Предотвращение отключений от сейсмичности конструкции
Установление отклонений симметричности
В нормах проектирования в сейсмических районах разных стран только упоминается о главных типах отклонений. При проектировании объектов часто встречаются разные отклонения, некоторые из которых в нормах не рассмотрены. Необходимо обратить внимание на их анализ, установление отклонений, принять соответствующие меры.
Отклонение конструкций возникает по многим причинам. Например, резкое изменение формы, непостоянство изменения жесткости, особые формы элементов, неуместное расположение конструктивных элементов и т.д. Проектировщики должны иметь знания и опыт проектирования, позволяющие обнаружить неблагоприятные конструктивные характеристики.
Ограничение крутящего эффекта
Расположение конструкции в плоскости должно ограничивать эффект закручивания. Бедствия от землетрясений показали, что отклонение плоскости, конструкции со слабыми антикрутящими жесткостями, эксцентриситетами массы и жесткости приводят к серьезным разрушениям при сейсмических воздействиях. Результаты опытов на некоторых макетах с применением виброплощадок также показали, что крутящий эффект может привести к серьезным разрушениям конструкций.
Эффект закручивания конструкции ограничивается двумя способами.
Неправильность распределения конструкции в плане. Возникновение большого крутящего момента из-за большого эксцентриситета. «Технической инструкцией по проектированию конструкций высотных зданий» определены верхние и нижние пределы эффекта закручивания по высоте здания уровня А, по высоте здания уровня В, комбинированных конструкций и высотных зданий со сложной конструктивной схемой. При расчете крутящего момента необходимо учитывать влияние случайных эксцентриситетов. Верхние пределы составляют 1,4 высоты здания уровня В комбинированных конструкций и высотных зданий со сложной конструктивной схемой.
Жесткость при кручении конструкции не должна быть слишком малой. Главная задача - ограничение отношения первого периода собственного колебания Тt при кручении конструкции к первому периоду собственного колебания Тl при поступательном движении конструкции. Когда два периода приблизительно равны, крутящий эффект заметно повышается из-за влияния колебаний. При проектировании планов высотных зданий необходимо обращать внимание на уменьшение эксцентриситета из-за несимметричности здания и разных значений конструктивных жесткостей, а также на уменьшение отношения конструктивных периодов Tt/Tl. Крутящий момент конструкции зависит не только от децентрации е/r, но и от увеличения энергетики крутящего момента из-за большого отношения периодов. Чтобы в дальнейшем понять важность влияния отношения периода к крутящему моменту, на рисунке ниже показана схема зависимости θr/u от Тt/Tl. Комплексно выражено отношение периодов Tt/Tl и соответствующее влияние крутящих моментов от децентрации е/г. Если отношение периода Тt/Tl меньше 0,5, то соответствующие крутящие эффекты θr/u обычно маленькие (θ- угол закручивания и г - поворотный радиус, θг - перемещение от центра тяжести из-за крутящего эффекта является поворотным радиусом, u - перемещение центра тяжести), если эксцентриситет жесткости большой, децентрация е достигает 0,7г, соответствующая величина крутящего эффекта только 0,2. Если отношение периода Tt/Tl больше 0,85, соответственные крутящие эффекты θг/u резко увеличиваются, если эксцентриситет жесткости очень маленький, децентрация е равна 0,1 r; когда отношение периода Tt/Tl равно 0,85, соответственная величина крутящего эффекта достигает 0,5. Отсюда видим, что при проектировании в сейсмических районах должны приниматься мероприятия по уменьшению отношения периода Tt/Tl для придания конструкции необходимых крутящих жесткостей. Если отношение периода Tt/Tl не удовлетворяет верхнему пределу нормы, то должно регулироваться расположение элементов, которые воспринимают горизонтальные силы.
Отношение периодов Tt/Tl, жесткость на кручение Кt, боковая жесткость Kl, крутящая инерта mt и масса m связаны следующим образом:
Схема вертикальной жесткости
Между жесткостью конструкции на кручение Кt и вертикальной жесткостью Кlx по направлению х, вертикальной жесткостью Kly по направлению у и жесткостью на кручение элементов конструкции Kti существуют следующие отношения:
Из формул видно, что при рациональном расположении конструкций, при увеличении отношения Кt к Kl можно уменьшить величину Tt/Tl при этом влияние крутящего эффекта уменьшится. Для некоторых конструкций (например, конструкции галерейных переходов и т.д.) еще нужно обратить внимание на то, что большое отношение инерционной массы т, к массе т приводит к увеличению отношения периодов Tt/Tl.
При расчете крутящего эффекта обычно используют линейно-упругий анализ. Как показывает опыт, когда в отдельных элементах, подверженных кручению, при больших деформациях возникают трещины или разрушения, крутящий момент конструкции увеличивается дальше, это увеличение намного больше, чем при упругом анализе. Поэтому при расчете крутящего момента лучше использовать нелинейно-упругий анализ.
Функция перекрытий
Перекрытия здания имеют большую жесткость в своей плоскости, вертикальные элементы через соединение перекрытий могут влиять на общую способность здания к сопротивлению горизонтальным усилиям. Благодаря большой жесткости в плоскости перекрытия выполняют функцию переборки. Горизонтальные перемещения разных вертикальных конструктивных элементов, оказывающих сопротивление горизонтальным усилиям, имеют линейные зависимости.
Влияние формы здания, различной по высоте
На рисунке ниже показано несколько неправильных форм зданий: а - форма здания, при которой масса концентрируется в верхней части, поэтому требования к нижним этажам и основанию предъявляются очень строгие; b - фасад с сужением, приводящее к возникновению конструктивного эффекта на дискретном этаже, такой эффект трудно четко прогнозировать; с - неправильная каркасная схема, где колонна верхней части оперта на ригель нижней части здания; d - здание, состоящее из двух почти одинаковых по конструкциям частей, но несмотря на это, одинаковый эффект при сейсмических воздействиях не обеспечивается, поэтому все связи между двумя зданиями (галерейный переход) должны быть рассчитаны на влияние крутящего момента и вертикальных сейсмических воздействий; е - пересечение перекрытий в разных уровнях, жесткое соединение между перекрытиями и вертикальными элементами теряется, результаты нелинейного анализа в таком случае обычно недостаточно верные.
Различные варианты пересечения перекрытий
Любое явное отклонение от принципа постоянного изменения жесткости и нагруженности по высоте здания может приводить к нежелательным и даже опасным последствиям. На рисунке ниже показано изменение жесткости этажа. При уменьшении жесткости какого-либо этажа нагруженность тоже уменьшается, что приводит к появлению больших неупругих деформаций на этом этаже. Такие явления становятся главной причиной обрушения при сейсмических воздействиях.
На рисунке ниже дано несколько примеров зданий с отклонениями по высоте. Применяемые стены-диафрагмы являются главными элементами, оказывающими сопротивление горизонтальным силам. Если на 1-м этаже необходимо обеспечить свободное пространство, проектировщики выполняют стены-диафрагмы, начиная со 2-го этажа. В данном случае обязательна установка стен-диафрагм на 1-м этаже, иначе здание обрушится из-за больших деформаций нижних колонн. Если стены-диафрагмы доводят до основания и на каждом этаже имеют соединения сплошных балок, то такая конструктивная схема является самой эффективной. На рисунке с показано расположение панелей в разных уровнях, что может нарушить постоянство жесткости. В результате реализовать достаточно надежную передачу усилий через стыки в углах достаточно сложно. Если все панели размещаются на одной вертикали, тогда получается конструктивная система довольно устойчивая к горизонтальным нагрузкам.
Изменение жесткости этажа
Несколько примеров вертикальной неправильности зданий
При землетрясении часто наблюдаются разрушения, связанные с деформацией дополнительного стального элемента. На рисунке ниже изображена, кирпичная стена, увеличивающая конструктивную прочность при сопротивлении боковой силе.
При этом в колонне будет возникать горизонтальная поперечная сила, влиянием которой нельзя пренебрегать. Кроме того, не соответствует требованиям образование шарниров пластичности в середине и по краям указанного элемента. Непрогнозируемое разрушение главных элементов при увеличении нагрузки может привести к обрушению здания в целом. Поэтому главной задачей конструктора является ограничение ожидаемой деформации составляющих элементов здания при проектировании и строительстве.
Деформация конструкции
