» » Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

15.04.2016

Сейсмостойкость зданий и сооружений, как известно, обеспечивается двумя путями: снижением сейсмических нагрузок и необходимой прочностью конструкций. Оба эти приема следует использовать при проектировании монолитных зданий.
Снижение сейсмической нагрузки может быть достигнуто путем облегчения массы здания, выбора площадки строительства (по данным микросейсморайонирования) с минимальным риском возникновения резонансных явлений при землетрясении, применения рациональных объемнопланировочных и конструктивно-технологических решений зданий и устройства в них активной сейсмозащиты. Существенное облегчение массы монолитных зданий возможно за счет изготовления их конструкций преимущественно из легкого бетона, выполнения наружных стен с эффективным утеплителем, а внутренних — минимальной толщины, диктуемой требованиями звуко- и теплоизоляции.
Заметим, что, решая вопрос о замене тяжелого бетона на легкий, не следует забывать о двух обстоятельствах. Во-первых, легкобетонные конструкции вертикального изготовтения характеризуются повышенной неоднородностью по высоте. Во-вторых, при равной прочности бетона легкобетонные стены на 30—40% хуже сопротивляются срезу, чем стены из тяжелого бетона. Поэтому переход от тяжелого бетона к легкому в конструкциях монолитных зданий должен осуществляться не волюнтаристски, а на основе глубокого технико-экономического анализа. Проведенное в этом направлении изучение довольно большого количества проектных разработок позволило сформулировать определенные рекомендации, которых следует придерживаться при разработке конструкций стен зданий.
Так, согласно, внутренние стены рекомендуется выполнять однослойными обычно из тяжелого бетона, и лишь при наличии соответствующего обоснования — из керамзитобетона плотностью не менее 1700 кг/м3. Наружные стены могут быть однослойными из керамзитобетона плотностью не более 1500 кг/м3 и многослойными с несущим слоем толщиной не менее 120 мм из тяжелого бетона. Толщина наружных стен определяется расчетами на прочность и теплопроводность. Минимально допустимая толщина стен приведена в табл. 2.1.
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

Минимально допустимые классы бетона по прочности устанавливаются в зависимости от этажности здания и его расчетной сейсмичности (табл. 2.2).
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

Одним из основных принципов разработки объемнопланировочных решений зданий является обеспечение симметричного и равномерного распределения масс и жесткостей конструкций. Для уменьшения усилий от кручения здания желательно добиваться совпадения центров жесткости и масс.
Стремясь усилить архитектурную выразительность монолитных зданий, архитекторы зачастую чрезмерно усложняют их очертания в плане. Это отрицательно сказывается как на экономических показателях и комфортности зданий, так и на их сейсмостойкости. В этой связи PCH 13—87 требуют, чтобы отношение периметра наружных стен к общей площади этажа в многосекционных и односекционных зданиях не превышало соответственно 0,3 и 0,4.
Сейсмостойкость зданий в значительной мере зависит от внутреннего планировочного решения. Возьмем, например, такой показатель, как шаг внутренних стен. Его увеличение сопровождается уменьшением массы здания, но при этом растут напряжения в стенах и перекрытиях; снижается их общая жесткость. Серьезный ущерб сейсмостойкости монолитных зданий наносит устройство в них несквозных продольных и поперечных стен и стен с изломами в плане.
Основываясь на анализе материалов о последствиях Карпатского землетрясения 1986 г. нормы запрещают «подрезку» стен и устройство эркеров. Как правило, разбивочная сетка стен здания должна сохраняться по всей его высоте. При необходимости устройства на первых этажах жилых зданий помещений общественного назначения их рекомендуется проектировать пристроенными.
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

Из числа известных конструктивных систем монолитных зданий для сейсмических условий строительства предпочтение следует отдавать перекрестно-стеновой конструктивной системе с несущими или ненесущими наружными стенами (рис. 2.1). В первом случае наружные стены выполняют монолитными либо сборно-монолитными, а перекрытия — сборными или сборно-монолитными. Во втором случае ненесущие наружные стены монтируют из сборных блоков либо панелей; при этом перекрытия рекомендуется выполнять из монолитного железобетона.
В отдельных случаях для решения градостроительных задач допускается проектирование зданий ствольно-стеновой конструктивной системы. При этом горизонтальные нагрузки в таких зданиях могут восприниматься только стволами, либо стволами и несущими стеками.
Антисейсмические швы в зданиях протяженных и со сложным объемно-планировочным решением следует выполнять путем возведения парных стен, с расстоянием между ними (а), гарантирующим их от соударений при землетрясении
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

где δ1, δ2 — максимальные горизонтальные перемещения смежных отсеков здания при действии расчетных сейсмических нагрузок.
Как известно, одним из достоинств монолитных зданий является пространственный характер их работы и явно выраженная способность к перераспределению усилий вследствие пластических деформаций. Однако, эти достоинства становятся не столь очевидными по мере увеличения в таких зданиях горизонтальных и вертикальных стыков различных типов, появляющихся в результате использования сборных элементов перекрытий и наружных стен, неодновременного возведения монолитных сопрягающихся стен и устройства технологических швов. Естественно, что обеспечение совместной работы всех конструктивных элементов таких зданий в различных силовых ситуациях зависит от конструкции их стыковых соединений.
Довольно емкая информация о работе крупнопанельных зданий в условиях сейсмического воздействия свидетельствует, что решающее влияние на общий характер деформирования зданий этого типа и их предельные состояния оказывают конструкция, податливость и несущая способность связей и стыков, соединяющих отдельные конструктивные элементы в единую систему.
Землетрясения в Газли (1976 г., 1984 г.) явились убедительной демонстрацией определяющей роли стыков в обеспечении сейсмостойкости крупнопанельных зданий. В работе отмечается, что во многом пространственный характер работы сборных бескаркасных зданий и их сейсмостойкость зависят от надежности вертикальных стыков, поэтому их, как правило, следует проектировать достаточно прочными и жесткими, не допуская развития пластических деформаций. Как показывают соответствующие исследования, условие это практически осуществимо.
Особые функции выполняют горизонтальные стыки бескаркасных зданий. Обычно их пониженное сопротивление растяжению и срезу приводит к раннему трещинообразованию по их плоскостям. В результате развивается нелинейное деформирование всей конструктивной системы и возрастает диссипация энергии колебаний. С позиций сейсмостойкости оба эти явления положительные.
Большая работа по изучению прочности и деформаций различных стыков была проведена в ЦНИИЭПжилища; завершилась она созданием рекомендаций по устройству в монолитных зданиях вертикальных и горизонтальных стыковых соединений.
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

При изучении вертикальных стыков было показано, что касательные напряжения в них при сейсмическом воздействии на здания высотой до 16 этажей могут достигать 2 МПа и более. Стыки между сборными и монолитными элементами стен можно проектировать по аналогии со стыками крупнопанельных зданий. Стыковые соединения монолитных стен классифицируют на бесшпоночные и шпоночные (рис. 2.2). Бесшпоночное соединение применяют для сопряжения стен, возводимых в едином технологическом цикле, но из разного бетона (например, легкого и тяжелого). В этом случае по плоскости сопряжения стен устанавливается мелкоячеистая сетка, а сами стены соединяются горизонтальными арматурными связями. Первыми обычно бетонируют стены из менее плотного бетона.
При организации технологических швов по границам захваток и при раздельном бетонировании взаимноперпендикулярных стен вертикальные стыковые соединения выполняют со шпонками, равномерно распределенными по всей высоте шва (см. рис. 2.2), либо с дискретными сквозными шпонками, параметры которых и количество (не менее двух) определяют расчетом.
В монолитных зданиях перекрытия могут выполняться монолитными (из бетона класса не ниже В 12,5), сборными и сборно-монолитными толщиной, определяемой расчетом, но не менее 120 мм — при акустически неоднородной конструкции и не менее 160 мм — при акустически однородной. В жилых зданиях рекомендуется применять преимущественно перекрытия толщиной 160 мм с полом из линолеума на теплозвукоизолирующей основе.
Сборные перекрытия могут монтироваться по разрезной или неразрезной схемам из плит сплошного сечения размером на ячейку, либо многопустотных плит. В обоих случаях конструкция узлов сопряжения перекрытий со стенами должна обеспечивать беспрепятственное прохождение через них вертикальной арматуры стен.
Сборно-монолитными перекрытия могут выполняться как в плане, так и по толщине. В первом случае в монолитных перекрытиях оставляют технологические проемы для изъятия через них блоков опалубки, подачи к месту монтажа крупноразмерных сборных перегородок и т. п. По ненадобности эти проемы закрывают сборными элементами. Такое решение было весьма распространено на первом этапе развития монолитного домостроения в Молдавии, когда применялась трехсекционная объемно-блочная опалубка.
Сборно-монолитные перекрытия по сечению выполняют с использованием сборных железобетонных скорлуп толщиной 40—60 мм, которые играют роль оставляемой опалубки. В период изготовления перекрытия скорлупы поддерживаются системой временных стоек и распределительных балок. По скорлупам выполняется монолитное перекрытие толщиной 100—200 мм. В зависимости от конструктивно-технологического решения перекрытий стыковые соединения их со стенами зданий могут быть платформенными, контактными и комбинированными (рис. 2.3).
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

Для зданий, эксплуатируемых в условиях возможного сейсмического воздействия, платформенные стыки наименее предпочтительны, поскольку в этом случае вся поперечная сила в опорных сечениях стен должна восприниматься лишь силами трения по растворным швам. Помимо этого платформенная стыковка стен с перекрытиями из многопустотных плит требует усиления торцов последних.
Исследования, выполненные ЦНИИЭПжилища и КПИ им. С. Лазо, показали достаточную надежность контактных стыков с петлевыми арматурными связями. Наличие последних обеспечивает работу сборных перекрытий по неразрезной схеме. Связь плит по торцам в неразрезных сборных перекрытиях может быть также организована путем сварки арматурных выпусков (рис. 2.4, б). Современные нормы требуют, чтобы во время землетрясений сборные перекрытия работали как монолитные жесткие диски. Это достигается за счет надежного выполнения стыков между отдельными плитами перекрытий. Именно по этой причине неразрезные перекрытия должны выполняться из плит со шпонками по боковым граням. Параметры шпонок и арматурных связей определяют соответствующими расчетами.
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий

При свободном опирании на стены сплошные и многопустотные плиты перекрытий должны иметь опорные выступы, заходящие за грань стены на глубину, достаточную для анкеровки продольной арматуры плит (по СНиП 2.03.01—84), но не менее чем на 70 мм. В этом случае соединение плит по торцам помимо описанных выше способов может осуществляться путем замоноличивания арматурных каркасов в пустотах плит (см. рис. 2.4, а). Арматурных связей вдоль каждой опорной грани должно быть не менее двух сечением не менee 1 см2 на 1 погонный метр стыка.
Как показали исследования С.А. Мыльникова, прочность стыков существенно зависит от наличия под опорными участками перекрытий растворных постелей. Их отсутствие приводит к снижению прочности стыков на 15—30%.
Во многих странах, ведущих сейсмостойкое строительство, одним из важнейших критериев сейсмостойкости конструктивной системы является ее способность к пластическому деформированию и рассеянию энергии.
Натурные вибрационные испытания, проведенные в России, также показали, что сейсмостойкость зданий зависит не только от их прочностных показателей, но в значительной мере — от способности к пластическому деформированию. Чем развите эта способность, тем выше степень жизнеспособности конструктивной системы при землетрясении. Способность здания или его отдельных элементов (например, стены) к нелинейному деформированию принято оценивать коэффициентом v, представляющим отношение перемещения Δmax при максимальной нагрузке к максимальному упругому перемещению (Δт).
Известно, что диаграммы деформирования бескаркасных зданий не обрываются с достижением максимума нагрузки, а имеют нисходящую ветвь. Из этого следует, что разрушение системы происходит при перемещениях, более или менее значительно превышающих уровень Δmax. В этой связи ряд отечественных и зарубежных специалистов предлагают учитывать в расчетах зданий нисходящую ветвь кривой их деформирования.
Отечественные нормы пока не устанавливают значения коэффициента пластичности деформирования зданий (v). По нормам некоторых зарубежных стран его минимальное значение должно быть не менее 4. В этой связи интересно отметить, что по данным натурных испытаний монолитного здания с расчетной сейсмичностью 8 баллов коэффициент v составил 6,0.
Стандартом ЕКБ предусматривается три уровня пластичности деформирования конструктивной системы здания. Конструктивное решение, разрабатываемое по обычным правилам, соответствует I уровню пластичности. Если принятое при проектировании конструктивное решение исключает хрупкое разрушение элементов, обеспечивая их нелинейное (но не стабильное) деформирование при повторных знакопеременных нагружениях, то оно относится ко II уровню пластичности. Наиболее предпочтительным с позиций сейсмостойкости является конструктивное решение с III уровнем пластичности, для которого характерно стабильное (без снижения жесткости и несущей способности) деформирование несущих элементов при знакопеременном нагружении, перераспределение усилий между ними и большое рассеяние энергии.
Уровень пластичности, обеспечиваемый выбранным конструктивным решением здания, учитывается при определении расчетной сейсмической нагрузки. Если для зданий III степени пластичности принять ее за 1, то для зданий II и I степеней она соответственно составляет 2,5 и 1,82.
На основе экспериментальных данных некоторые специалисты считают, что к проектированию плоскостных конструкций стен следует подходить более осторожно, чем каркасных, в связи с тем, что появление в таких стенах наклонных трещин приводит к снижению пластичности их деформирования и уменьшению рассеяния энергии. Высказывается мнение, что при слабом армировании разрушение стен по наклонным сечениям (когда их несущая способность определяется преимущественно сопротивлением сдвигу сжатой зоны бетона) может быть хрупким.
По этой причине нормы ряда стран увеличивают расчетную сейсмическую нагрузку для бескаркасных зданий с помощью повышающих коэффициентов. Кроме того, этими же нормами устанавливается довольно высокое значение минимального процента армирования (0,5% всей площади поля стен) и рекомендуются специальные конструктивные приемы (вертикальные прорези на широких участках стен, утолщения у их торцов, армирование диагональными стержнями и др.).
При расчете сейсмических нагрузок СНиП П-7—81 для бескаркасных зданий устанавливают наиболее низкие значения коэффициента K2. как бы утверждая тем самым их относительно большую надежность. Рассматривая этот вопрос, Г.Н. Ашкинадзе справедливо обращает внимание на то, что такое мнение базируется на материалах поведения бескаркасных зданий высотой до 5 этажей при землетрясениях силой не выше 8 баллов» Необходимая информация о поведении при сильных сейсмических воздействиях более высоких бескаркасных зданий по существу только начинает накапливаться.
Ранее отмечалось, что Карпатское землетрясение 1986 г. вызвало массовое разрушение и обрушение перегородок из кирпича, гипсолитовых плиток и природного камня. Этот вопрос среди специалистов подвергался особому рассмотрению. В результате сформировалось мнение, нашедшее отражение в PCH-13—87, о том, что перегородки в монолитных зданиях, как правило, должны выполняться из бетонных либо легких каркасно-обшивных панелей. Установка панельных перегородок должна быть «маятниковой», т. е. от стен и потолка их должен отделять зазор в 20 мм, заполненный легкодеформируемым материалом. Перемещения таких перегородок из плоскости ограничивают специальными металлическими фиксаторами, не препятствующими перемещениям панелей в плоскости (рис. 2.5).
Основные принципы проектирования сейсмостойких зданий