9030

2

УДК

Хазов П.А. Сейсмостойкость зданий и сооружений [Электронный ресурс]: учеб.- метод.пос./ П.А.Хазов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н.Новгород: ННГАСУ , 2016. – 67 с.; ил. 24 электрон. опт. диск (CD-RW)

В настоящем учебном пособии приводятся основные понятия сейсмологии, сведения о землетрясениях и их характеристиках, необходимых для проектирования строительных конструкций, методы расчета на сейсмическую нагрузку. Большое внимание уделено поведению конструкций при некоторых сильных землетрясениях последних лет, приводятся данные отечественных и зарубежных исследований, посвященные оценке прочности различных зданий и сооружений. На базе общих уравнений динамики формулируются постановки задач расчета сооружений при сейсмических воздействиях, содержатся примеры определения сейсмических нагрузок на здания. Даются рекомендации по самостоятельной работе обучающихся по дисциплине «Сейсмостойкость сооружений». Указываются необходимая литература и источники, разъясняется последовательность их изучения, выделяются наиболее сложные вопросы и даются рекомендации по их изучению.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по направлению подготовки 08.05.01Строительство уникальных зданий и сооружений, специализации Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений, Гидротехнические сооружения повышенной ответственности.

© П.А.Хазов, 2016

©ННГАСУ, 2016

Глава 1. Основные принципы сейсмостойкого строительства……………...7

2.1.3.Определение коэффициентов форм собственных колебаний зданий и сооружений………………………………………………………………………13

2.5. Прямой динамический метод расчета с применением расчетных сейсмических воздействий как функций времени…………………………………….18

2.7. Прямой динамический метод расчета с применением расчетных сейсмических воздействий как функций времени…………………………………….20

3.2.1. Системы с гибкой нижней частью несущей конструкции здания…….24

скользящими поясами…………………………………………………………..29 3.3. Адаптивные системы……………………………………………………….30 3.3.1. Системы с выключающимися связями…………..……………………..30

3.4.Системы с повышенным демпфированием……………………………….33

3.4.1.Системы с вязкими демпферами ……..…………..…………………….33

3.4.2.Системы с с демпферами сухого трения………………………………..34 3.4.3.Системы с элементами повышенной пластической деформации……..35

3.4.4.Упруго-фрикционные системы…………………………………………36

3.5.Системы с гасителями колебаний…………………………………………37

3.5.1.Ударные гасители колебаний……………………………………………38

3.5.2.Динамические гасители колебаний…………………………………….38

Глава 4. Этапы автоматизированного расчета конструкций на сейсмиче-

ские воздействия ..………………………………………………………………40

4.1.Определение эквивалентной жесткости здания………………………….40

4.2.Определение форм собственных колебаний……………………………..42

4

4. 3. Определение сейсмических нагрузок на каркасное здание……………..44

4.3.1. Исходные данные…………………………………………………………44

4.4.Определение динамических характеристик здания……………………...45 4.4.1.Определение масс в уровнях перекрытий при двух загружениях…….45 4.4.2.Определение эквивалентной жесткости здания………………………..45 4.4.3.Составляем матрицу податливости……………………………………..46 4.4.4.Определяем круговую частоту собственных колебаний……………….47 4.4.5.Определение коэффициентов форм собственных колебаний…………49 4.4.6.Определение форм для I загружения……………………………………50 4.4.7.Определение форм для II загружения………………………………….51

4.4.8.Сводим результаты в таблицу……………………………………………52

4.5.Определение сейсмических нагрузок на здание…………………………52

Глава 5. Расчет трехэтажного железобетонного здания на сейсмические воздейстия.Неавтоматизированноепроектирование..………………...54

5.1.Определение частоты собственных колебаний при горизонтальновращательном движении здания, предполагая его абсолютно жестким те-

лом………………………………………………………………………………..54

5.2.Определение собственных частот колебания здания при одновременном учете изгибных и сдвиговых деформаций конструкции, без учета податливости основания……………………………………………………….55

5.3.Определение собственных значений, проверка ортогональности между различными формами колебания и построение формы колебания………….57

5.4.Определение коэффициентов разложения Dv и коэффициентов формы

колебания……………………………………………………………………….60

5.5.Определение значения коэффициента динамичности для каждой формы колебаний с учетом податливости основания сооружения………………….60

5.6.Определение спектральных значений сейсмических сил с учетом всех форм колебаний и построение эпюр внутренних усилий……………………61

5.7.Примеры…………………………………………………………………….62 Список литературы……………………………………………………………..65

5

ВВЕДЕНИЕ

Физико-химические процессы, происходящие внутри Земли, вызывают изменения физического состояния Земли, объема и других свойств вещества. Это приводит к накапливанию упругих напряжений в какой-либо области земного шара. Когда упругие напряжения превысят предел прочности вещества, произойдет разрыв и перемещение больших масс земли, которое будет сопровождаться сотрясениями большой силы. Это и вызывает сотрясение Земли — землетрясение.

Землетрясением так же обычно называют любое колебание земной поверхности и недр, какими бы причинами оно не вызывалось – эндогенными или антропогенными и какова бы ни была его интенсивность.

Землетрясения происходят на Земле не повсеместно. Они концентрируются в сравнительно узких поясах, приуроченных в основном к высоким горам или глубоким океаническим желобам.

Дело в том, что высочайшие горы или глубокие океанические желоба в геологическом масштабе являются молодыми образованьями, находящимися в процессе формирования. Земная кора в таких областях подвижна. Подавляющая часть землетрясений связана с процессами горообразования. Такие землетрясения назы-

вают тектоническими.

Бывают так же и вулканические землетрясения. Лава и раскаленные газы, бурлящие в недрах вулканов, давят на верхние слои Земли, как пары кипящей воды на крышку чайника. Вулканические землетрясения довольно слабы, но продолжаются долго: недели и даже месяцы.

Сотрясения земли могут быть также вызваны обвалами и большими оползнями. Это местные обвальные землетрясения.

Как правило, сильные землетрясения сопровождаются повторными толчками, мощность которых постепенно уменьшается.

При тектонических землетрясениях происходят разрывы или перемещения горных пород в каком-нибудь месте в глубине Земли, называемом очагом землетрясения или гипоцентром. Глубина его обычно достигает нескольких десятков километров, а в отдельных случаях и сотен километров. Участок Земли, расположенный над очагом, где сила подземных толчков достигает наибольшей величины, называется эпицентром.

Понятие балла характеризует интенсивность сотрясения в точке наблюдения. В нашей стране с 1964 года используется 12-бальная шкала MSK – 64.

Шкала MSK-64 составлена применительно к зданиям и сооружениям, не имеющим сейсмостойкого усиления конструкций.

6

Для народного хозяйства землетрясение – это стихийное бедствие, причиняющее значительный материальный ущерб и вызывающее человеческие жертвы.

Территории, подверженные сейсмоопасности интенсивностью 7-9 баллов, составляют около 15-20% от общей площади СНГ и располагаются в основном в южных и восточных районах, где осуществляется интенсивное народнохозяйственное строительство.

Снижение материальных затрат на восстановление зданий после предполагаемого землетрясения – актуальная задача. Ее решение может осуществляться по двум направлениям: обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений на стадии проектирования и выполнение ряда указаний и конструктивных требований при ведении строительных работ.

Возможен другой путь: использование сейсмоизоляции и других систем динамического регулирования сейсмических нагрузок.

На стадии проектирования необходимо выполнять пространственный расчет зданий (рядовых высотой свыше двух этажей, ответственных и уникальных) по нескольким вычислительным комплексам с применением вариации расчетных моделей, для исключения возможности ошибок из-за накопления математических погрешностей во время расчета. На данный момент используются следующие вычислительные комплексы: SCAD, STARK, MicroFe, ЛИРА, Nastran и т.п.

При проектировании зданий и сооружений, предназначенных для строительства в сейсмических районах, их сейсмостойкость традиционно обеспечивается путем повышения несущей способности конструкций за счет увеличения размеров несущих элементов и прочности материалов, а также ряда конструктивных. Увеличение размеров конструкций или прочности материалов приводит к увеличению жесткости и веса сооружений, что, в свою очередь, вызывает возрастание инерционной (сейсмической) нагрузки и требует значительных дополнительных затрат строительных материалов и средств.

В России и многих зарубежных странах сформировалось экспериментальное направление в строительстве по повышению и обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений, названный активным способом сейсмозащиты (нетрадиционный поход). Этот способ предусматривает снижение величины инерционных сейсмических нагрузок на сооружения за счет регулирования их динамических характеристик во время колебательного процесса, и управлять механизмом деформирования сооружений при землетрясениях.

Регулирование динамических параметров осуществляется для того, чтобы избежать резонансного увеличения амплитуд колебаний или, по крайней мере, понизить резонансные эффекты. Это достигается соответствующим выбором динамической жесткости и частот (периодов) собственных колебаний сооружения.

7

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СЕЙСМОСТОЙКОГО

СТРОИТЕЛЬСТВА

Новые конструктивные схемы зданий и сооружений в начале процесса проектирования подлежат обязательной экспертной проработке специалистами науч- но-исследовательских и проектных организаций, специализирующихся в области сейсмостойкого строительства.

При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений и при усилении зданий существующей застройки следует:

-принимать объемно-планировочные и конструктивные решения, обеспечивающие симметричность и регулярность распределения в плане и по высоте здания масс, жесткостей и нагрузок на перекрытия;

-применять материалы, конструкции и конструктивные схемы, обеспечивающие наименьшие значения сейсмических нагрузок (легкие материалы, сейсмоизоляцию);

-создавать возможность развития в определенных элементах конструкций допустимых неупругих деформаций;

-выполнять расчеты металлических конструкций зданий и сооружений с учетом нелинейного деформирования конструкций;

-предусматривать конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость и геометрическую неизменяемость конструкций при развитии в элементах и соединениях между ними неупругих деформаций, а также исключающие возможность хрупкого их разрушения;

-располагать тяжелое оборудование на минимально возможном уровне по высоте здания.

Сцелью получения достоверной информации о работе конструкций при землетрясениях и колебаниях прилегающих к зданиям грунтов в проектах характерных основных типов зданий массовой застройки, зданий с принципиально новыми конструктивными решениями, а также особо ответственных сооружений следует предусматривать размещение станций инженерно-сейсмометрической службы

(ИСС).

Обязательная установка станций ИСС должна предусматриваться на объектах высотой более 70 м и ответственных зданиях и сооружениях, а также на объектах экспериментального строительства. Паспортизация объектов после завершения строительства, а также существующих объектов должна выполняться в соответствии с действующими нормативными документами по оценке технического состояния и паспортизации промышленных и гражданских зданий (сооружений), эксплуатируемых в сейсмических районах.

8

Динамическая паспортизация должна проводиться аккредитованными лабораториями, оснащенными необходимым оборудованием и сейсмометрической аппаратурой.

Динамическая паспортизация включает следующие виды работ:

-определение реакции зданий на специальные динамические воздействия в частотном диапазоне волн от 0,2 Гц до 40 Гц;

-определение частот, форм собственных колебаний зданий и декрементов колебаний и сравнение их с проектными данными;

-формирование динамического паспорта здания на основе периодических динамических обследований, а также в обязательном порядке при обследовании после прошедших землетрясений средней и сильной интенсивности (7 баллов и выше).

Динамическая паспортизация производится для зданий и сооружений ответственных, а также для корпусов ТЭЦ, центральных узлов доменных печей, резервуаров для нефти и нефтепродуктов, жилых и гражданских зданий более 16 этажей, а также гидротехнических сооружений.

Объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и сооружений следует принимать с учетом указаний раздела 3 СНиПа II-7-81* Строительство в сейсмических районах. Этажность (высота) зданий не должна превышать значений, указанных в таблице 8* [1].

Высота дошкольных детских учреждений не должна превышать двух этажей, школьных учреждений и больниц - трех этажей. Хирургические и реанимационные отделения в больницах следует размещать на нижних двух этажах.

Взданиях с несущими стенами, кроме наружных продольных стен, должно быть не менее одной внутренней продольной стены.

Здания должны иметь правильную форму в плане. Смежные участки здания выше или ниже планировочной отметки не должны иметь перепады более 5 м.

Перекрытия в зданиях следует располагать на одном уровне.

Здания следует разделять антисейсмическими швами на отсеки, если:

-их объемно-планировочные и конструктивные решения не соответствуют требо-

ваниям п.3.1 [1];

-отдельные объемы зданий в пределах общего плана, не являясь ядрами жесткости, имеют резко отличные (более 30 %) жесткости или массы.

Антисейсмические швы должны разделять здание по всей высоте, их следует выполнять путем возведения парных стен или рам, либо рамы и стены. Конструкция примыкания секций в зоне антисейсмических швов не должна препятствовать их взаимным горизонтальным перемещениям при землетрясениях.

Лестничные клетки следует предусматривать закрытыми с естественным освещением, как правило, через окна в наружных стенах. Расположение и количество лестничных клеток следует принимать в соответствии с нормативными документами по противопожарным нормам СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность

9

зданий и сооружений проектирования зданий, но не менее одной между антисейсмическими швами в зданиях высотой более трех этажей.

Устройство основных лестничных клеток в виде конструкций, не связанных с конструкциями здания или сооружения, не допускается.

Лестничные клетки и лифтовые шахты каркасных зданий с заполнением, не участвующим в работе, следует устраивать в виде ядер жесткости, воспринимающих сейсмическую нагрузку, или в виде встроенных конструкций с поэтажной разрезкой, не влияющих на жесткость каркаса, а для зданий высотой до 5 этажей при расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов их допускается устраивать в пределах плана здания в виде конструкций, отделенных от каркаса здания.

Лестницы следует выполнять, как правило, из крупных сборных элементов, соединяемых между собой с помощью сварки, либо из монолитного железобетона. Допускается применение металлических или железобетонных косоуров с наборными ступенями при условии соединения с помощью сварки или на болтах косоуров с площадками и ступеней с косоурами.

Междуэтажные лестничные площадки следует заделывать в стены. В каменных зданиях площадки должны заделываться на глубину не менее 250мм.

Устройство консольных ступеней, заделанных в каменную кладку, не допускается.

В городах и поселках городского типа строительство домов со стенами из сырцового кирпича, самана и грунтоблоков запрещается. В сельских населенных пунктах на площадках сейсмичностью до 8 баллов допускается строительство одноэтажных зданий из этих материалов при условии усиления стен деревянным антисептированным каркасом с диагональными связями.

Жесткость стен каркасных деревянных домов должна обеспечиваться раскосами или панелями из конструктивной фанеры. Брусчатые и бревенчатые стены следует собирать на нагелях и болтах.

Вопросы для самопроверки:

1.Какие традиционные подходы различают в сейсмостойком строительстве?

2.Какие существуют рекомендации по распределению масс, жесткостей несущих элементов по высоте и в плане зданий?

Глава 2. РАСЧЕТЫ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 2.1. Оценка динамических характеристик зданий

2.1.1. Динамическая расчетная схема сооружения. Степень свободы

При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений особое внимание следует уделять грамотной оценке их динамических характеристик, поскольку сейсмическое воздействие носит ярко выраженный динамический характер.