Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий

- высокой малоцикловой прочностью, энергопоглощающей способностью и долговечностью работы стальных конструкций при сейсмических воздействиях, что определяется, прежде всего, качеством стали элементов и узлов, работающих в упругопластической стадии и их конструктивной формой;

- невозможностью накапливания односторонних деформаций каркаса при колебаниях во время землетрясения, что обуславливается наличием упруго работающего ядра;

- обязательной активной сейсмозащитой каркаса здания от возможных перегрузок во время землетрясений за счет создания зон свободного пластического деформирования материала основ­ных несущих элементов конструкций каркаса и специальных энергопоглощающих элементов;

- простотой и невысокой стоимостью восстановления энергопоглощающих элементов каркаса, получивших повреждения при землетрясениях;

- эффективной огнезащитой металлического каркаса здания, исключающей нагрев металла выше 150ºC.

2 Основные принципы конструирования сейсмозащищенных

стальных каркасов многоэтажных зданий

При проектировании сейсмозащищенных стальных каркасов многоэтажных зданий следует руко­водствоваться следующими основными принципами конструирования:

- конструктивные схемы каркасов, как правило, должны иметь симметричную форму и обеспечи­вать возникновение минимальных горизонтальных сейсмических нагрузок при землетрясениях, для чего необходимо применение легких ограждающих конструкций и конструкций перекрытий;

- развитие пластических деформаций допускается в элементах, работающих на изгиб или сдвиг;

- для элементов каркаса, работающих в упругопластической стадии, должны применяться плас­тичные малоуглеродистые и низколегированные стали;

- элементы каркаса, в которых предусматривается развитие пластических деформаций при землетря­сениях, должны иметь конструктивные формы, отличающиеся низким уровнем концентрации напряжений;

- области пластических деформаций должны быть вынесены из зон сварных и болтовых соеди­нений;

- сжатые элементы каркаса должны быть защищены от возможных перегрузок во время земле­трясений с помощью энергопоглощающих элементов;

- в вертикальных связях по колоннам должны быть установлены энергопоглотители;

- конструкции каркасов должны иметь высокую ремонтопригодность.

2.1 Конструктивные схемы каркасов

Для зданий небольшой высоты (10-20 этажей) рекомендуются рамные, связевые и рамно-связевые каркасы, некоторые схемы которых приведены на рис. 2.1; 2.2. Предпочтение следует отдавать широко корпусным зданиям с регулярной сеткой колонн и симметричной жесткостью относительно поперечной и продольной осей каркаса.

В зданиях высотой 5-8 этажей (рис. 2.1 а) для снижения изгибной жесткости конструкций с целью уменьшения горизонтальных сейсмических нагрузок рекомендуется выполнять каркасы с рамными ядрами жесткости, имеющими одинаковые жесткостные характеристики в поперечном и продольном направлениях. Упругое ядро каркаса здания создается за счет шарнирных соединений крайних ригелей с колоннами.

При более высоких зданиях до 12 этажей рекомендуется устанавливать жесткие траверсы в виде ферм высотой, равной высоте этажа в одном или двух уровнях по высоте здания (рис. 2.1в).

Здания высотой более 12 этажей (рис.2.1 с, d) следует проектировать с каркасами чисто рамной схемы в обоих направлениях, при этом в относительно низких каркасах верхние этажи в отдельных случаях целесообразно выполнять с меньшей изгибной жесткостью (рис. 2.1 с).

Рамные схемы стальных каркасов многоэтажных зданий имеют большое количество вариантов, оптимальный выбор которых для конкретного здания зависит от опыта проектирования сейсмо­защищенных каркасов и квалификации конструктора. Разбивка стального рамного каркаса на отправочные элементы зависит от целого ряда причин и может быть традиционной поэлементной с колоннами длиной до 12 м или отправочные элементы изготавливаются на заводе в виде одноэтажных поперечных рам габаритных размеров, а продольные ригели отправляются на стройплощадку поэлементно. В первом случае все узловые соединения выполняются на монтаже, что несколько снижает их качество по сравнению с заводскими. Во втором - повышается качество узловых рамных соединений и, следовательно, надежность работы конструкций во время земле­трясений, но появляются дополнительные стыки колонн, и увеличивается общий объем сварочных работ. Что лучше - решают совместно изготовители и монтажники.

Связевые и рамно-связевые металлические каркасы многоэтажных зданий (рис. 2.2) оснащенные энергопоглотителями различных конструкций отличаются от рамных более высокой жесткостью, меньшей металлоемкостью и стоимостью, простотой ремонта после землетрясений. Однако они имеют существенный недостаток, вызванный установкой связей по колоннам, из-за чего усложняются архитектурно-планировочные решения. В отдельных случаях использование связевых каркасов вообще невозможно по этим соображениям.

Установка в связях по колоннам энергопоглощающих элементов обеспечивает высокую сейсмостойкость здания, защищая элементы каркаса от пиковых перегрузок и резонансных явлений. Особенно эффективны рамно-связевые каркасы, в которых роль упругого ядра здания выполняют рамы, а энергопоглотители различных конструкций предохраняют каркас от разрушений при пере­грузках, поглощая энергию сейсмических воздействий за счет пластической работы стали. Конструк­тивные формы и методики расчета энергопоглотителей приводятся в главе 6 второй части пособия.

В зданиях небольшой высоты для снижения жесткости каркаса и, соответственно, сейсмических нагрузок рекомендуется устанавливать связи в одном шаге колонн (рис. 2.2 а).

В более высоких зданиях появляется необходимость увеличения жесткости каркаса, в этом случае следует переходить к более развитым связям по колоннам (рис. 2.2 в, с), в том числе к крупноразмерным (рис. 2.2 d).

Для зданий большей высоты (более 25-30 этажей) рекомендуются металлические простран­ственные каркасы с расположением основных несущих конструкций, воспринимающих горизон­тальные сейсмические нагрузки по периметру здания или лифтовой шахты. Для обеспечения высокой сейсмостойкости эти конструкции каркаса оснащаются энергопоглощающими элементами (ЭП), способными поглотить всю поступающую энергию сейсмических воздействий при землетрясении. Внутренние колонны каркаса работают, как правило, только на сжатие, воспринимая большую часть вертикальных нагрузок. На рис. 2.3 приведены схемы пространственных каркасов: «а» - каркасно-ствольная для зданий небольшой этажности и «в, с, d» - коробчатые для высотных зданий.

Пространственная оболочка здания может быть выполнена в рамном варианте (рис. 2.3 а,в) или связевом (рис. 2.3 с, d). При рамном варианте оболочки каркаса эффективность ее работы увеличи­вается с уменьшением шага колонн. Идеальной в этом отношении является перфори­рованная стальная оболочка с отверстиями для окон.

В связевом варианте оболочки рекомендуется проектировать с крупноразмерными связями крестового типа, а колонны и ригели двутаврового сечения (рис 2.3 с). Эффективны стержневые оболочки с перекрестным расположением элементов, выполняющих одновременно роль колонн и связей (рис. 2.3 d). При таком конструктивном решении роль энергопоглощающих элементов выполняют узловые элементы.

а- здание небольшой высоты с рамными ядрами жесткости b- здание с рамными ядрами жесткости и траверсами в двух уровнях с- здание с чисто рамными нижними этажами, а верхние имеют ядра жесткости рамного типа d- здание с чисто рамными схемами каркаса

в обоих направлениях

Рисунок 2.1 - Схемы рамных каркасов

a, b – рамно-связевые каркасы с энергопоглотителями (ЭП) для зданий 6-12 этажей;

c – рамно-связевой каркас с ядрами жесткости для зданий высотой до 20 этажей;

d – рамно-связевой каркас для зданий высотой более 15 этажей

Рисунок 2.2 - Связевые и рамносвязевые каркасы

2.2 Материал металлических каркасов

Для элементов сейсмозащищенных металлических каркасов многоэтажных зданий, работающих за пределами упругости, должен применяться прокат, изготовленный из пластичных малоуглеродистых или низколегированных сталей, по ГОСТ 27772-88* с относительным удлинением d₅ не ниже 20 % и ударной вязкостью при t = -20°С не менее 3 кгс×м/см². Рекомендуемые стали: С255, С345, С440. При этом углеродный эквивалент для стали С440 должен быть не более 0,51%. Применение других сталей для этих элементов должно быть согласовано со специализированной научно-исследовательской или проектной организацией.

Для основных несущих элементов каркаса, работающих в упругой стадии, материал конструкций назначается по СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования», но не ниже С245.

2.3 Сейсмозащита каркасных зданий с помощью стальных энергопоглощающих элементов

При землетрясении металлический каркас здания получает определенное количество энергии сейсмических воздействий, при этом при упругой его работе почти вся энергия аккумулируется каркасом из-за малого коэффициента поглощения стальных элементов. Это приводит к резкому увеличению амплитуд колебаний здания, особенно при совпадении частоты колебаний основания и собственной частоты колебаний каркаса. В связи с этим увеличиваются усилия в элементах каркаса и может произойти обрушение конструкций. Особенно опасны пиковые перегрузки иногда пре­вышающие расчетные сейсмические нагрузки в 2-3 раза. Сейсмозащита несущих металлических конструкций здания от резонансных и пиковых перегрузок является необходимым условием обес­печения его сейсмостойкости. Наиболее просто это выполнить с помощью специальных стальных энергопоглощающих элементов, устанавливаемых в каркасе здания, являющихся предо­хранителями несущих элементов от разрушений при превышении фактических сейсмических нагрузок принятых при расчете по действующим строительным нормам и правилам.

Разработанные типы энергопоглотителей позволяют поглотить всю поступающую к зданию энергию сейсмических воздействий за счет пластической работы стали при знакопеременном циклическом нагружении, благодаря чему исключить перегрузки элементов несущих конструкций и обеспечить надежную их работу во время землетрясения.

Каркас здания оснащенный энергопоглощающими элементами способен выдержать без разру­шений не менее двух землетрясений расчетной интенсивности.

Энергопоглощающими элементами могут быть как отдельные элементы стального каркаса здания (ригели, стенки рамных узлов, базы колонн), так и специальные стальные энергопоглотители. По характеру работы за пределом упругости стали энергопоглотители можно разделить на две группы: сжато-растянутые и сдвиговые. В первых из них материал работает за пределом упругости на растяжение и сжатие при знакопеременном нагружении, во-вторых - на сдвиг. При одинаковом уровне пластических деформаций стальные энергопоглотители сдвигового типа поглощают на 15% меньше энергии на единицу объема, материала, работающего за пределом упругости, чем сжато-растянутые. Однако сдвиговые энергопоглотители имеют простую конструктивную форму и дешевле при изготов­лении. На рис. 2.4 приведены схемы некоторых наиболее часто применяемых в практике сейсмостойкого строительства энергопоглотителей обоих типов. Подробно конструкции энергопоглотителей и расчет даны в главе 6 второй части пособия.

2.4 Малоцикловая прочность стальных сейсмостойких каркасов

При проектировании обычных строительных металлоконструкций инженеру не приходится сталкиваться с расчетом элементов в упругопластической стадии на знакопеременные циклические нагрузки. В сейсмозащищенных каркасах многоэтажных зданий стальные энергопоглощающие элементы работают за пределом упругости при высоких уровнях пластического деформирования материала при землетрясении. В таком случае требуется оценка малоцикловой прочности этих элементов. Выполненные экспериментальные исследования стальных энергопоглотителей различ­ного типа показали, что для оценки их малоцикловой прочности необходимо использовать деформа­ционные критерии прочности при жестком знакопеременном циклическом нагружении. Наиболее приемлемым является уравнение Мэнсона-Коффина [49], позволяющее теоретически оценить долговечность работы энергопоглотителя в зависимости от уровня пластического деформирования в процессе знакопеременного нагружения при землетрясении. Это уравнение для стального элемента энергопоглотителя, работающего за пределом упругости, может быть записано в таком виде:

(2.1)

где: N - число циклов жесткого нагружения до появления первой трещины;

- уровень пластических деформаций;

- предельная упругая относительная деформация стали;

- предел текучести и модуль упругости стали;

- для малоуглеродистых и низколегированных сталей;

;

– относительное сужение образца стали в момент разрушения при статическом нагружении.

Если принять, что продолжительность землетрясения составляет не более 30с., то количество циклов, которые должны выдерживать энергопоглотители за два землетрясения расчетной

интенсивности должно быть не менее , где - период первого тона собственных коле­баний каркаса здания.

а – каркасно-ствольный; b – коробчатый рамного типа;

с – коробчатый с крупноразмерными связями;d – коробчатый с оболочкой

из перекрестных стержней.

Рисунок 2.3 - Пространственные каркасы

сжато-растянутые: 1 – балочный; 2 – кольцевой; 3 – рамный.

сдвиговые: 4, 5 – в связях; 6 – в базе колонны.

Рисунок 2.4 - Схемы установки энергопоглотителей

При для малоуглеродистой стали и, соответственно, уравнение (2.1) запишется в виде:

откуда:

. (2.2)

Например, при Т = 1с., будем иметь:

С уменьшением периода собственных колебаний до 0,5 с. уровень допустимых пластических деформаций снизится до величины » 21.

Значения фактического предела текучести s_Т и относительного сужения y_К стали элементов энергопоглотителей, работающих за пределом упругости для конкретного объекта должны быть определены на заводе-изготовителе металлоконструкций, на основании чего уточняются размеры энергопоглотителя при разработке чертежей КМД с согласия авторов проекта КМ.

2.5 Надежность работы стальных каркасов при знакопеременных циклических нагрузках во время землетрясений

Надежность работы сейсмозащищенных стальных каркасов при землетрясениях оценивается количеством циклов знакопеременного нагружения, которые могут воспринять энергопоглощающие элементы до появления первой трещины. Если ожидаемое количество циклов нагружения здания во время землетрясения (первая форма колебаний) не превышает предельно допустимого (расчетного) значения для энергопоглотителя данного типа и заданного уровня его пластических деформаций, то надежность работы каркаса при землетрясении обеспечена. При этом сам каркас здания должен быть запроектирован в соответствии с основными принципами конструирования, изложенными выше.