Егупов - Расчет зданий на сейсмические воздействия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЗДАНИЙ И АНАЛИЗ

Глава 1 ПОСЛЕДСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

§ 1. Формы колебаний зданий в плане по данным натурных испытаний

В Советском Союзе и за рубежом проведены натурные исследования колебаний зданий, показывающие, что деформации вертикальных элементов по длине здания  неодинаковы, В ряде случаев существенными являются деформации со своей плоскости не только сборных, но и монолитных  перекрытий.

Так, продольные формы колебаний в плане здания возникают вследствие воздействия на конструкции цеха мостовых кранов (рис. 1). Как видно из рисунка, деформации различных  поперечных элементов здания неодинаковы. При частотах 1,5 и 2,5— 3,0 гц формы колебаний колонн ран не имеют узлов. Если  расчетную схему цеха представить в виде плоской рамы, наличие безузловых форм колебаний рам, соответствующих разным  частотам, нельзя объяснить, не впадая в противоречие с основными положениями теории колебании.

Наличие безузловых форм колебаний рам, соответствующих высшим частотам колебаний здания, объясняется его  пространственной работой, связанной с деформациями железобетонного покрытия в своей плоскости: при низших частотах покрытие слабо деформируется, при высших — в большей степени, при еще более высоких, очевидно, появились бы узловые формы  колебаний рам.

Следовательно, расчеты по плоской расчетной схеме дают приемлемые результаты только для низших частот. На основе многолетних натурных испытаний колебаний  каркасов промышленных цехов, проведенных ЦНИИСКом,  отмечаются следующие особенности их: при работе мостовых кранов наблюдаются колебания цеха с частотами 2,5—3,0 гц. Колебания низшего тона, при которых пространственная работа явно не выражена, наблюдаются  реже; ординаты форм колебаний поперечных рам при этих частотах по мере приближения к покрытию уменьшаются; по длине цеха колебания имеют отчетливо выраженный  пространственный характер.

Результаты экспериментов были обработаны по плоской  расчетной схеме, поэтому ни одна из упомянутых выше  особенностей не была подтверждена. Формы колебаний перекрытий каркасного здания в  пионерском лагере «Артек» приведены на рис. 2.

Колебания возникали от  микросейсмических воздействий грунта на основание здания при мгновенном сбросе горизонтальных статических нагрузок,  прикладываемых к зданию на время  эксперимента. Как видно из рисунка, отчетливо проявляются поворот и изгиб перекрытия в своей плоскости. Поворот перекрытий при колебании здания является  следствием его несимметричности относительно поперечной оси. Однако эти крутильные эффекты могут быть значительными и для симметричных в  плане зданий. Следовательно, поле микросейсмических воздействий нельзя считать равномерным по длине мания.

В ряде случаен при микросейсмических воздействиях и сбросе нагрузок фиксировались чисто изгибные колебания  перекрытий в своей плоскости.

Поворот и изгиб перекрытий в своей плоскости в  значительной степени проявляются при колебаниях каркасных зданий  повышенной этажности.

Большие экспериментальные исследования колебаний  каркасных зданий рамной конструктивной схемы были выполнены в Грузии под руководством Г. Н Карцивадзе [М]. В 1966 г.  проводились измерения колебаний II строящихся высотных  каркасных зданий на мысе Пицунда и в Тбилиси высотой 9—29 этажа. Характерно, что поступательные перемещения перекрытий, как жестких дисков не наблюдались ни в одном из экспериментов.

Но деформации и поворот перекрытий проявлялись даже в  коротких зданиях, длина которых всего и 1,5—2,0 раза больше ширины (рис. 5). В отличие от протяженных в плане зданий здесь, судя по характеру форм колебаний перекрытий,  преобладающими являются не деформации изгиба, а деформации сдвига.

Деформации перекрытий в своих плоскостях проявляются в крупнопанельных, крупноблочных и кирпичных зданиях,  несмотря на то, что в них нет далеко отстоящих одна от другой поперечных диафрагм, которые могли бы являться опорами для перекрытий. Испытания колебаний зданий с помощью вибрационной  машины систематически проводятся в ЦНИИЭПжилища под  руководством Г. А. Шапиро. Они показывают, что учет  пространственных форм колебаний, связанных с кручением и общим  изгибом перекрытий в своей плоскости, для сравнительно длинных зданий может оказаться существенным, независимо от  числа вертикальных диафрагм ч расстояния между ними.

Таким образом, поворот и деформативность перекрытий в своей  плоскости — важный, объективный и факт, установленный многочисленными экспериментами, который должен  учитываться при расчете зданий на сейсмические воздействия.

 

§ 2, Анализ последствий землетрясений и пространственная работа современных зданий

В ЦНИИСКе проведены обследования зданий разрушенных в Петропавловске-на-Камчатке во время  землетрясения 4 мая 1959 г. В большинстве их повреждения внутренних стен были не меньше повреждений наружных, а в ряде случаев и больше

Это объясняется тем, что перекрытия не являются абсолютно жесткими и сейсмическая нагрузка распределяется между стенами пропорционально не только их жесткостям, как это предполагалось ранее, но и прогибам перекрытии в своей плоскости.

Расчеты, выполненные авторами на основе динамических  расчетных схем в виде перекрестных систем, подтвердили  правильность выводов о необходимости учета деформативности перекрытий. График распределения  сейсмических на грузок между средней (сплошная линия) и двумя крайними (пунктирная) стенами 5-этажного здания в зависимости от его длины приведен на рис 6. На среднюю стену (относительно менее жесткую — толщина 38 см) приходятся большие сейсмические нагрузки, чем на две крайние, вместе взятые (толщина каждой 51 см).

По теории консольного стержня гибкие каркасные здания загружаются при землетрясении значительно меньшими сейсмическими нагрузками, чем жесткие здания с несущими стенами или каркасные — с диафрагмами жесткости. Этим  объясняется тенденция строить гибкие сооружения без жестких стен или диафрагм жесткости. В Японии сохранена прямо  противоположная направленность — строить здания жесткой  конструктивной схемы с антисейсмическими стенами, железобетонными диафрагмами, фермами жесткости и т. д. Большинство японских специалистов считают, что такой тип зданий является наиболее сейсмостойким.

Противоречия между двумя точками зрения очевидны. Оба направления не лучшие в сейсмостойком строительстве. Они являются следствием чрезмерного упрощения сложной проблемы обеспечения сейсмостойкости современных зданий и  представляют лишь два крайних случая. Эта комплексная проблема должна базироваться на динамических методах исследования, учитывающих спектральный состав сейсмических воздействии, из аи мо действие основания с грунтом и наиболее вероятную  игру сил в сооружении.

Необходимо пересмотреть правила проектирования  жестких, но  сейсмостойкий диафрагм и введение их в состав зданий, в том числе, каркасных. Число и жесткость диафрагм должны определяться на основе динамического расчета по пространственной расчетной схеме. Жесткость перекрытий к своей  плоскости является при этом далеко не последним фактором, влияющим на окончательные результаты.

Использование при проектировании пространственных  расчетных схем позволяет выявить сложную взаимосвязанную работу гибкого каркаса и жестких диафрагм и тем самым в какой-то мере примирить противоположные тенденции американской и японской практик: при достаточно больших расстояниях между диафрагмами «жесткое» (японское) здание становится, по-существу, «гибким» (американским).

Воздействие ветра на сооружение во многом похоже на воздействие землетрясения. Так, во Флориде в 1926 г. из-за сильного ветра пострадало каркасное здание. Рамы каркаса остались невредимыми, а каменное заполнение торцовых стен, ослабленное широкими оконными проемами, почти полностью разрушилось. При расчете на ветровые нагрузки в качестве  расчетной схемы проектировщики принимали, очевидно, раму,  оставляя диафрагму в запас прочности. Однако здание работало по другой расчетной схеме. Монолитные железобетонные  перекрытия являлись жесткими горизонтальными диафрагмами, которые распределяли ветровую нагрузку пропорционально  жесткостям вертикальных элементов. Так как горизонтальная жесткость каменного заполнения намного больше горизонтальной жесткости каркаса, то оно и оказалось загруженным ветровой нагрузкой, но, будучи не рассчитанным, на нее, разрушилось.

Несущая способность таких разнородных по жесткости  элементов, как каменное заполнение и железобетонные рамы, использовалась бы наилучшим образом, если бы правильно  учитывалась роль перекрытия — диафрагмы, распределяющей  ветровые нагрузки между вертикальными элементами. При  надлежащем выборе расстояний между жесткими вертикальными  элементами и учете деформативности перекрытий в своей плоскости работа отдельных элементов здании была бы более  равномерной.

Вопрос взаимодействия здания и грунта во время  землетрясения рассматривает Д. Хаузнер — основоположник  динамической теории сейсмостойкости в США. Он анализирует  акселерограммы, записанные внутри здания и на поверхности  грунта. По мнению Д. Хаузнера, значительное уменьшение  компонент колебаний в продольном направлении должно быть отнесено за счет влиянии протяженности и жесткости сооружения. Это указывает также на несостоятельность упрощенной расчетной схемы здания в виде консольного стержня: размеры здания и жесткости в двух направлениях, как характерные параметры пространственной расчетной схемы, должны входить в расчет.

Наиболее ценные сведения о поведении зданий при  землетрясениях содержатся в работе К. Штейнбругз и В. Буша [40], где описываются результаты 13 наиболее интересных с инженерной точки зрения землетрясений. В ней указывается, что здания с жесткими стенами, воспринимающими горизонтальные усилия, обладают меньшими периодами собственных колебаний, чем здания с упругими конструкциями, в связи, с чем последние подвергаются действию более значительных сейсмических  нагрузок.

Опыт строительства в Японии приводит также к выводам о хорошей сейсмостойкости зданий со степами,  воспринимающими горизонтальные нагрузки. Следует отметить противоречия между теорией консольного стержня, отвергающей сейсмостойкость жестких сооружений, и опытом землетрясений. Если же предположить, что для  данного типа зданий более правдоподобной схемой является  пространственная, в которой учтена деформативность перекрытий, то указанные противоречия исчезают или сокращаются.

В упругих конструкциях зданий горизонтальные сейсмические усилия воспринимаются железобетонными рамами, работающими на изгиб. Во время землетрясений 1957 и 1968 гг. в Мексике здания каркасного типа имели значительные повреждения, а несколько из них разрушилось.

Во время землетрясений 1952 г. в г. Бекерсфильде (США), был поврежден завод «Локхид». Два 1-этажных здания его  были выполнены полностью из сборных железобетонных  элементов, запроектированных как жесткие диафрагмы, наружные  стены должны были воспринимать горизонтальные усилия. Замена цементного раствора мастикой при заделке швов между  сборными железобетонными панелями покрытия привела к  неудовлетворительной работе его в качестве жесткой диафрагмы.

Внутренние колонны оказались поврежденными от изгибающих усилий, вызванных чрезмерными поперечными смещениями покрытия.

Примером удачно спроектированного длинного здания рамно-связевой системы с двумя вертикальными диафрагмами по  торцам может служить здание средней школы в г. Эр кип (США), не разрушившееся во время землетрясения 1952 г.

В нем удачно сочетались конструкции из разных материалов с различными деформативным и качествами — кирпичных стен, усиленных арматурой, железобетонных рам и длинных  железобетонных перекрытий. Не вызывает сомнений пространственный характер работы этого здания но время землетрясений.  Благодаря достаточной протяженности, оно оказалось в меру гибким, несмотря на наличие в его составе жестких торцовых диафрагм. В силу этого сейсмические нагрузки были умеренными, а  распределение, их между каркасом и стеками — рациональным. Стоимость восстановления всех поврежденных зданий,  подобных школе, не превышает 1%, в то время как расположенный неподалеку торговый район, застроенный зданиями другого  типа (жесткой и рамной конструктивными схемами), получил повреждения, затраты на ликвидацию которых составляют 100% стоимости зданий.

Однако слабым местом в пространственных каркасах  являются узлы сопряжений перекрытий с вертикальными  диафрагмами (наблюдались повреждения нескольких школьных зданий в этих местах). Поэтому чрезмерное увеличение длины  здания (или расстояния между жесткими вертикальными стенами) может оказаться опасным из-за больших деформаций  перекрытий и, следовательно, больших углов поворота в местах  сопряжения их с вертикальными диафрагмами.

Выполненные авторами числовые расчеты здания,  однотипного зданию средней школы в г. Эрвин, подтверждают выводы о его сейсмостойкости. Как видно из графика (рис, 7), при учете пространственной работы сейсмические нагрузки получаются в 2—3 раза меньше, чем при определении их по плоской расчетной схеме. С точки зрения величины действующей сейсмической нагрузки, длина здания 50—50 м является оптимальной.

Распределение сейсмической нагрузки между вертикальными диафрагмами и рамами каркаса видно из рис. 8. При длине  здания 50—60 м нагрузки на диафрагмы умеренны и находятся в соответствии с их несущей способностью. Наилучшим образом используется также несущая способность рам, па долю которых приходятся нагрузки большие, чем на диафрагмы. При большой длине здания диафрагмы становится практически жесткими опорами для сборных перекрытий, и может появиться опасность проявления асинхронности колебаний этих конструкций. Для монолитных перекрытий оптимальная длина здания, с точки зрения величины сейсмической нагрузки, находится в пределах 65—70 м.

В рассматриваемом выше типе сейсмостойкого здания в  качестве жестких вертикальных диафрагм использовались  кирпичные стены. Однако и стены из пустотелых бетонных блоков, и сборные железобетонные хорошо выполняют функции  антисейсмических диафрагм, ограничивающих в определенных  пределах деформативность каркаса. Они также хорошо зарекомендовали себя во время землетрясений.

Работа Д. Джонстона [39] посвящена обзору разрушительных землетрясений в г. Веллингтоне и развитию строительства многоэтажных зданий в Новой Зеландии.

В сейсмостойком строительстве многоэтажных зданий в  Новой Зеландии заметно стремление к использованию  железобетонного каркаса в сочетании с вертикальными диафрагмами жесткости, расположенными на достаточно большом  расстоянии. При проектировании таких зданий обеспечивается достаточная жесткость, уменьшаются междуэтажные отклонения  каркаса и, следовательно, повреждения окоп, перегородок и  отделки.

Характерно в этом отношении здание, построенное у г.  Окленд (длина — 93, ширина 17,5, высота — 34 ж). В качестве  вертикальных диафрагм жесткости, ограничивающих  междуэтажные отклонения железобетонного каркаса, применены торцовые стены здания в сочетании с двумя почти центрально  расположенными поперечными стенами. Опорные реакции стен были очень большими, и для их восприятия использована плита пола нижнего этажа, специально рассчитанная как высокая  горизонтальная балка, работающая в своей плоскости. Перекрытие второго этажа рассчитывалось в соответствии с необходимостью передачи большой перерезывающей силы от центра к концам. В расчет остальных перекрытий вводили соответствующие  поправки. При проектировании здания в какой-то мере учтена его  работа по пространственной расчетной схеме. Подобное здание  подвергалось разрушительному землетрясению в 1942 г., но  осталось невредимым; отмечены лишь незначительные трещины в горизонтальных стыках поперечных диафрагм нижнего этажа.

Анализ последствий землетрясений подтверждает  необходимость применения в расчетах на сейсмостойкость  пространственных расчетные схем. Рациональность их использования в динамических расчетах, в зависимости от категорий  сооружений и типов грунтов, не вызывает сомнений.

 

§3. Некоторые характерные особенности воздействий на сооружения Ташкентского землетрясения

Во время Ташкентского землетрясения обрушения наблюдались лишь в зданиях старой постройки. Однако  значительные повреждения имели кирпичные здания новой  постройки, часть из которых была рассчитана на сейсмические  нагрузки, соответствующие 8-балльному землетрясению. Ташкентское землетрясение имеет свои особенности, не  учитываемые, к сожалению, современными методами расчета, для совершенствования которых нужны представления не только о характере разрушения, но и о самих сейсмических воздействиях. Разрушение связей, обеспечивающих  сооружению пространственную жесткость и устойчивость (рис. 9). В зданиях с жесткой конструктивной  схемой, в том числе имеющих антисейсмические мероприятия, в первую очередь разрушались связи между продольными и  поперечными стенами, продольными стенами и перекрытиями. Для зданий старой постройки разрушение связей выло  причиной большого количества  обвалов и обрушений. Отделение продольных и  поперечных стен произошло вследствие вертикальных и  горизонтальных колебаний  зданий, которые были  совместными: при повороте поперечных стен па упругом основании  вертикальные перемещения  продольных стен неизбежны. 

Соединения продольных и  поперечных стен должны быть  достаточно прочными, чтобы обеспечить совместность колебаний частей зданий с  различными динамическими  характеристиками. На такие виды  колебаний современные здания не рассчитываются. Усилению эффекта колебаний  способствовало близкое  расположение к поверхности земли  грунтовых вод. Усилия в связях, соединяющих продольные и поперечные стены, продольные стены и перекрытия могут быть определены лишь из пространственной расчетной схемы. Вертикальные составляющие сейсмических  воздействий, учитываемые к расчете одновременно с  горизонтальными, существенно изменяют весь режим колебаний. Если связи обеспечивали пространственную работу здания, то в несущих стенах косые трещины.

Преимущественная повреждаемость  внутренних стен при лучшей сохранности наружных (рис. 10) подтверждает необходимость учета в расчетах  податливости перекрытий в своей плоскости. Было установлено, что повреждаемость внутренних стен находится в прямой  зависимости от степени податливости перекрытий: большие повреждения характерны для зданий с деревянными перекрытиями,  меньшие — с железобетонными. Большие повреждения были тогда, когда антисейсмический пояс захватывал лишь наружный контур здания. Наблюдались сдвиги к опорах перекрытий,  трещины между панелями, отделение продольных стен от перекрытий.

Повреждение верхних э т а ж е Я  многоэтажных зданий (рис. II), Анализ последствий других  землетрясений приводил к выводу о равновероятности разрушений  кирпичных зданий во всех этажах. Для Ташкентского  землетрясения характерны резонансные или близкие к ним колебания жестких зданий с периодами 0,3—0,4 сек и меньше {рис. 12). Это объясняет причину большей уязвимости жестких здании, чей маний сравнительно гибких, т. е. каркасных. На здания оказывали также влияние высокочастотные  продольные волны, которые распространялись по стенам снизу вверх, а затем отражались. В результате ил наложения могут возникать напряжения, особенно в верхних частях стен,  значительно превышающие предел прочности кладки. При  прохождении продольных волк в кирпичной стене напряжения растяжения  могут достигать порядка 3,4—6,7 кг/см2, что опасно для кирпичной кладки. Эффекты растягивающих  напряжений определяются величиной сейсмической жесткости здания р, С, (соответственно эффективные  плотность и скорость распространения упругой волны в здании), которая для зданий с несущими стенами  значительно больше, чем для  каркасных.

Повреждение преимущественно верхних этажей многоэтажных зданий свидетельствует о том, что  применяемые при расчете кирпичных зданий методы не дают  правильного распределения сейсмических нагрузок по высоте. Повреждение кирпичных заполнений в  каркасных зданиях (рис. 13), в том числе построенных в  последние годы, было столь значительны, что в ряде случаев здания вышли из эксплуатации на продолжительное время. Это оказалось неожиданным, так как подобные конструкции  относятся к разряду сейсмостойких.

При пространственной работе здания неравномерность  распределения усилий между несущими элементами связана не только с деформативностью перекрытий в своей плоскости, но и с их поворотами относительно вертикальной оси. Этим объясняются разрушения у торцов зданий. Несимметричные разрушения симметричных зданий объясняются асинхронностью колебаний различных точек грунта по длине здания. Вследствие неравномерности поля колебаний  грунта перекрытия поворачивались и деформировались в своей  плоскости. Во многих случаях наблюдались трещины между  панелями перекрытий.

...