Здания с резким изменением прочности и жесткости

ВВЕДЕНИЕ

Если на пути прохождения сейсмической силы имеется всего один ослабленный участок или внезапное изменение жесткости, то эта зона уже может быть опасной. Даже при работе конструкции в упругой стадии ответная реакция на воздействие сейсмической нагрузки по высоте может существенно отличаться от принятого распределения усилий по треугольнику. Ситуация становится еще более критической при деформации элементов в неупругой стадии. Распределение горизонтальных нагрузок в соответствии с требованиями норм принимается для некоторой конструкции, в которой отсутствует внезапное изменение жесткости, и поглощение энергии при землетрясении распределяется по конструкции равномерно или по некоторой непрерывной зависимости. В том случае, если конструкция состоит из жесткой верхней и гибкой нижней части, больший объем поглощаемой энергии концентрируется в гибкой части, и только очень небольшое количество энергии поглощается конструкциями верхней, более жесткой части

Здания с гибким этажом. Одна из наиболее серьезных проблем, возникающих при изменении прочности и жесткости в конструкции здания, связана с наличием в конструкции здания так называемого гибкого этажа (когда нижний этаж имеет более низкую прочность или жесткость по сравнению с верхними этажами). При этом гибкий этаж, создаваемый за счет соответствующих конструктивных элементов на любом уровне здания, способствует возникновению ряда сложностей, относящихся к его работе, но так как максимальные нагрузки обычно действуют в основании, то неравномерность жесткости элементов конструкции между первым и вторым этажами считают наиболее опасным результатом расчета (рис. 6.1.1).

	Рис. 6.1.1. Нарушение сплошности элементов жесткости создает зону ослабленного сечения или гибкий этаж: 1 - зона разрезности
	Рис. 6.1.2. Траектория передачи нагрузки при наличии прерывистости колонн или простенков

Гибкий этаж характеризуется тем, что между значениями прочности и жесткости его вертикальных элементов и остальной части здания существует большая разница. Это, как правило, возникает потому, что один этаж, обычно первый, имеет существенно большую высоту (или меньше стен), чем остальные этажи здания, и в результате уменьшается жесткость.

Неравномерность жесткости и прочности конструкции может также возникнуть, если, согласно проектному решению, не все вертикальные элементы каркаса продолжаются до фундамента; некоторые из них кончаются на уровне второго этажа, создавая тем самым увеличение площади пола нижнего этажа (рис. 6.1.2). При таких условиях возникает неоднородность траектории прохождения прилагаемой нагрузки, в результате чего в точке перелома этой траектории появляется ступенчатое изменение прочности и жесткости. Появление в конструкции гибкого этажа обусловливается также наличием перекрытия с консолями, которые служат опорами массивных несущих или ненесущих стеновых элементов, расположенных выше. Такой случай приобретает более серьезный характер, если стеновые элементы, расположенные выше перекрытия, являются диафрагмами - основными несущими элементами, воспринимающими горизонтальную нагрузку. Основная трудность проектирования конструкций с гибким этажом заключается в том, что большая часть сейсмических нагрузок и последующих деформаций сосредоточивается в элементах этажа с меньшей прочностью и жесткостью, а не распределяется равномерно среди элементов всех этажей. Конструкции горизонтальных диафрагм при перемещении осуществляют распределение нагрузки на вертикальные элементы пропорционально жесткостям. Но если имеются гибкие этажи, значения их прогибов будут значительно превышать прогибы остальных этажей, в результате чего именно в них будут наибольшие перенапряжения и последующее разрушение.

Здание гостиницы Каррилло, землетрясение в Caнта Барбара, 1925 г.: Его конструкция включает высокие колонны первого этажа, служащие полугибкими опорами. После землетрясения они дали необратимый прогиб за счет действия инерционных сил, переданных с верхних этажей, которые в свою очередь, не подверглись серьезному повреждению, в то время как стены и перекрытия нижней части здания были разрушены настолько, что кирпичное заполнение и облицовка вывалилась из конструкции. Стыки в верхней части колонн первого высокого этажа были сильно повреждены и разрушены. Это здание с поврежденными колоннами первого этажа не опрокинулось только потому, что амплитуда перемещения грунта оказалась для этого недостаточной.

Рис. 6.1.3. Здание гостиницы Нью Сосаети, землетрясение на о. Минданао, 1976г.

Во всем мире сейчас наблюдается единое архитектурное направление, относящееся к строительству современных зданий и сооружений: создание открытого пространства в пределах нижнего этажа, стремление поставить здание на "ходули". Требования современных норм проектирования сейсмостойких конструкций предусматривают подобное распределение жесткости в условиях динамического воздействия прилагаемой нагрузки; поэтому потенциально возможнее разрушение следует ожидать там, где проектирование осуществляется с учетом минимальных требований норм для зон с высокой сейсмической активностью. Повреждения многих зданий в Каракасе во время землетрясения в 1967 г. являются наглядным подтверждением этому.

В здании гостиницы Нью Сосаети на о. Минданао во время землетрясения в 1976 г. значительные разрушения произошли из-за наличия в конструкции высоких колонн в первом этаже, а также неудачной конфигурации, что вызвало появление кручения. Две стены здания, выходящего углом на улицу, представляли каркасную конструкцию без заполнения, другие две стены включали стеновые заполнения, и поэтому отличались большей жесткостью. Значительное смещение в зоне угла вызвало разрушение колонн нижнего этажа. На рис. 6.1.3 наглядно видно вращение здания по мере его падения на улицу.

Рис. 6.1.4. Решения конструкции гибкого этажа: 1 - основной тип разреза зданий; 2 - гибкий этаж; 3 - потенциальные решения; 4 - однородные конструкции; 5 - дополнительные колонны; 6 - разрежение узлов; 7 - подкосы	Рис. 6.1.5. Традиционный архитектурный прием, создающий визуально неоднородный фасад при однородной конструкции

Решения. Одно из решений проблемы, связанной с гибким первым этажом, ведет к полному его исключению, т. е. к отказу от использования в объемно-планировочном решении здания элементов, создающих ступенчатое изменение жесткости. Если по соображениям функционального или эстетического характера этого сделать нельзя, то необходимо проработать возможные способы уменьшения неравномерности распределения жесткостей за счет увеличения количества колонн или дополнительных связевых элементов (рис. 6.1.4). В качестве альтернативного решения можно оставить высокий первый этаж, но основная конструкция будет иметь однородную жесткость по всей высоте за счет устройства через этаж более легких перекрытий, вмонтированных таким образом, чтобы влияние, оказываемое ими на характеристики основного каркаса, было минимальным. Все указанные способы; требуют детального анализа в каждом конкретном случае; приведенные схемы лишь иллюстрируют общие концепции, которые могут быть положены в основу дальнейших исследований. Не следует также забывать о потенциальных возможностях архитектурно-планировочных решений: зрительное впечатление от наличия первого этажа можно усилить использованием соответствующих архитектурных приемов, исключающих ступенчатое изменение жесткости (рис. 6.1.5). Иногда преднамеренное использование гибкого первого этажа для изоляции конструкции верхних этажей здания от влияния перемещающегося грунта во время землетрясения теоретически можно считать достаточно целесообразным решением. Однако для обеспечения требуемой надежности работы конструкции необходимо проведение специальных мероприятий и использование специальных строительных материалов (например, гибкие конструкции первого этажа здания следует проектировать из расчета восприятия очень больших перемещений, более чем 30 см).

Сейсмоизоляция зданий. Имеется в виду применение высоконадежных устройств в уровне первого этажа, которые частично или полностью отделяют верхние конструкции от влияния перемещений грунта. Предложения о возведении зданий на слое шариковых подшипников, сделанные еще в XIX в., сейчас пересматриваются с учетом современной строительной технологии. Например, плиты оснований колонн изолируются от фундаментов пластиной типа "сэндвич", которая выполнена из металлических листов и резиновых прокладок и работает на сдвиг (рис. 6.1.6), или используются квазигидравлические амортизаторы ударов, перекачивающие твердый свинец через отверстие и обратно по мере перемещения фундамента вперед и назад. Во Франции, Новой Зеландии, Швейцарии, России, СНГ уже построены подобные здания. Эти устройства предназначены снижать (но не полностью исключать) нагрузки, воздействующие на конструкцию верхнего строения зданий. Анализ показал, что принципы влияния конфигурации здания при этом сохраняются.

Рис. 6.1.6. Конструкция сейсмоизоляции фундамента типа "сэндвич", выполненная из стальных пластин и резиновых прокладок

Несоосные диафрагмы. В том случае, когда перегородки-диафрагмы включены в основную несущую систему здания, нагрузка на них может быть очень высокой. Если такие стеновые элементы в плане не совпадают по осям (от одного этажа к другому), то траектория усилий от приложенных нагрузок от кровли до фундамента будет представлять собой ломаную линию, что приведет к значительным перенапряжениям в точках отклонения. Прерывание диафрагм по вертикали бывает при наличии первого гибкого этажа. Функциональность первого этажа здания, требующая большого открытого пространства, вызывает необходимость исключения из конструкции на этом уровне несущих диафрагм с заменой их каркасом. При этом, основная задача диафрагмы заключается в том, что она собирает нагрузки, воздействующие на перекрытие на каждом этапе, и передает их на фундамент. Прерывание же этого пути передачи нагрузки является ошибкой.

Здание больницы Олив Вью, сильно пострадавшее в 1971 г. во время землетрясения в Сан-Франциско, является наглядным примером неудачного использования диафрагм в конструктивной схеме. Вертикальная конфигурация основного здания представляла собой гибкий двухэтажный рамный каркас, служащий опорой для четырехэтажного (пятиэтажного, если считать надстройку в верхнем этаже) связевого каркаса с диафрагмами (рис. 6.1.7), Конструкции второго этажа выступают далеко за пределы основного объема здания, формируя дополнительную площадь снаружи. Поэтому создается впечатление, что основное здание имеет один гибкий этаж, а не два. Сильное повреждение во время землетрясения, как и следовало ожидать, произошло в первом гибком этаже. Верхние этажи перемещались как единая конструкция, причем перемещение было настолько значительным, что колонны на уровне грунта не смогли его выдержать и разрушились (поскольку смещение от вертикали было очень большим, и составляло 0,76 м).

Дискретность прочности и жесткости вертикальных элементов конструкции приводит к концентрации напряжений и последующему повреждению, при этом этаж, который является опорным для всех остальных этажей здания, должен разрушаться последним, а не первым. Если бы колонны здания больницы Олив Вью имели более прочную арматуру, то их разрушение могло наступить несколько позднее, но маловероятно, что они могли остаться совсем неповрежденными. Однако основной причиной разрушения явилось не слабое армирование колонн, а неудачное конструктивное решение здания. Вертикальные диафрагмы башен лестничных клеток не были доведены до фундамента. Верхние шесть этажей башен имели жесткую конструктивную схему, включающую железобетонные стеновые элементы с высоким процентом армирования; нижний гибкий этаж состоял из шести железобетонных колонн, которые разрушились. Причина разрушения этой части здания не очевидна, поскольку ослабленный нижний этаж скрадывался конструкцией стилобата и зрительно по высоте башни имели шесть этажей, а не семь. Эти семиэтажные отдельно стоящие башни-пристройки во время землетрясения были неспособны противостоять сейсмическим нагрузкам: три из них опрокинулись, четвертая наклонилась наружу на 10°.

	Рис. 6.1.7. План и сечения здания больницы Олив Вью а - план (1 - границы удлиненного 2-го этажа); б - сечения А-А; в - сечение Б-Б; А, Б, В, Г - крылья
	Рис. 6.1.8. Башня с лестничными клетками, упавшая наружу, здание больницы Олив Вью

Стены башни, расположенной на северной стороне, не имели разрезности и доходили до фундамента основания; это была единственная уцелевшая башня. Очевидно, что ни одна башня здания не была спроектирована с учетом возможного опрокидывания при воздействии сейсмической нагрузки, так как отклонение северной башни от вертикали на 10° также можно считать разрушением. Полное разрушение наступило там, где в конструкцию включен первый гибкий этаж (рис. 6.1.8). В качестве основных причин, вызвавших разрушение башен лестничных клеток, часто называют недостаточно квалифицированный расчет железобетонных колонн, которые разрушились первыми, или непредусмотренное очень сильное перемещение грунта. Но не следует забывать, что неверно выбранная конфигурация здания в плане создает условия для перенапряжения элементов конструкции. Независимо от того, правильно ли подобрана арматура, наиболее надежное решение относится к исключению разрывов диафрагм и доведение их до фундамента.

Рис. 6.1.9. Планы и разрезы здания Империал Каунти Сервис Билдинг: а - план 1-го этажа; б - план типового этажа; в - вертикальный разрез по продольной оси; г - торец западной части; д - торец восточной части

Популярной конфигурацией зданий является конструкция, состоящая из одинаковых прямоугольных в плане этажей, с глухими или почти глухими торцевым стенами, которые кончаются на уровне второго этажа, создавая открытое пространство внизу. Примером здания такого типа можно считать здание Империал Каунти Сервис Билдинг в Эль-Сентро (здание шестиэтажное железобетонное, построено в 1969 г.). Работа этого здания во время землетрясения (Калифорния, 1979 г.), представляет классический пример влияния архитектурно-планировочного решения на несущую способность конструкций при воздействии сейсмических нагрузок. В условиях сравнительно небольших сейсмических толчков, под воздействием которых пострадало всего несколько кирпичных неармированных зданий, описываемое здание было серьезно разрушено; так, были разрушены колонны под действием сжимающих напряжений у восточного торца. Причиной разрушения является прерывистость диафрагмы этого торца здания. Впоследствии все здание пришлось демонтировать. Подтверждением того, что основная причина разрушения заключается в неправильно выбранной конфигурации, является различное архитектурное решение восточного и западного торцов здания (рис. 6.1.9). В результате различного проектного положения поперечных диафрагм нижнего этажа восточного и западного торцов здания создалась разная сопротивляемость элементов конструкции при воздействии усилий вращения или опрокидывания (рис. 6.1.10).

Рис. 6.1.10. Графическое изображение конструктивных решений торцевой стены здания. Империал Каунти Сервис Билдинг: а - торцевая диафрагма восточной стороны, поступательное смещение; б - торцевая диафрагма западной стороны, поступательное смещение; ОМ - опрокидывающий момент; Р - растяжение; С - сжатие

Наилучшее решение проблемы в условиях воздействия сейсмических нагрузок заключается в применении только сплошных диафрагм в конструкции здания или сооружения. Если это может привести к нарушению архитектурно-планировочного замысла, искажению облика здания или изменению путей эвакуации, то возможные последствия этого решения уже на стадии эскизного проектирования необходимо тщательно проанализировать с привлечением соответствующих специалистов.

Изменение жесткости колонн. Основная причина изменения жесткости колонн относится, как правило, к аспектам архитектурно-планировочного решения здания: необходимости учитывать перепад местности; степени заполнения каркаса "неконструктивными", но достаточно жесткими элементами, например, рамами ленточного остекления; стремления поднять одну часть здания на большую высоту от уровня грунта, установив ее на пилоны, оставив другую часть на низких колоннах; включение в работу колонн таких элементов жесткости, как мезонин или чердак, в то время как другие этажи по всей высоте остаются без связей жесткости и т.д.

Важность указанных аспектов заключается в том, что их влияние не всегда можно определить интуитивно. Например, стеновое заполнение часто устанавливается с учетом возможной реконструкции здания в будущем, и следует принимать во внимание варианты включения этого заполнения в работу всей конструкции. Интуиция может неправильно подсказать, что более прочные колонны ведут к большему упрочнению всей конструкции, чем к созданию опасной концентрации напряжений. На первый взгляд кажется, что прочность низкой колонны будет больше, чем прочность высокой колонны одного и того же поперечного сечения. Конечно, в случае приложения вертикальных нагрузок, короткие колонны менее подвержены потере устойчивости и, следовательно, обладают большой несущей способностью. Однако, при достаточно высокой жесткости, низкие колонны при действии горизонтальных нагрузок, распределяющихся в соответствии с жесткостью несущих элементов, могут притягивать усилия, действие которых часто превосходит несущую способность колонн. На рис. 6.1.11 представлены колонны и консольные балки разной длины. Жесткость изменяется и пропорциональна к длины. Если Е и J одинаковы для двух консольных конструкций, то та, которая в два раза длиннее, будет иметь в 2³ = 8 раз большую гибкость. При одинаковом прогибе та короткая колонна, которая имеет жесткость в 8 раз больше, будет воспринимать нагрузку также в 8 раз больше, чем длинная колонна.

Рис. 6.1.11. Применение коротких и длинных колонн приводит к различным результатам

В том случае, если указанная конструктивная схема все же имеет место, следует выровнять гибкость различных колонн за счет дополнительных связей (раскосов), снижающих свободную длину высоких колонн, что иллюстрируется на рис. 6.1.12, где показано здание американского посольства в Токио. Здание расположено на территории со значительным уклоном, архитектурно-планировочное решение предусматривало сохранение большого открытого пространства в первом этаже. Приблизительное уравновешивание гибкости колонн достигалось за счет их соединения в горизонтальной плоскости на уровне каждого этажа специальной балкой.

Рис. 6.1.12. Конструктивное решение здания посольства США в Японии с колоннами равной жесткости

Разнопрочность балок и колонн. Даже в случае полного разрушения здания в нем сохраняется достаточное количество относительно неповрежденного строительного материала. Самый худший случай обрушения («складывание» разрушенных элементов подобно блинам на сковороде с разделяющими их слоя из обломочного материала) наступает при повреждении вертикальных элементов конструкции. Плиты перекрытий, прочность которых при действии сейсмической нагрузки используется не полностью, не могут оказать какую-либо конструктивную помощь стеновому заполнению и колоннам.

Основной принцип проектирования сейсмостойких конструкций - обеспечение в условиях воздействия сильных нагрузок работы балок в неупругой стадии до того, как в этой стадии начнут работать колонны. Такой подход обусловлен тем, что период работы балок из упругой стадии работы в неупругую достаточно продолжителен, и при этом происходит рассеивание и поглощение некоторого количества энергии сейсмического воздействия. Поэтому если колонны начнут первыми деформироваться и терять устойчивость, то действие основных вертикальных (сжимающих) нагрузок может быстро привести к полному разрушению конструкции здания. В практике проектирования этот принцип хорошо известен и понятен, однако, как ни странно, часто применяются ослабленные колонны и прочные балки, что вызывает серьезные повреждения и даже полное разрушение зданий. Пример подобной конструкции - решение, включающее железобетонные колонны с большим шагом и ленточное стеновое заполнение между колоннами для таких зданий, как школы или учреждения, требующие значительного остекления.

	Рис. 6.1.13. Здание высшей коммерческой школы Мисава, землетрясение Токачи-оки, 1968
	Рис. 6.1.14. Здание высшей школы Изуми, г. Сендай, Япония, землетрясение Миуаги-кен оки, 1978

В 1970 г. в г. Сендай, Япония, проводился международный семинар специалистов по вопросам сейсмологии; особое внимание уделялось надежности школьных зданий в условиях воздействия сейсмической нагрузки. В докладах указывалось на специфику конфигурации японских школьных зданий: оконные проемы в стене, выходящей на север, меньше, чем в той, которая выходит на юг. За счет уменьшения проемов увеличивается высота стен с северной стороны, а при использовании строительной системы, в которой эти несущие стены являются частью монолитного железобетонного каркаса, работа северных и южных стен в условиях воздействия сейсмической нагрузки существенно отличается. Колонны, включенные в конструкцию северной стены, короче и жестче, чем колонны южной стены, и в то время, когда длинные и более гибкие колонны южной стороны адаптируются к условиям перемещения при изгибе, колонны северной стороныразрушаются при действии поперечных сил. Так как ригели между колоннами на уровне перекрытия, несущие заполнение каркаса северной стороны, настолько жестки, что практически не деформируются при изгибе каркаса, большая часть деформаций передается на колонны. Различная жесткость колонн двух продольных рядов также приводит к появлению кручения.

Рис. 6.1.15. Разделение балки с колонной для восстановления конструкции после землетрясения в г Сендай, 1978, в здании Технологического института Токоху: а - вертикальный разрез; б - сечение; в - фотоснимок фасада

В школьных зданиях компоновка классных комнат, как правило, осуществляется по линейной схеме, с организацией передвижения по наружной галерее-коридору. Такое решение обеспечивает поступление дневного света с двух сторон здания, и при этом здание получается относительно небольшой ширины (приблизительно 10 м), с каркасом в один пролет. В случае если короткие колонны северной стены подвергнутся серьезному разрушению (обычно колонны нижнего этажа разрушаются больше остальных), здание наклонится в северную сторону. Во время землетрясения Токачи-оки, 1968, вo многих пострадавших зданиях были обнаружены повреждения именно такого типа (рис. 6.1.13).

После семинара в г. Сендай большая часть школьных зданий в Японии еще проектировалась на основе старых принципов. Единственное отличие заключалось в повышенном количестве арматуры в колоннах, что требовалось действующими тогда нормами. При последующем землетрясении (г. Сендай, 1978), характер разрушения зданий был такой же: школы с указанным решением плана пострадали из-за разрушения коротких колонн. Дополнительная прочность элементов, полученная за счет усиления арматуры, не предотвратила разрушение, а несколько отсрочила время его наступления. При воздействии достаточно сильных толчков тип и место разрушения определялись конфигурацией здания (рис. 6.1.14).

Путь к правильному решению заключается в пересмотре основных концепций проектирования (это требует равноправного участия архитектора, инженера и заказчика, который может оказать квалифицированное влияние на осуществление всей программы строительства). Для решения указанной проблемы существуют различные способы. Если проект обычного здания предполагает при решении фасада обеспечение необходимого уровня освещенности помещений, то в проекте сейсмостойкого здания решение той же задачи может осуществляться с более надежными конструктивными характеристиками. Можно, например, использовать систему, состоящую из ненесущих стеновых панелей, частично остекленных, а частично непрозрачных, при внесении незначительных изменений: обеспечения вертикальных разделительных промежутков между горизонтальными железобетонными несущими балками и колоннами, чтобы полезная длина колонн, расположенных в обеих стенах, была одинаковой (рис. 6.1.15).

	Рис. 6.1.16. Изменение вида диафрагм по мере увеличения размера проемов
	Рис. 6.1.17. Локализация возможных зон разрушения в диафрагмах, обусловленная размерами и местоположением проемов: а - расположение внутренних или наружных диафрагм: 1 - случайное; 2 - шахматное; 3 - сдвоенное; б - расположение только наружных диафрагм: 1 - равномерное вертикальное; 2 - равномерное горизонтальное- 3 - неравномерное

Взаимодействие диафрагм. Особый случай взаимодействия диафрагм с элементами каркаса возникает при наличии гибких и жестких балок. Конструктивно такое решение можно представить как систему диафрагм с большими проемами, которые существенно снижают их несущую способность. Характер работы диафрагмы с проемами может изменяться до тех пор, пока она сама не начнет работать по типу рамы (рис. 6.1.16). Различные размеры поперечных диафрагм и местоположения проемов создают локальные зоны ослабления сечения, что приводит к потенциальной возможности разрушения. На рис. 6.1.17 (б, 2) показана конструкция, состоящая из гибких простенков и жестких перемычек; несущая способность здания определяется ослабленной зоной простенков. В случае б,3 сейсмические нагрузки перераспределяются на укороченные колонны, в результате чего полученная конструктивная система отличается незначительной несущей способностью.

На рис. 6.1.18 показан характер разрушения некоторых типов торцевых диафрагм (стен) в условиях проявления пластических деформаций. На схеме «а» прочность диафрагмы определяется работой на горизонтальную силу (результат усилий, возникающих в узлах соединения торцевой стены с каркасом здания). На схемах «б, в» горизонтальная сила дополняется изгибающим моментом, на который работают перемычки, соединяющие узкую диафрагму с каркасом или две части диафрагмы друг с другом. Конструктивное решение торцевой стены, разделенной на две части вертикальным проемом, определяется архитектурными требованиями, и характерно для конфигураций зданий общественного типа (рис. 6.1.19). Работу торцевой стены, разделенной проемом на всю высоту и повернутой на 90°, можно также рассматривать подобной схеме, когда гибкие колонны соединены жестким поясом (рис. 6.1.20). Но работа на изгибающий момент диафрагмы с проемом на всю высоту, если обе части стены достаточно высокие и гибкие, будет эффективнее, чем работа, когда гибкие колонны объединены жестким поясом, поскольку в первом случае пластические деформации будет поглощаться эффективнее.

Рис. 6.1.18. Работа диафрагм в стадии образования трещин, несущая способность определяется прочностью на сдвиг: а - сплошная диафрагма; б - проемы по бокам; в - проем по середине; 1 - многоэтажная конструкция; 2 – одноэтажная конструкция; 3 - сдвиг; 4 - горизонтальная сила и изгиб

Рис. 6.1.19. Конструкции диафрагм, имеющих вертикальный проем	Рис. 6.1.20. Аналогия гибкой колонны и жесткого пояса: а - фасад; б - то же, повернуто

Конструктивное решение (соединение) поперечныхдиафрагм и каркаса может быть выполнено несколькими путями (рис. 6.1.21): Для низких зданий - предотвращение повреждения каркаса от изгибающих моментов за счет его безопасного свободного перемещения; уменьшение перемещений каркаса и поперечных стен при их надежном соединении в уровне фундаментов. Для высоких зданий - в верхней части необходимо предусмотреть жесткие стыки каркаса и диафрагм с помощью дополнительного пояса. При этом если усилие от сейсмической нагрузки превышает несущую способность диафрагмы, то пластическая деформация каркаса способствует рассеиванию значительного количества энергии. Уменьшение размеров диафрагм, вызванных требованиями экономики и архитектуры, может применяться в зданиях для районов с умеренной сейсмичностью. В случае непредвиденного сильного землетрясения дополнительная несущая способность обеспечивается за счет поглощения энергии каркасом, что значительно уменьшает опасность разрушения, а в сочетании с определенным архитектурно-планировочным и конструктивным решением снижает потери при повреждении здания. При таком подходе требуется тщательное изучение характера движений грунта и соответствующей работы конструкции здания, а также взаимодействия между различными элементами конструктивной схемы. Основным критерием при проектировании конструкции должна быть экономичность; в осуществляемой конструкции взаимоотношение стоимости и предполагаемой работы должно максимально соответствовать тем условиям, которые возможны в период эксплуатации построенного здания или сооружения. Такое решение аналогично конструкции автомобилей: передний и задний капот имеет способность максимального поглощения ударов, в то время как другие детали (например, рулевые колонки) ломаются до того, как они могут причинить вред сидящим в автомобиле людям.

Рис. 6.1.21. Возможные решения диафрагм с проемами

I -нагружение: 1 - низкая диафрагма; 2 - сдвиг; 3 - высокая диафрагма; 4 - изгиб;

II -совместная работа диафрагмы и каркаса: а - шарнир; б - объединяющая балка фундамента; в - обвязочная балка с большой несущей способностью

Элементы заполнения. Создание жесткости каркаса за счет заполнения из кирпича часто является характерной причиной, вызывающей повреждения конструкций или их разрушения. Механизм воздействия хорошо известен: сейсмические нагрузки концентрируются в зонах с максимальной жесткостью, поэтому там, где несущая способность элементов не рассчитана восприятие таких нагрузок, происходит разрушение. Подобные разрушения наблюдались в здании больницы Олив Вью (см. выше). Кирпичное стеновое заполнение должно было выполнять в конструкции роль ненесущего элемента; однако оно воспринимало часть сейсмической нагрузки до тех пор, пока не наступило разрушение в различных частях конструкции из-за неоправданной жесткости некоторых элементов. Предполагалось разделение работы конструктивных и неконструктивных элементов, однако антисейсмические швы между плитами перекрытия второго этажа и кирпичным стеновым заполнением первого этажа, а также между стеновым ограждением лифтовой шахты первого этажа и несущими элементами, расположенными в уровне второго этажа, были меньше того размера, который бы обеспечил требуемую степень разделения. Значительное повреждение конструкций произошло в результате ударов соседних элементов. Поэтому для создания требуемого и эффективного разделения соответствующих элементов во время землетрясения необходимо проведение тщательного расчета конструкций и реальной оценки потенциальных относительных перемещений, которые могут возникнуть в элементах здания.

Непредвиденное взаимодействие элементов конструкции имеет два отрицательных последствия: во-первых, без необходимости разрушаются ненесущие элементы конструкции, и, во-вторых, с точки зрения конфигурации включение в работу жестких элементов в различных местах конструкции может вызвать неравномерное перераспределение нагрузки, что в свою очередь приводит к возникновению кручения.

В общем случае, в пределах конструкции каркаса следует избегать включения "случайных" элементов стенового заполнения, в особенности, если они выполнены из тяжелых материалов. Стеновое заполнение даже из гипсовых плит может иметь достаточную жесткость. Элементы стенового заполнения следует включать в общую конструктивную схему с соответствующим расчетом или отделять от основных несущих элементов, чтобы конструктивно исключить передачу нагрузки на стены. Для этого требуется проведение тщательного анализа предполагаемого перемещения конструкций и создание архитектурных компонентов конструкций, которые смогли бы надежно фиксировать стеновой элемент в установленном проектном положении в условиях воздействия как вертикальных, так и горизонтальных нагрузок с возможным перемещением относительно соответствующего элемента каркаса.

Дата добавления: 2015-07-13