УДК 624, 69

Исследование эффективности влияния связей в железобетонном каркасном здании при сейсмических воздействиях

Олейник Александр Иванович – доктор технических наук, доцент Рудненского индустриального университета (г. Рудный, Республика Казахстан)

Мирюк Ольга Александровна – доктор технических наук, профессор Рудненского индустриального университета (г. Рудный, Республика Казахстан)

Аветисян Раф Давидович – магистрант Рудненского индустриального университета (г. Рудный, Республика Казахстан)

Оганян Самвел Давидович – магистрант Рудненского индустриального университета (г. Рудный, Республика Казахстан)

Аннотация: В статье анализируется влияние сейсмического воздействия на железобетонное каркасное здание стилобатной формы, снабженного металлическими крестовыми связями. Исследование основано на методах динамического моделирования с использованием программного комплекса «SCAD». Выполнены расчеты для различных модификаций усиления на примере 40-этажного здания. Сейсмическое воздействие задано в виде записи акселерограмм реальных землетрясений. Эффективность сейсмозащиты оценивается по максимальным ускорениям узлов конструкции и величинам поперечных сил. Определена оптимальная конструктивная схема связей.  Численно доказано, что при использовании конструктивных особенностей зданий и систем крестовых связей, сейсмические нагрузки, воздействующие на здание, снижаются в сравнении со зданиями без использования специальных связей.

Ключевые слова: запись акселерограмм землетрясений, сейсмические воздействия, конструктивная схема, металлические крестовые связи.

Введение

Среди всех стихийных бедствий землетрясения занимают первенство по причиняемому ими экономическому ущербу и одно из первых мест по числу человеческих жертв. На территории с сейсмичностью 7-10 баллов расположены крупные культурные и промышленные центры, многочисленные города и населенные пункты. Согласно нормативной карте ОСЗ-1,475 очень высокая сейсмическая опасность наблюдается в южных и восточных регионах Казахстана, где проживает до 40 % населения страны [1].

В результате быстрого роста городского населения и малой площади застройки городов, получает распространение строительство высотных зданий.

Землетрясения последних десятилетий показали, что здания, с прочным железобетонным каркасом имеют более высокую степень надежности и сейсмозащиты по сравнению с панельными или кирпичными зданиями.

Высотные здания имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий и решающим образом влияющую на применяемые конструкции и конструктивные схемы [2, с. 42].

По мере увеличения высоты зданий влияние горизонтальных нагрузок возрастает в нарастающей степени. Поэтому при определенной высоте горизонтальный прогиб становится настолько большим, что требования жесткости несущих конструкций становятся решающими при расчете [3, с.7].

Следует учитывать, что эффективная сейсмозащита должна не только снижать внутренние усилия, но также уменьшить перерезывающие (поперечные) силы в основании здания.

Одно из серьезных препятствий внедрения систем сейсмоизоляции в строительстве – отсутствие в нормативных документах специальных рекомендаций по расчету и возведению зданий, оборудованных системами сейсмоизоляции связевого типа [4, с.209]. Разработка эффективных методик расчета зданий с такими устройствами сейсмозащиты является актуальной задачей современного сейсмостойкого строительства.

Основная часть

Цель исследования – определение наиболее эффективного усиления металлическими (крестовыми) связями железобетонного каркасного здания при сейсмических воздействиях. 

Повышение сейсмической устойчивости зданий может быть обеспечено путем выведения спектра собственных колебаний здания за пределы наиболее интенсивных участков спектров реальных интенсивных землетрясений данного региона.

Проблему повышения сейсмической устойчивости зданий решают различными методами. Во-первых, путем повышения жесткости здания вместе с фундаментом, во-вторых, с помощью уменьшения жесткости конструкции, выводящей собственные колебания здания в область более низких частот [5-7, с. 827, с. 57, с. 69].

В данной работе в качестве объекта исследования рассматривается 40 – этажное железобетонное каркасное здание. Предметом исследования является частота собственных колебаний и поперечная сила, возникающая во время землетрясения, и влияющая на здание. Расчетная сейсмичность площадки строительства составляет 9 баллов.

Методика расчета здания на сейсмостойкость представляет собой динамическое моделирование с учетом параметров здания в программном комплексе «SCAD». В данной программе задаются исходные значения проекта здания, в котором учтены современные технологии сейсмозащитного строительства. Учитывая конструктивные решения проекта, исследуемое здание будет подвергаться динамическим нагрузкам (колебаниям) равным реальным воздействиям на здание при землетрясениях [8, с. 572].

Динамический метод основан на моделировании динамического поведения здания во время землетрясения и учитывает динамические характеристики землетрясения и реакцию здания на эти нагрузки [9, с. 20].

Значение сейсмической силы в рассматриваемом этаже S_k рассчитано по формуле [10, с. 43]:

S_k = M_k·a_k,                                                (1)

где M_k – масса рассматриваемого этажа здания (тонн);

       a_k – максимальное ускорение в рассматриваемый момент времени (м/с²).

Поперечная сила в основании здания складывается из суммы сейсмических сил отдельных этажей здания и определяется по формуле [10, с. 43]:

Q ∑ S_k,                                                      (2)

где Q – поперечная сила (т·м)/с²;

              S_k – сейсмическая сила на каждом этаже здания (т·м)/с².

В расчете использовали четыре пространственные конечно-элементные модели здания, представленные в различных модификациях. Модели сформированны в виде комбинации конечных элементов различного типа с максимальным приближение к конструктивному решению здания.

Стержневыми конечными элементами в модели приняты колонны, ригели, плиты перекрытия, крестовые связи (рисунок 1).

Исследуемый жилой дом имеет 40 этажей, оснащен четырехэтажным стилобатом (рисунок 1). Габаритные размеры стилобатной части в плане составляют 64 × 64 м (с 1 по 4 этажи), в высотной части здания 24 × 24 м (с 5 по 40 этаж).

Железобетонный каркас состоит из восьми пролетов по 6 м для 1-4 этажей. На 5-40 этажах каркаса четыре пролета. Высота этажа 3 м.

Пространственная жесткость каркаса обеспечена совместной работой колонн, ригелей с жесткими крестовыми связями из швеллеров, имеющих жесткие узлы с дисками перекрытий. Все элементы каркаса выполнены из тяжелого бетона класса В40.

Рисунок 1. Схемы расчетных моделей зданий с различными видами усилений связями.

I – здание без специальных конструктивных решений и сейсмозащитных устройств;

II – здание, оборудованное сейсмоизоляцией в виде элементов крестовых связей в форме арки;

III – здание, оборудованное сейсмоизоляцией в виде элементов крестовых связей в стилобатной части здания, использование связей в двух пролетах центральных осей здания до 40 этажа;

IV – здание, оборудованное сейсмоизоляцией в стилобатной части здания с элементами крестовых связей и антисейсмическим поясом на 20 этаже.

Колонны высотой 3 м сечением 500 × 500 мм армированы пространственными каркасами с продольными арматурными стержнями класса А500СП и хомутами из арматуры А240.

Несущие ригели сечением 500 × 600 мм армированы пространственным каркасом из стержней класса А500СП.

Плиты перекрытия и покрытия толщиной 220 мм изготовлены из предварительно напряженного железобетона с напрягаемой арматурой класса Ат800.

Крестовые связи выполнены из швеллеров 24 П с параллельными гранями полок. Высота сечения 240 мм, ширина сечения 90 мм, толщина стенки 5,6 мм.

Проектирование плоской рамы производили в 4 модификациях:

1. Конструктивная схема здания рассчитана без специальных сейсмозащитных устройств (рисунок 2 – I). Сумма всех сейсмических сил в рассматриваемой схеме равняется, Q = 10 870,37 (т·м)/с², а максимальное ускорение в уровне 40-го этажа равняется, a_max = 9,78 м/с² (рисунок 3 – I)
2. Конструктивная схема здания, оборудована сейсмоизоляцией в виде элементов крестовых связей в форме арки в стилобатной части здания и использование данных связей в двух пролетах центральных осей здания до 40 этажа (рисунок 2 – II). Сумма всех сейсмических сил в рассматриваемой схеме равняется, Q = 19 879,14 (т·м)/с², а максимальное ускорение в уровне 40-го этажа равняется, a_max = 10,28 м/с² (рисунок 3 – II).
3. Конструктивная схема здания, оборудована сейсмоизоляцией в виде элементов крестовых связей в стилобатной части здания и использование данных связей в двух пролетах центральных осей здания до 40 этажа (рисунок 2 – III). Сумма всех сейсмических сил в рассматриваемой схеме равняется, Q = 17 868 (т·м)/с², а максимальное ускорение в уровне 40-го этажа равняется, a_max = 11,33 м/с² (рисунок 3 – III).
4. Конструктивная схема здания оборудована сейсмоизоляцией в стилобатной части здания с элементами крестовых связей. Здание оборудовано на 20 этаже антисейсмическим поясом (рисунок 2 – IV). Сумма всех сейсмических сил в рассматриваемой схеме равняется, Q = 5978,71 (т·м)/с², а максимальное ускорение в уровне 40-го этажа равняется, a_max = 5,06 м/с² (рисунок 3 – IV).

Q(t)                                 Q(t)                                                    Q(t)                                     Q(t)

       I                                               II                              III                                    IV

Рисунок 2. Распределение поперечных сил, вызванных сейсмическими воздействиями.

Исходя из полученных результатов численной обработки, наиболее оптимальным решениям для строительства 40 – этажного здания в сейсмически опасном регионе (сейсмичность региона составляет 9 баллов) является применение четвертой модификации в виде гибкого нижнего этажа (здание в форме стилобата) с элементами крестовых связей и оборудованного на 20 этаже антисейсмического пояса из крестовых связей (рисунок 1 – IV). Для этого варианта модификации наблюдается уменьшение ускорений в конструкции (X_max=5,06 м/с²), так и снижение амплитуд колебаний здания на верхнем этаже (рисунок 3 - IV).

Рисунок 3. Графики максимальных ускорений.

I – максимальное ускорение в уровне 40 этажа для здания без специальных конструктивных решений и сейсмозащитных устройств;

II – максимальное ускорение в уровне 40 этажа для здания оборудованного сейсмоизоляцией в виде элементов крестовых связей в форме арки;

III – максимальное ускорение в уровне 40 этажа для здания, оборудованного сейсмоизоляцией в виде элементов крестовых связей в стилобатной части здания, использование связей в двух пролетах центральных осей здания до 40 этажа;

IV – максимальное ускорение в уровне 40 этажа для здания, оборудованного сейсмоизоляцией в стилобатной части здания с элементами крестовых связей и антисейсмическим поясом на 20 этаже.  

После сейсмических воздействий на здание при добавлении расширенного нижнего этажа и внедрении металлических крестовых связей наблюдается уменьшение ускорений в верхних этажах здания.

За счет более легкого и гибкого верхнего этажа наблюдается рассеивание сейсмической энергии на здание.

За счет добавление крестовых связей на 20 этаже и создание так называемого «сейсмического пояса» создается эффект дополнительной опоры, что также существенно снижает сейсмическую нагрузку на здание.

Поперечная сила, действующая в основании здания минимальная, соответственно на самом высоком этаже колебания минимальные.

Сравнение результатов расчета в ПК SCAD моделей 40 этажного здания без сейсмозащиты, и оборудованного гасителем колебаний в виде гибкого технического этажа (рисунок 3) показывает, что ускорения и сейсмические нагрузки уменьшаются в случае на 45 %, в сравнении с моделью без применения сейсмоизоляции.

Выводы

Предложена эффективная система сейсмозащиты монолитного здания, оборудованного металлическими крестовыми связями.

Получены численные результаты, подтверждающие корректность методики.

Положительную роль играет конструкция в форме стилобата, так как расширение нижней части здания приводит к увеличению поперечной силы создаваемом зданием в основании. Противодействующая сила, создаваемая стилобатом, эффективно снижает сейсмическую нагрузку, действующую на здание.

Крестовые связи в стилобате усиливают основание здания и снижают перерезывающие силы в нижних этажах.

Список литературы

1. СП РК 2.03-30-2017.
2. Айзенберг Я. М. Сейсмоизоляция высоких зданий/Айзенберг Я. М. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2007. – № 4. – С. 41-
3. Дукарт А.В., Олейник А.И. О Применении многомассовых динамических гасителей колебаний для виброзащиты высотных зданий башенного типа при сейсмических воздействиях // Известия вузов. – 2003 – № 11. – С. 4-10.
4. Хусомиддинов С.С. Актуальные проблемы современной сейсмологии. Ташкент, 2016. 209 с.
5. Masayoshi Nakashima, Edoardo M. Marino, Khalid M. Mosalam. Comparison of European and Japanese seismic design of steel building structures. Engineering Structures 27, 2015, p. 827-830.
6. Арутюнян А. Р. Современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений /Арутюнян А. Р. // Инженерно – строительный журнал. – – № 3. – С. 56-60.
7. Литвинов Б.А., Литвинова Э.В. Инновационные системы сейсмозащиты зданий и сооружений за рубежом – 2013 С. 69-73.
8. Ноговицин, А.Е. Расчет здания с гибким нижним этажом на сейсмическую нагрузку в ПВК «SCAD» // Молодой ученый. – 2020. – № 21. – С. 570-577.
9. Выскребенцева М.А., Ву Ле Куен Методы сейсмогашения и сейсмоизоляции с применением специальных устройств – 2019 г. С. 20-25.
10. Поляков С.В. Сейсмостойкие конструкции зданий – 2014 г. Том № 4, С. 42-50.