9663

102

Таким образом, общая безопасность людей, находящихся в здании при МРЗ, обеспечена и здание может быть допущено к эксплуатации после получения разрешения от проектных и научно-исследовательских организаций, специализирующихся на сейсмостойком строительстве и имеющих соответствующие полномочия. Вопрос о возможности эксплуатации здания после наступления МРЗ остается открытым и данное заключение может быть принято лишь на основании натурной экспертизы аварийного объекта.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ 10, 11

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕЙСМОСТОЙКИХ

ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Динамические нагрузки на здания и сооружения могут быть вызваны как внутренними (погрузчики, мостовые краны, виброактивное оборудование,

движущиеся механизмы), так и внешними (транспорт с интенсивным движением, строительные площадки, природные воздействия) факторами [1].

Динамические нагрузки характеризуются изменяющимися во времени по величине и направлению воздействиями на здания и сооружения. Частая смена направления, величины и/или места приложения нагрузок вызывают колебания сооружения, которые необходимо учитывать при его расчете. В

статье рассмотрены наиболее опасные для высотных зданий внешние природные воздействия: сейсмические и ветровые.

Сейсмология - это важная наука, изучающая распространение сейсмических волн в недрах Земной коры, а также причины их возникновения.

Колебания могут быть вызваны искусственными взрывами или естественными причинами – тектоническими процессами или извержениями вулканов. За последние 100 лет ученые достигли огромных высот в области изучения сейсмологии за счет получения постоянно улучшающихся данных. Результаты современной сейсмологии используются в инженерном деле для проектирования сейсмостойких сооружений.

103

Понятие сейсмостойкости используется в таких научных направлениях,

как строительная механика, механика деформируемого тела, волновая механика и др. Изучение этих отраслей необходимо для обеспечения требуемой надежности строительных конструкций и фундаментов здания.

Развитие высотного строительства, в том числе и в сейсмически опасных регионах, делает исследования в данной области весьма актуальными [2-7].

Сейсмические воздействия относятся к особым нагрузкам и учитываются в особых сочетаниях. Классически, ученые выделяют 2 типа землетрясений, которые должны учитываться при проектировании зданий и сооружений, предназначенных для строительства в сейсмически опасных регионах: проектное землетрясение (ПЗ, период повторяемости – 1 раз в 100

лет) и максимальное расчётное землетрясение (МРЗ, период повторяемости –

1 раз в 1000 лет).

При воздействии ветровой нагрузки на здание или сооружение возникают силы инерции, которые влияют на напряженно деформированное состояние сооружения. В соответствии с действующими нормами, ветровая нагрузка состоит из двух составляющих: статической и динамической

(пульсационной). Наиболее активное влияние этот тип нагрузки оказывает на гибкие и высокие сооружения. Кроме того, некоторые здания требуют расчета на резонанс, который может возникнуть при определенных скоростях ветра,

когда собственная частота колебаний здания совпадает с колебаниями,

вызванными внешним воздействием.

В работе приводится исследование высотного здания высотой 76 м (рис.1,2 цв. вклейки), проектируемого в городе Иркутск на максимальное расчётное землетрясение (МРЗ) и на влияние пульсации ветра. В качестве несущих элементов здания используется монолитный железобетонный каркас колонн, соединённых с монолитным железобетонным ядром жесткости, а

также с монолитным железобетонным перекрытием. Несущие конструкции опираются на монолитную фундаментную плиту.

Сейсмические воздействия

104

Расчет на ПЗ ведется по картам ОСР-А, В [8], при этом расчетная модель здания, а также принимаемые предельные состояния не отличаются от используемых при основных сочетаниях нагрузок.

При расчете на МРЗ модель высотного здания может допускать серьезные повреждения второстепенных конструкций, могут не выполнятся проверки по второй группе предельных состояний, если данные отклонения не угрожают жизни и здоровью людей. Также могут не учитываться предельные состояния первой группы, если это не приведет к непосредственному обрушению здания во время землетрясения: допускаются серьезные трещины,

пластические шарниры, разрушения выключающихся связей, пластические деформации несущих элементов. При этом конструкции, которые могут быть подвержены описанным воздействиям, должны проходить обязательную проверку расчетом.

Для анализа сейсмостойкости был выполнен расчет конечно-элементной модели здания (рис. 2 цв. вклейки) на собственные и сейсмические колебания.

Несущие конструкции были замоделированы в ПВК SCAD. Данная механическая система имеет большое число степеней свободы, при этом преобладающими будут являться изгибные колебания, соответствующие первой и второй формам. Динамические характеристики здания определены согласно методике, изложенной в [9], по упрощенной схеме. Сейсмическая нагрузка должна определяться спектральным методом согласно [8].

Динамические характеристики, формы собственных колебаний, а также сейсмические нагрузки приведены в таблице 1.

Анализ напряженно-деформированного состояния при сейсмических воздействиях показал, что прочность наземных несущих конструкций – колонн, плит перекрытий, ядра жесткости – обеспечивается.

Максимальные горизонтальные перемещения здания (рис.3 цв. вклейки)

по первой форме собственных колебаний составляют около 0,2 м что не противоречит требованиям при расчете на МРЗ.

105

Одной из наиболее сложных с точки зрения инженерного анализа является ветровая нагрузка, поскольку именно ветровая нагрузка определяет характер колебаний. Согласно своду правил [10], значение ветровой нагрузки определяется как сумма статической и пульсационной составляющих

(методика определения составляющих ветровой нагрузки описана в [11]).

Однако, вследствие уникальных геометрических характеристик исследуемого здания, в нормативной документации нет точной методики определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки, которую необходимо учитывать при проектировании.

Таблица 1. Форма собственных колебаний 1

Форма собственных колебаний 1

Примечание: динамические характеристики здания: ωk, fk, Tk – круговая частота,

техническая частота и период собственных колебаний при k-той форме; φik, Sik –

коэффициент отклонения и сейсмическая нагрузка для i-той массы при k-той форме собственных колебаний. Поскольку период собственных колебаний второй формы относительно осей Х, Y лежит в диапазоне [0,1-0,4]с, расчетные значения нагрузок в направлении Х и Y совпадают.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 12

УСТАЛОСТНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

ПОДКРАНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Современные технологические процессы, присутствующие в промышленности, зачастую нуждаются в надежных грузоподъемных механизмах большой мощности. В зависимости от выполняемого на предприятии технологического процесса могут быть использованы краны различной грузоподъемности, которая накладывает заметный отпечаток на выбор крановых конструкций.

Для обеспечения мобильности крана в пределах его рабочего пространства необходимо использование подкрановых балок. Подкрановые балки с установленными на них крановыми рельсами укладываются по

107

колоннам производственных зданий. В результате этого кран может свободно перемещаться для транспортирования грузов, находящихся в рабочей зоне.

Как конструкции, воспринимающие значительные изгибающие моменты, подкрановые балки чаще всего представляют собой массивную двутавровую сварную конструкцию. Для восприятия локальных напряжений и обеспечения общей устойчивости в подкрановых балках выполняются поперечные ребра жесткости (Рис.1.1) [17]. Крановая нагрузка воспринимается подкрановыми балками, а затем через систему колонна-

фундамент передается на основание. Помимо продольной силы, крановая нагрузка создает значительный изгибающий момент в колонне.

Подкрановые балки могут быть как разрезными, так и неразрезными, что учитывается при выполнении расчета прочности и жесткости.

108

Рис.1.1

Принципиальная схема расположения несущих и подкрановых конструкций промышленного здания: 1 – колонны, 2 – крановый рельс, 3 – подкрановая балка,

4 – мостовой кран

Основное отличие подкрановых балок от обычных изгибаемых массивных конструкций состоит в необходимости восприятия динамических нагрузок, заметно изменяющихся во времени. Подкрановые конструкции работают в условиях, сильно отличающихся от работы обычных балочных конструкций покрытий и перекрытий. Подвижный динамический характер воздействий, высокий уровень местных напряжений в стенке под катком крана, наличие не только вертикальных, но и горизонтальных нагрузок, а

также многократность их приложения определяют особенности расчета и конструирования подкрановых балок.

Помимо изгибающего момента, в сечении подкрановой балки возникают внецентренные продольные внутренние усилия, вызываемые разгоном и торможением мостового крана. Кроме этого, в силу различных факторов,

зачастую имеет место смещение кранового рельса, в результате чего в сечении балки возникает крутящий момент. Так же при продольном торможении крановой тележки возникает горизонтальная сила, вызывающая кручение подкрановой балки.

Подкрановые балки работают с переменным или знакопеременным циклом напряжений, что способствует проявлению усталости материала.

Подвижная сосредоточенная нагрузка действует последовательно по длине всей балки, в результате чего необходимо обеспечение надежности верхней части балки. Динамическая нагрузка на подкрановую балку часто сопровождается рывками и ударами, что вызывает расшатывание всей конструкции в целом, а так же ее локальных участков и соединений [18,19].

В ряде цехов черной металлургии оборудованных кранами с тяжелым режимом работы, наблюдаются частые расстройства подкрановых путей.

Имеют место случаи преждевременного выхода из строя подкрановых балок.

109

В стенах подкрановых балок (в местах прикрепления стенки к верхнему поясу)

появляются трещины, причем трещины проходят как по шву, так и по основному металлу вблизи шва.

Наиболее распространенный вид повреждения подкрановых балок – возникновение продольных трещин в сварных швах верхнего пояса и в прилегающих к ним участках (рис. 1.2).

При расчетах подкрановых балок принимают схему, согласно которой к головке рельса прикладывается вертикальное давление катка крана Р и

боковая сила Т (рис 1.3). Измерение действительных величин показывает, что эти силы могут значительно отличаться от расчетных значений.

Рис.1.2

Продольные трещины в сварном шве, соединяющем верхний пояс и стенку сварной подкрановой балки, установленной в цеху выксунского металлургического завода