Совершенствование методов расчета железобетонных конструкций зданий на сейсмические воздействия с учетом неупругих деформаций Нурмаганбетов, Есет Каиржанович

Введение к работе

Актуальность. Человечество пережило более 100 катастрофических землетрясений, которые унесли в общей сложности около 16 млн. человеческих жизней и привели к значительным повреждениям и даже разрушениям зданий и сооружений. Ликвидация ущерба, нанесенного землетрясением, крайне дорогостоящее мероприятие и отражается на экономике страны. Таковы, например, последствия землетрясения в Ашхабаде (1948г.), Чили (1960г.), Ташкенте (1966г.), Венесуэле (1967г.), Сан-Фернандо (1971г.), Никарагуа (1972г.) Дагестане (1975г.), Газлийское (1972г. и 1984г.), Карпаге (1975г.), Армении (1988г.), Зайсанское (1990г.) и др. Существуют различные, иногда спорные, гипотезы о состоянии зданий во время землетрясений. Это объясняется не только сложностью процессов, происходящих при сейсмических колебаниях зданий, но и недостаточно полными данными о характере и величинах сейсмических воздействий. Поэтому изучение последствий землетрясений способствует постоянному совершенствованию конструктивных решений и развитию методов расчета зданий на сейсмические воздействия.

Одной из причин недостаточной надежности ряда сооружений является неполный учет действительного напряженно-деформированного состояния конструкций во всех стадиях работы, а также несовершенства некоторых конструктивных решений элементов зданий. В частности, недостаточно разработаны методы динамического расчета пространственной работы зданий и сооружений при действительном сейсмическом воздействии, задаваемом трехкомпонентным движением основания.

Действующие нормы СНиП 11-7-81* по строительству в сейсмических районах весьма условно и недостаточно надежно оценивают влияние сейсмического характера нагружения на прочность железобетонных конструкций, не учитывают накопления в них повреждений и деформаций.

Целью диссертационной работы является развитие теории расчета железобетонных конструкций зданий с использованием реальных трехкомпонент-ных акселерограмм землетрясений различной интенсивности и действительных диаграмм деформирования материалов и элементов, полученных на основе экспериментальных исследований железобетонных конструкций и узлов их соединений, а также разработка новых конструктивных решений для сейсмостойкго зданий и сооружений.

Для достижения поставленных целей решены следующие задачи:

1. Изучены факторы, влияющие на прочностные и деформативные свойства железобетона при малоцикловых режимах нагружения типа сейсмических.

2. Предложены диаграммы деформирования стержневых железобетонных элементов при сейсмическом нагружении на основе применения полных нелинейных диаграмм деформаций бетона и арматуры и с учетом циклических режимов деформирования, соответствующих реальным акселерограммам землетрясений.

3. Разработаны методы динамического расчета железобетонных конструкций зданий на основе использования двумерных и трехмерных моделей несущих систем при двух и трехкомпонентных сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами реальных землетрясений.

4. Проведен анализ влияния неупругих деформаций железобетонных конструкций зданий на их несущую способность при ожидаемых сильных зем-летрясениях на основе мировой и региональной сейсмологической информации.

5. Разработаны новые конструктивные решения отдельных элементов и их сопряжения для сейсмостойких зданий и сооружений.

6. Даны рекомендации по совершенствованию метода расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений на сейсмические нагрузки.

Научная новизна заключается в следующем:

- сформулированы модели сейсмических воздействий для исследования ч динамических расчетов железобетонных конструкций зданий на основании ана-

лиза и обработки инструментальных записей реальных землетрясений из банка мировых и региональных данных;

установлены факторы, влияющие на прочностные и деформативные свойства железобетона при малоцикловых режимах нагружения типа сейсмических и проведены сравнения с экспериментальными данными;

получены действительные диаграммы деформирования железобетонных конструкций при разгрузке и.повторных сейсмических нагружениях с использованием реальных акселерограмм землетрясений средней и высокой интенсивности;

выявлены экспериментальные данные, полученные при статических и динамических испытаниях железобетонных элементов, узлов и фрагментов, охватывающих все стадий работы конструкций;

разработана методика динамического расчета железобетонных конструкции каркасных зданий с использованием двумерных и трехмерных моделей на сейсмические воздействия с учетом неупругих деформаций;

получены новые формулы для определения основного тона свободных колебаний железобетонных плит и оболочек с учетом податливости контурных конструкций;

разработаны методы динамического расчета железобетонных оболочек покрытий зданий с учетом сложного напряженного состояния, возникающей при трехкомпонентном сейсмическом воздействия;

- исследованы факторы, влияющие на неупругие деформации желе
зобетонных конструкций каркасных зданий и оболочек на основе разработан
ной методики расчета с учетом вертикальной и горизонтальных составляющих
сейсмической нагрузки;

- разработаны новые эффективные конструктивные решения железобетонных элементов и рекомендации по их расчету и проектированию.

Основные положения, выносимые на защиту:

обоснование научной проблемы, имеющей важное народнохозяйствен ное и социальное значение на основе оценки состояния железобетонных конструкций зданий при сейсмических воздействиях и анализа последствий мировых и региональных землетрясений;

модели сейсмических воздействий для исследования и расчета железобетонных конструкций зданий в условиях землетрясений средней и высокой интенсивности;

полученные действительные диаграммы деформирования железобетонных конструкций с учетом реальных акселерограмм землетрясений;

результаты экспериментально-теоретических исследований стержневых железобетонных конструкций при малоцикловых режимах нагружения типа сейсмических и с использованием инструментальных записей региональных землетрясений;

методика и результаты экспериментально-теоретических исследований каркасных железобетонных конструкций зданий при двух и трехкомпонентных сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами реальных землетрясений;

новые формулы для определения основного тона свободных колебаний железобетонных плит и оболочек покрытий с различными контурными конструкциями;

развитие метода динамического расчета железобетонных оболочек покрытий зданий с использованием реальных акселерограмм землетрясений на основе мировой и региональной сейсмологической информации;

- результаты комплексного анализа неупругих деформаций железо
бетонных конструкций при сейсмических воздействиях, учитывающие трех-
компонентные движения основанім;

- прогноз состояния сейсмостойких зданий;

- предложения по рациональному армированию и конструированию л<с:\ -зобетонных конструкций для сейсмических районов.

Достоверность н обоснованность разработанных научных положений и выводов подтверждена постановкой и решением задач на основе современной теории деформирования железобетона и теории сейсмостойкости зданий и сооружений; принятой моделью сейсмического воздействия на здания с использованием реальных акселерограмм землетрясений; сравнением и удовлетворительным совпадением теоретических данных с данными собственных опытных испытаний и экспериментов других исследователей; опытом проектирования и эксплуатации разработанных сейсмостойких железобетонных конструїсцнй зданий и сооружений. Расчетные зависимости получены в результате строгих и точных математических решений задач в соответствии с принятыми предпосылками и моделями.

Практическое значение и внедрение результатов.

Приведенные результаты экспериментально-теоретических нсследовпшп позволяют существенно повысить сейсмостойкость железобетонных здатні и сооружений и решить ряд важнейших вопросов проектирования и еоьертексг вования конструктивных решений для сейсмических районов. Изложенные методы динамического расчета стержневых и пространственных желечобеп;'НР>:ч конструкций, позволяют более точно и методически правильнее ч ;м сумеет-вутошие, оценивать несущую способность и деформативность на рссх ста л\ \> работы при сейсмических нагруженнях, армировать их более рационально, 'по в отдельных случаях приводит и к снижению расхода материалов. Пнедренн новые конструкции опор и узлов сопряжений железобетонных ригелей с колоннами и эффективные железобетонные конструкции оболочек покрытий. Предложенные новые сейсмостойкие конструкции фундаментов снижают сейсмические нагрузки для зданий и сооружений при землетрясениях (патент РК №960333.1 от 27.03.1996г., авторы Е.К.Нурмаганбетов, Ж.Б.Байнатов).

В институте «Алматагипрогор» и «Казгорстройпроект», при участии автора запроектированы 5-ти и 9-ти этажные жилые дома в железобетонном каркасе с расчетной сейсмичностью 9 баллов и построены в г.Алматы.

В комбинате "Капчагайсельстрой" с участием автора запроектированы пять вариантов пространственных железобетонных блоков и налажен их выпуск для индивидуально-кооперативных гаражей.

Результаты работы внедрены в учебный процесс КазГАСА и технические вузы Казахстана.

Апробация работы. Основные этапы работы докладывались на научно-технической конференции в МИСИ на секции «Железобетонные конструкции» в 1972 г. (Москва); на Всесоюзном совещании в 1973 г. (Алматы); на Республиканской конференции в 1974 г. (Ташкент); на VI научной сессии СНК по пространственным конструкциям, организованной НИИЖБом и ЦНИИСКом в 1975 г. (Москва); на Всесоюзном совещании в 1976 г.(Кшшшев); на Международной конференции ИАСС в 1977 г. (Алматы); на научном семинаре РИИ в 1981 г.(Рудный); на Всесоюзном семинаре в 1987 г. (Шауляй); на научно-технической конференции в ЦНИИСКе в 1988 г. (Москва); на Всесоюзном научно-техническом семинаре в 1988 г. (Москва); на научно-технической конференции в ЦНИИСКе в 1989 г. (Москва); на Всесоюзном семинаре в 1989 г. (Ереван); на Всесоюзной научно-технической конференции в 1990 г. (Москва); на Всесоюзном научно-техническом совещшши в 1993 г. (Алматы); на научном семинаре МГСУ в 1996 г. (Москва); на научно-практической конференции КазГАСА в 1993 -1996 гг. (Алматы).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 33 работах, в том числе в 2 учебных пособиях.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 470 страниц и содержит 355 страниц машинописного текста, 61 рисунок и 25 таблиц. Список использованной литературы включает 272 наименования.