Сейсмоизоляция сооружений

Междуэтажные перекрытия в зданиях с металлическими каркасами рекомендуется выполнять преимущественно монолитными железобетонными. В случаях применения сборных железобетонных перекрытий следует предусматривать конструктивные противосдвиговые мероприятия (монолитные обвязочные пояса, шпоночные стыки между панелями и др.), аналогичные тем, что рекомендуются для сейсмостойких зданий с железобетонными каркасами.

 

Покрытия и перекрытия зданий, объединяющие отдельные элементы конструкций в пространственный каркас, должны создавать жесткий в своей плоскости диск. Для увеличения жесткости этого диска в покрытиях с использованием стального профилированного настила необходимо предусматривать систему связей в плоскости верхних поясов ферм, в которой роль распорок могут выполнять прогоны.

Жесткость покрытий, выполняемых из стального профилированного настила, следует обеспечивать за счет крепления листов профилированного настила в каждой волне к прогонам или к верхним поясам стропильных конструкций. Между собой листы профилированного настила следует скреплять заклепками, шаг которых не должен превышать 250 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчеты на сейсмические воздействия

Сочетания нагрузок

При проектировании зданий и сооружений для строительства в сейсмически опасных районах, помимо расчетов на основное сочетание нагрузок, следует выполнять также расчеты на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий - проектных землетрясений (ПЗ) и максимальных расчетных землетрясений (МРЗ), см. табл. 2.1. ПЗ и МРЗ нормами действующего СНиП II-7-81 не предусмотрены, но на данный момент рассматриваются в проекте нового        СНиП II-7-81 (Ю.П. Назаров).

В качестве расчетных моделей воздействия РМВ принимается полесейсмического движения грунта основания:

1. Дифференциальная РМВ  – модель, при которой для каждой точки грунтового основания сооружения задается вектор ускорения (скорости или перемещения)

2. Интегральная РМВ –  модель, при которой в пределах массива грунтового основания сооружения движение его в пространстве, как единого целого, определяется:

– вектором ускорения поступательного движения (дилатация);

– вектором углового ускорения вращения (ротация).

 

                            Таблица 2. – Расчет на два уровня сейсмического воздействия

Сейсмические нагрузки, соответствующие ПЗ, должны использоваться при проектировании и строительстве зданий и сооружений массового гражданского, промышленного и сельского строительства с применением карт ОСР-А, В.

Сейсмические нагрузки, соответствующие МРЗ, должны использоваться при проектировании ответственных объектов (крупные гидротехнические сооружения, экологически опасные объекты и др.) с применением карты ОСРС.

Карты общего сейсмического районирования ОСР-97 являются обязательным приложением к СНИП II-7-81. Рекомендации Госстроя России по отнесению объектов строительства к типу карты A, B или C см. в табл. 3

 

 

                                        Таблица 3. – Рекомендация по применению карт ОСР- 97

При расчете в особое сочетание нагрузок входят постоянные, возможные длительные и кратковременные нагрузки, сейсмические воздействия, а также воздействия, обусловленные деформациями основания при замачивании просадочных грунтов.

 

Методы расчетов и их применение

Расчеты сооружений на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий следует выполнять с использованием:

- спектрального метода;

- прямого динамического  метода с применением инструментальных записей ускорений грунта при землетрясениях или стандартного набора синтезированных акселерограмм.

Применяемые методы расчета на сейсмические воздействия приведены в таблице 4. Расчеты по спектральному методу следует выполнять для всех зданий и сооружений. В случае несовпадения результатов расчета по спектральному методу и прямому динамическому методу следует принимать более невыгодное решение (при этом расчетные сейсмические нагрузки принимаются не ниже нагрузок, определенных по спектральному методу).

Для зданий и сооружений простой геометрической формы с симметричным и регулярным расположением масс и жесткостей расчетные сейсмические нагрузки следует принимать действующими горизонтально в направлении, как правило, в направлении продольной и поперечной оси плана здания или сооружения. Действие сейсмических нагрузок в указанных направлениях следует принимать раздельно.

При расчете сооружений с несимметричным и нерегулярным расположением масс и жесткостей следует учитывать наиболее опасные для данной конструкции или ее элементов направления действия сейсмических нагрузок. В тех случаях, когда определение опасного направления действия сейсмической нагрузки вызывает затруднения, рекомендуется выполнять независимые расчеты конструкции при трех взаимно ортогональных направлениях действия сейсмических сил.

                                                       Таблица 4. – Применяемые методы расчета.

Вертикальную составляющую сейсмического воздействия необходимо учитывать при расчете:

- горизонтальных и наклонных  консольных конструкций;

- рам, арок, ферм и пространственных  покрытий зданий и сооружений

при пролетах:

24 м и более - для площадки  сейсмичностью 7 баллов;

18 м и более - для площадки  сейсмичностью 8 баллов;

12 м и более - для площадки  сейсмичностью 9 баллов;

- прочности несущих стен  из каменной кладки;

- сооружений и фундаментов  на устойчивость, опрокидывание  и скольжение;

- свайных конструкций  с высоким ростверком;

- опорных элементов сейсмоизоляции;

- перекрытий и фундаментных  плит, проверяемых на продавливание (перекрытия в составе безригельных  каркасов, фундаментные плиты высотных  зданий со сквозными нижними  этажами и др.);

- зданий и сооружений  на устойчивость против опрокидывания  или скольжения.

 

Спектральный метод расчета

При определении расчетных значений горизонтальных сейсмических нагрузок на здания и сооружения высотой Н, превышающей в два и более раз его ширину В и длину L допускается принимать расчетную схему (рисунок 7,а) в виде многомассового упруго-деформируемого консольного стержня, жестко заделанного в основании, несущего сосредоточенные массы весом

Qk, на уровне перекрытий, и совершающего колебательное движение по одному из направлений (х или у).  

 

                                   Рисунок 7. - Расчетные схемы зданий и сооружений

                                        a - в виде многомассового консольного  стержня;

                                        б - в виде многомассовой перекрестной  системы;

                                       в - в виде пространственной динамической  модели.

При ширине сооружения В, меньшей в три и более раз двух других его размеров (Н и L) допускается принимать расчетную схему (рисунок 7,б) в виде многомассовой упруго деформируемой перекрестной системы с сосредоточенными в узлах массами, расположенными на уровне перекрытий. Как правило, рекомендуется использовать пространственные расчетные динамические модели с сосредоточенными в узлах массами (рисунок 7,в).

 

 

 

 Прямой динамический метод расчета с применением расчетных сейсмических воздействий как функций времени

Прямые динамические расчеты зданий и сооружений следует выполнять с использованием расчетных акселерограмм ai(t) = Аi уi(t), где i - номер составляющей вектора колебаний; Аi -максимальное значение амплитуды ускорений; y(t) - нормированная на единицу функция, описывающая колебание грунта во времени.

При проектировании особо важных объектов в прямых динамических расчетах следует использовать расчетные акселерограммы, построенные для заданной вероятности не превышения максимальных сейсмических воздействий, соответствующей карте ОСР. Расчетные акселерограммы строятся на основе инструментальных записей сильных и промежуточных по величине землетрясений, зарегистрированных непосредственно на строительной площадке, либо в условиях, близких к условиям площадки проектируемого здания или сооружения. Величины Аi в этом случае определяются с помощью работ по уточнению сейсмической опасности площадки.

При проектировании нетиповых и ответственных зданий и сооружений в прямых динамических расчетах допускается использование синтезированных расчетных акселерограмм, построенных с учетом условий площадки и ее положения, относительно опасных сейсмогенных зон. При отсутствии инструментальных записей для генерации расчетных акселерограмм могут использоваться расчетные методы и данные о приращении сейсмической балльности за счет влияния местных грунтовых условий площадки, полученные при проведении ее сейсмического микрорайонирования.

При проектировании зданий и сооружений, не привязанных к конкретной площадке, в прямых динамических расчетах рекомендуется использовать пакет трехкомпонентных синтезированных акселерограмм, которые были построены на основе записей колебаний грунтов, зарегистрированных в разных регионах страны с помощью цифровых сейсмостанций. Амплитуды синтезированных акселерограмм в зависимости от сейсмичности площадки необходимо умножать во всех случаях при выполнении прямых динамических расчетов зданий и сооружений на масштабный коэффициент К соответственно.

Максимальные значения ускорения относятся к горизонтальным составляющим колебаний. При отсутствии инструментальных записей значения вертикальных ускорений основания допускается принимать равными 0,7 от значений горизонтальных ускорений.

При проведении прямых динамических расчетов с использованием набора синтезированных акселерограмм необходимо принимать в качестве расчетных акселерограммы, преобладающие периоды которых близки к периодам собственных колебаний здания по первой форме.

Рекомендации по выбору расчетных акселерограмм должны учитывать соответствия для конкретной площадки по основным сейсмологическим параметрам:

- магнитуде;

- эпицентральному расстоянию;

- глубине и механизму  очага;

- грунтовым условиям и  др.

Значения сейсмических нагрузок, перемещений и деформаций конструкций следует определять с учетом особенностей нелинейного деформирования конструкций.

Системы активной сейсмозащиты. Отечественный и зарубежный опыт

При применении систем активной сейсмозащиты уменьшаются сейсмические нагрузки на надземные конструкции зданий и сооружений, вследствие чего повышается надежность их работы при землетрясениях, снижается материалоемкость и сметная стоимость объектов строительства, расширяются области их применения в районах с разной степенью сейсмической активности.

Начиная с 1925 года, когда было опубликовано предложение М. Вискордини по устройству в подвальной части зданий катковых опор или колонн со сферическими верхними и нижними опорами, был предложен и частично реализован в сейсмостойком строительстве целый ряд систем активной сейсмозащиты, большинство из которых может быть отнесено к следующим основным группам:

- системы, реализующие принципы  сейсмоизоляции;

- адаптивные системы с  изменяющимися характеристиками;

-  системы с повышенным  демпфированием;

- системы с гасителями  колебаний.

Каждая из этих групп может быть разделена на несколько подгрупп, объединяющих системы сейсмозащиты по принципам конструктивной реализации или характеру динамического взаимодействия с защищаемой конструкцией сооружения. На таблице 5 приведена схематичная классификация систем активной сейсмозащиты, учитывающая вышеназванные принципы разделения по группам. Данная классификация, включающая основные системы сейсмозащиты, не охватывает все возможные методы активной сейсмозащиты, и является в некоторой степени условной. Кроме того, возможно применение комбинированных систем сейсмозащиты, объединяющих две или более из вышеуказанных систем, что позволяет более полно использовать положительные свойства каждой отдельной системы и уменьшить влияние их отрицательных свойств.

Большинство из описанных ниже методов сейсмозащиты позволяет снизить сейсмическую реакцию сооружений в два - три раза, что дает возможность вести проектирование с расчетной сейсмичностью на балл ниже. Как правило, каждая система сейсмозащиты имеет определенную область применения, зависящую от основной конструкции зданий, его этажности и характеристик возможных землетрясений.

Решая вопрос о применении сейсмозащиты, необходимо учитывать, что достаточно серьезные работы по исследованию активных систем сейсмозащиты начаты сравнительно недавно. Полученные в результате проведенных исследований данные еще не достаточны, чтобы делать окончательные выводы об их эффективности и надежности.

К системам сейсмоизоляции предъявляются следующие требования:

- снижение сейсмических  сил до определенного уровня;

- обеспечение низкого  уровня ускорений горизонтальных  колебаний здания при сейсмических  воздействиях;

- предотвращение усиления  вертикальных колебаний здания  при соответствующих колебаниях  грунта;

- обеспечение удовлетворительной  адаптации зданий при больших  смещениях, имеющих место при  сильных землетрясениях;

- обеспечение общей устойчивости  сооружения при землетрясении;

- обеспечение надежности  работы в течение длительного  времени под действием силы  тяжести сооружения, при ветровом  воздействии и при деформации  основания;

- соблюдение требований, предъявляемых к материалам из  которых изготовляются элементы  сейсмоизоляции и долговечность  которых проверена на практике;

- обеспечение в случае  необходимости легкой заменяемости, элементов системы сейсмоизоляции.