Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние теории и практики сейсмо стойкого строительства по изучению действительной работы строительных конструкций в условиях сейсми ческих нагрузок высокой интенсивности 21
1.1.. Теоретическое исследование работы зданий и сооружений при интенсивных сейсмических воздействиях 23
1.2. Экспериментальные исследования строительных конструкций в предельной стадии неупругого деформирования 33
1.3. Выбор антисейсмической защиты сооружений на осно ве современной теории сейсмического риска
1.4. Задачи исследований 41
ГЛАВА II. Экспериментальные исследования железобетонных элементов и каркасных систем в условиях нагру зок типа сейсмических 45
2.1. Особенности сейсмических нагрузок и их модели рование 46
2.2,- Исследование несущей способности изгибаемых и внецентренно-сжатых железобетонных элементов при циклических нагрузках 49
2.3. Исследование влияния конструктивных факторов на параметры предельных состояний железобетонных элементов 61
2.4. Параметры предельных состояний железобетонных каркасов при знакопеременном квазистатическом нагруженной .66
2.5. Несущая способность железобетонного каркаса при динамических нагрузках высокой интенсивности
2.6 Исследование несущей способности железобетонных рам ных каркасов, восстановленных с помощью полимерраст-.воров 92
2.7. Предельные параметры несущей способности железобетонных каркасных зданий 106
ГЛАВА III. Упруго-пластические свойства железобетонных каркасных зданий 112
3.1. Интерпретация экспериментальных зависимостей "Нагрузка-деформация" билинейными диаграммами с изменяе мыми параметрами « 112
3.2. Оценка влияния точности обработки экспериментальных данных на параметры диаграмм деформирования 120
3.3. Сравнение расчетных и фактических диаграмм 124
3.4. Изменяемые упруго-пластические диаграммы с нелиней ными участками нагружения 128
3.5. Упруго-пластические диаграммы деформирования восста новленных железобетонных каркасов «... 140
3.6. Упруго-пластические диаграммы деформирования железо бетонных каркасов при учете вертикальной составляю щей сейсмического воздействия 145
ГЛАВА ІV. Методика расчета упруго-пластических систем на сейсмические воздействия высокой интенсивности (применительно к железобетонным каркасным зданиям) 160
4.1. Основные параметры и расчетная выборка акселерограмм реальных землетрясений для исследований упруго-пластических систем 160
4.2. Расчет многомассовых упруго-пластических систем на однокомпонентные сейсмические воздействия,задаваемые акселерограммами реальных землетрясений 173
4.3.Расчет многомассовых упруго-пластических систем на сейсмические воздействия, задаваемые акселерограм мами землетрясений, при двухкомпонентном движении основания 180
4.4.Расчет многомассовых упруго-пластических систем на трехкомпонентные сейсмические воздействия,задаваемые акселерограммами реальных землетрясений 188
4.5.Программа расчета многомассовых упруго-пластических констрзтктшй на сейсмические.нагрузки при трехкомпо-нентном движении основания 199
4.6.Методика оасчета неупругих систем на реальные сейсмические воздействия .
ГЛАВА V. Анализ особенностей работы упруго-пластических систем в условиях сейсмических нагрузок высокой интенсив ности .206
5.1.-Сейсмостойкость железобетонных каркасов,запроектированных по СНиП, при интенсивных сейсмических воздействиях ' 208
5.I.I.Исследование I этажных каркасов 211
5.1.2.Исследование 9 этажных каркасных зданий 221
б.І.З.Исследование 4 этажных каркасных зданий 228
5.1.4.Оценка сейсмостойкости железобетонных каркасов,
запроектированных по действующим нормам 233
5.2. Влияние параметров диаграмм деформирования на точность оценок поведения,неупругих систем в условиях реальных землетрясений
5.3. Исследование упруго-пластических конструктивных систем, имеющих различную степень антисейсмических усилений, в условиях сильных землетрясений 242
5.3.1. Анализ упруго-пластических осцилляторов 243
5.3.2. Анализ 9 этажных упруго-пластических систем. 250
5.3.3. Анализ 4 этажных упруго-пластических систем 259
5.4. Особенности работы нестационарных упруго-пласти ческих систем при реальных сейсмических воздейст виях 265
5.5. Исследование упруго-пластических систем при много компонентном движении основания 278
ГЛАВА VI. Выбор рациональных конструктивных решений желе зобетонных каркасных злений на основе современ ной теории сейсмического риска 296
6.1. Долговременная сейсмическая опасность 296
6.2. Сейсмический риск и методика выбора антисейсмичес кой защити зданий и сооружений 302
6.3. Выбор рациональных уровней ^антисейсмических усилений железобетонных каркасных зданий 306
6.4. Экономическая эффективность рациональных вариантов антисейсмических усилений зданий с железобетонным каркасом 324
Заключение 330
Литература
- Теоретическое исследование работы зданий и сооружений при интенсивных сейсмических воздействиях
- Особенности сейсмических нагрузок и их модели рование
- Интерпретация экспериментальных зависимостей "Нагрузка-деформация" билинейными диаграммами с изменяе мыми параметрами
- Основные параметры и расчетная выборка акселерограмм реальных землетрясений для исследований упруго-пластических систем
Введение к работе
Во многих районах земного шара происходят землетрясения,большинство из которых имеют небольшую интенсивность или случаются в малонаселенных районах. Однако тлеется немало землетрясений в результате которых разрушались города и населенные пункты. Сильные землетрясения за последние годы произошли в %ли,1960; Скопле, 1963; Ниигате,1964; Каракасе, 1967; Перу,1970; Сан-Фернандо,1971; Никарагуа, 1972; Гватемале, 1976; Румынии, 1977. К сожалению, пршлеры таких землетрясений могут быть приведены и для нашей страны. Значительный ущерб нанесли Крымское,1927; Кишиневское,1940; Ашхабадское, 1948; Ташкентское, 1966; Джамбульское, 1971; Газлий-ское, .1976; Назарбекское, 1980 землетрясения.
Наиболее полные данные по последствиям сильных землетрясений содержатся в работе профессора С.В.Полякова /115/, где приводятся сведения об огромном ущербе, который наносят человечеству эти стихийные бедствия, занимающие второе место среди других природных катастроф. За период 1947-70 гг. во время землетрясений погибло более 190 тыс.человек. В /64/ приведены данные о последствиях землетрясений в США., где за период 1905-1965 г.г. погибло около 1,4 млн,чєлоеєк, а материальные убытки исчислялись 1200 млн. долларов. Только от землетрясения 1971 г. в Сан-Фернандо убытки составили около 500 млн.долларов. Землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско нанесло ущерб в 480 млн.долларов, а при таком же землетрясении в настоящее время убытки составили бы несколько миллиардов долларов, не считая цепной реакции возможных последствий для экономики США.
Рост населения, быстрое развитие промышленности требуют освоения все новых территорий, в том числе и в сейсмически активных районах, поэтому вопрос надежности и экономичности антисейсми-
- 7 -ческого строительства имеет большое народнохозяйственное значение.
Анализ распределения территории и населения СССР по районам с различной сейсмичностью показал, что общая площадь сейсмических районов СССР составляет около 22% всей территории страны. В этих районах расположены девять столиц союзных республик,сотни городов и тысячи сельских населенных пунктов, ведется около 30% жилищного строительства.
Все возрастающие объемы капитального строительства,увеличение численности и улучшение условий проживания населения,маесо-вое жилищное строительство в крупных городах с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями с крайне ограниченными возможностями расширения территории предъявляют высокие требования к надежности и экономичности.зданий и сооружений,строящихся в районах высокой сейсмичности. Поэтому перед теорией сейсмостойкости сооружений на современном этапе ставятся новые более сложные задачи, овязанные с необходимостью учета запасов прочности конструкций в предельной стадии работы при интенсивных сейсмических нагрузках, переходу к пространственным расчетным схемам, более полно отражающим реальные свойства зданий и сооружений,использования новых сейсмологических данных, характеризующих долговременную сейсмическую опасность территории, подверженной сейсмическим воздействиям.
Как свидетельствует опыт прошедших землетрясений, здания и сооружения, рассчитанные, запроектированные и построенные с учетом требований норм по сейсмостойкому строительству,вполне удовлетворительно выполняют свое назначение. В этом большая заслуга советских ученых, с трудами которых связано становление и развитие, теории сейсмостойкости: В.А.Быховского,И.И.Гольденблата, К.0.3авриева,И.Л.Корчинского, С.В.МедведеваД.Г.Назарова, Ш.Г.На-
петваридзе, С.В.Полякова, В.Т.Рассказовского,А.П.Синицина, М.Т.Уразбаева,К.С.Абдурашидова, Я.М.Айзенберга,М.Ф.Барштейна, С.С.Дарбиняна, В.К.Егупола,Т.Ж.Жунусова, В.К.Кабулова,Б.К.Кара-петяна, Г.Н.Карцивадзе, А.И.Мартемьянова,Н.А.Николаенко,Т.Р.Ра-шидова, О.А.Савинова,Э.Е.Хачияна, Г.А.Шапиро и многих других специалистов ,занимающихся.вопросами сейсмостойкого строительства. Среди зарубежных необходимо отметить работы М.Био, Дж.Епюма, Дж. Борджерса, А.Белетсоса, Л.Джекобсена, П.Дженингса, К.Канаи,Р.Кла-фа, К.Муто, Н.Ньюмарка, Ш.Окамото, Дж.Пензиена,Э.Розенблюета , Дж. Хаузнера.
Развитие теории сейсмостойкого строительства опиралось на (фундаментальные исследования в области строительной механики и динамики сооружений А.Н.Крылова, С.П.Тимошенко, И.М.Рабиновича, А.Ф.Смирнова, В.Б.Болотина,А.А.Гвоздева, И.И.Гольденблата,Б.К.Коренева, О.В.Лужина, Л.Г.Пановко, А.Р.йканицина,Н.К.Снитко,Е.С.Сорокина, Н.С.Стрелецкого, А.П.Филиппова, в области общей и инженерной сейсмологии - на работы Е.Ф.Саваренского, Е.М.Бутовской, В.М.Бунэ, А.З.Каца, В.И.Кейлис-Борока, С.В.Медведева,Ю.В.Ризни-ченко.
В соответствии с действующим СНШом здания и сооружения, строящиеся в сейсмически активных районах, должны быть рассчитаны и запроектированы на восприятие расчетных сейсмических нагрузок. При этом расчет ведется по упругой стадии на некоторое осредненное воздействие, интенсивность которого зависит от балльности района строительства и характеризуется коэффициентом сейсмичности Кс , по физическому смыслу представляющему собой среднее значение ускорений в долях Ql . Поэтому можно предположить, что сооружение, запроектированное по действующим нормам, при расчетном землетрясении должно работать в упругой стадии без каких-либо повреждений несущих элементов и конструкций. Как показывает опыт прошедших землетрясений, здания рассчитанные и построенные
- 9Э в соответствии с действующими нормами, вполне удовлетворительно переносят сейсмические воздействия. Однако землетрясения расчетной интенсивности не проходят бесследно: даже в сейсмостойких сооружениях наблюдаются повреждения, в том числе и несущих конструкций. Этому довольно много причин (конструктивные особенности конкретного объекта, прочность материалов, конструкций,качество строительства и многие другие). Однако основной причиной почти всегда является особенность самого сейсмического процесса и прежде всего его интенсивность. Как показывают инструментальные данные, фактическая интенсивность расчетных землетрясений, как правило, оказывается значительно больше расчетных значений Кс. Этот факт в последнее время становится общепринятым и поэтому в новых нормах по сейсмостойкому строительству в несколько раз повышена величина коэффициента. KQ. Так, к 9 балльным землетрясениям (при расчетах по акселерограммам) относятся те, максимальная апли-туда ускорений которых превышает 400 см/сек .
Учитывая изложенное следует признать, что при расчетных землетрясениях в зданиях неизбежны повреждения отдельных узлов и элементов конструкций. В работе /74/ отмечается, что даже землетрясения средней интенсивности вызывают существенные перенапряжения в конструкциях зданий, запроектированных в соответствии с требованиями сейсмических норм США, и поэтому в сейсмостойких сооружениях следует ожидать повреждений при землетрясениях, интенсивность которых даже ниже расчетных. Такая же мысль поддерживается крупными советскими исследователями /14,40,120,187/,которые считают, что в настоящее время дальнейшего развития требуют исследования на сейсмические воздействия расчетной интенсивности, когда сооружение работает в предельной стадии, в которой должны быть учтены и использованы все запасы несущей способности конструкций.
В последнее время получает распространение концепсия двойно-
го расчета, впервые выдвитутая в работах крупнейших советских ученых в области сейсмостойкости сооружений И.И.Гольденблата и С.В.Полякова /42/. Сущность ее заключается в том, что здание дол-
*
жно быть рассчитано на землетрясения разной интенсивности. При слабых и умеренных землетрясениях, повторяемость которых соизмерима со сроком службы сооружения, оно должно быяь запроектировано таким образом, чтобы затраты, связанные с восстановительным ремонтом, были.минимальными. Это значит, что здания рассчитываются по упругой стадии. При землетрясениях расчетной интенсивности, периоды повторения которых для большинства сейсмически активных районов нашей страны составляют 1000 и более лет, расчет ведется по новому предельному состоянию. Учитывая малую вероятность таких землетрясений за срок службы сооружения экономически неоправдан строить здания, которые переносили бы сильные землетрясения без всяких повреждений. Главное требование, предъявляемое в этих условиях к сооружению - обеспечение безопасности населения и сохранности ценного оборудования. Поэтому критерии предельного состояния назначаются из этих основных требований: в зданиях допускаются любые деформации, повреждения отдельных элементов и узлов, однако обрушение несущих конструкций и объекта в целом должно быть безусловно предотвращено. При сильных землетрясениях поведение сооружений характеризуется возникновением и развитием зон и участков повреждений отдельных элементов и узлов конструкций, что приводит к изменению основных динамических параметров системы (жесткостных и диссипатйвных характеристик, частот и форм колебаний). Другими словами параметры системы "на выходе", то есть конечное состояние сооружения, перенесшего землетрясение (оценка которого, по-существу, и является в большинстве случаев целью расчета) зависит не только от параметров системы "на входе", но и от особенностей внешнего воздействия (акселерограммы) и харак-
- II -
тера изменения параметров расчетной модели в процессе землетрясения. Таким образом для всесторонней оценки поведение зданий в условиях реальных землетрясений необходимо рассмотрение сооружения как нестационарной модели, работающей в существенно нелинейной области, при воздействии акселерограмм реальных землетрясений. Недаром задачи теории сейсмостойкости относятся, по мнению профессора И.И.Гольденблата, к одним из наиболее сдожных современных инженерных задач /44/.
В последнее время советскими сейсмологами получены весьма ценные результаты по оценкам долговременной сейсмической опасности различных сейсмологических регионов нашей страны, включая сведения о сейсмической сотрясаемости, а для отдельных районов получены вероятные оценки спектральной сейсмической сотрясаемости,по которым можно дифференцировать долговременную сейсмическую опасность отдельных классов сооружений.
Одними из важных в настоящее время становятся экономические критерии оптимальности, на основе которых может быть выбрана такая степень антисейсмического усиления, которая обеспечивает, с одной стороны, заданный уровень надежности сооружения, а с другой, - минимальную величину расходов, связанных с ликвидацией последствий землетрясения. При этом одними из основных являются вопросы определения объемов повреждений несущих конструкций зданий в условиях возможных землетрясений, решение которых самым непосредственным образом связано с необходимостью исследования сооружений в условиях реальных землетрясений с учетом действительной работы в стадии, близкой к предельной.
Среди основных направлений исследований в области теории и методов расчета сооружений на сейсмические воздействия на II пятилетку чл.-корр. АНСССР А.Ф.Смирнов отметил /170/:
" 12 "
- принципы учета повторяемости землетрясений при оценках '
сейсмического риска;
- методы, алгоритмы и программы инженерных расчетов на ЭВМ
многоэтажных пространственных зданий с учетом.реальных свойств
материалов и конструкций вплоть до разрушения.
Решению вопросов, связанных с этими проблемами, применительно к железобетонным каркасным зданиям, в основном, и посвящена настоящая работа.
Цель настоящей работы. На основе исследований нестационарных упруго-пластических систем на реальные сейсмические воздействия высокой интенсивности с учетом развития неупругих деформаций и локальных повреждений конструктивных элементов и с использованием сейсмологической информации о сейсмическом режиме территории - разработка рациональных конструктивных решений сейсмостойких железобетонных каркасных зданий, строящихся в сейсмически активных районах нашей страны.
Для достижения этой цели:
проведены экспериментальные исследования железобетонных элементов и каркасных систем при знакопеременных циклических статических и динамических нагрузках в предельной стадии неупругого деформирования до полного исчерпания несущей способности;
исследованы многоэтажные железобетонные каркасные здания при реальных сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами сильных землетрясений, в том числе и при трехкомпонентном движении основания; расчетная модель - многомассовая упруго-пластическая система с изменяемыми жесткостными и динамическими характеристиками; параметры диаграмм деформирования установлены
по результатам проведенных экспериментальных исследований;
- полученные результаты использованы при выборе рациональ
ных уровней антисейсмических усилений железобетонных каркасных
- ІЗ -
зданий,строящихся в районах, подверженных действию землетрясений.
Расчеты основаны на материалах по оценкам сейсмической опасности, а также сейсмологическим данным по спектральной сейсмической сот-рясаемости.
Научная новизна:
получены диаграммы упруго-пластического деформирования, отражающие действительные свойства железобетонных каркасных зданий в предельной стадии работы при интенсивных знакопеременных циклических нагрузках;
предложены расчетные модели, реализующие физические процессы накопления повреждений и связанные с ними изменения динамических характеристик зданий в процессе сейсмических воздействий, на основе которых разработаны методика,алгоритм и программа расчета многомассовых упруго-пластических систем (применительно к железобетонным каркасам) при одно, двух и трехкомпонентном движении основания по закону акселерограмм реальных землетрясений;
разработана методика выбора акселерограмм реальных землетрясений с учетом сейсмологических особенностей района строительства; предложена расчетная выборка акселерограмм для условий ограниченной сейсмологической информации;
проведены расчеты и установлена сейсмостойкость железобетонных каркасных зданий высотой до 9 этажей, запроектированных по действующим нормам, в условиях реальных землетрясений расчетной интенсивности, задаваемых их акселерограммами, с учетом упруго-пластической стадии работы;
проведены оценки параметров предельных состояний и установлены возможные объемы повреждений железобетонных каркасных зданий высотой до 9 этажей в зависимости от уровня их сейсмозащиты при интенсивных сейсмических воздействиях;
исследованы особенности работы нестационарных упруго-плас-
тических систем (применительно к железобетонным каркасам) при реальных сейсмических воздействиях;
- разработаны рациональные конструктивные решения антисейсми
ческих усилений сейсмостойких железобетонных каркасных зданий с
учетом сейсмологических условий района строительства. Автор защищает;
результаты экспериментальных исследований железобетонных элементов и каркасных систем в предельной стадии деформирования при динамических, статических и квазистатических нагрузках;
результаты апроксимации действительных свойств железобетонных каркасных зданий в упруго-пластической стадии деформирования (в том числе и с учетом вертикальной составляющей сейсмических колебаний) изменяемыми билинейными (трилинейными) диаграммами и диаграммами с нелинейным участком нагружения;
метод расчета нестационарных упруго-пластических систем (применительно к железобетонным каркасам) на реальные сейсмические нагрузки, задаваемые акселерограммами сильных землетрясений, при многокомпонентных сейсмических воздействиях;
результаты исследований железобетонных каркасных зданий высотой до 9 этажей в предельной стадии деформирования при сейсмических нагрузках высокой интенсивности при одно, двух и трехком-понентном движении основания;
методику выбора и рациональные конструктивные решения антисейсмических усилений железобетонных каркасных зданий с учетом сейсмологических особенностей района строительства.
Практическое значение работы.
Уточнены расчетные модели, описывающие поведение железобетонных каркасных зданий при интенсивных сейсмических нагрузках,учитывающие развитие повреждений и изменение свойств системы в процессе землетрясений, в том числе в условиях многокомпонентных
сейсмических движений.
Предлагаемые методы расчета каркасных систем с учетом упруго-пластических деформаций и локальных повреждений позволяют,наряду с повышением надежности в условиях возможных землетрясений,использовать запасы несущей способности конструкций в предельной стадии их работы.
Разработанная методика оценки рациональных уровней антисейсмических усилений позволяет использовать сейсмологические данные по сейсмической сотрясаемости при расчете и проектировании зданий, что существенно повышает надежность расчетов и даёт ощетимую экономию. Как показывают предварительные расчеты, применение рациональных конструктивных решений железобетонных каркасов .строящихся в сейсмически активных районах нашей страны, позволяет получить ежегодный экономический эффект свыше двух млн.рублей.
Проведенные исследования направлены на совершенствование нормативных документов по сейсмостойкому строительству, а результаты работы использованы в практике проектирования и строительства сейсмостойких железобетонных каркасных зданий.
Внедрение результатов. Основные результаты исследований использованы при разработке: Рекомендаций по расчету железобетонных рамных каркасов на сейсмические воздействия с учетом пластических деформаций ; Рекомендаций по расчету железобетонных каркасных зданий как нестационарных упруго-пластических систем на сейсмические воздействия,задаваемые акселерограммами сильных землетрясений; нашли отражение в СВиП П-7-8І в разделе '"каркасные здания".
Результаты исследований использованы: при расчете,проектировании и разработке конструктивных решений многоэтажных каркасных зданий серии УТР-І8.І-75; при разработке конструктивных решений многоэтажных каркасных зданий из объемных крестовых элементов
системы "Ташгипрогор" (построено около 150тыс.м жилых и общественных зданий); каркасных зданий из плоских крестовых элементов серий УСК ТашЗБИИЭП и 1-220 СА (построено более 500 тыс.м2 общественных зданий); при вариантном проектировании многоэтажных каркасов серии УТР-І8.2-77,разработанных институтом Узгипротяжпром . Госстроя СССР, а также при проектировании нескольких индивидуалъ-'ных объектов. Некоторые результаты настоящей работы нашли отражение в учебной литературе.
Апробация работы. Отдельные разделы работы долэжены: на Всесоюзных совещаниях по сейсмостойкому строительству, Фрунзе, 1971; Кишинев, 1976 и Алма-Ата, 1982; на республиканских совещаниях по сейсмостойкому строительству в Кишиневе,1970 и Ташкенте, 1974; на Всесоюзной конференции "Развитие методов расчета конструкций по предельным состояниям", Москва,1975; на 6 Европейской конференции по сейсмостойкому строительству,Югославия,1978; на Всесоюзной школе-семинаре "Методы количественной .оценки сейсмических воздействий", Сигнахи, 1980; Всесоюзной школе-семинаре по ИСС, Алма-Ата, 1981; на координационных совещаниях в ЦНИИСК им. Кучеренко, АрмНИИСА, ИМиСС АН УзССР, ТашЗБИИЭП в течении 1970-82гг.
Публикации. Автором опубликовано свыше 70 научных работ.
Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, изложена на 236 страницах, включает 7 таблиц, 90 рисунков, а также 8 приложений объемом 282 страницы.
Во введении изложено народнохозяйственное значение проблемы сейсмостойкого строительства, укзаны пути ее решения,сформулированы основные задачи работы.
В первой главе анализируется современное состояние проблемы обеспечения сейсмостойкости зданий при интенсивных сейсмических нагрузках, рассмотрены вопросы расчета и проектирования сооружений на основе современной теории сейсмического риска.
Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям конструктивных элементов и железобетонных каркасных систем в условиях нагрузок типа сейсмических. Изучены параметры предельных состояний и получены диаграммы упруго-пластического деформирования при знакопеременном квазистатическом нагружении, а также в условиях динамических нагрузок. На основе анализа работы железобетонных элементов и каркасных систем в стадии, близкой к полному исчерпанию несущей способности, изучены особенности развития . повреждений (появление и развитие трещин, зон дислокаций и пластических шарниров) и связанные с ними изменения динамических характеристик железобетонных каркасов в процессе неупругого деформирования. Исследованы особенности поведения поврежденных,а затем восстановленных способом инъецирования эпоксидными смолами, . каркасных систем в упруго-пластической стадии при знакопеременном циклическом нагружении. На основе анализа полученных результатов разработаны конструктивные мероприятия, повышающие надежность железобетонных каркасных зданий в предельной стадии работы.
В Ш главе на основе анализа результатов экспериментальных исследований, изложенных во второй главе, предложены диаграммы упруго-пластического деформирования железобетонных каркасных зданий, использование которых при расчетах на сейсмические нагрузки позволяет оценить их реальные свойства в условиях сильных землетрясений. Для аналитического описания использованы изменяемые билинейные и трилинейные диаграммы, а также изменяемые диаграммы с нелинейным участком нагружения. Изменение параметров диаграмм на любом этапе деформирования зависит от накопления повреждений на предыдущих этапах, что позволяет моделировать свойства системы в условиях нестационарных, прежде всего сейсмических нагрузок. Для упруго-пластических систем дано аналитическое описание зависимостей типа "нагрузка-деформация" при учете вер-
тикальной составляющей сейсмических воздействий.
В ІУ главе проведен анализ основных параметров 65 акселерограмм известных землетрясений, рассмотрены особенности поведения строительных конструкций при интенсивных сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами и разработана методика расчета упруго-пластических систем на реальные сейсмические нагрузки, включающая вероятностную обработку полученных результатов. Предложена методика расчета многомассовых упруго-пластических систем на реальные сейсмические нагрузки, в том числе и при трехкомпонен-тном движении основания. Использованы плоские и пространственные расчетные модели, позволяющие учесть изменение свойств сооружения во времени и реализующие физические процессы, имеющие место при сейсмических колебаниях реальных зданий в условиях сильных землетрясений, связанные с возникновением и развитием повреждений элементов и узлов строительных конструкций, что приводит к изменению их динамических и прочностных характеристик. Учет изменения жест-костных характеристик достигается использованием нестационарных диаграмм упруго-пластического деформирования.
Разработаны алгоритм и программа расчета нестационарных упруго-пластических систем на реальные сейсмические воздействия,позволяющая проводить оценки поведения железобетонных каркасных зданий в условиях сильных землетрясений. Программа РУПС-І предназначена для расчета по плоским расчетным схемам при.однокомпо-нентном, а РУПС-Зк - пространственных моделей при двух и трехком-понентном движении основания по закону акселерограмм землетрясений.
Пятая глава работы посвящена исследованию многоэтажных упруго-пластических систем на сейсмические нагрузки высокой интенсивности (применительно к железобетонным каркасам высотой до 9 этажей). Рассмотрены одно,четырех и девятиэтажные неупругие системы, периоды собственных колебаний которых охватывают практически весь
возможный для реальных каркасных зданий диапазон от 0,1 до 3,0сек. Каждая система рассчитывалась по выборке акселерограмм, в которую включены реализации разнообразного частотного состава,интенсивности и продолжительности, а полученные результаты рассматривались как случайные величины, расчетные значения которых определялись с заданной обеспеченностью методами теории вероятности.
Проведены оценки сейсмостойкости железобетонных каркасных систем, рассчитанных и запроектированных по действующим нормам, в условиях сильных землетрясений расчетной интенсивности. Иссле- ' довано влияние параметров диаграмм деформирования на точность оценок предельных состояний неупругих систем в условиях реальных землетрясений. Основное внимание уделено исследованиям упруго-пластических конструктивных систем, имеющих различную степень антисейсмических усилений (различные прочностные параметры), в условиях сильных землетрясений, задаваемых акселерограммами расчетной выборки. Проведено довольно большое количество расчетов (1750 одномассовых, около 600 9 этажных и 700 4 этажных систем), обработка результатов которых позволила установить зависимости параметров предельных состояний (энергетических и дешормативных), характеризующих повреждаемость неупругих систем, от уровня сейсмо-защиты сооружений. Для всех анализируемых систем получены обобщенные уравнения, позволяющие с заданной обеспеченностью получить вероятностные оценки повреждаемости железобетонных каркасов при землетрясениях определенной интенсивности. Эти результаты необходимы для выбора рациональных вариантов конструктивных решений сейсмостойких зданий.
На основе изучения мгновенных спектров Фурье и эволюционных спектров реакций проведены исследования особенностей поведения нестационарных упруго-пластических систем при расчетах по акселерограммам землетрясений.Показано, что эти методы могут с успе-
хом применяться при анализе и прогнозе поведения нестационарных систем в условиях сильных сейсмических движений.
В последнем параграфе этой главы приведены результаты исследований упруго-пластических конструкций при трехкомпонентном движении основания по закону акселерограмм известных землетрясений. Использованы пространственные расчетные схемы. Анализ полученных результатов позволил оценить влияние ряда факторов (вертикальной составляющей сейсмических воздействий, наличие эксцентриситетов между центрами масс и жесткостей, крутильных колебаний) на сейсмостойкость железобетонных каркасов при сильных землетрясениях.
Шестая глава посвящена выбору рациональных уровней антисейсмических усилений железобетонных каркасных зданий с учетом сейсмологических особенностей района строительства. Приводится методика определения антисейсмических усилений зданий и сооружений, в которой наряду с первоначальными затратами принимаются во внимание также потери, связанные с ликвидацией последствий возможных землетрясений. Рассматривается использование этой методики при проектировании каркасных зданий. Приведены примеры расчета сейсмостойких железобетонных каркасных зданий с учетом развития неупругих деформаций. Дана оценка экономической эффективности от применения оптимальных вариантов в разных сейсмологических регионах нашей страны.
Б заключении сформулированы основные выводы и предложения по рациональному проектированию железобетонных каркасных зданий, строящихся в районах высокой сейсмической активности.
Теоретическое исследование работы зданий и сооружений при интенсивных сейсмических воздействиях
Теоретические исследования строительных конструкций при интенсивных сейсмических воздействиях Впервые задача динамического расчета конструкций за пределами упругости была поставлена А.А.Гвоздевым в работе /37/, в которой показана целесообразность учета резерва несущей способности за счет пластического деформирования конструкций при расчетах на аварийные нагрузки. Использовалась гипотеза жестко-пластического тела и предложен приближенный кинематический метод определения остаточных деформаций в стержневых системах. Эта же гипотеза в последующем использовалась А.Р.Ржаницыным /130/ для решения ряда задач по динамическому изгибу балок и пластин.
Огромное влияние на развитие исследований строительных конструкций в упруго-пластической стадии имело введенное в работах И.И.Гольденблата и В.А.Быховского /40 / понятие предельного состояния зданий и сооружений, строящихся в сейсмически активных районах, согласно которому главное назначение сооружения - обеспечение безопасности населения и сохранности материальных ценностей. При этом из экономических соображений, учитывая редкую повторяемость сейсмических явлений, нецелесообразно требовать полной сохранности конструкций. В них допускаются повреждения, пластические деформации, выход из строя второстепенных элементов. Сформулированная еще в 1957 году эта концепсия существенным образом расширила границы исследований и во многом способствовала прогрессу теории и практики сейсмостойкого строительства.
Учет работы сооружений в упруго-пластической стадии связан с серьезными, по сравнению с упругими расчетами, уточнениями, Во-первых, при упруго-пластических деформациях происходит изменение жесткостных характеристик, что в большинстве случаев приводит к уменьшению сейсмических нагрузок. Во-вторых, при работе в нелинейной области конструкция поглощает значительно большее количество энергии, чем при упругих колебаниях, что также ведет к уменьшению динамической нагрузки.
На первом этапе исследований неупругой работы сооружений при сейсмических воздействиях большая часть работ посвящалась анализу колебаний простых расчетных моделей при движении основания по гармоническим законам и лишь в отдельных случаях исследования велись с использованием реальных записей сейсмических колебаний грунта, акселерограмм землетрясений / 41, 177, 203, 210, 213/. В качестве диаграмм деформирования применялись диаграммы Прандтля и реже диаграммы с упрочнением.
В работе И.И.Гольденблата и Н.А. Николаенко /41/ рассматривалась задача динамического расчета упруго-пластических систем с одной степенью свободы при учете затухания по гипотезе Фойгта. Диаграмма восстанавливающей силы принималась по Прандтлю при действии мгновенно и прямоугольного испульсов, а также с учетом линейного упрочения пластического участка деформаций при действ вии мнговенного, прямоугольного, полусинусоидального импульсов, затухающей синусоиды. Получены формулы для вычисления перемещений в случае действия на систему импульсивных нагрузок. Рассмотрены задачи динамического расчета упруго-пластических систем с двумя степенями свободы и системы с выключающимися связями.
В последнее время исследования упруго-пластических систем проводятся на более сложных расчетных моделях, в том числе и применительно к многоэтажным системам. Среди них следует отметить работы Э.Е.Хачияна /186 - 188/, в которых приведены результаты исследований упруго-пластических конструкций при воздействии акселерограмм реальных землетрясений. Для описания свойств строительных конструкций использованы билинейные диаграммы деформирования. Оценка параметров предельных состояний проводилась на основе абсолютных, относительных и остаточных деформаций. В более поздней работе /187/ метод расчета упруго-пластических систем распространен на здания и сооружения с учетом выключающихся связей и локальных разрушений. Рассмотрен пример расчета десятиэтажного каркасного здания по акселерограмме землетрясения. Показано, что учет пластических деформаций незначительно влияет на абсолютные перемещения этажей и существенно уменьшает поперечные силы. Вводится понятие "коэффициента риска", представляющего собой отношение напряжений упруго-пластической системы к максимальным напряжениям. Задача проектирования сводится к выбору коэффициента риска, при котором повреждения в упруго-пластической системе меньше допустимых.
Особенности сейсмических нагрузок и их модели рование
Настоящие исследования проводились применительно к сейсмостойким объектам и поэтому для получения достоверных результатов эксперименты велись в условиях нагрузок, возможно более полно отвечающих характеру и основным особенностям сейсмических воздействий. Принципы, методика и способы испытания строительных конструкций на нагрузки, типа сейсмических, изложены в работах /135,136, 140/. Здесь отметим только основные результаты этих исследований.
Сейсмические воздействия относятся к нагрузкам, имеющим ярко выраженный динамический характер с неопределенной зависимостью интенсивности (нагрузки) во времени. Между тем обработка акселерограмм показывает, что любое сейсмическое воздействие имеет ряд характерных особенностей. Одна из них: кратковременность действия. По этому признаку сейсмические нагрузки можно отнести к нагрузкам, повторяющимся сравнительно малое количество циклов - так называемым динамическим нагрузкам в области немногочисленных повторных нагружений (область ограниченной усталости). Для выявления основных особенностей сейсмических воздействий был проведен анализ акселерограмм, приведенных в таблП.1 приложения. Для каждой акселерограммы устанавливалось общее количество циклов нагружений и определялось отношение ускорения каждого цикла к стандарту на участке обработки. Как оказалось,число циклов нагрузки при землетрясениях с вероятностью 0,95 не превышает 50.
Число колебаний грунта может, однако, характеризовать колебания сооружения только косвенно, поскольку поведение зданий при землетрясении зависит от параметров самого сооружения. Поэтому для непосредственного определения количества циклов загружений конструкций, работающих в пластической стадии, были проведены ис следования упруго-пластических систем в условиях реальных земле трясений, задаваемых их акселерограммами. Оказалось, что упруго-пластические системы, независимо от. периода собственных колебаний, совершают не более 20 колебаний, а с учетом возможных за срок службы повторений сейсмических воздействий это количество может быть принято в пределах 50-100 циклов.
Режим нагружения зависит не только от характера сейсмических воздействий, но также от особенностей работы конструкции. При этом одни элементы, например ригели каркаса, помимо сейсмической, работают также и на вертикальную нагрузку, поэтому их напряженное состояние ближе всего моделируется динамическими нагрузками с несиь метричним или положительным асимметричным режимом загруженин. Колонны при землетрясениях находятся в условиях, близких к знакопеременному режиму загружения. При этом следует иметь в виду,что наиболее тяжелым является знакопеременный симметричный режим при
Хотя испытания на динамические нагрузки позволяют в максимальной степени имитировать сейсмические воздействия, они как правило, весьма трудоемки и не всегда обязательны. Дело в том, что при динамических испытаниях, особенно в области немногочисленных повторных нагружений, характеристики несущей способности получаются завышенными по сравнению с испытаниями на статические нагрузки Так эксперименты, проведенные в ЦНЙЙСК им. В.А.Кучеренко с железобетонными балками /133/, показали (этот же факт отмечался и другими исследователями), что энергетическая несущая способность образцов, испытанных динамической нагрузкой, существенно выше, чем при статических испытаниях, а параметры предельных состояний,полученные при повторно статических нагружениях, характеризуют минимальные запасы прочности и могут быть использованы, как нижняя оценка несущей способности сооружения. Следовательно в целом ря де случаев весьма трудоемкие и сложные испытания на динамические воздействия могут быть заменены более простыми квазистатическими.
При выборе режима нагружения необходимо учитывать также характер напряженного состояния конструкций в условиях землетрясений. Следует сказать, что сейсмическая нагрузка имеет инерционный характер, когда деформации определяются и зависят от величины нагрузки (инерционной) и поэтому испытания на сейсмические воздействия должны проводиться в мягком режиме загружения, при котором задаются величины нагрузок, а деформации определяются в процессе экспериментальных исследований.
Таким образом на основе анализа основных характеристик сейсмических воздействий, особенностей поведения неупругих систем в условиях знакопеременного упруго-пластического нагружения, характера работы сооружений, при землетрясениях можно сформулировать основные требования, которые необходимо учитывать при проведении экспериментальных исследований на нагрузки, типа сейсмических: - эксперименты должны проводиться при небольшом количестве циклов нагружений (в области немногочисленных повторных нагруже-ний, области ограниченной усталости). Количество циклов упруго-пластических нагружений может быть принято в пределах до 100; - для создания наиболее неблагоприятного режима испытаний эксперименты необходимо проводить при знакопеременном симметричном нагружений в мягком режиме;
Интерпретация экспериментальных зависимостей "Нагрузка-деформация" билинейными диаграммами с изменяе мыми параметрами
Сейсмическая нагрузка имеет явно выраженный нестационарный характер и поэтому в процессе землетрясения величина инерционной нагрузки, приходящейся на конструїщию, при каждом цикле нагружения различна. При этом, если речь идет об упруго-пластической системе, то в процессе нагружения ей сообщаются различные порции энергии, и следовательно при каждом упруго-пластическом цикле деформации, в первую очередь на пластическом участке, также будут различными.
В этих условиях, видимо, целесообразно изменение диаграмм на любом этапе деформирования описывать ориентируясь не на величину исходной пластической деформации первого полуцикла нагружения /136,190, 200/, а учитывать пластические деформации всех пре ч, дыдущих циклов. Действительно легко представить себе ситуацию, когда вначале нагружения пластические деформации будут иметь небольшую величину, а затем с ростом внешней негрузки - увеличиваться. Более того, эта ситуация, видимо, является наиболее вероятной для большинства землетрясений, о чем свидетельствует анализ акселерограмм, на которых отмечается начальный участок -участок нарастания ускорений, а следовательно и нагрузки,приходящейся на конструкцию; участок максимальных ускорений и конечный участок, на котором амплитуды ускорений уменьшаются. В таких условиях величина исходной пластической деформации не в полной мере характеризует упруго-пластические свойства конструкций в процессе нестационарного нагружения (для материалов,свойства которых описываются диаграммами с постоянными параметрами это обстоятельство не играет существенной роли и их свойства вполне удовлетворительно описываются в завистюсти от величины исходной пластической деформации).
Учитывая сказанное была проведена обработка результатов испытаний железобетонных конструкций при знакопеременном квазистатическом нагружении, когда изменение жесткостных характеристик на участках диаграммы каждого полуцикла оценивалось по величинам пластических деформаций всех предыдущих циклов, то есть учитывалась, если можно так выразиться, "история" нагружения. В качест-. ве меры оценки изменения параметров диаграмм упруго-пластического деформирования использовалась срлма пластических дефорлаций всех предыдущих циклов. Рассмотрим результаты исследований железобетонных крупномасштабных моделей каркасных зданий,изложенные в предыдущей главе, исходя из этих предположений.
На рис. 3.1.а показана идеализированная диаграмма с упрочнением с переменными характеристиками. Ее основными параметрами являются: жесткость на упругом и упруго-пластическом участках (соответственно С и С2 ), жесткость на участке разгрузки С t предельная упругая реакция т , деформации на упругом и упруго-пластическом участках ( ут и УПд). Если вводится предельная несущая способность конструкции Пр , то диаграмма с упрочнением переходит в, так называемую, трилинейную диаграмму с чисто пластическим участком, имеющим нулевую жесткость (рис.3.1.б).
Для описания закона деформирования железобетонных каркасных зданий при знакопеременном нестационарном циклическом загружении была принята билинейная диаграмма с упрочнением (рис.3.1.а),на которой кривые между характерными точками заменены прямыми отрезками. Жесткость системы на участках загружения С , упруго-пластического деформирования С и разгрузки С изменяется в процессе циклического нагружения. При обработке результатов испытаний моделей железобетонных каркасных зданий использовались диаграммы, построенные в координатах "перерезывающая сила-относительное смещение" для каждого этажа каркасной систеглы (рис.2.10; 2.П и 2.21).
Обработка результатов испытаний моделей PM-I,PM-II и РМ-ІУ (первый этап) позволила определить значения жесткостей Cj » 2 » з на всех получи1"18 нагружения для всех этажей испытанных систем. При этом для каждого К -го полуцикла определялись величины суммарных относительных пластическ деформации на предыдущих полуциклах нагружения д Учитывая, что для разных моделей значения предельных упругих реакций Ет оказались в пределах 0,58-0,68 &лр, при обработке была принята средняя величина г = 0,64 2Пр .
Основные параметры и расчетная выборка акселерограмм реальных землетрясений для исследований упруго-пластических систем
Одним из самых важных вопросов, который должен быть решен при исследовании строительных конструкций в условиях реальных " землетрясений, является вопрос самого внешнего воздействия.Поскольку в качестве закона движения основания принимаются, как правило, акселерограммы реальных землетрясений, встает вопрос о тех параметрах акселерограмм, которые имеют первостепенное значение и должны быть учтены при исследованиях и расчетах сейсмвстойких объектов.
Особое внимание характеристикам сейсмических воздействий должно быть уделено при анализе неупругих систем, так как в этом случае весьма сложный, нерегулярный случайный процесс, каким является любое землетрясение, оказывает влияние на систему,свойства которой меняются в процессе воздействия и непосредственным образом зависят от его интенсивности, спектрального состава,продолжи- тельности.
Потребности инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства явились причиной того, что в последнее время появилось довольно много работ, посвященных изучению сейсмических движений грунта, и в том числе основных параметров акселерограмм,используемых при расчетах зданий и сооружений /14,18,50,117,128,139/.
Расчет на сейсмические нагрузки, когда в качестве внешнего воздействия задаются акселерограммы прошлых землетрясений,проводится, как правило, по множеству реализаций. При этом для исключения случайных факторов может быть использована методика
В.Т.Рассказовского /128/, согласно которой в расчетной выборке должны быть акселерограммы разнообразного частотного состава. Сопоставимость акселерограмм достигается их нормированием по расчетному стандарту 6f . Эта процедура может осуществляться также на основе сопоставления максимальных ускорений Л одс, максимальных значений стандарта в переходном режиме в , среднеквадратичных ускорений в конце интервала обработки 0 . Следует,однако, иметь ввиду, что такая методика вполне оправдана при расчетах в упругой стадии. Что касается упруго-пластических систем, то их поведение зависит не только от интенсивности землетрясения, но во многом определяется его продолжительностью, так как расход запасов несущей способности неупругих систем тем больше, чем продолжительней воздействие. Таким образом оказывается, что для анализа упруго-пластических конструкций помимо интенсивности и спектрального состава необходимо иметь оценки продолжительности сейсмического процесса.
Впервые на целесообразность классификации землетрясений с учетом времени действия было обращено внимание А.М.Жаровым в работах /50,51/, где предлагается в качестве одной из характеристик сейсмического процесса использовать эффективную продолжительность t$ , определяемую из условия: =$V(i)oN 64, (4Л) где xTj» интенсивность, характеризуемая приведенным стандартом, то есть значением стандарта при 1 - 3 (здесь . - четвертый нормированный момент); "С - продолжительность записи. Разделяя точку зрения авторов /51/, нам представляется необходимым при исследовании неупругих систем учитывать три основных параметра сейсмических процессов: интенсивность,спектральный -состав и продолжительность. Следует однако, иметь в виду, что продолжительность воздействия зависит не только от основных свойств акселерограмм, но также и от параметров самих систем, прежде всего уровня т (начала неупругих деформаций).Действительно, если рассмотреть две системы, имеющие одинаковые массы и жесткости, но разные R#T, то при одном и том же землетрясении они в течении разного времени будут работать в упруго-пластической стадии. Очевидно при этом, что система с меньшим пределом текучести окажется в худших условиях, так как для нее т-э будет большим. Сказанное свидетельствует о необходимости разработки специальной методики расчета неупругих систем на воздействие акселерограмм землетрясений, учитывающей основные особенности сейсмических воздействий и в том числе длительность сейсмических процессов.
На основе обработки записей большого числа землетрясений установлено, что несмотря на случайный характер акселерограмм между их основными параметрами: максимальной интенсивностью A o » максимальным стандартом ау и стандартом на участке обработки ь существуют довольно простые и стабильные соотношения. Правда, последняя из них (стандарт 6 ) Довольно сильно зависит от интервала обработки и, как показано в /51/, не имеет надежной корреляции с другими параметрами. Поэтому в работе /128/ в качестве одной из основных характеристик интенсивности акселерограмм используется величина стандарта в установившемся состоянии в „ (стандарт при = 11,0 сек).
