Лекции и пособия / POSOBIE-po-Vysotkam_Pdf

в Японии начался бум в строительстве зданий с системами сейсмоизоляции [66]. До настоящего времени Российская Федерация занимает второе место по количеству построенных сооружений с системой сейсмоизоляции – 550 объектов, включая 70 сейсмоизолированных мостов. Следует отметить, что в сейсмически опасных районах России до настоящего времени строительство высотных зданий, как с традиционными антисейсмическими мероприятиями, так и с системами сейсмоизоляции, не регламентируется нормами «Строительство в сейсмических районах». Сейсмоизоляция рассматривается в настоящее время как один из основных способов обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений в высокосейсмичных районах. Для обеспечения их сейсмичности возможным, а иногда единственным путем является использование сейсмоизоляции. В качестве примера отечественной сейсмоизоляции можно привести особенности сейсмоизоляции 18-этажного жилого здания, возведенного на надежном

г)

«Башня Yerba Buena» в Сан-Франциско с диагоналями и жидкостными демпферами

21

Конструктивная схема здания принята перекрестно-стеновой, в которой вес здания равномерно распределен по его высоте с массами Qi. Период основного тона колебаний здания на жестком основании составляет 0,68 сек. Проектом предусмотрена линейно-упругая сейсмоизоляция, включающая гибкие стойки либо резиновые опоры и дополнительные демпфирующие устройства вязкого типа. Такая сейсмоизоляция применяется при проектировании различных типов сооружений. При этом в качестве демпфирующих устройств используются жидкостные или свинцовые демпферы, выпускаемые в настоящее время фирмами

Alga, Fip-Industrale, Maorer Sohne, Skiller Up и др. Расчетная схема здания представляет собой консоль с сосредоточенными массами Qi, каждая из которых состоит из масс перекрытия между этажами и половины масс несущих стен и панелей, примыкающих к этажу (рис. 2.4а).

Связи между массами предполагаются линейно-упругими. В пределах здания затухание принято однородным. Модель основания принята в виде пружины с демпферами.

Результаты расчета по линейно-спектральной методике (ЛСМ) показывают высокую эффективность сейсмоизоляции для высотного строительства. Так, на скальном основании изгибающий момент по подошве здания снизился на 62%, а для нескального песчаного основания – на 60%.

Наряду с демпферными системами в практике высотного строительства для снижения сейсмических воздействий на остов используется принцип запаздывания ускорения сейсмических колебаний по отношению к массе здания. Поэтому расположение инерционной массы на значительной высоте здания

Рис. 2.5. Конструктивная система 101-этажного небоскреба Тайбэй 101, высотой 509 метров, снабженного 800 – тонным отвесом на уровне 92-го этажа для устойчивости при землетрясениях: а – фрагмент здания с подвешенной к ядру жесткости инерционной массой; б, в, г – общий вид и крепление отвеса

2.3. СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

Проектирование высотных зданий в РФ осуществляется в соответствии со СНиП II-7-81* (СП 14.13330.2011) [1], а также современными научнотеоретическими исследованиями и производственно-практическими достижениями в области сейсмостойкого строительства. Расчет на сейсмические

22

воздействия высотных зданий, расположенных в несейсмических районах, осуществляется для зданий, высотой 100 м и более [35]. На сейсмические воздействия рассчитывают высотные здания, возводимые на площадках сейсмичностью 5 и 6 баллов. Сейсмичность района и площадки строительства определяется, соответственно, по табл. 1* [1] в зависимости от категории грунта по сейсмическим свойствам и по картам ОСР-97 территорий сейсмического микрорайонирования. Если данные микросейсморайонирования отсутствуют, то сейсмичность площадки принимается по аналогии с табл. 1* [1], соответственно: для грунтов второй (II) категории – 5 баллов; для грунтов третьей (III) категории

– 6 баллов. По действующей шкале MSK-64 значения максимального ускорения сейсмического движения грунта при расчете принимаются, соответственно: для 5 баллов – 25 см/с2, для 6 баллов – 50 см/с2. Расчет конструкций и оснований производится на основное и особое сочетание нагрузок. При расчете на особое сочетание с учетом сейсмического воздействия, значения расчетных нагрузок умножаются на коэффициенты сочетаний nc, принимаемые по табл. 2 [1] или по табл. 2.5.

Нагрузки от температурных климатических воздействий, ветровые нагрузки, динамические воздействия от оборудования и транспорта при этом не учитываются.

Современные инженерные и численные методы расчета с применением усовершенствованных расчетных моделей и учетом реальных акселерограмм сейсмического движения грунта во время землетрясения и соответствующие им спектры Фурье для конкретных площадок строительства позволяют более достоверно оценить реальную картину работы зданий при землетрясении и запроектировать сейсмостойкие здания.

Пример построенных акселерограмм сейсмического движения грунта, зарегистрированного на территории города Москвы во время землетрясения 04 марта 1977 года и соответствующие им спектры Фурье приведены на рис.2.6.

По результатам обработки акселерограмм, записанных сейсмографами на сейсмостанциях, получают исходные данные, используемые при расчете в частотной области линейно-спектральным методом по отдельным формам колебаний здания.

К таким исходным данным для расчета относятся: интенсивность воздействия I (для пяти баллов I =0,025; для шести баллов I =0,05); спектральный состав воздействия, определяемый коэффициентом динамичности β (рис. 2.7), в зависимости от периодов колебаний здания по графикам [1 и 35]; ориентация воздействия; уровень ротации воздействия.

23

а) Ускорение по компоненте Х, см/с2

Время, с

б) Ускорение по компоненте Z, см/с2

Время, с

в) Спектр Фурье для компоненты Х

С(ω) ,см/с2

Частота ω, рад./с

г) Спектр Фурье для компоненты Z

С(ω) ,см/с2

Частота ω, рад./с

Рис. 2.6. Акселерограммы сейсмического движения грунта (а и б), зарегистрированные на территории г. Москвы во время землетрясения 04 марта

1977 года, и соответствующие им спектры Фурье (в и г)

24

Таблица 2.6

Шкалы частот ω, рад./с, периодов Т, с и длин волн при их различной скорости см/с для

приведенных на рис. 2.6 акселерограмм сейсмического движения грунта

Шкала частот ω, рад./с

Период, сек.

1– для железобетонных конструкций при коэффициенте рассеяния энергии G=0,1; 2– для стальных конструкций при коэффициенте рассеяния энергии G=0,05

Рис. 2.7. Зависимость коэффициентов динамичности β от периода колебаний Т, с

Сейсмические нагрузки: силы Sjik и моменты Мjik на высотные здания определяются, соответственно, по (а) и (б) на основе линейно-спектрального метода в соответствии с пп. 5.2.1. – 5.2.13. [35] с уточнением расчетных значений усилий и перемещений по результатам расчета зданий во временной области с учетом реальных акселерограмм.

В формулах (2.12) и (2.13) kl – коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения в рассчитываемых зданиях и принимаемый согласно табл. 3 [1] равным для монолитных железобетонных конструкций kl=0,22 и для стальных конструкций kl=0,25; S и М – сейсмические силы и моменты k-ого (k=1,. 2,..., n) узла расчетной динамической модели (РДМ), представленной упругой (линейной или нелинейной) системой, содержащей инерционные элементы по j-ому (j=1, 2, 3) направлению при i-й форме колебаний; S0 и М0 – сейсмические силы и момен-

25

ты, определенные в предположении упругой работы конструкции здания по РДМ (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Пространственная расчетная динамическая модель здания (РДМ):

где g=9,8 м/с2 – ускорение силы тяжести; I – интенсивность сейсмического воздействия, определяемая согласно пп. 5.2.6. [35]; βi – коэффициент динамич-

26

пространственных форм колебаний, определяемые по формулам (2.16) и (2.17):

Высотные здания и сооружения относятся к конструктивным системам с повышенным уровнем ответственности. Поэтому при расчете несущих конструкций надземной и подземной части высотных зданий, включая конструкции фундаментов и их основание, значения коэффициентов надежности по ответственности γn принимаются в зависимости от высоты здания или сооружения h в соответствии с табл. 2.7.

Расчет элементов ограждений и узлов их креплений для высотных зданий или сооружений при любой высоте h производится с коэффициентом γn=1,0.

3.КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ НЕСУЩИХ ОСТОВОВ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

3.1.ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ При проектировании высотных зданий и сооружений, на его предпроектной

стадии, выполняется комплекс инженерно-геологических изысканий с целью общей оценки инженерно-геологических и гидрогеологических условий выделенной под проектируемое строительство площадки; оценки возможности осуществления строительства высотного здания на данной площадке; выбора типа фундаментов. В соответствии с заданием на проектирование и техническим заданием на проведение комплексных изысканий, на стадиях «проект» и «рабочая документация» выполняются детальные инженерно-геологические изыскания. По результатам комплекса полевых исследований грунтов в пределах активной зоны основания под фундаментами высотного здания, а также зоны влияния на прилегающую территорию, составляется отчет об инженерно-геологических изысканиях. Отчет об инженерно-геологических изысканиях содержит: данные, необходимые для обоснованного выбора типа и размеров фундаментов; габариты несущих конструкций подземных частей высотного здания с учетом прогноза изменений инженерно-геологических и гидрогеологических условий и возможности развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов (в период строительства и эксплуатации объектов), а также

27

в)

д)

г)

Рис. 3.1. Схемы к результатам топогеодезических и инженерно-геологических изысканий строительной площадки высотного здания: а – план строительной площадки с обозначением горизонталей и нанесенными контурами проектируемых зданий и мест расположения инженерно-геологических выработок (скважин); б – инженерно-геологические разрезы, совмещенные с разрезами по фундаментам; в – зоны развития напряжений в массиве грунта основания под разными типами фундаментов для учета влияния на окружающую застройку; г – деформационные схемы и изолинии осадок зданий и окружающего грунта; д – совмещенный разрез здания с геологическим разрезом

28

Современные высотные здания проектируются и возводятся с развитой подземной частью, имеющей несколько подземных этажей и расширенную по горизонтали стилобатную часть здания. В этом случае программа инженерногеологических изысканий включает дополнительные требования с учетом особенностей, предъявляемых к изысканиям для подземных и заглубленных сооружений (рис. 3.1в).

Часть полевых исследований грунтов основания (зондирование (рис.3.2), испытание грунтов штампами (рис.3.3), прессиометрические испытания (рис. 3.4) для высотных зданий со значительной глубиной котлованов, осуществляется с отметки дна котлована, что позволяет полноценно и с высокой степенью экономической целесообразности оценить всю сжимаемую толщу под подошвой

Рис.3.2. Исследование грунтов методами статического и динамического зондирования при помощи: а – установки УЗК-3 (ультразвукового контроля); б – комбинированной установкой НИИОСП; в – мобильной установкой на базе автомобиля; г – рабочий момент комплексного обследования грунтов основания под строительство высотного здания при помощи современной геотехники; д – диаграмма статического зондирования песчаных грунтов по глубине массива

29

в)

Рис. 3.3. Схема установок для испытания грунтов на сжимаемость при помощи штампов статическими вдавливающими нагрузками. а – со дна котлована,где

осадки штампа «S» мм от величины внешнего давления «Р» кН, S=f(Р):1 – в слабых грунтах, 2…4 – в надежных грунтах, 5 – в грунтах повышенной несущей способности

30