Нарушение симметрии простых планов

В настоящей главе рассматриваются здания с простым решением плана, которые, однако, не оптимальны в части обеспечения сейсмостойкости.

Изменение прочности и жесткости по периметру конструкций. На работу здания в условиях воздействия сейсмических нагрузок большое влияние оказывают конструктивные особенности элементов по периметру. В случае большого изменения прочности и жесткости в элементах, расположенных по периметру здания или сооружения, центр распределения масс не совпадает с центром жесткостей, в результате чего крутящие моменты будут стремиться повернуть здание вокруг центра жесткостей (рис. 5.2.1).

Такие нагрузки часто вызывают повреждение и разрушение здания. Влияние кручения наилучшим образом можно проиллюстрировать на одном из наиболее характерных зданий (рис. 5.2.2): боковые и задние стены почти не имеют проемов, а стена фасада с многочисленными окнами, выходящими на улицу, является достаточно открытой. При действии сейсмической нагрузки конструкции задних и боковых стен сохраняют свою жесткость, но стена фасада становится гибкой, а кровельное покрытие стремится к скручиванию. Проведенные исследования показали, что колонны, расположенные в конструкции стены фасада, будут дополнительно испытывать большие напряжения от кручения. Если здания с одинаковым решением плана имеют равномерно распределенные диафрагмы жесткости, то при рассмотрении только поперечных деформаций легко определить, что прогиб открытого торца здания при кручении изменяется пропорционально квадрату длины здания. Здания с величиной отношения длины к ширине, равной 1 / 2 или менее, не будут иметь больших разрушений от кручения во время землетрясения, так как полный прогиб от кручения увеличивается незначительно. При увеличении отношения длины к ширине свыше 1 / 2 величины дополнительного прогиба от кручения возрастают очень быстро, и при отсутствии специальных антисейсмических мероприятий свободный торец здания подвергнется интенсивному разрушению.

Рис. 5.2.1. Неуравновешенное сопротивление в горизонтальной плоскости. Реактивное усилие h и инерционная нагрузка F приложены внецентренно. 1 - угловой участок; 2 - центр вращения; 3 - центр масс в горизонтальной плоскости; 4 - перемещение грунта

Рис. 5.2.2. Прогиб при кручении здания с гибкой стеной фасада 1 - перемещение

Здание магазина Дж. С. Пенни в г. Анкоридж, пострадавшее во время землетрясения на Аляске в 1964 г., является классическим примером проявления описанного эффекта. Разрушение здания произошло от скручивания и было настолько велико, что его пришлось снести (рис. 5.2.3). Это пятиэтажное здание было выполнено из железобетона. В качестве наружного стенового заполнения использовалось сочетание монолитных конструкций, железобетонных блоков и сборных железобетонных ненесущих панелей, которые были достаточно массивными, но не были предназначены для больших нагрузок. На уровне первого этажа несущие стены были расположены по периметру всего здания, поэтому влияние кручения на конструкции первого этажа было незначительно. Однако верхние этажи имели конструктивно открытую северную стену, поэтому при воздействии горизонтальных нагрузок в направлении восток-запад могли возникнуть большие усилия кручения вследствие U-образной системы жесткости, образуемой остальными несущими стенами.

	Рис. 5.2.3. Планы здания универсального магазина Дж. С. Пенни 1, 2, 3 - 1-й, 2-й, 3-й этажи; 4 - 4-й, 5-й этажи
	Рис. 5.2.4. Фасады здания магазина Брока, показывающие различные варианты расположения оконных проемов 1 - 1-й этаж; 2 - мезонин; 3- 2-й этаж; 4-3-й этаж

Магазин Брока, план которого подобен плану магазина Пенни, серьезно пострадал во время землетрясения в 1952 г. в Керн-Каунти, Калифорния. Причины разрушения также сходны с теми, которые были зарегистрированы при разрушении здания магазина Пенни. Фасады этого здания выходят на три улицы, и поэтому конструктивное решение включало каркасную систему с оконными проемами. Четвертая сторона периметра здания примыкала к соседнему дому и была выполнена сплошной (рис. 5.2.4). Неравномерное распределение жесткости элементов в плане вызвало большие разрушения в результате кручения. Согласно проведенным расчетам на жесткость южной стены второго этажа приходилось от 80 до 90% суммарной жесткости элементов этого этажа в направлении запад-восток.

Решение плана с открытым фасадом характерно для таких зданий, как станции пожарной охраны и авторемонтные мастерские, в которых необходимо предусмотреть большие въездные ворота для перемещения транспортных средств. Для станций пожарной охраны важно сохранение прямолинейного фасада, так как в случае срочного вызова передние ворота должны немедленно открываться. Станция пожарной охраны в г. Сендай (Япония), имеет непрозрачные стеновые элементы, выполненные в виде связевых каркасов с легкой облицовкой и создающие общую каркасную систему. Более легкие каркасные конструкции уменьшают действующие усилия; расчет всего каркаса следует осуществлять исходя из минимального сдвига.

Решение 1. Рамная конструкция с равной прочностью и жесткостью по периметру	Решение 2. Поперечные диафрагмы добавлены вблизи открытого фасада	Решение 3. Жесткие рамные или связевые каркасы встроены в стену фасада	Решение 4. Открытый фасад, фактор кручения учтен при расчете

Рис. 5.2.5. Возможные р ешения зданий с открытым фасадом

Основная цель любого решения данной проблемы заключается в уменьшении вероятности появления кручения. Для осуществления этого можно использовать одно из следующих четырех решений (рис. 5.2.5). Первое - разработка каркасной конструкции с приблизительно равной жесткостью и прочностью элементов по всему периметру здания. Сплошные конструкции периметра могут выполняться из ненесущих элементов, не оказывающих влияния на работу каркаса при воздействии сейсмических нагрузок. В этом случае могут использоваться легкие материалы или полностью изолированное от каркаса заполнение из тяжелых материалов, таких, как железобетон кирпичная кладка. Жесткая диафрагма отделена от трех гибких стен, усиленных каркасом с разделительным швом, который позволяет независимое перемещение. Второе - увеличение жесткости открытых фасадов за счет установки дополнительных диафрагм, располагаемых у открытых фасадов или вблизи них. Выбор решения зависит от особенностей данного проекта. Третье - использование в конструкции открытых фасадов усиленных рамных или связевых каркасов, которые по прочности и жесткости приближаются к сплошным стеновым элементам. Выбор этого решения зависит от размера фасада в плане: жесткость длинноразмерной металлической рамы не может приблизиться по жесткости к такой железобетонной стеновой панели. Удачным конструктивным решением можно считать здания жилых домов, имеющих деревянный каркас и гараж в нижнем этаже, так как жесткость даже длинноразмерной металлической рамы может быть равной жесткости диафрагм, т. е. перегородок, выполненных из клееной фанеры. Четвертое – расчет конструкций осуществляется на основе допущения о возможности кручения. Такое решение пригодно только для сравнительно небольших сооружений с жесткими диафрагмами, конструкция которых обеспечивает совместность их работы.

Проектное положение ядер (стволов) жесткости. Псевдосимметрия. Размещение внутренних жестких вертикальных диафрагм обычно вступает в противоречие с требованиями функционального назначения, гибкости планировочного решения и открытого пространства; наружные стены при допущении большого количества проемов могут превратиться в раму. Поэтому наиболее часто у многоэтажных зданий роль диафрагм жесткости выполняют ядра (стволы) жесткости. Конструирование и расчет этих массивных элементов жесткости приобретает особенно большое значение в условиях сейсмического воздействия. Большое внимание при этом следует уделять вопросу расположения ядер жесткости относительно общей симметрии здания, так как в случае асимметричного местоположения возможность появления кручения резко застает.

Рис. 5.2.6. План здания Банко Сентраль

В архитектурном проектировании часто используется термин "псевдосимметрия", определяющий решение плана зданий, которые с внешней стороны кажутся простыми, правильными по форме и симметричными по конфигурации, однако за счет компоновки несущих элементов являются конструктивно асимметричными. Справедливость этой концепции подтверждается следующими примерами. Здание Банко Сентрал в Манагуа представляет 15-этажную железобетонную конструкцию, возведенную в 1962 г. (рис. 5.2.6). План здания представляет простой прямоугольник с несущей рамой, работающей на горизонтальные нагрузки. В направлении восток-запад ствол лифтовой шахты, расположенный в одном конце здания, имеет достаточную жесткость для сопротивления воздействию поперечной нагрузки, величина которой приблизительно равна 35% полной горизонтальной нагрузки. Во время землетрясения в 1972 г. это здание подверглось серьезным повреждениям; при этом разрушены были как несущие, так и ненесущие элементы конструкции. К наиболее серьезным конструктивным повреждениям следует отнести появление трещин в плите перекрытия вблизи шахт лифтов и лестничных клеток. Основные перемещения зарегистрированы в направлении восток-запад; жесткость железобетонных стен лифтовых шахт была значительно больше, чем жесткость рам, в результате чего в этих зонах перекрытие "разорвалось". Кроме этого, почти на всей площади перекрытия были обнаружены трещины толщиной 12,7 мм. Особенно сильно во время этого землетрясения пострадали ненесущие элементы, что произошло в результате интенсивных толчков, воздействующих на сравнительно гибкую раму (каркас), увеличивающихся за счет внецентренного расположения инженерного ствола здания. Так как в основном толчки грунта проходили в направлении восток-запад, здание не подверглось сильному воздействию кручения, которое могло бы возникнуть в связи с тем, что жесткое несущее ядро здания было смещено от центра.

Здание жилого дома Фор Сизонз в г. Анкоридж, Аляска, представляло собой шестиэтажную железобетонную конструкцию, возведенную методом подъема этажей, с простым прямоугольным планом и двумя симметрично расположенными железобетонными стволами жесткости: один - для лифта i другой - для лестничной клетки. Ствол, расположенный в южной части здания, был частично изолирован от перекрытия вырезом по каждому этажу (рис. 5.2.7). В 1964 г. во время землетрясения на Аляске это совершенно новое здание было полностью разрушено. По свидетельству очевидцев "Здание разрушилось перед самым концом землетрясения, после сильных толчков, продолжавшихся, может быть, 2 - 3 мин. До того как здание упало на землю разрушения начались на уровне второго этажа в зоне северо-восточного угла. Затем, слегка наклоняясь в северном направлении, оно разрушилось по вертикали и упало в большом облаке пыли. Металлические несущие колонны также упали на землю в северном направлении, а плиты перекрытия, падая, ложились одна на другую подобно испеченным блинам".

Специалисты по-разному истолковывают причины разрушения этого здания. Однако с точки зрения архитектурно-планировочного решения оно имеет три основных недостатка: 1. две шахты не были соединены между собой в уровне основания или фундамента (см. разрез); 2. несмотря на то, что внешне обе шахты кажутся одинаковыми, стены северной шахты создали значительно большую жесткость сечения, а следовательно, и псевдосимметрию, в результате чего несущая способность на действие изгибающих нагрузок этой шахты превышала на одну четверть несущую способность южной шахты; 3. за счет проема атриума в перекрытиях (которой расположен между двумя стволами жесткости здания) уменьшилась площадь контакта перекрытия и ядра.

План и разрез (1- проем)	1 - южное ядро; 2 - северное ядро

Рис. 5.2.7. План и разрез жилого дома Фор Сизонс, землетрясение в г. Анкоридж

Очевидно, что одной из наиболее важных проблем при проектировании сейсмостойких конструкций следует считать создание баланса несущих элементов с точки зрения их расположения относительно всей конструкции здания, а также их локального расположения на каждом из этажей или между отдельными конструктивными частями здания. В случае центрального или периферийного расположения ствола или стволов жесткости в здании с симметричным решением плана уменьшается потенциальная возможность проявления кручения и воздействия толчков землетрясения на те конструктивныечасти, которые находятся далеко от этих ядер. Если особенности решения плана здания не позволяют разместить ядра жесткости симметрично, то вконструкцию следует включить некоторое количество дополнительных несущих элементов - что, однако, может быть трудно осуществить, учитывая характер возможных толчков без определенного и заранее известного направления их действия. В тоже время нельзя допускать, чтобы в проектируемой конструкции ядро жесткости являлось единственным несущим элементом; следует предусмотреть жесткую несущую раму (каркас) или диафрагмы, которые рекомендуется располагать по периметру здания. Необходимо учитывать, что инженерные стволы - шахты лифтов, лестничные клетки, коммуникационные каналы и другие подобные элементы создают многочисленные отверстия в конструкции перекрытия.

Рис. 5.2.8. Здание Нортон Билдинг, шт. Вашингтон

Для обеспечения достаточной динамической симметрии полная геометрическая симметрия не обязательна. На рис. 5.2.8 показано проектное решение административного здания, которое, на первый взгляд, представляет собой типичный пример псевдосимметрии с большим смещенным ядром жесткости (А). Однако при более тщательном рассмотрении становится ясно, что продольные несущие элементы симметрично расположены относительно центра здания и воспринимают горизонтальные усилия без создания кручения (Б), а поперечные диафрагмы соответственно сбалансированы для восприятия поперечных нагрузок (В).

Дата добавления: 2015-07-13