CC BY
13Металлические колонны нижних этажей
как элемент сейсмоизоляции зданий и сооружений
о см о см
сч
о ш т
X
<
т о х
X
Ольфати Рахмануддин Садруддин,
доцент, кандидат технических наук, Инженерная академия Российский университет дружба народов, dr.ulfati@mail.ru
Во время землетрясения основание сооружения вместе с фундаментом подвергаются вынужденным динамическим перемещениям. Вследствие этого в сооружении генерируются горизонтальные силы инерции, которые становятся причиной его повреждений. В настоящей статье рассматриваются параметры сейсмических воздействий, зависящих от свойств очага землетрясения, свойств грунтовой среды, влияющие на возможности эффективной сейсмоизоляции зданий и сооружений с применением металлических колонн нижних этажей. Указаны причины разрушения колонн нижних этажей из железобетона. Рассмотрен метод снижения влияния сейсмической нагрузки значительных горизонтальных перемещений сооружений в неупругой области деформирования. Представлены результаты анализа основных систем сейсмоизоляции с позиции современных действующих норм проектирования. Для практического проектирования рекомендован алгоритм расчёта сейсмоизоляции со стальными колоннами нижних этажей.
Ключевые слова: Сейсмоизоляция, металлические колонны, снижение влияния сейсмической нагрузки, алгоритм расчёта сейсмоизоляции.
Во время землетрясения основание сооружения вместе с фундаментом подвергаются вынужденным динамическим перемещениям. Вследствие этого в сооружении генерируется горизонтальные силы инерции, которые становятся причиной его повреждений. Возникает естественный вопрос: нельзя ли заранее в сооружении установить некоторый внешний возбудитель колебаний, включающийся в момент начала землетрясения и синхронно вызывающий в нем горизонтальные силы противоположного инерционным сейсмическим силам направления, и тем самым, полностью или частично нейтрализующий сейсмическое воздействие на сооружение.
Аналогичную цель преследует известная задача о гашении колебаний при землетрясении путем создания в сооружении специального колебательного устройства (гасителя колебаний), поглощающего некоторую часть энергии колеблющего от землетрясения сооружения и обеспечивающего снижение уровня сейсмических инерционных сил на основные несущие элементы сооружения.
В результаты исследований механизмов сейсмических разрушений железобетонных конструкций, из которых следует, в частности, что причиной массовых разрушений зданий с гибкими нижними этажами было то, что в качестве материала колонн нижних этажей практически во всех случаях разрушений принимался железобетон. При этом, в сложившейся практике строительства, применялись тонкие колонны, нагруженные значительными осевыми нагрузками от вышележащих этажей. Такие колонны не в состоянии сопротивляться комплексному воздействию вертикальных, гравитационных и сейсмических нагрузок. При относительно больших горизонтальных сейсмических перемещениях материал железобетонных колонн подвергается трещинообразова-нию и выкрашиванию. Разрушения железобетонных колонн являлись причиной лавинообразных обрушений зданий с гибкими нижними этажами.
Некоторые авторы, вместо железобетонных колонн, рассматривали колонны из пластичной стали как элемента сейсмоизоляции. В отличие от железобетонных колонн, колоны из стали - относительно однородного материала, способного к значительным неупругим деформациям, могут сопротивляться значительным вертикальным нагрузкам при относительно больших горизонтальных перемещений. Поэтому такие колонны могут использоваться в качестве элементов простой и сложной сейсмоизоляции.
В [4] исследованы параметры стальных колонн: выбор сечений осуществлялся с учетом устойчивости, прочности и горизонтальной жесткости колонн как элементов сейсмоизоляции.
В настоящей статье представлены результаты анализа основных систем сейсмоизоляции с позиции современных действующих норм проектирования.
Рассмотрены две основные характеристики: горизонтальная жесткость колонн, влияние которой в явном виде определяется коэффициентом в (рис.1), и неупругие деформации и горизонтальные перемещения, влия-
ние которых количественно определяется коэффициентом К, представлен практический алгоритм расчета колонн как элемента системы сейсмоизоляции.
Снижение сейсмической нагрузки путем регулирования жесткости и спектров собственных частот сооружения.
Таблица 1
Максимально возможные величины снижения расчетной сейсмической нагрузки в сейсмоизолированных сооружениях за
Соотношение:
№ Величины Ti, с, для сейсмоизо-лированного сооружения для грунтов: Кратность максимального снижения р, в сей-смоизолированной системе в сравнении с жестким зданием
I и II категорий III категории
1 1,6 3,2 2
2 1,6 - 3,9 3,2 - 7,75 2 - 3,1
3 > 3,9 > 7,75 3,1
Рис.1. График влияния р/ [9]
Согласно [2] расчетная сейсмическая нагрузка сейсмоизолированных объектов определяется, в основном, двумя коэффициентами, р, и К, в формулах (1) и (2).
График р, имеет три характерные точки, отвечающие периодом Т,1, Т,2 и 7Ъ.
Горизонтальный участок, отвечающий максимуму р, =2,5, находится в диапазоне Ти <Т:<Т:2. Минимальное значение р,= 0,8 соответствует значениям 7/>7й.
■ = — = 3,13 определяет макси-
ßi min
мально возможное снижение расчетной сейсмической нагрузки за счет регулирования горизонтальной жесткости, согласно [2].
Величины Ti2 и Ti3 зависят от категории грунта. Для грунтов 1 и 2 категории Т12 =0,4, Т13 = 3,9с. Для грунтов 3 категории Т12 =0,8, Т13 = 7,75 с.
В табл.1 представлены результаты оценки предельных величин снижения расчетной сейсмической нагрузки за счет снижения горизонтальной жесткости, периодов колебаний и, следовательно, величин ßi для случая, когда Т1 < 0,4c, где 7\- это период основного тона жесткого здания (без применения сейсмоизоляции). Конечно, при Тг >0,4 с цифры будут несколько иными.
Использование колонн в нижних этажах зданий с относительно жёсткими верхними этажами (когда без использования сейсмоизоляции периоды колебаний находятся в пределах Т1 <0,4 с) при обычных габаритах и сечениях колонн, которые используются на практике, позволяет получить периоды основного тона собственных колебаний, как правило, не более 1,5 - 2,5с, что способствует снижению расчетной сейсмической нагрузки примерно в 2 раза для грунтов 1 и 2 категории. Существенный эффект сейсмоизоляции для грунтов III категории за счет регулирования ßi в обычных случаях оказывается вообще нереалистичным.
Таковы пределы возможностей использования графика ßi при проектировании сейсмоизоляции.
Изложенные соображения относятся не только к системам сейсмоизоляции. Они вообще характеризуют численные границы возможного снижения величин расчетной сейсмической нагрузки на сооружения за счет изменения жесткости, собственных частот и коэффициента ßi , согласно ныне действующим нормам [2].
Следует заметить, что по мнению многих специалистов конфигурация графика ßi [2] приводит к излишне консервативным, завышенным величинам сейсмических нагрузок для относительно гибких сооружений с периодами T более 0,4с и 0,8с для грунтов I-II и III категорий, соответственно.
В нормах проектирования США, Италии, Франции и большинства других стран значения относительных ординат стандартного спектра сейсмической реакции и, следовательно, величины расчетной сейсмической нагрузки значительно ниже, чем в нормах России, а в нормах проектирования сейсмоизоляции минимальное значение расчетного спектра реакции вообще не ограничивается [б].
Следует отметить, что этот вопрос является темой отдельного исследования.
Снижение влияния сейсмической нагрузки значительных горизонтальных перемещений сооружений в неупругой области деформирования
Допускаемые повреждения и неупругие деформации учитываются в (1) коэффициентом Ki [2]. В нормах зарубежных стран используются аналогичные коэффициенты редукции, которые по физическому смыслу обратно пропорциональны Ki.
Рассмотрим несколько подробнее физический смысл и возможности регулирования Ki
Соответствующие формулировки в [2] и в нормах многих других стран являются по существу интуитивными, экспертными, весьма приближенными, хотя и полезными оценками, в отсутствии иных оценок. Подобные подходы не являются необычными при разработке нормативных документов стран.
Рассмотрим вкратце наиболее традиционное обоснование коэффициентов типа Ki (рис.2).
Рис. 2. Зависимость между горизонтальной сейсмической силой Э и горизонтальным перемещением х системы
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О
м о
о
CS
о
CS CS
о ш m
X
<
m о x
X
Величина -221 = R0 называется в зарубежных нормах коэффициентом редукции. Здесь Sт - усилие, отвечающее пределу упругих деформаций упругопластиче-ской системы. Физический смысл коэффициента й0 состоит в снижении расчетной сейсмической нагрузки в зависимости от величин максимально возможных (допускаемых) неупругих перемещений.
Приближено й0 = (1)
Коэффициентом Кто существу - это величина, обратная й0
(2)
где xsmax - максимальное сейсмическое перемещение неупругой системы (сейсмические реакция), принимаемое, согласно правилу Н.Ньюмарка, равным максимальной сейсмической реакции упругой системы, т.е. перемещению, отвечающему силе Smax (см. рис. 2).
Для количественной оценки способности системы к неупругим деформациям в зарубежной литературе широко применяется коэффициент «дактилити фактор», который иногда переводится на русский язык как коэффициент пластической податливости. Величина р равна отношению максимального перемещения к предельному упругому перемещению (см. рис. 2), т.е.
(3)
хт
Следует различать два типа величин у. одна из них ^s, характеризует xsmax, т.е. величину xsmax, определяемую по спектру сейсмической реакции.
В англоязычной литературе соответствующие величины xsmax и у называют «demands», т.е. величины, вычисленные как сейсмическая реакция системы, как «воздействие». Другая - это величины хтах и ^^ , ха-
хт
растеризующие предельные допустимые перемещения, не зависящие от сейсмической реакции, отвечающие предельному состоянию системы, и определяемые экспериментальным путем или аналитически. Превышение величины перемещений хтах и ртах означает разрушение системы. Эти величины называют в англоязычной литературе «supplies», они характеризуют запас несущей способности системы.
Сейсмическая надежность системы может условно оцениваться традиционными неравенствами.
!%тах — %smax
№тах — №smax
На рис. 2 представлено, что существует обратная зависимость. чем ниже расчетная сейсмическая нагрузка St, тем выше величина ^smax и наоборот.
Предел возможного снижения Sтопределяется равенством.
(5)
Соответственно, из (3)
К1 = . (6)
Xsmax Хтах
Определим величины Хтах для стальных колонн, расположенных в нижних этажах здания.
Величина хт для внецентренно нагруженной стальной колонны определяется обычными методами расчета стальных конструкций.
Максимальные, предельные, горизонтальные перемещения колонн зависят от нескольких факторов, включая свойства стали (хрупкая, пластичная). Для случая мягкой стали, решающим фактором, определяющим
предельные горизонтальные перемещения, является вертикальная нагрузка. В некоторых случаях необходимо учитывать кумулятивный эффект от многократных повторных нагружений. В случае сейсмических движений наиболее важным является максимальное горизонтальное перемещение Хтах элемента, под действием вертикальной нагрузки Р. Приближенно будем определять максимальное горизонтальное перемещение, пользуясь правилом «пи-дельта», означающим равенство изгибающих моментов от вертикальных сил Р на горизонтальном перемещении А (дельта), где А = Хтах, и от горизонтальных сейсмических сил на соответствующем расчётном «плече» (обычно высота колонны или часть высоты, в зависимости от типа соединений).
Простейшая расчетная модель представлена на рис.3.
Условие равенства изгибающих моментов запишется в виде:
БтН = РА, (7)
где Sт- горизонтальная сейсмическая нагрузка; Н - высота приложения S; Р-вертикальная нагрузка.
(4)
Рис.3. Расчетная модель системы
В общем случае Р = О + Бо, т.е. включает статическую нагрузку О (собственный вес и полезные нагрузки), вертикальную составляющую сейсмической нагрузки, и осевые нагрузки на колонны Бо от опрокидывающего момента.
Практически значимы величины Бо только при расчете высоких зданий - выше 15-20 этажей.
В сейсмоизолируемых зданиях средней высоты: P = Q+ 5, (8)
Подставляя Р в (7), получим величину максимального допускаемого горизонтального перемещения:
Хтах = Д= (9)
Эквивалентные величины К получим, подставляя хт и Хтах в (6):
Для зданий средней высоты:
КЛ =
хт (.Q+Sy)
SH H
Для высоких зданий:
КЛ =
хт (Q+S„+S0) SH H
(10)
(11)
В формулах (10) и (11) содержатся основные физические факторы, определяющие величины К^^.
Эффект сейсмоизоляции может быть оценён коэффициентом Cs:
£ _ _ ^ifc
^ Ki,s
Sjk St '
где K1 - коэффициент для несейсмоизолированного здания;
Klsl - коэффициент К1 для здания, оснащенного сей-смоизоляцией.
Заключение
Для практического проектирования рекомендуется к выполнению следующий алгоритм применения и расчёта сейсмоизоляции со стальными колоннами в нижнем этаже.
1. Объемно-планировочным решением с учетом особенностей конструктивного исполнения определяется высота колонн H;
2. Сечение колонн устанавливается из условия устойчивости колонны при данной вертикальной нагрузке Q;
3. При известных габаритах колонн (высота, сечение) определяется расчетная сейсмическая нагрузка Smax и Xs,max, а также величины хт и St, характеризующие предел упругой работы колонн;
4. При известных параметрах St, Q, H по формуле (9) определяется значение максимального перемещения XmaX;
5. Соответствие надежности определяется из условий (4):
%тах ^^s,max U—Us,max
6. Если условие п.5. не выполняется, производится сечение колонн и процедура п.1-п.5 повторяется до выполнения условия п.5.
7. Итоговое установление конструктивных характеристик.
Выводы
1. Определяя и устанавливая параметры стальных конструкций колонн, в рамках регулирования собственной жёсткости и периодов собственных колебаний, расчетная сейсмическая нагрузка может быть снижена, в рамках СНиП II-7-81*, в пределах 2-3 раз.
2. Величина расчётной сейсмической нагрузки на вышележащие этажи сейсмоизолированного здания может быть весьма существенно снижена за счет регулирования допустимых горизонтальных перемещений колонн в неупругой области, повышения величины хтах и д а также снижения коэффициента К1 (в терминах [2]).
3. Величина предельных неупругих деформаций и Cs существенно зависит от вертикальной нагрузки P.
4. При прямом динамическом расчете сейсмоизо-ляции в функций времени с использованием расчетных акселерограмм определяется величина хтах и из условий (4) оценивается надёжность системы.
Литература
1. Корчинский И.Л. Сейсмостойкое строительство зданий. М., 1971 г.
2. СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах». Москва, 2000.
3. Айзенберг Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. - М.: Стройи-здат, 1976.
4. Васильева А.А. Оптимизация параметров стальных колонн как элемента сейсмоизоляции. // V Российская конференция по сейсмостойкому строительству, г. Сочи.
5. Eisenberg J., Smirnov V., Vasylieva A. Progress in Application of Seismic Isolation. Yerevan, 2003.
6. Skinner R.I., Robinson W.H., McVerry G.H. An Introduction to Seismic Isolation John Wiley and Sons. 1993.
7. Черепинский Ю.Д. Сейсмоизоляция жилых зданий. Алматы, 2003.
8. Москолёв Н.С. Сейсмостойкое строительство. Сборник статей. М., 1999г.
Metal columns of the lower floors as element part of the
seismic isolation of buildings and structures Olfati Rahmanuddin Sadruddin
Peoples Friendship University of Russia
During an earthquake, the foundation of the structure, together with the foundation, undergoes forced dynamic movements. As a result, horizontal inertia forces are generated in the structure, which cause its damage. This article discusses the parameters of seismic effects, depending on the properties of the earthquake, the properties of the soil environment, affecting the possibility of effective seismic isolation of buildings and structures using metal columns of the lower floors. The reasons of destruction of columns of the lower floors from reinforced concrete are specified. The method of reducing the influence of seismic load of significant horizontal displacements of structures in the inelastic deformation region is considered. The results of the analysis of the main seismic isolation systems from the position of modern existing designing standards are presented. For practical design the algorithm of calculation of seismic isolation
with steel columns of the lower floors is recommended. Keywords: Seismic isolation, metal column, reducing the impact of
seismic loads, the algorithm of calculation of seismic isolation References
1. Korchinsky I.L. Earthquake-resistant building construction. M.,
1971
2. SNiP II-7-81 * "Construction in seismic areas." Moscow, 2000.
3. Eisenberg, Y. M. Off-line facilities for seismic areas. - M .: Stroyizdat, 1976.
4. Vasilieva A.A. Optimization of parameters of steel columns as an
element of seismic isolation. // V Russian Conference on Earthquake Engineering, Sochi.
5. Eisenberg J., Smirnov V., Vasylieva A. Progress in Application of
Seismic Isolation. Yerevan, 2003.
6. Skinner R.I., Robinson W.H., McVerry G.H. An Introduction to
Seismic Isolation John Wiley and Sons. 1993.
7. Cherepinsky Yu.D. Seismic isolation of residential buildings. Almaty, 2003.
8. Moskolev N.S. Earthquake-resistant construction. Digest of articles. M., 1999
X X О го А С.
X
го m
о
2 О M
о
