Железобетон

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИИ, возводимых В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

Сейсмическими называют географические районы, подверженные землетрясениям. Землетрясения вызыва­ются явлениями вулканического характера, радиоактивно­го распада и разрыва глубинных слоев земли, сопровож­дающимися колебаниями земной коры. Для преоблада­ющего большинства зданий, расположенных в сейсмиче­ских районах, наиболее опасны горизонтальные колеба­ния поверхностных слоев почвы. При эпицентре зем­летрясения вблизи района застройки опасными стано­вятся и вертикальные сейсмические воздействия.

При проектировании зданий, возводимых в сейсмиче­ских районах, необходимо руководствоваться требовани­ями главы СНиП «Строительство в сейсмических райо­нах» и «Руководства по проектированию жилых и обще­ственных зданий с железобетонным каркасом, возводимых в сейсмических районах» (М., Стройиздат, 1970).

Силу землетрясения оценивают в баллах по стандарт­ной шкале (ГОСТ 6249—52), имеющей инструменталь­ную и описательную части. При землетрясении силой 6 баллов и менее специальных усилений конструкций не требуется, хотя к качеству строительных работ требова­ния должны быть повышены. При землетрясении силой 7—9 баллов необходим специальный расчет конструкций. Землетрясение силой 10 баллов вызывает настолько зна­чительные сейсмические воздействия, что восприятие их требует больших дополнительных затрат материалов и средств, экономически не оправданных. В районах где возможны землетрясения 10 баллов, как правило, строи­тельство не ведется.

Карта сейсмического районирования территории на­шей страны в баллах и повторяемости сейсмического воздействия приведена в нормах. Указанная на карте сейсмичность района относится к участкам со средни­ми грунтовыми условиями, характеризуемыми песчано - глинистыми грунтами и низким горизонтом грунтовых вод. Дополнительным сейсмическим микрорайонировани­ем учитывают действительное геологическое строение грунтов и уточняют сейсмичность площадки строи­тельства. При благоприятных грунтовых условиях, на­пример скальных или особо плотных грунтах, сейсмич­ность площадки понижается на 1 балл. Но при неблаго­приятных грунтовых условиях, например при глинах и суглинках в пластичном состоянии, песках и супесях с высоким горизонтом грунтовых вод, сейсмичность повы­шается на 1 балл.

Общая компоновка сейсмостойкого здания заключа­ется в таком расположении несущих вертикальных кон­струкций (рам, связевых диафрагм и других конструк­тивных элементов), при котором удовлетворяются требо­вания симметричности и равномерности распределения масс и жесткостей. При этом следует иметь в виду, что конструктивные меры, повышающие пространственную жесткость здания в целом, вместе с тем повышают и его сейсмостойкость. В этих целях следует применять попе­речные и продольные связевые диафрагмы, связанные перекрытиями.

Сборные железобетонные конструкции успешно при­меняют в сейсмических районах. Об этом свидетельству­ет опыт строительства зданий, впоследствии подвергав­шихся сейсмическим воздействиям. Необходимо замоно- личивать стыки и соединения сборных конструкций, чтобы они были способны воспринимать сейсмические силы.

План здания должен быть простым, в виде прямо­угольника, без выступающих пристроек и углов. При сложных очертаниях здания в плане устраивают анти­сейсмические швы, разделяющие здание на отдельные блоки простой прямоугольной формы. Антисейсмические швы обычно совмещают с температурными и осадочными швами. Чтобы повысить сейсмичность здания, фунда­менты в пределах одного блока должны залегать на од­ной глубине. При слабых грунтах устраивают перекрест­ные фундаментные ленты или же сплошную фундамент­ную плиту. При хороших грунтах допустимы отдельные фундаменты под колонны, связанные поверху балками — связями в обоих направлениях. В многоэтажном здании целесообразно устройство подвала и свайного основания.

Экономичная и индустриальная схема здания для сей­смических районов, как и для строительства в обычных условиях, должна удовлетворять требованиям типизации элементов, унификации размеров и конструктивных схем, технологичности изготовления и монтажа при сборном и монолитном вариантах.

Оптимальная конструктивная схема сейсмостойкого многоэтажного каркасного здания, обладающая лучши­ми технико-экономическими показателями, может быть скомпонована при восприятии сейсмического воздействия по рамно-связевой системе с регулярно расположенными вертикальными связевыми диафрагмами. Как показали исследования, несмотря на общее увеличение сейсмичес­кой нагрузки на рамно-связевое каркасное здание, вы­званное применением вертикальных связевых диафрагм и увеличением боковой жесткости здания, часть этой на­грузки, воспринимаемая рамами, все же меньше сейсми­ческой нагрузки, формирующейся в более гибкой рамной системе. Существенно важен и характер эпюры Qfr в рамно-связевой схеме, при которой изгибающие момен­ты стоек рам от действия горизонтальной нагрузки на значительной части высоты здания остаются почти по­стоянными и, следовательно, позволяют осуществить ти­пизацию элементов (см. гл. XV).

При сейсмическом воздействии узлы железобетонных рам находятся в сложном напряженном состоянии, и их проектированию должно уделяться особое внимание. Ис­следования показали, что рамный узел необходимо арми­ровать дополнительными хомутами и стержнями d=8... ...10 мм с шагом 70—100 мм, а также усиленной попереч­ной арматурой (на примыкающих участках ригелей и ко­лонн) с шагом вдвое меньшим, чем требуется по расче­ту, но не более 100 мм (рис. XVII.1).

Развитие пластических деформаций в растянутой ар­матуре узла при сейсмическом воздействии повышает сейсмостойкость каркасного здания.

Предпочтительнее конструкция стыков сборных риге­лей с колоннами без закладных деталей, на сварке вы­пусков арматуры с замоноличиванием (рис. XVII.2). В этих стыках должны быть рифленые соединяемые по­верхности (с целью образования бетонных шпоиок) и

— дополнительные хомуты;

Колонна

-npTigg

Шаг 4100rm

Шаг і 100 Ш

Рис. XVII.1. Армирование мо­нолитного рамного узла н кон­цевых участков ригелей н стоек поперечной арматурой

Рис. XVII.2. Армирование сбор­ного рамного узла

— дополнительные вертикаль­ные стержни по периметру хо­мутов

1 — выпуск продольной арма­туры из ригеля; 2 — сварное соединение арматуры; 3— вы­пуск продольной арматуры из

Колонны; 4 — поперечные стержни ригеля; 5 — усиленный выпуск арматуры; 6 — опорный столик из уголков с отверсти­ем для бетонирования; 7 — ко­лонна

Часто расположенные поперечные стержни ригелей и ко­лони. В пределах узла колонну армируют дополнитель­ными хомутами и стержнями, как описано выше.

Сборные перекрытия выполняют из панелей, соеди­ненных между собой и с элементами рамного каркаса на сварке закладных деталей с замоноличиванием швов и шпоночных связей. С этой целью в панелях перекрытий устраивают пазы и рифленые боковые поверхности, что обеспечивает восприятие сдвигающих усилий.

Стеновые панели здания жестко связывают с карка­сом и перекрытиями. Стеновое заполнение из штучных камней или блоков связывают с каркасом арматурой из стержней d=6 мм, располагаемых в горизонтальных швах кладки через 50 см. Эту арматуру прикрепляют к выпускам арматуры из колонн и заводят в кладку не ме­нее чем на 70 см в каждую сторону.

Если в стенах большие оконные и дверные проемы, устраивают железобетонные горизонтальные антисейсми­ческие пояса, идущие по верху этих проемов. Такие поя­
са представляют собой горизонтальные рамы, передаю­щие сейсмическую нагрузку на колонны каркаса.

Консольные выступающие части здания — козырьки, карнизы, балконы—должны быть жестко связаны с кар­касом, причем число их и размеры необходимо ограни­чивать.

2. Основные положения расчета зданий на сейсмические воздействия

Сейсмическую нагрузку на здание устанавливают в 'і зависимости от периода и формы свободных колебаний здания, его массы и силы сейсмического воздействия в і баллах. При этом допускают, что сейсмические колеба--| ния почвы и основания здания совершаются по закону / затухающей синусоиды. !

Направление сейсмических сил в пространстве может быть любым, однако при расчете здания в целом или его крупных частей, как правило, сейсмические силы прини­мают направленными горизонтально вдоль поперечной или продольной оси здания.

При расчете с учетом сейсмических воздействий в зна­чения расчетных нагрузок вводят коэффициенты сочета­ний:

Для постоянных нагрузок 0,9

» длительно действующих нагрузок 0,8

» кратковременных и снеговых нагрузок... 0,5 ,

При расчете конструкций на сейсмические воздейст­вия нагрузки от ветра, динамического воздействия от оборудования, инерционные силы от масс на гибких под­весах и температурные климатические воздействия не ' учитывают.

Сейсмические силы обычно считаются приложенны­ми в уровне перекрытий. В этих уровнях считаются со­средоточенными нагрузки от этажей здания.

Расчетная сейсмическая сила по і-му тону свободных горизонтальных колебаний для каждого k-ro яруса зда­ния

Sik = , (XVII. 1)

Где kx — коэффициент, которым учитываетси допускаемое поврежде­ние здания прн обеспечении безопасности людей и сохранности обо - ^ рудоиания, для зданий промышленного и гражданского строительст­ва £ 1=0,25;

Fts — коэффициент, которым учитывается конструктивная схема здания: например, для каркасных зданий с числом этажей п>5 при­нимают £2=1+0,1 (ге—5) с 1,5;

Soik — значение сейсмической нагрузки для «-го тона свободных колебаний здания в предположении упругой работы:

(XVII. 2)

Здесь Qh — ярусная нагрузка, включающая вес перекрытия, колонн, стен, временную нагрузку, с учетом коэффициента сочетаний в уров­не k; /4=0,1, 0,2, 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов; —коэффициент динамичности по 1-му тону свободных колебаний, зависит от периода свободных колебаний зданий Т н ка­тегории грунтов по сейсмическим свойствам: ($<= 1/7сЗ— для грун­тов I категории; р< = 1,1/Г«<2,7 —для грунтов II категории; р<=» = 1,5/7<2 — для грунтов III категории. Во всех случаях прини­мается ($.->0,8;

—коэффициент, которым учитывается гибкость здания: на­пример, для каркасных зданий с легкими навесными панелями при отношении длниы к размеру поперечного сечения в направлении дей­ствия сейсмической нагрузки//о>25 йф =1,5, прн //ft< 15 6^ = 1, прн промежуточных значениях 1/Ь устанавливают гго интерпо­ляции;

— коэффициент формы свободных колебаний здаинй, завися­щий от і-й формы свободных горизонтальных колебаний» величины к положення ярусных нагрузок:

Где X», Хц — ординаты і-й формы свободных колебаний здаиня со­ответственно 6-го яруса н остальных /-х ярусов.

Сейсмические силы, вычисленные по формуле (XVII.1), считаются приложенными к зданию статиче­ски.

Для регулярных зданий, у которых жесткость и мас­са незначительно изменяются по высоте, при определе­нии сейсмических сил допускается учитывать колебания только первого тона, поскольку сейсмические силы, от­вечающие высшим тонам колебаний, между узлами на­правлены в противоположные стороны. Колебания выс­ших тонов весьма существенны для зданий с жесткостью и массой, значительно изменяющимися по высоте.

При учете колебаний первого тона сейсмическая на­грузка заменяется эквивалентной (по моменту в осно­вании)' треугольной нагрузкой и задача решается на ос­нове уравнения (XV. 19). Аналогично решается задача при учете высших тонов. Расчетные формулы усилий для практических расчетов приведены в упомянутом Руко­водстве.

В здании длиной или шириной более 30 м необходи­мо учитывать также крутящий момент от сейсмической нагрузки относительно вертикальной оси, проходящей через центр жесткости. Расчетный эксцентриситет (рас­стояние между центрами жесткости и массы) в рас­сматриваемом уровне принимается равным:

Е = 0,02 L,

Где L — размер в плане в направлении действия силы.

Для высоких зданий (более І6 этажей) расчетную сейсмическую нагрузку следует определять по формуле (XVII. 1) с учетом ускорений в основании, инструмен­тально записанных при землетрясении, нли по акселеро­граммам.

При расчете прочности в особом сочетании вводится дополнительно коэффициент условий работы, которым учитывается кратковременное действие сейсмической нагрузки: для нормальных сечений железобетонных эле­ментов из тяжелого бетона при арматуре классов А-ІІ, А-ІІІ уі=1,2, при арматуре высоких классов y^M; для наклонных сечений Y'=l. Для наклонных сечений ко­лонн многоэтажных зданий у<==0,9.

Для зданий, возводимых в сейсмических районах с повторяемостью землетрясений 1, 2, 3, значения yi сле­дует умножать на 0,85; 1 нли 1,15 соответственно.

Граничное значение высоты сжатой зоны нормальных к оси сечений во избежание хрупкого разрушения при­нимается равным 0,85 %у. При этом коэффициент усло­вий работы бетона ум принимается равным единице.

Расчетное значение продольной или поперечной си­лы, изгибающего или опрокидывающего момента от сейсмической нагрузки при условии статического дейст­вия ее составляет

(XVII. 4;

Где Nt — усилие в рассматриваемом сечении, отвечающее і-й форм» колебания; п — число учитываемых форм колебаний.

(XVII.3)

Усиление конструкций, выполняемое иа основе рас­четов зданий, возводимых в сейсмически активных рай­онах, считается пассивной сейсмозащитой. Активная сей смозащита заключается в специальных конструктивны; мерах, исключающих опасные колебания зданий и сни жающих реакции конструкций на сейсмическое воздей
ствие. К ним относятся различного рода гасители коле­баний, включающиеся связи, устраиваемые в конструк­циях оснований и фундаментов, и др. Применение выключающихся связей, предусматривающих образова­ние пластических шарниров в перемычках железобетон­ных вертикальных связевых диафрагм или разрушение заполнения между железобетонными колоннами перво­го этажа каркасного здания, оказывается неэффектив­ным и ненадежным. С уменьшением жесткости здания становятся опасными низкочастотные сейсмические ко­лебания, вызывающие зна­чительные реакции в ослаб­ленных элементах конст­рукции.