Учебное пособие по дисциплине Сейсмостойкость зданий и транспортных сооружений для студентов специальности 290900 Изыскание, проектирование и постройка железных дорог, путь и путевое хозяйство
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
Глава 2. Сейсмостойкость зданий и сооружений 2.1. Определение сейсмической нагрузки, действующей на здания и сооружения Краткая история и основные направления развития теории сейсмостойкости. Статическая теория. Сейсмические наблюдения в своей простейшей форме велись с древнейших времен. Одновременно с изучением землетрясений возникали и попытки защищать от их здания и сооружения. Анализ расположенных в сейсми с е, н ческих районах памятников древней архитектуры а опасность землетрясений и предусматривали специальные меры компоновки и защиты конструкций. Но на эмпиризме и инжен Первая опытка создать теоретические методы расчета и проектирования сейсмостойких о ваний Омори разработал методику опр е свести к Омори показывает, что строители учитывали тогд антисейсмические мероприятия древности базировались ерной интуиции. п зданий и сооружений была сделана в 1900 году японским ученым Омори. Для анализа сейсмических сил в сооружениях Омори проводил опыты с кирпичными столбиками, которые устанавливались на сейсмической платформе. Платформе сообщались гармонические колебания в горизонтальной плоскости. Увеличением интенсивности колебаний столбики доводили до разрушения, что давало возможность пределять наибольшие ускорения и соответствующие им разрушающие инерционные силы. На основании этих исследо еделения сейсмических сил, получившую название статической теории сейсмостойкости. Этой теорией не учитывались деформации сооружения, его колебания сводились лишь к переносному движению всех точек сооружения вместе с основанием, а сейсмические силы определялись по формуле S = к С Q , где к С = w 0 / g. Здесь w 0 - максимальное сейсмическое ускорение основания. Значение статической теории для развития теории сейсмостойкости состояло в том, что в ее рамках впервые удалось получить количественную, хотя и приближ нную, оценку сейсмических сил, т.е. проектирование сейсмостойких сооружений обычной инженерной задаче. Однако очевидно, что статическая теория приближенно справедлива лишь для весьма жестких сооружений, деформации которых, по сравнению со смещением основания, пренебрежимо малы. Для высоких зданий, в которых неравномерность деформаций по высоте значительна, теория 22 не позволяла получать верные результаты. Опыт последующих землетрясений наглядно показал недостатки статической теории. Постепенно стало очевидным, что поведение сооружения при землетрясении ависит также и от его свойств. Что обоснованное решение задач сейсмостойкости возможно з динамических только в рамках дина о с р ле ормула для опре к Мононобэ является игнорирование начальной фазы сейсмических кол ос а К вать сейсмические колебания грунта как гармонические по закону косинуса. При этом задач . Сейсмическая сила β ). и землетрясений. Важными можно назвать также исследования показавших большое влияние не у сейсмических сил. Резу ю мической теории. Динамическая теория. Первая попытка создать динамическую теорию была сделана японским ученым Мононобэ в 1920 году. Он принял, что основание сооружения совершает колебания по гармоническому закону и рассмотрел вынужденные к лебания ооружения, п едстав нного в виде системы с одной степенью свободы. Мононобэ была получена ф деления сейсмической силы S = С ⋅ β ⋅Q. Это выражение отличается от формулы Омори наличием дополнительного коэффициента динамичности β , который для системы с одной степенью свобода имеет вид β = 1 / (1-Т 2 / Т 2 0 ), где Т - период собственных колебаний сооружения; Т 0 - период колебаний основания при землетрясении. Недостатком исследований ебаний. В общей форме новы динамического метод расчета зданий и сооружений на сейсмостойкость были заложены .С. Завриевым в 1927 году. К.С. Завриев предложил рассматри незатухающие, начинающиеся а рассматривалась в нестационарной постановке вычислялась аналогично Мононобэ, но коэффициент динамичности определялся по формуле β = (cos ω 0 t – cos ω t) / (1 - ω 2 0 / ω 2 Работы Мононобэ и К.С. Завриева сыграли большую роль в становлении динамического подхода к расчету сооружений. В 1934 г. американский ученый Био разработал метод оценки сейсмических сил с использованием инструментальных записей колебаний грунта во время землетрясения. Работы Био явились очень важным этапом в развитии теории сейсмостойкости, т.к здесь впервые были использованы инструментальные запис Хаузнера, Мартела и Алфорда, чтенного ранее Био затухания системы на величины льтаты этих исследований были положены в основу действу щего в США Калифорнийского Кода. 23 В России развитие метода, предлож нног Био, нашло отражение в работах А.Г. Назарова, использовавшего специально им разработанные многомаятниковые сейсмометры, позволявшие по их записям оценивать максимальные значения сейсмических сил. С.В. Медведев для построения спектральных графиков использовал сейсмограммы, обработанные графоаналитическими методами, известными под названием “метод фазовых плоскостей и векторных .диаграмм”. Работы И.Л. Корчинского являются также большим вкладом в развитие динамической теории, доведенн е о ым до внедрения в практику проектирования сейс , з ч п д ое описание сейсмического воздействия и требует прив т в о и н расчетных схем зданий и сооружений, наиболее полно отоб н аний и сооружений с учет мостойких зданий и сооружений. На основе анализа сейсмограмм слабых землетрясений происшедших в нашей стране, он предложил записывать закон движения грунта в виде пакета затухающих синусоид. И.Л. Корчинским предложена также вошедшая в сейсмические нормы спектральная кривая коэффициента динамичности β и разработаны формулы практического определения действующих на здания и сооружения сейсмических нагрузок. Параллельно со спектральным методом развивались и методы вероятностного (стохастического) анализа сейсмических сил. В этом направлении работали зарубежные ученые - Байкрофт, Гудмэн, Эрминген, Ньюмарк, Розенблюет, Окамото и советские ученые - Барштейн, Болотин, Гольденблат и др. Основные направления развития теории сейсмостойкости. Для современного этапа развития теории сейсмостойкости характерна общая тенденция уточнения постановки расчетной ада и. Это ре усматривает более полное и подробн лечения более с рогих методо расчета Необходим зучение проблемы взаимодействия сооружения с грунтом при уточ ении влияния характера грунтов и условий заделки в них сооружений на динамические характеристики сооружений. Важным направлением является дальнейшее совершенствование ражающих их физические свойства, пространственную работу, кручение, волновые процессы в грунтах и сооружениях. Весьма перспективной является теория сейсмического риска, развитая в России А.П. Синицыным. В основу этой теории положена концепция о том, что любая конструкция в процессе эксплуатации еизбежно подвергается риску, и если этот риск слишком велик, конструкция может быть разрушена. Понятие “риск” позволяет оценить возможное отклонение от цели, ради которой принято данное решение. Применение этой теории может привести к экономии за счет обоснованного снижения расходов на антисейсмические мероприятия. Актуальным является разработка методов расчета зд ом упругопластических свойств материала, что важно для оценки 24 действительной несущей способности конструкций при сейсмических воздействиях. Существуют разные методы, учитывающие вышеуказанные особенности деформирования конструкции. Среди них можно отметить наиболее строгий метод, рассматривающий упругопластические пространственные сейсмические колебания системы “грунт-сооружение”, разработанный Ш.Г. Напетваридзе, Р.В. Двалишвили и Д.К. Уклеба. Определение горизонтальных сейсмических нагрузок, действующих на з в л см мами, в завис ах инер и к и щика является установить те направления, в кото н я я о пр д с ч и для типовых зданий обычно опре ают на коэффициенты сочетаний, равные для постоянных дания и сооружения. Чтобы строящиеся в сейсмических районах здания были надежны, следует еще на стадии проектирования предусматривать возможность сейсмических воздействий виде специа ьных мероприятий, которые проводятся лишь при расчетной сейсмичности 7, 8 или 9 баллов. Расчетная сейсмичность здания устанавливается по нормам строительства в сей ических районах, в зависимости от расчетной сейсмичности площадки строительства. Расчетная сейсмичность площадки строительства определяется в соответствии с указанными нор имости от сейсмичности района строительства и категории грунтов, являющихся основанием здания или сооружения, или по результатам сейсмомикрорайонирования. При землетрясении на каждую единицу объема сооружения действует инерционная сила, зависящая от сосредоточенных в этих объем ционных параметров - масс жесткостных характеристи сооружения. Эти инерционные силы называются сейсмическими силами или сейсмическими нагрузками. После определения этих нагрузок они прикладываются к сооружению статически производится расчет его напряженно-деформированного состояния. Сейсмические нагрузки могут действовать в любом направлении, поэтому задачей проектиров рых сооружение наименее прочно и жестко. При этом не следует упускать из в имани другие, не менее опасные направления. Дл многих сооружений с конструктивными типовыми схемами такими характерными направлениями являются вертикальное и г ризонтальное на авления Для большинства вышеуказанных з аний вертикальными ейсми ескими силами пренебрегают. Горизонтальные сейсмические нагрузк деляют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Причем, предполагается, что в одном направлении сейсмическая нагрузка действует независимо от нагрузки другого направления. Определение расчетных сейсмических сил. Расчет конструкций зданий и сооружений, проектируемых в сейсмических районах, должен выполняться на основные и особые (особой является сейсмическая нагрузка) сочетания нагрузок. При расчете на особое сочетание нагрузок значения расчетных нагрузок умнож 25 нагр и транспорта, тормозные и боко в более й с использованием рекомендуемого нормами спек г и сооружений простой формы горизонтальные сей П ра оений мос выбранном направлении, прило а “k i счетных нагрузок на конструкции и с учетом коэффициента их соч которого следует принимать равными узок 0,9, для временных длительных нагрузок - 0,8 и для временных кратковременных нагрузок - 0,5. При этом горизонтальные нагрузки от масс на гибких подвесах, температурные климатические и ветровые нагрузки, динамические воздействия от оборудования вые усилия от движения кранов не учитываются. Расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка от веса моста крана учитывается лишь в поперечном направлении. Расчет на сейсмические воздействия выполняется по одному из следующих методов: • с использованием инструментальных записей наиболее опасных для данного здания или сооружения реальных землетрясений или синтезированных осциллограмм; в этом случае необходимо учитывать возможность развития неупругих деформаций; такой расчет выполняют для особо ответственных сооружений и ысоких ( 16 этажей) зданий; • на сейсмические нагрузки, получаемые путем их разложения в ряд по главным формам колебани трально о коэффициента динамичности β Для зданий смические силы прикладывают в направлении продольных и поперечных осей независимо. ри счете сооружений сложной формы выбирают наиболее опасное направление действия сейсмических сил. Вертикальную сейсмическую нагрузку, согласно норм, учитывают при расчете горизонтальных и наклонных консольных конструкций, пролетных стр тов, рам, арок, ферм и т.п. конструкций пролетом 24 м и более, каменных конструкций и сооружений на устойчивость против опрокидывания. Расчетная сейсмическая нагрузка в женн я в точке ” и соответствующая - му тону собственных колебаний (способ разложения в ряд по главным формам), определяется по формуле S ik = К 1 S 0ik , где К 1 - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений, принимаемый по табл. 4; S 0ik – значение сейсмической нагрузки для i -го тона собственных колебаний здания или сооружения, определяемое в предположении упругого деформирования конструкций по формуле S 0ik = Q K A β i К Ψ η ik , где Q К – вес здания или сооружения, отнесенный к точке “k”, определяемый с учетом ра етаний; А – коэффициент, значения 0,1; 0,2; 0,4 соответственно, для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов; β i – коэффициент динамичности, определяемый в зависимости от категории 26 грунта по сейсмическим свойствам и в зависимости от расчетного периода свободных колебаний Т i здания или сооружения при их колебаниях по i – му у к, по формулам: свойствам нее 0,8; К Ψ - ной 8 баллов и более, множитель 0,7 , ри сейсмических зованием консольной тону при определении сейсмических нагр зо для грунтов I и П категорий по сейсмическим при Т i ≤ 0,1с β i = 1+ 15 Т i ; при 0,1с < Т i < 0,4с β i = 2,5; при Т i ≥ 0,4с β i = 2,5 (0,4 / Т i ) 0,5 ; для грунтов Ш категории по сейсмическим свойствам при Т i ≤ 0,1 c β i = 1 + 15 Т i ; при 0,1 с < Т i < 0,8с β i = 2,5; при Т i ≥ 0,8с β i = 2,5 (0,8 / Т i ) 0,5 ; ме во всех случаях значения β i должны приниматься не коэффициент, принимаемый по табл. 5. а, рав При сейсмичности площадки строительств при грунтах Ш категории к значению S ik вводится учитывающий нелинейное деформирование грунтов п здействиях. во При расчете зданий и сооружений, с исполь расчетной схемы, значение η определяют по фо ik рмуле ik η = ∑ = j j i j x X Q 1 2 ) ( где X ∑ = n j j i j k i x X Q x X 1 ) ( ) ( n , i х циентов сочетаний. После нахождения сейсмических сил для требуемого числа форм соб и нахождения напряженно-деформированного состояния здания или сооружения от этих сил определяют расчетные значения внутренних силовых факторов (изгибающих моментов, нормальных i (x k ) и X i (x j ) - смещения здания или сооружения при собственных колебаниях по – му тону в рассматриваемой точке k и во все точках j , где в соо т тветс вии с расчетной схемой его вес принят сосредоточенным; Q j – вес здания или сооружения, отнесенный к точке j , определяемый с учетом расчетных нагрузок на конструкцию и с учетом коэффи ственных колебаний и поперечных сил, нормальных, касательных и главных напряжений). Для этого эффекты действия сейсмических нагрузок по формам суммируют по правилу среднеквадратичного: ∑ = n i N N 2 , = i P 1 где N 2 i - величина определяемого внутреннего силового фактора от сейсмической нагрузки i - й формы колебаний; n - количество учитываемых форм колебаний. Здесь принципиальным является вопрос о выборе 27 достаточного числа форм колебаний, которое следует учитывать. Однако эта проблема в данном пособии не рассматривается. Полученные таким образом расчетные значения внутренних силовых факторов от сейсмики используют для составления особого сочетания р сечениях ментов конструкции. При этом силовые факторы, соответствующие сейсмической нагрузке, являются у ий. Выбор расчетных схем здан х с этому объе , с и возможен в обозримом будущем. з о т асчетных усилий в требуемых эле одновременно расчетными и нормативными. Конструктивный расчет сечений по предельным состояниям первой группы при особом сочетании усилий выполняют с введением дополнительных коэффициентов словий работы в связи с кратковременным действием сейсмической нагрузки. Выбор расчетных схем зданий и сооружен ий и сооружений при расчете их на сейсмические воздействия является одним из принципиальных вопросов расчета на сейсмостойкость. От правильного выбора (конструирования) расчетной схемы зависят надежность и прочность конструкции. С помощью расчетной с емы должны быть достаточно отражены физиче кие свойства реального объекта: его топология, материал, условия деформирования и т.д. Расчетная схема является здесь также и динамической моделью. Поэтому получаемые с ее помощью динамические характеристики объекта расчета должны отвечать кту и могут использоваться для контроля правильности выбора расчетной схемы. В необходимых случаях динамические характеристики уточняются экспериментально Построение строгой динамической расчетной схемы здания - чрезвычайно сложная задача так как здесь необходимо учитывать следующие факторы: неупругую работу конструкции, вязкое затухание, распространение неупругих волн в грунте и здании, упругопластические свойства грунтов и их затухание, возможность перестройки труктуры расчетной схемы в процессе сейсмического воздействия и т.п. Каждый из перечисленных факторов является отдельной сложной научной проблемой, далекой от завершения. Поэтому одновременный учет всей совокупности перечисленных факторов вряд л Таким образом, в реальном проектировании проектировщик в настоящее время вынужден вводить упрощающие гипоте ы, ставящие реальную конструкцию в заведомо менее благоприятные условия, по сравнению с действительными. Одним из таких решающих упрощений является введение гипотезы б упругой рабо е конструкций. Это приводит к расчету здания или сооружения на заведомо большие сейсмические нагрузки, перерасходу материалов и, следовательно, к удорожанию. Таким образом, удорожание строительства - это цена, которую мы платим за недостаточную изученность проблем сейсмостойкости. Таблица 4 28 |