Прочность и жесткость

Прочность и жесткость конструкции представляют собой наиболее важные характеристики любого сооружения. В случае воздействия сейсмических нагрузок они играют особенно большую роль, и именно в расчете на сейсмические воздействия они проработаны наиболее детально.

Одним из показателей жесткости является прогиб, который в большинстве случаев при действии вертикальных нагрузок от собственного веса является единственным параметром. При определении размеров балок межэтажных перекрытий в качестве основного критерия расчета часто принимают величину прогиба, а не несущую способность. Аналогично при действии горизонтальных сил предельное смещение верха здания, накапливающееся от этажа к этажу, влияет значительно больше на конструирование элементов по сравнению с условиями, когда за расчетный критерий принимается прочность (рис. 3.3.1). В этом случае основной вопрос, решаемый при проектировании, заключается в обеспечении сопротивления действующим нагрузкам без превышения в конструкции значений предельных, напряжений; условие жесткости или ограничения горизонтального смещения предусматривает предотвращение перемещения конструкции относительно главных осей на величину, превышающую предельное значение, заданное расчетом. При проектировании конструкций межэтажных перекрытий для балок возможна некоторая величина допускаемого прогиба, в то же время для внутренней поверхности потолка этот прогиб зрительно не должен быть заметен. Рассчитывать величину смещения конструкций необходимо для уменьшения отрицательного воздействия чрезмерных перемещений на ненесущие элементы, такие, как перегородки, панели наружных стен, детали конструкции потолка, а также для обеспечения условий комфортности проживания. Кроме того, чрезмерные смещения могут вызвать увеличение эксцентриситетов прилагаемых нагрузок, действующих в колоннах (появляется эффект Р-Δ).

Рис. 3.3.1. Определение поэтажного смещения как разницы прогибов между этажами в горизонтальной плоскости 1 - смещение

Рис. 3.3.2. Жесткие и гибкие балки

В нормах некоторых стран, например США, величина смещения не должна превышать 0,5% высоты этажа (при действии расчетных нагрузок с учетом коэффициента запаса прочности). В нормах России эта величина не ограничивается.

Относительные жесткости элементов оказывают существенное влияние на распределение нагрузок от собственного веса, однако наибольший интерес они представляют при расчете конструкций на сейсмические нагрузки. Поскольку горизонтальный диск, имеющий высокую жесткость (например, железобетонная плита), связан с вертикальными несущими элементами, то их величина смещения будет такая же, как и горизонтального диска. (Так как диск является жестким элементом конструкции, в расчете допускается условие его поступательного перемещения без какого-либо нарушения формы.) Если величина деформации двух элементов конструкции (рамы, стеновые панели, ригели или любое сочетание из них) одинакова, то большая часть прилагаемой нагрузки воспринимается тем элементом, жесткость которого выше. Только в случае одинаковой жесткости рассматриваемых элементов можно допустить равномерное распределение нагрузки между ними. Поскольку системы железобетонных перекрытий или покрытий относятся к "жестким дискам", а стеновые панели, каркасы и рамы с ригелями имеют другие, меньшие показатели жесткости, оценка факторов относительной жесткости элементов, составлявляющих сооружение, является обязательным условием процесса расчета навоздействие сейсмической нагрузки.

Рис. 3.3.3. Относительные жесткости железобетонных стеновых элементов разной длины

На рис. 3.3.3 показаны относительные жесткости некоторых типов железобетонных стеновых элементов различных размеров (в примере: высота 3,04 м, толщина 25,4 мм; защемлены в верхней и нижней гранях, модуль деформаций одинаковый). При жесткой конструкции диафрагм величина нагрузки, воспринимаемая стеновыми элементами, пропорциональна их жесткости. Двойному увеличению длины соответствует почти двойное увеличение прочности элемента при восприятии поперечной силы и значительно большее увеличение жесткости,следовательно, и величины воспринимаемой нагрузки. Другим важным аспектом показателя жесткости является интегральная жесткость всего здания или сооружения, определяющая частоту колебаний.

При проектировании конструкций сейсмостойких сооружений используется сравнительно небольшим перечень элементов, включенных в компоновочное решение систем, воспринимающих сейсмическую нагрузку. В вертикальной плоскости усилия от горизонтальных нагрузок воспринимаются вертикальными диафрагмами, связевыми и рамными каркасами (иногда называемыми "жесткими рамами"). В горизонтальной плоскости в качестве жестких дисков рассматриваются межэтажные перекрытия и покрытие здания или горизонтальные связи (рис. 3.3.4). Эти элементы определяют архитектурный облик здания и включаются на стадии эскизного архитектурного проектирования объекта. При конструктивном расчете возможно изменение их проектного положения и формы с дополнением ненесущих элементов.

Рис. 3.3.4. Конструкции, воспринимающие сейсмические нагрузки

а - вертикальные диафрагмы; б - связевые каркасы; в - рамные каркасы; г - горизонтальные диафрагмы (диски)

Архитектор должен понимать природу и характер работы системы конструкций, воспринимающей сейсмическую нагрузку в случае землетрясения; при этом все расчеты и рабочие чертежи могут осуществляться инженерно-техническим персоналом. Большая часть инженеров и специалистов технических профессий приобрели определенное чувство понимания действия статических сил на примере своего собственного тела. Динамические усилия и их природа осознаются значительно легче теми, кто занимается спортом - лыжным, прыжками в воду, серфингом. Они хорошо знают влияние движения на изменения действия сил тяжести. Для лучшего понимания действия горизонтальных сил можно представить себе вертикальные силы, повернутые на 90°. Но характер воздействия сейсмических нагрузок значительно сложнее, чем просто действие нагрузок от сил тяжести.

Дата добавления: 2015-07-13