» » Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

16.04.2016

Известно, что величины сейсмических сил, воздействующих при землетрясении на здание, в значительной мере зависят от динамических характеристик этого здания. Это обстоятельство учитывается действующим в настоящее время методом расчета сейсмических сил.
Отечественными и зарубежными исследователями получены данные о периодах, формах и логарифмических декрементах свободных колебании натурных каркасно-каменных здании и их моделей. К сожалению, приходится оговориться, что анализ этих данных серьезно затрудняется отсутствием необходимой информации о конструктивно-технологических и объемно-планировочных решениях зданий, о физико-механических свойствах материалов, использованных для их возведения, гидрогеологических условиях строительных площадок и методических особенностях экспериментов.
В таблице I—1 приведены данные, свидетельствующие о том, что для каркасно-каменных зданий повышенной этажности период собственных колебаний (T) обычно выше 0,3 сек., что дает право при определении сейсмических сил принимать коэффициент динамичности β≤3.
На практике при определении значений T зачастую пользуются эмпирическими формулами. Так, в США, для зданий с жесткой конструктивной схемой величину периода основного тона собственных колебаний вычисляют по формулам:
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

где В — размер здания в плане (ширина или длина), м;
т = Н/В — (Н — высота здания, м);
n — количество этажей;
α — коэффициент, зависящий от конструкции здания и вида основания. При грунтах средней плотности для каркаснокаменных зданий с кирпичным или легкобетонным заполнением принимается равным 0,064 при монолитном железобетонном каркасе и 0,08 — при стальном.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

Зависимости, структурно аналогичные формулам (I—1) и (I—2), рекомендуются в работах многих авторов.
Э.Е. Хачиян, Т.А. Гороян и В.А. Закарян на основании записей колебаний 78 зданий повышенной этажности, вызванных микросейсмами, предложили определять период основного тона собственных колебаний, пользуясь зависимостью
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

где А и С — коэффициенты, зависящие от конструктивной схемы здания.
Для определения периодов первых трех форм колебаний для зданий с постоянной по высоте жесткостью и абсолютно жесткими перекрытиями:
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

где n — число этажей; m — масса сосредоточенной нагрузки;
A1 ,Bi — коэффициенты, равные: для первой формы — 0,367 и 0,633, для второй — 0,16 и 0,21, для третьей — 0,118 и 0,126;
k — коэффициент, учитывающий наличие заполнения; для пемзоблочной кладки k = 1,6/1,8;
а — жесткость этажа, определяется по формуле:
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

где a — число стоек в пределах этажа; l — высота этажа.
По данным, приведенным в работе, значения T1 для секционных зданий повышенной этажности в продольном направлении в среднем на 30—40% больше, чем в поперечном. Для точечных зданий периоды собственных колебаний в направлениях обеих главных осей почти равны. Для 10 идентичных в конструктивном отношении 13-этажных зданий, возведенных в г. Ереване на различных грунтах, периоды собственных колебаний (по записям микросейсм) оказались практически одинаковыми. По данным Г.А. Алиева и Г.Н. Мамедова, период собственных колебаний 9-этажных односекционных зданий со стенами из пильного известняка, возведенных на скальных, песчаных и глинистых грунтах, соответственно равнялся 0,31, 0,41, и 0,41 секунды. Эти данные были получены при колебаниях зданий, возникавших от ударов грузом по грунту на небольших расстояниях от объектов испытаний.
О влиянии заполнения на жесткость каркасно-каменных зданий можно судить по результатам записей колебаний двух 8-этажных зданий на различных этапах их строительства. После возведения сборного железобетонного каркаса среднее значение T1 составило 0,93 сек., а после его заполнения пемзоблочной кладкой — 0,67 сек., то есть уменьшилось на 28%. После 2—3 лет эксплуатации этих зданий значения T1 увеличились на 6—8%.
АрмНИИСМиС провел динамические испытания двух каркасно-каменных зданий с помощью мощных вибромашин. В одном из них (12-этажном) каркас был выполнен из сборного железобетона, в другом (11-этажном) — из монолитного.
При испытании 12-этажного каркасно-каменного здания I типа заполнение в виде каменной кладки на первом этаже получило серьезные повреждения. На верхних этажах заполнение по контуру отделилось от элементов каркаса. По данным табл. I—2 можно проследить за изменением периодов собственных колебаний здания во время вибрационных испытаний. Было также замечено, что по мере увеличения инерционной нагрузки до появления трещин в заполнении периоды колебаний как 12-этажного, так и 11-этажного зданий увеличились в среднем на 20—30% по сравнению со значениями, полученными при обработке записей колебаний, вызванных микросейсмическими воздействиями на здания. Аналогичная картина наблюдалась при вибрационных испытаниях различных каменных зданий.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

В работе отмечается, что с повышением уровня инерционной нагрузки при вибрационных испытаниях логарифмический декремент колебаний зданий увеличивался. При максимальной нагрузке в поперечном направлении значения этой характеристики затухания колебаний по первой и второй формам оказались равными: для 12-этажного здания соответственно — 0,197 и 0,12; для 11-этажного — 0,157 и 0,106. Этими испытаниями было подтверждено, что деформации каркасно-каменных зданий имеют в основном сдвиговой характер.
На IV Международной конференции по инженерной сейсмологии и сейсмостойкости Л. Эстева и Р. Флорес привели сведения о том, что при землетрясении в г. Лима периоды основного тона собственных колебаний 11/22-этажных каркасных зданий с кирпичным заполнением при средних и значительных повреждениях увеличились, соответственно, в 2 и 4 раза.
Определенную информацию о влиянии заполнения на динамические характеристики каркасных зданий дают испытания, проведенные различными авторами на моделях зданий и фрагментах их стен.
В АрмНИИСМиС К.Т. Алтуняном, Ж.В. Захаряном, О.В. Пештмалджяном и Л.В. Шахсуваряном были выполнены статические и динамические (на виброплатформе) испытания модели в 1/8 натуральной величины секции 10-этажного здания со сборным каркасом, запроектированного ГПИ «Армгоспроект» (рис. I—3). Моделирование выполнялось с соблюдением принципов простого подобия твердых деформируемых тел.
В этих опытах заполнение ячеек каркаса в соответствии с проектом вызвало увеличение жесткости модели па 70%. Авторы отмечают, что такие же данные были получены при натурных испытаниях.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

В работах описываются опыты с моделями 10-этажного жилого здания с унифицированным железобетонным каркасом, предназначенного для строительства в районах с 8-балльной сейсмичностью (рис. I—4). Модели изготовлялись в 1/50 натуральной величины с соблюдением принципов сравнительного моделирования. Каркас и перекрытия выполнялись из металла, а стеновое заполнение из гипсового (Е = 5*10в4 кг/см2) либо гипсо-перлитового (E = 3*10в4 кг/см2) раствора. В первом случае толщина заполнения (δ) составляла 0,4 см, во втором — 0,5 см.
Модели испытывались на статические и динамические нагрузки в продольном и поперечном направлениях.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

При статических испытаниях в упругой стадии работы загружение модели осуществлялось по трем схемам (рис. I—4), одна из которых моделировала расчетные сейсмические силы. Наблюдения за горизонтальными смещениями модели в этих опытах показали, что заполнение ячеек каркаса заметно увеличило жесткость модели и привело к изменению формы деформаций её оси (рис. I—5). Характерно, что наличие заполнения отчетливо сказалось на работе модели и в продольном направлении, в котором оно было представлено лишь подоконным ленточным ограждением высотой 20 мм.
Динамические испытания модели продемонстрировали существенное влияние стенового заполнения на динамические характеристики каркасных зданий (табл. I—3). И в этих опытах повреждение заполнения приводило к заметному падению жесткости здания. До разрушения модель доводилась приложением сосредоточенной силы в поперечном направлении вверху модели. Первые диагональные трещины появились в заполнении нижнего этажа. С увеличением нагрузки они раскрывались и образовывались трещины в заполнении вышележащих этажей.
Учитывая довольно большую величину множителя подобия модели в рассмотренных опытах (αп=50), результаты их следует использовать только для изучения качественного влияния заполнения на динамические характеристики зданий, избегая каких-либо количественных оценок этого влияния.
В лаборатории сейсмостойкости ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко при участии ТбилЗНИИЭП были проведены динамические испытания на виброплатформе модели в 1/6 натуральной величины девятиэтажного сборного железобетонного рамно-связевого здания. Модель включала в себя три двухпролетные рамы, связанные между собой продольными ригелями сборного перекрытия. Один из пролетов в каждой из крайних рам по всей высоте здания заполнялся сборными железобетонными панелями, которые соединялись сваркой со стойками и ригелями каркаса и замоноличивались цементным раствором.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

По мере развития пластических деформации и появления повреждении в модели ее жесткость падала. При средних повреждениях период собственных колебаний модели Т, по сравнению с начальным уменьшился в 1,5—2 раза, а с появлением значительных повреждений — в 3,11 раза.
В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко С.В. Поляковым и В.Л. Мусиенко были проведены статические и динамические испытания трехпролетной трехэтажной стальной рамы с жесткими узлами и кирпичным заполнением толщиной в 1/2 кирпича. Длина степы равнялась 422,4 см, высота — 439,2 см.
При статических испытаниях сосредоточенной нагрузкой, приложенной вдоль оси верхнего ригеля каркаса, до N=15 т рама и заполнение работали как монолитная конструкция (1 стадия). При N=15 т в низу стены появилась первая контурная трещина (стадия 2). По мере увеличения нагрузки образовывались новые трещины по контуру заполнения. При N = 36 т появилась первая диагональная трещина в заполнении (стадия 3).
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

Судя по данным, представленным на рис. I—6, б, статическая жесткость стены при переходе от первой стадии ко второй уменьшилась примерно вдвое, а при переходе от второй стадии к третьей — более чем в 10 раз.
Динамические испытания стены проводились путем нанесения ударов маятником по верхнему ригелю, а также при воздействии микросейсм.
Сопоставление значений T1 на различных стадиях работы степь: показывает (табл. I—4), что появление и развитие повреждений в заполнении не вызвало существенного изменения динамической жесткости стены. Авторы этого эксперимента отмечают, что такие результаты могли явиться следствием весьма небольшого значения инерционной нагрузки и считают в связи с этим необходимой их проверку при больших начальных амплитудах колебаний.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

В этих опытах величина расчетного периода основного тона колебаний T1=0,032 сек. удовлетворительно совпала с экспериментальным значением T1=0,038 сек.
В докладе С. Ламара и Ц. Форгуола на IV Международной конференции по сейсмостойкому строительству освещаются результаты расчета двух типов каркасных стен с жесткими узлами и с заполнением в виде кирпичной кладки толщиной 25 см (рис. I—7). Расчеты были выполнены методом конечных элементов с помощью ЭВМ в предположении упругой работы стен. Для каркаса модуль упругости был принят равным 200000, а для кладки — 20000 кг/см2, коэффициент Пуассона — 0,2.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

Стены обоих типов рассчитывались на горизонтальную инерционную нагрузку (варианты расчета А и В), а при расчете трехэтажной стены была также учтена вертикальная инерционная нагрузка (расчет С). Результаты этих расчетов представлены на рис. I—7, I—8 и в табл. I—5. Судя по рис. I—7, заполнение ячеек каркаса кирпичной кладкой приводит к выравниванию изогнутой осп стены при колебаниях по основному тону. Этот вывод согласуется с экспериментальными данными, полученными Г.А. Абовяном и Л.В. Шахсуваряном при испытании модели 10-этажного здания (рис. I—5).
В расчетах С. Ламара и Ц. Фортуола влияние заполнения на формы колебаний каркасной стены особенно заметно сказалось при учете вертикальной инерционной нагрузки (рис. I—8).
С. Сачанский и Г. Бранков на примере 6-этажного здания (рис. I—9) провели теоретическое исследование динамических характеристик каркасно-каменных зданий при развитии в их стенах пластических деформаций.
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

В расчетах были приняты следующие прочностные и дефомативные показатели материалов: марка бетона — 200, его модуль упругости — 2,65*10в5 кг/см2, заполнение — из обычного глиняного кирпича (25х12х6,5 см) марки 100 на растворе марки 25, модуль упругости кладки — 13500 кг/см2, модуль сдвига — 5400 кг/см2.
Авторы этой работы ставили перед собой две задачи:
1. Исследовать характер перераспределения усилий в стенах каркасно-каменных зданий и их динамические характеристики в зависимости от различных допущений, применяемых в расчетах, и неупругих деформаций материалов стен.
2. Изучить реакцию здания при упругих и неупругих деформациях стен на реальное землетрясение, имевшее место в Сан-Фернандо (1971 г.).
При решении первой задачи величина сейсмических сил определялась в соответствии с нормами. Заполнение, как сплошное, так и с проемами, заменялось условными раскосами, направленными вдоль сжатых диагоналей панелей каркаса (рис. I—9). Было сделано последовательно несколько расчетов здания при следующих допущениях:
I — колонны, ригели и условные раскосы деформируются;
II — колонны и раскосы деформируются, ригели подвергаются изгибу без продольных деформаций;
III — раскосы деформируются, колонны изгибаются без продольных деформаций, ригели абсолютно жесткие;
IV — то же, что и II, но при развитии пластических деформаций.
Расчеты выполнялись с использованием ЭВМ по следующей методике.
Вначале определялись усилия в элементах вертикальных диафрагм в упругой стадии работы. Затем, используя экспериментальную зависимость «нагрузка-деформация» для моделей фрагментов каркасно-каменных стен (рис. I—10а), по найденным усилиям вычислялись новые упруго-пластические характеристики заполнения стен по формуле:
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

l, d — длина и толщина заполнения;
G — модуль сдвига кладки;
R1 — предел прочности кладки при сжатии.
При новых значениях K1 определялись периоды свободных колебаний здания и сейсмические силы, которые распределялись между вертикальными диафрагмами пропорционально их жесткости; потом вычислялись новые значения напряжений в диафрагмах и т. д.
Эти расчеты показали, что периоды собственных колебаний здания (Ti), определенные в упругой стадии его работы при допущениях I-III, отличаются друг от друга до 25%. Учет пластических деформаций привел к увеличению T1 примерно на 80%, при этом величина сейсмической нагрузки уменьшилась вдвое. Допущения I-IV повлияли на форму деформаций здания (рис. I—10,б) и характер распределения усилий между отдельными элементами стен (рис. I—11,а).
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

При решении второй задачи, поставленной в рассматриваемой работе, С. Сачанский и Г. Бранков исходили из обычных для таких случаев положений о бесконечной жесткости перекрытий, сосредоточении в их уровнях массы здания, равноценности всех этажей здания в упругой стадии работы по прочности и жесткости и т. д. В упруго-пластической стадии жесткость здания определялась на основе данных рис. I—10а. Уравнения движения решались методом последовательного интегрирования с изменением матрицы жесткости.
Расчет здания был выполнен при трех значениях T (2,139; 2,853 и 7,755 сек.). При Т = 7,755 сек. вычисленные значения сейсмических сил оказались слишком велики для того, чтобы их можно было использовать в практических расчетах. Однако и при двух других значениях T сейсмическая нагрузка значительно превысила величины, вычисленные в соответствии с нормами.
При выполнении этих расчетов учет пластических деформаций заполнения привел к заметному снижению усилий в панелях нижних, наиболее нагруженных этажей здания (рис. I —11).
Д. Маллик и Р. Северн провели теоретическое и экспериментальное изучение динамических характеристик моделей фрагментов каркасных стен с заполнением I типа. В работе они рассмотрели вопрос затухания колебаний и поглощения энергии при колебаниях панелей в зависимости от характера контакта между заполнением и рамой. Установлено, что усиление этого контакта приводит к увеличению жесткости панелей. Основываясь на приведенных в работе результатах статических и динамических испытаний на перекос малых моделей стен, можно заключить, что до появления диагональных трещин в заполнении гистерезисные пики при возрастающей от цикла к циклу нагрузке ложатся на кривую «нагрузка-перемещение», соответствующую однократному загружению, причем кривая эта близка к прямой (рис. I—12).
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

Характерно, что на этой стадии работы нагрузочная ветвь кривой каждого последующего цикла проходит через пик кривой предыдущего цикла. С появлением в заполнении трещин эта закономерность нарушается. Аналогичный результат был получен в опытах других авторов.
В 1972 г. лабораторией сейсмостойкости зданий ОИСИ были трижды проведены динамические испытания трехсекционного 7-этажного каркасно-каменного здания II типа в ходе его строительства в Кишиневе. Колебания здания возбуждались ударами грузом в местах сопряжений стен. Испытания проводились после возведения 3, 5 и 7 этажей. В табл. I—6 даны значения периодов основного тона собственных колебаний здания. Эти величины удовлетворительно согласуются с данными для зданий с железобетонным каркасом, приведенными в книге С.В. Полякова (рис. I—13).
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий
Динамические характеристики каркасно-каменных зданий

Значения периода основного тона собственных колебании 7-этажного здания, найденные расчетным путем, оказались на 21% выше экспериментальных величин T1. В этой связи напомним, что последние определялись при весьма низких уровнях динамической нагрузки на здание, а испытания каменных зданий с помощью мощных вибрационных машин свидетельствуют о существенном увеличении значения T1 с ростом инерционной нагрузки.
В 1950—1951 гг. И.Л. Корчинским в Москве были осуществлены наблюдения за колебаниями высотных каркасных здании с заполнением. Этими опытами было установлено, что преобладающей формой деформаций таких зданий при горизонтальной нагрузке является сдвиг.
Таким образом, материалы настоящего раздела свидетельствуют о том, что заполнение заметно повышает жесткость каркасных зданий, доводя ее до уровня, характерного для каменных зданий. Однако по мере накопления в заполнении локальных повреждений в виде контурных, горизонтальных и диагональных трещин начальная жесткость каркасно-каменных зданий существенно снижается, приближаясь к жесткости каркаса без заполнения.
Это обстоятельство учитывается «Руководством по проектированию жилых и общественных зданий с железобетонным каркасом, возводимых в сейсмических районах», в соответствии с которым при расчете каркасно-каменных зданий коэффициент динамичности может быть определен с учетом повреждений заполнения.
Согласно методу расчета сейсмических сил, принятому в настоящее время в России и некоторых других странах, увеличение периода собственных колебаний здания сверх T1=0,3 сек. приводит к снижению сейсмической нагрузки. Это обстоятельство породило тенденцию предпочтительного отношения к гибким конструктивным решениям зданий. Получили распространение различные приемы уменьшения жесткости каркасных зданий: маятниковая подвеска сборных стеновых панелей к стойкам каркаса, вынос каменных стен за пределы каркаса, устройство первого гибкого этажа и др.
До сравнительно недавнего времени идея снижения сейсмической нагрузки па здание за счет устройства первого гибкого этажа была весьма популярна. Однако сейчас отношение к этому приему многих специалистов сейсмостойкого строительства стало более осторожным. Причина заключается в неудовлетворительном поведении таких зданий при землетрясениях, а точнее, в неудовлетворительном поведении их гибких этажей, которые получают серьезные повреждения, в то время как в верхних, более жестких этажах повреждения оказываются в допустимых пределах либо практически отсутствуют. Такова была картина поведения многоэтажных каркасно-каменных зданий с первым гибким этажом во время землетрясений в Скопле, Агадире, Сан-Фернандо и Каракасе.
Поскольку затронутый вопрос имеет прямое отношение к каркасно-каменным зданиям, рассмотрим хотя бы в общих чертах специфику реакции гибких и жестких сооружений на сейсмическое воздействие.
Стандартная спектральная кривая, используемая для расчета сейсмических сил, удовлетворительно отражает спектральный состав сейсмических колебаний в эпицентральных районах землетрясений. По мере удаления от очага землетрясения максимумы спектров смещаются в область низких частот.
Известно, что наибольшую опасность для здания представляет явление резонанса в области максимума спектра сейсмического воздействия. Из этого следует, что землетрясения с преобладанием в спектре длиннопериодных колебаний более опасны для гибких зданий, нежели для жестких. При таком характере сейсмического воздействия появление серьезных повреждений в правильно запроектированных и должным образом построенных жестких зданиях маловероятно.
Более опасны для зданий с жесткой конструктивной схемой землетрясения с преобладанием в спектре короткопериодных колебаний. В этом случае в жестком здании могут возникнуть значительные инерционные силы и, как следствие, произойти более или менее серьезные повреждения несущих конструкций. При таком характере динамического воздействия в более выгодных условиях оказываются гибкие сооружения.
Таким образом, при выборе конструктивного решения здания желательно исходить из информации о спектральном составе ожидаемых сейсмических воздействий. Однако получение такой информации пока связано с известными трудностями, более того, в одном и том же районе могут иметь место землетрясения, существенно отличающиеся по спектральному составу колебаний. В качестве примера можно привести г. Душанбе, для которого зарегистрированы землетрясения с близкими эпицентрами, отличающиеся преобладанием в спектре короткопериодных колебаний (0,15—0,3 сек.), и афганские землетрясения с дальними очагами, для которых характерны длиннопериодные колебания почвы (1,0— 2,5 сек.).
При отсутствии достоверной информации о параметрах ожидаемого землетрясения вряд ли будет правомочным предпочтительное отношение как к гибким, так и жестким зданиям. В этом случае требуется своего рода универсальное конструктивное решение, способное обеспечить сохранность здания независимо от спектрального "состава сейсмического воздействия. Здания, отвечающие этому требованию, получили название систем с выключающимися связями. Детальному изучению таких систем посвящен ряд работ Я.М. Айзенберга, Э.Е. Хачияна и других авторов.
Каркасно-каменные здания по характеру работы в динамическом режиме родственны зданиям с выключающимися связями.
В силу обычно высокой начальной жесткости каркасно-каменных зданий сейсмическое воздействие с преобладающими длиннопериодными колебаниями для них не опасно, зато землетрясения, у которых наиболее активная фаза выражена короткопериодными, колебаниями, могут вызвать повреждение стен. Если эти повреждения будут фиксироваться только в заполнении и не распространяться на элементы каркаса, то, как следует из приведенных в настоящем разделе сведений, жесткость здания упадет, в результате чего оно выйдет из резонансного режима работы. Вместе с тем, как будет показано далее, повреждение заполнения при неповрежденном каркасе не снижает несущей способности каркасно-каменных стен.
Из этих особенностей каркасно-каменных стен вытекает основной принцип их проектирования, суть которого заключается в необходимости обеспечения сохранности каркаса здания при появлении трещин в заполнении. Или более коротко: разрушение каркасно-каменных стен всегда должно начинаться с заполнения. Соблюдение этого принципа обеспечивается соответствующим выбором параметров каркаса и заполнения, влияющих на их несущую способность.
При таком условии каркасно-каменные здания можно классифицировать как системы с частично выключающимися связями жесткости. В этой формулировке слово «частично» указывает на то, что, хотя в результате повреждения заполнения жесткость каркасно-каменных стен заметно уменьшается, все же она остается выше, чем у каркасных зданий. Помимо этого, такая формулировка указывает и на то, что повреждение заполнения стен здания приводит к снижению его жесткости, но не прочности.
Наличие в каркасно-каменных зданиях заполнения, играющего роль конструктивных связей, обладающих способностью регулировать жесткость зданий при сейсмическом воздействии и тем самым предохранять его от возможных перегрузок, позволяет в одном конструктивном решении органически объединить достоинства жестких каменных и гибких каркасных зданий, избежав при этом присущих им недостатков.