Анализ работы смешанных конструктивных систем во время землетрясения
В этом параграфе рассматриваются сейсмостойкие свойства смешанных конструктивных систем на основе анализа данных произошедших землетрясений.
27 марта 1964 года на Аляске в США произошло землетрясение в 8,3-8,6 балла, принесшее в городе Anchorage много разрушений. Заметим, что в Anchorage метод сейсмостойкого проектировании UBC применялся с 1950 года.
Были собраны также материалы разрушений смешанных конструктивных систем при землетрясении на Аляске. В этом землетрясении, кроме области серьезных разрушений из-за оползня, степень разрушения строительных зданий не очень значительна: обрушилось только два здания, большинство получили незначительные разрушения. Среди разрушенных зданий со смешанными конструкциями - Anchorage-Westward Hotel, Cordova Building и Hill Building. Рассмотрим более подробную информацию.
1. Anchorage-Westward Hotel
Высота башни 34 м. Построили ее в две стадии: нижние восемь этажей - в 1959 году, верхние шесть этажей завершены до землетрясения и еще официально эксплуатировались. Конструкция состоит из стального каркаса, железобетонных стен-диафрагм и ствола ядра жесткости.
Обследованием после аварий выявлен профиль легкой стальной конструкции на бетонных стенах-диафрагмах: ширина ребер 150 мм, тип стали Н, вес 15,5-20lb/ft. Остальные профили, установленные в железобетоне, являлись обычными железобетонными конструкциями с жесткой арматурой. План части башни показан на рисунке ниже.
В наружной стене северной части здания на 8-м этаже от действия поперечной силы, а также во внутренней стене в направлении юг-север на 2-м этаже возникли разрушения, 150-мм профили стены северной части получили большой изгиб и отделились от бетона. Из разрушившихся элементов видно, что между стальными колоннами и бетоном нет элементов соединения для восприятия поперечной силы, в результате хомуты вытянулись.
Во внутренней стене западной части здания также возникли разрушения. Самые серьезные разрушения возникли на 8-м этаже.
План башни Anchorage-Westward Hotel
Разрушение стен-диафрагм на восточной и западной стороне здания возникло по внутренним стенам северной части. Эта стена-диафрагма имеет четыре дверных проема. На восточной части были установлены колонны, усиленные стальными профилями, которые в результате землетрясения разрушились произошло раздробление бетона, растянулись рабочая арматура и профили, главная арматура и профили получили изгиб. Между стальными колоннами и бетоном также не было элементов соединения для восприятия поперечной силы.
В направлении восток-запад, в неразрезных балках установленными над проемами дверей на каждом этаже произошло разрушение от действия поперечной силы. При этом в балках в нижних этажах были установлены хомуты, а в балках верхних этажей хомуты отсутствовали. Эти неразрезные балки из-за несогласованности деформаций столбов стен обрамляющих проемы испытывали очень большие поперечные силы в вертикальном направлении.
2. Cordova Building
Cordova Building - офисное здание, в шесть этажей. В направлении с востока на запад для обеспечения жесткого соединения каркаса узлы выполнены на высокопрочных болтах и автоматической сварке. В направлении юг-север принято полужесткое соединение конструктивных элементов. Конструкции здания включали в себя железобетонное ядро жесткости толщиной стен 200 мм.
План Cordova Building
На востоке, юге и западе в здании установлены легкие утепленных стальных стеновые панели. На севере установлены 100-мм железобетонных плит, которые опирали на стены подвала.
В результате землетрясения возникли разрушения на нижних этажах здания. В частности разрушились железобетонные плиты на нижних этажах и в углу между 1-м и 2-м этажами. Стальные колонны на юго-восточном углу выполненные из широкополочного двутавра 350 мм, (тип стали HQ4WF30)) изогнулись под балками второго этажа. Ребро и полка колонн испытали кручение, полка изогнулась, колонны просели на 35 мм.
В нижней части железобетонного ядра жесткости возникли серьезные разрушения от поперечной силы. Башня верха здания обрушилась. В целом же, во всем здании произошли незначительные разрушения.
3. Hill Building
Hill Building - это офисное здание, в восемь этажей. Это здание включает два железобетонных ядра жесткости, в которых располагаются лифты. Стволы ядер жесткости между собой соединяются железобетонными балками. Внешний каркас состоит из стальных колонн и стальных балок. При проекта- ^ ровании предполагалось, что внешний каркас выдерживает только вертикальные нагрузки, а ядра жесткости - все горизонтальные нагрузки.
Соединение между стальными балками и стальными колоннами было выполнено с применением высокопрочных или обычных болтов. Некоторые болты разрушились от действия поперечной силы, но большинство узлов и стальные элементы сохранились.
План здания Hill Building
Железобетонные ядра жесткости из-за их большой жесткости выдержал главные сейсмические воздействия. В одном ядре жесткости из-за разрушения нижней части один из угол просел на 13 см, другой - на 8 см. В стенах- диафрагмах ядра в нижней части возникли трещины. Железобетонные балки, соединяющие ядра жесткости разрушились от действия поперечных сил.
Приведенные примеры показали, что железобетонные стены-диафрагмы и ядра жесткости смешанных конструкций выдерживают главные поперечные силы возникают от землетрясения и разрушаются первыми. После их разрушения, каркас выдерживает местные поперечные силы от действия землетрясения. Если каркас запроектирован с относительно малой жесткостью, то при землетрясении стены-диафрагмы, отделяются от каркаса, а сами профили не могут выдержать нагрузки землетрясения.
Также можно отметить, что при усилении профилей металлопрокатом на железобетонных элементах конструкций, если не обеспечена совместная работа профиля и бетона, могут наблюдаться опасные эффекты. Так, например, на сте- нах-диафрагмах Westward Hotel были установлены легкие профили из металлопроката, и малый размер профиля не обеспечивал его устойчивость, а между профилями и бетоном отсутствовали надежные соединения, воспринимающие поперечные силы. Хомутов также было установлено недостаточно, поэтому металлопрокат и бетонные стены-диафрагмы не работали совместно. Это приводило к значительным деформациям профилей и разрушению стен-диафрагм. Следовательно, рациональное проектирование структуры смешанных конструкций здания также является главным фактором их сейсмостойких свойств.
Землетрясение в Осаке
Япония находится в районах, где часто возникают землетрясения. Железобетонные элементы с жесткой арматурой выдерживают большие нагрузки, поэтому широко применяются в строительстве. В комбинированных и комплексных конструкциях обычно применяют железобетонные элементы с металлопрофилями исходя из накопленного опыта работы таких конструкций при землетрясениях.
Землетрясение становится главной проверкой для конструктивной системы здания. Нагруженность элементов является важным фактором, который влияет на сейсмические свойства конструкций. Это общее и главное положение при проектировании сейсмостойких зданий. В тоже время проектирование узлов и структуры также очень ответственно. У многих конструкций, которые разрушаются при сейсмических воздействиях, разрушение начинается с узлов. Поэтому при проектировании на это необходимо обращать внимание.