СНиП РК 2.03-04-2001. Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий


ПОСОБИЯ К СтроительныМ нормАМ и правилаМ

ПОСОБИЕ ПО РАСЧЕТУ И КОНСТРУИРОВАНИЮ СТАЛЬНЫХ

СЕЙСМОСТОЙКИХ КАРКАСОВ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

(В РАЗВИТИЕ СНиП РК 2.03-04-2001), ЧАСТЬ I

DESIGN AND ESTIMATE MANUAL FOR MULTISTORY BUILDINGS STEEL EARTHGUAKE RESISTANT FRAMEWORKS. (FOR SNiP 2/03-04-2001

EXPLANATION), PART 1.

Дата введения — 01.08.2003 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. РАЗРАБОТАНЫ: ТОО «Институт Проектстальконструкция» (авторы: кандидат технических наук профессор Максимов Ю. С., кандидат технических наук профессор Остриков Г.М.)

2. ПРЕДСТАВЛЕНЫ: Управлением технического нормирования и новых технологий в строительстве Комитета по делам строительства Министерства индустрии и торговли Республики Казахстан (МИТ РК).

3. ПРИНЯТЫ И ВВЕДЕНЫ Приказом Комитета по делам строительства МИТ РК от 10 июля . № 282

В ДЕЙСТВИЕ: с 1 августа .

4. ПОДГОТОВЛЕНЫ: Проектной академией “KAZGOR” в соответствии с требованиями

СНиП РК 1.01-01-2001 на русском языке.

СОДЕРЖАНИЕ

Часть I

1Основные тенденции в проектировании и строительстве сейсмостойких

многоэтажных зданий с учетом анализа последствий землетрясений…………………...

1.1.Анализ причин разрушения каркасных зданий при землетрясениях……………………..

1.2Применение стальных конструкций для увеличения сейсмостойкости зданий…………

1.3.Использование пространственных схем в каркасах зданий………………………..……...

1.4.Современные методы сейсмозащиты зданий………………………………………………

2.Основные принципы конструирования сейсмозащищенных стальных каркасов

многоэтажных зданий……………………………………………………………………….

2.1.Конструктивные схемы каркасов……………………………………………………………

2.2.Материал металлических каркасов………………………………………………………….

2.3.Сейсмозащита каркасных зданий с помощью стальных энергопоглощающих элементов………………………………………………………………………………………

2.4.Малоцикловая прочность стальных сейсмостойких каркасов……………………………..

2.5.Надежность работы стальных каркасов при знакопеременных циклических

нагрузках во время землетрясений………………………………………………………….

3. Стальные рамные каркасы сейсмостойких зданий…………………………………………

3.1 Схемы рамных каркасов………………………………………………………………………

3.2Конструктивные формы колонн и ригелей рамных каркасов……………………………...

3.3.Узловые соединения рамных каркасов………………………………………………………

3.4.Энергопоглощающие элементы рамных каркасов………………………………………….

3.5.Особенности расчета стальных рамных каркасов многоэтажных зданий,

оснащенных энергопоглощающими элементами…………………………………………..

3.6.Пример расчета и конструирования стального рамного каркаса

12-этажного широко каркасного сейсмозащищенного здания…………………………….

Литература…………………………………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Восточные и особенно южные районы территории Республики Казахстан входят в число сейсмоопасных регионов земного шара, в которых с высокой степенью вероятности возможны наиболее разрушительные и катастрофические землетрясения интенсивностью 8, 9 и 10 баллов. На региональном совещании по проблемам уменьшения ущерба от землетрясений в странах Центральной Азии, состоявшемся в период с 22 по 25 октября 1996 года в г. Алматы, было отмечено, что сейсмический риск на территории стран Центральной Азии возрастает, а возможности республик по его уменьшению падают [1]. На этом же совещании отмечено, что анализ сейсмической опасности на территории республик Центральной Азии, выполненный экспертами в области сейсмологии показал высокую вероятность (до 40%) того, что в течение ближайших 20 лет вблизи одной из столиц региона произойдет сильное землетрясение интенсивностью не менее 9 баллов.

В пяти областях Казахстана проблема сейсмического риска всегда была высокой, поскольку в сейсмически опасных районах расположены такие крупные республиканского и областного значения города как Алматы, Тараз, Шымкент, Усть-Каменогорск, Талдыкорган, ряд городов районного значения. Эти города отличаются повышенной плотностью застройки и плотностью населения, в то время как уровень сейсмостойкости возведеных в них зданиях и сооружениях характеризуются высокой сейсмической уязвимостью, т. е. недостаточной сейсмостойкостью, обусловленной следующими факторами:

- существующие жилые дома физически стареют и, как правило, не ремонтируются и не усиливаются;

- строительство ведется в ряде случаев без должного контроля и с нарушением норм;

- меняется в худшую сторону инженерно-геологические условия под влиянием техногенных факторов.

Город Алматы за период менее ста лет дважды, в 1887 и 1911 гг., разрушался сильнейшими землетрясениями и по оценкам экспертов число погибших в случае землетрясения расчетной интенсивности может достигнуть 75 тыс. человек, а число разрушенных и сильно поврежденных домов составит до половины от общего их количества.

Действующий СНиП [2] относит здания и сооружения к сейсмостойким, если они рассчитаны на сейсмические нагрузки принятые по данным нормам для данного района. В то же время международные нормы ISO четко определяют два основных принципа сейсмостойкого проектирования:

а) При сильном землетрясении, которое может произойти на данной местности, сооружение не должно разрушиться и не должно быть причиной тяжелых человеческих жертв.

б) При умеренном землетрясении, которое ожидается за период эксплуатации сооружения, последнее должно противостоять землетрясению без повреждений, недопустимых с точки зрения эксплуатации сооружения.

В настоящее время при обсуждении проекта норм сейсмостойкого проектирования на Рабочих встречах по разработке норм для стран СНГ предлагается в максимальной степени учитывать требования, принципы и приемлемые рекомендации Международных и Европейских норм [3]. В этой связи учет вышеуказанных двух принципов сейсмостойкого проектирования международных норм ISO при подготовке настоящего пособия необходим, в противном случае пособие после выхода новых норм потребуется переработать.

1 Основные тенденции в проектировании и строительстве сейсмостойких

многоэтажных зданий с учетом анализа последствий землетрясений

1.1 Анализ причин разрушения каркасных зданий при землетрясениях

Сейсмические воздействия представляют собой наиболее опасный тип динамической нагрузки на сооружения. Сильные землетрясения вызывают существенные повреждения конструкций, а в отдельных случаях приводят к их обрушению. Анализ последствий землетрясений представляет собой значительный прикладной интерес, поскольку дает информацию для проектирования более сейсмостойких конструкций, нахождения экономичных решений, повышения их безопасности, а также для разработки мероприятий по усилению уже поврежденных или неповрежденных, но находящихся в эксплуатации зданий и сооружений.

Анализ последствий ряда сильных землетрясений не подтвердил преимущества в сейсмостойкости малоэтажных зданий, напротив, в многочисленных публикациях отмечено, что многоэтажные здания в большинстве случаях оказывались менее поврежденными в сравнении с малоэтажными зданиями [4, 5, 6, 7, 8]. Более того, как отмечено в [9] почти весь научный мир согласился с тем, что самыми сейсмостойкими сооружениями оказываются небоскребы. Это объясняется тем, что существующая сегодня во всем мире модель сооружения при расчете на сейсмические воздействия – консоль. Высотные здания, как правило, каркасного типа, имеющие во много раз превосходящие размеры по высоте в сравнении с размерами в плане, лучше всего моделируются консолью. Опыт многочисленных землетрясений показал, что наиболее сейсмостойкими все-таки являются каркасные здания. Жесткость и общая масса в каркасных зданиях, как правило, значительно ниже, чем каменных или панельных зданий, что также существенно снижает сейсмические нагрузки. Все перечисленные выше преимущества каркасной схемы позволили рекомендовать ее для широкого применения при строительстве зданий повышенной этажности (9 - 30 этажей) в сейсмических районах [7, 10, 11, 12, 13]. Анализ последствий последних землетрясений свидетельствует о высокой способности железобетонных и стальных конструкций каркасных зданий выдерживать интенсивные сейсмические воздействия и обеспечивать безопасность людей и сохранять материальные ценности. Соблюдение требований норм по сейсмостойкому строительству и качественное выполнение строительно-монтажных работ является гарантией сохранения эксплуатационной способности каркаса и отсутствия в нем сильных повреждений ????????. Вместе с тем в ряде случаях во время землетрясений в каркасных зданиях выявляются слабые стороны несущих и ограждающих конструкций зданий и они иногда получают значительные повреждения или обрушаются. Причин, как правило, несколько, но главными можно считать ниже перечисленные ошибки при проектировании и строительстве, а также несовершенства нормативных документов, обусловленных нерешенностью проблемы прогнозирования землетрясений вообще, и сильных в частности, особенно краткосрочного прогноза с привязкой его по месту, времени и интенсивности прогнозируемого землетрясения [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]:

- строительство на площадках с неблагоприятными в сейсмическом отношении локальными грунтовыми условиями и, в частности, строительство относительно гибких зданий на слабых грунтах;

- неудовлетворительная работа каркаса на кручение вследствие его несимметричного очертания в плане;

- применение в многоэтажных зданиях гибких первых этажей;

- нерегулярное и несимметричное расположение несущих элементов в конструктивных схемах каркасов;

- значительные эксцентриситеты в узлах примыкания ригелей к колоннам;

- недостаточная прочность элементов каркаса при восприятии горизонтальных сейсмических сил;

- потеря местной устойчивости колонн, элементов связей, а также потеря устойчивости стальных несущих элементов вследствие малоцикловой усталости и хрупкого разрушения;

- появление трещин в сварных соединениях стальных каркасов;

- недостаточная жесткость каркаса для восприятия поперечных сил и интенсивные остаточные деформации каркасов;

- магнитуда землетрясения, глубина очага от земной поверхности и эпицентральное расстояние от очага землетрясения до больших городов;

- для высоких зданий и для зданий оснащенных системами сейсмоизоляции и т.п. не учитывалась вертикальная компонента при землетрясении;

- во многих случаях интенсивность землетрясений оказывается фактически намного выше, чем предполагаемая расчетная интенсивность, определенная по картам сейсмического районирования.

- соударения с соседними зданиями при недостаточной величине антисейсмических швов;

- из-за наличия в гибких зданиях жестких элементов, являющихся очагами разрушения ввиду передачи на них значительно большей, чем по расчету, нагрузки;

- материал несущих элементов каркасов. Японские специалисты сделали вывод о том, что в железобетонных каркасах необходимо применять жесткую арматуру в целях увеличения способности каркаса к восприятию поперечных сил и развития в несущих элементах железобетонного каркаса пластических деформаций;

- возраст зданий, поскольку с годами ухудшается фактическое состояние зданий, особенно в районах с высокой сейсмической активностью, проявляющейся в виде частых, но слабых землетрясений, от которых накапливаются микроповреждения в несущих конструкциях;

- эффективный контроль качества строительных работ;

- формальный характер экспертизы проектов, их согласование и выдача разрешений на начало строительства.

Землетрясения последних лет, имевшие место в районе г. Кобе (.), в Турции и на Тайване (.) дали большой объем новой информации о поведении конструкций при интенсивных сейсмических воздействиях, которая стала неожиданностью для большинства специалистов, занимающихся проектированием и научными исследованиями в области сейсмостойкого строительства. Так на основе этой информации в [27,28] описан наиболее распространенный механизм обрушения каркасного здания во время сильного землетрясения, согласно которому существенно повреждаются один или несколько нижних этажей здания, после чего происходит общая потеря устойчивости конструкций. Повреждения верхних этажей, как правило, незначительны, поэтому все деформации и рассеяние энергии будут иметь место в пределах нижних этажей. Принимается, что при таком подходе к поведению здания во время землетрясения, здание может моделироваться в виде набора жестких блоков, которые соединены деформируемыми зонами, работающими не только на сдвиг, но и учитывающими повороты каждого этажа. Во многих случаях конструкции первых этажей имеют конструктивные отличия от остальных этажей, например, другая высота этажа или отличное в количественном и качественном отношении стеновое ограждение. Это приводит к большим амплитудам колебаний несущих колонн на уровне между первым и втором этажами, потере их устойчивости, при этом нарастают углы крена здания, что в свою очередь может вызвать его опрокидывание при неупругой стадии работы несущих конструкций.

Другими распространенными моделями зданий и сооружений являются стержневые системы с сосредоточенными массами. Обследование повреждений зданий, возникших во время интенсивных сейсмических воздействий, указывает на различные механизмы перехода несущих элементов в предельное состояние [29]:

- образование пластических шарниров в верхних и нижних сечениях колонн одного или нескольких этажей в случаях, когда прочность и жесткость междуэтажных перекрытий значительно больше жесткости стоек;

- образование пластических шарниров в узлах крепления ригелей к стойкам; обрушение перекрытий при практически неповрежденных стойках;