Методика оценки сейсмической безопасности многоэтажных железобетонных каркасных зданий с применением метода нелинейного статического анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика оценки сейсмической безопасности многоэтажных железобетонных каркасных зданий с применением метода нелинейного статического анализа

1. Актуальность и проблематика научной работы

Примерно 100 из ежегодно происходящих на Земле землетрясений обладают интенсивностью, достаточной для разрушения зданий и сооружений. При действии интенсивных сейсмических нагрузок в элементах несущих конструкций зданий реализуются зоны пластичности. Обрушению многоэтажных систем при относительно умеренных силах, предшествуют перемещения этажей, равные иногда десяткам сантиметров. При этом, реализация процесса обрушения не описывается в рамках нормативных расчётных моделей. При проектировании объектов исследования, относящихся ко II (нормальному) уровню ответственности, базовый нормативный расчёт, в соответствие с требованиями В соответствие с перечнем национальных стандартов и сводов правил, утверждённым Распоряжением Правительства РФ №1521 от 26.12.2014г., разделы 4 и 5 СП 14.13330.2014 обеспечивают соблюдение требований Федерального закона №384-ФЗ от 30.12.2009г.раздела 5 СП 14.13330.2014 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах», выполняется линейно-спектральным методом (далее - ЛСМ). Сейсмостойкость зданий по ЛСМ оценивается только с применением прочностного критерия. Реализация зон пластичности в несущих конструкциях при этом учитывается условно, за счёт введения понижающего Поправочный коэффициент, в соответствие с отечественными нормами сейсмостойкого строительства принимаемый в интервале от 0,12 до 1,0 в зависимости от типа конструктивной системы.коэффициента K₁ к интенсивности сейсмических сил. Отметим, что в зарубежных регламентах сейсмические нагрузки при использовании спектрального метода уменьшаются только в случае наличия запаса несущей способности и возможности реализации перераспределения усилий между основными элементами системы, подтверждённых расчётной оценкой. Расчётные положения спектрального метода не обеспечивают контроль степени повреждения несущих конструкций системы. Специалистами в области сейсмостойкости сооружений отмечается, что ЛСМ, допускается принимать только при расчете несложных систем, работающих в упругой стадии деформирования, а также при слабо нелинейном характере работы конструкций, который наблюдается при частых землетрясениях. Этот метод не всегда гарантирует требуемый уровень сейсмостойкости, иначе обрушения зданий, рассчитанных с его помощью, не происходили бы. Подтверждением являются Во время Спитакского землетрясения, произошедшего 07.12.1988г., тотально разрушились пяти- и девятиэтажные каркасные жилые дома. По официальным данным погибло 25 000 человек, пострадали и остались без крова 514 000 человек. Экономический ущерб только от разрушений в Спитаке составил 14млрд.US$ (в ценах 1988г.). Разрушено тогда было 314 многоэтажных зданий.разрушения железобетонных каркасных зданий серии 111 в Спитаке и Ленинакане (Гюмри) в 1988 году. Для анализа степени разрушения несущих конструкций зданий при расчётных сейсмических нагрузках автор предлагает применять нелинейный статический Метод нелинейного статического анализа - диаграммный метод расчёта конструкций на динамические воздействия, в котором, при учёте нелинейного характера работы зон упруго-пластических деформаций, используются редуцированный спектр отклика и кривая равновесных состояний системы (спектр несущей способности), полученная пошаговым статическим нагружением в результате проведении численного или натурного эксперимента.метод (далее - НСМ), основным из достоинств которого является возможность оценки сейсмостойкости сооружения на стадии приближения к предельному состоянию. Важной особенностью является учёт понятия энергоёмкости. В настоящее время этот метод применяется в отечественной практике проектирования редко, и исключительно в качестве расчётного компенсирующего мероприятия при разработке СТУ на проектирование, в части обеспечения сейсмической безопасности. В случае согласования интеграции НСМ в отечественную практику проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах, процедура его реализации должна быть понятна проектировщикам.

2. Объекты научной работы

Объектами научной работы являются многоэтажные здания жилого и общественного назначения высотой от 20м до 50м (до 16 этажей включительно), спроектированные с применением железобетонного рамно-связевого каркаса с вертикальными железобетонными диафрагмами жёсткости.

3. Цель научной работы

Цель настоящей работы - разработка методики оценки сейсмостойкости железобетонных каркасных зданий, основанной на расчётных принципах метода нелинейного статического анализа, и позволяющей на стадии концептуального проектирования учитывать упруго-пластическую работу несущих элементов конструктивной системы.

4. Задачи научной работы

Для достижения поставленной цели были отработаны следующие частные задачи: а) выполнен обзор и сравнительный анализ основных расчётных положений российских и зарубежных норм сейсмостойкого строительства; б) выполнена оценка достаточности требований российских нормативных документов к деформационным критериям сейсмостойкости; в) раскрыт понятийный аппарат и смысл методологии нелинейного статического анализа, его достоинства и недостатки; г) выявлена роль модального анализа и процедуры идентификации в шагом алгоритме НСМ; д) подобрана модель сейсмического воздействия с применением концепции спектров реакций; е) определены критерии предельных состояний для стадии, предшествующей обрушению системы; ж) уточнены конструктивные требования к минимальной толщине и общей погонной длине сонаправленных железобетонных диафрагм жёсткости, входящих в состав рамно-связевых систем, проектируемых с применением ЛСМ.

5. Методы исследования

В качестве базового метода исследования в работе принят численный эксперимент. Для решения поставленных задач использовались следующие основные процедуры: метод модального анализа; метод разложения по собственным формам колебаний, линейно-спектральный метод; быстрое преобразование Фурье; метод предельных состояний; статический метод предельного равновесия; диаграммный метод кривой спектра несущей способности; метод-концепция эквивалентных перемещений и энергий. В качестве математического инструментария применялись: англоязычный интерфейс программирования комплекса SAP2000(v.17.1), система математики MathCad(v.15) и расчётные алгоритмы В комплексе SAP2000 не внедрены расчётные алгоритмы, учитывающие требования российских норм проектирования, поэтому для оценки отклика конструктивной системы объекта исследования по ЛСМ, а также для определения исходных параметров армирования несущих конструкций применялся сертифицированный комплекс Лира-САПР 2011 PRO.комплекса Лира-САПР 2011 PRO.

6. Результаты научной работы

Для реализации расчётных положений методики рассматривалось проектное решение существующего 15-этажного жилого здания II (нормального) уровня ответственности. Размеры здания в плане в крайних координационных осях составляют 16,75(В)х23,48(L)м. Высота здания - 48,3м. Общая погонная длина диафрагм жёсткости в направлении поперечной оси здания 27,8м; в направлении продольной оси - 12,1м. Сейсмические силы, определялись по ЛСМ, принимались статически приложенными к динамическим массам расчётной модели и прикладывались пошагово (Д=0,02) по высоте системы в соответствии с очертанием первой основной формы колебаний с коэффициентом K₁, изменяющимся от 0 до 1,0. Форма распределения сейсмических нагрузок не менялась до окончания расчёта. С применением методики установлено, что проектного армирования (определённого по ЛСМ) диафрагм, расположенных в направлении оси Y здания, - недостаточно для обеспечения требуемой сейсмостойкости системы. Конструктивная система при соблюдении критерия безопасности жизнедеятельности собственников жилья и ремонтопригодности несущих конструкций, оказалась способна выдержать сейсмические нагрузки, составляющие только 49% от учтённых. Сделан вывод о том, что сейсмостойкость здания в целочисленных значениях шкалы MSK-64 составит только 6 баллов, вместо требуемых 7 баллов (см. рисунок 1).

В случае направления сейсмического воздействия вдоль оси Х реакция системы (см. рисунке 2а), в соответствие с концепцией эквивалентных перемещений Ньюмарка-Холла (Newmark N. - Hall W.; 1982), характеризуется значением коэффициента редукции R_м=3,1. Система воспринимает приложенные к ней расчётные сейсмические нагрузки. При этом нормативный коэффициент K₁ получается равным 0,32 (положение точки свойств соответствует А=0,1g).

Картина локализации критических областей указывает на то, что пластичность конструктивной системы определяется повреждаемостью диафрагм жёсткости, расположенных в объёме двух нижних этажей. В расчётах по ЛСМ применение полученного K₁ для такого типа конструктивной системы в целом, следует признать методологически некорректным. Автор отмечает, что основным из недостатков методики является зависимость качества оценки сейсмостойкости от грамотности и интуиции инженера. При этом, представленный алгоритм, по сравнению с ЛСМ, позволяет обеспечить более достоверную оценку сейсмической безопасности объектов исследования. В соответствие с предложенной методикой сложная пространственная конструкция как бы сама отыскивает удобное ей распределение внутренних усилий на стадии, предшествующей её обрушению. Результаты работы носят прикладной технический характер.

7. Теоретическая и практическая значимость

Значимость представленной работы подтверждается:

1) размерами социально-экономических убытков, причинённых национальной экономике известными разрушительными землетрясениями;

2) сейсмическим риском и дефицитом сейсмостойкости зданий, расположенных в районах с уточнённой (повышенной) сейсмичностью, и построенных до 2000 года в Дагестане, Краснодарском и Ставропольском крае;

3) результатами выполненных научно-исследовательских работ, направленных на обоснование сейсмостойкости ряда объектов капитального строительства, возведённых в сейсмических районах Российской Федерации;

4) актами о практическом использовании результатов научной работы автора в трудовой деятельности проектных организаций;

5) необходимостью разработки на современном этапе гармонизации систем технического нормирования практических пособий для национальной адаптации положений европейского регламента по проектированию сейсмостойких конструкций EN 1998-1:2004 (Eurocode 8).

Расчётные положения работы могут быть применены для поверочной оценки технических решений жилых и общественных зданий, выполненных, например, в конструкциях строительной Серия 1.020.1-2с/89 «Конструкции каркаса межвидового применения многоэтажных общественных зданий, производственных и вспомогательных зданий промышленных предприятий для строительства в районах сейсмичностью 7,8 и 9 баллов и в несейсмических районах, с изготовлением изделий каркаса в единых опалубочных формах».серии 1.020.1-2с/89. Также значимость результаты работы приобретают в контексте задач, направленных на строительство детских садов и образовательных школ в сейсмических районах в соответствие с постановлением Правительства Российской Федерации №497 от 23.05.2015г.

Список публикаций, подтверждающий вклад автора в данную научную работу

сейсмостойкость железобетонный каркасный здание

1. Соснин, А.В. Учёт нелинейности в расчётах зданий при нестационарных воздействиях / А.В. Соснин // Инновационные технологии в строительстве и подготовке отраслевых инженерных кадров. Сб. тр. Региональн. научно-практ. семинара. - Смоленск: РГОТУПС, 2008. - С. 101 - 106.

2. Научно-техническое сопровождение проектирования и строительства завода по производству ГКЛ в пос. Новонукутский Иркутской области (первый этап; численные исследования): Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / А.М. Мелентьев, Г.А. Джинчвелашвили, В.Г. Бедняков, Н.Ю. Крикуненко, А.В. Соснин, В.Г. Быков, А.В. Колесников, Д.В. Канев; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили. - М., 2009. - 75 с.

3. Инженерно-сейсмическое обследование жилых домов в пгт. Ноглики Сахалинской области: Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / Г.А. Джинчвелашвили, Г.Л. Кофф, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили. - М., 2009. - 54 с.

4. Инженерно-сейсмическое обследование жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения г. Оха Сахалинской области: Научно-технический отчёт / АНО «Научно-исследовательский центр по изучению риска ущерба от опасных геологических процессов «ГЕОРИСК» / Г.Л. Кофф, Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель Г.Л. Кофф. - М., 2009. - 55 с.

5. Инженерное и сейсмологическое обоснование проектирования и усиления крупноблочных жилых домов в г. Петропавловске-Камчатском: Научно-технический отчёт / АНО «Научно-исследовательский центр по изучению риска ущерба от опасных геологических процессов «ГЕОРИСК» / Г.Л. Кофф, Г.А. Джинчвелашвили, О.В. Павленко, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель Г.Л. Кофф. - М., 2009. - 42 с.

6. Оказание научно-технической помощи при расчётах конструктивной схемы объекта «Реконструкция санатория «Нефтяник Кубани» в г. Анапа: Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / А.Е. Саргсян, Г.А. Джинчвелашвили, Н.Ю. Крикуненко, А.В. Колесников, А.В. Соснин, П.А. Сушков; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили. - М., 2010. - 36 с.

7. Джинчвелашвили, Г. А. Идентификация динамических моделей сооружений по результатам экспериментальных исследований / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Соснин, А.В. Колесников, А.Я. Юн // Инновационные технологии в строительстве и подготовке отраслевых инженерных кадров. Сб. тр. Региональн. научно-практ. семинара, 28 мая 2010г. - Смоленск: СФ МИИТ, 2010. - С. 138 - 146.

8. Кофф, Г. Л. Применение факторного анализа для оценки остаточной сейсмостойкости и сейсмического риска застройки городов о. Сахалин / Г.Л. Кофф, Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин // Инновационные технологии в строительстве и подготовке отраслевых инженерных кадров. Сб. тр. Региональн. научно-практ. семинара, 28 мая 2010г. - Смоленск: СФ МИИТ, 2010. - С. 169 - 182.

9. Джинчвелашвили, Г. А. Определение динамических характеристик зданий и сооружений на основе идентификации / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин // Теория и практика расчёта зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы. Сб. тр. III Международн. научно-практ. конф. 17 ноября 2010г. - М.: МГСУ, 2010. - С. 131 - 137.

10. Научно-техническое сопровождение проектирования и строительства завода KNAUF по производству листов ГКЛ мощностью 60 млн. м²/год в пос. Новонукутский Иркутской области (второй этап; натурный эксперимент): Научно-технический отчёт / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин, А.Я. Юн; Руководитель Г. А. Джинчвелашвили. - М., 2010. - 152 с.

11. Джинчвелашвили, Г. А. Анализ основных положений СП 14.13330.2011 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах» / Г.А. Джинчвелашвили, О.В. Мкртычев, А.В. Колесников, А.В. Соснин // Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании. Сб. тр. международн. научн. конф., 19-21 октября 2011г. - М.: МГСУ, 2011. - С. 406 - 410.

12. Специальные рекомендации на натурные динамические испытания строительных конструкций лыжного комплекса, расположенного в с. Эсто-Садок Адлерского района Краснодарского Края, после завершения строительно-монтажных работ для уточнения исходных данных и обоснования принятых проектных работ: Научно-технический отчёт / Научно-исследовательская лаборатория «Надёжность и безопасность строительных конструкций» МГСУ / В.И. Андреев, Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель В.И. Андреев. - М., 2011. - 133 с.

13. Научно-техническое сопровождение и выдача заключения о сейсмостойкости здания корпуса 552 отделения 1 цеха №6 ОАО «Невинномысский Азот», расположенного по адресу: Ставропольский Край, г. Невинномысск, ул. Низяева, д. 1: Предварительный научно-технический отчёт / Научно-исследовательская лаборатория «Надёжность и безопасность строительных конструкций» МГСУ / В.И. Андреев, Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Колесников, А.В. Соснин; Руководитель В.И. Андреев. - М., 2011. - 111 с.

14. Исследование напряжённо-деформированного состояния несущих строительных конструкций объекта капитального строительства, разрабатываемого в составе проекта: «Совмещённый комплекс для проведения соревнований по лыжным гонкам и биатлону вместимостью 16 тыс. зрителей для каждого вида соревнований, Горная Олимпийская Деревня (1100 мест), подъездная автомобильная дорога, обустройство дополнительного маршрута для закольцовки, хребет Псехако (проектные и изыскательские работы, строительство). Первый этап строительства. Здание стадиона: Заключительный отчёт о НИР / Смоленский филиал МИИТ / Г.А. Джинчвелашвили, В.П. Акимова, Г.М. Нефёдова, А.В. Соснин; Руководитель Г.А. Джинчвелашвили, отв. исполнитель А.В. Соснин. - Смоленск, 2011. - 120 с.

15. Джинчвелашвили, Г.А. Анализ основных положений СП 14.13330.2011 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах» / Г.А. Джинчвелашвили, О.В. Мкртычев, А.В. Соснин // Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - №9. - С. 17 - 21.

16. Джинчвелашвили, Г.А. Анализ основных положений СП 14.13330.2011 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах» / Г.А. Джинчвелашвили, О.В. Мкртычев, А.В. Соснин // О возможных принципиальных ошибках в нормах проектирования, приводящих к дефициту сейсмостойкости сооружений в 1-2 балла. Сб. тр. семинара, 15 сентября 2011г. - М.: МГСУ, 2011. - С. 19 - 27.

17. Соснин, А.В. К вопросу применения изопараметрических конечных элементов в задачах устойчивости зданий повышенной этажности / А.В. Соснин // Проблемы безопасности российского общества.- №3. - 2012. - С. 38 - 49.

18. Джинчвелашвили, Г. А. Особенности учёта допускаемых повреждений конструкций в регламентах некоторых стран по сейсмостойкому строительству / Г. А. Джинчвелашвили, А.В. Соснин, Ю.А. Рыбаков Рыбаков Ю.А., Ариельский университет, г. Ариель, Израиль., А. Рауаби Рауаби А., Военная политехническая академия, г. Алжир, Алжирская Народная Демократическая Республика. // Инновационные технологии в развитии строительства, машин и механизмов для строительства и коммунального хозяйства, текущего содержания и ремонта железнодорожного пути. Сб. тр. Международн. научно-практич. конф. 29 - 30 марта 2012г. - Смоленск: СФ МИИТ, 2012. - С. 210 - 218.

19. Джинчвелашвили, Г.А. Анализ некоторых особенностей учёта нелинейной работы конструкций в нормативных документах по сейсмостойкому строительству / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Соснин // Подсекция «Строительная механика и теория надёжности конструкций (с международным молодёжным участием) 71-й Научн.-методич. и научн.-исслед. конф. Тез. докл., 29 января - 7 февраля 2013г. - М.: МАДИ, 2013. - С. 67 - 69. - URL: http://pandia.ru/text/78/586/49138-2.php

20. Разработка специальных технических условий на проектирование, в части обеспечения сейсмической безопасности, концертного комплекса с залами на 1200 и 500 посадочных мест объекта капитального строительства Кавказский музыкально-культурный центр Валерия Гергиева по адресу: г. Владикавказ, Пл. Свободы, набережная р. Терек, ул. Ч. Баева, ул. Коцоева: Специальные технические условия (Рег. вх. номер Госстроя РФ №9342/ГС от 20.05.2013г.; согласованы Нормативным техническим советом Госстроя РФ исх. №5334-БМ/03/ГС от 14.06.2013г.) / Смоленский филиал МИИТ; Руководитель темы Г.А. Джинчвелашвили, отв. исполнитель А.В. Соснин. - Государственный контракт №10 от 27.12.2011г. - Смоленск, 2013. - 27 с.

21. Численные исследования напряжённо-деформируемого состояния и выдача технического заключения о сейсмостойкости В указанной работе применены расчётные положения (по генерации модели сейсмического воздействия в виде огибающей спектров реакций), методология которых применяется автором, в том числе для расчётов зданий.трубопровода, входящего в состав линейного объекта капитального строительства «Глубоководный выпуск очищенных вод с территории Имеретинской низменности и Адлерских очистных сооружений, включая коллектор»: Отчёт о НИР / Смоленский филиал МИИТ / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Ильющенков, Е.В. Савченкова, М.А. Савченкова, А.В. Соснин; Руководитель темы Г.А. Джинчвелашвили, отв. исполнитель А.В. Соснин. - Смоленск, 2013. - 83 с.

22. Джинчвелашвили, Г.А. Построение адекватной расчётной динамической модели сооружения путём проведения идентификационного эксперимента / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Соснин, А.В. Колесников // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. - Vol. 9. - Issue 1. - 2013. - P. 59 - 63.

23. Джинчвелашвили, Г.А. Оценка резервов сейсмостойкости многоэтажного здания с каркасно-стеновой конструктивной системой из железобетона с применением нелинейного статического метода / Г.А. Джинчвелашвили, А.В. Соснин, Е.В. Савченкова // Инновационные технологии в развитии строительства, машин и механизмов для строительства и коммунального хозяйства, текущего содержания и ремонта железнодорожного пути. Сб. тр. (Том 2) II Международн. научно-практич. конф., 11 апреля 2014г. - Смоленск: СФ МИИТ, 2014. - С. 32 - 41.

24. Соснин, А.В. Расчётная оценка сейсмостойкости многоэтажного железобетонного рамно-связевого каркаса по критерию необрушения методом спектра несущей способности (в среде SAP2000) / А.В. Соснин // Сб. тр. VI Международной молодёжной научно-практической конференции «Научные исследования и разработки молодых учёных». - 16 октября 2015. - Новосибирск: НГТУ, 2015. (статья опубликована в eLibrary.ru)

25. Соснин, А.В. О применении результатов метода нелинейного статического анализа для прогнозирования убытков от повреждений зданий при землетрясениях / А.В. Соснин // Проблемы безопасности российского общества. - №3. - 2015. - С. 85 - 95. (статья опубликована в eLibrary.ru)

26. Соснин, А.В. Оценка влияния повреждаемости диафрагм жёсткости на сейсмостойкость многоэтажного железобетонного рамно-связевого каркаса: способы регулирования отклика системы методом нелинейного статического анализа (в среде SAP2000) / А.В. Соснин // Ежегодн. международн. академ. Чтения Российской академии архитектуры и строительных наук «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения», 19-20 ноября 2015 года. - Курск: КГУ, 2015. (статья направлена в сборник трудов; будет опубликована в eLibrary.ru)

Размещено на Allbest.ru