- образование пластических шарниров в основании здания и в узлах ригелей и стоек.
1.2 Применение стальных конструкций для увеличения сейсмостойкости зданий
Анализ последствий многочисленных землетрясений подтверждает более высокую сейсмостойкость многоэтажных зданий со стальными каркасами традиционных конструктивных форм [30]. Весь мировой опыт строительства в сейсмических районах многоэтажных и высотных зданий различного назначения показывает, что в большинстве случаев (около 80%) применяют стальные каркасы [31]. Причиной этого, безусловно, являются:
- высокие прочностные и пластические характеристики стали;
- реальная возможность вовлечь максимальный объем металла в работу за пределом упругости без ущерба прочности и устойчивости основных несущих элементов;
-возможность изготовления каркасов любой конструктивной формы, что в свою очередь позволяет изменять динамические характеристики здания и регулировать сейсмическую нагрузку на него [32].
Выполненные в институте Проектстальконструкция (г. Алматы) научно-исследовательские и проектные работы позволили сформулировать новые прогрессивные принципы конструирования стальных каркасов повышенной сейсмостойкости. В основу этих принципов положены высокие энергопоглощающие способности малоуглеродистых и низколегированных строительных сталей при их работе за пределом упругости.
На рис. 1-1 приведены диаграммы деформирования образцов малоуглеродистой (а) и низколегированной (b) сталей при испытании их на растяжение статической нагрузкой. Из этих диаграмм видно, что общая энергия, затраченная на разрушение образца в упруго-пластической стадии в 200 - 500 раз больше, чем при упругом деформировании. Более того, если при упругом деформировании стали происходит аккумуляция конструкцией внешней энергии, то при работе материала за пределом упругости внешняя энергия им поглощается за счет нагрева при пластическом деформировании с последующим рассеиванием в окружающей среде.
Рисунок 1-1 - Диаграммы деформирования образцов малоуглеродистой (а) и низколегированных (b,с) сталей при испытании статической нагрузкой
При знакопеременном циклическом нагружении величина поглощенной внешней энергии за один цикл зависит от уровня пластического деформирования материала, предела текучести стали и ее объема, вовлеченного в работу за пределом упругости. Суммарная поглощенная стальным образцом энергия при знакопеременном упругопластическом деформировании увеличивается при снижении уровня пластических деформаций за время одного полуцикла за счет увеличения долговечности работы образца за пределом упругости, которая определяется количеством циклов знакопеременного нагружения образца до появления в нем первой трещины. Таким образом, варьируя величиной уровня пластических деформаций за время одного полуцикла можно запроектировать стальной каркас с гарантированной сейсмостойкостью на возможные землетрясения расчетной интенсивностью, способный выдерживать к тому же полутора-двукратные пиковые перегрузки, неизбежно возникающие во время землетрясений.
Проведенные технико-экономические исследования в СССР по рациональности применения стали при возведении каркасных зданий повышенной этажности с плоской конструктивной схемой показали, что несмотря на повышенный расход металла в сравнении с железобетонными каркасами, их стоимость оказывается ниже, причем с увеличением высоты здания применение металла становится еще более эффективным [11,33]. Использование для каркасов многоэтажных зданий сталей повышенной прочности в сочетании с пространственными схемами делают такие стальные каркасы конкурентно-способными с железобетонными каркасами и по расходу металла [34, 35].
1.3 Использование пространственных схем в каркасах зданий
Совершенствование традиционных и разработка новых систем каркасов проводится на основе анализа экспериментальных данных, последствий землетрясений и других факторов.
К перспективным решениям стальных каркасов многоэтажных зданий относятся каркасы, представляющие пространственные системы с несущим рамным каркасом как в сочетании с ядрами жесткости и диафрагмами, так и без них, причем последние могут выполняться в виде решетчатой конструкции из стали или сплошной из железобетона. Все эти схемы обеспечивают гибкую внутреннюю планировку помещений, достаточно надежны и позволяют значительно снизить расход стали в сравнении с плоскими каркасами. Примером таких конструктивных форм каркасов многоэтажных зданий служат серия зданий высотой 36 - 52 этажа, построенных в Японии ??37,38,39??. В этих зданиях горизонтальные сейсмические нагрузки и часть вертикальной нагрузки воспринимаются внутренними ядрами, а наружный каркас работает только на вертикальную нагрузку - так называемая каркасно-ствольная схема. В Казахстане в г. Алматы примером такой схемы может служить девятиэтажный металлический каркас здания производственного здания на углу улиц Пушкина и Раимбека ??35??. Удельный расход стали на 26% меньше, чем на здание с плоским рамным каркасом.
В случае вовлечения наружного каркаса в работу на горизонтальные нагрузки образуется пространственная система коробчато-ствольной конструкции, так называемая «tube in tube», обладающая значительной горизонтальной жесткостью, позволяющая возводить экономичные здания при их высотах более 20 - 25 этажей. Данная схема также получила широкое распространение в зарубежной практике сейсмостойкого строительства ??40??.
Одной из конструктивных форм каркасов с замкнутыми наружными коробками является коробчатая схема, которая благодаря пространственной работе элементов воспринимает горизонтальные сейсмические, ветровые и часть вертикальных нагрузок. Сосредоточение основной массы несущих конструкций по контуру здания повышает жесткость каркаса, тем самым уменьшается его деформативность и одновременно улучшается работа на кручение каркаса в целом. Благодаря пространственной работе элементов снижается масса металла и обеспечивается гибкая планировка помещений. Указанные достоинства позволяют характеризовать схему как одну из рациональных в сейсмостойком строительстве. Примерами зданий с коробчатой схемой служат административные здания высотой 22 - 36 этажей, построенные в Венесуэле, Японии, США ??37,41,42,43??. В Казахстане примером данной схемы является каркас многоэтажного здания АТС на 20 тыс. номеров в г. Алматы ??44??. Экономия стали по сравнению с плоским рамным каркасом достигает 35-40%.
Исследованиями, проведенными в различных странах, установлена высокая сейсмостойкость зданий с принципиально новой архитектурной и конструктивной формой - с подвешенными этажами, которая к тому же дает определенные преимущества и в планировочном решении помещений и при монтаже. Здания с подвешенными этажами имеют один или несколько жестких стволов, которые воспринимают все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Особенно эффективна данная конструктивная форма в случаях подвески конструкций междуэтажных перекрытий на предварительно напряженных вантах или лентах ??32??. Каркас имеет повышенную сейсмостойкость, благодаря большему периоду колебаний в сравнении с традиционными конструкциями ??37??, однако недостаточная изученность работы этих каркасов при сейсмических воздействиях не позволяет рекомендовать их к широкому применению в практике сейсмостойкого строительства и поэтому в настоящем пособии эти конструкции не рассматриваются.
1.4 Современные методы сeйсмозащиты зданий
В настоящее время можно уверенно констатировать: в мире существуют две концепции в обеспечении сейсмостойкости построенных зданий при их проектировании. В начале 20-го века здания и сооружения проектировали и строили, опираясь на принцип, принятый в проектировании японскими учеными, в основу которого принято положение, что наиболее сейсмостойкими являются жесткие сооружения. Анализ последствий многочисленных землетрясений показал, что не всегда жесткие сооружения оказываются более сейсмостойкими. Более того, во время некоторых землетрясений, например, в Чили при землетрясении 21 мая 1960 года выявлено, что как раз более жесткие здания и сооружения получили наибольшие разрушения, тогда как более гибкие оказались практически не поврежденными. Исходя из анализа последствий подобных землетрясений в середине прошлого столетия практически в одно время в СССР и в США была предложена другая концепция в проектировании сейсмостойких сооружений, суть которой заключается в следующем, чем меньше жесткость сооружения, тем меньше величина сейсмических нагрузок, действующих на него. Исходя из этой концепции, начался период массового проектирования гибких каркасных зданий. Стремление в максимальной степени снизить жесткость здания или сооружения привело к созданию новых конструктивных форм зданий, в том числе зданий с первыми гибкими этажами, с разрезанными в углах стенами и т. д. [45]. В то же время, например, при Карпатском землетрясении в Бухаресте (1977 год) наибольшие повреждения получили именно здания с первыми гибкими этажами. Эти различия в проявлении последствий землетрясений объясняются несколькими причинами, среди которых ниже перечисленные причины являются наиболее первостепенными:
- спектральные характеристики движения грунта;
- удаленность сооружения от возможного очага землетрясения;
- динамические характеристики возводимого здания или сооружения.
При известных доминантных частотах сейсмических колебаний грунта и других его спектральных характеристик задача обеспечения сейсмостойкости здания или сооружения в некоторой степени упрощается путем назначения параметров конструкций таким образом, чтобы частоты ее собственных колебаний значительно отличались от преобладающей частоты сейсмических колебаний грунта, что дает возможность снизить сейсмические нагрузки на проектируемое здание или сооружение.
Однако при проектировании зданий и сооружений для сейсмически опасных районов чаще всего возникают более сложные и неопределенные ситуации, при которых задачу оптимального проектирования здания приходится решать не располагая полной информацией о характеристиках возможных воздействий. Более того, как показывает анализ происшедших землетрясений, эти воздействия могут отличаться спектральными и другими динамическими характеристиками. В этих условиях проектирование здания с постоянными динамическими характеристиками не решает задачи гарантированного обеспечения его сейсмостойкости при действии расчетных сейсмических нагрузок. Достичь оптимального решения с заранее заданным уровнем снижения сейсмических нагрузок в подобных случаях можно только при условии использования таких мероприятий, с помощью которых может быть достигнуто изменение динамических характеристик здания при действии сейсмических нагрузок.
В отличии от мероприятий по сейсмозащите зданий и сооружений путем повышения их несущей способности, меры сейсмозащиты, связанные со значительным снижением сейсмических нагрузок, возникающих во время землетрясений, называют мерами активной сейсмозащиты [46]. В [47] приведена классификация систем активной сейсмозащиты зданий, которая включает четыре основных группы:
- системы, реализующие принципы сейсмоизоляции, к которым относятся сооружения с гибкой нижней частью несущей конструкции здания, сооружения на кинематических опорах, сооружения с подвесными опорами и сооружения со скользящими опорами;
- адаптивные системы, включающие сооружения с выключающимися или включающимися связями;
- системы с повышенным демпфированием, включающие, сооружения с вязкими демпферами, с демпферами сухого трения, с элементами повышенной пластической деформации;
- системы с гасителями колебаний, включающие сооружения с ударными гасителями и с динамическими гасителями.
Данная классификация в некоторой степени условна, поскольку в практике проектирования возможны и комбинированные системы, включающие две или три выше указанные системы, что позволяет более полно использовать положительные свойства каждой отдельной системы и уменьшить возможное влияние их отрицательных свойств. Каждая из этих систем имеет определенную оптимальную область применения в зависимости от характеристик возможных землетрясений, конструктивной формы и материала здания и его этажности. Как указано в [47] применение вышеуказанных методов сейсмозащиты позволяет снизить сейсмическую реакцию сооружения в два-три раза, что позволяет проектировать их с расчетной сейсмичностью на балл ниже.
Для металлических каркасов многоэтажных зданий наиболее простым и эффективным способом активной сейсмозащиты является сейсмозащита с использованием элементов повышенной пластической деформации. В качестве таких энергопоглощающих элементов в практике сейсмостойкого строительства многоэтажных зданий со стальным каркасом используются:
- отдельные основные несущие элементы каркаса;
- специально устанавливаемые в определенных зонах дополнительные элементы - энергопоглотители;
- узлы сопряжения элементов каркаса.
Во всех этих энергопоглощающих элементах допускается развитие пластических деформаций заранее заданного уровня, что исключает их разрушение. При землетрясениях указанные элементы, работая в условиях знакопеременного циклического нагружения в упругопластической стадии, будут поглощать большую часть вновь поступающей в каждом цикле энергии сейсмических воздействий. Это исключает возможность резонансных явлений, характерных для упругих систем, а также разрушения от пиковых перегрузок элементов каркаса во время землетрясения. Энергия сейсмических воздействий благодаря работе металла в пластической стадии преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающую среду.
Применение энергопоглотителей в качестве конструктивных элементов для повышения способности строительных конструкций к поглощению энергии сейсмических воздействий как в качестве самостоятельного способа сейсмозащиты, так и в сочетании с другими системами сейсмозащиты достаточно широко используется в Новой Зеландии, США, Канаде, Китае и в некоторых других странах, например, в Японии построено здание высотой и общей площадью , расположенное вблизи зоны геологического разлома [48]. Основная несущая конструкция выполнена в стальном каркасе с энергопоглощающими связями. Стальной каркас работает в упругой стадии, а диагональные связи, в которые установлены сотни энергопоглощающих элементов - в упруго-пластической стадии. Американские инженеры в большинстве случаев предпочитают предусматривать развитие пластических деформаций в главных несущих конструкциях, в основном в ригелях в рамных каркасах и в соединительных балках с несимметричными связями в связевых каркасах. В СССР, главным образом в Казахстане в 1980 - 1990 годах разработаны, экспериментально исследованы и внедрены в практику сейсмостойкого строительства рамных каркасов эффективные конструктивные формы двутавровых ригелей с повышенной энергопоглощающей способностью и циклической долговечностью при работе стали в упруго-пластической стадии. Для повышения сейсмостойкости связевых и рамно-связевых каркасов также были разработаны, экспериментально исследованы и внедрены в практику сейсмостойкого строительства энергопоглотители различного типа, в которых материал работает за пределами упругости на растяжение-сжатие, сдвиг и изгиб. При этом наибольшее количество энергии поглощается за один цикл при работе материала на растяжение - сжатие и сдвиг [48].
