Глава XVII. Железобетонные конструкции,

ВОЗВОДИМЫЕ И ЭКСПЛУАТИРУЕМЫЕ

В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ

§ XVII.1. Конструкции зданий, возводимых

В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

1. Особенности конструктивных решений

Сейсмическими называют географические районы,

подверженные землетрясениям. Землетрясения

вызываются явлениями вулканического характера,

радиоактивного распада и разрыва глубинных слоев земли,

сопровождающимися колебаниями земной коры. Для

преобладающего большинства зданий, расположенных в

сейсмических районах, наиболее опасны горизонтальные колебз-

ния поверхностных слоев почвы. При эпицентре

землетрясения вблизи района застройки опасными

становятся и вертикальные сейсмические воздействия.

При проектировании зданий, возводимых в

сейсмических районах, необходимо руководствоваться

требованиями главы СНиП «Строительство в сейсмических

районах» и «Руководства по проектированию жилых и

общественных зданий с железобетонным каркасом,

возводимых в сейсмических районах» (М., Стройиздат,

1970).

Силу землетрясения оценивают в баллах по

стандартной шкале (ГОСТ 6249—52), имеющей

инструментальную и описательную части. При землетрясении силой

6 баллов и менее специальных усилений конструкций не

требуется, хотя к качеству строительных работ

требования должны быть повышены. При землетрясении силой

7—9 баллов необходим специальный расчет конструкций.

Землетрясение силой 10 баллов вызывает настолько

значительные сейсмические воздействия, что восприятие их

требует больших дополнительных затрат материалов и

средств, экономически не оправданных. В районах где

возможны землетрясения 10 баллов, как правило,

строительство не ведется.

618

Карта сейсмического районирования территории

нашей страны в баллах и повторяемости сейсмического

воздействия приведена в нормах. Указанная на карте

сейсмичность района относится к участкам со

средними грунтовыми условиями, характеризуемыми песчано-

глинистыми грунтами и низким горизонтом грунтовых

вод. Дополнительным сейсмическим

микрорайонированием учитывают действительное геологическое строение

грунтов и уточняют сейсмичность площадки

строительства. При благоприятных грунтовых условиях,

например скальных или особо плотных грунтах,

сейсмичность площадки понижается на 1 балл. Но при

неблагоприятных грунтовых условиях, например при глинах и

суглинках в пластичном состоянии, песках и супесях с

высоким горизонтом грунтовых вод, сейсмичность

повышается на 1 балл.

Общая компоновка сейсмостойкого здания

заключается в таком расположении несущих вертикальных

конструкций (рам, связевых диафрагм и других

конструктивных элементов), при котором удовлетворяются

требования симметричности и равномерности распределения

масс и жесткостей. При этом следует иметь в виду, что

конструктивные меры, повышающие пространственную

жесткость здания в целом, вместе с тем повышают и его

сейсмостойкость. В этих целях следует применять

поперечные и продольные связевые диафрагмы, связанные

перекрытиями.

Сборные железобетонные конструкции успешно

применяют в сейсмических районах. Об этом

свидетельствует опыт строительства зданий, впоследствии

подвергавшихся сейсмическим воздействиям. Необходимо замоно-

личивать стыки и соединения сборных конструкций, чтобы

они были способны воспринимать сейсмические силы.

План здания должен быть простым, в виде

прямоугольника, без выступающих пристроек и углов. При

сложных очертаниях здания в плане устраивают

антисейсмические швы, разделяющие здание на отдельные

блоки простой прямоугольной формы. Антисейсмические

швы обычно совмещают с температурными и осадочными

швами. Чтобы повысить сейсмичность здания,

фундаменты в пределах одного блока должны залегать на

одной глубине. При слабых грунтах устраивают

перекрестные фундаментные ленты или же сплошную

фундаментную плиту. При хороших грунтах допустимы отдельные

619

фундаменты под колонны, связанные поверху балками —

связями в обоих направлениях. В многоэтажном здании

целесообразно устройство подвала и свайного основания.

Экономичная и индустриальная схема здания для

сейсмических районов, как и для строительства в обычных

условиях, должна удовлетворять требованиям типизации

элементов, унификации размеров и конструктивных схем,

технологичности изготовления и монтажа при сборном и

монолитном вариантах.

Оптимальная конструктивная схема сейсмостойкого

многоэтажного каркасного здания, обладающая

лучшими технико-экономическими показателями, может быть

скомпонована при восприятии сейсмического воздействия

по рамно-связевой системе с регулярно расположенными

вертикальными связевыми диафрагмами. Как показали

исследования, несмотря на общее увеличение

сейсмической нагрузки на рамно-связевое каркасное здание,

вызванное применением вертикальных связевых диафрагм

и увеличением боковой жесткости здания, часть этой иа-

грузкн, воспринимаемая рамами, все же меньше

сейсмической нагрузки, формирующейся в более гибкой рамной

системе. Существенно важен н характер эпюры Qfr в

рамно-связевой схеме, при которой изгибающие

моменты стоек рам от действия горизонтальной нагрузки на

значительной части высоты здания остаются почти

постоянными и, следовательно, позволяют осуществить

типизацию элементов (см. гл. XV).

При сейсмическом воздействии узлы железобетонных

рам находятся в сложном напряженном состоянии, и их

проектированию должно уделяться особое внимание.

Исследования показали, что рамный узел необходимо

армировать дополнительными хомутами и стержнями d=8...

...10 мм с шагом 70—100 мм, а также усиленной

поперечной арматурой (на примыкающих участках ригелей и

колонн) с шагом вдвое меньшим, чем требуется по

расчету, но не более 100 мм (рис. XVII.1).

Развитие пластических деформаций в растянутой

арматуре узла при сейсмическом воздействии повышает

сейсмостойкость каркасного здания.

Предпочтительнее конструкция стыков сборных

ригелей с колоннами без закладных деталей, на сварке

выпусков арматуры с замоноличиванием (рис. XVII.2).

В этих стыках должны быть рифленые соединяемые

поверхности (с целью образования бетонных шпоиок) и

620

Колонна в

"PUr

ИШИ

'Наг* 100 мМ

Рис. XVII.1. Армирование

монолитного рамиого узла н

концевых участков ригелей н стоек

поперечной арматурой

/ — дополнительные хомуты;

2 — дополнительные

вертикальные стержни по периметру

хомутов

Рис. XVII.2. Армирование

сборного рамного узла

/ — выпуск продольной

арматуры из ригеля; 2— сварное

соединение арматуры; 3 —

выпуск продольной арматуры из

колонны; 4 — поперечные

стержни ригеля; 5 — усиленный

выпуск арматуры; 6 — опорный

столик из уголков с

отверстием для бетонирования; 7 —

колонна

часто расположенные поперечные стержни ригелей и

колони. В пределах узла колонну армируют

дополнительными хомутами и стержнями, как описано выше.

Сборные перекрытия выполняют из панелей,

соединенных между собой и с элементами рамного каркаса на

сварке закладных деталей с замоноличиванием швов и

шпоночных связей. С этой целью в панелях перекрытий

устраивают пазы и рифленые боковые поверхности, что

обеспечивает восприятие сдвигающих усилий.

Стеновые панели здания жестко связывают с

каркасом и перекрытиями. Стеновое заполнение из штучных

камней или блоков связывают с каркасом арматурой из

стержней d=6 мм, располагаемых в горизонтальных

швах кладки через 50 см. Эту арматуру прикрепляют к

выпускам арматуры из колонн и заводят в кладку не

менее чем на 70 см в каждую сторону.

Если в стенах большие оконные и дверные проемы,

устраивают железобетонные горизонтальные

антисейсмические пояса, идущие по верху этих проемов. Такие поя-

621

са представляют собой горизонтальные рамы,

передающие сейсмическую нагрузку на колонны каркаса.

Консольные выступающие части здания — козырьки,

карнизы, балконы—должны быть жестко связаны с

каркасом, причем число их и размеры необходимо

ограничивать.

2. Основные положения расчета зданий на сейсмические

воздействия

Сейсмическую нагрузку на здание устанавливают в

зависимости от периода и формы свободных колебаний -

здания, его массы и силы сейсмического воздействия в

баллах. При этом допускают, что сейсмические колеба-^

ния почвы и основания здания совершаются по закону,

затухающей синусоиды.

Направление сейсмических сил в пространстве может

быть любым, однако при расчете здания в целом или его

крупных частей, как правило, сейсмические силы

принимают направленными горизонтально вдоль поперечной

или продольной оси здания.

При расчете с учетом сейсмических воздействий в

значения расчетных нагрузок вводят коэффициенты

сочетаний:

для постоянных нагрузок 0,9

» длительно действующих нагрузок 0,8

» кратковременных и снеговых нагрузок ... 0,5

При расчете конструкций на сейсмические

воздействия нагрузки от ветра, динамического воздействия от

оборудования, инерционные силы от масс на гибких

подвесах и температурные климатические воздействия не

учитывают.

Сейсмические силы обычно считаются

приложенными в уровне перекрытий. В этих уровнях считаются

сосредоточенными нагрузки от этажей здания.

Расчетная сейсмическая сила по i-му тону свободных

горизонтальных колебаний для каждого ?-го яруса

здания

Sik = *i*iSoifc, (XVII. 1>

где kx — коэффициент, которым учитываетси допускаемое

повреждение здания прн обеспечении безопасности людей и сохранности

оборудования, для зданий промышленного и гражданского

строительства Ai=0,25;

622

кг — коэффициент, которым учитывается конструктивная схема

здания: например, для каркасных зданий с числом этажей ге>5

принимают Й2=1+0,1(ге—5)<1,5;

Soih — значение сейсмической нагрузки для «'-го тона свободных

колебаний здания в предположении упругой работы:

Sotk-QkW,^. (XVII.2J

здесь Qk — ярусная нагрузка, включающая вес перекрытия, колонн,

стен, временную нагрузку, с учетом коэффициента сочетаний в

уровне k; /4=0,1, 0,2, 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7,

8, 9 баллов; f}<—коэффициент динамичности по i-му тону свободных

колебаний, зависит от периода свободных колебаний зданий Т и

категории грунтов по сейсмическим свойствам: р<=1/7'1<:3 —для

грунтов I категории; р< = 1,1/Г«2,7 —для грунтов II категории; р<=»

= 1,5/7\<2 — для грунтов III категории. Во всех случаях

принимается р,->0,8;

kty —коэффициент, которым учитывается гибкость здания: иа-

прнмер, для каркасных зданий с легкими навесными панелями при

отношении длины к размеру поперечного сечения в направлении

действия сейсмической нагрузки //о>25 k^ =1,5, при f/ft<15 й^ = 1,

прн промежуточных значениях l/b k^ устанавливают по

интерполяции;

Ци,— коэффициент формы свободных колебаний зданий,

зависящий от t-й формы свободных горизонтальных колебаний, величины к

положения ярусных нагрузок:

где Хц, Хц — ордннаты t-й формы свободных колебаний здаиня

соответственно й-го яруса н остальных /-х ярусов.

Сейсмические силы, вычисленные по формуле

(XVII.1), считаются приложенными к зданию

статически.

Для регулярных зданий, у которых жесткость и

масса незначительно изменяются по высоте, при

определении сейсмических сил допускается учитывать колебания

только первого тона, поскольку сейсмические силы,

отвечающие высшим тонам колебаний, между узлами

направлены в противоположные стороны. Колебания

высших тонов весьма существенны для зданий с жесткостью

и массой, значительно изменяющимися по высоте.

При учете колебаний первого тона сейсмическая

нагрузка заменяется эквивалентной (по моменту в

основании)' треугольной нагрузкой и задача решается на

основе уравнения (XV. 19). Аналогично решается задача

при учете высших тонов. Расчетные формулы усилий для

практических расчетов приведены в упомянутом

Руководстве.

623

В здании длиной или шириной более 30 м

необходимо учитывать также крутящий момент от сейсмической

нагрузки относительно вертикальной оси, проходящей

через центр жесткости. Расчетный эксцентриситет

(расстояние между центрами жесткости и массы) в

рассматриваемом уровне принимается равным:

e = 0,02Lj (XVII.3)

где L — размер в плане в направлении действия силы.

Для высоких зданий (более 16 этажей) расчетную

сейсмическую нагрузку следует определять по формуле

(XVII. 1) с учетом ускорений в основании,

инструментально записанных при землетрясении, нли по

акселерограммам.

При расчете прочности в особом сочетании вводится

дополнительно коэффициент условий работы, которым

учитывается кратковременное действие сейсмической

нагрузки: для нормальных сечений железобетонных

элементов из тяжелого бетона при арматуре классов А-П,

A-III Yi=l|2, при арматуре высоких классов У'""М; для

наклонных сечений yt=l, для наклонных сечений

колонн многоэтажных зданий y;=0,9.

Для зданий, возводимых в сейсмических районах с

повторяемостью землетрясений 1, 2, 3, значения yi

следует умножать на 0,85; 1 нли 1,15 соответственно.

Граничное значение высоты сжатой зоны нормальных

к оси сечений во избежание хрупкого разрушения

принимается равным 0,85 %у. При этом коэффициент

условий работы бетона уы принимается равным единице.

Расчетное значение продольной или поперечной

силы, изгибающего или опрокидывающего момента от

сейсмической нагрузки при условии статического

действия ее составляет

I N% (XVII.4]

где N{ — усилие в рассматриваемом сечении, отвечающее 1-Я форм*

колебания, п — число учитываемых форм колебаний.

Усиление конструкций, выполняемое на основе

расчетов зданий, возводимых в сейсмически активных рай'

онах, считается пассивной сейсмозащитой. Активная сей

смозащита заключается в специальных конструктивны;

мерах, исключающих опасные колебания зданий и снв

жающих реакции конструкций на сейсмическое воздей

?24

ствие. К ним относятся различного рода гасители

колебаний, включающиеся связи, устраиваемые в

конструкциях оснований и фундаментов, и др. Применение

выключающихся связей, предусматривающих

образование пластических шарниров в перемычках

железобетонных вертикальных связевых диафрагм или разрушение

заполнения между железобетонными колоннами

первого этажа каркасного здания, оказывается

неэффективным и ненадежным. С уменьшением жесткости здания

становятся опасными низкочастотные сейсмические

колебания, вызывающие

значительные реакции в

ослабленных элементах

конструкции.