Конструктивные формы эффективных энергопоглотителей и элементов каркасов зданий, работающих в пластической стадии защищенных патентами, прошедших экспериментальную проверку и примененных в практике сейсмостойкого строительства Казахстана изложены в главе 6 второй части пособия.
Работа основных несущих элементов каркаса здания в качестве энергопоглощающих элементов не требует никаких дополнительных затрат, а специальные элементы - энергопоглотители незначительно увеличивают стоимость конструкций. Если же учесть, что применение энергопоглотителей в стальных каркасах многоэтажных зданий позволяет снизить сейсмические нагрузки за счет чего, соответственно, уменьшить металлоемкость конструкций, то практически увеличения стоимости металлоконструкций не будет.
Выводы:
На основании анализа последствий сильных землетрясений, обзора научных исследований и проектных разработок, а также опыта исследования, экспериментальных испытаний и практики проектирования стальных каркасов многоэтажных зданий повышенной сейсмостойкости в институте Проектстальконструкция (г. Алматы) следует отметить, что высокая сейсмостойкость таких каркасов определяется, прежде всего, следующими основными критериями:
- эффективной конструктивной схемой каркаса и высокой достоверностью его расчета на сейсмические нагрузки;
- способностью работы основных несущих элементов и узлов каркаса в упругопластической стадии без разрушений на знакопеременные циклические нагрузки во время землетрясения, в том числе при пиковых перегрузках;
- 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 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 ??5 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:
