Анализ проектирования стальных конструкций малоэтажных промзданий в условиях сейсмики

Анализ проектирования стальных конструкций малоэтажных промзданий в условиях сейсмики

Ольфати Рахмануддин Садруддин,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлические и деревянные конструкции», ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», dr.ulfati@mail.ru

В данной статье рассмотрены принципы проектирования сейсмостойких стальных каркасов промышленных зданий. Особое внимание уделяется причинам повреждения стальных каркасов под действием сейсмических нагрузок, а также требованиям, которые необходимо соблюдать при проектировании стальных каркасов в сейсмически активных районах. Изучены наиболее подходящие материалы, которые можно использовать для того, чтобы усилить стальной каркас, за счёт его правильной работы относительно возникающих сейсмических нагрузок. Представлен анализ нагрузок, которые высчитываются по нормативным. Критика используемых нормативных документов, а именно используемых формул и коэффициентов, а также предложение альтернативных решений. Исследование влияния грунта на прочностные показатели стального каркаса при сейсмической нагрузке. Указаны перспективные конструктивные решения для стальных каркасов, в случае возникновения землетрясений. Изучен опыт проектирования сейсмостойких сооружений за границей. Анализ материалов прошедших аварий в России и других странах мира. Изучение влияния собственных колебаний и форм конструкции на податливость оснований.

Ключевые слова: сейсмостойкость, стальные каркасы, малоэтажные промздания

Интенсивное промышленное строительство, приближенное к источникам добычи природных ископаемых, вызывает необходимость обеспечения защиты промышленных объектов от непредвиденных разрушений в результате сейсмических воздействий. Поэтому в районах с высокой сейсмической активностью следует отдать предпочтение строительству промышленных зданий с несущими и ограждающими элементами из стали, принять меры по совершенствованию их конструктивных форм, способов сейсмо-защиты и повышению технико-экономических показателей, благодаря, присущей стальным конструкциям повышенной сейсмостойкости, в сравнении со сборными и монолитными железобетонными конструкциями [1].

Проектирование сейсмостойких стальных каркасов промзданий базируется на трех основных принципах:

- снижение собственной массы здания

- уменьшение ускорений при колебаниях конструктивных элементов каркаса и здания в целом;

-исключение больших концентраций усилий и напряжений в расчетных сечениях конструкций.

Однако, невзирая на значительную степень сейсмостойкости металлических каркасов про-мзданий, тем не менее, имеются многочисленные примеры их повреждений и даже разрушений от сейсмических воздействий. Анализ материалов прошедших аварий в России и других странах мира позволили выделить следующие основные причины этих повреждений:

а) нарушение технологии производства монтажных работ - 34 %;

б) ошибки при выполнении узлов сопряжения конструкции - 26 %;

в) нарушение правил технической эксплуатации - 16 %;

г) наличие сейсмической неустойчивости выше прогнозируемого уровня по причине недостаточной аргументации сейсмичности стройплощадки -13 %;

д) низкое качество и недостаточность планируемых действий по сейсмозащите современным требованиям - 7 %;

е) отсутствие на сегодняшний день четких рекомендаций по сейсмозащите каркасов про-

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 4

М О

О)

о

см

О!

О Ш

т

X

3

<

т о х

X

мышленных здании в условиях высокой сейсми-ки - 7 % [2].

Таким образом, уже на стадии проектирования в 24% случаев стальной каркас промышленного здания обречен быть подвергнутым существенным повреждениям, вплоть до разрушения в результате сейсмического воздействия. Повреждения от этих воздействий обнаруживаются в форме разрывов и утрачивания устойчивости элементов, развития остаточных деформации, усталостных трещин в металле и сварных швах, ослабления заклепочных и болтовых соединений.

Как показывает международный опыт, при землетрясениях в большей степени подлежат повреждению и разрушению вертикальные связи в колоннах и горизонтальные связи нижних и верхних поясов стропильных ферм; имеют место повреждения и разрушения ступенчатых колонн в узлах сопряжения подкрановых балок с колоннами (в виде хрупкого разрушения); также довольно часто можно встретить смещение колонн относительно вертикальной оси в результате разрывов и вытяжки анкерных болтов и разрушения вертикальных связей между колоннами [3].

Податливость основания воздействует на частоты и формы собственных колебаний сооружений, приводя, в конце концов, к существенному искажению расчетных эпюр внутренних силовых факторов конструкции.

С использованием динамической модели основания, предложенной Д.Д. Барканом и О.А. Савиновым, нами были сопоставлены численные результаты сейсмического расчета всех предлагаемых для строительства в сейсмических районах схем каркасов одноэтажных про-мзданий с учетом и без учета податливости основания, показавших существование резерва прочности конструкции за счет инерции упругого основания. Более того, удалось установить для рассмотренных схем стальных каркасов одноэтажных промзданий диапазоны значений периодов собственных колебаний основного тона, для них значительным является учет податливости упругого основания в процессе оценки напряженно-деформированного состояния конструкции.

Следует заметить, что при наличии рыхлых грунтов для жестких сооружений, где поперечные смещения от податливости основания соизмеримы со смещениями от деформаций самого сооружения, учет инерционных свойств грунтов позволяет спроектировать сооружение на сниженную величину сейсмического воздействия до 2-3 раз. Таким образом, принятая в действующих нормах России СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» дифференциация спектральной кривой динамиче-

ского коэффициента р и увеличение сейсмической нагрузки в 2 раза для рыхлых грунтов (Ш-й категории) по сравнению с обычными грунтами (И-й категории), за счет повышения сейсмичности площадки строительства, нуждается, в корректировке, путем проведения численных исследований расчетного характера с учетом конкретных динамических параметров конструкций

[4]. Заметим, что в случае горных районов, где грунт представляет собой скальные, породы и крупнообломочные маловлажные грунты из магматических парод, относящиеся к грунтам I-ой категории по сейсмическим свойствам. При этом, СП 14.13330.2014 предписывает снижать сейсмичность площадки строительства на 1 балл по сравнению с сейсмичностью района, т.е. уменьшать сейсмическую нагрузку в 2 раза

[5].

Применительно к стальным каркасам такая рекомендация, на наш взгляд, является преждевременной, т.к., с одной стороны, эффект инерции основания при этом будет незначительным, а с другой, - спектральный динамический коэффициент для стальной конструкции не может быть унифицирован с нормативным коэффициентом рь справедливым для железобетонной конструкции, вследствие различной величины логарифмического декремента затухания б. Если для стальной конструкции б ^ 0,1 ,

то для железобетонной конструкции б ю 0,3 , как его принимал проф. И. Л. Корчинский, являющийся создателем современной динамической теории сейсмостойкости [6].

На основе решения дифференциального уравнения колебания осциллятора нами получено выражение динамического коэффициента (3 при резонансе:

ЖбетаЗ --«п- , где б0

й

- логарифмический декремент затухания колебаний основания, который в среднем равен 0,1.

Отсюда видно, что для металлических конструкций р=9-10, в то время как для железобетонных конструкций (З1^ 6, что и было принято в качестве исходного значения при построении спектральных кривых динамических коэффициентов р^

Следовательно, динамический эффект сейсмического воздействия для стальных каркасов одноэтажных промышленных зданий, должен быть принят более высоким, чем железобетонных.

Нуждается в уточнении и коэффициент учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений по степени их ответственности.

По СП 14.13330.2014 для стальных каркасов без вертикальных связей между колоннами К=0,25, а при наличии этих связей К=0,22. т.е. сейсмическая нагрузка уменьшается в 4-4.5 раза, при этом допускаются остаточные деформации и повреждения при обеспечении безопасности людей и сохранности оборудования [7]. Насколько это соответствует действитель-ности-трудно оценить.

Таким образом существующий метод расчета стальных рам на сейсмическое воздействие представляется весьма условным и несовершенным, несмотря на 100-летний период своего развития.

Таким образом, в настоящее время нет универсальной и достоверной нормативной базы. Работу конструкции на сейсмическое воздействие следует обеспечивать, прежде всего, конструктивными примерами, нашедшими достаточно четкое обоснование и проверку.

Попытаемся сформулировать основные требования по проектированию стальных каркасов в сейсмических районах:

- компоновку промышленного здания целесообразно реализовывать прямоугольной формой в плане, с симметрично расставленными пролетами без перепадов высот в смежных пролетах;

- антисейсмические швы необходимо выполнять на одном общем фундаменте и парных колоннах;

-следует добиваться снижения массы покрытия в целом и обеспечения его пространственной работы ;

- целесообразно увеличивать пространственную жесткость каркаса и устойчивость покрытия в общем с помощью обеспечения промежуточной связевой фермы;

-необходимо, чтобы все соединения конструкции обеспечивали плавный ход усилий без резких перемен траекторий и без зон, в которых будет концентрироваться напряжение [8];

-следует обеспечить выполнение максимально жесткого соединения ригеля с колоннами в узлах;

-если есть жесткие рамные узлы в оголовках колонн следует заменить защемленные в фундаментах базы на шарнирные прикрепления колонн с установкой упругих фиксаторов горизонтального направления;

-вертикальные связи между колоннами, как элементы, наиболее подверженные сейсмическим воздействиям, особенно при высокой сейсмичности, следует исключить и принять

-вариант рамного каркаса как в поперечном, так и в продольном направлении;

-следует организовать надежное крепление конструкции в местах опирания и в узлах с обязательной установкой амортизационных прокладок;

- если будут использоваться навесные стеновые панелей в уровне опирания на опорные столики колонн, необходимо предусмотреть горизонтальные антисейсмические швы, которые будут заполняться упругими прокладками;

- при строительстве сооружений и зданий в сейсмически неустойчивых районах следу использовать сваи специальных конструкций, а именно: корневидные сваи, которые обладают высокой несущей способностью, в 5-6 раз превышающей несущую способность эталона при условии статических нагрузок и в 3 раза - если есть динамические нагрузки [9];

-наряду с пассивными методами для стальных каркасов промзданий следует предусматривать ряд активных специальных методов сейс-мозащиты. В их состав входят: конструкции фундаментов с подвесными опорами, которые широко применяются в Мексике и Японии; конструкции с катковыми опорами, распространенные в России, Чили и ряде других стран; конструкции с односторонними выключающимися и включающимися связями, а также многие другие — с демпферами между опорной частью и фундаментом здания в виде скользящего пояса в фундаменте с повышенными диссипативными свойствами; сейсмоизолирующие резиносталь-ные цилиндрические опоры, снижающие до 7 раз сейсмическое воздействие на каркас здания [10,11].

Конструктивные мероприятия по сейсмозащите стальных каркасов малоэтажных промышленных зданий, которые представлены и обобщены в процессе исследования, могут найти свое широкое применение в реальных условиях строительства.

Литература

1. Seismic isolation strategies for earthquake-resistant construction: emerging opportunities / by Mikayel Melkumyan. Newcastle upon Tyne, UK: Cambridge Scholars Publishing, 2019. - 260 р.

2. Воробьева К. В., Сорокина Г.В., Фрезе М.В., Смирнова Л. Н., Ван Хайбинь, Чанг Юань, Гуан Юхай. Расчет металлических пролетных строений мостов на сейсмическую нагрузку // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений - журнал. 2016 №4. С.26-32. https://elibrary.ru/item.asp?id=26463867

3. Sustainable construction and building materials: select proceedings of ICSCBM 2018 / edited by Bibhuti Bhusan Das, Narayanan Neithalath. Singapore: Springer. 2019. - 278 р.

4. Попова О.Г., Макеев В.М., Попов М.Г., Ара-келян Ф.О., Недядько В.В. Оценка геодинамики платформенных территорий по результатам сейсмо-экологического мониторинга // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. - 2018. - №4. - С. 40-52.

х х О го А С.

X

го m

о

ю 4

M О

to

О)

о

сч

OI

5. Абашин В.С. Повышение сейсмостойкости зданий при реконструкции // Студенческий. -

2018. - №21-1(41). - С. 5-7.

6. Гурьев В.В., Дорофеев В.М. Нормативная база сейсмостойкого строительства // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. - 2018. - №6(37). - С. 17-19.

7. Львович К.И., Абелев М.Ю. Современное и доступное жилье в сложных грунтовых условиях и сейсмических районах // Стандарты и качество. - 2018. - №12. - С. 84-87.

8. Alfred Steinle Precast concrete structures / Alfred Steinle, Hubert Bachmann, Mathias Tillmann; translated by Philip Thrift. Berlin: Ernst & Sohn,

2019. - 272 р

9. Design of steel structures for building in seismicareas: Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance. Part 1, General design of steel structures for buildings / Rafaelle Landolfo, Federico Mazzolani, Dan Dubina, Luis Simoes da Silva. Berlin: Ernst & Sohn, 2018. - 398 р.

10. Сорокин А. Г., Добрынина А. А. Сравнительный анализ сейсмических и инфразвуковых сигналов при импульсных событиях и землетрясениях // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Науки о Земле -журнал. 2017. Т. 20. С. 106-116. http://izvestia_geo.isu.ru/ru/index.html

11. LópezLLópez, Andrés T.; Tomás, Antonio; SánchezL Olivares, Gregorio Behaviour of reinforced concrete rectangular sections based on tests complying with seismic construction requirements // Structural concrete: journal of the FIB. - 2016. - №4. - Р. 656-667.

О ш m x

Analysis of the design of steel constructions of low-rise products in the conditions of seismics

Olfati Rahmanuddin Sadruddin

National Research Moscow State University of Civil Engineering

This article discusses the design principles of seismic resistant steel frames of industrial buildings. Particular attention is paid to the causes of damage to steel cages under the influence of seismic loads, as well as the requirements that must be observed when designing steel cages in seismically active regions. Studied the most suitable materials that can be used to strengthen the steel frame, due to its proper work on the resulting seismic loads. An analysis of the loads, which are calculated according to the standard. Criticism of the normative documents used, namely the formulas and coefficients used, as well as the proposal of alternative solutions. Study of the effect of soil on the strength characteristics of the steel frame under seismic load. Indicated promising design solutions for steel frames, in the event of earthquakes. The experience of designing seismic resistant structures abroad has been studied. Analysis of materials of past accidents in Russia and other countries of the world. The study of the influence of natural vibrations and forms of construction on the flexibility of the grounds.

Key words: seismic resistance, steel frames, low-rise buildings

References

1. Seismic isolation strategies for earthquake-resistant construction: emerging opportunities / by Mikayel Melkumyan. Newcastle upon Tyne, UK: Cambridge Scholars Publishing, 2019. - 260 p.

2. Vorobieva K.V., Sorokina G.V., Frese M.V., Smirnova L.N.,

Wang Haibin, Chang Yuan, Guan Yuhai. Calculation of metal bridge span structures for seismic load // Seismic construction. Safety of buildings - a magazine. 2016 №4. C.26-32. https://elibrary.ru/item.asp?id=26463867

3. Sustainable construction and building materials: select ICSCBM 2018 / edited by Bhushuti Bhusan Das, Narayanan Neithalath. Singapore: Springer. 2019. - 278 p.

4. Popova OG, Makeev V.M., Popov MG, Arakelyan F.O., Nedyadko V.V. Estimation of geodynamics of platform areas based on the results of seismic-ecological monitoring. Engineering geology, hydrogeology, geocryology. - 2018. -№4. - pp. 40-52.

5. Abashin V.S. Improving the seismic resistance of buildings during

reconstruction // Student. - 2018. - №21-1 (41). - p. 5-7.

6. Guryev V.V., Dorofeev V.M. Normative base of seismic resistant construction // Natural and man-made risks. Safety of buildings. - 2018. - №6 (37). - p. 17-19.

7. Lvovich KI, Abelev M.Yu. Modern and affordable housing in

difficult ground conditions and seismic areas // Standards and Quality. - 2018. - №12. - p. 84-87.

8. Alfred Steinle Precast Concrete Structures / Alfred Steinle,

Hubert Bachmann, Mathias Tillmann; translated by Philip Thrift. Berlin: Ernst & Sohn, 2019. - 272 p

9. Design of steel structures for building in seismicareas: Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance. Part 1, Rafaelle Landolfo, Federico Mazzolani, Dan Dubina, Luis Simoes da Silva. Berlin: Ernst & Sohn, 2018. - 398 r.

10. Sorokin A.G., Dobrynina A.A. Comparative analysis of seismic and infrasound signals during pulsed events and earthquakes // Izvestia Irkutsk State University. Series: Earth Sciences - Journal. 2017. V. 20. S. 106-116. http://izvestia_geo.isu.ru/ru/index.html

11. López López, Andrés T .; Tomás, Antonio; Sznchez-Olivares, Gregorio Behavior of FIB. - 2016. - №4. - P. 656-667.

<

m о x

X