Особенности расчета каркасных зданий на сейсмические воздействия

Расчет многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия (точнее на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий) необходимо выполнять в соответствии с требованиями главы СНиП 11-7-81. При этом необходимо учитывать особенности предельных состояний многоэтажных каркасов [28], их объемно-планировочных и конструктивных решений.

Расчет на сейсмические воздействия включает следующие этапы: устанавливается расчетная сейсмичность здания; производится выбор, расчетной динамической модели здания и устанавливаются ее параметры; определяются расчетные сейсмические нагрузки, действующие на здание, и соответствующие им усилия в элементах конструкций, их деформации (перемещения); выполняется проверка несущей и деформационной способности конструкций и их соединений.

В соответствии с рекомендациями СНиП расчет следует выполнять: на условные статические нагрузки, определяемые на основе спектральных коэффициентов динамичности (коэффициентов ?) в предположении упругого деформирования конструкций — п. 2.2а СНиП (по расчетным предельным состояниям группы Iа); с использованием инструментальных записей ускорений основания при землетрясениях, наиболее опасных для данного здания, а также синтезированных акселерограмм — п. 2.2б СНиП (по расчетным предельным состояниям группы Iб); при этом максимальные амплитуды ускорений оснований следует принимать не менее 100, 200 или 400 см/с² при сейсмичности площадок строительства 7, 8 и 9 баллов соответственно.

При динамических расчетах по п. 2.2б необходимо учитывать возможность развития в конструкциях пластических деформаций, остаточных сдвигов, повреждений отдельных элементов, а также изменение внутренней динамической структуры зданий во время сейсмических воздействий, пространственную работу, взаимодействие с грунтом и окружающей средой.

Расчет по пункту а следует выполнять для всех зданий, а расчет по пункту б - при проектировании особо ответственных и высоких зданий (более 16 этажей).

В связи с необходимостью накопления в ближайшие годы опыта динамического расчета зданий с использованием акселерограмм, который постепенно будет все шире входить в практику инженерных расчетов, целесообразно также выполнять его при проектировании каркасных зданий высотой более 12 этажей при расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов, высотой более девяти этажей при расчетной сейсмичности 9 и более баллов, зданий с одним или несколькими каркасными нижними этажами и вышележащими этажами жесткой конструктивной схемы, зданий с системами активной сейсмозащиты.

Несущая и деформационная способность конструкций определяется по наиболее неблагоприятной из двух расчетных проверок.

Выбор расчетных акселерограмм и динамический расчет зданий на первом этапе необходимо выполнять проектным институтам совместно с научно-исследовательскими институтами, специализирующимися в области сейсмостойкости сооружений.

Расчетные предельные состояния каркасных зданий, их элементов и узлов при расчете по п. 2.2а (на условные расчетные сейсмические воздействия) определяются прочностью и устойчивостью, а также условиями непревышения расчетных предельных деформаций (перемещений, относительных перекосов этажей) группы 1а для обеспечения сохранности элементов стенового ограждения и заполнения, перегородок, для недопущения выхода из работы (отказа) отдельных элементов несущих конструкций.

Предельные состояния зданий, их элементов и узлов при расчетах по п. 2.26 определяются параметрами расчетных предельных деформаций (перемещений, углов поворота, относительных перекосов этажей и т. п.) группы 16 при полном использовании резервов прочности, а также параметрами относительной энергоемкости конструкций. Параметры расчетных предельных состояний устанавливаются из условия сохранения прочности и устойчивости каркасных зданий от полного или частичного разрушения, ненаступления полной непригодности зданий к эксплуатации, возможности восстановления поврежденных при землетрясениях конструкций для дальнейшей эксплуатации зданий.

Рекомендации по параметрам расчетных предельных состояний групп 1а и 16 каркасных зданий при расчетах соответственно по п. 2.2а и 2.2б СНиП приведены в Пособии к главе СНиП II-7-81. Их допускается уточнять на основании экспериментальных исследований по согласованию с Госстроем СССР и институтами - составителями Пособия.

Расчетные динамические модели каркасных зданий должны, по возможности, отражать все инерционные, жесткостные, прочностные и диссипативные характеристики работы конструкций, а также учитывать пространственный характер работы и взаимодействие конструкций с грунтом.

Выбор расчетной динамической модели является одним из наиболее ответственных этапов расчета и определяется объемно-планировочным и конструктивным решениями здания, характером распределения масс, жесткостей и параметров прочности в плане и по высоте здания, степенью взаимодействия его несущих и ненесущих конструкций, взаимодействия с грунтом, принятой моделью представления сейсмического воздействия, т. е. степенью полноты исходной сейсмологической информации.

Переход к более сложным расчетным динамическим моделям позволяет с большей точностью отразить в расчетах работу здания, выявить не учитываемые простыми моделями эффекты и закономерности, но требует более детальной исходной информации и затрат машинного времени. Такой переход возможен при наличии соответствующих методов динамического анализа, алгоритмов и программ расчета, методов анализа получаемых результатов.

Подобные рекомендации по выбору расчетных динамических моделей каркасных зданий, расчетных акселерограмм, методики динамических расчетов, проверке и оценке их результатов, оценке состояния конструкций на стадии проектирования приведены в Пособии к главе СНиП II-7-81.

В качестве расчетных значений параметров реакции каркасных зданий (ускорений, перемещений и соответствующих им усилий в элементах несущих систем) по результатам динамического расчета рекомендовано принимать: максимальные значения всех параметров реакции за весь период колебаний здания при одном расчетном сейсмическом воздействии или наборе (ансамбле) воздействий; максимальные значения одного из параметров реакции (перемещения или ускорения этажа или яруса, деформации отдельных сечений и элементов) и соответствующие ему в тот же момент времени параметры реакции (перемещения или ускорения конструкций остальных этажей или ярусов, деформации сечений и элементов).

Проверку предельных деформаций и устойчивости необходимо выполнять при всех возможных расчетных сочетаниях параметров реакции.

Найденные по результатам динамического расчета значения параметров реакции D_dyn. определяют деформации (перемещения) , которые должны иметь несущие конструкции, чтобы выдерживать расчетные сейсмические воздействия.

Параметры расчетных предельных состояний max D_lim определяют верхнюю границу деформаций (перемещений), которой могут достигать конструкции, еще обеспечивая несущую способность (прочность и устойчивость) здания и ненаступление полной его непригодности к эксплуатации.

Основная расчетная проверка заключается в выполнении условия

Следует обратить внимание, что в литературе, прежде всего зарубежной, часто приводятся нижние оценки параметров min D_lim, которые конструктивно определяют минимально необходимые и гарантируемые с высокой степенью обеспеченности значения параметров расчетных предельных состояний D_lim.

Числовые значения параметров min D_lim определяются на основе анализа последствий землетрясений, натурных и модельных испытаний зданий, их крупномасштабных моделей и фрагментов, отдельных элементов систем несущих конструкций и их сопряжений в условиях знакопеременного циклического нагружения, расчетного анализа экспериментальных данных и сейсмической реакции сооружений. Таким образом обеспечивается взаимосвязь разных направлений научных исследований и адекватное их отражение в нормативных документах по сейсмостойкому строительству. На повестке дня стоят задачи оценки на стадии проектирования степени сейсмостойкости зданий при расчетных сейсмических воздействиях, прогнозирования состояния объектов проектируемой и существующей застройки при ожидаемых землетрясениях. Актуальность решения этих задач (в сочетании с разработкой новых эффективных методов сейсмозащиты зданий и сооружений) подтверждает целесообразность совершенствования методики расчета сейсмостойких зданий по предельным состояниям, количественных характеристик повреждения зданий и элементов несущих конструкций при землетрясениях, методики принятия решений при ликвидации их последствий [28, 82, 83].