6928

(1.3.1) и перенесем все члены полученной системы уравнений в одну сторону. Тогда дифференциальные уравнения свободных колебаний системы

Решение системы уравнений (1.3.2) представляют в виде гармонических колебаний:

11

yi Ai sin ( t ) , (i 1, 2, ..., n) (1.3.3)

с амплитудой A , собственной круговой частотой и начальной фазой .

При этом полагают, что все отклонения происходят в одной фазе. Подставив

это решение в систему дифференциальных уравнений (1.3.2), после

преобразований (сокращения на sin ( t ) ), сгруппировав все члены с yi и

M1 n1 A1 M 2 n 2 A2 ... M i ni Ai ... (M n nn 12 ) An 0 .

Система (1.3.4) допускает два вида решений:

- нулевое, когда A1 A2 ... Ai ... An 0 , т.е. движение отсутствует;

- отличное от нуля, которое возможно в том случае, когда определитель системы уравнений, составленный из коэффициентов при неизвестных амплитуд, равен нулю:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

будет сопровождаться сотрясениями большой силы. Это и вызывает сотрясе-

ние Земли — землетрясение.

Землетрясением так же обычно называют любое колебание земной поверхности и недр, какими бы причинами оно не вызывалось – эндогенными или антропогенными и какова бы ни была его интенсивность.

Землетрясения происходят на Земле не повсеместно. Они концентрируются в сравнительно узких поясах, приуроченных в основном к высоким горам или глубоким океаническим желобам.

Дело в том, что высочайшие горы или глубокие океанические желоба в геологическом масштабе являются молодыми образованьями, находящимися в процессе формирования. Земная кора в таких областях подвижна.

Подавляющая часть землетрясений связана с процессами горообразования.

Такие землетрясения называют тектоническими.

Бывают еще и вулканические землетрясения. Лава и раскаленные газы,

бурлящие в недрах вулканов, давят на верхние слои Земли, как пары ки-

пящей воды на крышку чайника. Вулканические землетрясения довольно слабы, но продолжаются долго: недели и даже месяцы.

Сотрясения земли могут быть также вызваны обвалами и большими оползнями. Это местные обвальные землетрясения.

Как правило, сильные землетрясения сопровождаются повторными толчками, мощность которых постепенно уменьшается.

При тектонических землетрясениях происходят разрывы или перемещения горных пород в каком-нибудь месте в глубине Земли,

называемом очагом землетрясения или гипоцентром. Глубина его обычно достигает нескольких десятков километров, а в отдельных случаях и сотен километров. Участок Земли, расположенный над очагом, где сила подземных толчков достигает наибольшей величины, называется эпицентром.

Понятие балла характеризует интенсивность сотрясения в точке наблюдения. В нашей стране с 1964 года используется 12-бальная шкала

MSK – 64.

14

Шкала MSK-64 составлена применительно к зданиям и сооружениям,

не имеющим сейсмостойкого усиления конструкций.

Для народного хозяйства землетрясение – это стихийное бедствие,

причиняющее значительный материальный ущерб и вызывающее человеческие жертвы.

Территории, подверженные сейсмоопасности интенсивностью 7-9

баллов, составляют около 15-20% от общей площади СНГ и располагаются в основном в южных и восточных районах, где осуществляется интенсивное народнохозяйственное строительство.

Снижение материальных затрат на восстановление зданий после предполагаемого землетрясения – актуальная задача. Ее решение может осуществляться по двум направлениям: обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений на стадии проектирования и выполнение ряда указаний и конструктивных требований при ведении строительных работ.

Возможен другой путь: использование сейсмоизоляции и других систем динамического регулирования сейсмических нагрузок.

На стадии проектирования необходимо выполнять пространственный расчет зданий (рядовых высотой свыше двух этажей, ответственных и уникальных) по нескольким вычислительным комплексам с применением вариации расчетных моделей, для исключения возможности ошибок из-за накопления математических погрешностей во время расчета. На данный момент используются следующие вычислительные комплексы: SCAD,

STARK, MicroFe, ЛИРА, Nastran и т.п.

При проектировании зданий и сооружений, предназначенных для строительства в сейсмических районах, их сейсмостойкость традиционно обеспечивается путем повышения несущей способности конструкций за счет увеличения размеров несущих элементов и прочности материалов, а также ряда конструктивных. Увеличение размеров конструкций или прочности материалов приводит к увеличению жесткости и веса сооружений, что, в

свою очередь, вызывает возрастание инерционной (сейсмической) нагрузки и

15

требует значительных дополнительных затрат строительных материалов и средств.

В России и многих зарубежных странах сформировалось экспериментальное направление в строительстве по повышению и обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений, названный активным способом сейсмозащиты (нетрадиционный поход). Этот способ предусматривает снижение величины инерционных сейсмических нагрузок на сооружения за счет регулирования их динамических характеристик во время колебательного процесса, и управлять механизмом деформирования сооружений при землетрясениях.

Регулирование динамических параметров осуществляется для того,

чтобы избежать резонансного увеличения амплитуд колебаний или, по крайней мере, понизить резонансные эффекты. Это достигается соответствующим выбором динамической жесткости и частот (периодов)

собственных колебаний сооружения.

Новые конструктивные схемы зданий и сооружений в начале процесса проектирования подлежат обязательной экспертной проработке специалистами научно-исследовательских и проектных организаций,

специализирующихся в области сейсмостойкого строительства.

При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений и при усилении зданий существующей застройки следует:

-принимать объемно-планировочные и конструктивные решения,

обеспечивающие симметричность и регулярность распределения в плане и по

высоте здания масс, жесткостей и нагрузок на перекрытия;

-применять материалы, конструкции и конструктивные схемы,

обеспечивающие наименьшие значения сейсмических нагрузок (легкие

материалы, сейсмоизоляцию);

- создавать возможность развития в определенных элементах конструкций

допустимых неупругих деформаций;

16

-выполнять расчеты металлических конструкций зданий и сооружений с учетом нелинейного деформирования конструкций;

-предусматривать конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость и геометрическую неизменяемость конструкций при развитии в элементах и соединениях между ними неупругих деформаций, а также исключающие возможность хрупкого их разрушения;

-располагать тяжелое оборудование на минимально возможном уровне по высоте здания.

Сцелью получения достоверной информации о работе конструкций при землетрясениях и колебаниях прилегающих к зданиям грунтов в проектах характерных основных типов зданий массовой застройки, зданий с принципиально новыми конструктивными решениями, а также особо ответственных сооружений следует предусматривать размещение станций инженерно-сейсмометрической службы (ИСС).

Обязательная установка станций ИСС должна предусматриваться на объектах высотой более 70 м и ответственных зданиях и сооружениях, а

также на объектах экспериментального строительства. Паспортизация объектов после завершения строительства, а также существующих объектов должна выполняться в соответствии с действующими нормативными документами по оценке технического состояния и паспортизации промышленных и гражданских зданий (сооружений), эксплуатируемых в сейсмических районах.

Динамическая паспортизация должна проводиться аккредитованными лабораториями, оснащенными необходимым оборудованием и сейсмометрической аппаратурой.

Динамическая паспортизация включает следующие виды работ:

-определение реакции зданий на специальные динамические воздействия в частотном диапазоне волн от 0,2 Гц до 40 Гц;

-определение частот, форм собственных колебаний зданий и декрементов колебаний и сравнение их с проектными данными;

17

- формирование динамического паспорта здания на основе периодических динамических обследований, а также в обязательном порядке при обследовании после прошедших землетрясений средней и сильной интенсивности (7 баллов и выше).

Динамическая паспортизация производится для зданий и сооружений ответственных, а также для корпусов ТЭЦ, центральных узлов доменных печей, резервуаров для нефти и нефтепродуктов, жилых и гражданских зданий более 16 этажей, а также гидротехнических сооружений.

Объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и сооружений следует принимать с учетом указаний раздела 3 СНиПа II-7-81*

Строительство в сейсмических районах. Этажность (высота) зданий не должна превышать значений, указанных в таблице 8* [1].

Высота дошкольных детских учреждений не должна превышать двух этажей, школьных учреждений и больниц - трех этажей. Хирургические и реанимационные отделения в больницах следует размещать на нижних двух этажах.

В зданиях с несущими стенами, кроме наружных продольных стен,

должно быть не менее одной внутренней продольной стены.

Здания должны иметь правильную форму в плане. Смежные участки здания выше или ниже планировочной отметки не должны иметь перепады более 5 м.

Перекрытия в зданиях следует располагать на одном уровне.

Здания следует разделять антисейсмическими швами на отсеки, если:

-их объемно-планировочные и конструктивные решения не соответствуют требованиям п.3.1 [1];

-отдельные объемы зданий в пределах общего плана, не являясь ядрами жесткости, имеют резко отличные (более 30 %) жесткости или массы.

Антисейсмические швы должны разделять здание по всей высоте, их следует выполнять путем возведения парных стен или рам, либо рамы и стены. Конструкция примыкания секций в зоне антисейсмических швов не

18

должна препятствовать их взаимным горизонтальным перемещениям при землетрясениях.

Лестничные клетки следует предусматривать закрытыми с естественным освещением, как правило, через окна в наружных стенах.

Расположение и количество лестничных клеток следует принимать в соответствии с нормативными документами по противопожарным нормам СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений проектирования зданий, но не менее одной между антисейсмическими швами в зданиях высотой более трех этажей.

Устройство основных лестничных клеток в виде конструкций, не связанных с конструкциями здания или сооружения, не допускается.

Лестничные клетки и лифтовые шахты каркасных зданий с заполнением, не участвующим в работе, следует устраивать в виде ядер жесткости, воспринимающих сейсмическую нагрузку, или в виде встроенных конструкций с поэтажной разрезкой, не влияющих на жесткость каркаса, а

для зданий высотой до 5 этажей при расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов их допускается устраивать в пределах плана здания в виде конструкций,

отделенных от каркаса здания.

Лестницы следует выполнять, как правило, из крупных сборных элементов, соединяемых между собой с помощью сварки, либо из монолитного железобетона. Допускается применение металлических или железобетонных косоуров с наборными ступенями при условии соединения с помощью сварки или на болтах косоуров с площадками и ступеней с косоурами.

Междуэтажные лестничные площадки следует заделывать в стены. В

каменных зданиях площадки должны заделываться на глубину не менее

250мм.

Устройство консольных ступеней, заделанных в каменную кладку, не допускается.

19

В городах и поселках городского типа строительство домов со стенами из сырцового кирпича, самана и грунтоблоков запрещается. В сельских населенных пунктах на площадках сейсмичностью до 8 баллов допускается строительство одноэтажных зданий из этих материалов при условии усиления стен деревянным антисептированным каркасом с диагональными связями.

Жесткость стен каркасных деревянных домов должна обеспечиваться раскосами или панелями из конструктивной фанеры. Брусчатые и бревенчатые стены следует собирать на нагелях и болтах.

Глава 2. РАСЧЕТЫ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

2.1. Оценка динамических характеристик зданий

2.1.1. Динамическая расчетная схема сооружения. Степень свободы

При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений особое внимание следует уделять грамотной оценке их динамических характеристик, поскольку сейсмическое воздействие носит ярко выраженный динамический характер.

Из курса строительной механики известно, что при динамических воздействиях на напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов влияет не только характер самих воздействий, но и характер распределения входящих в систему масс.

Масса – это количественная мера инертности, то есть физическая величина, показывающая, насколько сложно изменить скорость изучаемого тела. Если рассматривать систему отсчета, связанную с самой массой, то,

согласно принципу Д’Аламбера, массу можно считать уравновешенной, если ввести дополнительную силу, называемую силой инерции. Именно с этой силой масса будет «сопротивляться» попытке изменения своей скорости:

(2.1)

Направление силы инерции всегда противоположно ускорению,

сообщаемому массе.