Воздействие землетрясения на здания

Сейсмические волны вызывают колебательные процессы в грунтах поверхностного слоя земли. На эти грунты опираются фундаменты зданий и сооружений. Перемещения (колебания) грунтов через фундаменты передаются на конструкции зданий в форме некоторого кинематического возбуждения, вызывающего их движение.

Передача нагрузок в виде перемещений, колебаний на здание происходит следующим образом. При землетрясении нагрузки (в виде перемещений, колебаний) передаются через грунты основания на конструкции фундаментов и стен подвалов, и, через них, на перекрытия подвалов. Далее нагрузки (в виде перемещений, колебаний) передаются на вертикальные конструкции первого этажа, перекрытие первого этажа, вертикальные конструкции второго этажа, перекрытие второго этажа и т.д. Конструкции здания, получив перемещение в виде сейсмического толчка, и, соответственно, получив некоторую потенциальную энергию из-за возникших при этом деформаций, стремятся вернуться в исходное состояние, используя силы упругости путем перехода потенциальной энергии в кинетическую. Пройдя начальное положение, конструкции продолжают двигаться по инерции (т.к. кинетическая энергия в нулевой точке не погашена) и переходят в положение, противоположное начальному отклонению. Так в здании возникают колебания как следствие проявления сил инерции, создаваемых перемещениями массы здания.

Масса, размеры в плане и форма здания (т.е. конфигурация здания) часто определяют характер этих сил и степень восприятия их несущей системой здания. Величина сил инерции определяется, согласно закону Ньютона, произведением массы на ускорение. Ускорение представляет изменение скорости во времени и является функцией характера землетрясения; масса - параметр, непосредственно относящийся к зданию. Поскольку рассматриваемые силы являются инерционными, увеличение массы обычно приводит к росту этих сил.

Землетрясения чаще всего проявляются как серия последовательных перемещений грунтов основания, происходящих с определенной частотой. Если период собственных колебаний здания близок к периоду землетрясения, то колебания накладываются друг на друга, и возникает явление резонанса, при котором даже толчки малой силы могут вызвать большие колебания здания, которые могут привести к его разрушению. Если период собственных колебаний здания не совпадает с периодом землетрясения, то колебания гасят друг на друга, и здание может выдержать даже землетрясение большой силы.

При этом необходимо учесть, что слишком большие перемещения могут вызвать в элементах конструкций здания напряжения, превосходящие динамический предел прочности материала, и, как следствие, проявление пластических деформаций в узлах и элементах. Это может привести к тому, что здание потеряет первоначальную форму, и потребуются значительные затраты на его восстановление.

Также следует учитывать эффект поглощения (гашения) колебаний в зданиях и сооружениях происходит при возбуждении колебательных движений. Здания стремятся возвратиться в исходное положение, и степень затухания колебаний в зданиях зависит от типа соединений основных конструктивных элементов, типа ненесущих деталей и вида строительных материалов.

Отсюда следуют выводы:

- Повреждение здания во время перемещения грунта вызывается не динамическим воздействием в виде удара, а при действии сил инерции, создаваемых колебаниями массы здания.

- Чем меньше собственная масса, тем меньше силы инерции, и тем выше сейсмостойкость.

- Чем больше период собственных колебаний здания, тем меньше воздействие землетрясения.

- Чем выше жесткость здания, тем выше его сейсмостойкость.

- Чем большие перемещения способно выдержать здание, тем выше его сейсмостойкость.

- Чем больше гибкость здания, тем больше период собственных колебаний здания и, соответственно, меньше воздействие землетрясения.

- Чем больше гашение (поглощение) колебаний в зданиях, тем меньше воздействие землетрясения.

- Чем больше период собственных колебаний здания превышает колебания грунта, тем меньше воздействие землетрясения.

- Чем выше прочность здания (чем большие нагрузки оно может выдержать), тем выше его сейсмостойкость.

Эти выводы не позволяют дать однозначные рекомендации по повышению сейсмостойкости зданий и сооружений, но они позволяют выявить круг вопросов, стоящих при проектировании.

Суммируя изложенное относительно реакции здания на перемещение грунта во время землетрясения, можно сказать, что большое количество соответствующих параметров не поддается прогнозированию. Решение этой проблемы определяется опытом инженера, поскольку ему приходится иметь дело с нагрузками, характер которых не достаточно хорошо понятен, имеющаяся информация о свойствах материалов не является исчерпывающей, а работа элементов конструкции определяется в диапазоне предельных, а не эксплуатационных нагрузок. Наиболее важным положением является значительное отличие расчетных концепций, принятых в проектировании сейсмостойких конструкций, от концепций расчета других типов зданий и сооружений, для которых расчетные усилия представляют лишь небольшую часть от тех нагрузок, которые действуют на сооружения во время сильных землетрясений.

Дата добавления: 2015-07-13