Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВАІ. Опыт строительствам эксплуатации многоэтажных кирпичных зданий в 7-9 балльных сейсмических районах. постановка задачи исследования
1.1. Механизм сейсмических разрушений 18
1.1.1 .Опыт сильных землетрясений. 18
1.1.2.Сейсмический резонанс 27
1.1.3. Концепция сейсмического среза 33
1.1.4. Медленные волны в сооружениях 34
1.1.5. Концепция бегущих волн 38
1.1.6. Скорость бегущих волн 41
1.2. Способы сейсмозащиты кирпичной кладки и кирпичных зданий в целом 44
1.2.1. Исследования сцепления в кладке 44
1.2.2. Исследования конструктивного усиления кладки 48
1.2.3. Нормативные требования 59
1.2.4. Системы " активной " сейсмозащиты 62
1.3. Постановка задачи исследования 101
ГЛАВА 2. Сравнительный научно-технический анализ эффективности современных средств сейсмо защиты многоэтажных зданий 107
2.1 .Классификация систем сейсмоизоляции 107
2.2. Адаптивные системы сейсмозащиты 112
2.3 .Сейсмоизолирующий скользящий пояс 117
2.4. Динамический гаситель колебаний 123
2.5. Кинематические опоры 124
2.6. Сейсмоизолирующая опора 133
ГЛАВА 3. Деформационные признаки предельных состояний кирпичных стен 145
3.1.Относительное растяжение при образовании трещин. 145
3.2. Относительные перекосы этажей и простенков 151
Выводы 168
ГЛАВА 4. Расчетные модели и принципы расчета конструктивных элементов сейсмоизолированного многэтажного кирпичного здания 169
4.1. Общие расчетные положения 169
4.2. Учет сил гистрезисного затухания (позиционного трения) 182
4.3. Расчет многоэтажного кирпичного здания на сейсмическую нагрузку в нелинейно-упругой стадии работы кладки 183
4.4. Расчетная модель работы стен и простенков на сдвиг горизонтальными силами 188
4.5. Расчетная модель участка кирпичной стены, расположенного между оконными проемами смежных этажей 192
4.6 Расчетные модели типового этажа 195
ГЛАВА 5. Расчетная и математическая модели сейсмо изолированного многоэтажного кирпичного здания 203
5.1. Модели здания 203
5.2. Модели сейсмического воздействия 222
5.3. Достоверность инструментальных данных 225
ГЛАВА 6. Научно-технические рекомендации по проектированию, строительству и мониторингу сейсмоизолированных многоэтажных кирпичных зданий в 7-9- балльных сейсмических районах 230
6.1. Общая часть 230
6.2. Сейсмоизолирующая опора 231
6.3. Технические решения конструкций нулевого цикла. 238
6.4. Антисейсмические мероприятия в конструкциях надземной части здания (выше нулевой отметки ) 240
6.5. Компенсаторы сейсмических деформаций инженерных коммуникаци й 241
6.6. Правила технического мониторинга здания здания на сейсмоизолирующих опорах 244
6.7 Методика натурного экспериментального исследования-идентификации величины коэффициента поглощения энергии в свободных затухающих колебаниях кирпичной кладки...245
6.8. Приложения 251
Заключение. Обшие выводы по работе 256
Литература
- Концепция сейсмического среза
- Адаптивные системы сейсмозащиты
- Относительные перекосы этажей и простенков
- Расчет многоэтажного кирпичного здания на сейсмическую нагрузку в нелинейно-упругой стадии работы кладки
Введение к работе
На земном шаре ежегодно происходит свыше 300 тыс. землетрясений различной интенсивности [108, ПО]. Следствием землетрясений, особенно сильных, являются большие повреждения или обрушения непрочных (не сейсмостойких) зданий и человеческие жертвы. Имеется немало примеров землетрясений, в результате которых разрушались целые города и населенные пункты. Сильные землетрясения за последние годы произошли в Чили, I960; Скопле, 1963; Ниигате, 1964; Каракасе, 1967; Перу, 1970; Сан-Фернандо, 1971; Никарагуа, 1972; Гватемале, 1976; Румынии, 1977; Турции, 1999 и 2002; Иране, 2003, к сожалению, примеры таких землетрясений могут быть приведены и для стран бывшего Союза ССР. Значительный ущерб нанесли Крымское, 1927; Кишиневское, 1940; Ашхабадское, 1948; Ташкентское, 1966; Джамбульское, 1971; Газлийское, 1976 и 1984 г.г.; Назарбекское, 1980; Армянское, 1988; Нефтегорское, 1995г. и другие землетрясения.
Для мира в целом ущерб от землетрясений превышает ущерб от всех остальных природных катастроф вместе взятых. По оценкам экспертов ООН ежегодный ущерб от землетрясений - несколько десятков миллиардов долларов и во многих развивающихся странах поглощает значительную часть бюджета. Одно катастрофическое землетрясение может унести до миллиона жизней и причинить ущерб до 100 млрд. долларов. Например, Таншаньское землетрясение (Китай, 1976г.) унесло жизни более 600 тысяч человек, причинило астрономический экономический ущерб.
По оценкам страховой компании (Munich Re/Smolka, 1995) количество катастрофических землетрясений во всем мире в период 1980-1990 г.г. увеличилось по сравнению с 1960-ми годами в 3 раза, а объем потерь возрос в 6 раз. Увеличение потерь следовало за быстрым ростом населения, промышленности, инфраструктуры в сейсмоопасных районах.
Нефтегорское землетрясение 25.05.95г. нанесло ущерб в 230 млрд. руб. (в ценах на 01.06.95г.). Усиление зданий без выселения жильцов обошлось бы 100 млрд. руб., а повышение сейсмостойкости в процессе строительства зданий составило бы 4-5% от стоимости строительства несейсмических зданий. .
Во время землетрясения в Турции 17.08.99г. погибло 17127 чел., обратилось за помощью 43953 чел., госпитализировано 24000 раненых, без крова осталось 600 тысяч чел. Около 120000 жилых зданий получили повреждения разной степени и не подлежат ремонту. 50000 жилых домов получили повреждения 4- и 5-й степени (разрушения, обвалы). Порядка 2000 зданий полностью обрушились - здания сложились в виде слоеных пирогов. Общие экономические потери 16 млрд. долларов, в том числе: здания - 5 млрд; промышленные сооружения - 2 млрд; железные дороги - 1 млрд; порты - 0,2 млрд долларов.
Величина природной сейсмической опасности в значительной степени зависит от особенностей сейсмического процесса в конкретном сейсмическом районе. Наиболее опасные сейсмические районы бывшего СССР -Средняя Азия (Ашхабад, Газли, Ташкент), Кавказ (Спитак), Дальний Восток (Камчатка, Курилы, Сахалин). Для сильнейших землетрясений Средней Азии и Кавказа размеры областей с интенсивностью сотрясений 7, 8, 9, 10 баллов (плейстосейстовые области) составляют соответственно 100, 60, 20, 10 км, для землетрясений Камчатки размеры этих областей в 6-10 раз больше.
В изданной Министерством строительства Российской Федерации книге «Сейсмическая опасность и сейсмостойкое строительство в Российской Федерации» (Москва, 1996) написано, что «При отсутствии антисейсмических мероприятий в сложившейся застройке и недостаточном контроле за качеством строительства многих гражданских и промышленных зданий, 6-7 балльное землетрясение в России может стать катастрофическим для таких крупных городов, как Сочи, Петропавловск-Камчатский, Новокузнецк и др. Опыт землетрясения в Кобэ (Япония) показывает, что даже при достаточно высоком уровне антисейсмического строительства не прогнозируемое землетрясение вызывает огромные разрушения и жертвы».[47 ].
Специальная литература все чаще напоминает, что постоянно растущую опасность представляют землетрясения, инициируемые техногенными воздействиями на земную кору: созданием водохранилищ, добычей нефти, газа и твердых полезных ископаемых, закачкой жидких промышленных отходов. Методы оценки техногенной сейсмической опасности практически не разработаны, а потери даже от небольших техногенных землетрясений все более заметны (г.г. Соликамск, Прокопьевск, Уренгой, Ямбург).
С 1997г. на территории Российской Федерации действует новая карта (комплект карт Л, В, С) общего сейсмического районирования - ОСР-97. В соответствии с ОСР-97 в одном и том же сейсмическом районе величина расчетной сейсмической опасности для конкретного сооружения зависит от категории его ответственности. Чем выше категория ответственности, тем больше балльность расчетной сейсмической опасности и тем меньше вероятность ее не превышения в течение ближайших 50 лет. Многоэтажные кирпичные жилые здания относятся к наименее ответственной и наиболее массовой категории (категория А - основное строительство). Для сооружений этой категории существует наибольшая вероятность того, что они подвергнутся землетрясению, сила которого больше силы расчетного землетрясения.
За период 1947-70г.г. во время землетрясений погибло более 190 тыс. человек. В [НО] приведены данные о последствиях землетрясений в США, где за период 1905-1965г.г. погибло около 1,4 млн. человек. А материальные убытки исчисляются 1200 млн. долларов. Только от землетрясения 1971г. в Сан-Фернандо убытки составили 500 млн. долларов.
Рост населения, быстрое развитие промышленности требуют освоения все новых территорий, в т.ч. в сейсмически активных районах, поэтому вопрос надежности и экономичности антисейсмического строительства приобретает все большее народнохозяйственное значение. Вывод о необходи мости инвестирования работ по уменьшению потерь от землетрясений до того, как произойдет само событие, а не расходовать во много раз больше в период реагирования и восстановления после землетрясения, является однозначным для всех сейсмоопасных районов мира.
Анализ распределения территории и населения б.СССР по районам с различной сейсмичностью показал, что общая площадь сейсмических районов б.Союза составляет около 22% всей его территории. В этих районах расположены девять столиц республик, сотни городов и тысячи сельских населенных пунктов, ведется около 30% жилищного строительства, проживает более 25% населения. Освоение богатых природных ресурсов сейсмических районов требует больших вложений в капитальное строительство, в том числе в выполнение специальных антисейсмических мероприятий, стоимость которых для 7-9 балльных районов составляет 4-15% от стоимости строительства.
Возрастающие объемы капитального строительства, увеличение численности и улучшение условий проживания населения, массовое жилищное строительство в крупных городах с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями с крайне ограниченными возможностями расширения территории предъявляют высокие требования к надежности и экономичности многоэтажных зданий и сооружений, строящихся в районах высокой сейсмичности. Поэтому, перед теорией и практикой сейсмостойкости сооружений на современном этапе ставятся новые более сложные задачи, связанные с необходимостью учета запасов прочности конструкций в предельной стадии работы при интенсивных сейсмических нагрузках, переходом к не линейным пространственным расчетным моделям, более полно отражающим реальные свойства зданий и сооружений, использованием эффективных способов сейсмозащиты зданий, снижающих сейсмические нагрузки, повышение количества и качества новых сейсмологических данных, характери
зующих долговременную сейсмическую опасность территории, подверженной сейсмическим воздействиям.
Наиболее важным направлением современной науки о сейсмостойком строительстве становится разраоотка способов сеисмозащиты и расчетной оценки их эффективности на основе нелинейных упруго-пластических расчетных моделей систем «сооружение - инерционное основание» с учетом характера сейсмического воздействия в форме инструментальных записей землетрясений.
В соответствии с п. 2.26 СНиП П-7-81 «Строительство в сейсмических районах» проектирование особо ответственных сооружений и высоких (более 16 этажей) зданий следует выполнять на основе расчета с использованием акселерограммы сейсмических воздействий с учетом возможности развития неупругих деформаций конструкций и основания. Это правило в полной мере относится и к зданиям, оснащенным системами сеисмозащиты.
Оценка эффективности различных способов сеисмозащиты зданий путем расчета на инструментальные записи землетрясений (не обязательно только акселерограмм) представляет собой не только наиболее объективный, но в то же время и наиболее экономичный метод оценки. Важнейшее значение для правильной оценки эффективности различных способов сеисмозащиты имеет разработка расчетных моделей, учитывающих наиболее существенные свойства реальных физических моделей, прежде всего, нелинейных реакций узлов, конструкций и основания на пути их перехода в предельные состояния второй и первой группы с учетом накопления повреждений и остаточных деформаций. Пункт 2.17 СНиП II-7-81 указывает, что «Расчет зданий и сооружений с учетом сейсмического воздействия, как правило, производится по предельным состояниям первой группы. В случаях, обоснованных технологическими требованиями, допускается производить расчет по второй группе предельных состояний». Однако основной нормативный метод расчета зданий и сооружений на сейсмическую нагрузку - линейный спектральный метод, приведенный в п. 2.26 СНиП II-7-81 , - это правило полностью игнорирует.
Для обоснования расчетных параметров по группам предельных состояний первостепенное значение наряду с обследованием последствий сильных землетрясений приобретают натурные испытания зданий и их фрагментов в нелинейной упруго-пластической стадии работы. Анализ и сопоставление результатов разных экспериментальных исследований остро ставит задачу совершенствования и унификации методики исследований.
Опыт сейсмостойкого строительства и результаты обследования последствий сильных землетрясений подтверждают в целом недостаточно удовлетворительную сейсмостойкость зданий и сооружений, возведенных в соответствии с действующими нормами и правилами строительства в сейсмических районах. Основные причины тому следующие:
- все еще примитивный к тому же концептуально неверный метод расчета на сейсмическую нагрузку сооружений массового строительства, в результате чего сейсмостойкость в основном поддерживается только нерасчетными конструктивными мерами;
- низкое качество антисейсмического строительства;
- низкая достоверность прогноза силы расчетного землетрясения и отсутствие запаса сейсмостойкости по первой группе предельных состояний в случае землетрясения силой на балл больше расчетного.
В теорию и практику сейсмостойкого строительства значительный вклад внесли труды: Абдурашидова К.С, Айзенберга Я.М., Болотина В.В., Бондаренко В.М.,Быховского В.А., Голденблата И.И., Джинчвелашвили Г.А., Егупова В.К., Жунусова Т.Ж., Завриева К.С., Ивовича В.А., Карапетяна Б.К., Карцивадзе Г.Н., Кожаринова СВ., Коренева Б.Г., Корчинского И.Л., Кульмача П.П., Курзанова A.M., Ляхтера В.М., Мартемьянова А.И., Назарова А.Г., Назарова Ю.П., Напетваридзе Ш.Г., Негматуллаева С.Х., Немчинова Ю.И., Николаенко Н.А., Полякова СВ., Пуховского А.Б., Рассказовского
B.T., Рашидова Т.Р., Ржевского В.А., Савинова О.А., Саргсяна Л.Е., Синицы-на А.Г., Складнева Н.Н., Ульянова СВ., Урозбаева М.Г., Хачияна Э.Е., Цейтлина А.И., Цшохера В.О., Шапиро Г.А. и других ученых и специалистов в области исследования, проектирования и строительства сооружений в сейсмических районах б.СССР и стран СНГ.
На развитие теории сейсмической опасности значительное влияние оказали Буне В.И, Горшков Т.П., Губин И.Е., Кейлис-Борок В.И., Саварен-ский Е.Ф., Садовский М.А., Соловьев СП., Солоненко В.П., Шебалин Н.В. и другие.
В науку о сейсмостойком строительстве значителен вклад зарубежных ученых и специалистов: Бермана А., Био М., Блюма Дж., Борджерса Дж., Ве-летсоса А., Гроппа Д.,Ибанеца П. и возглавляемой им группы специалистов фирмы «АНКО Энджиниэрз», Канаи К., Клафа Р., Муте К., Ньюрмарка Н., Пензиена Дж., Розенблюэта Э., Стентона О.Ф., Хаузнера Дж., Эйкоффа П. и др.
Теоретические и экспериментальные исследования упруго-пластической реакции конструкций зданий и сооружений с учетом накопления повреждений при воздействии нагрузок типа сейсмических занимают значительное место в работах Абдурашидова К.С., Айзенберга Я.М., Ашимбаева М.У., Ашкинадзе Г.Н., Болтухова А.А.. Бондаренко В.М., Бородина Л.А., Голденолата И.И., Гудкова Б.П., Дорбиняна С.С, Жарова A.M., Жунусова Т.Ж., Ицкова И.Е., Кирикова Б.А., Килимника Л.Ш., Корчинского Л.Н., Кур-занова A.M., Марджанишвили М.А., Немчинова Ю.И., Полякова СВ., Попова Н.Н., Пуховского А.Б., Ракова Б.В., Расторгуева Б.С, Ржевского В.А., Саа-кяна А.О.., Саргсяна А.Е., Складнева Н.Н.,Тищенко В.Н., Тяна А.С.Узлова С.Т, Хачияна Э.Е., Ципенюка И.Ф., Чануквадзе Г.Ш., Чачавы Т.Н., Шапиро Г.А., Яременко В.Г. и др.
Разработка новых способов сейсмозащиты зданий, теоретические и натурные экспериментальные исследования расчетных моделей и сейсмо
стойкости зданий со специальными системами сейсмозащиты являются темой работ Абдурашидова К.С.,Лйзенберга Я.М.,Алейникова И.А. Ашимбаева М.У., Ашкинадзе Г.Н., Ахмедова A.M., Боброва Ф.В., Васюнкина А.Н., Ва-сильчикова В.В., Гудкова Б.П., Дарчиашвили В.Ж., Денисова Б.Е., Жунусова Т.Ж., Зеленского Г.А., Зеленькова Ф.Д., Иванова СВ., Катен-Ярцева А.С., Килимника Л.Ш., Короткова В.М., Курзанова A.M., Мовсесяна Л.А., Назина В.В., Ржевского В.А., Рзаева Р.А., Саакяна А.О.., Симона Ю.А., Тодуа В.М., Хачияна Э.Е., Чануквадзе Г.Ш., Черепинского Ю.Д., Шапиро Г.А., Шевля-нова Ю.А., Шепелева В.Ф., Шульгина Ю.М. и других.
Повышению сейсмостойкости кирпичной кладки посвящены исследования Алексеенкова Д.А., ДеминаЭ.В., Кожаринова СВ., Малярик М.Г., Махатадзе Л.Н., Малышева Е.Г., Мели Р., Мелик-Ергина Л.Г., Полякова СВ., Пумпяна B.C., Сафаргалиева СМ., Фахриддинова У.,Чигрина СИ., Эстева Л. и других.
Натурные экспериментальные исследования динамической реакции кирпичных зданий и их фрагментов, в том числе с помощью мощных вибромашин, проводили Ашкинадзе Г.Н., Захаров В.Ф., Курзанов A.M., Симон Ю.А., Шапиро Г.А.
В последние десятилетия в современном сейсмостойком строительстве все более широкое применение получает повышение сейсмостойкости зданий, так называемыми «активным» способом сейсмозащиты, уходящими своими корнями в сейсмостойкое строительство древних сооружений. В отличие от «пассивного» способа, состоящего в усилении конструкции здания, «активный» способ сейсмозащиты направлен на снижение сейсмических нагрузок на сооружения путем использования специальных конструктивных устройств, например, выключающихся связей, скользящих поясов, кинематических фундаментов, гасители колебаний и др.
В последние десятилетия специалистами в области сейсмостойкого строительства ведется работа по созданию и применению новых способов сейсмоизоляции зданий и сооружений - сейсмоизолирующих опор (СО).
Примером тому могут служить натурные испытания на нагрузки типа сейсмических 5-этажного сейсмоизолированного кирпичного здания и его 3-х этажного фрагмента проведенные д.т.н. Курзановым A.M. и инж. Ахме-довым A.M. Результаты натурных испытаний показали, что применение сейсмоизолирующих опор позволяет снизить сейсмические нагрузки на надземную часть здания на 1-2 балла, что в свою очередь приводит к значительному снижению себестоимости зданий и повышению их надежности.
Кирпичные конструкции - один из традиционных материалов, широко применяемых в строительстве зданий различного назначения, что обусловлено повсеместным распространением сырья для их изготовления и рядом качеств, особенно ценных для стен зданий и сооружений. [109]. К их числу можно отнести долговечность, хорошую сопротивляемость атмосферным воздействиям, высокую механическую прочность. Одним из существенных преимуществ зданий из кирпича по сравнению со зданиями из других материалов (крупнопанельными зданиями) является лучший микроклимат в квартирах из-за высоких теплотехнических качеств и хорошей звукоизоляции кирпичных стен.[7].
Кирпичные здания, широко распространенные в сейсмических районах, относится к наименее сейсмостойкому конструктивному типу зданий, т.к. по ряду причин подвергаются наибольшей степени повреждений среди других конструктивных типов зданий.
СНиП П-7-81 (6) ограничивают этажность кирпичных зданий из кладки 2-категории 5-ю этажами в 7-балльной сейсмической зоне, 4-мя в 8-балльной и 3-мя в 9-балльной.
Ограничение этажности кирпичных зданий делает невыгодным их строительство в районах престижной застройки из-за дороговизны участков, относительно высокой стоимости инженерных сетей и олагоустройств. При малой этажности себестоимость 1м" жилья становится неконкурентоспособной.
На сегодняшний день одним из реальных путей повышения этажности сейсмостойких кирпичных зданий является их сейсмоизоляция.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является комплексное решение научно-технической проблемы строительства сейсмостойких многоэтажных кирпичных зданий в районах высокой сейсмической опасности.
С этой целью; - проведен сравнительный научно-технический анализ современных представлений о механизме сейсмических разрушений сооружений и способов сейсмозащиты, получивших практическое применение в сейсмостойком строительстве многоэтажных кирпичных и других зданий;
- обоснованы деформационные признаки предельных состояний кирпичной кладки;
- разработаны расчетные модели и принципы расчета конструктивных элементов сейсмоизолированного многоэтажного кирпичного здания
- предложены расчетные и математическая модели сейсмоизолированного кирпичного здания на нелинейных сейсмоизолирующих опорах;
-предложена методика анализа нелинейной реакции сейсмоизолированного многоэтажного кирпичного здания на сейсмические воздействия, представленные выборкой инструментальных записей землетрясений;
- разработаны рекомендации по проектированию, строительству и мо ниторингу многоэтажных кирпичных зданий в 7-9-балльных сейсмических районах;
- предложена методика натурного экспериментального исследования- идентификации величины коэффициента поглощения энергии линейно упру гих колебаний кирпичной кладки;
- оказана техническая помощь проектным и строительным организациям в проектировании, строительстве и натурных испытаний сейсмоизолированных многоэтажных кирпичных зданий и их фрагментов.
Научная новизна.
Решена научно-техническая проблема сейсмозащиты многоэтажных (не более 12 этажей) кирпичных зданий со стенами из кладки 2-ой категории (п.8. табл.8, СНиП II-7-81 ) в районах высокой сейсмичности (не более 9 баллов).
Автор защищает.
- деформационные признаки предельных состояний, возникающие в кирпичной кладке под сейсмической нагрузкой высокой интенсивности;
- расчетные модели и принципы расчета конструктивных элементов сейсмоизолированного многоэтажного кирпичного здания.
- расчетную и математическую модели сейсмоизолированного многоэтажного кирпичного здания на нелинейных сейсмоизолирующих опорах;
- методику анализа нелинейной реакции сейсмоизолированного многоэтажного кирпичного здания на сейсмические воздействия, представленные выборкой инструментальных записей землетрясений;
-рекомендации по проектированию, строительству и мониторингу многоэтажных зданий в 7-9- балльных сейсмических районах;
- методику натурного экспериментального исследования- идентификации величины коэффициента поглощения энергии линейно упругих колебаний кирпичной кладки.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.
Применение разработанных рекомендаций по проектированию и мониторингу многоэтажных кирпичных зданий в районах высокой сейсмичности позволяет существенно увеличить надежность и объемы сейсмостойкого строительства зданий повышенной комфортности из недорогих экологически чистых местных материалов. Повышение этажности позволяет более эффективно использовать дорогие земельные участки в престижных районах: увеличить количество жилой площади на 1м" площади застройки, снизить расходы на инженерные сети и благоустройства.
Разработанная методика расчета многоэтажного кирпичного здания по предельным состояниям вместе с обоснованными признаками предельных состояний не только повышают надежность расчетного анализа сейсмической реакции здания, но и выявляют дополнительные резервы его сейсмостойкости.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.
Результаты проведенного исследования внедрены при проектировании и строительстве 9-12 этажных сейсмоизолированных кирпичных жилых зданий в 7-8 балльных сейсмических районах Кузбасса (г.г.Новокузнецк, Междуреченск) и 5-этажного сейсмоизолированного кирпичного жилого дома в 9-балльной сейсмической зоне Бурятии (пос.Селенгинск).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены в докладах и сообщениях на секции «сейсмостойкость сооружений» НТС. ЦНИИСК им.Кучеренко (г.Москва 1993, 1995, 1996г.г.), на заседании кафедры «Сопротивление материалов и строительная механика» РГОТУПС, 1996г. (г.Москва), на заседании научно-дискуссионного семинара РУДН по современным теоретическим и прикладным проблемам механики грунтов и алгоритм их решения, 2000г. (г.Москва), на международном семинаре-совещании «Геология и компьютеризация» (г.Москва, МГСУ.2000г.), на Российско-Польском семинаре «Теоретические основы строительства» (г.Москва 2000г., Варшава 2001г.), на международном научно-практическом семинаре «Сейсмостойкое строительство из местных строительных материалов в Центральной Азии». Ташкент 1996г., на научном семинаре факультета ПГС Самаркандского Государственного архитектурно-строительного института (г.Самарканд 1995/96 г.г.), на заседаниях кафедры «Архитектура ЗиС» Самаркандского Государственного архитектурно-строительного института (1995-2003 г.г.).
Публикации.
По теме диссертации автором опубликовано 22 научных работ и 2 монографии в соавторстве.
Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, изложена на 283 страницах, включает 6 таблиц, 61 рисунков, приложения.
Концепция сейсмического среза
Все сказанное выше относится к землетрясениям, сейсмические ускорения грунта в которых не превышают I -2g. Ускорения такого порядка регистрируют современные акселерометры во время наиболее разрушительных землетрясений. В последние годы в статьях СБ. Смирнова, например, [148], выдвинута и обосновывается концепция сейсмического среза сооружений, в соответствии с которой причина всех сейсмических разрушений сооружений - мгновенный срез, наступающий в результате огромного сейсмического ускорения фунта порядка нескольких тысяч g. То, что такое огромное ускорение современные акселерометры не регистрируют, автор концепции сейсмического среза объясняет их несовершенством.
Упоминавшиеся выше случаи сплошного разрушения по всей длине железобетонных колонн гибкого этажа концепция среза объясняет движением сдвиговых волн со скоростью порядка тысяч м/с. Действительно, сейсмические ускорения грунта, измеряемые тысячами g, могут возбудить сдвиговые волны, способные срезать сооружение за тысячные доли секунды. Но слабость концепции сейсмического среза в том, что еще нигде не зарегистрированы столь огромные ускорения и в том. что она отвергает возможность сейсмического разрушения сооружения при ускорениях l-2g. Возможно, что современные акселерометры не пригодны для записи мгновенных пиков ус корений продолжительностью тысячные и миллионные доли секунды и величиной в тысячи g. Но почему они не пишут, например, lOg. на это-то большинство из них способно? Остается только предположить, что между наблюдаемыми ускорениями величиной до l-2g и гипотетическими ускорениями, измеряемыми тысячами g существует широкая полоса ускорений, нереальных при сейсмических движениях грунта.
Чтобы срезать сооружение, сейсмические ускорения грунта должны быть тем больше, чем больше гибкость сооружения. Отсюда следует вывод о том, что, если причиной сейсмических разрушений является срез и только срез, то при любых сильных землетрясениях в первую очередь должны быть разрушены жесткие сооружения. Но эта закономерность, которая должна проявляться везде и всегда, до сих пор не обнаружена. Кроме того, чтобы кубический метр бетонного фундамента получил сейсмическое ускорение 103 g, к нему должна быть приложена сила, в 103 раз превышающая его вес. Между тем известно, что именно фундаменты остаются наименее поврежденной частью здания при любых землетрясениях. Такая закономерность прослеживается всегда.
В то же время было бы неверным отвергать концепцию сейсмического среза с порога только на том основании, что большие сейсмические ускорения грунта нигде не зарегистрированы. Это не является доказательством того, что их нет и быть не может. Если удастся обнаружить сейсмические ускорения грунта, достигающие хотя бы 10"g, возникнет необходимость рассматривать волны сдвига в качестве одной из причин сейсмического разрушения сооружений. В бетоне скорость этих волн 2-10 м/с.
В современных расчетах сооружений на сейсмостойкость считается само собой разумеющимся, что внутренние силы и деформации в сооружениях распространяются мгновенно с бесконечно большими скоростями. Это допущение настолько общепринято, что о нем уже не говорят и применяют, как установленную истину. Между тем, по данным натурных испытаний многоэтажных зданий, бегущие в них поперечные волны внутренних сил и деформаций движутся относительно медленно - 50-500 м/с в зависимости от конструкции здания. Ниже везде, где упоминаются поперечные бегущие волны, подразумеваются медленно бегущие волны.
Рассмотрим простой случай: расчетная модель многоэтажного здания высотой Н = 50 м представляет собой осциллятор в виде защемленного в основании невесомого линейно упругого стержня с сосредоточенной массой ш, коэффициентом жесткости к и коэффициентом вязкого сопротивления с. Уравнение движения рассматриваемой системы с одной степенью свободы записывают в виде: mx(t) + cx(t) + kx(t) = -mx0(t) (1-І) где x(t) - перемещение массы т относительно основания; х,Х0 - сейсмическое перемещение основания.
Такая запись уравнения подразумевает бесконечно большую скорость V поперечной волны деформации, пробегающей расстояние от основания до массы m за бесконечно малое время, которым можно пренебречь (бесконечно большая скорость V -следствие невесомости упругого стержня). При реальной скорости V . например, 250 м/с, время пробега волны деформации от основания до массы т, расположенной на половине высоты здания, равно 0,1 с. Это означает, что в течение первой 0,1 с расчетного сейсмического воздействия в уравнении (1.1) x(t) = -.v„(t) и, следовательно: cx(t) + kx(t) = 0 (1.2)
Поскольку x,Jt) - независимая переменная, для любого .v0(t) уравнение (1.2) верно только в случае равенства нулю коэффициентов с и к. Но такой случай противоречит физической модели здания, и напрашивается вывод, что в продолжении первой 0,1 с уравнение (1.1) существенно неверно описывает эту модель.
Адаптивные системы сейсмозащиты
Идея адаптивной системы сейсмозащиты состоит в оснащении здания специальными конструктивными элементами, способными, по мнению авторов [5, 6] изменять в нужном направлении и в регулируемых пределах параметры системы в процессе землетрясения. Исследования сейсмической реакции здания, в котором могут возникать пластические зоны, а также местные локальные разрушения (выключающиеся внутренние связи) представляют собой одну из важнейших проблем теории сейсмостойкости сооружений [30]. В работах [29, 30] системы с выключающимися связями названы системами с переменной структурой (СПС). Более позднее переименование их в «адаптивные» основано на представлении авторов [5, 6], что такие системы действительно способны изменять в нужном направлении и в регулируемых пределах параметры системы в процессе землетрясения. Это представление разделяется не всеми. В [30] на стр. 205 можно прочесть, что «из результатов моделирования следует ошибочность утверждений и выводов в [6] об адаптации таких систем к реальным сейсмическим воздействиям... Следует подчеркнуть, что в [6] много принципиально ошибочных утверждений о динамическом поведении нелинейных систем. На отмеченные факторы обратил внимание С.В.Ульянов».
Многочисленные варианты конструктивного решения выключающихся связей подробно описаны в трудах их разработчиков. Анализ и сопоставление этих решений имеет смысл, если в целом верна сама идея адаптивной сейсмозащиты. Рассмотрим ее внимательнее. Идея проста и сосредоточена на борьбе с сейсмическим резонансом: высокочастотный сейсмический резонанс выключает связи, собственная частота оставшейся части здания становится существенно меньше и здание уходит от резонанса; низкочастотный сейсмический резонанс в жестком здании с включенными связями невозможен. Заметим, что для практической реализации этой идеи жесткость выключающихся связей должна быть не менее, чем одного порядка с жесткостью остальной части здания: только в этом случае их выключение способно заметно изменить собственную частоту здания. Чтобы при этом размеры и стоимость самих выключающихся связей не приблизились к размерам и стоимости остальной части здания, приходится искусственно занижать жесткость остальной части здания, например, устраивать первый гибкий этаж.
Очевидно, что, если выключающиеся связи убрать, без них гибкое здание еще лучше будет защищено от высокочастотного сейсмического резонанса, чем, с ними. Значит, вся польза выключающихся связей сводится к защите гибкого здания от низкочастотного резонанса. Но раньше мы уже показали» что низкочастотные землетрясения опасны, прежде всего, большой величиной сейсмических перемещений грунта, от которых, на наш взгляд, лучше защищаться хорошей сеисмоизоляциеи, чем включенными жесткими связями. Включенные жесткие связи ухудшают условия работы узлов и конструкций здания и условия проживания в нем при слабых, но частых землетрясениях, сводя на нет демпфирующую способность собственной гибкости остальной части здания. Не исключено, что при слабых, но частых землетрясениях включенные связи будут способствовать ускоренному усталостному износу здания, в результате чего при сильном воздействии первым эффектом окажется не выключение связей, а разрушение, ослабленных предыдущими воздействиями несущих узлов и конструкций здания.
В разделе, посвященном механизму сейсмического разрушения зданий, уже отмечалось, что говорить о низкочастотном сейсмическом резонансе здания имеет смысл, если допустить возможность его линейно упругих колебаний с амплитудой абсолютного перемещения покрытия, заметно большей, например, в р раз, амплитуды низкочастотных перемещений основания, где р- коэффициент динамичности. Рассмотрим, возможно ли это. Пусть накануне землетрясения здание имеет необычно большой параметр затухания с = 0,17, частоту свободных колебаний с включенными связями у, и с выключенными связями со2. При неизменном параметре затухания = 0,17 соответствующий резонансный коэффициент динамичности колебаний здания относительно подвижного фундамента р = 3. При 8-балльном землетрясении (ао = 200 см/с") с гармоническими колебаниями основания на частоте (о0= 6,28 с"1 (Т0 = 1с), амплитуда перемещений основания равна 5 см, а соответствующая амплитуда резонансных прогибов здания относительно фундамента - 15 см. Но по опыту натурных испытаний многоэтажных зданий массовой застройки предел их линейно упругой работы исчерпывается при прогибах не более 10 мм. Для развития такого прогиба здания относительно фундамента достаточен коэффициент динамичности р- 0,2. Допустим, что о,, = о ,. Чтобы при р = 0,17 включенные связи могли обеспечить коэффициент динамичности не более 0,2, частота о\ должна быть больше о 2 не менее, чем в четыре раза, а жесткость выключающихся связей больше жесткости остальной части здания не менее чем в 15 раз. Если это условие не выполнено, здание перейдет в нелинейную стадию работы без выключения связей, а его собственная частота начнет изменяться в направлении от со{ К е 2. Соответственно будет увеличиваться коэффициент динамичности увеличивая повреждения здания и ускоряя переход собственной частоты здания от о\ К а 2. В итоге собственная частота здания или упадет до си2 или здание разрушится на пути к ней. При / 0,17 жесткость включающихся связей должна быть еще больше жесткости остальной части здания. При o lt = о\ очевидно, что вклю ченньге связи не приносят ничего, кроме вреда.
В [28] обращается внимание на то, что системы с выключающимися связями ооладают чувствительностью к изменению спектрального состава динамических воздействий и к дополнительным переходным режимам, вызываемым выключением связей. Добавим от себя, что если действует мощный источник колебания (землетрясение, мощный взрыв) выключение связей может произойти в момент, когда абсолютная скорость здания и соответственно его кинетическая энергия достаточно велики. Например, при резком нарастании амплитуд-перемещений длина промежутка между двумя последовательными максимумами абсолютных перемещений здания может быть настолько большой, что выключение связей произойдет внутри этого промежутка, когда абсолютные скорости перемещения еще далеки от нуля. В этом случае полное превращение сохранившейся на момент выключения связей кинетической энергии здания в потенциальную и в работу сил неупругого сопротивления может сопровождаться резким (в несколько раз!) увеличени- . ем перемещений здания. Здание как бы падает в жесткостную яму, и в этом падении перемещение здания может оказаться больше резонансного. В результате выключения связей может произойти как раз то, против чего это выключение направлено. Чем мощнее высокочастотное землетрясение и чем больше жесткость выключающихся связей жесткости остальной части здания, тем глубже и опаснее эта жесткостная яма.
Относительные перекосы этажей и простенков
В работе [121] приведены результаты испытания образцов кирпичной кладки размером 3x2x0,12 м, обрамленных стальной 4-х шарнирной рамой, на горизонтальную статическую нагрузку, приложенную к верхнему ригелю рамы. По ходу испытания диагональные трещины в образцах образовались при перекосах рамы (2,4-3,2)-10-3.
В опытах Л. Эстева [197] в образцах кирпичной кладки, обрамленных железобетонным каркасом, диагональные трещины образовались при перекосах каркаса (0,8-3)- Ю 3.
В опытах Р. Мели [203] испытанию однократной и знакопеременной горизонтальной нагрузкой подвергнуты образцы кирпичной кладки, обрамленные железобетонной рамой, и кирпичные простенки. По ходу испытания диагональные трещины в образцах, обрамленных рамой, возникли при относительных перекосах (2-5)-10, трещины в простенках по горизонтальным швам - при перекосах (7-8)-10.
На разброс величины относительного перекоса, вызывающей в опытах разных исследователей образование диагональных трещин в кирпичной кладке, влияют абсолютные и относительные размеры образцов, технология их изготовления, прочность материалов кладки и жесткость обрамления, характер опытной нагрузки.
В Таджикском институте сейсмологии и сейсмостойкого строительства (ТИССС) Кожариновым СВ. проведены испытания широких кирпичных простенков размерами 155x155x38 см. Кладка простенков выполнялась из глиняного кирпича низкой прочности (марки 50). Нормальное сцепление кирпича с раствором 0,7-0,18 МПа. Испытанию подвергались простенки из неармированной кладки с вертикальной арматурой у торцов образца и комплексные - без и с горизонтальным армированием через 3-5 рядов. Процесс нагружения образцов состоял из двух этапов: первый - до образования диагональной трещины, второй - после ее образования вплоть до разрушения. На первом этапе деформация простенка приближенно линейно упругая, на втором — существенно нелинейная упруго-пластическая. В табл.3.1. приведены результаты испытания образцов, изготовленных без каких-либо антисейсмических усилений. На основании результатов испытаний Кожаринов СВ. предложил формулу для вычисления у- угла перекоса образца в зависимости от величины относительной горизонтальной нагрузки х = 0/Ог: / = Лх\ (3.1). где А - безразмерный коэффициент, величину которого определяют обработкой характеристик экспериментальных кривых деформации.
На рис. 3.1. изображены построенные нами с помощью формулы (3.1) графики горизонтального перемещения образцов кладки без усиления. Как видно из графиков, уголь перекоса образцов в момент образования диагональной трещины не превосходил 0,9-10 =1,4/1550.
В опытах, проведенных Алексеенковым Д.А. [9] в ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР, сравнивались прочность и деформативность неусиленной кирпичной кладки и усиленной горизонтальными железобетонными элементами. Образцы сравниваемых кладок подвергались одностороннему статическому нагружению; размеры образцов: ИЗО (высота)х1030х380 мм. Разрушение всех образцов происходило по диагональной трещине. Неусиленные образцы разрушались хрупко с образованием одной диагональной трещины. В образцах с элементом усиления, расположенным в середине высоты образца, трещины зарождались в центральной зоне, часто одновременно в нескольких местах.
Образцы в опытах Алексеенкова Д.А. были выполнены качественно имели высокое нормальное сцепление, по своим характеристикам кладка
А - безразмерный коэффициент; RRp - временное сопротивление осевому растяжению по непривязанным швам (нормальное сцепление) ао - вертикальное обжатие кладки(нормальное напряжение); R2- прочность раствора при сжатии; Ол „, нагрузка, образующая диагональные трещины; Ор нагрузка, разрушающая образец, вызывающее предельное состояние 1 группы; О - переменная горизонтальная нагрузка; У - горизонтальное перемещение верха образца под нагрузкой О; у - угол перекоса образца.
приближалась к вибрированной. На графиках горизонтального смещения верха образцов без усиления, рис.3.2. практически линейная зависимость перекоса от горизонтальной силы Q заканчивается образованием диагональной трещины при перекосе Д//г = 1,59-10 \
На графике горизонтального смещения верха образцов с усилением, рис.3.3., такой же перекос, как на рис.3.2., соответствует примерно такой же горизонтальной силе. Это совпадение говорит о том, что усиление образца горизонтальными железобетонными элементами заметно не влияет на его жесткость до образования диагональной трещины, вследствие чего одно и тоже значение перекоса может быть признаком предельного состояния второй группы образования диагональной трещины как в не усиленных, так и в усиленных образцах. При этом до наступления предельного состояния зависимость «деформация-нагрузка» для усиленных образцов несколько более нелинейна, чем для неусиленных.
Лбдурашидов К.С. (ТашЗНИИЭП) провел натурные испытания одноэтажных фрагментов кирпичных стен четырехэтажного жилого здания, разработанного для 9-балльной сейсмической зоны (I). Каждый из испытанных фрагментов размерами 840x320x40 см состоял из трех простенков шириной по 165 см. Горизонтальной статической нагрузкой испытаны четыре фрагмента, в том числе комплексной конструкции и усиленные ж/б сердечниками. Графиком на рис.3.4. представлена зависимость перемещения верха фрагмента от величины горизонтальной силы Q. Перелом графика при Q 250 кН соответствует образованию диагональной трещины; соответствующий перекос У/ h= 1,6-10"
Гроссман Л.Б. и Ширин В.В. (ТашЗНИИЭП) провели испытания простенков в составе фрагментов стен. Цель испытаний - изучение поведения кирпичных простенков разной конструкции под действием горизонтальной нагрузки. Фрагменты имели по два оконных проема размером 1,5x1,5 м; сечения простенков двух типов: узкие - 38x64 см и широкие - 38x220 см. Кладка простенков II категории (Л" 0,12 МПа). В простенках комплексной конструкции кладка усилена вертикальными железобетонными элементами (сердечниками) сечением 12x38 см, расположенными в торцах простенков. По результатам испытания контрольных образцов предел прочности раствора 2,2-2,5 МПа. Всего испытано четыре фрагмента: С-1 - с простенками без усиления шириной 64 см; Ск-1 - с простенками комплексной конструкции шириной 64 см; С-2 — с простенками без усиления шириной 220 см; Ск-2-с простенками комплексной конструкции шириной 220 см.
Образцы изготавливались на открытой площадке в условиях, приближенных к условиям массового строительства. Испытание фрагментов проводилось горизонтальной силой, приложенной в уровне сейсмопояса с помощью гидравлического домкрата. Собственный вес сейсмопояса и кирпичной кладки подоконной части вышележащего этажа служил пригрузом для простенков (00-0,02 МПа). На рис. 3.5. показаны схема испытания и графики зависимости между горизонтальной силой и деформацией простенков (перемещением в уровне приложения силы). Как показывают графики, опытные перемещения трех фрагментов: С-1, Ск-1, Ск-2 - далеко выходят за пределы их линейно упругой реакции, образуя протяженные площадки текучести.
Расчет многоэтажного кирпичного здания на сейсмическую нагрузку в нелинейно-упругой стадии работы кладки
Расчет конкретного многоэтажного кирпичного здания на сейсмическую нагрузку в нелинейно-упругой стадии работы кладки невозможен без предварительного построения для изгибных и сдвиговых связей его расчетной модели графиков, подобных графику на рис.4.2. Для континуальной расчетной модели необходимы графики зависимостей /(Q). p(M) для каждого нелинейно-упругого элементарного фрагмента здания JZ на рисунках 4.3 и 4.5. График -/(О) однозначно связан с графиком нелинейной зависимости сдвиговой жесткости GF от величины сдвиговой деформации / элемента JZ, рис.4.9а. График (р(М) однозначно связан с графиком нелинейной зависимости изгиб-ной жесткости ЕУ от величины угловой деформации ср элемента JZ, рис.4.9б.
На рисунках 4.9а, 4.96 отрезки с/ соответствуют участкам нелинейно-упругой деформации фрагментов - участку el билинейного графика на рис.4.2. Деформации уп р, соответствуют началу образованию трещин или остаточных деформаций. На участке деформации О/, графика GF{y) и на участке деформации Оср, графика EJ( p) величины F,J одинаково остаются постоянными, соответствующими стадии линейно упругой деформации фраг- ментов. Изменение жесткостей GF, EJ на участках ef обоих графиков - результат изменения только модулей упругости при неизменных F, J вследствие того, что точка / последняя перед образованием первой трещины. Модуль деформаций неармированной кладки принимать равным Ее =0,8п -0,SaRu, где a,Ru назначать по указаниям действующих норм (см., например, п.п. 3.20-3.24 СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции»). Модуль деформации Ef в отсутствие более обоснованных данных принимать равным 0,5Fn0, где Vn - коэффициент надежности здания по назначению (по классу ответственности). Величину модуля деформации , в точке / участка ef вычислить линейной интерполяцией величин Ее, Е{ пропорционально отношению отрезков ef if
Модули сдвига в точках с,/,/ принимать равными (7,. =0,4,., (7,=0,4,, G,=QAE,.
Все, что сказано выше о графике на рис.4.9б относится к изгибной деформации хорошо сейсмоизолированного здания. В таком здании краевая деформация растяжения, причиненная сейсмическим изгибом, должна быть меньше краевой деформации сжатия весом здания и модуль деформации ,, на участке о ре остается постоянным до тех пор, пока краевая деформация участка сжатого изгибом и весом здания не превзойдет предела линейно упругой работы кладки на сжатие при (рхр,. Случай деформации сжатой кладки на участке ef графика на рис.4.9.б лучше тоже исключить сейсмоизоляцией. Поэтому для расчета хорошо сейсмоизолированного здания достаточна зависимость EJ((p) = const на участке аргумента от 0 до - ре. В здании на СО сейсмическая нагрузка, превышающая расчетную, не способна увеличить расчетные изгибающие моменты, т.е. наибольшие изгибающие моменты в одном и том же здании на СО будут практически одинаковы при 7 и 9-балльных землетрясениях. Более сильное землетрясение приведет только к увеличению расчетного качания СО.
Рассмотрим в качестве примера жесткое прямоугольное в плане регулярное 12-этажное кирпичное здание на СО высотой Н = 40 м, шириной b = 12 м, весом Q, рис.4.10а.
Сейсмоизолирующие опоры (СО), примененные при строительстве сейсмоизолированного 12-этажного кирпичного жилого дома в г.Новокузнецке [журнал «ПГС»] [77], представляют собой в вертикальном направлении односторонние связи, способные воспринимать только силу сжатия. Конструкция и размеры такой СО обеспечивают соблюдение неравенства T 0,1Q, где Т -инерционная сейсмическая сила, приложенная в точке От - центре масс здания. Примем в запас сейсмостойкости Т = 0,1 Q. Реакцию сейсмоизолирующих опор представим в виде треугольной эпюры q(x) с ординатой /0 в точке нача ла координат, рис.4.10.6. Используя условия динамического равновесия здания, найдем:
