» » Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

15.04.2016

При проектировании зданий для сейсмических районов помимо расчета на основное сочетание нагрузок должен выполняться расчет на особое сочетание — с учетом сейсмического воздействия.
Существуют две принципиально отличающиеся друг от друга методики такого расчета. Согласно первой из них, рекомендуемой СНиП П-7—81 для всех зданий, определяются условные статические нагрузки, которые, как известно, не достигают (иногда значительно) сейсмических сил при землетрясениях расчетной силы. Это обстоятельство компенсируется рядом конструктивных мероприятий и тем, что работа конструкций здания рассматривается в упругой стадии.
Для определения динамических характеристик здания и действующих на него сейсмических сил его расчетная схема может быть представлена одномерным стержнем, двумерной пластиной (диафрагмой) либо трехмерной моделью. Расчеты монолитных зданий рекомендуется выполнять с использованием ЭВМ по программам ПАРАД-ЕС, РАЗГОН, РАЗДАН, ТОСТ, АВТОРЯД, ЛИРА, ФЕНИКС и др., реализующим пространственную расчетную схему в виде тонкостенного стержня, системы пластин или оболочек и т. д. В большинстве случаев желательно пользоваться трехмерной расчетной моделью, позволяющей учитывать кручение здания, изгиб его перекрытий в плоскости (от чего зависит распределение сейсмической нагрузки между стенами) и пространственное взаимодействие поперечных и продольных стен.
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

В отдельных случаях для расчета симметричных зданий с ортогональным расположением стен можно использовать плоские расчетные схемы.
Вибрационные испытания зданий выявили существенное влияние податливости основания на величину возникающих инерционных нагрузок и усилий в элементах зданий (рис. 2.6). Так, для фрагмента 12-этажного монолитного здания, подвергнутого в Кишиневе вибрационным испытаниям, учет податливости основания привел к снижению расчетных нагрузок в продольном и поперечном направлениях соответственно в 1,63 и 2,0 раза.
Податливость основания должна учитываться на основе данных соответствующих геологических изысканий при разработке расчетной схемы здания. Влияние податливости основания на период и формы собственных колебаний основного тона может быть учтено приближенно по формулам
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

где Тзд — период основного тона колебаний здания на абсолютно жестком основании;
Тсд, Tφ — то же, абсолютно жесткого здания при сдвиге и качании по грунту; определяются по формулам
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

Х1j(зд) — ордината первой формы колебаний здания на жестком основании, которая может быть определена как прогиб в уровне j-гo этажа от системы единичных сил, приложенных в i-тых уровнях;
Q, Q1 — вес здания и его i-гo этажа;
g — ускорение силы тяжести;
Hi, Hj — расстояние от подошвы фундамента до i-гo, j-гo этажа;
H — высота здания;
Ксд, Кφ — коэффициенты жесткости основания соответственно на сдвиг и поворот
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

где Ссд, Cz — коэффициент упругого равномерного сдвига и сжатия грунта. Определяются экспериментально, либо по СНиП II-19—79;
F, J — площадь подошвы фундамента и момент ее инерции относительно нейтральной оси, перпендикулярной направлению действия горизонтальной сейсмической нагрузки.
Строго говоря, в современной методике определения сейсмических сил и усилий в конструктивных элементах на основании «упругого» расчета присутствуют элементы учета пластического деформирования монолитных зданий. Так, при расчете зданий, возводимых в переставных опалубках, учитывается податливость поэтажных горизонтальных технологических швов путем замены модуля упругости бетона стен (Eb) на приведенный модуль упругости
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

где Het, H3 — высота этажа между осями перекрытий и в свету;
Aw — площадь горизонтального сечения стены в уровне технологического шва;
Kc — коэффициент жесткости при сжатии горизонтального сопряжения стен в уровне технологического шва; определяется по формуле
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

где λс — коэффициент податливости технологических и растворных (под сборными перекрытиями) швов при сжатии, принимаемый по табл. 2.3;
n — количество технологических и растворных швов в уровне рассматриваемого стыкового соединения;
h — толщина перекрытия;
Еb — модуль упругости плит перекрытия при контактном и платформенном типе стыкового соединения и участка стены в пределах высоты перекрытия при комбинированном типе стыкового соединения.
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

Примером учета неупругого деформирования монолитных зданий при определении усилий в их элементах по «упругой» расчетной схеме является перераспределение найденных усилий между однотипными элементами (простенками или перемычками) статически неопределимой системы. Допускается в пределах до 30% уменьшать максимальные усилия, увеличивая при этом их меньшие значения таким образом, чтобы сумма расчетных усилий в простенках одной стены (или перемычках одного ряда) не изменялась (см. рис. 2.6).
Согласно действующим нормам здания высотой более 16 этажей и особо ответственные здания следует рассчитывать с использованием реальных или синтезированных акселерограмм. Предполагается, что во всех сейсмических районах должны существовать альбомы цифровок акселерограмм, используя которые можно выбрать для расчета проектируемого здания акселерограммы (обычно не менее пяти) с преобладающими периодами, характерными для заданной площадки строительства.
Известно, что при расчетах зданий на воздействия, задаваемые реальными акселерограммами, сейсмические нагрузки могут в несколько раз превышать найденные по методике СНиП II-7—81. Поэтому прочность конструкций следует оценивать с учетом развития в них пластических деформаций.
Существенная трудность при использовании акселерограммы землетрясений заключается в разработке нелинейной расчетной модели здания на основе соответствующих экспериментальных данных о деформировании его несущих элементов с учетом допускаемых повреждений (табл. 2.4).
Определение сейсмической нагрузки на здание и усилий в его элементов

Такая нелинейная модель рассчитывается на каждую из выбранных акселерограмм с целью определения напряженно-деформированного состояния несущих элементов и их сопряжений с учетом перераспределения в них усилий вследствие снижения жесткости элементов или даже разрушения некоторых из них.
Возможность достижения зданием в этом случае предельного состояния оценивается сравнением полученных в результате расчета величин перемещений здания, падения его жесткости и расхода энергии с предельно допустимыми значениями этих величин, устанавливаемыми на основе соответствующих экспериментов.
В частности, согласно максимальные относительные горизонтальные перемещения верха здания (Δ/Н) и отдельных его этажей (Δi/Hi) при действии расчетных сейсмических нагрузок не должны превышать 1/500 (Hi — высота i-гo этажа здания).