Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий анализ развития теории сейсмологии и сейсмостойкости 13
1.1. История земли 13
1.2. Основные очаги землетрясений 17
1.3. Сейсмическая активность на территории Афганистана . 24
1.4. Инженерная сейсмология 29
Глава 2. Изучение современного состояния теории сейсмостойкости стальных каркасов промзданий 50
2.1. Развитие аналитической теории инженерной сейсмологии 50
2.2. Определение динамического коэффициента Р и коэффициента формы деформации 54
2.3. Совершенствования СНиП "строительство в сейсмических районов" 63
2.4. Состояния вопроса расчета на сейсмостойкость конструкций в различных странах мира 73
Глава 3. Анализ результатов экспериментальных методов исследований сейсмостойкости инженерных конструкции 89
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 89
3.2. Исследования на моделях конструкции 90
3.3. Описание конструкции модели стального каркаса одноэтажного промздания 95
3.4. Методика проведения испытании и измерение динамических параметров модели каркаса 99
3.5. Результаты экспериментальных исследований одноэтажного промздания 100
Глава 4. Учет влияния податливости основания при расчете на сейсмостойкость конструкции 111
4.1. Состояние вопроса 111
4.2. Изучение моделей основания 111
4.3. Расчет на сейсмические воздействия для одномассовои системы 117
4.4. Расчет П — образной рамы по данным эксперимента 121
Глава 5. Возможности повышения сейсмостойкости стальных каркасов промзданий в условиях Афганистана 127
5.1. Перспектива строительства металлических конструкций промышленных зданий в условиях Афганистана 127
5.2. Расчет П — образной рамы с мостовым краном 127
5.3. Расчет одноэтажного многопролетного промздания 135
5.4. Расчет двухэтажного промздания 138
5.5. Постановка пространственной задачи сейсмостойкости одноэтажного промздания 143
5.6. Конструктивные предложения по повышению сейсмостойкости зданий 146
Заключение 167
Литература 169
Приложение 175
- Сейсмическая активность на территории Афганистана
- Определение динамического коэффициента Р и коэффициента формы деформации
- Описание конструкции модели стального каркаса одноэтажного промздания
- Расчет на сейсмические воздействия для одномассовои системы
Введение к работе
При землетрясениях проявляется одна из самых разрушительных сил природы, приносящая человечеству как огромные жертвы, так и существенные материальные убытки.
Прогнозировать опасные для жизни человека стихийные бедствия и разрушения от землетрясений человечество пока не научилось хотя их регистрация велось уже в далеком прошлом. По данным международного геофизического справочника, каждый год в сейсмических опасных районах земного шара в среднем возникает около 700 землетрясений с магнитудой не менее 5, около 90 с магнитудой не менее 6 и выше 12 - с магнитудой 7 и более.
Сильные землетрясения с магнитудой от 5 до 8,5 приводят к большим разрушениям и человеческим жертвам. За всю историю человечества около 80 миллион человек погибло от землетрясений и их прямых последствий: пожаров, цунами, обвалов и пр.
В XX век# землетрясения наблюдались силой в 5 - 6 баллов до 1300 раз в год, силой в 7 — 8 баллов до 18 раз в год, а землетрясений в 9 баллов произошли 11 раз в год.
За период последних 25 лет от землетрясений погибало ежегодно в среднем 15 тыс. человек, а материальный ущерб составлял сотни миллионов американских долларов в год.
В литературе описываются различные землетрясения в Чили, Скопа-ле, Македониия, Анкорадже, США, Газли, Бухаресте, Кишиневе, Спитаке, на Аляске, Сахалине и пр.
В период с июня по декабрь 1999 года произошли сильные землетрясения в Колумбии, Турции, Греции, на Тайване и в Индии.
Землетрясение в Турции имело большую разрушительную силу и унесло 45 тыс. жизней людей. При этом подверглись разрушению 60 тыс. домов (зданий) к общий ущерб составил 40 млрд. американских долларов.
В 1990 году в Иране погибло 50 тыс. человек, в апреле 1998 г. в Афганистане в результате землетрясения силой в 7 - 7,9 баллов погибло свыше 5 тыс. человек.
Сейсмическая активность на территории Афганистана
Считают, что рождение земли относится к тому же времени, что и галактической вселенной, т. е. примерно 4500 млн. лет тому назад. Мельчайшие частицы твердого вещества и газовые облака в процессе непрерывного перемешивания постоянно конденсируются. Происходящее при этом повышение плотности приводит к увеличению температуры, пока не происходят ядерные реакции, которые еще более повышают энергию среды. В условиях достаточно высоких температур земля находилось в течение длительного периода времени. Взаимные влияния материи в недрах земли привели в результате к разделению ее на три характерных слоя и к расчленению земной коры на континенты и океаны. Полагают, что в начале палеозойской эры земля, как тело, стала почти такой, какой она выглядит сейчас. Считают, что формации земной коры, имеющие непосредственное отношение к происходящим сегодня землетрясениям, связаны с третичным периодом и частично с четвертичным периодом. Земля постоянно изменяется под действием непрерывного потока энергии от недр земли и со стороны солнца. На поверхности земли происходит эрозия, стирающая горы и равнины, вызывая перемещения грунта и камней к морю и отложения их на морском дне. Продукты вулканической деятельности и остатки организмов также накапливаются на дне океанов, мантийное вещество под океанами стремится подняться из недр земли.
Полагают, что новые площади континентов образуются вдоль наружных окраин существующих континентов и этот процесс известен как движение горообразования.
В настоящее время процесс горообразования в общих деталях известен со времени палеозойской эры. В период 600 млн. лет от палеозойской эры до наших дней площади континентов увеличились, и интересно отметить, что места, где сейчас часто возникают землетрясения, связаны с поясами земли, относящимся к процессам новейших горообразований [1,2].
Земля представляет собой сферическое тело с радиусом порядка 6400 км, состоящее из трех слоев разной породы: ядра, или центросферы, мантии и земной коры, или литосферы [10].
Земная кора имеет толщину порядка 50 км состоит из осадочных пород от очень малой толщиной до нескольких десятков километров из гравийных пород толщиной до 10 км, покоящихся на базальтовом основании толь-шиной 40 — 50 км. Мантия земли - малоизученная область земных глубин делятся на верхнюю мантию (толщиной 900 км) и нижнюю мантию (толщиной 2000 км). Верхняя мантия состоит из двух оболочек. Материалами первой оболочки, контактирующей с земной корой, является кремний и магний толщиной порядок 240 км. Это оболочка носит название «симма».
Нижняя мантия сложена из очень твердых пород, находящихся в условиях огромного давления. Ядро земли радиусом приблизительно 3400 км имеет температуры 4000 - 5000 градусов по Цельсию. Давление в миллионы атмосфер и состав его пока не известен. [16]
Землетрясениями обычно называют сотрясение земной поверхности, вызванное внутри земными процессами. Общей характеристикой любого землетрясения является разрушение пород и большие остаточные деформации внутри земли. При этом процесс может начаться с ограниченной по величине области разрушения, называемую очагом, фокусом, гипоцентром, или областью очага. Проекцию очага на поверхность земли называют эпицентром, а расстояние от эпицентра до любой точки на поверхности земли эпицентральным расстоянием.
Землетрясения бывают тектонические, вулканические, провальные или обвальные и глубокофокусные. [17] Тектонические землетрясения объясняют деформационным процессом в земной коре. Считают, что земная кора неровнопрочна в местах сочленения различных по прочности участков, взаимных перемещениях которых возникают напряжения, превышающие предел прочности деформированного материала, что вызывает внезапное разрушение. Накопленная в процессе деформирования пластов потенциальная энергия переходит в кинетическую, вызывая колебания окружающей области. Существованием огромного количества разрывных пластов в земле можно объяснить возникновение землетрясений в разное время той или иной силы. Эти пласты, имеющие вид сбросов, сдвигов или надвигов давят друг на друга под некоторым углом и удерживаются за счет силы трения. Постепенно нарастающие внутренне силы могут превзойти силы трения и тогда произойдет сброс и сдвиг, а следовательно, и землетрясение.
Вулканические землетрясения вызываются локальным извержением лавы взрывами газа и т. д. Этот род землетрясений сравнительно редко встречается, слаб по интенсивности и имеет ограниченную сферу влияния. Провальные или обвальные землетрясения вызываются обширными обвалами карстовых областей внутри земли. Глубокофокусные землетрясения происходят на больших глубинах, вплоть до 700 км. Причины этих землетрясений изучены в меньшей степени. Они очень мощны, однако из—за большого удаления очага от поверхности земли они редко вызывают разрушение зданий. Колебания, вызванные землетрясением, распространяются во все стороны от его очага в виде упругих волн. Эти волны вызывают в основном три вида колебаний среды. К первому виду относятся продольная волна (Р), которая смещает частицы земной коры вдоль своего движения. Среда, в которой распространяется этот вид волны, испытывает напряжения сжатия - растяжения с изменением своего объема. Эта волна первой достигает поверхности земли со скоростью 7-8 км/с. Смещение вдоль, возбуждения вызывает вторую волну, перпендику-Ф лярную первой, скорость которой 4-4,5 км/с. Эта волна называется поперечной волной (S) или волной искажения", она сопровождается изменением формы среды с сохранением объема.
Определение динамического коэффициента Р и коэффициента формы деформации
Как известно, любое землетрясение производит воздействие на по верхность земли, что выражается в виде колебаний различных по своим ви дам и силе. » В природе зафиксированы следующие виды колебаний: а - гармонические незатухающие; б - затухающие; в - возрастающие; г — периодические с несимметричным циклом; е - биение колебаний; ж - запись колебания почвы при землетрясениях. Далее рассмотрим многообразие приборов и аппаратуры для изучения землетрясений и процессов, в них происходящих. Первое использование приборов для наблюдений за землетрясениями относится к началу нашей эры. Китайским ученым Чжан Хэном (78—139 гг.) в 132 г. был создан прибор, позволявший на далеком расстоянии от эпицентра фиксировать факт происшедшего землетрясения. Им был применен сосуд, внутри которого помещался маятник, соединенный с восемью радиально расположенными подвижными рычагами. На концах рычагом укреплялись г механизмы, соединенные с челюстями фигурок драконов, в которых был зажат шарик (рис. 8, а). При толчке маятник толкал рычаг. Рычаг соответствующего толчку направления приходил в движение, открывая пасть дракона, из которой выпадал шарик в рот расположенной под ним фигурки лягушки, что и указывало на происшедшее землетрясение. В 1703 г. французский физик Жан Отфёй изготовил прибор, похожий на прибор Чжан Хэна с сосудами вместо шариков, заполненными ртутью. Толчок вызывал наклон сосуда, и из него ртуть выливалась в чашечку. По количеству вылившейся ртути можно было получить некоторое суждение о силе землетрясения. Та же идея была использована итальянцем Каччиаторе в приборе, построенном в 1848 г. Все описанные приборы, получившие назва ние сейсмоскопов, позволяли только установить факт происшедшего землетрясения, но не давали регистрации процесса движений за весь его период. Следующим шагом в развитии сейсмографов было изобретение италь- янцем Луиджи Пальмиери в 1853 г. прибора, который не только фиксировал землетрясение, но и указывал момент его начала и продолжительность. Конструкция прежних приборов была дополнена часовым механизмом, автоматически включавшимся при толчках и выключавшимся с их прекращением. Однако и этот прибор не давал записей процесса колебаний во время землетрясения. В середине XIX в. в разных странах был создан ряд приборов такого типа. Маятниковые приборы применялись в XIX в. в Сибири русскими исследователями. Несмотря на принципиальную ясность идеи применения маятников для : записей сейсмических колебаний, их конструкции XIX в. оказались малопри годными для практического использования. Во-первых, абсолютные значе ния смещений грунта при сейсмических колебаниях малы и поэтому точ ность записей иглы была невелика, тем более что штрихи последующих ко лебании накладывались на штрихи от предыдущих колебаний. Во-вторых, для получения маятников с большими периодами их колебаний требовалась большая длина / нити, в чем можно убедиться, воспользовавшись формулой для периода маятника, по которой где g - ускорение силы тяжести. Так, например, в Италии применялся маятник с длиной нити 10 м. Та-кие приборы были неудобны в эксплуатации и требовали больших помещений. Существенное усовершенствование маятниковых приборов было сделано английским горным инженером Джоном Милном, работавшим в конце XIX в. в Японии. Он заменил вертикально подвешенный маятник горизонтальным по схеме, показанной на рис. 8, б, в. Прибор для записи горизонті тальных колебании, изобретенный Милном в 1880 г., имел слегка наклонную (поя углом ер) к вертикали ось, к которой на консоли прикреплялся груз весом несколько сот килограмм, в горизонтальном же направлении груз мог свободно перемещаться. Прибор Милна относится к числу первых из примененных сейсмографов, т. е. приборов, производящих графическую запись колебаний земли (или сооружения) с разверткой движения во времени. Современник Милна японский сейсмолог Омори в 1889 г. разработал конструкцию прибора, отличавшуюся от сейсмографа Милна механической регистрацией колебаний. Вместо зеркальца на грузе был укреплен рычаг с пером на конце, ведущим запись на закопченной бумаге, намотанной на барабан.
В 1900 г. немецкий ученый Э. Вихерт разработал сейсмограф с так называемым астатическим, или обращенным, вертикальным маятником (рис. 8, г). Этот маятник представляет собой большой груз (в Институте физики земли Страсбурга вес его достигает 19 тс), заканчивающийся внизу острием, входящим в треугольный паз основания. Устойчивость груза достигается с помощью пружин, установленных сверху груза в направлении его колебания. Деформирование пружин характеризует смещение основания. Усовершенствованные приборы Вихерта применяются и сейчас в институтах некоторых стран, однако для массового применения они непригодны из-за своей громоздкости.
Основными недостатками всех этих приборов была малая скорость записи, отсутствие приспособлений, обеспечивающих быстрое затухание колебаний маятника и часто малое увеличение прибором записываемых им малых колебаний.
В 1902—1906 гг. акад. Б.Б. Голицын разработал метод гальванометрической регистрации с электродинамическим преобразованием перемещений маятника в электротоки. На конце горизонтального маятника, вес груза которого составлял всего несколько килограммов, между полюсами двух магнитов была установлена проволочная катушка. При раскачивании маятника во время землетрясения и перемещения его с катушкой между магнитами возникает индукционный переменный ток, который замыкается на зеркальном гальванометре и отражается на фотографическую бумагу. В отличие от предшествующих в приборе Б. Б. Голицына возможно очень большое увеличение графического представления записей.
В связи с этим возник и новый раздел сейсмологии - сейсмометрия, в задачу которого входят разработка методики и проведение инструментальных наблюдений за сейсмическими движениями грунтов или сооружений.
Большие работы по созданию новой сейсмометрической аппаратуры после Б. Б. Голицына выполнены П. М. Никифоровым (1884—1944), Д. П. Кирносом, Е. С. Борисовичем, Д. А. Хариным. А. Г. Назаровым, С. В. Медведевым и др. (пример - рис. 9) Подробно с принципами работы и конструкцией современных приборов можно ознакомиться в специализированных изданиях.
Описание конструкции модели стального каркаса одноэтажного промздания
В ходе эксперимента рассматривался вопрос о целесообразности разрезки ленточных фундаментов под антисейсмическими швами.
Установлено, что грунты основаниях обладают достаточной несущей способностью, вопрос о разрезке фундамента теряет всякий смысл, так как не приходится ожидать существенной разницы в осадке двух смежных отсеков (секций) здания даже при значительной разнице в нагрузках.
При слабых грунтах и больших нагрузках от здания разрезка фундамента под швом неизбежно вызывает расширение его с целью уменьшения расчетного давления на грунт до допустимых размеров. Вследствие этого должен быть увеличен размер швов между парными стенами. На практике это может привести к ширине шва порядка 1 — 2 м. Кроме того, при строительстве на слабых грунтах усложняется конструктивное решения. После проведения эксперимента были сделаны следующие выводы: а) При направлении горизонтальных колебаний основания моделей, перпендикулярно шву, размах колебаний на уровнях перекрытий первый и второй этажей в модели на разрезанном фундаменте больше, чем соответствующий размах колебаний в модели на неразрезанном фундаменте. б) При направлении горизонтальных колебаний в основании моделей вдоль шва при наличии или отсутствии шва в фундаменте - не имеют суще ственного различия. в) Разрезку фундаментов швами следует считать нецелесообразной, так как она содействует возрастанию размаха колебаний в наземной конструкции по сравнению с такими же конструкциями, располагаемыми на неразрезан ном фундаменте. г) Полученные выводы справедливы, в основном, для грунтов в осно вании, на которых невозможна неравномерная осадка здания. 4. Экспериментальные исследования взаимодействия сооружения и динамического гасителя колебаний на сейсмоплатформе. [46] Испытание модели одноэтажного каркасного здания с гасителем было предназначено для проверки работоспособности данной конструкции динамического гасителя колебания, а также для получения экспериментальных амплитудной — частотных характеристик систем с гасителем в процессе накопления повреждений в основной системе. Испытания модели с гасителем и без него проводилось в несколько этапов при разном уровне амплитуд колебания сейсмоплатформы и с изменением ее частоты. В процессе испытаний модели происходило накопление повреждений в опорной части колонн, что проводило к изменению динамических параметров модели. В результате этого проходило изменение настройки гасителя. Вывод: коэффициент эффективности гасителя колебания принимал значение не менее трех. Для достижения максимального эффекта его значение рекомендуется располагать между последним этажом и покрытием здания, что значительно снижает горизонтальные сейсмические нагрузки. 5. Испытания модели стального каркаса одноэтажного производственного здания с предварительно напряженными лентами стенового ограждения. [19] Для выявления предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние элементов стального каркаса одноэтажного промздания и его динамические характеристики произведены комплексные испытания на моделях. Модель в масштабе 1:10 представляла собой фрагмент одноэтажного промздания, состоящего из семи поперечных рам, системы горизонтальных и вертикальных связей и покрытия. Колонны — сплошностенчатые, ступенчатые составного сечения. Узлы сопряжения колонн с фундаментами и стропильными фермами выполнены жесткими. Подкрановые балки приняты составного сечения с развитым верхним поясом для восприятия горизонтальных нагрузок от мостового крана. Горизонтальные и вертикальные связи выполнены из труб, а распорки в уровне верхних поясов ферм — из уголков. Постоянная и снеговая нагрузки на фермы создавались с помощью стальных листов (1,148 кН/м и 1,722 кН/м ). Вес моста крана варьировался в пределах от 3,041 до 8,437 кН. В качестве стенового ограждения приняты предварительно напряженные стальные ленты толщиной 0,1 мм и шириной 400 мм, которые прикреплялись к ригелям, расположенным между колоннами. Контроль натяжения осуществлялся при помощи тензорезисторов и индикаторов часового типа. В результате предварительного натяжения лент стеновое ограждение превращалось в пластинку с подкрепленными ребрами. Испытания модели проведены в режимах свободных и вынужденных колебаний. Свободные колебания модели создавались выводом из состояния покоя ударом и оттяжкой с последующим обрывом груза. Этот метод позволил выявить только первую частоту собственных колебаний. Поэтому основное внимание было уделено анализу поведения конструкции каркаса в режиме вынужденных колебаний, создаваемых специально изготовленной вибро-ІГ машиной инерционного действия с двумя эксцентриками. В результате проведенного эксперимента были сделаны практические выводы. Испытания модели на продольные колебания показали, что динамические напряжения в вертикальных связях по колоннам для каркаса с пред-напряженными лентами оказались в два раза, а в горизонтальных поперечных связях по нижнему поясу ферм — в 1,2 раза меньшими, чем в каркасе, когда в лентах преднапряжение отсутствует. Установлено, что при продольных колебаниях каркаса преднапряжен-ные ленты стенового ограждения активно включаются в работу и воспринимают часть инерционной нагрузки на каркас здания, разгружая при этом вертикальные связи между колоннами и горизонтальные связи между фермами. Расчеты показали, что жесткость каркаса в результате преднапряжения лент стенового ограждения повышается на 75-80%, декремент колебаний каркаса повышается на 40-70%, а перемещения снижаются в 3-4 раза. 6. Исследование модели стального каркаса одноэтажного промзда-ния на горизонтальные динамические воздействия. [47] Наибольший интерес представляют собой испытания модели каркаса, геометрия которого выполнена с соблюдением закона подобия с действи-ф тельными каркасами промзданий. Остановимся на этом эксперименте более подробно.
Расчет на сейсмические воздействия для одномассовои системы
Учет податливости при сейсмическом воздействии ведет к увеличению максимальных перемещений и уменьшению максимальных изгибающих моментов до 40%.
Собственные значения колебаний или собственный период колебаний сооружения оказывает большое значение на результаты сейсмического расчета. На динамические параметры конструкции влияют также упругая податливость основания в зависимости от периода колебания основного тона. 1. В результате расчета консоли одномассовой системы с использованием акселерограмма получено [51] снижение изгибающих моментов на 35% по сравнению с жестко защемленной в основании консолью аналогичного размера. 2. При учете податливости основания увеличивается перемещение расчетных масс систем. 3. При проектировании «жесткой» конструкции в условиях высокой сейсмики учет податливости основания является обязательным, в то время как для «гибкой» конструкции учет податливости основания не является необходимым. 4. Для консольных систем при Г 0,7 с, для рамных систем при 7! 0,35 с и для пространственных систем с Т 0,25 с влияние упругой податливости основания является существенной при оценке напряженно-деформированного состояния конструкции. Нами получены аналогичные результаты применительно к стальным каркасам одноэтажных промзданий. 5. Конструкции с указанными значениями периода колебания основного тона принято называть «жесткими», в то время как остальные конструкции следует считать «гибкими». По карте общего сейсмического районирования Афганистана (рис. 7, п. 1.3.2) видно, что более 50% территории страны периодически подвержены сильным сейсмическим воздействиям. Кроме того, многие города - столица г. Кабул, Парван, Каписа, Фаизабад, Саманган, Тахар и т.д. - также расположены в сейсмически опасных зонах. Необходимо заметить, что на этих же территориях расположено около 70% процентов полезных ископаемых, добываемых в государстве. Таким образом, для будущего развития Афганистана необходимо уделить особое внимание строительству промышленных конструкций в регионе, поскольку крайне необходимо разработать целый комплекс в сфере строительства по защите от землетрясений. Первоочередными задачами, стоящими перед инженерами-строителями, стали повышение уровня сейсмозащиты зданий и сооружений и смягчение катастрофических последствий сильных землетрясений. Основным направлением повышения сейсмической безопасности населения является обеспечение высокой сейсмостойкости зданий и сооружений, поскольку непосредственной причиной трагических последствий является их разрушение. Повышение уровня сейсмостойкости строительства, из чего вытекает повышение безопасности жизни населения в стране, может быть достигнуто при активном взаимодействии в двух взаимосвязанных направлениях: а) повышение научно-технического и нормативного обеспечения сейсмостойкости сооружений и сейсмостойкого строительства в целом, создание новых эффективных методов сейсмозащиты, отвечающих современным теориям сейсмостойкого строительства; б) создание комплекса организационно-технических мер по принятию и обеспечению строгого соблюдения современных правил сейсмостойкого строительства и требований действующих нормативных документов при проектировании и строительстве в сейсмических районах.
Необходимо отметить, что в Афганистане нормативная документация о сейсмостойкости конструкций мало изучена в связи с военными ситуациями в стране. Для дальнейшего развития государства необходимо решить проблемы промышленной индустриализации. При этом необходимо учесть, что территория находится в опасном сейсмическом районе с богатыми природными ресурсами.
Для достижения реальных результатов должна быть разработана научно обоснованная методика расчета сейсмостойкости конструкции. Одним из эффективных путей является проектирование и расчет основания новейших сооружений с учетом податливости основания.
В связи с предположительным строительством в Афганистане ряда промышленных объектов, необходимых для возрождения потенциала страны и ее экономической независимости, рассмотрим далее конструктивных схем одно- и двухэтажных зданий, которые могут найти свое применение в условиях высокой сейсмики Афганистана.
