Выбор жесткости усиленного этажа и его расположения
Усиленные этажи с ограниченной жесткостью
Если при сейсмических воздействиях общая жесткость применяемой конструкции ядра жесткости не может удовлетворять требуемым условиям проектирования, то используют два метода повышения этой жесткости. Во-первых, можно проектировать усиленный этаж с большой жесткостью, во-вторых, можно регулировать усиление основных несущих конструкций здания, а в результате проектировать усиленный этаж с определенной жесткостью. Между этими двумя вариантами есть важное различие.
Когда для увеличения общей жесткости конструкции применяется усиленный этаж с большой жесткостью, жесткость может быть принята слишком высокой. В результате этого наблюдается скачок жесткости всей конструкции здания и внутренние усилия резко увеличиваются. В этом случае при сильных землетрясениях в конструкции здания рядом с усиленным этажом образуются ослабленные этажи, которые и приводят к разрушению. При проектировании усиленного этажа с ограниченной жесткостью стараются увеличить минимально необходимую из условий сейсмостойкости общую жесткость конструкции здания до такого уровня, чтобы удовлетворять требованиям норм проектирования. Это позволяет уменьшить скачок жесткости по высоте конструкции здания. Ещё желательно для конструкций, проектируемых по требованиям норм при сильных землетрясениях, повышать растяжимость отдельных элементов по принципу: «сильная колонна - слабые балки», «значительная поперечная сила - незначительный момент», тем самым исключать образование слабых этажей.
Выбор жесткости горизонтального элемента консоли
При проектировании усиленного этажа с ограниченной жесткостью важно правиль|де определить эту жесткость. На рисунке показаны диаграмма перемещений вершины здания, изгибающего момента в элементах внешнего каркаса выше и ниже усиленного этажа и изгибающего момента в стенах-диафрагмах ядра жесткости в зависимости изменения горизонтального элемента консоли.
Диаграмма зависимости усилий и перемещений в остове здания от изменения жесткости горизонтального элемента
1 - продольные силы в колоннах, кН; 2 - изгибающий момент в колоннах, кН*м; 3 - изгибающий момент в стенах- диафрагмах, кН*м; 4 - перемещение вершины здания, мм
Из рисунка видно, что если увеличивать жесткость горизонтального элемента консоли больше какой-то величины J2, то перемещение вершины здания и изменение внутренних усилий в колоннах и стенах-диафрагмах незначительно. При уменьшении жесткости горизонтального элемента консоли меньше какой-то величины J1 перемещения и внутренние усилия в конструкциях остова здания меняются значительно. Поэтому жесткость горизонтального элемента консоли стараются выбрать в пределах J1 - J2, чтобы уменьшить скачок общей жесткости конструкции здания и, соответственно, внезапное изменение внутренних усилий.
Выбор расположения конструкции усиленного этажа с ограниченной жесткостью
При проектировании зданий в сейсмических районах, в них, если позволяет высота, устанавливают несколько (два-три) усиленных этажа. При этом жесткость каждого усиленного этажа стараются уменьшить.
Фермы усиленного этажа и сплошные балки устанавливают между ядром и колоннами внешнего каркаса, в результате этого образуется горизонтальный консольный элемент. Увеличение жесткости горизонтального консольного элемента незначительно сказывается на снижении общих перемещений остова здания, но оказывает большое влияние на поперечную силу и момент, которые воспринимает горизонтальный консольный элемент, а также на снижение перемещений перекрытий усиленного этажа.
Общие перемещения конструкций здания при различных вариантах усиления этажа
1 - не усилен; 2 - пояс жесткости; 3 - консоль; 4 — консоль
Сравнительный анализ общих перемещений конструкции при различных типах усиления этажа приведен на рисунке выше (деформации перекрытий). Из рисунка видно, что установка горизонтального консольного элемента эффективна для уменьшения общих перемещений конструкции здания. Усиленный этаж выгодно проектировать в виде фермы для удобства регулирования жесткости. При сейсмических воздействиях в ферме усиленного этажа в первую очередь возникают разрушения, предотвращая тем самым разрушения в колоннах внешнего каркаса на усиленном этаже, и еще больше предотвращая разрушения в стенах ядра жесткости здания. При применении в усиленных этажах сплошных балок диапазон регулировки жесткости невелик (изменение ширины балок) и применения сплошных балок не всегда обеспечивает достижение эффекта «значительная поперечная сила - незначительный момент».