embl01.JPG (3927 bytes)

Ассоциация украинского
сейсмостойкого строительства


Проблемы проектирования на сейсмостойкость
протяженных и несимметричных сооружений

Землетрясения последних десятилетий отчетливо продемонстрировали, что здания одного типа не обладают достаточной сейсмостойкостью (например, здания со стенами из мало прочных материалов, каркасные здания и др.), а другие обладают весьма высокой степенью сейсмостойкости (крупнопанельные, монолитные и др.). Расчеты на основе действующих норм не могут объяснить этот факт.

Основные допущения заложенные в нормы:
а) перекрытие представлено в виде абсолютно жесткого диска;
б) величина воздействия по длине здания не меняется (равномерно).
в) два наиболее невыгодных направление действия сейсмической волны - поперек и вдоль здания;
г) для любых типов землетрясений принимается единый обобщенный график коэффициента динамичности b.

Принятие этих допущений позволило представить основную расчетную модель здания в виде консольного стержня для всех без исключения конструкций, независимо от их размеров. Однако анализ последствий разрушительных землетрясений последних десятилетий ставит перед исследователями задачу совершенствования указанных выше моделей, введением в расчет новых факторов, влияющих на прочность сооружения.

Роль перекрытий в повышении сейсмостойкости до настоящего времени недооценивается, однако картина повреждений зданий отчетливо указывает на важную роль перекрытий в распределении сейсмического воздействия между несущими вертикальными элементами.

Анализ характерных повреждений

Характерные повреждения конструкций зданий можно условно разделить на несколько групп.

Многочисленные разрушения торцовых частей зданий
зафиксированы при анализе последствий землетрясений. Во многих случаях это вызвано поворотом перекрытий зданий относительно вертикальной оси, когда центры сил инерции и упругости не совпадают. Однако, эффект кручения наблюдается также и в зданиях с идеальным архитектурно-планировочным решением, в которых предусмотрено симметричное во всех направлениях распределение масс и жесткостей. Объяснением этому могут служить пространственные формы колебаний (рис.1) и неравномерность поля колебаний грунта под фундаментом здания.

Если перейти от простой, одномерной модели здания в виде консоли к более сложной трехмерной, а поле сейсмических колебаний грунта оставить в соответствии с нормами равномерным, то пространственные динамические степени свободы не будут задействованы, а это приведет к нулевым сейсмическим силам при крутильных и изгибных в плане колебаниях для зданий регулярной структуры.

Такое резкое несоответствие моделей, как и следовало ожидать приводит к парадоксам. В результате происходит занижение усилий возникающих в торцевых элементах конструкции на 70 - 100%, а в отдельных случаях до 200%!

Для распространенных в строительстве типов зданий с ядрами жесткости в средней части имеется своя особенность колебаний. На первое место в оценке сейсмостойкости выходят крутильные колебания, поскольку для протяженных зданий инерционные характеристики, связанные с вращением перекрытий относительно вертикальных осей, становятся доминирующими. При таких колебаниях в наихудших условиях оказываются опять торцовые элементы здания.

a) б)

Рис. 1. Разрушения торцовых частей зданий: а) максимальные смещения торцов при крутильных колебаниях б) крутильная форма колебаний с максимальными перемещениями на торцах здания.

Большие повреждения внутренних стен и средней части перекрытий. Колебания протяженных зданий с неоднородной структурой имеют особенности. При концентрации жесткостей по торцам практически отсутствуют крутильные колебания (их частоты выходят за рамки учитываемого в расчетах спектра), но увеличивается влияние тех пространственных характеристик внешних воздействий грунта, которые вызывают деформации перекрытий в своей плоскости при больших расстояниях между торцовыми диафрагмами. При расстояниях в 50-60 м торцовые диафрагмы являются для перекрытий почти не смещающимися опорами, а форма перекрытий определяется с одной полуволной. Эта форма колебаний и соответствующая ей частота являются определяющими при оценке сейсмостойкости здания.

В расчетах по консольной схеме общую сейсмическую нагрузку распределяют между стенами пропорционально их жесткости. Однако опыт землетрясений показывает, что в этом вопросе нужны коррективы. Так, внутренние стены часто имеют большие повреждения, чем наружные. Это объясняется тем, что перекрытия не являются абсолютно жесткими в своей плоскости. В работах [4,13] приведены графики распределения сейсмических нагрузок между средней и двумя крайними стенами 5-этажного здания в зависимости от его длины. На среднюю стену (относительно менее жесткую - толщина 38 см) приходятся большие сейсмические нагрузки, чем на две крайние вместе взятые (толщина каждой 51 см).

а) б)

Рис.2. Разрушения внутренних стен и средней части перекрытий: а) максимальные средней части при изгибных колебаниях б) изгибная форма колебаний с максимальными перемещениями в средней части здания.

Сейсмостойкость каркасных зданий повышается постановкой диафрагм жесткости. Роль перекрытий как деформируемых в своей плоскости дисков в этом случае значительно повышается, что видно из пространственной формы колебаний (рис.2) и зависимости сейсмических нагрузок от длины здания и его расчетной модели [4,13].

Повреждения преимущественно верхних этажей.
Ташкентское землетрясение 1966г, эпицентр которого находился в черте города, показало, что помимо горизонтальных колебаний в расчетах следует учитывать и вертикальные колебания. Повреждения преимущественно верхних этажей можно объяснить близостью преобладающих периодов сейсмического воздействия к периодам вертикальных колебаний зданий и распределением сейсмической нагрузки пропорционально вертикальной форме колебаний (максимальные перемещения на уровне верхних этажей).

Сдвиг поперечных стен в вертикальной плоскости относительно друг друга и разрушение перекрытий из своей плоскости.
Картина повреждений протяженных зданий в Турции (землетрясение 27 июня 1998г.)объясняется тем, что для таких зданий преобладающей является частота соответствующая крутильным колебаниям в вертикальной плоскости (сдвиг поперечных стен в вертикальной плоскости относительно друг друга). При проектировании таких зданий учитывались равномерные по длине горизонтальные нагрузки в плоскости перекрытий, а нагрузками в вертикальной плоскости по традиции пренебрегли, а они как раз и привели к разрушению.

а) б)

Рис.3. Сдвиг поперечных стен в вертикальной плоскости относительно друг друга и разрушение перекрытий из своей плоскости (землетрясение в Турции 27 июня 1998г.)

Объяснением того факта, что для разных типов зданий характер разрушение пропорционален разным формам колебаний, является сложный спектральный состав сейсмического воздействия. Близость преобладающих периодов сейсмического воздействия к соответствующим периодам колебаний зданий и порождает деформации соответствующие этим колебаниям.

О необходимости учета спектрального состава воздействия и преобладающих периодов колебаний грунта, а также о неравномерности воздействия по длине здания отчетливо говорят все выше перечисленные картины повреждения зданий. Все описанные выше эффекты, выявленные путем анализа последствий землетрясений, указывают на необходимость перехода в нормах (кодах) к пространственным расчетным моделям зданий (сооружений) и воздействий.