Влияние усиления перекрытий на распределение внутренних усилий и возникновение ослабленных этажей

Проанализируем состояние конструкций здания с усиленными этажами, приводящее к скачку внутренних усилий и возникновению ослабленных этажей. В результате анализа можно сформулировать четыре основных положения.

1. Ствол ядра жесткости при сейсмических воздействиях испытывает скачок внутренних усилий. Из рисунков видно, что после установки усиленных этажей в стволе ядра жесткости по высоте изгибающий момент изменяется незначительно, а на усиленных этажах момент резко увеличивается. Поперечная сила в стволе ядра жесткости также увеличивается.

2. Колонны внешнего каркаса при сейсмических воздействиях испытывают скачок поперечной силы. Из рисунков видно, что поперечная сила в колонне нижнего усиленного этажа мгновенно увеличивается, а изгибающий момент и поперечная сила в колонне на усиленных этажах увеличиваются незначительно.

3. Горизонтальные элементы - консоли усиленных этажей испытывают большой изгибающий момент и поперечную силу. При установке в усиленных этажах только горизонтальных элементов действующие момент и поперечная сила самые большие. Если в здании еще установить и жесткий пояс, тогда действующий изгибающий момент и поперечная сила намного уменьшаются. Из-за влияния изгиба верхних и нижних сечений усиленных этажей некоторые элементы испытывают знакопеременные моменты. При расположении только горизонтальных элементов - консолей влияние изгиба перекрытия достаточно большое. Если же в здании установить жесткий пояс, тогда влияние изгиба перекрытия намного уменьшается.

Внутренние усилия в ядре жесткости

а - без усиленного этажа; b - с усиленным этажом

Внутренние усилия в колоннах внешнего каркаса

а - без усиленного этажа; b - с усиленным этажом

Главные напряжения на поверхности перекрытия 27-го этажа

а - при отсутствии усиления 27-го этажа; b - при установлении двух горизонтальных консолей на усиленном 27-м этаже; с - в случае установления обвязочного контура на усиленном 27-м этаже; d-в случае установления двух горизонтальных консолей и обвязочного контура на усиленном 27-м этаже

Изгибающий момент и поперечная сила, действующие в горизонтальных консолях и поясе жесткости

Тип усиления	Усиленный 15-й этаж		Усиленный 27-й этаж
	поперечная сила Q, кН	момент М, кН*м	поперечная сила Q, кН	момент М, кН*м
Две горизонтальные консоли	12000	71800	6760	40500
Пояс жесткости	10500	62900	6950	41700
Горизонтальные консоли и пояс жесткости	Консоль 8800 Пояс 3890	Консоль 52800 Пояс 23300	Консоль 59900 Пояс 1830	Консоль 35900 Пояс 11000

4. На основе анализа приведенных значений внутренних усилий можно сделать вывод, что при сильных сейсмических воздействиях конструкция здания с ядром жесткости с усиленными этажами, выполненная без специальных мероприятий, плохо работает на данные воздействия из-за концентрации напряжений в усиленных этажах. В результате в верхних и нижних этажах относительно усиленных образуется ослабленный этаж, в котором происходит разрушение конструкции и даже обрушение. Экспериментальная модель со схемой расположения трещин и зон разрушения показана на рисунке ниже. В горизонтальных элементах консоли 15-го этажа этой конструкции возникают трещины от среза, колонны внешнего каркаса 16-го этажа имеют серьезные разрушения. В горизонтальных элементах консоли 27-го этажа также возникают трещины от среза. Колонны внешнего каркаса 21-го и 22-го этажей серьезно разрушаются. Это связано с конструкцией здания: от земли до 21-го этажа в здании установлены дополнительные колонны, которые чередуются с колоннами внешнего каркаса.

Схема расположения трещин в экспериментальной модели