунку на сейсміку. Для цього розкладемо силу Рд на її складові за основним формам (рис. V. 6, б), де видно поява двох пар сил, розташованих в середині відповідних прольотів балки: в одному випадку сили діють у взаємно протилежних напрямках - це перша форма коливань, в іншому - в одну сторону, що характеризує поява другої форми коливань. Кожній з з'явилися форм власних коливань відповідає своя частота рп отже, і свій динамічний коефіцієнт р.

На відміну від випадку статично прикладеної сили в розглянутому прикладі прогини в суміжних прогонах для кожної з форм однакові, так як кожен проліт працює в одних і тих же умовах Так, перша форма коливань створює умови роботи відповідного прольота як однопрогоновою балки з шарнірними опорами, а друга форма коливань відповідає роботі прольоту в умовах балки з однієї (опора в) затисненої та іншої вільно опертої опорами.

Наведені обчислення опорних реакцій від статичного і динамічного додатків навантажень наочно показують, що характер деформацій системи і розподіл зовнішнього навантаження на опори зовсім різні З іншого боку, розібрані приклади вказують шлях до уточнення розрахунку будівель на сейсмічні впливи, який лежить у вдосконаленні розрахункових динамічних схем будівель, а не статичних. Ця обставина є принциповим у дослідженнях напруженого стану різних будівель з позиції їх сейсмостійкості як просторової системи. Тому будь-які уточнення чи спрощення розрахунку будівель на сейсмічне навантаження повинні в першу чергу проводитися на принципах динаміки споруд. В іншому випадку може виявитися, що те чи інше уточнення складної системи прийомами статики буде пов'язано з громіздкими обчисленнями, в кінцевому рахунку не відображають специфіку розрахункової системи.

Викладені тут вимоги до проектованих будівель є загальними для будь-яких конструктивних систем. Завдання полягає в тому, щоб на їх основі вибрати те чи інше економічно доцільне конструктивне рішення, раціональність якого виражалася б в забезпеченні безпеки людей н схоронності цінного обладнання при максимальному використанні несучої здатності будівлі в умовах очікуваного землетрусу.

Цілком очевидно, що різні конструктивні системи будівлі мають відмінні риси як в застосовуваних конструкціях, так і в загальній компонуванні Тому в наступних розділах будуть відзначені характерні вимоги стосовно до конкретних конструктивних рішень житлових і цивільних будинків.

Каркасні споруди

З досвіду наслідків сильних землетрусів, що пройшли у великих населених пунктах Земної кулі, відомо, що каркасні будівлі найбільш сейсмостійкі, при цьому каркасні будинки великої поверховості переносять сейсмічні впливи не гірше малоповерхових будівель подібної ж конструкції Можна навести приклади, коли висотні будівлі каркасного типу цілком благополучно перенесли сильні землетруси, у той час як будівлі малої і середньої поверховості сильно постраждали Так, наприклад, під час землетрусу 1906 р. в Сан-Франциско, інтенсивність якого становила 9-10 балів, жодне з десяти будинків висотою ' 10-16 поверхів не зруйнувалося. У Мехіко в 1957 р. всі будинків висотою від 10 до 43 поверхів так само благополучно перенесли землетрус силою приблизно в 9 балів. '

У чому ж особливість каркасних будинків з точки зору їх сейсмостійкості в порівнянні з розглянутими вище конструкціями? Які фактори забезпечують їм супротив сейсмічних впливів?

У першу чергу тут позначилася специфіка " статичної теорії " розрахунку, яка до недавнього часу застосовувалася всюди і, отже, на її основі були всі ці будівлі. Статична теорія розрахунку не враховувала впливу жорсткості споруд на динамічний ефект сейсмічної дії і тому гнучкі будівлі з великими періодами власних коливань виявлялися в більш вигідному становищі порівняно з жорсткими.

Однак це ще не все. Досвід Ташкентського землетрусу показав, що і після введення нового динамічного методу розрахунку, на основі якого були запроектовані всі будівлі сучасної споруди в г Ташкенті, каркасні будівлі перенесли землетрус значно краще будівель, виконаних в цеглі. Це пояснюється, мабуть, тим, що каркасні будівлі мають великі пластичні резерви і в більшій мірі допускають роботу конструкцій за межами пружності.

Каркасні будівлі в залежності від свого призначення можуть мати різноманітні обриси і структуру розташування елементів каркаса.

Розрахунок на конструювання таких споруд, що зводяться в сейсмічних районах, ведеться на основі тих же принципів, що і споруд, що зводяться в районах, не схильних сейсмічним впливам. Різниця полягає лише в тому, що, крім звичайних розрахунків, повинен розглядатися також і випадок сейсмічної дії, коли їх несуча здатність визначається вже не експлуатаційними вимогами, а граничним станом з міцності. Тому нижче зупинимося на розгляді лише рамних систем з регулярним розташуванням стійок і ригелів. Такий тип конструкції має найбільш широке поширення в практиці будівництва, а крім того, саме цей тип конструкції піддався більш серйозній переробці з урахуванням впливу сейсмічних навантажень.

Відомо, що каркас будівлі складається з колон (стійок), балок (ригелів) і перекриттів, з'єднаних в цілісний остов просторової рами Всі ці елементи сприймають як вертикальні, так і горизонтальні (сейсмічні) навантаження Крім цих елементів, споруди мають стінові конструкції, які в тією чи іншою мірою також беруть участь в спільній роботі з каркасом залежно від конструктивних вирішенні стінових заповнень та їх сполученні з каркасом будівлі їх можна розділити на кілька розрахункових схем.

Перша з них - це рамна схема, що представляє систему колон, ригелів і дисків перекриттів, жорстко з'єднаних між собою У цьому випадку стінові конструкції (заповнення каркаса) повинні бути пов'язані з каркасом таким чином, щоб не перешкоджати каркасу деформуватися при сейсмічній дії Тоді жорсткість і стійкість будівлі мають бути повністю забезпечені самим каркасом (рис 4, а) Тут слід звернути увагу на те, що заповнення каркаса враховується в розрахунках тільки як інерційний вантаж, допомагаючий, з одного боку, збільшення сейсмічного навантаження, а з іншого - її зниження за рахунок збільшення періоду власних коливань. Зазвичай перший фактор надає більший вплив на величину розрахункової сейсмічного навантаження, так як сейсмічне навантаження прямо пропорційна масі системи, тоді як коефіцієнт динамічності р обернено пропорційний кореню квадратному з цієї маси.

Принцип роботи другої рамно-в'язевої схеми каркасного будинку (рис 4, б) аналогічний рамної схемою з тим лише доповненням, що горизонтальна жорсткість будівлі збільшується за рахунок діагональних зв'язків, виконуваних, як правило, з металу При цьому частина горизонтальних зусиль передається з колон на ці зв'язки Особливістю рамно-в'язевої схеми є обмеження переміщень каркаса.

Третя схема - рамна з діафрагмами жорсткості (рис 4, в) Ця схема характерна тим, що збільшення жорсткості каркасної системи досягається введенням вертикальних стінок жорсткості, які можуть бути здійснені шляхом пристрою міжкімнатних огорож, ліфтових шахт і сходових кліток. На відміну від попередніх схем в розглянутій схемі передбачається жорсткий зв'язок діафрагми (стінок) з каркасом по всьому периметру заповнення, що дозволяє заповнення включатися в роботу каркаса при сейсмічних впливах в міру своєї несучої здатності.

Рис. 4 Схема каркасних будівель: а - рамна; б - рамно-в'язева; в - рамна з діафрагмами жорсткості; 1 - рама; 2 - зв'язки; 3 - діафрагма; 4 - кріплення

Тому діафрагми жорсткості, обмежуючи деформації будівлі, сприймають на себе значну, а в ряді випадків майже повне сейсмічне навантаження, що виникає в каркасному будинку.

Залежно від міцності діафрагм жорсткості може бути два випадки роботи каркасного будинку:

1)каркас будівлі призначений для сприйняття тільки вертикальних навантажень (власна вага, корисне навантаження), а зусиллям, що виникають при землетрусах, повинні протистояти жорсткі стінки (діафрагми). Це означає, що сейсмостійкість будівлі забезпечується тільки діафрагмами жорсткості, які повинні бути розраховані і законструйовані на дію всієї розрахункової сейсмічної навантаження; 2)міцність діафрагм жорсткості недостатня для сприйняття всієї сейсмічного навантаження. Тоді сейсмічне навантаження сприймається жорсткими елементами до моменту їх ушкоджень і вже після цього включається в роботу каркас. Пошкоджені діафрагми поглинають частину енергії, переданої вагається підставою надземної частини будівлі. Інша частина енергії землетрусу передається на каркас будівлі, який повинен бути на це розрахований III. 20, V. 10 ]. З виходом з ладу жорстких діафрагм змінюються динамічні характеристики будівлі (період і затухання коливань). У цьому випадку каркасна система повинна бути розрахована як рамна конструкція.

У літературі нерідко третю схему відносять до рамно-в'язевої або до в'язевої. Роботи наступних двох схем мають принципові відмінності, які повинні бути відображені н в класифікації каркасних будівель, що зазнають сейсмічні впливи.

На закінчення про конструктивні схемах каркасних будинків слід зазначити, що рамно-в'язеві схеми, так само як рамні з діафрагмами жорсткості, рекомендується застосовувати переважно в будівлях підвищеної поверховості н при значних горизонтальних навантаженнях.

Конструктивні рішення каркасних будинків залежать не тільки від розглянутих вище схем, вони визначаються також способами зведення споруд. За цією ознакою каркаси можуть бути виконані в монолітному, збірномонолітному і збірному залізобетоні, а також у металі. Інші ж конструктивні елементи ' (стіни, перегородки, перекриття) в сучасному будівництві житлових і громадських будівель, як правило, встановлюються у вже зведеному каркасі у вигляді готових елементів. Тому незалежно від способу зведення каркаса будівлі необхідно передбачити в ньому спеціальні закладні деталі або випуски арматури для кріплення збірних елементів. Такими елементами є зовнішні та внутрішні стіни і перегородки, а також перекриття. Кріплення різних збірних елементів передбачаються в залежності від застосовуваних конструкцій заповнення.

При проектуванні каркасних будинків по рамної схемою зовнішні стіни можуть бути виконані у вигляді самонесучих або навісних панелей укрупнених розмірів. Вільна деформація огорож при коливаннях будівлі може бути забезпечена шляхом застосування гнучких, але досить міцних кріплень.

Навісні панелі з великорозмірних елементів застосовуються зазвичай довжиною, яка дорівнює кроку колон. Кріплення цих панелей до каркаса здійснюється у чотирьох кутах з опертям на металеві столики. З метою забезпечення самостійного переміщення навісних панелей при сейсмічних впливах у швах між панелями передбачають пружні прокладки, які можуть бути виконані у вигляді стрічок з пінопласту пороізол і т. п. Матеріалами для навісних панелей можуть служити легкі і ніздрюваті бетони, алюмінієві листи з ефективними утеплювачами.

У рамних схемах з діафрагмами жорсткості заповнення каркасів повинні надійно кріпитися з елементами каркаса. Зокрема, заповнення з кам'яної кладки зв'язується зі стійками каркаса за допомогою арматурних стрижнів, що укладаються в горизонтальних швах через 50 см по висоті н заводяться в кожну сторону від стійки каркаса не менш ніж на 70 см. Це ж заповнення повинно кріпитися також до ригель каркаса з допомогою випусків арматури або спеціальними скобами.

Діафрагми жорсткості часто виконуються також із залізобетонних панелей не менше марки 200 з розмірами, рівними висоті поверху і прольоту між колон. При цьому кріплення до колон і ригелів повинно бути здійснене за допомогою зварювання закладних деталей, а в разі монолітних конструкцій - за рахунок арматурних випусків з наступним замонолічуванням бетоном.

Плити перекриття передбачаються з пазами і рифленнями в бічних поверхнях з випусками арматури або закладними деталями для подальшого кріплення до каркаса і між собою.

Фундаменти Каркасних будівель переважно вирішувати у вигляді суцільної залізобетонної плити або перехресних залізобетонних стрічок У разі точкових фундаментів зовнішні колони необхідно пов'язати між собою фундаментними балками. Для районів з сейсмічністю 9 балів все фундаменти (внутрішні та зовнішні) повинні бути взаємопов'язані.

Суміжні відсіки розділяються по висоті антисейсмічним швом до рівня фундаменту, якщо цей шов не збігається з осадовим. Виконання самого каркаса з монолітного залізобетону в сейсмічних районах нічим не відрізняється від способу виробництва в несейсмічних районах, тому спеціальних конструктивних заходів в них не передбачається, за винятком підвищеного армування стійок і ригелів каркаса, а також спеціальних деталей конструкцій, що кріплять збірні елементи до остова будівлі.

Поширеними видами залізобетонного каркаса в сейсмічних районах є збірномонолітний і збірний каркаси, більшість елементів яких виготовляються в заводських умовах.

Нижче наводяться основні конструктивні рішення збірномонолітних каркасів, застосовувані в масовому будівництві.

У конструюванні цих каркасів велике значення має розрізка каркаса на збірні елементи При виборі тієї чи іншої розрізання слід керуватися характером напруженого стану каркаса будівлі та можливістю виготовлення збірних елементів, а також виробництвом монтажу в конкретних умовах.

Як відомо, найбільша концентрація напружень в рамної системі від дії горизонтальних сил спостерігається в її вузлах, отже, сейсмостійкість каркасних будівель залежить в першу чергу від ступеня надійності цих вузлів Тут доречно нагадати про те, що говорилось вище щодо випробувань залізобетонних вузлів. Ці випробування виявили слабкість центральної зони сполучення при кососиметричних завантажені в зв'язку з цим центральну частину вузла рекомендується посилити горизонтальними сітками або хомутами н додатковими вертикальними стержнями.

Розрізку каркаса переважно здійснювати в середніх частинах стійок п ригелів, де згинальні моменти від сейсмічних сил мінімальні Однак не завжди представляється можливим реалізувати таке рішення, оскільки для цього потрібна спеціальна технологічна база і відповідні транспортні засоби Принципова відмінність наведених розрізок між собою полягає в появі лінійних, плоских і об'ємних збірних елементів.

Більш простими у виготовленні збірними елементами представляються конструкції, утворені розрізанням каркаса в рівні рамних вузлів.

Лінійні елементи утворюються при розрізанні каркаса в місцях сполучення стійок з ригелями При цьому висоти колон можуть бути рівними 1, 2 і 3 поверхах Стиковка колон між собою здійснюється залежно від схеми розрізання в рівні перекриттів або ж декілька вище їх У першому випадку ригелі стикуються між собою безпосередньо у вузлі сполучень стійок і ригелів, а в другому через колони, в яких передбачені в цих місцях арматурні випуски або закладні деталі.

У першому випадку колони стикуються між собою по висоті приблизно в середині відповідного поверху А в рівні перекриттів арматура колони " оголена ", на цій ділянці немає бетону При монтажі каркаса проходить горизонтальна арматура примикають ригелів, яка зварюється із зустрічними випусками, а потім монолітиться бетоном марки на один ступінь вище бетону збірних елементів Для кращого зчеплення монолітного бетону з торцями ригелів в останніх передбачені пази, рифлення Монтаж ригелів може проводитися або за допомогою інвентарних металевих столиків, що прикріплюються до колон, або за допомогою консолей, випущених з тіла колон Такий спосіб утворення стиків колон з ригелями називають вузловим замонолічуванням ригелів.

Другий спосіб сполучень лінійних елементів каркаса називається привузловим замонолічуванням ригелів. Тут колони по всій висоті виконуються суцільного перетину, а приєднання ригелів до колони виробляють з зовнішніх сторін колони. Стиковка ригелів з колоннами може бути здійснена за рахунок пропуску ригельних арматурних випусків крізь колону, через спеціально передбачені для цього горизонтальні отвори або ж за рахунок металевих консолей, виступаючих з колони. Монтаж ригелів, так само як і в попередньому випадку, здійснюється за допомогою інвентарних столиків.

До плоским елементів відносяться Г, І, П - і хрестоподібні конструкції, при сполученнях яких утворюється.

Рис. 5 Зразок стикування плоских хрестоподібних і П-образних елементів каркаса: 1 -- арматура монолітного продольного ригеля, 2 - верхній збірний елемент, 3 -- монолітний ригель, 4 -- ніша для приварювання анкерів, 5 - збірний елемент, 6 -- раствор, 7 -- шовна зварка каркасу будівлі в одному напрямку

Стикування цих елементів ведеться (крім П-подібних), як правило, в середній частині поверхів і прольотів. Можливі випадки стикування ригелів не в середині прольотів, тоді з'являються додаткові елементи у вигляді балкових вставок, в результаті чого виникають два вузла сполучень у відповідному прольоті.

Заводське виготовлення вузлових сполучень стійок і ригелів дозволяє винести стики в місця дії найменших згинальних моментів при сейсмічних впливах, що, в свою чергу, дає мінімум монтажних елементів. Стики елементів здійснюються при допомозі зварювання випусків арматури контактуючих конструкції з подальшим замонолічуванням На торцях елементів, що стикуються передбачено рифлення сторін для надійного зчеплення монолітної частини бетону зі збірним Стики колон, залежно від виду плоских елементів, можуть розташовуватися або в середині поверху, або на висоті 80-100 см від ригелів, або безпосередньо над ними Поздовжні ригелі, що виконуються на будмайданчику з монолітного бетону, з'єднуються зі стійками каркаса в рівнях перекриттів, для чого в колонах подовжня арматура до стикування з поздовжніми ригелями не покривають захисним шаром бетону (см, наприклад, рис 5).

Панелі перекриття, що укладаються на поперечні ригелі, можуть служити опалубкою для монолітних ригелів (прогонів).

Розроблена лікувально-курортних будівель уніфікована каркас-панельна конструкція для IV будівельно-кліматичної зони з сейсмічністю 7-8 балів (рис 6) являє собою поперечні плоскі залізобетонні хрести, що сполучаються в серединах поверхів і прольотів, в поздовжньому напрямку ці хрести з'єднуються монолітними ригелями, утвореними бетонуванням зазорів між поздовжніми торцями плит перекриттів.

На рис 6 показані вузли замонолічування, характерні для схеми розрізання каркасного будинку на лінійні і плоскі елементи При цьому в одному з напрямків в плані будівлі з'єднання ригелів з колонами здійснюється в рівнях перекриттів.

Розрізка каркаса на об'ємні елементи на відміну від попередніх розрізок позбавляє від необхідності влаштування монолітних прогонів і складних стиків у вузлах рами Тут, так само як в плоских хрестоподібних елементах, ригелі в двох напрямках утворюються шляхом стикування консолей сусідніх стійок Ці сполучення можуть здійснюватися безпосереднім стикування консолей або ж за допомогою горизонтальних вставок.

Сейсмічний будівля каркасний землетрус

Рис. 6

На рис 7 показаний каркас, який вирішується у вигляді стійок з консолями у поперечному напрямку, виготовлених в заводських умовах Стиковка колони передбачена в середині поверху, а ригелів в середині прольотів, або в третинах прольотів за допомогою рігелей-вставок.

Ширина хрестовин в обох напрямках становить 3 м. Замонолічування консолей зі вставками проводиться безпосередній накладкою елементів зі зварюванням закладних деталей і забетонуванням стику.

Панелі перекриття вирішені тут товщиною 9 см обпертими по контуру. Це дозволяє забезпечити однакову роботу каркаса як у поздовжньому, так і в поперечному напрямках.

Рис. 7. Каркас из пространственных сборных элементов:

/ -- средний пространственный крест; 2 -- крайний пространственный крест; 3 -- ригель-вставка; 4 -- панель перекрытия; 5 -- перегородка; в -- панель балкона; 7 -- лестничный марш; 5 -- консоль для террасы; 9 -- наружная стена; 10 -- панель террасы

Іншим прикладом може служити збірний залізобетонний каркас з діафрагмами жорсткості. В основу конструктивного рішення прийнято, що всі сейсмічні сили сприймаються збірними залізобетонними діафрагмами, розставленими на певній відстані один від одного і безперервними по висоті будівлі. Збірні залізобетонні перекриття передбачені розмірами на конструктивну осередок каркаса. Каркас у цьому рішенні виконує функцію несучого тільки вертикальне навантаження. Сполуки діафрагм з колонами і ригелями здійснюються за допомогою зварювання закладних частин.

На закінчення слід зазначити, що конструктивні рішення збірних каркасних будівель, найкращим чином впливають на їх сейсмостійкість, представляються у вигляді великорозмірних елементів, сполучених поза вузлів примикання вертикальних і горизонтальних елементів, із застосуванням плит перекриттів, опертих по контуру. Застосування плит розмірами на клітинку каркаса дозволяє знизити товщину перекриття, що позначиться на зниженні загальної висоти будинків, особливо висотних. Це поведе до зниження власної ваги будівлі і, як наслідок, до зменшення сейсмічних навантажень, що, в кінцевому рахунку, призведе до економічно доцільнішим рішенням.

Вельми раціональним для сейсмостійкого будівництва є також застосування металевих каркасів. Металеві конструкції внаслідок високої міцності виходять легкими і відносно малогабаритними, що визначає доцільність їх застосування в сейсмічних районах.

Поряд з цим, металеві конструкції мають недоліками: схильність корозії, втрата несучої здатності при підвищених температурах. Під час землетрусу можуть виникати пожежі, що вимагає ізоляції металевих конструкцій вогнетривкими нетеплопровідними матеріалами облицювання.

Метал є поки дефіцитним матеріалом, тому застосування його в будівельних конструкціях ведеться економно. Однак з ростом поверховості і прольотів будівель останнім часом металеві конструкції знаходять все більше застосування.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

V.1. Рассказовский В. Т., Мар - темьянов А. И. Проектирование, возведение и восстановление зданий в сейсмических районах. Изд-во "Узбекистан", 1968.

V.2, Егупов В. К. Расчет зданий на прочность, устойчивость и колебания. Изд-во "Будивельник". Киев, 1965.

V.3 Руководство по проектированию сейсмостойких зданий и сооружений, т. 1--4, М., 1968--71;

V. 4 Строительные нормы и правила, ч. 2, раздел А, гл. 12.

V. 5 Строительство в сейсмических районах, М., 1970;

V. 6 Сейсмостойкое строительство зданий, М., 1971;

V. 7Саваренский Е. Ф., Сейсмические волны, М., 1972

V. 8Современное состояние теории сейсмостойкости и сейсмостойкие сооружения М., 1973

V. 9 Корчинский И. Л. - Сейсмостойкое строительство зданий 1971

Проектування будівель та споруд в сейсмічних зонах

Похожие статьи