Лекции и пособия / POSOBIE-po-Vysotkam_Pdf
.pdfв 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
основании с модулем деформации Е=40МПа (рис. 2.4 а, б). |
|
|
а) |
б) |
в) |
г)
Рис. 2.4. Сейсмоизоляция высотных зданий: а – |
схема к расчету здания с |
|
демпфирующими |
системами на сейсмические воздействия; б – поперечный |
|
разрез здания; в – |
резинометаллические изоляторы; |
г – сейсмозащита здания |
«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
позволяет повысить устойчивость (рис. 2.5). |
|
|
|
а) |
б) |
в) |
г) |
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.
|
|
Таблица 2.5 |
Коэффициенты сочетаний нагрузок, nc |
|
|
|
|
|
Вид нагрузок |
|
nc |
Постоянные………………………………………….. |
|
0,9 |
Временные длительные…………………………….. |
|
0,8 |
Кратковременные (на перекрытия и покрытия)…... |
|
0,5 |
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
0 |
8 |
15 |
23 |
31 |
38 |
46 |
54 |
61 |
69 |
77 |
|
|
|
|
|
Шкала периодов Т, с |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
0,78 |
0,42 |
0,27 |
0,20 |
0,16 |
0,14 |
0,12 |
0,10 |
0,09 |
0,08 |
|
|
|
Шкала длин волн при скорости волн |
|
|
|
см/с |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
156 |
84 |
54 |
40 |
32 |
28 |
24 |
20 |
18 |
16 |
200 |
∞ |
390 |
210 |
135 |
100 |
80 |
70 |
60 |
50 |
45 |
40 |
300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
Sjik=kl S0 jik,, |
(2.12) |
Мjik=kl М0 jik,, |
(2.13) |
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).
а) |
б) |
Рис. 2.8. Пространственная расчетная динамическая модель здания (РДМ):
а – состояние покоя; б – |
i-я форма колебаний |
|
||
Упругие сейсмические силы S0jik |
и моменты М0jik вычисляются, |
соответ- |
||
ственно, по формулам (2.14) и (2.15): |
|
|
|
|
S0 jik=I·g·mk ·βi η jik , |
(2.14) |
|||
М0 jik= I·g·θjk ·βi |
|
jik , |
(2.15) |
|
|
где g=9,8 м/с2 – ускорение силы тяжести; I – интенсивность сейсмического воздействия, определяемая согласно пп. 5.2.6. [35]; βi – коэффициент динамич-
26
ности |
для |
i-й |
формы колебаний, определяемой в зависимости от пери- |
|||||||
ода |
колебаний |
Тi по |
графикам рис. 2.6; mk – |
масса |
|
k-го |
узла РДМ; θjk |
|||
(j=1, |
2, |
3) – |
момент |
инерции k-го узла РДМ; |
η jik и |
|
|
jik – |
коэффициенты |
|
|
|
|||||||||
|
|
пространственных форм колебаний, определяемые по формулам (2.16) и (2.17):
η jik =X jik · ηi , |
(2.16) |
||
|
|
jik =αjik · ηi , |
(2.17) |
|
|
||
где, X jik и α jik – перемещения и углы поворота k-ой (k=1, 2,…, |
n) массы по j-му |
||
(j=1, 2, 3) направлению при i-ой форме колебаний (рис. 2.8) |
|
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.
|
|
|
|
Таблица 2.7 |
Коэффициент надежности по ответственности γn для высотных зданий |
||||
№ |
|
Расчетная высота |
|
Коэффициент надежности по |
п.п. |
высотного здания или сооружения, |
ответственности γn для |
||
|
|
h, м |
|
высотных зданий |
1. |
Свыше 75 м до 100 м………………... |
|
1,1 |
|
2. |
Свыше 100 |
м до 200 м………………. |
|
1,15 |
3. |
Свыше 200 |
м…………………………. |
1,2 |
|
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
необходимые данные для оценки влияния |
строительства высотного |
здания на окружающую застройку (рис.3.1). |
|
а) |
б) |
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
свайных и плитных фундаментов. |
|
|
а) |
б |
в) |
г) |
д) |
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
а) |
б) |
в)
Рис. 3.3. Схема установок для испытания грунтов на сжимаемость при помощи штампов статическими вдавливающими нагрузками. а – со дна котлована,где
1 |
– |
анкерные сваи, |
2 – гидравлический домкрат, |
3 – металлический жесткий |
||
штамп расчетной |
площади; 4 – |
упорная сальная |
балка; |
б – в скважинах: |
||
5 |
– |
обсадная труба со штампом, |
6 – пригруз на штамп; в – |
график зависимости |
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