Метод проектирования сейсмостойких конструкций

Определение уровней сейсмостойкости

Согласно принципам сейсмической безопасности, если конструкция и ее элементы имеют низкий уровень нагружения, то ее способность к пластическим деформациям уменьшается; если конструкция и ее элементы имеют высокий уровень нагружения, то это может способствовать развитию пластических деформаций. Следует отметить, что степень несимметричности конструкции напрямую влияет на ее способность к проявлению пластических деформаций. Отсюда следует, что при сейсмическом проектировании сложных зданий, характеристики которых превышают нормативные ограничения, учитывается степень симметричности конструкции и значение ее высоты, превышающей заданное ограничение. При повышении нагруженности конструкции или ее способности к пластическим деформациям, а также при увеличении сразу двух этих факторов из трех методов проектирования выбирают наиболее рациональный. Для выполнения проверок сейсмостойкости специалисты сравнивают выполнимость условий проектирования. Если ограничения норм не выполняются, то необходимо привести параметры конструкции к соответствующему уровню безопасности. При проектировании заданных свойств сейсмостойкости требуются более рациональные критерии уровней сейсмостойкости, а рассчитываемые факторы более всесторонни при задании этих свойств.

Критерии уровней сейсмостойкости

При разных уровнях сейсмостойкости для обеспечения общей пространственной жесткости конструкции система перекрытий должна иметь заданный уровень напряженно-деформированного состояния, обеспечивающий ее упругую работу при землетрясении, т.е. должны применяться рациональные расчетные модели конструкций с обязательным их обоснованием (включая экспериментальные исследования). Чтобы избежать возникновения хрупких разрушений в элементах конструкции, от среза при проектировании необходимо регулировать размеры срезаемого сечения, удовлетворяющая ограничениям действующих норм. Основные требования обеспечения сейсмостойкости конструкций по уровням свойств эквивалентны требованиям четвертого уровня состояния железобетонных конструкций.

Уровень 1 а. Конструкция удовлетворяет проектным условиям упругости, нагруженность от сейсмических воздействий и угол сдвига между этажами удовлетворяют условиям действующих норм; при расчете конструкции используется рациональная конструктивная схема и ее расчетная модель. В расчете учитываются коэффициенты надежности по нагрузке, материалов, зданию и корректирующий коэффициент сочетаний сейсмической нагрузки. Для конструкций типа А и В можно не рассчитывать значения внутренних сил при сейсмических воздействиях; отдельные сеисмостоикие структуры разных элементов удовлетворяют минимуму основных условий. Для конструкций типа С, D и Е для проведения нелинейного анализа поведения конструкций при средних и сильных землетрясениях сначала проводят проектирование конструкций на стадии малых землетрясений по настоящим нормам, затем проводят нелинейный анализ и корректируют свойства при средних и больших землетрясениях. Согласно скорректированным результатам проводят дальнейшее проектирование.

Уровень 1Ь. Сейсмическая нагруженность всех элементов удовлетворяет условиям работы конструкции в упругой стадии, сейсмостойкость разных элементов удовлетворяет минимуму основных требований. Принимаются коэффициенты надежности по нагрузке, материалов, зданию и коэффициент сочетаний сейсмической нагрузке, но не рассчитывается изменение внутренних сил при сейсмических воздействиях.

Уровень 2. Сейсмическая нагруженность ослабленных и критических сечений удовлетворяют условиям проектирования по упругой стадии. Все конструкции подвергаются нелинейному анализу, допускается приближение свойств материала в указанных сечениях к условиям текучести. Не допускается возникновение перерезывающих и других хрупких разрушений; отдельные сейсмостойкие структуры разных элементов удовлетворяют минимуму условия их растяжимости.

Уровень 3. В ослабленных или критических сечениях конструкции не возникает текучесть, т.е. не рассчитывается изменение внутренних сил при сейсмических воздействиях. Сейсмостойкую нагрузку вычисляют по нормам (коэффициенты надежности по нагрузке, материалов, зданию и коэффициент сочетаний для сейсмической нагрузки принимаются равными 1,0). Конструкции подвергаются нелинейному анализу, допускается приближение свойств материала сечений к текучести, но не должны возникать перерезывающие и другие хрупкие разрушения; отдельные сейсмостойкие структуры элементов удовлетворяют минимальным условиям средней растяжимости.

Уровень 4. Конструкция подвергается нелинейному анализу, ослабленные или критические сечения конструкций могут переходить в состояние текучести, но при этом удовлетворяется условие ограничения деформаций (например, относительные сдвиги этажей железобетонных конструкций составляют 1/500-1/300). В вертикальных элементах не допускается возникновение перерезывающих и другие хрупкие разрушения; отдельные сейсмостойкие структуры разных конструкций удовлетворяют минимальным условиям предельной пластичности.

Уровень 5. Конструкция подвергается нелинейному анализу, ее ослабленные или критические сечения могут переходить в состояние текучести, однако удовлетворяются ограничения по деформациям при сильных землетрясениях; отдельные сейсмостойкие структуры разных конструкций удовлетворяют условиям предельной пластичности.

Выбор уровней сейсмостойкости

При выборе уровней сейсмостойкости сложных зданий, характеристики которых превышают ограничения, должны учитываться многие факторы. Далее представлены некоторые рекомендации.

1. При воздействиях малых землетрясений любые конструкции сложных зданий, характеристики которых превышают ограничения, должны удовлетворять условиям уровня 1 а.
2. В некоторых зданиях ответственные конструкции должны находиться под соответствующей нагрузкой для нахождения в упругом состоянии при средних и больших землетрясениях. Некоторые здания проектируются сравнительно асимметричными, заказчик, для того чтобы выдержать задаваемую им архитектурную форму и удовлетворить особым свойствам проекта, соглашается увеличивать запасы и соответственно расходы с тем, чтобы здание работало в упругом состоянии. Вышеперечисленные и другие особые состояния соответствуют варианту А. В то же время высота и несимметричность здания не требуют специальных ограничений, но это не относится к особо несимметричным конструкциям.
3. Вариант В близок к варианту А, отличие конструкции по варианту В- неослабленные и некритические состояния сечений, которые практически достигают текучести при сильных землетрясениях. Высота и несимметричность здания не требуют при этом специальных ограничений, но это не должны быть особо несимметричные конструкции. Конструкция соответствует варианту А. Также можно принять вариант В, при этом вводимые коэффициенты сейсмостойкости конструкций уменьшаются незначительно, но стоимость конструкций по сравнению с вариантом А снижается.
4. Варианты С, D, Е предполагают рассмотрение работы в неупругом состоянии. Опыт сейсмических бедствий и эксперименты показали, что при средних и сильных землетрясениях конструкции имеют допустимую нагруженность, что приводит к ограничению их растяжимости. Для сложных конструкций в общем случае принимаются варианты С, D, Е. При выборе трех возможных вариантов нужно комплексно учитывать проектную сейсмичность, степень несимметричности конструкций, высоту здания, пластичность конструкций, возможные потери после землетрясения, сложность восстановления объекта и др.
5. Для особо несимметричных высотных конструкций степень несимметричности намного превышает пределы допустимых норм. Если конструкции имеют минимальную пластичность, рекомендуется принимать вариант С.
6. Если высота здания или некоторая несимметричность намного превышает пределы допустимых норм, то можно принимать варианты С или D.
7. Если высота здания и несимметричность превышает пределы допустимых норм, то можно принимать вариант D.
8. Если высота здания не превышает допустимый уровень высоты и его несимметричность удовлетворяет ограничениям, то для таких конструкций, можно принимать варианты D или Е.