Проверка устойчивости многоэтажного здания в сейсмоактивном регионе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проверка устойчивости многоэтажного здания в сейсмоактивном регионе

Колосов Евгений Сергеевич,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

старший преподаватель кафедры Строительная

механика и строительные коснструкции

г. Санкт-Петербург, Россия

Абдулаев Джамал Амирович,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

студент кафедры Гидравлика и прочность

г. Санкт-Петербург, Россия

Кафидов Геннадий Александрович,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Студент кафедры Строительная механика

и строительные конструкции,

г. Санкт-Петербург, Россия

Медведев Иван Евгеньевич,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

студент кафедры Строительство уникальных зданий и сооружений,

г. Санкт-Петербург, Россия

Скребцов Илья Дмитриевич,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

студент кафедры Строительство уникальных зданий и сооружений,

г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

В статье проведен расчет устойчивости многоэтажного здания, на основе анализа, проведенного в программном комплексе SCAD Office 11.5. Предложены мероприятия по повышению устойчивости сооружения, а также целесообразность использования активных методов сейсмозащиты.

Ключевые слова: сейсмическое воздействие, сейсмозащита, сейсмоизоляция, САПР.

Введение

многоэтажный здание сейсмозащита

Земная кора испытывает воздействие гравитационного поля планеты, центробежных сил ее вращения и теплового поля, идущего из глубинных слоев. В результате этих воздействий в недрах земли возникают толчки, которые приводят к землетрясениям

Землетрясение - одна из самых разрушительных сил природы. Сильные землетрясения с магнитудой от 5 до 8,5 приводят к большим разрушениям и человеческим жертвам. За всю историю человечества около 80 миллионов человек погибло от землетрясений и их прямых последствий: пожаров, цунами, обвалов и пр.

Территория Российской Федерации, по сравнению с другими странами мира, расположенными в сейсмоактивных регионах, в целом характеризуется умеренной сейсмичностью. Исключение составляют регионы Северного Кавказа, юга Сибири и Дальнего Востока, где интенсивность сейсмических сотрясений достигает 8-9 и 9-10 баллов по 12-балльной макросейсмической шкале MSK-64. Определенную угрозу представляют и 6-7-балльные зоны в густозаселенной европейской части страны.

Рис.1 Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации ОСР-97

Интенсивное строительство объектов в сейсмических районах Российской Федерации приводит к необходимости усовершенствования методики анализа зданий на сейсмические воздействия с целью обеспечения необходимой прочности и геометрической неизменяемости конструкций, гарантирующих надежность и безопасность сооружений.

Обзор литературы

Объективным критерием эффективности и обоснованности существующих принципов проектирования, расчетных и конструктивных мероприятий по повышению сейсмостойкости объектов строительства является анализ их работы на основе изучения последствий сильных землетрясений, позволяющих выделить характерные типы повреждений и разрушений конструктивных элементов, их соединений. По результатам этого анализа разработан ряд современных методов сейсмозащиты зданий и сооружений [11,5]. Дальнейшее развитие этих методов обусловило интерес к специальным конструкциям подземной части зданий, способным уменьшить инерционные силы в их надземных частях -- так называемым системам с гибкой нижней частью несущей конструкции здания. Идея сейсмоизоляции зданий с помощью устройства в зданиях первого (или подвального) гибкого этажа получила довольно широкое распространение, в том числе и в нашей стране, так как для своего воплощения не требовала специальных мероприятий, выходящих за границы традиционных способов строительства зданий. Развитию этой идеи посвящены работы [1-4,6-8].

Появление современных автоматизированных систем проектирования и расчета упростило задачу по моделированию и анализу сейсмических воздействий на пространственные модели зданий и сооружений [12]. Применение САПР позволяет рассмотреть и изучить поведение конструкций в экстраординарных условиях и расширить представления о возможностях использования методов сейсмозащиты.

В настоящее время строительство объектов в сейсмических районах Российской Федерации следует производить в соответствии с СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах», что позволит существенно повысить надежность и сейсмостойкость возводимых сооружений [10-9].

1. Особенности расчета зданий на сейсмическое воздействие

Основные факторы

При определении расчетных сейсмических нагрузок на здания и сооружения следует принимать расчетные динамические модели конструкций (РДМ), согласованные с расчетными статическими моделями конструкций и учитывающие особенности распределения нагрузок, масс и жесткостей зданий и сооружений в плане и по высоте, а также пространственный характер деформирования конструкций при сейсмических воздействиях. Массы (вес) нагрузок и элементов конструкций в РДМ допускается принимать сосредоточенными в узлах расчетных схем. При вычислении массы необходимо учитывать только нагрузки, создающие инерционные силы.

Основными факторами, влияющими на прочность здания при сейсмическом воздействии, являются:

1. Габариты здания, геометрическая форма. Здания сложной формы в плане и с перепадами по высоте наиболее сильно поддаются воздействию сейсмической волны вследствие концентрации усилий.

2. Число форм собственных колебаний здания. Конструкции каркаса меняют свою форму при воздействии сейсмической волны по разным схемам. Минимальное число форм собственных колебаний равно 3 [29]. Благодаря современным расчетным программам можно учитывать сотни форм собственных колебаний.

3. Конструктивная схема здания.

4. Магнитуда землетрясения.

5. Статические нагрузки на здание.

Интенсивное строительство объектов в сейсмических районах Российской Федерации приводит к необходимости усовершенствования методики анализа зданий на сейсмические воздействия с целью обеспечения необходимой прочности и геометрической неизменяемости конструкций, гарантирующих надежность и безопасность сооружений. Потребностью в таких методиках и их совершенствованию посвящено значительное число работ.

Исходные данные

Для зданий с пространственным жестким каркасом принимаем расчетные сейсмические нагрузки, действующие горизонтально в направлении их продольных и поперечных осей. Действие сейсмических нагрузок в указанных направлениях можно учитывать раздельно.

Рис.2 Расчетная схема здания

2.Определение сейсмичности конкретной площадки строительства

Так как проектируемое сооружение располагается в пределах зоны г.Санкт-Петербург, характеризующейся сейсмической интенсивностью менее 6 баллов примем площадку строительства сейсмичностью более 7 баллов. Для расчета на сейсмические воздействия примем площадку строительства в г. Каспийск респ. Дагестан, сейсмичность района которой представлена в табл. 1 по СП 14.13330.2011

Таблица 1. Сейсмичность площадки строительства

Грунты характерные данной территории строительства имеют категорию грунтов по сейсмическим свойствам представленную в табл. 2 по СП 14.13330.2011.

Таблица 2. Категория грунтов по сейсмическим свойствам

3.Нагрузки и воздействия

Расчет конструкций и оснований зданий и сооружений, проектируемых для строительства в сейсмических районах, должен выполняться на основные и особые сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействий, соответствующих картам ОСР-97 (А, В и С). Температурные климатические воздействия, ветровые нагрузки, динамические воздействия от оборудования при этом не учитывались.

Нагрузки и воздействия на здание определены согласно СП 20 13330 2011 «СНиП 2.01.07 -- 85 «Нагрузки и воздействия Общие положения» и значения этих нагрузок представлены в приложении Р.

Наименования загружений представлены в табл. 3

Таблица 3. Нагрузки и воздействия

При создании комбинации загружений значения расчетных нагрузок были умножены на коэффициенты сочетаний представленные в табл. 4 по СП 14.13330.2011.

Таблица 4. Виды нагрузок и коэффициенты сочетаний

Анализ расчета на сейсмические воздействия в ПК Scad будет производен по комбинациям загружений представленным в таблице 5.

Таблица 5. Комбинации загружений

Авторами рассмотрена работа конструкции при различных вариантах сейсмических загружений. Проанализирована работа 6 числа форм собственных колебаний направлений сейсмического воздействия. Расчет был проведен в ПК SCAD Office 11.5, используя метод Ланцоша.

4.Результаты и анализ расчета

Перемещения

Максимальная осадка здания:

1. Для комбинации №1 составляет -6,01 мм. Положительное перемещение по оси Z составляет 23,51 мм;

2. Для комбинации №2 составляет -5,58 мм. Положительное перемещение по оси Z составляет 19,61 мм;

Деформация фундаментной плиты при комбинациях № 1 и 2 имеет вид вогнутости с поднятием краев в среднем на 10,86 мм;

Максимальная осадка здания составляет 6,01 мм при комбинации нагрузок № 1, что меньше предельно допустимой величины для зданий этого типа (150 мм), согласно СП 22.13330.2011. Осадка фундаментной плиты здания, полученная в программе SCAD, приведена на рис.3.

Рис.3 Осадка здания

3. Максимальные прогибы для комбинации №1 междуэтажных плит перекрытий и покрытия составляют 68 мм в осях 3,4 -- Е, что превышает допустимые значения (для пролёта l=6900 мм: l/250 = 34,5 мм) представлены на рис.4;

Рис.4 Прогибы плиты перекрытий

4. Перемещение верха здания по оси Х (комбинация №1) при совместном воздействии вертикальных и горизонтальных нагрузок составляет f = 643,53 мм (l/500 = 74400/500= 148,80 мм). Полученное значение горизонтального перемещения значительно превышает допустимое значение 148,80 мм;

5. Перемещение верха здания (рис. 5) по оси Y (комбинация №2) при совместном воздействии вертикальных и горизонтальных составляет f = 650,91 мм (l/500 = 74400/500= 148,80 мм). Полученное значение горизонтального перемещения значительно превышает допустимое значение 148,80 мм;

Рис.5 Перемещение здания по оси Y

5.Анализ армирования и проверка сечений ж/б элементов

Плита перекрытия на отм. 0.000

· Нижняя зона

Основная рабочая арматура в направлении Х и У -- d18, шаг 100. Дополнительная арматура в пролете в направлении Х - d22, в направлении Y - d14, шаг 100. Класс основной и дополнительной продольной арматуры А500, поперечной А240.

· Верхняя зона

Основная рабочая арматура в направлении Х -- d22 и У -- d20, шаг 100. Дополнительная арматура над опорами в направлении Х - d25 и У - d18 шаг 200. Класс основной и дополнительной продольной арматуры А500, поперечной А240.

Стены

Стены лестничной клетки, составляющие ядро жесткости (рис.6) на первых шести этажах проверку прочности не выполнили.

Необходимо увеличивать поперечное сечение стен.

Колонны

Большая часть колонн здания (рис.7) проверку прочности не выполнили.

Необходимо увеличивать поперечное сечение колонн.

Рис.6 Стены

Рис.7 Колонны

Балки

Опорные части балок здания (рис.8) проверку прочности не выполнили.

Необходимо увеличивать поперечное сечение балок.

Рис.8 Балки

Результаты расчета сооружения в ПК SCAD c учетом сейсмических воздействий и без их учета представлены в таблице 6.

Таблица 6. Результаты расчета

Выводы

В наше время невозможно увеличить сейсмостойкость, только повысив сечений, увеличив прочность, вес. Сооружение может быть прочным, но не факт, что данное решение будет экономически выгодным, потому что и масса, и инерционная сейсмическая нагрузка могут увеличиться еще больше. Требуются современные методы сейсмозащиты (активные), например, применение сейсмоизоляции. Новые методы учитывают изменение веса или жесткости, или демпфирования системы в зависимости от ее перемещений и скоростей. В настоящее время известно более 100 запатентованных конструкций сейсмозащиты. Преимуществом активных методов перед традиционными является то, что они существенно снижают сейсмические нагрузки на здания и сооружения.

Наиболее типичным приемом устройства сейсмоизоляции при наличии возвращающей силы являются здания с гибким нижним этажом. Гибкий этаж может быть выполнен в виде каркасных стоек, упругих опор, свай и т. п. Один из возможных вариантов конструктивного исполнения гибкого этажа представлен на рис. 9. Конструкция состоит из гибких опор, выполненных из пакета упругих стержней небольшого диаметра, размещенных между надземной и подземной частями здания.

Рис. 9 Здание с гибким нижним этажом.

Для увеличения жесткости здания с целью уменьшения величин перемещений по оси X и Y необходимо выполнить усиления существующего каркаса согласно специально разработанному проекту системы сейсмоизоляции с учетом настоящих результатов расчета и сейсмического воздействия.

Это послужило причиной широкого распространения кинематических опор при сооружении сейсмоизолирующих фундаментов. Здания на гравитационных кинематических опорах были построены в Севастополе, Навои, Алма-Ате, Петропавловске-Камчатском. Пример конструкции сейсмоизоляции гравитационного типа представлен на рис. 10. Подвижные опорные части в виде эллипсоидов вращения размещены между надземной частью здания и фундаментом. Принцип действия работы такой конструкции состоит в том, что во время землетрясения центр тяжести опор поднимается, в результате чего образуется гравитационная восстанавливающая сила. При этом колебания здания происходят около положения равновесия, и их начальная частота и период зависят от геометрических размеров используемых опор.

Рис.10 -- Сейсмоизоляционное устройство гравитационного типа.

Список литературы

многоэтажный здание сейсмозащита

1. Рахмануддин О. Стальные конструкции малоэтажных промзданий в условиях высокой сейсмики.

2. Уздин А.М. и др. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб, 1993. 176 с.

3. Айзенберг Я.М. Сейсмоизоляция высоких зданий // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №4, 2007. С. 41-43.

4. А.М. Курзанова и Ю.Д. Черепинского // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №1, 2008.С. 42-44.

5. Медведев С.В., Карапетян Б.К., Быховский В.А. Сейсмические воздействия на здания и сооружения. Руководство по проектированию сейсмостойких зданий и сооружений, Т.1.

6. Расулов Х.З. Сейсмостойкость грунтовых оснований. --Ташкент: Изд-во Узбекистан.

7. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. Справочник. М.,1981.

8. Рутюнян А.Р. Современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений.

9. СНиП 11-7-81 Строительство в сейсмических районах.

10. СП 14.13330.2011

11. Современные методы сейсмозащиты зданий», М.: Стройиздат, 1989

12. В. С. Карпиловский SCAD OFFICE. Вычислительный комплекс SCAD

Размещено на Allbest.ru