Сейсмостойкость и высота многоэтажных железобетонных зданий

Каркасно-панельная система со стенами-диафрагмами

Как показала практика, сейсмостойкость обычной каркасно-панельной конструкции невысока. При землетрясении горизонтальное перемещение системы больше, при этом совместная работа колонн с плитами при передаче поперечных сил затруднена. При землетрясении часто наблюдаются разрушения, вызванные потерей устойчивости колонн и нарушением соединений. Как отмечено в ряде литературных источников, цельная каркасно-панельная система неприменима при проявлении сейсмических воздействий. Отечественные и китайские нормы сейсмостойкости, нормы проектирования железобетонных конструкций и правила проектирования многоэтажных железобетонных конструкций исключают эту систему из возможных вариантов конструктивных решений.

Сейсмостойкость каркасно-панельной системы со стенами-диафрагмами лучше по сравнению с предыдущей системой. Оценка сейсмостойкости конструкций имеет различия в проектировании по нормам разных стран мира. Нормы сейсмостойкого проектирования Китая строго ограничивают высоту каркасно-панельного сооружения со стенами-диафрагмами. Для оценки сейсмостойкости этой конструктивной системы на рисунках показаны два каркасно-панельных здания со стенами-диафрагмами, разрушенных в результате землетрясения в Мексике в 1985 году.

Каркасно-панельное здание со стенами-диафрагмами (12 этажей)

2 - 0078 — Фотоальбом

1 - облицовка фасада, не соединяющаяся с конструкцией; 2 - кирпичная стена толщиной 14 см; 3 - колонна 35x70 см; 4 - железобетонное ядро толщиной 20 см

Каркасно-панельное здание со стенами-диафрагмами (15 этажей)

В здании на первом рисунке стены и колонны 2-го и 5-го этажей разрушились от кручения в основании стен, в перекрытиях возникли локальные трещины, в колоннах с 5-го по 11-й этаж возникли трещины значительного раскрытия, основание стен-диафрагм просело.

В здании на втором рисунке стены и колонны 2-5 этаж разрушились от кручения, возникли трещины на отдельных участках перекрытия. Конструкции 1-4 этажей почти не пострадали, в колоннах с 5-го по 11-й этаж возникли трещины.

Максимальные высоты железобетонных многоэтажных зданий (м)

Конструктивная система		Общее проектирование	Сейсмическое воздействие (баллы)
Конструктивная система		Общее проектирование	6	7	8	9
Обычный каркас		70	60	55	45	25
Каркас со стенами-диафрагмами		140	130	120	100	50
Стены-диафрагмы	сплошные	150	140	120	100	60
Стены-диафрагмы	локальные (прерывистые)	130	120	100	80	—
Цилиндрическая	каркасные конструкции с цилиндрическим ядром жесткости	160	150	130	100	70
конструкция	цилиндрическая конструкция с внутренним ядром жесткости	200	180	150	120	80
Каркас с панельными стенами-диафрагмами		70	40	35	30	—

Примечания:

1. Высота здания определяется по наружной поверхности до верхнего перекрытия, не включая высоты аппаратной лифта, водохранилища, каркасы которых превышают перекрытие.

2. В таблице приведены данные для симметричных каркасов.

3. Прерывистые стены-диафрагмы опираются на фундамент.

4. Для несимметричных конструкций максимально применимая высота должна понижаться.

5. Для обеспечения сейсмостойкости рекомендуется проектировать здание с запасом на 1 балл по силе возможного землетрясения; при прогнозируемых воздействиях в 9 баллов необходимо проведение дополнительных мероприятий.

6. Если в случаях сейсмического воздействия силой 9 баллов высота здания превышает значение, приведенное в таблице, то данное проектное решение должно быть обосновано и проведены соответствующие конструктивные мероприятия.

Каркасные конструкции

В США, Новой Зеландии и других странах на основании практики проектирования считают, что здание с прямоугольным каркасом, обладающим достаточной упругостью, имеет хорошую сейсмостойкость. На рисунке ниже - каркасное здание,испытавшее крупные разрушения при землетрясении в Осака-Кобе (Япония) наиболее серьезные разрушения получили продольные каркасные балки по осям XI, Х2 и узлы сопряжения балок и колонн. Вследствие этого такая каркасная система не получила широкого распространения. Для высотных зданий, построенных на ее основе, установлены строгие ограничения.

2 - 0080 — Фотоальбом

Каркасные здания со стенами-диафрагнами и с цилиндрическим ядром жесткости

В 70-80-е годы XX века в мире существовали разные точки зрения на оценку сейсмостойкости стен-диафрагм и диафрагм-цилиндров. Опыт землетрясений показал важность стен-диафрагм для обеспечения сейсмостойкости зданий, позволил сделать общие выводы по данному вопросу. Если конструкции стен-диафрагм (или цилиндрических конструкций) соединить пластическими элементами со связующими балками и обычными стенами здания, то можно обеспечить хорошую сейсмостойкость. При землетрясении в Японии (1995 г.) было замечено, что жилые дома с конструкциями стен-диафрагм (высотой 10 этажей), подверженные сильным сейсмическим воздействиям, проявили хорошую сейсмостойкость. При этом элементы диафрагм не разрушались, а в связующих балках наружных стен возникают изгибные разрушения (рис. 3.3.15, а и рис. 3.3.15, Ь). Анализ последствий землетрясений подтвердил хорошую сейсмостойкость зданий со стенами-диафрагмами в Хэпули (Югославия, 1963 г.) и Бухаресте (Румыния, 1977 г.). Другие конструкции оказались слабее. То же наблюдалось при землетрясении в Никарагуа (1972 г.).

Сложные конструкции многоэтажных зданий

К конструкциям сложных многоэтажных зданий относятся несимметричные системы, проектирование которых предусматривает проведение специальных мероприятий, обеспечивающих их сейсмостойкость. Примеры таких зданий при землетрясениях весьма многочисленны, особенно при наличии дискретных вертикальных стен-диафрагм. На опыте экспериментальных исследований в отечественных нормах сейсмостойкого проектирования для конструкции зданий с прерывистыми стенами-диафрагмами приведены соответствующие способы сейсмостойкого проектирования. Применимость таких конструкций зданий ограничивается 9-балльным землетрясением, а их высота ниже, чем при использовании сплошных стен диафрагм.

«Техническая инструкция по проектированию конструкций высотных зданий» содержит ограничение проектирования конструкций в сейсмических районах. Под воздействием сейсмики несимметричные конструкции легко проявляют недостатки. Для повышения сейсмостойкости конструкций необходимо соблюдение правил проектирования и соответствующих рекомендаций, проведение специальных исследований.

1. При 9-балльной сейсмической активности уже не применимы многие возможные конструктивные решения.

2. При строительстве многоэтажных зданий в районах с сейсмостойкостью 7, 8 баллов не рекомендуется применять более двух различных типов конструкций (сложные здания). Это приводит к серьезным разрушениям.

3. Для конструкций зданий с разноуровневыми этажами, выполненных на основе каркасной системы со стенами-диафрагмами, строго ограничивают высоту здания. При сейсмичности района 7, 8 баллов высоты зданий с разноуровневыми этажами и стенами-диафрагмами должно быть менее 80 и 60 м соответственно. Конструкции с разноуровневыми этажами имеют несимметричную структуру, недостаточное число реакций для восприятия горизонтальных сил, ослабления из-за разноуровневых этажей. Практика показала, что такие конструкции обладают меньшей сейсмостойкостью и высота их должна быть строго ограничена.

Конструкции каркасных зданий со стенами-диафрагмами в Осаке-Кобе, при землетрясении получившие разрушения среднего уровня

а - конструкции 10-этажного жилого дома со стенами-диафрагмами; b - состояние конструкции каркасного 7-этажного здания со стенами-диафрагмами, разрушение неразрезных балок из-за текучести, стены-диафрагмы не разрушились

Конструкция ствола 18-этажного здания банка Мэнь Шоу

План конструкций 15-этажного здания Государственного банка

4.Конструкции многоэтажных зданий не должны иметь жестких соединений. При землетрясении более жесткие соединения наиболее подвержены разрушению. При этом, чем выше здание, тем больше значения реакций в жестких соединениях, следовательно, необходимо ограничивать применимые высоты для таких конструкций.

5.При проектировании сейсмостойких цилиндрических конструкций с внутренним ядром жесткости (пункт В), имеющих разноуровневые этажи и внешний цилиндр жесткости с панельным каркасом из стен-диафрагм, максимальное значение применимых высот должно быть меньше, чем значения, приведенные в таблице. Исследования показали, что в этих конструкциях наблюдается существенное изменение несущей способности и передачи усилий между элементами системы, следовательно, необходимо снижать максимально применимые высоты. Исследованиями установлено, что снижение определяется в пределах 10-20%.

Главная особенность правил состоит в разделении зданий на типы А и В. Многоэтажные здания типа А проектируются согласно общепринятым строительным нормам. Многоэтажные здания типа В требуют соблюдения дополнительных требований проектирования.

Правила требуют соблюдения следующих положений:

1. Железобетонным многоэтажным зданиям типа А соответствуют предельные значения высоты, приведенные в таблице, такие конструкции получили широкое распространение и многостороннее применение. Если каркасные здания со стенами-диафрагмами или диафрагмами цилиндрической формы превышают высоты, указанные в табл. 3.3.2, то такие многоэтажные здания относят к типу В. Максимально применимые высоты многоэтажных зданий типа В не должны превышать значений, приведенных в таблице, при этом предусматривается проведение дополнительных исследований и соответствующих мероприятий.

Каркасные конструкции, конструкции с каркасно-панельными стенами- диафрагмами и конструкции с сейсмостойкостью 9 баллов, высоты которых превышают максимально применимые высоты для зданий типа А, из-за недостаточности исследований и отсутствия опытов строительства не могут быть причислены к типу В.

2. Теперь для обеспечения сейсмостойкости конструкций со стенами-диафрагмами, несмотря на разногласия, исследованиями установлено, что максимально применимые высоты таких зданий следует снижать. Так, конструкции со стенами-диафрагмами при 7-балльной сейсмостойкости должны быть ниже 100 м, при 8-балльной ниже 80 м; в многоэтажных зданиях типа В и 9-балльной сейсмостойкости типа А не следует применять такую конструктивную схему.

← Предотвращение отключений от сейсмичности конструкции

Постоянные нагрузки (собственный вес здания) →