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.
|
|
1.2. Конструирование сейсмостойких зданий Конструкции сейсмостойких зданий. Классификация конструктивных систем зданий. Пространственные устойчивость и прочность зданий, а, следовательно, и их сейсмостойкость, должны обеспечиваться продольными и поперечными вертикальными несущими элементами, объединенными в единую систему жесткими и прочными дисками перекрытий. Вид несущих вертикальных элементов, воспринимающих вертикальные и горизонтальные сейсмические нагрузки, определяет конструктивную систему здания. В зависимости от вида конструктивной системы, здания подразделяют на здания с жесткой конструктивной схемой (кирпичные, крупноблочные, панельные, объемно-блочные и монолитные), здания с гибкой конструктивной схемой (каркасные) и здания с комбинированной конструктивной схемой (рамно-связевые, связевые). Несущими вертикальными элементами этих зданий являются рамы с жесткими или с шарнирными узлами ригелей и колонн, рамы с заполнением, рамо- диафрагмы, сплошные или проемные стены. Перечисленные элементы могут воспринимать вертикальные нагрузки, горизонтальные нагрузки, вертикальные и горизонтальные нагрузки и, в зависимости от этого, классифицируются на несущие, самонесущие, навесные и стены-заполнения. Несущие элементы воспринимают собственный вес, вертикальные нагрузки от перекрытий, горизонтальные сейсмические и иные нагрузки и опираются на фундамент. Самонесущие элементы несут лишь собственный 38 вес, горизонтальные (если они приспособлены для этого) нагрузки и опираются на фундаменты. Навесные элементы несут лишь нагрузку от собственного веса, которую передают на другие несущие конструкции. Стены-заполнения (кирпичные или железобетонные) вставляют враспор между верхними и нижними ригелями рам и между соседними колоннами и прочно соединяются с ними с помощью сварки выпусков арматуры или соединительных элементов. Таким образом, гибкая рама превращается в составную балку-стенку. Общие требования, предъявляемые к сейсмостойким зданиям. Излагаемые требования сформулированы на основе международного опыта проектирования, строительства и разрушения зданий при землетрясениях. И, несмотря на конкретность некоторых положений, еще далеки от совершенства, в связи с недостаточной изученностью проблемы сейсмостойкости во всех ее аспектах. Сейсмостойкость зданий и сооружений обеспечивается следующими мерами: выбором благоприятной в сейсмическом отношении площадки строительства, рациональной конструктивно-планировочной схемой здания или сооружения и его материалом, применением специальных антисейсмических мероприятий в комплексе с соответствующими динамическими, статическими и конструктивными расчетами, а также должным качеством строительно-монтажных работ. Проектирование зданий и сооружений осуществляется с соблюдением следующих общих принципов: • необходимо уменьшать сейсмические нагрузки за счет применения эффективных конструктивных схем и облегченных несущих и ограждающих конструкций; • объемно-планировочное и конструктивное решение зданий и сооружений должно удовлетворять условиям симметрии и равномерного распределения масс и жесткостей; • основные несущие конструкции должны быть по возможности монолитными и однородными, а в сборных железобетонных конструкциях следует стремиться к укрупнению типоразмеров элементов; • стыки сборных элементов должны быть простыми, надежными и располагаться вне зон максимальных усилий; • при проектировании металлических и железобетонных конструкций необходимо предусматривать мероприятия, облегчающие или обеспечивающие возможность пластических деформаций в элементах или в стыках между ними; при этом должна обеспечиваться общая устойчивость сооружения; • на строительных площадках, сейсмичность которых превышает 9 баллов, возводить здания и сооружения не допускается. 39 Мероприятия по обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений зависят от их расчетной сейсмичности и назначения. Следует избегать изломов стен в плане, так как это приводит к появлению изгибающих из плоскости стен моментов, концентрациям в них напряжений и возможным обвалам. Особенно в случае маложестких перекрытий. Наиболее целесообразной формой плана является прямоугольник. Следует избегать весьма протяженных отсеков зданий в целях снижения величин сейсмических сил, степени их неравномерности по длине и, следовательно, перегрузки отдельных элементов. Аналогичные требования предъявляют и к фасадам: они должны быть простых форм, без уступов, надстроек и т.п. Габариты в плане, этажность и высота отсеков зданий регламентированы нормами в зависимости от конструктивной системы здания и его расчетной сейсмичности. Рекомендуется снижать центр тяжести здания путем облегчения вышележащих этажей, переноса тяжелого технологического оборудования вниз, замены мостовых кранов напольными и применения более эффективных по прочности и теплотехническим характеристикам конструкций. Увеличение высоты здания, при прочих равных условиях, приводит к увеличению его массы, сейсмических сил и внутренних усилий в элементах. Сейсмическими нормами предусмотрены предельные высоты зданий, выше которых строить сейсмостойкие здания, в связи с большими экономическими затратами на антисейсмические мероприятия, нецелесообразно. Антисейсмические швы разделяют здание или сооружение на отсеки, если здание имеет сложную форму в плане (рис. 9 а), или если смежные участки имеют перепады высот 5 м и более. При этом в одноэтажных зданиях высотой до 10 м при расчетной сейсмичности 7 баллов антисейсмические швы допускается не устраивать. Антисейсмические швы должны разделять здание по всей высоте, а в фундаменте допускается не устраивать антисейсмический шов, если этот шов не совмещен с осадочным. Антисейсмические швы выполняют путем возведения парных стен или рам. Ширину шва назначают по расчету здания на горизонтальное сейсмическое воздействие такой, чтобы смежные отсеки не соударялись. Ширина антисейсмического шва а Ш определяется по формуле а Ш = а 1 + а 2 + а 3 , где а 1 , а 2 - величины горизонтальных прогибов смежных отсеков здания в уровне верхнего этажа; а 3 = 3 см при h < 5м; при h > 5 м величина а 3 увеличивается на 2 см на каждые 5 м высоты. 40 Рис. 9. Примеры антисейсмических швов: а – план здания сложной конфигурации; б – его разрез Разделка антисейсмических швов не должна препятствовать взаимным горизонтальным смещениям отсеков. Жесткость стен каркасных деревянных домов должна обеспечиваться раскосами. Брусчатые и бревенчатые стены следует собирать на нагелях, а деревянные щитовые дома проектировать высотой в один этаж. Сборные железобетонные перекрытия должны обладать жесткостью в своей плоскости, для чего их следует замоноличивать и надежно соединять с элементами, на которые они опираются. Жесткость перекрытий в их плоскости обеспечивают соединением плит перекрытий за счет сварки стальных соединительных элементов или иным способом и заливкой швов раствором. При этом боковые грани сборных плит должны иметь шпонки или рифленую поверхность. Перегородки должны быть сборными или каркасными, их следует соединять со стенами или колоннами, а при длине более 3 м - и с перекрытиями. Перегородки из кирпича следует конструктивно армировать на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 см 2 . Балконы рассчитывают как консольные балки или плиты, в зданиях с каменными стенами их вынос не должен превышать 1,5 м. Сборные ленточные фундаменты проектируют следующим образом. По их верху укладывают в слое раствора марки М100 толщиной не менее 40 мм арматуру диаметром 10 А-1 в количестве 3, 4 и 6 стержней при расчетной сейсмичности здания 7,8 и 9 баллов соответственно. Причем, через каждые 300-400 мм эти продольные стержни соединяют поперечными диаметром 6 А-1. Если стены подвала выполняют из сборных панелей, связанных конструктивно с ленточными фундаментами, то указанный слой раствора не укладывается. Фундаменты и стены подвалов из крупных блоков выполняют с перевязкой кладки в каждом ряду, а также во всех углах и пересечениях на 41 глубину не менее 1/3 высоты блока, фундаментные блоки укладывают в виде непрерывной ленты. Швы между блоками заполняют раствором марки не менее М25. При расчетной сейсмичности 9 баллов в углы и пересечения стен подвалов укладывают арматурные сетки длиной 2 м с продольной арматурой общей площадью не менее 1 см 2 . Гидроизоляционные слои в зданиях выполняют из цементного раствора. Здания с жесткой конструктивной схемой. Кирпичные или каменные здания. Стены кирпичных или каменных зданий следует возводить, как правило, из кирпичных или каменных панелей или блоков, изготовленных в заводских условиях с применением вибрации. Если кладка выполняется вручную, то в раствор вводят специальные добавки, повышающие оцепление раствора с кирпичом или камнем. При расчетной сеймичности 7 баллов допускается возводить несущие стены из кладки на растворах с пластификаторами без указанных добавок. При расчетной сейсмичности 8 баллов и менее зимнюю кладку можно выполнять вручную с введением добавок, обеспечивающих твердение раствора при отрицательных температурах. Расчет прочности конструкций из кирпича или камня должен производиться на одновременное действие горизонтальных и вертикальных сейсмических сил. Причем величина последней принимается равной 15 % N СТАТ при 7 и 8 баллах и 30 % N СТАТ при 9 баллах, где N СТАТ - статическая вертикальная нагрузка на элемент. Направление вертикальной сейсмической нагрузки принимают невыгодным для рассматриваемого напряженного состояния. Кладка стен может быть выполнена из следующих материалов: кирпича полнотелого или пустотелого марки М75 и выше, а при сейсмичности 7 баллов - из керамических камней (М ≥75); бетонных камней с плотностью не менее 1200 кг/м 3 марки М50 и выше и камней или блоков из ракушечников, известняков (М ≥35) или туфов (М≥50). Кладка выполняется на цементных растворах М ≥25 в летних и М≥50 в зимних условиях. В зависимости от сопротивляемости сейсмическим воздействиям, кладки подразделяют на категории. Категории устанавливаются в зависимости от временного сопротивления осевому растяжению по неперевязанным швам: I категории соответствует R ВР Р = 180 кПа; II категории R ВР Р = 120 кПа. Требуемое значение R ВР Р указывают в проекте. Оно назначается по результатам испытаний, проводимых в районе строительства. Если на площадке невозможно получить R ВР Р ≥ 120 кПа, то применение кладки не допускается. Высота этажа зданий с кладкой, не усиленной армированием или железобетонными включениями, не должна превышать 5 м при 7 баллах, 4 м при 8 баллах и 3,5 м при 9 баллах. При усилении кладки армированием или железобетонными включениями высота этажа не должна превышать 6 м при 42 7 баллах, 5 м при 8 баллах и 4,5 м при 9 баллах. При этом толщина стен должна удовлетворять условию h/b ≤ 12, где h - высота этажа; b - толщина стены. В зданиях кроме наружных продольных стен должно быть не менее одной внутренней стены. Расстояния между осями поперечных стен нормируются. Прочность элементов стен должна быть обоснована расчетом. Кроме того, размеры элементов стен должны удовлетворять конструктивным требованиям. Опирание плит перекрытий на стены ручной кладки должно быть не менее 120 мм, а на вибрированные панели и блоки - не менее 90 мм. Балки деревянных перекрытий должны быть заанкерены в антисейсмический пояс, а по ним устроен диагональный настил. Антисейсмические пояса устраивают по всем продольным и поперечным стенам из монолитного железобетона. Причем, антисейсмические пояса верхнего этажа должны быть связаны с кладкой вертикальными выпусками арматуры. В зданиях с монолитными железобетонными перекрытиями, заделанными по контуру в стены, антисейсмические пояса не устраивают. Антисейсмические пояса подкрепляют каменные стены при работе их из плоскости, а антисейсмические обвязки необходимы для объединения сборных перекрытий в жесткий диск, способный перераспределять горизонтальные сейсмические нагрузки между вертикальными элементами. При этом жесткость таких перекрытий зависит от размеров плит, способа их замоноличивания и направления укладки. Наибольшую жесткость имеет монолитное перекрытие. Наименьшую - сборное без обвязок и без заливки швов между плитами. В последнем случае вертикальные несущие элементы работают независимо друг от друга. Антисейсмический пояс устраивают на всю толщину внутренних стен. В наружных стенах его ширина меньше толщины стены на ширину кирпича наружного ряда кладки, который является опалубкой для пояса. Высота пояса из бетона марки не меньше М150 должна быть не менее 150 мм. Антисейсмические пояса армируют четырьмя стержнями диаметром 10 А-I при расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов и четырьмя стержнями диаметром 12 А-I при 9 баллах. В сопряжения стен конструктивно в кладку укладывают арматурные сетки длиной 1,5 м с общей площадью сечения продольной арматуры не менее 1 см 2 через 700 мм по высоте при расчетной сейсмичности 7, 8 баллов и через 500 мм - при расчетной сейсмичности 9 баллов. Прочность кладки стен проверяется по главным растягивающим напряжениям, и если ее недостаточно, то уточняется требуемое горизонтальное армирование. Сейсмостойкость кладки стен повышают сетками из арматуры, созданием комплексной конструкции и другими способами в соответствии с конструктивными расчетами. 43 Вертикальные железобетонные элементы (сердечники) должны быть связаны с антисейсмическими поясами. Сердечники должны быть открыты с одной или двух сторон для контроля качества бетонирования. Сердечники устраивают в штрабах, предварительно оставленных в кладке. Арматура горизонтальных сеток кладки должна заводиться в сердечники, а арматура сердечников - в пояса. Короткие участки стен (простенки) могут быть усилены железобетонными обоймами по торцам, их продольная арматура соединяется уложенными в горизонтальных швах хомутами. Бетон сердечников должен иметь марку не менее М150, кладка выполняется на растворе марки М50, а продольное армирование - не более 0,8 %от площади бетона простенков. Перемычки устраивают на всю толщину стены и заделывают в кладку на глубину не менее 350 мм, а при ширине проема менее 1,5 м заделка допускается на 250 мм. Балки лестничных площадок заделывают в кладку на глубину не менее 250 мм. Необходимо предусматривать крепление ступеней, косоуров, сборных маршей, площадок к перекрытиям. Причем консольные ступени не допускаются. Дверные проемы в стенах лестничных клеток при расчетной сейсмичности 8-9 баллов должны иметь железобетонное обрамление. Расчет сейсмостойкости кирпичных зданий связан с определенными техническими трудностями. При расчете кирпичных зданий они рассматриваются как пространственные призматические оболочки. Их конструктивный расчет выполняется в соответствии с действующими нормами проектирования каменных и армокаменных конструкций. Крупнопанельные дома (КПД). Крупнопанельные дома начали строиться в России в конце 40-х годов, а массовое их строительство относится к началу 1957-1958 гг. Это строительство явилось основным средством решения острой жилищной проблемы в стране. Согласно технико-экономическим показателям, крупнопанельные дома, по сравнению с каркасно-панельными, имеют ряд преимуществ: трудоемкость их ниже на 15-20 %, стоимость строительства меньше на 4-5 %, а расход стали ниже на 50 %. По сравнению с кирпичными зданиями, крупнопанельные дома дешевле на 4-6 %, их трудоемкость ниже на 35-40 %, а сроки строительства короче в 1,5-2 раза. В соответствии с этим Госстроем России было принято решение о строительстве жилых, общественных, культурно-бытовых зданий и зданий административно-бытового назначения промышленных предприятий преимущественно в крупнопанельном исполнении. Излагаемые ниже требования относятся к панельным зданиям высотой не более 25 этажей, строящихся в обычных условиях, и к зданиям высотой не более 12 этажей, строящихся в сейсмических районах. Все проектные 44 решения панельных зданий должны обеспечивать возможность производства всех элементов одним домостроительным комбинатом. Номенклатура изделий должна быть минимальна за счет применения модульных сеток и их унификации. При наличии в зоне действия домостроительного комбината участков застройки с различными инженерно- геологическими условиями для надфундаментной части принимают одинаковые решения, а фундаменты решают индивидуально. В необходимых случаях предусматривают вертикальные температурные, осадочные и антисейсмические швы. Расстояние между температурными швами определяется расчетом, при этом учитывают климатические условия строительства, материал стен и конструктивную систему здания. Шов устраивают в виде парных стен в местах сопряжения планировочных секций, его ширину принимают не менее 20 мм в свету. Осадочные швы устраивают, когда неравномерность деформаций превышает заданные величины и при разнотипных фундаментах; здесь их ширину принимают по расчету, но не менее 20 мм в свету. Антисейсмические швы устраивают в панельных зданиях при сейсмичности района 7 баллов и более. Расстояние между антисейсмическими швами не должно быть более 60 м, их устраивают в местах изменения этажности и в зданиях сложной формы в плане для расчленения здания на самостоятельные простые отсеки. Крупнопанельные дома массового строительства проектируют на основе следующих конструктивных систем. Система I с поперечными и продольными несущими стенами и с наружными продольными несущими или не несущими стенами. Перекрытия оперты по контуру или трем сторонам. Система П с поперечными несущими стенами и продольными диафрагмами жесткости. Перекрытия оперты преимущественно по двум сторонам на поперечные стены. Система III с продольными несущими стенами и поперечными диафрагмами жесткости. Перекрытия опираются преимущественно на продольные стены. Кроме того, крупнопанельные дома классифицируют по шагу поперечных стен на дома: с узким шагом поперечных стен - до 4 м; со смешанным шагом поперечных стен - от 4 до 6,6 м. Количество продольных внутренних стен зависит от сейсмичности и числа этажей и должно быть не менее одной. Поперечные и продольные стены проектируют без изломов. Фундаменты зданий с числом этажей менее 5 имеют глубину заложения как для несейсмических районов. В зданиях высотой до 9 этажей рекомендуется устраивать подвальный этаж или техническое подполье (под всем этажом). При скальных грунтах подвал можно размещать под частью здания, но по возможности симметрично относительно его осей симметрии в плане. Фундамент может быть при числе этажей до 9 сборным или 45 монолитным, а при числе этажей более 9 -монолитным. Конструкции надземной и подземной частей должны быть надежно связаны между собой аналогично конструкциям надземной части. Фундаменты могут быть ленточными или в виде сплошной плиты в зависимости от типа грунта. Если фундаментные подушки сборные, то их надежно связывают с помощью выпусков арматуры. Свайные фундаменты проектируют в соответствии с требованиями норм проектирования свайных фундаментов. При этом ростверк следует выполнять монолитным, непрерывным по периметру и расположенным на одном уровне в пределах отсека. Вертикальная арматура стен должна быть заанкерена в ростверк. Стены подземной части проектируют обычно панельными, их конструктивное решение принимается аналогичным надземной части. Эти панели должны иметь у нижних граней арматурные каркасы, выпуски продольных стержней которых соединяют на сварке в местах стыков панелей и замоноличивают бетоном. Проемы в стенах надземной и подземной частей здания не должны совпадать по вертикали, в противном случае проемы подземной части усиливают дополнительным армированием. При проектировании наружных стен применяют однорядную разрезку с размером панелей не менее чем на одну конструктивную ячейку (комнату). Рекомендуется применять панели размером на две конструктивные ячейки. Панели могут быть однослойными, двухслойными или трехслойными, несущими или самонесущими. Однослойные панели выполняют из конструктивного легкого бетона, их рекомендуется применять в качестве несущих конструкций в зданиях с числом этажей менее 5. Двухслойные панели проектируются с несущим и утепляющим слоями. Несущий слой обращен внутрь здания для связи с внутренними стенами, его изготавливают из тяжелого или конструктивного легкого бетона, а утепляющий слой - из конструктивного теплоизоляционного бетона. Трехслойные панели имеют два - наружный и внутренний-слои из тяжелого бетона и один - средний - слой из высокоэффективного теплоизоляционного материала. Наружные слои связаны между собой прочными связями. Наружные панели взаимно связывают по горизонтали и вертикали и с внутренними стенами связями, расположенными в шпоночных выемах. Шпонки затем замоноличивают. В двухмодульных панелях (бублик) для стыка с внутренними несущими панелями устраиваются вертикальные рифленые штрабы с выпусками арматуры. Внутренние стены следует максимально укрупнять для уменьшения количества стыков. Они должны быть несущими с опиранием по всей длине нижней грани и могут выполняться из тяжелого или легкого конструктивного 46 бетона. Толщина стен назначается равной не менее 16 см из условия звукоизоляции. Эти стены армируются пространственными каркасами с двухсторонней арматурой. Причем вертикальная рабочая арматура располагается у боковых граней и должна размещаться равномерно, но допускается и сосредоточение ее в объеме менее 65 % в местах пересечения наружных и внутренних стен. Нижние и верхние опорные грани панелей делают рифлеными или со шпоночными выемами, имеющими арматурные выпуски. В горизонтальных швах в качестве выпусков могут использоваться элементы из проката. Монтаж осуществляется по слою раствора. Перекрытия сейсмостойких крупнопанельных домов выполняют из элементов размером на конструктивную ячейку. При этом учитывают грузоподъемность кранов. Плиты могут быть сплошные или многопустотные, с обычной или предварительно-напряженной арматурой. Элементы перекрытий соединяются в местах опирания на стены и между собой по боковым граням. Причем число металлических связей на одну грань должно быть не менее двух. Если плиты многопустотные, то для связи боковых граней со стенами пустоты у этих граней не устраивают для лучшего заанкеривания закладных деталей. Несущую способность опорных участков многопустотных плит повышают путем введения в пустоты плоских сварных каркасов и последующего заполнения пустот бетоном с вибрированием. Грани плит должны иметь рифления или шпоночные выемы с арматурными выпусками или закладными деталями. Глубина рифления должна быть более 3 см. В зданиях со смешанным шагом разрешается применять в разных шагах обычные и преднапряженные плиты. Многопустотные плиты могут применяться только в случае контактных стыков с опиранием плит на консоли стен. Плиты монтируются по слою раствора. Балконы и лоджии должны устраиваться наружу относительно осей здания. Вынос балконов ограничивается величиной 1,25 м при сейсмичности 7 и 8 баллов и 0,9 м при сейсмичности 9 баллов. Балконные плиты надежно связывают с перекрытиями выпусками арматуры или сваркой закладных деталей. Лоджии могут быть встроенными или приставными, а оси их боковых стен должны быть совмещены с осями поперечных стен. Глубина встроенных лоджий не ограничивается, приставные - имеют глубину не более 1,25 м. Устройство эркеров не допускается. 47 Герметизация стыков крупнопанельных домов представляет собой сложную проблему. В крупнопанельных домах различают: вертикальные и горизонтальные стыки наружных стен и внутренних стен. К вертикальным стыкам наружных стен кроме требований прочности предъявляются требования влаго- и воздухонепроницаемости, поэтому их герметизируют. Из боковых граней панелей в выемах делаются выпуски арматуры, которые связывают с выпусками из внутренних стен, а сам стык замоноличивают. Особенность горизонтального стыка наружных стен заключается в том, что в нем имеется дренажный канал, который образуется поверхностями гребня и зуба (рис. 10). При этом шов заполняют герметиком, что снижает несущую способность стыков. |