Развитие методов проектирования сейсмостойких конструкций

Первые методы проектирования сейсмостойких конструкций

Исследования сейсмостойкости строительных конструкций начинаются с 1906 года после землетрясения в Сан-Франциско (США). В 1915 году японский профессор Цзо Е ввел в употребление термин «магнитуда» для количественной оценки силы землетрясения. Он предложил определять сейсмическую силу по формуле F = RW, где R - магнитуда, W - масса здания. В 1924 году после большого землетрясения в Японии такое понятие появилось в японских строительных нормах, с постоянным значением R = 0,1. С 20-30-х годов XX века оценка сейсмичности начинает широко использоваться во всем мире при проектировании строительных конструкций. В то время еще не могли измерять ускорение движения земной поверхности, и точное определение сейсмической инерционной силы было невозможно. При этом горизонтальная сила сейсмического воздействия принималась равной 10% собственной массы здания, что было очень неточным.

В 1933 году в США сделали первую запись сейсмического ускорения, а несколько позже, в 1940 году, в центре исследований землетрясений Elcentro было продолжено изучение сейсмического ускорения. На основании полученных материалов о характере вынужденных колебаний зданий американские ученые выдвинули теорию сейсмического ускорения при землетрясении. В 1956 году в Сан-Франциско (США) приняли новые нормы по обеспечению сейсмостойкости конструкций, основанные на использовании данной теории. При этом были введены новые понятия - период вынужденных колебаний (Т), коэффициент затухания, коэффициент поперечных сил и соотношения между ними. После дальнейших исследований, проводимых также и в Китае, эти нормы стали более приближенными к практике и легли в основу общепринятых методов проектирования сейсмостойких конструкций. В Китае, как и во многих других странах мира, теория сейсмического ускорения и принцип надежности были приняты к использованию при проектировании. Это предполагает использование следующего алгоритма проектирования конструкций, подверженных сейсмическим воздействиям:

1. Упругим расчетом определяются сейсмические ускорения. В 2001 году исследованиями было определены сейсмические ускорения, при этом вероятность возникновения подобных землетрясений в 50-летний период составила 63%.
2. Рассчитываются реальные пластические свойства конструкции и неупругие деформации. С учетом пластических свойств материала определяют внутренние усилия в элементах конструкции для назначения основных параметров их поперечных сечений. Кроме того, выполняется проверка конструкции по деформациям, чтобы они не превышали своих предельных нормативных значений. Этим закладывается основа надежности конструктивной системы.
3. На следующем этапе проектирования необходимо ограничить проявление пластических свойств материала конструкции в пределах, определяемых нормами.

Все перечисленные этапы расчета обеспечивают соблюдение принципа надежности.

Основы проектирования сейсмостойких конструкций

С 90-х годов XX века многими учеными и исследовательскими институтами США, Японии, Австралии, стран Европы и Китая разрабатывалась теория сейсмостойкого проектирования. Исследование проблемы обеспечения сейсмостойкости конструкций шло в направлении от общего к частному. Это дало возможность проведения анализа уровня сейсмостойкости конструкций в статической и динамической постановках задачи при учете упругопластических свойств материала, это соответствовало новой концепции в развитии теории проектирования. Тем не менее, основы сейсмического проектирования до настоящего времени полностью не разработаны. Это связано в первую очередь с неопределимостью значений сейсмического воздействия, неточностью в описании расчетных моделей и свойств материалов при проявлении сейсмических воздействий; недостаточностью опыта при анализе работы модели конструкции; неопределенности требования по обслуживанию сейсмически опасных объектов. Несмотря на это, методы по обеспечению сейсмической безопасности конструкций постепенно совершенствуются.