Настоящий и следующий разделы подготовлены по материалам "Пособия по проектированию многоэтажных жилых и общественных каркасных зданий для строительства в сейсмических районах", разработанного в 1984-1985 гг. ЦНИИСК им. Кучеренко и ТбилЗНИИЭП совместно с ТашЗНИИЭП, АрмНИИСА, ИСМиС АН ГрССР, Казахским Промстрой-НИИпроектом, Казахским отделением ЦНИИпроектстальконегрукция, НИИЖБ, ЦНИИЭП жилища, НИИСА Госстроя КиргССР и ФПИ (Пособие не опубликовано).
Основные конструктивные системы
Каркасы промышленных, жилых и общественных многоэтажных зданий, проектируемых для строительства в сейсмических районах, по способу воспринятия горизонтальных нагрузок могут быть решены: а) по рамной схеме, с жесткими узлами колонн и ригелей, при которой горизонтальные сейсмические нагрузки воспринимаются в основном элементами каркаса; при их проектировании рекомендуется учитывать повышенную деформативность зданий высотой более 12 этажей и с небольшими размерами в плане, а также неравномерность распределения по высоте изгибающих моментов от горизонтальных нагрузок; это затрудняет унификацию элементов каркаса, и с повышением высоты зданий снижает технико-экономические показатели; б) по рамно-связевой схеме, с системами связей и вертикальных диафрагм жесткости, при которой преобладающая часть горизонтальных нагрузок с помощью междуэтажных перекрытий передается на специальные вертикальные элементы жесткости (диафрагмы, связевые блоки, торцевые стены, стены лестничных клеток, лифтовых шахт и т. п.), а некоторая часть горизонтальных нагрузок воспринимается рамами. Применение этой схемы обычно приводит к уменьшению величин и выравниванию изгибающих моментов в элементах рам от горизонтальных нагрузок, благодаря чему облегчается возможность унификации элементов каркаса; диафрагмы, воспринимающие горизонтальную нагрузку, следует устраивать на всю высоту здания регулярно, по возможности часто и симметрично относительно осей здания (отсека); в) по связевой схеме, с шарнирными или податливыми узлами колонн и ригелей, при которой основная часть сейсмических нагрузок воспринимается системами связей, диафрагмами, ядрами жесткости, а каркасы воспринимают только вертикальные постоянные и временные нагрузки; г) по пространственной рамно-связевой схеме, при которой горизонтальные сейсмические нагрузки воспринимаются плоскими рамами с ядрами жесткости, пространственным наружным каркасом с ядром жесткости, пространственным связевым каркасом или пространственным каркасом в виде двух и более систем рам.
Обычно выбор схемы каркаса должен производиться на основе сравнения вариантов и их технико-экономического анализа в зависимости от количества и высоты этажей, размеров сетки колонн, величин ветровой и сейсмической нагрузок, а также грунтовых условий.
Рекомендации по областям рационального применения конструктивных схем многоэтажных каркасных зданий с расчетной сейсмичностю 7-8 и 9 баллов приведены в работе [29].
В практике проектирования нередко используются смешанные решения, когда в одном направлении (обычно поперечном) здания выполняются по рамной схеме', а в другом — по рамно-связевой.
В случаях, когда основанием здания являются большие толщи рыхлых грунтов, предпочтение следует отдавать схемам каркаса, обладающим сравнительно более высокой жесткостью (каркасы с диафрагмами жесткости, с заполнением, включающимся в работу рам и т. п.).
Общие принципы проектирования
Следует отметить, что все требования и рекомендации по проектированию каркасных зданий определяются главой СНиП II-7-81, пособиями к СНиП и другими рекомендательными документами. Высота (этажность) зданий должна назначаться в соответствии с требованиями "Указаний по размещению объектов строительства и ограничения этажности зданий в сейсмических районах" (СН 429-71), а выбор обьемно-планировочных и конструктивных решений, конструкций и материалов — в соответствии с Техническими правилами.
Современный подход к расчету и конструированию каркасных зданий для сейсмических районов ориентирован на широкое применение электронно-вычислительной техники и разработку автоматизированных систем проектирования сейсмостойких зданий [105,106].
Сейсмостойкость многоэтажных каркасных зданий определяется ненаступлением с определенной обеспеченностью при землетрясениях расчетной интенсивности предельных состояний здания в целом и отдельных элементов конструкций [12, 28]. Расчетное предельное состояние здания в целом характеризуется таким состоянием его конструкций, при котором обеспечивается общая устойчивость здания, безопасность находящихся в нем людей, сохранность ценного оборудования. Критерии физических предельных состояний зданий определяют, условия, при которых полностью исчерпывается несущая способность конструкций, здание становится полностью непригодным к эксплуатации или дальнейшая эксплуатация становится невозможной по техническим, социально-экономическим или иным причинам.
Предельные состояния отдельных элементов конструкций (несущих, ненесущих внутренних стен, перегородок и др.) определяются условиями превышения внутренними усилиями, перемещениями или деформациями их допустимых предельных значений.
Сейсмостойкость многоэтажных каркасных зданий, как и зданий с другими конструктивными системами, обеспечивается: выбором благоприятной в сейсмическом отношении площадки строительства; использованием объемно-планировочных решений, конструктивных схем и материалов, соответствующих указаниям п. 1.2 СНиП II-7-81; назначением несущих конструкций, элементов и их соединений в соответствии с результатами расчета зданий при основном и особом сочетании нагрузок, включая сейсмические воздействия; применением специальных конструктивных мероприятий; высоким качеством выполнения строительно-монтажных работ.
Согласно главе СНиП II-7-81, при проектировании зданий для строительства в сейсмических районах следует учитывать интенсивность сейсмического воздействия в баллах (сейсмичность) и его повторяемость. Интенсивность и повторяемость принимаются по картам сейсмического районирования территории СССР (прил. 1 и 2 СНиП), в которых сейсмичность относится к участкам со средними по сейсмическим Свойствам грунтами (II категории согласно табл. 1 норм). Сейсмичность "строительной площадки должна определяться на основе сейсмического микрорайонирования (МСР), а для районов, где карты МСР отсутствуют, допускается ее определять по табл. 1 норм.
Расчетные сейсмические нагрузки и конструктивные мероприятия по обеспечению сейсмостойкости зданий принимаются в зависимости от их расчетной сейсмичности, которая устанавливается по согласованию с утверждающей проект организацией в соответствии с табл. 5 норм.
К основным требованиям по проектированию каркасных зданий для сейсмических районов относятся следующие: применять, как правило, симметричные решения с равномерным распределением масс и жесткостей и устраивать антисейсмические швы в зданиях со сложным очертанием в плане или с разными конструкциями отдельных участков; стремиться к максимальному снижению массы несущих и ограждающих конструкций за счет применения легких эффективных материалов и компоновки конструкций; обеспечивать возможность развития в железобетонных каркасах пластических деформаций, а жесткие узлы каркасов усиливать применением сварных сеток, спиралей или замкнутых хомутов, особое внимание уделять усилению поперечной арматурой зон действия максимальных перерезывающих сил; обращать внимание на сопряжения сборных и сборно-монолитных конструкций, избегать хрупких соединений, неспособных к развитию упругопластических деформаций; при замоноличивании сопряжений обеспечивать с помощью выпусков арматуры, устройством шпонок и другими мероприятиями надежную связь укладываемого на место бетона с бетоном сборных конструкций; стремиться к укрупнению элементов и сокращению числа соединений при разрезке сборных с сборно-монолитных каркасов; обеспечивать при применении стальных каркасов возможность использования пластических резервов работы материала отдельных элементов и узлов, а также путем постановки специальных устройств энергопоглотителей, упругофрикционных соединений на высокопрочных болтах и др.; развитие пластических деформаций допускается, как правило, в элементах, работающих на изгиб и сдвиг, которые должны иметь конструктивные формы, характеризующиеся низким уровнем концентрации напряжений; области (зоны) развития пластических деформаций следует выносить из зон сварных и болтовых соединений.
При проектировании несущих конструкций высоких зданий (более 16 этажей) целесообразно применять каркасы рамно-связевой и связевой схем (с диафрагмами, связями или ядрами жесткости), отдавая предпочтение конструктивным схемам, в которых зоны пластичности возникают в первую очередь в горизонтальных элементах каркаса (ригелях, перемычках, обвязочных балках и т. п.). Кроме того, при проектировании высоких зданий, помимо деформаций изгиба и сдвига в колоннах каркаса, следует учитывать осевые деформации, а также податливость оснований и производить расчет на устойчивость против опрокидывания от действия горизонтальных сейсмических нагрузок.
Особого внимания заслуживают здания с одним или несколькими каркасными нижними этажами с несущими стенами, диафрагмами или каркасом с заполнением. Частные случаи серьезных повреждений и разрушений таких зданий при землетрясениях обусловливают необходимость соблюдения дополнительных мероприятий для обеспечения устойчивости зданий и пластической работы конструкций каркасных нижних этажей. Строительство таких зданий, как и любых высоких зданий, на площадках, сложенных грунтами III категории, для которых характерны относительно длиннопериодные колебания грунта, нормами запрещено.
Проектирование железобетонных каркасов
При соединении плит сборно-монолитных перекрытий между собой и с ригелями допускается применение замоноличивания стыков с петлевыми соединениями арматуры, перепуском ее внахлестку без сварки в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01-84 или другими экспериментально проверенными способами стыковки арматуры.
Сопряжения элементов сборного и сборно-монолитного железобетонного каркаса следует проектировать, обеспечивая необходимую устойчивость как отдельных элементов, так и каркаса в целом на всех стадиях сборки. С этой целью допускается применять монтажные приспособления, рассчитываемые на воспринятое нагрузок от собственного веса конструкций, ветра и монтажных нагрузок.
Тенденции к максимальному повышению технологичности монтажа строительных конструкций диктуют целесообразность широкого использования зарубежного передового опыта по применению соединений элементов на болтах, в том числе высокопрочных, зажимах и с использованием других приспособлений заводской готовности, а также экономичных закладных изделий (нормальных и наклонных анкеров, холодноштампованных деталей и др.).
В соответствии с результатами последних исследований НИИЖБ, ЦНИИСК им. Кучеренко, ТбилЗНИИЭП на основе обобщения результатов анализа последствий землетрясений разработаны рекомендации по конструированию центральных зон жестких узлов железобетонных каркасов.
Несущую способность центральной зоны жесткого узла соединения ригеля с колонной следует обеспечивать выше несущей способности по граневым сечениям примыкающих к узлу ригелей и колонн. В граневых сечениях ригелей и колонн, примыкающих к центральной зоне узла, суммарная несущая способность колонн по изгибающему моменту при наиболее неблагоприятном сечении продольных сил должна быть не менее суммарной несущей способности ригелей при работе на изгиб.
Центральную зону жестких узлов рам каркаса, воспринимающих сейсмическую нагрузку, рекомендуется рассчитывать на прочность от действия знакопеременных усилий в сечениях по границам центральной' зоны узла. Величины этих усилий (М, Q, N) в рассчитываемом узле определяются для расчетной комбинации усилий при особом сочетании нагрузок сечения колонны над узлом и соответствующих усилий в остальных элементах, примыкающих к узлу. Разработанная методика более полно отражает физическую картину сложного напряженно-деформированного состояния узлов при сейсмических воздействиях.
Проектирование стальных каркасов
При проектировании стальных каркасов многоэтажных зданий первостепенное значение для обеспечения высокой степени их сейсмостойкости имеет выбор материалов для элементов и соединений несущих конструкций, рациональная компоновка объектов в целом и отдельных элементов конструктивных систем, при которой рационально используются способность стали к развитию пластических деформаций, а также обеспечение технологичности и индустриальности проектных решений. Требования к экономному расходованию стали в строительстве определяют целесообразность создания унифицированных технических решений и методов расчета стальных конструкций на сейсмические воздействия. Как показано в п. 2.1, мнение некоторых инженеров-конструкторов и архитекторов о возможности строить из стали сооружения с любыми конструктивными схемами, в силу "природной живучести" стальных конструкций не обоснованно и опровергается опытом последних землетрясений (например, последним катастрофическим землетрясением в Мехико, 19 сентября 1985 г.).
Для элементов и соединений стальных каркасов, работающих в упругой стадии при землетрясениях расчетной интенсивности, марки стали назначаются по табл. 50 СНиП 11-23-81. Элементы, в которых допускается развитие пластических деформаций, относятся к специальной подгруппе третьей группы в соответствии с п. 4.4.1. СТ СЭВ 3972—83: "конструкции, работающие на сейсмические нагрузки и непосредственно их воспринимающие, в которых развитие пластических деформаций сопровождается образованием пластических шарниров и расчет которых на особое сочетание нагрузок выполняется без учета перераспределения изгибающих моментов".
К таким конструкциям предъявляются следующие требования: рекомендуется, чтобы сталь имела площадку текучести длиной не менее 6Ry/E и отношение нормативных сопротивлений Run/Ryn > 1,3 a Ry ? 380 МПа; при касательных напряжениях ? > 0,5 Rs следует учитывать влияние поперечной силы на предельное значение изгибающего момента; перемещения изгибаемых элементов следует ограничивать исходя из предельных перемещений каркасов зданий в целом или отдельных их этажей.
Марки стали, рекомендуемые для изготовления элементов конструкций, в которых допускается развитие пластических деформаций, приведены в табл. 2.1 [66].
В рамных стальных каркасах сварные узловые соединения двутавровых ригелей с колоннами замкнутого коробчатого и двутаврового сечений могут проектироваться двух типов: с накладками (рыбками), прикрепляющими полки ригелей к колоннам, и без накладок (рис. 2.7).
Соединения без накладок более предпочтительны, надежны в работе, позволяют создавать зоны развития контролируемых пластических деформаций, но для их выполнения требуется повышенная точность изготовления и монтажа, а также дополнительные операции (фрезеровка торцов ригелей, устройство вырезов в поясах и др.).
В случае создания зоны развития пластических деформаций вне узлового соединения расчет самого соединения .следует выполнять в предположении упругой работы, а расчет выполнять в соответствии с рекомендациями "Пособия". Условную гибкость стенки колонны в зоне узлового соединения следует ограничивать величиной
В рамно-связевых и связевых каркасах колонны рекомендуется проектировать из широкополочных двутавров, крестового, замкнутого, квадратного и трубчатого сечения (первому решению следует отдавать предпочтение при проектировании связевых каркасов). Ригели связевых и рамно-связевых каркасов целесообразно проектировать из Прокатных широкополочных двутавров или сварных .двутавров с гофрированной стенкой. Узловые сопряжения и системы связей должны обеспечивать схему работы каркасов при землетрясениях в соответствии с принятыми на стадии проектирования расчетными динамическими моделями и расчетными схемами.