Методика оценки сейсмической безопасности многоэтажных железобетонных каркасных зданий с применением метода нелинейного статического анализа
1. Актуальность и проблематика научной работы
Примерно 100 из ежегодно происходящих на Земле землетрясений обладают интенсивностью, достаточной для разрушения зданий и сооружений. При действии интенсивных сейсмических нагрузок в элементах несущих конструкций зданий реализуются зоны пластичности. Обрушению многоэтажных систем при относительно умеренных силах, предшествуют перемещения этажей, равные иногда десяткам сантиметров. При этом, реализация процесса обрушения не описывается в рамках нормативных расчётных моделей. При проектировании объектов исследования, относящихся ко II (нормальному) уровню ответственности, базовый нормативный расчёт, в соответствие с требованиями В соответствие с перечнем национальных стандартов и сводов правил, утверждённым Распоряжением Правительства РФ №1521 от 26.12.2014г., разделы 4 и 5 СП 14.13330.2014 обеспечивают соблюдение требований Федерального закона №384-ФЗ от 30.12.2009г.раздела 5 СП 14.13330.2014 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах», выполняется линейно-спектральным методом (далее - ЛСМ). Сейсмостойкость зданий по ЛСМ оценивается только с применением прочностного критерия. Реализация зон пластичности в несущих конструкциях при этом учитывается условно, за счёт введения понижающего Поправочный коэффициент, в соответствие с отечественными нормами сейсмостойкого строительства принимаемый в интервале от 0,12 до 1,0 в зависимости от типа конструктивной системы.коэффициента K1 к интенсивности сейсмических сил. Отметим, что в зарубежных регламентах сейсмические нагрузки при использовании спектрального метода уменьшаются только в случае наличия запаса несущей способности и возможности реализации перераспределения усилий между основными элементами системы, подтверждённых расчётной оценкой. Расчётные положения спектрального метода не обеспечивают контроль степени повреждения несущих конструкций системы. Специалистами в области сейсмостойкости сооружений отмечается, что ЛСМ, допускается принимать только при расчете несложных систем, работающих в упругой стадии деформирования, а также при слабо нелинейном характере работы конструкций, который наблюдается при частых землетрясениях. Этот метод не всегда гарантирует требуемый уровень сейсмостойкости, иначе обрушения зданий, рассчитанных с его помощью, не происходили бы. Подтверждением являются Во время Спитакского землетрясения, произошедшего 07.12.1988г., тотально разрушились пяти- и девятиэтажные каркасные жилые дома. По официальным данным погибло 25 000 человек, пострадали и остались без крова 514 000 человек. Экономический ущерб только от разрушений в Спитаке составил 14млрд.US$ (в ценах 1988г.). Разрушено тогда было 314 многоэтажных зданий.разрушения железобетонных каркасных зданий серии 111 в Спитаке и Ленинакане (Гюмри) в 1988 году. Для анализа степени разрушения несущих конструкций зданий при расчётных сейсмических нагрузках автор предлагает применять нелинейный статический Метод нелинейного статического анализа - диаграммный метод расчёта конструкций на динамические воздействия, в котором, при учёте нелинейного характера работы зон упруго-пластических деформаций, используются редуцированный спектр отклика и кривая равновесных состояний системы (спектр несущей способности), полученная пошаговым статическим нагружением в результате проведении численного или натурного эксперимента.метод (далее - НСМ), основным из достоинств которого является возможность оценки сейсмостойкости сооружения на стадии приближения к предельному состоянию. Важной особенностью является учёт понятия энергоёмкости. В настоящее время этот метод применяется в отечественной практике проектирования редко, и исключительно в качестве расчётного компенсирующего мероприятия при разработке СТУ на проектирование, в части обеспечения сейсмической безопасности. В случае согласования интеграции НСМ в отечественную практику проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах, процедура его реализации должна быть понятна проектировщикам.
2. Объекты научной работы
Объектами научной работы являются многоэтажные здания жилого и общественного назначения высотой от 20м до 50м (до 16 этажей включительно), спроектированные с применением железобетонного рамно-связевого каркаса с вертикальными железобетонными диафрагмами жёсткости.
3. Цель научной работы
Цель настоящей работы - разработка методики оценки сейсмостойкости железобетонных каркасных зданий, основанной на расчётных принципах метода нелинейного статического анализа, и позволяющей на стадии концептуального проектирования учитывать упруго-пластическую работу несущих элементов конструктивной системы.
4. Задачи научной работы
Для достижения поставленной цели были отработаны следующие частные задачи: а) выполнен обзор и сравнительный анализ основных расчётных положений российских и зарубежных норм сейсмостойкого строительства; б) выполнена оценка достаточности требований российских нормативных документов к деформационным критериям сейсмостойкости; в) раскрыт понятийный аппарат и смысл методологии нелинейного статического анализа, его достоинства и недостатки; г) выявлена роль модального анализа и процедуры идентификации в шагом алгоритме НСМ; д) подобрана модель сейсмического воздействия с применением концепции спектров реакций; е) определены критерии предельных состояний для стадии, предшествующей обрушению системы; ж) уточнены конструктивные требования к минимальной толщине и общей погонной длине сонаправленных железобетонных диафрагм жёсткости, входящих в состав рамно-связевых систем, проектируемых с применением ЛСМ.
5. Методы исследования
В качестве базового метода исследования в работе принят численный эксперимент. Для решения поставленных задач использовались следующие основные процедуры: метод модального анализа; метод разложения по собственным формам колебаний, линейно-спектральный метод; быстрое преобразование Фурье; метод предельных состояний; статический метод предельного равновесия; диаграммный метод кривой спектра несущей способности; метод-концепция эквивалентных перемещений и энергий. В качестве математического инструментария применялись: англоязычный интерфейс программирования комплекса SAP2000(v.17.1), система математики MathCad(v.15) и расчётные алгоритмы В комплексе SAP2000 не внедрены расчётные алгоритмы, учитывающие требования российских норм проектирования, поэтому для оценки отклика конструктивной системы объекта исследования по ЛСМ, а также для определения исходных параметров армирования несущих конструкций применялся сертифицированный комплекс Лира-САПР 2011 PRO.комплекса Лира-САПР 2011 PRO.
6. Результаты научной работы
Для реализации расчётных положений методики рассматривалось проектное решение существующего 15-этажного жилого здания II (нормального) уровня ответственности. Размеры здания в плане в крайних координационных осях составляют 16,75(В)х23,48(L)м. Высота здания - 48,3м. Общая погонная длина диафрагм жёсткости в направлении поперечной оси здания 27,8м; в направлении продольной оси - 12,1м. Сейсмические силы, определялись по ЛСМ, принимались статически приложенными к динамическим массам расчётной модели и прикладывались пошагово (Д=0,02) по высоте системы в соответствии с очертанием первой основной формы колебаний с коэффициентом K1, изменяющимся от 0 до 1,0. Форма распределения сейсмических нагрузок не менялась до окончания расчёта. С применением методики установлено, что проектного армирования (определённого по ЛСМ) диафрагм, расположенных в направлении оси Y здания, - недостаточно для обеспечения требуемой сейсмостойкости системы. Конструктивная система при соблюдении критерия безопасности жизнедеятельности собственников жилья и ремонтопригодности несущих конструкций, оказалась способна выдержать сейсмические нагрузки, составляющие только 49% от учтённых. Сделан вывод о том, что сейсмостойкость здания в целочисленных значениях шкалы MSK-64 составит только 6 баллов, вместо требуемых 7 баллов (см. рисунок 1).
В случае направления сейсмического воздействия вдоль оси Х реакция системы (см. рисунке 2а), в соответствие с концепцией эквивалентных перемещений Ньюмарка-Холла (Newmark N. - Hall W.; 1982), характеризуется значением коэффициента редукции Rм=3,1. Система воспринимает приложенные к ней расчётные сейсмические нагрузки. При этом нормативный коэффициент K1 получается равным 0,32 (положение точки свойств соответствует А=0,1g).
Картина локализации критических областей указывает на то, что пластичность конструктивной системы определяется повреждаемостью диафрагм жёсткости, расположенных в объёме двух нижних этажей. В расчётах по ЛСМ применение полученного K1 для такого типа конструктивной системы в целом, следует признать методологически некорректным. Автор отмечает, что основным из недостатков методики является зависимость качества оценки сейсмостойкости от грамотности и интуиции инженера. При этом, представленный алгоритм, по сравнению с ЛСМ, позволяет обеспечить более достоверную оценку сейсмической безопасности объектов исследования. В соответствие с предложенной методикой сложная пространственная конструкция как бы сама отыскивает удобное ей распределение внутренних усилий на стадии, предшествующей её обрушению. Результаты работы носят прикладной технический характер.
7. Теоретическая и практическая значимость
Значимость представленной работы подтверждается:
1) размерами социально-экономических убытков, причинённых национальной экономике известными разрушительными землетрясениями;
2) сейсмическим риском и дефицитом сейсмостойкости зданий, расположенных в районах с уточнённой (повышенной) сейсмичностью, и построенных до 2000 года в Дагестане, Краснодарском и Ставропольском крае;
3) результатами выполненных научно-исследовательских работ, направленных на обоснование сейсмостойкости ряда объектов капитального строительства, возведённых в сейсмических районах Российской Федерации;
4) актами о практическом использовании результатов научной работы автора в трудовой деятельности проектных организаций;
5) необходимостью разработки на современном этапе гармонизации систем технического нормирования практических пособий для национальной адаптации положений европейского регламента по проектированию сейсмостойких конструкций EN 1998-1:2004 (Eurocode 8).
Расчётные положения работы могут быть применены для поверочной оценки технических решений жилых и общественных зданий, выполненных, например, в конструкциях строительной Серия 1.020.1-2с/89 «Конструкции каркаса межвидового применения многоэтажных общественных зданий, производственных и вспомогательных зданий промышленных предприятий для строительства в районах сейсмичностью 7,8 и 9 баллов и в несейсмических районах, с изготовлением изделий каркаса в единых опалубочных формах».серии 1.020.1-2с/89. Также значимость результаты работы приобретают в контексте задач, направленных на строительство детских садов и образовательных школ в сейсмических районах в соответствие с постановлением Правительства Российской Федерации №497 от 23.05.2015г.
Список публикаций, подтверждающий вклад автора в данную научную работу
сейсмостойкость железобетонный каркасный здание
1. Соснин, А.В. Учёт нелинейности в расчётах зданий при нестационарных воздействиях / А.В. Соснин // Инновационные технологии в строительстве и подготовке отраслевых инженерных кадров. Сб. тр. Региональн. научно-практ. семинара. - Смоленск: РГОТУПС, 2008. - С. 101 - 106.
2. Научно-техническое сопровождение проектирования и строительства завода по производству ГКЛ в пос. Новонукутский Иркутской области (первый этап; численные исследования): Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / А.М. Мелентьев, Г.А. Джинчвелашвили, В.Г. Бедняков, Н.Ю. Крикуненко, А.В. Соснин, В.Г. Быков, А.В. Колесников, Д.В. Канев; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили. - М., 2009. - 75 с.
3. Инженерно-сейсмическое обследование жилых домов в пгт. Ноглики Сахалинской области: Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / Г.А. Джинчвелашвили, Г.Л. Кофф, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили. - М., 2009. - 54 с.
4. Инженерно-сейсмическое обследование жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения г. Оха Сахалинской области: Научно-технический отчёт / АНО «Научно-исследовательский центр по изучению риска ущерба от опасных геологических процессов «ГЕОРИСК» / Г.Л. Кофф, Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель Г.Л. Кофф. - М., 2009. - 55 с.
5. Инженерное и сейсмологическое обоснование проектирования и усиления крупноблочных жилых домов в г. Петропавловске-Камчатском: Научно-технический отчёт / АНО «Научно-исследовательский центр по изучению риска ущерба от опасных геологических процессов «ГЕОРИСК» / Г.Л. Кофф, Г.А. Джинчвелашвили, О.В. Павленко, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель Г.Л. Кофф. - М., 2009. - 42 с.
6. Оказание научно-технической помощи при расчётах конструктивной схемы объекта «Реконструкция санатория «Нефтяник Кубани» в г. Анапа: Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / А.Е. Саргсян, Г.А. Джинчвелашвили, Н.Ю. Крикуненко, А.В. Колесников, А.В. Соснин, П.А. Сушков; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили. - М., 2010. - 36 с.
7. Джинчвелашвили, Г. А. Идентификация динамических моделей сооружений по результатам экспериментальных исследований / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Соснин, А.В. Колесников, А.Я. Юн // Инновационные технологии в строительстве и подготовке отраслевых инженерных кадров. Сб. тр. Региональн. научно-практ. семинара, 28 мая 2010г. - Смоленск: СФ МИИТ, 2010. - С. 138 - 146.
8. Кофф, Г. Л. Применение факторного анализа для оценки остаточной сейсмостойкости и сейсмического риска застройки городов о. Сахалин / Г.Л. Кофф, Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин // Инновационные технологии в строительстве и подготовке отраслевых инженерных кадров. Сб. тр. Региональн. научно-практ. семинара, 28 мая 2010г. - Смоленск: СФ МИИТ, 2010. - С. 169 - 182.
9. Джинчвелашвили, Г. А. Определение динамических характеристик зданий и сооружений на основе идентификации / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин // Теория и практика расчёта зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы. Сб. тр. III Международн. научно-практ. конф. 17 ноября 2010г. - М.: МГСУ, 2010. - С. 131 - 137.
10. Научно-техническое сопровождение проектирования и строительства завода KNAUF по производству листов ГКЛ мощностью 60 млн. м2/год в пос. Новонукутский Иркутской области (второй этап; натурный эксперимент): Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин, А.Я. Юн; Руководитель Г. А. Джинчвелашвили. - М., 2010. - 152 с.