ПРОЕКТИРОВАНИЕСОВРЕМЕННЫХ ВЫСОТНЫХ здонийСюй Пэйфу
Фу Сюеи
Ван Цуйкунь
Сяо ЦунчжэньИздательство АСВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СОВРЕМЕННЫХ
ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙпод редакцией Сюй ПэйфуИздательство Ассоциации строительных вузов
2008Москва
ВведениеВ последние десятилетия появляется много высотных зданий со сложными не¬
симметричными формами. Для удовлетворения требованиям универсальности и архи¬
тектурной выразительности разрабатываются новые проектные решения. При проекти¬
ровании таких конструкций особое внимание следует уделять вопросам сейсмостойко¬
сти здания. На основе долгих исследований высотных зданий со сложной конструктив¬
ной схемой, исходя из опыта строительства объектов, авторы написали эту книгу,
представляющую фактическую ценность. Книга содержит много важных сведений,
необходимых при проектировании конструкций высотных зданий.В этой книге приведены важные понятия, нормы и методы проектирования вы¬
сотных зданий со сложной конструктивной схемой, подробно рассказано о теорети¬
ческих исследованиях объектов и опыте, полученном при сейсмических воздействиях
согласно «Технической инструкции по проектированию конструкций высотных зда¬
ний» (JGJ 3-2002). Для самых сложных высотных зданий выдвинуты новые принци¬
пы проектирования и даны практические рекомендации по проектированию, осно¬
ванные на новых экспериментальных исследованиях и опыте построенных объектов,
не отраженные в действующих нормах. Вопросы, возникающие при проектировании
высотных зданий со сложной конструктивной схемой, наиболее подробно рассмотре¬
ны в этой книге.Книга содержит 12 глав. В 1-6 главах изучается теория проектирования слож¬
ных высотных зданий, включая конструктивные системы, устойчивость, жесткость и
прочность конструкций, ветровые колебания и колебания перекрытий, сейсмостой¬
кость, длительную прочность, прогрессирующее обрушение, фундаменты зданий при
сейсмических воздействиях, температурные деформации, неравномерные осадки зда¬
ний, анализ расчета конструкций и т.д. В 7-11 главах изучается проектирование пяти
типов сейсмостойких высотных зданий, включая несимметричные в плане здания;
здания с различными конструкциями переходных этажей; здания, соединенные гори¬
зонтальными связями-галереями; здания с подвесными и консольными этажами. В
12-й главе изучаются стальные и железобетонные сейсмостойкие конструкции вы¬
сотных зданий.Основное содержание этой книги построено на двух важных исследовательских
работах. Первая работа «Исследование и применение сложных конструкций высотных
зданий» была выполнена министерством строительства в 1997-2003 годах. Эта работа
в 2004 году была удостоена первой национальной награды в области строительных
научных технологий. Вторая работа была выполнена в 1982-1986 годах. В ней изуча¬
лись два объекта каркасно-диафрагменной конструкции. Она была удостоена нацио¬
нальной награды второй степени государственно-технического прогресса, награды 1-й
степени Пекинского технического прогресса, награды 1-й степени в области техниче¬
ского прогресса в строительстве. Главный научный руководитель этих двух работ Сюй
Пэйфу, главные исполнители первой работы Фу Сюеи, Ван Цуйкунь, Сяо Цунчжэнь.
Автор благодарит за помощь Хаю Жуйкунь, Чжа ю Нин, Гу Лэй, Чэнь Чжаюху, У Бин,
Лю Чжу, Сюй Цзигоу, Лю Фэн.3
Глава 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОТНЫХ
ЗДАНИЙ
1.1.	Исторические этапы развития конструкций
высотных зданийКонструктивные системы высотных зданий и развитие их этажности тесно
связываются с развитием экономики и научной технологии. В древние времена
строили многоэтажные здания для защиты от нападения. Потом развивается
строительство религиозных зданий, храмов из дерева, кирпича и камня, конст¬
рукции которых были громоздкими, внутреннее пространство маленьким.
Строительство высотных зданий новой эпохи началось в 80-е годы XIX века. В
то время большая часть зданий строилась для бизнеса и жилья. Развитие вы¬
сотных зданий новой эпохи включает три этапа: первый этап - с 80-х годов
XIX века до начала 30-х годов XX века. Из-за экономической депрессии 30-х
годов XX века строительство высотных зданий прекратилось до окончания
Второй мировой войны. Второй этап - с 60-х до 80-х годов XX века. Третий
этап - с 90-х годов XX века до начала XXI века.1.1.1.	80-е годы XIX — начало 30-х годов XX векаИндустриализация XIX века вызвала скачок мировой экономики. В Амери¬
ке развивающимся городам требовались все новые площади под застройку, что
стимулировало строительство высотных зданий. Однако до 80-х годов кованое
железо и сталь еще не применялись в строительстве. Медленно развивалось лиф¬
товое оборудование. Поэтому развитие высотных зданий приостановилось. В
конце 80-х годов ХЕХ века начался новый рост строительства высотных зданий.Развитие конструктивных систем из сталиПрименение стали совершенствовало конструкции легких каркасов, спо¬
собствовало увеличению высоты зданий и их внутреннего объема, однако при
строительстве зданий с металлическим каркасом все еще применялись наруж¬
ные стены из самонесущих камней и кирпичей. Первое многоэтажное здание
полностью с металлическим несущим каркасом - это 11-этажное здание City
live, построенное в 1883 году в Чикаго. Первое многоэтажное здание со сталь¬
ным каркасом - 10-этажное здание Rand-McNall, построенное в 1889 году. Че¬
рез два года построено здание Mascnic, в котором использовался каркас виде
вертикальной фермы с раскосами. Главное - в этом здании учтено влияние вет¬
ровой нагрузки по высоте здания, что улучшило способ проектирования и тех¬
нологию строительства самого высокого здания со стальным каркасом того
времени. В 1905 году построено 50-этажное здание Metropolitan. Высота офис¬
ного здания City live в Нью-Йорке 213 м, здание Woolworth (60 этажей), по¬
строенное в 1913 году в Нью-Йорке, было высотой 242 м. С 1913 по 1929 год в
США построены девять высотных зданий с применением стальных конструк¬
ций, высота которых превышала 200 м, в том числе здание «Империя» в Нью-4
Йорке со стальным каркасом и раскосами. В нем было 102 этажа, и высота его
составляла 381м, это здание называли царем зданий.Появление железобетонных конструкций и их развитие
Железобетонные конструкции появились в XIX веке. Однако развитие их
происходило медленно и с перерывами. Самым первым высотных зданием из
железобетона считается 16-этажное здание Ingal в Цинциннати (США). До
1931 года самым высоким зданием из железобетона было 23-этажное здание
Exchange в Сити (США). Его конструктивная система была подобна изложен¬
ной выше стальной конструктивной системе.Высотные здания из кирпича и камня
В конце XIX века на быстро развивающемся юге Америки было построено
много высотных зданий из данного материала. Самое высокое здание
Monadnok построено 1891 году в Чикаго. Толщина стен в нижней части здания
была больше двух метров, что занимало большую часть площади здания. Это
было последнее из высотных зданий в городах Америки, в котором были ог¬
ромные несущие стены из кирпича и камней.1.1.2.	60-е — 80-е годы XX векаЭкономическая депрессия 30-х годов XX века закончила эпоху огромных
небоскребов. После Второй мировой войны, через несколько лет, постройка
высотных зданий получила новое развитие и привнесла новые формы в строи¬
тельство и конструирование. На этот раз не только увеличилась высота, но сде¬
лан большой прогресс в других областях, включая новые конструктивные сис¬
темы, улучшение качества материалов и технологии строительства.Применение стальных конструкций
В области конструкций появилось много новых конструктивных систем,
что послужило скачком в развитии строительства высотных зданий. В 60-80-е
годы XX века применение стальных конструкций в многоэтажном строительстве
стало шире. Построено 46 зданий из таких конструкций высотой больше 200 м.В 1969 году в Чикаго (США) построено здание John Hancock Center высотой
344 м, которое имело 100 этажей. Оно выполнено из трубчатых элементов с
внешней рамой и раскосами. В 1973-м в Нью-Йорке построены здания Всемир¬
ного торгового центра (здания-близнецы), исполненные из рамной трубчатой
конструкции с упругими амортизаторами. Высота - 412 м, 110 этажей. 11 сен¬
тября 2001 года эти здания были разрушены в ходе теракта. В 1974 году в Чикаго
построено здание Sears высотой - 442 м. Оно выполнено из трубчатых элемен¬
тов, поэтому расход стали на 20% меньше, чем в здании «Империя», построен¬
ном в 1931 году.Железобетонные конструкции зданий
После Второй мировой войны начали быстро развиваться многоэтажные
железобетонные конструктивные системы. Многие страны использовали желе¬
зобетонные конструкции, расходующие мало стали. Они были дешевые, мате¬
риалы легкодоступные и возведение простое. Железобетон использовался осо¬5
бенно в стенах с поперечной перерезывающей силой. Поэтому многоэтажные
конструкции из железобетона быстро развивались. Друг за другом появлялись
рамная конструкция стен, рамно-трубчатая конструкция стен, конструкция
труба в трубе, воспринимающие поперечную перерезывающую силу. Степень
напряженности бетона и стали повышалась непрерывно с увеличением высоты
здания. Многоэтажные здания из железобетона позволяли реализовать все мно¬
гообразие архитектурных форм. На этом этапе построено всего 13 зданий из
железобетонных конструкций, высота которых превышает 200 м. Самое высо¬
кое здание водонапорной башни имеет 74 этажа, 262 м.Появление сталежелезобетонных конструкцийСталежелезобетонная конструкция - это составная конструкция, новый вид
железобетонной конструкции. Составная форма этих элементов многообразна,
поэтому можно применять разные конструктивные системы. С помощью этих
конструкций можно эффективно развивать преимущество стальных, сталебе¬
тонных и сталежелезобетонных элементов. Очевидно, увеличивается жесткость
таких конструкций по сравнению со стальными, уменьшается расход стали и
снижается себестоимость. По сравнению с железобетонной конструкцией мож¬
но уменьшить собственный вес, ускорить строительство, уменьшить площадь
конструкции.Конечно, у этой конструкции есть свои недостатки. Например, параметры
прочности и пластичности железобетонных элементов хуже, чем у стальных
конструкций. Требуется значительное количество исследований конструкций, в
которых совмещены эти два элемента.Поэтому сталежелезобетонная конструкция (далее - смешанная конструк¬
ция) имеет очевидное преимущество. Такие конструкции быстро развивались в
70-80-е годы XX века. В этот период построено 18 зданий высотой более 200 м, в
основном в несейсмической или области низкой сейсмичности. В том числе са¬
мое высокое здание «Среднее серебро» в Гонконге высотой 70 этажей (369 м).1.13.90-е годы XX века — начало XXI векаС 90-х годов XX века до начала XXI века в развитии высотных зданий
произошли два изменения. Первое — скорость развития конструкций высот¬
ных зданий из железобетонных и смешанных конструкций обгоняет скорость
развития высотных стальных зданий. Второе — развитие высотных зданий по¬
лучило новый рост в Азии и Китае. Азия является основным районом строи¬
тельства высотных зданий.Скорость развития высотных конструкций из железобетона и
смешанных конструкций обгоняет развитие высотных стальныхконструкцийИстория развития зданий с высотой выше 200 м с начала XX до начала
XXI века показана на рис. 1.1.1. Основные данные графиков взяты из статисти¬
ческой таблицы 100 самых высоких зданий в мире, которую опубликовала Ме¬
ждународная комиссия высотных зданий и городского жилища в 1986, 1995 и6
2002 годах. Проблематично сделать эту статистику более полной. Особенно
мало статистической информации для высот 206 м, 226 м, 336 м. Немало вы¬
сотных зданий с высотой 200-236 м пропущено. На этом графике можно по¬
следить тенденции развития высотных зданий и сделать вывод, что до начала
30-х годов XX века здания при высоте больше 200 м полностью выполнены из
стальных конструкций. 70-е годы XX века ознаменованы бурным развитием
высотных стальных конструкций, с начала 80-х годов XX века началось бы¬
строе развитие высотных зданий со смешанными и железобетонными конст¬
рукциями. В 90-е годы XX — начало XXI века скорость их развития уже пре¬
вышала стальные конструкции. Особенно наиболее динамично развиваются
смешанные конструкции.Рис. 1.1.1. Состояние строительства высотных зданий:S - стальные конструкции (х); С - железобетонные конструкции (•); М - сталежелезобетонныесмешанные конструкции (А)7
В 1996 году, в городе Гуанчжоу (Китай) построено 80-ти этажное здание
«Чжунсинь» высотой 391 м. Это самая высокая железобетонная конструкция. В
1998 году в Куале-Лумпуре (Малайзия) построено офисное здание нефтяной
компании в 88 этажей, 452 м, и в 2003 году в городе Тайбэй построен междуна¬
родный финансовый центр — 101 этаж, 455 м. Эти два здания выполнены из
смешанных конструкций. Их высота превышала высоту здания Sears в Чикаго -
самого высокого здания из стальных конструкций. Сейчас проектируется сме¬
шанная конструкция - Шанхайский глобальный финансовый центр, его высота -
492 м. В 90-х годах XX — начало XXI века скорость развития высоты и коли¬
чества этажей зданий со стальными конструкциями уменьшилась. В этот пери¬
од самое высокое здание — в Гонконге, центр «Среднее кольцо», 79 этажей,
350 м. Одно из самых больших преимуществ смешанной конструкции - эффек¬
тивное объединение стальных элементов с элементами из бетона и железобето¬
на. В последние десять лет в смешанных конструкциях использовалась система
гигантских конструкций, то есть эффективное объединение железобетонного
столба и конструкции из профильной стали, трубобетона, гигантской стальной
фермы, гигантской внешней трубы со стальной опорой. Эти новые системы
конструкций могут использоваться не только в несейсмических, но и в сейсми¬
ческих областях. Смешанные конструкции доказали свое преимущество в эко¬
номии материалов, безопасности, долговечности и устойчивости. Можно пред¬
сказать, что смешанные конструкции будут непрерывно и быстро развиваться.Развитие высотных зданий в Азии и Китае привлекает
внимание людейВ 2006 году Международная комиссия высотных зданий и городского жи¬
лища (CTBUH) опубликовала список 100 самых высоких зданий в мире
(табл. 1.1.1): 48 зданий в Америке, 44 здания в Азии, в том числе в Китае — 24
здания, в Гонконге — 5 и Тайване — 2. Из десяти первых самых высоких зда¬
ний восемь построены в Азии (Китай, Малайзия и Объединенные Арабские
Эмираты) в 1989-1999 годах. В Америке два здания построены в 1931 и 1974
годах. Очевидно, Азия и Китай стали основным районом строительства высот¬
ных зданий. Такая тенденция может продолжаться много лет. В 2003 году Ме¬
ждународный центр в Тайбэе побил рекорд самого высокого здания. В Гонкон¬
ге в 2003 году построен Международный финансовый центр — 88 этажей, 412 м.Таблица 1.1.1100 самых высоких зданий в мире№НаименованиеГородГодзавер¬шенияЭтаж¬ностьВысота(м)Мате¬риалФункция123456781Petronas Tower 1Куала-Лумпур199888452Ммногофункц.2Petronas Tower 2Куала-Лумпур199888452Ммногофункц.8
Продолжение табл. 1.1.1123456783Sears TowerЧикаго1974110442Sофис4Jinmao BuildingШанхай199988421ммногофункц.5Citic PlazaГ уанчжоу199680391смногофункц.6Shun Hing SquareШэньчжэнь199669384мофис7Empire State BuildingНью-Йорк1931102381Sофис8Central PlazaГонконг199278375софис9Bank of ChinaГонконг198970369мофис10Emirates Tower OneДибай199955355ммногофункц.11The CenterГонконг199879350Sофис12T&C towerТэйбэй199785348Sмногофункц.13Aon CenterЧикаго197380346Sофис14John Hancock CenterЧикаго1969100344Sмногофункц.15Burj al Arab HotelДубай199960321мгостиница16Chrysler BuildingНью-Йорк193077319Sофис17Bank of America PlazaАтланта199355312ммногофункц.18Libray TowerЛос-Анжелес199075310мофис19Telekom Malaysia
HeadquartresКуала-Лумпур199955310офис20Emirates Tower TwoДубай200056309сгостиница21AT&T Corporate CenterЧикаго198960307мофис22JP morgan Chase TowerХьюстон198275305мофис23Baiyoke Tower IIБангкок199785304сгостиница24Two Prudendial PlazaЧикаго199064303софис25Pyongyang HotelПхеньян1995105300сгостиница26Commerzbank TowerФранкфурт-на-Майне199763299мофис27First Canadian PlaceТоронто197572298Sофис28Kingdom CenterРийяд200172296софис29Wells Fargo PlazaХьюстон198371296Sофис30Landmark TowerЙокогама199370296Sмногофункц.31Bank of America CenterСиэтл198476295мофис32311 South Wacker DriveЧикаго199065293софис33SEG PlazaШэньчжэнь200072292ммногофункц.34America International
BuildingНью-Йорк193267290Sофис35Cheung Kong CenterГ онконг199970290Sофис36Key TowerКливленд199157289мофис37One Liverty PlaceФиладельфия198761288Sофис38Sunjoy Tomorrow SquareШанхай199959285смногофункц.39The Trump BuildingНью-Йорк193072283Sофис40Plaza 66Шанхай200162281смногофункц.9
Продолжение табл. 1.1.11234567841Bank of America PlazaДаллас198572281Мофис42Overseas Union Bank
CentreСингапур198666280Sофис43United Overseas Bank
PlazaСингапур199266280Sофис44Republic PlazaСингапур199566280мофис45Citicorp CenterНью-Йорк197759279Sмногофункц.46Scotia PlazaТоронто198968275мофис47Williams TowerХьюстон198364275Sофис48Renaissance TowerДаллас197556270Sофис49Trump World TowerНью-Йорк200172269сжилой дом50A1 Faisaliah CentreРийяд200030267ммногофункц.51900North Michigan
AvenueЧикаго198966265ммногофункц.52Nationsbank Corporate
CenterШарлотт199260265софис53Sun Trust PlazaАтланта199260265софис54HongKong New World
BuildingШанхай2001^58265Sмногофункц.55Shenzhen Special Zone
Daily TowerШэньчжэнь199842264софис56BCE Place-Canada Trust
TowerТоронто199051263мофис57Water Tower PlaceЧикаго197674262смногофункц.58Aon CenterЛос-Анжелес197462262Sофис59Transamerica PyramidСан-Франциско197248260мофис60GE Building, Rockefeller
CentreНью-Йорк193370259Sофис61Bank One PlazaЧикаго196960259Sофис62Two Liberty PlcaeФиладельфия199058258Sофис63Park TowerЧикаго200067257смногофункц.64MessetrmФранкфурт-на-Майне199070257софис65USX TowerПитсбург197064256Sофис66Rinku Gate TowerОсака199656256многофункц.67Capital TowerСингапур200052254офис68Osaka World Trade
CenterОсака199555252Sофис69Rialto TowerМельбурн198563251софис70One Atlantic CenterАтланта198750250мофис71BNI City TowerДжакарта199546250софис10
Окончание табл. 1.1.11234567872Korea Life Insurance
CompanyСеул198560249Sофис73CitySpireНью-Йорк198975248Смногофункц.74One Chase Manhattan
PlazaНью-Йорк196160248Sофис75Bank One TowerИндианаполис198948247Sофис76Royal Charoen Krung
TowerБангкок200168247офис77Conde Nast BuildingНью-Йорк199948247Sофис78MetLifeНью-Йорк196359246Sофис79Central TowersНагоя200051245многофункц.80Shin Kong Life TowerТайбэй199351244мофис81Malayan BankКуала-Лумпур198850244софис82Tokyo Metropolitan
GovernmentТокио199148243мофис83City Gate TowerРамат Г ан200167242многофункц.84Dalian World Trade
CenterДа лень200055242мофис85Woolworth BuildingНью-Йорк191357241Sофис86Mellon Bank CenterФиладельфия199154241мофис87Bank of China MansionЦиндао199954241софис88Philippine Bank of
CommunicationsМанила200052241софис89John Hancock TowerБостон197660240Sофис90Manulife PlaxaГ онконг199852240офис91DoCoMo Yoyogi
BuildingТокио200033240офис92Bank One CenterДаллас198760240мофис93Canadian Imperial Bank
of CommerceТоронто197357239мофис94Moscow State UniversityМосква195326239Sмногофункц.95Empire TowerКуала-Лумпур199462238мофис96Bank of America CenterХьюстон198456238Sофис97Bank of America CenterСан-Франциско196952237Sофис98Worldwide PlazaНью-Йорк198947237Sофис99First Bank PlaceМиннеаполис199258236мофис100IDS CenterМиннеаполис197357236ммногофункц.В графе «Материал» введены следующие условные обозначения: S -
стальные конструкции (х); С - железобетонные конструкции (•); М - сталебе¬
тонные смешанные конструкции (±)11
1.2. Сложные конструктивные схемы высотных зданийСовременные высотные здания появились в 80-е годы XX века и получили
дальнейшее развитие в новом, XXI веке. Для придания им универсальности и
архитектурной выразительности разрабатываются проектные решения, отли¬
чающиеся сложностью форм и гибкостью объемно-планировочных решений.
Отдельные решения предполагают отсутствие симметрии в конструктивной
схеме здания, что вызывает дополнительные сложности при проектировании
объектов. Накопленный опыт 20-летней практики исследования и строительст¬
ва высотных зданий позволяет реализовать сложные конструктивные схемы,
основанные на передовых идеях проектирования. Однако, контроль за сейсми¬
ческой безопасностью не всегда достаточен. Поэтому строительство зданий со
сложными несимметричными конструктивными системами в сейсмически
опасных районах ограничивается, а также ограничивается их высота. Концеп¬
ции, нормы и методы проектирования конструкций высотных зданий со слож¬
ной схемой изложены в Технической инструкции по проектированию конст¬
рукций высотных зданий (JGJ 3-2002), где отражены варианты сложных схем
различного очертания на основе металлических и сталебетонных конструкций.1.2.1.	Здания с переходными этажамиМногоэтажные здания в вертикальном направлении разделяются на ряд
функциональных частей. На нижних этажах располагается холл, торговые и
офисные помещения. Верхние этажи используются как жилые помещения. При
этом функциональные зоны должны быть связаны вертикальными коммуника¬
циями. На рис. 1.2.1 показаны некоторые схемы зданий с «переходными эта¬
жами». Такие здания относятся к типу несимметричных систем с переменной
жесткостью. Геометрическую неизменяемость схемы обеспечивают сплошные
стены-диафрагмы или цилиндрическое ядро жесткости, как показано на
рис. 1.2.1 (а), ОЬ), (с), (d), (е), (/).12Рис. 1.2.1. Схемы зданий с «переходными этажами»
1.2.2. Конструкции галерейных переходовСоединения между двумя или несколькими высотными зданиями должны
удовлетворять следующим требованиям. Пролет соединительных конструкций
не должен превышать 100 м, в вертикальном направлении устраивается одно
или несколько жестких соединений. Примеры таких конструкций показаны на
рис. 1.2.2. Переменная жесткость в соединительных конструкциях ведет к не¬
благоприятному эффекту для конструктивной схемы высотного здания.Рис. 1.2.2. Схемы зданий с галерейными переходами1.2.3. Конструктивные схемы башенного типа с консольнымиконструкциямиСогласно классификации выделяют здания башенного типа и здания с кон¬
сольными этажами. Строительство последних не так развито. Такие сложные
конструктивные схемы имеют переменную жесткость. Преимущество консоль¬
ных конструкций заключается в том, что они выдерживают влияние вертикаль¬
ных сейсмических воздействий. На рис. 1.2.3 показано несколько конструктив¬
ных схем башенного типа с консольными конструкциями.Рис. 1.2.3. Конструктивные схемы зданий башенного типа и зданий с
консольными конструкциями13
1.2.4. Конструктивные схемы с консольными этажамиВ каркасах многоэтажных зданий с цилиндрическими ядрами жесткости
или в конструкциях внешних каркасов необходимо устанавливать консольные
этажи с целью повышения горизонтальной жесткости здания. Такие схемы
применяют при сильных воздействиях ветра, однако сейсмостойкость конст¬
рукций при этом снижается. При проектировании определяют количество кон¬
сольных этажей, форму и жесткость консолей, а также особенности конструк¬
ций ферм. На рис. 1.2.4 показаны некоторые конструктивные схемы зданий с
консольными этажами.Рис. 1.2.4. Конструктивные схемы зданий с консольными этажами1.2.5.	Несимметричные конструктивные схемыНесимметричные конструктивные схемы разделяют на три типа:-	с несимметричными планами;-	с несимметричным расположением контрфорсов;-	податливое соединение перекрытий.Такие конструктивные схемы не следует использовать при строительстве в
сейсмоопасных районах. Конструкции имеют нелинейные деформации и могут
не выдержать большой нагрузки. На рис. 1.2.5 показаны некоторые несиммет¬
ричные конструктивные схемы.14КрупныеколонныКрупныеконсольныефермыКонсоль¬
ные балкиКонсоль¬
ные поясаКонсоль¬
ные фермы
Рис. 1.2.5. Здания с несимметричными конструктивными схемами1.2.6.	Другие виды конструкцийПомимо перечисленных существуют и другие сложные конструкции. На¬
пример, конструкции с разноуровневыми этажами, многобашенные конструк¬
ции с одним основанием. Такие сложные конструкции в этой книге подробно
не рассмотрены. На рис. 1.2.6 показаны некоторые примеры подобных конст¬
рукций.Рис. 1.2.6. Примеры сложных конструкций
1.2.7. ПримерыОсобенности конструкций сложных высотных зданий рассмотрим на при¬
мере 18-ти высотных зданий, представленных на рис. 1.2.7-1.2.27.15Внутренний ствол
/ каркасаВнешний ствол
с раскосвенными
опорамиСделать отверстия
на перекрытиях
Рис. 1.2.7. Гостиница Хуа Чао (Шэньчжэнь):
а - план нижнего этажа; Ъ - план типового этажа; с - разрез16Рис. 1.2.8. Восточная дверь (Сучжон)Переходныйэтаж
Рис. 1.2.9. Разрез транспортного банка (Шанхай):1 - усиленный этаж конструкции; 2 - соединительная ферма17вноьэд HiooHhodu 4H98od^Толщина внешнего ствола
Рис. 1.2.10. Схема расположения конструкций Шанхайского транспортного банка:1 - ядро в качестве внешнего каркаса; 2 - сплошное ядро на торце (толщина стен 300);3 - внутренняя поперечная стена (толщина стен выше 14-го этажа 600, ниже - 500);4 - внутренняя поперечная стена (толщина стен 500); 5 - упор на плоскости18
Рис. 1.2.11. Китайский Данта-банк19
Рис. 1.2.12. Разрез китайского Данта-банка20
Рис. 1.2.13. Пекинский SOHO (современный город)Рис. 1.2.14. Торговый центр (Шин Ян)21
Рис. 1.2.15. Разрез торгового центра (Шин Ян)22
Рис. 1.2.16. Здание «МэньТянь» в Осаке23
Рис. 1.2.17. Офисное здание в Токио (24 этажа)24
Рис. 1.2.18. Здание Т&С (Гаохун):
а - разрез; b - расположение конструкцииРис. 1.2.19. Здание «Чаокуао» (Шэньчжэнь)25
Рис. 1.2.20. Современная площадка (надземная часть 27 этажей)Рис. 1.2.21. Здание Китайского банкаПлан служебного этажаЮжный фасад
27Рис. 1.2.22. Разрез здания «Чжоу Дэнь»
Рис. 1.2.23. Конструктивная система гостиницы ЯпонииРис. 1.2.24. Здание «Диа нин на» в г. Шэньчжэне28
Рис. 1.2.25. Электрическое здание в г. ЧэнДианеРис. 1.2.26. Здание с отверстиями29
Рис. 1.2.27. Здание «Ваньбао»30
Глава 2. НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙКонструкции высотных зданий должны обладать необходимой жесткостью
и прочностью, обеспечивающей безопасность здания на этапе строительства и
эксплуатации согласно действующим нормам проектирования. Прочность кон¬
струкций должна обеспечивать безопасность здания на основании общих норм
проектирования конструкций. Кроме этого в связи с особенностями высотного
здания должны выполняться еще два важных условия:-	при предельной нагрузке должна быть обеспечена безопасность здания
(как во время строительства, так и во время эксплуатации), в том числе при
сейсмических воздействиях. При расчете на устойчивость, необходимо учиты¬
вать зависимость «нагрузка-прогиб», силовые и температурные деформации, а
также меры по предупреждению обрушения здания;-	конструкции должны иметь необходимую жесткость, особенно жесткость
на сдвиг, для предотвращения образования трещин в бетоне, обеспечивать ком¬
фортность внутренней среды при сейсмических воздействиях.В этой главе рассматривается устойчивость, связь жесткости и комфортно¬
сти, а также вопросы конструктивной безопасности высотных зданий.2.1.	Устойчивость высотных зданий2.1.1.	Устойчивость элементов зданияПри воздействии предельных нагрузок и сочетаний различных воздействий
необходимо выполнять подробный анализ напряженного состояния (см. главу
5). В анализ следует включать уровень нагружения конструкции (запас прочно¬
сти), значения коэффициентов надежности по нагрузке и др.Чтобы исключить опасность обрушения здания при дефектах в элементах
конструкций, необходимо обратить внимание на определение предельных на¬
грузок для наиболее уязвимых элементов. Для каждого рассматриваемого слу¬
чая, например, силовые деформации, температурные воздействия, рассчиты¬
ваются дополнительные напряжения, учитывающие эти воздействия, которые
необходимо также включать в анализ конструкций при проектировании (см.
главу 4).В общем случае зависимость второго порядка нагрузки от перемещения
имеет две составляющие:1)	зависимость нагрузки и вертикальных перемещений в изгибаемых эле¬
ментах (зависимость Р-8). Внутренние напряжения зависят от формы изгибае¬
мых элементов, часто в центре конструкции они имеют наибольшие значения, а
по краям - минимальные или равные нулю;2)	под влиянием горизонтальных ветровых нагрузок и сейсмических воз¬
действий появляются горизонтальные перемещения, которые обусловливают
дополнительную зависимость от нагрузки (кривая P-А). Анализ и расчеты по-31
32называют, что для высотных зданий зависимость Р-д носит незначительный
характер, а горизонтальные перемещения и зависимость Р-А имеет большое
значение, т.к. увеличение внутренних усилий происходит, когда перемещения
ведут к большим деформациям элементов, что влечет за собой потерю устойчи¬
вости. Таким образом, следует при расчете устойчивости элементов здания уде¬
лять особое внимание зависимости Р-А.2.1.2.	Расчет устойчивости зданияПри увеличении высоты и ширины здания увеличиваются внутренний объ¬
ем и масса здания, а пространственная жесткость здания уменьшается. Поэтому
необходимо уделять особое внимание проблемам устойчивости многоэтажного
здания.Вероятность потери устойчивости относительно невысоких зданий очень
мала, так как критическое значение для несущих конструкций от вертикальных
нагрузок не достигается. При воздействиях ветровых и сейсмических нагрузок
появляются горизонтальные перемещения. Зависимость Р-Д от собственного
веса в этом случае приводит к увеличению внутренних усилий, а следователь¬
но, к потере устойчивости. Такая потеря устойчивости гораздо вероятнее и
больше, чем от вертикальных нагрузок при отсутствии горизонтальных смеще¬
ний. Поэтому проектирование конструкции многоэтажных зданий, главным
образом, ведут по устойчивости, а расчеты производят на потерю устойчивости
согласно зависимости Р-А от ветровых и сейсмических воздействий. Ниже бу¬
дут рассмотрены предельные нагрузки, зависимости Р-А от различных воздей¬
ствий и коэффициенты потери устойчивости, вводимые в расчет.Предельные нагрузки на конструкции высотных зданийВысотные здания при расчетах рассматриваются как стойки при отноше¬
нии высоты к ширине от 3-х до 8-ми. Существует три типа потери устойчиво¬
сти здания: сдвиговая, изгибная и изгибно-сдвиговая. При каркасной конструк¬
тивной системе обычно происходит сдвиговая потеря устойчивости; при па¬
нельной - изгибная; при каркасно-панельной и каркасной с цилиндрическим
ядром жесткости - изгибно-сдвиговая.•	Предельные нагрузки при сдвиговой потере устойчивостиОбычно сдвиговая потеря устойчивости представляет собой потерю устой¬
чивости целыми этажами. Это происходит из-за изгибных перемещений колонн
и ригелей. В приближенном расчете не учитываются деформации колонн и за¬
висимость для предельных нагрузок имеет следующий вид:fzG'yl = АЛ,	(2.1.1)W=i Jcr^ п Лгде X Gj ~ полная нагрузка от п этажей; G/ - нагрузка /-го этажа; Д - горн¬
ую Jcrзонтальная жесткость /-го этажа; А/ - высота /-го этажа.
•	Предельные нагрузки при поперечно-изгибаемой потере устойчи¬
востиКритическая сила для изгибаемой колонны (формула Эйлера):Pcr=n2Ej/4H2,	(2.1.2)где Рсг - критическая сила; EJ - изгибная жесткость колонны; Н - высота ко¬
лонны.(п }Упростим вычисления, заменив Рсг на	• Получено следующее вы-м=1 / сгражение для критической нагрузки:Яг=^£<ч) •	(2-1.3)Зависимости (2.1.3) и (2.1.2) примут следующий вид:(Н=^=7'4§- (2л-4)Для поперечно-изгибаемой колонны принимается приближенное решение.
Вводится в расчет изгибная жесткость EJd и известная зависимость для изги¬
баемой колонны, а также для поперечно-изгибаемой консоли примет вид:( п Л	EJаEG,- =7,4^f.	(2.1.5)V/=1 )cr	tiГлавные параметры зависимости P-А и потеря устойчивостиконструкцийФормулы определения горизонтального перемещения с учетом зависимо¬
сти Р- Д:-	для поперечно-изгибаемой конструкцииД'- , )(. \ А;1-SG,/ SG,-/=1 / \/=1 ) Сг-	для сдвигаемой конструкции	^-6,.	(2.1.7)П	( П	\1 -TGj ZGjу=/ / \ j=i JcrВ формулах (2.1.5)-(2.1.7):Д* - горизонтальное перемещение с учетом деформированной схемы (зави¬
симости Р- Д);Д - горизонтальное перемещение без учета деформированной схемы (зави¬
симости Р- Д);33
S' - сдвиговое перемещение i-этажа с учетом деформированной схемы (за¬
висимости Р- А);Si - сдвиговое перемещение г-этажа без учета деформированной схемы (за¬
висимости Р- А);П£ Gi - сумма постоянных нагрузок от каждого этажа;мп£ Gj - сумма постоянных нагрузок /-го и вышележащих этажей.нПодставляя (2.1.5) в (2.1.6) и (2.1.1) в (2.1.7) с учетом или без учета гори¬
зонтального перемещения и зависимости Р- А, получаем:-	для поперечно-изгибаемой конструкцииA' = t о!ш А’	<2Л-8>EJdlH2±Gi
/ i=i-	для конструкции, испытывающей сдвигs;=		S,.	(2.1.9)1	v~DihrLGj/ НПри действии горизонтальных нагрузок для приближенного вычисления
изгибающего момента At*, учитывающего деформированную схему, изгибаю¬
щего момента М, не учитывающего /-ое этажное перемещение (зависимость
Р- А), получим следующие формулы.Для поперечно-изгибаемой конструкции:*•-, о',135 М■	<2U0>EJd/H1±Gt/ /=1Для конструкции, испытывающей сдвиг:М* =			М.	(2.1.11)1—DhhLGj/ НИз формул (2.1.8)—(2.1.11) следует, что отношение изгибной и сдвиговойжесткости к постоянной нагрузке (EJd H2Y,Gi и AA7£G/) является глав-/ /=i	/ н34
ным параметром зависимости Р-Д. Для более удобного анализа по формулам
(2.1.8) и (2.1.9) построены диаграммы этих зависимостей (рис. 2.1.1 и 2.1.2 со¬
ответственно).Для поперечно-изгибаемой конструкции на рис. 2.1.1 показана кривая за¬
висимости отношения изгибной жесткости к постоянной нагрузке от относи¬
тельного горизонтального перемещения (ОГЖПН). Для сдвигаемой конструк¬
ции, на рис. 2.1.2 - кривая зависимости ОГЖПН от относительного сдвигового
перемещения. На обоих рисунках слева показана линия, параллельная оси у,которая является асимптотой гиперболы, EJdlH2'£iGi = 0,135 и ДА,/ = 1/ .=i	/ исоответственно. Эти кривые - приближенные выражения предельной нагрузки
на конструкцию.Рис. 2.1.1. Зависимость ОГЖПН от горизонтального перемещенияРис. 2.1.2. Зависимость ОГЖПН от относительного сдвигового перемещения35
Устойчивость зданияИз рисунка 2.1.1 и 2.1.2 видно, что чем меньше ОГЖПН, тем больше отно¬
сительные горизонтальные перемещения. Рассмотрим механизм измерения зна¬
чений ОГЖПН. Если рассматриваемая кривая Р-Д находится в пределах пере¬
мещений менее чем на 10-15%, то уменьшение ОГЖПН приводит к малому
увеличению кривой Р-Д. Если рассматриваемая кривая Р-Д находится в преде¬
лах перемещений больше 20%, то незначительное уменьшение ОГЖПН приво¬
дит к резкому возрастанию кривой Р-Д, что ведет за собой потерю устойчиво¬
сти конструкции. Следовательно, основой проектирования конструкции на ус¬
тойчивость является регулирование отношения горизонтальной жесткости к
постоянной нагрузке (ОГЖПН).На рис. 2.1.1 и 2.1.2 можно также видеть, что, когда ОГЖПН поперечно-
изгибаемой конструкции меньше 1,4 и ОГЖПН сдвигаемой конструкции мень¬
ше 10, кривая Р-Д резко увеличивается. Следовательно, проектирование таких
конструкций с такими параметрами нежелательно. Из вышесказанного следует,
что обеспечение устойчивости всего здания включает следующие условия:1.	Для панельной, каркасно-панельной, каркасной с цилиндрическим ядром же¬
сткости конструкций здания должно выполняться условие:EJd>l4H2£Gi.	(2.1.12), /=i2.	Для каркасной конструкции должны выполняться следующие условия:Д > 101 Gj/k , O' = 1, 2, ..., п).	(2.1.13)нЕсли конструкция отвечает условиям (2.1.12) или (2.1.13), то конструктив¬
ная безопасность здания из условия устойчивости будет обеспечена. Таким обра¬
зом, обычно регулируют кривую Р-Д, ограничивая ее в пределах 20%. Если
ОГЖПН конструкции еще уменьшить, то кривая Р-Д носит нелинейный харак¬
тер и резко увеличивается, это приведет к потери устойчивости всего здания.
Нужно отметить, что кроме выполнения предыдущих условий при проектирова¬
нии еще надо рассчитать кривую Р-Д, которая определит перемещения конст¬
рукции от внутренних усилий.В формуле (2.1.12) изгибную жесткость можно приближенно заменить
приведенной жесткостью, эквивалентной жесткости изгибаемых и вертикаль¬
ных элементов:«••■г-где EJd - приведенная жесткость эквивалентная горизонтальной изгибной же¬
сткости конструкции; q - максимальное значение горизонтальной нагрузки,
распределенной по прямоугольнику; и - горизонтальные перемещения цен¬
тров тяжести вертикальных элементов от воздействия нагрузки q\ Н - высота
здания.36
Анализ расчета зависимости Р- А изучается в главе 5.Для железобетонных конструкций высотных зданий, проектируемых по
«Технической инструкции по проектированию конструкций высотных зданий»
(JGJ 3-2002), вводится коэффициент запаса, рассчитанный на основе зависимо¬
сти P-А. Конструктивное перемещение от расчетной нагрузки второго порядка
умножается на коэффициент запаса. Внутренние усилия М и Q в элементах
(балках, колоннах, стенах-диафрагмах), вычисленные от нагрузок второго по¬
рядка, также умножаются на коэффициент запаса. Коэффициенты запаса для
перемещений Fu Fu и коэффициенты запаса для внутренних усилий момента и
поперечной силы (М, Q) F2, F2i определяются по следующим формулам:-	для каркасных конструкцийFu=	^	, (/=1, 2,..., и),	(2.1.15)1-1 Gj/iDfa)нF2i=	^	,0 = 1,2,...,«).	(2.2.16)1-2£G,/(AA)н-	для стен-диафрагм,F2=	\	.	(2.1.18)1-0,28 H2tGi/(EJd)/=1На рис. 2.1.1 и 2.1.2 ясно видно, что когда ОГЖПН поперечно-изгибаемой
конструкции больше 2,7 и ОГЖПН сдвигаемой конструкции больше 20, то уве¬
личение кривой Р- А приведет к увеличению внутренних усилий и перемеще¬
ний не более 5%. При уменьшении жесткости на 50% внутренние усилия уве¬
личиваются не более чем на 10%. Поэтому, если для конструкций выполняют
нижеследующие условия, то нагрузка второго порядка воздействует незначи¬
тельно и в расчетах не учитывается.Для панельной, каркасно-панельной и каркасной с цилиндрическим ядром
жесткости конструкций здания должны выполняться следующие условия:EJ^IJH^Gv	(2.1.19)<=iДля каркасной конструкции:Д >2o£g,-/A;, 0 = 1,2,...,п).	(2.1.20)НФормула (2.1.19) совпадает с формулой, приведенной в немецких нормах
(DIN1045).Расчеты железобетонных конструкций выполняются с учетом формулы(2.1.19)	или (2.1.20), учитывая кривую нагрузки второго порядка. Для железо¬37
бетонных конструкций многоэтажные зданий задается ограничение перемеще¬
ний регулировкой жесткостей конструкции. Однако такая конструкция соответ¬
ствует предельным значениям перемещений и не соответствует оптимальному
значению ОГЖПН при проектировании с позиций устойчивости. Особенно это
относится к случаю, когда горизонтальные нагрузки незначительны, соответст¬
венно принятая по конструктивным требованиям жесткость не большая и при¬
нятые по предельным ограничениям перемещения далеки от расчетных. Усло¬
вия жесткости в этом случае не связаны со значением горизонтальной нагрузки.Условия обеспечения устойчивости конструкций при
сейсмических воздействиях
Ранее рассматриваются условия конструктивной устойчивости, исходя из
упругого расчета на действие ветровой нагрузки, а также устойчивости при ан¬
тисейсмическом проектировании обычного высотного здания. В настоящем
подразделе применяемые способы антисейсмического проектирования рас¬
сматриваются с двух позиций.Первый этап проектирования включает расчет конструктивного элемента на
действие нормативных сейсмических нагрузок при слабых сейсмических воздей¬
ствиях и расчет значений внутренних усилий и деформаций. Для сейсмических
нагрузок на основании такого анализа делают антисейсмический расчет основ¬
ных конструктивных элементов от действия сейсмической нагрузки с учетом ко¬
эффициента запаса прочности, а для нескольких конструкций малой жесткости
делают еще и расчет поэтажных деформаций. Далее, при больших сейсмических
нагрузках проверяют условия не обрушения здания с запроектированной анти¬
сейсмической конструкцией и регулируемыми расчетом внутренними силами.Второй этап проектирования заключается в упругопластическом расчете для
несущих и не несущих конструкций. При сейсмических воздействиях требуется
ограничение перемещений, а также применение специальных антисейсмических
мероприятий. Для сложных строительных конструкций и конструкций небоскре¬
бов должно выполняться проектирование по второму этапу. Необходимо учиты¬
вать упругопластические свойства работы конструкции по зависимости Р- А. Для
обеспечения устойчивости угол перемещения этажа Aup!h в упругопластической
постановке задачи не должен превышать значений [0J, указанных в табл. 2.1.1.Таблица 2.1.1Предельные значения угла перемещения этажа
в упругопластической постановке задачиТипы конструкцийУгол [%]Железобетонная каркасная1/50Железобетонная каркасно-панельная,
каркасная с цилиндрическим ядром жесткости1/100Железобетонная стена-диафрагма1/120Высотные металлические конструкции1/5038
Кроме того, главные вертикальные несущие элементы конструкций здания
не должны иметь лавинообразного разрушения при локальных дефектах не¬
скольких элементов конструктивной схемы здания.2.1.3.	Расчет на опрокидывание зданияКогда отношение высоты здания к его размерам в плане велико, а также
существует большая податливость основания, то под действием ветровых и
сейсмических нагрузок возможно опрокидывание здания. Расчет на опрокиды¬
вание здания очень важен, так как напрямую связан с конструктивной безопас¬
ностью здания в целом.«Нормы строительства и проектирования многоэтажных железобетонных
конструкций» (JZ 102-79) рекомендуют при расчете на опрокидывание здания
придерживаться следующего отношения удерживающего момента MR к опро¬
кидывающему Mov:^Я(пост.+0,5врем.нагрузки) >|<j
Мov (горизонтальная нагрузка)«Правила строительства и проектирования многоэтажных железобетонных
конструкций» (JGJ 3-91) тот же расчет ведут по условию:МЯ(пост. + 0,5врем. нагрузки)Мov (горизонтальная нагрузка)«Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB 50011-2001)
предписывают при сочетании нагрузок, в которые входят сейсмические воздей¬
ствия, коэффициенты сочетания принимать равными 1,0. Для многоэтажных
зданий с отношением высоты к ширине больше 4 не допускается отрицательное
давление под подошвой фундамента, а также
области с нулевым давлением. В остальных
зданиях область нулевого давления не дол¬
жна превышать 15% площади фундамента.Согласно «Технической инструкции по
проектированию конструкций высотных
зданий» (JGJ 3-2002) для зданий с отноше¬
нием высоты к ширине больше 4 в основа¬
нии фундаментов не должно быть области
нулевых напряжений; для зданий с отноше¬
нием меньше 4 область нулевых напряже¬
ний допускается не более 15% площади
фундамента.•	Опрокидывающий и удерживающий
моментыПусть площадь воздействия момента
опрокидывания является площадью его ос¬
нования (рис. 2.1.3), а сила воздействия -Рис. 2.1.3. Схема фундамента:1 - верхняя часть; 2 - подвал; 3 - рас¬
четная точка сопротивления опрокиды¬
вающему моменту; 4 - нижняя грань
фундамента39
горизонтальной сеисмическои нагрузкой или горизонтальной ветровой на¬
грузкой:M0V = V0(2H/1 + C),	(2.1.21)где М0у - опрокидывающий момент; Н - высота здания; С - глубина подвала;
V0 - суммарные значения горизонтальной силы.Удерживающий момент вычисляется в краевых точках от воздействия сум¬
марных нагрузок:Mr=GB/ 2,	(2.1.22)где MR - удерживающий момент; G - суммарные нагрузки (постоянные нагруз¬
ки, ветровые и снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением); В -
ширина подвала.•	Регулирование удержива¬
ющего момента и область нуле¬
вых напряжений в основании
фундаментаПредполагаем, что линии дей¬
ствия суммарных нагрузок про¬
ходят через центр основания зда¬
ния (рис. 2.1.4). Расстояние меж¬
ду этой линией и равнодейству¬
ющей эпюрой напряжений осно¬
вания е0, длина области нуле¬
вых напряжений В-х, отношения
длины области нулевых напряже¬
ний и длины основания (В-х)!В
определяются по формулам:e0=Mov/G,	(2.1.23)eo=f"§>	(2-1.24)MR GB/2 В/2	1Mov Ge0 В/ 2-х/3 \-2x/3BОтсюда получим:хжт.-Мп/м.\	(2Л.26)В-х = 3Mov/MR-l
В	2Из формул (2.1.26) и (2.1.27) получено отношение площади области нулевых
напряжений и площади основания для безопасного удерживающего момента.40Зона нулевогоРис. 2.1.4. К расчету удерживающего момента
Таблица 2.1.2Зоны нулевого напряжения основания и условие опрокидыванияконструкцийСоотношениемоментов(MR/Mov)3,02,3081,51,31,0Процент зон нуле¬
вого напряжения
{В-Х)/В0(все сечения под
напряжением)15%50%65,4%100%Комментарии(Н/В > 4 высот¬
ные сооружения)
JGJ3-2002
заданное
значение(HI В < 4 высот¬
ные сооружения)
JGJ3-2002
заданное
значениеJZ102-79
заданное
значениеJGJ3-91заданноезначениеКритиче¬
ский ба¬
ланс точек
оснований•	Выводы1.	«Техническая инструкция по проектированию конструкций высотных
зданий» (JGJ 3-2002) и «Строительные нормы сейсмостойкого проектирова¬
ния» (GB 50011-2001) разработаны для зданий с отношением высоты к ширине
больше 4.2.	Если основанием фундамента является грунт с достаточной жесткостью,
то к отношению MR/M0V предъявляются нестрогие требования. Если грунт ос¬
нования недостаточно жесткий, то отношение MR/M0V строго регламентируется.3.	Отношение MR/M0V строго регламентируется в районах строительства с
сейсмичностью более 8 баллов.4.	Если подвальная часть здания имеет малую этажную жесткость, то в рас¬
чете удерживающего момента следует уменьшать ширину основания.2.2.	Жесткость и комфортность небоскребовЗдание должно обладать достаточной жесткостью, играющей существен¬
ную роль для высотных зданий. Необходимо ограничивать горизонтальные пе¬
ремещения для предупреждения возникновения потери устойчивости и вне¬
запного обрушения здания. Рассмотрим предельное состояние при нормальной
эксплуатации конструкций. Во-первых, горизонтальное перемещение должно
ограничиваться достаточно малыми пределами, а конструкция находиться в ус¬
тойчивом состоянии, при этом трещиностойкость железобетонных конструкций
не должна превышать допустимых норм; во-вторых, необходимо обеспечить
обслуживание и исправность элементов; в-третьих, здание должно иметь дос¬
таточную жесткость при динамических воздействиях.2.2.1.	Нормирование горизонтальных перемещенийДля того чтобы определить горизонтальную жесткость высотных зданий,
используется параметр Р- А - показатель горизонтальных перемещений, кото-41
рый представляет собой отношение максимальных перемещений вершины зда¬
ния к высоте здания.Показатель горизонтальных перемещений имеет важное значение при про¬
ектировании, однако в настоящее время его допустимые пределы не установле¬
ны. В соответствующих международных нормах нет четких указаний на этот
счет. Эти показатели конструкторы в разных странах принимают различными, в
основном лежащими в пределах значения 1/1000-1/200. Эта разница связана с
величинами ветровой нагрузки и сейсмических воздействий при расчете гори¬
зонтальных перемещений, а также с гипотезой расчетной жесткости железобе¬
тонных элементов (в некоторых странах принимают равной 0,65£7), с типом
конструкции и соединений.В 80-е годы XX века в Китае установили соответствующие нормы, касаю¬
щиеся предела горизонтальных перемещений высотных зданий. В 2000 году
были сформулированы основные нормы относительно параметров перемеще¬
ния между этажами, при этом существуют три основных параметра.Первый параметр: угол сдвига между этажами определяется по формуле:в (221)
Л, к,Этот параметр не может четко выражать деформации вертикальных эле¬
ментов и характеризовать предельные состояния, но у него простая формули¬
ровка. С целью макроконтроля его продолжают использовать в Китае и многих
других странах.Второй параметр: предельный угол сдвига между этажами:eid=9i-ei.l	(2.2.2)^ hj_iгде в„ в^\ - углы сдвига i и i-1 этажей.Выражение (2.2.2) справедливо для изгибаемых конструкций со стенами-
диафрагмами. На рис. 2.2.1 мы видим, что угол сдвига 0,- между этажами изме¬
няется (опасный угол перемещения между этажами вш) и состоит из двух час¬
тей. Второй параметр может заменять первый, если будет лучше выражать
внутренние усилия.Третий параметр: деформация сдвига:Гу =	(2-2.3)где уу - деформация сдвига у-ой области; i - обозначает этаж, в котором нахо¬
дится данная область; j - обозначает номер области; /, - ширина ij области;
v/_i jl-i, v,_i j - вертикальные перемещения соответствующих узлов (рис. 2.2.2).Расчеты и экспериментальные исследования показали, что здания с боль¬
шим количеством этажей изгибаются при боковых нагрузках. Вертикальное
перемещение узлов непостоянно (см. рис. 2.2.2). Деформации области колонн
со стенами-диафрагмами намного меньше, чем области колонн с балками.42
В таких документах, как «Техническая инструкция по проектированию
конструкций высотных зданий» (JGJ 3-2002) и «Строительные нормы сейсмо¬
стойкого проектирования» (GB 50011-2001) используют отношение макси¬
мального перемещения этажа к высоте этажа Aulh и угол сдвига между этажа¬
ми (в) (табл. 2.2.1).Таблица 2.2.1Отношение максимального перемещения этажа к его высотеКонструктивная схемаПредел Дм/ЛЖелезобетонный каркас1/550Железобетонный каркас со стенами-диафрагмами1/800Железобетонный каркас с цилиндрическим ядром жесткости;
стены-диафрагмы1/1000Многоэтажное здание с металлическим каркасом1/300Если высота здания не больше 150 м, то его изгибная деформация относи¬
тельно меньше деформации более высоких зданий, предел углов перемещения
между этажами (Аи/К) или 1/1000-1/300 (см. табл. 2.2.1). При высоте здания
больше 150 м изгибная деформация значительно возрастает, поэтому если вы¬
сота железобетонных конструкций превышает 250 м, угол перемещения между
этажами принимается равным 1/500.Предел угла сдвига между этажами A ulh показывает максимальное пере¬
мещение этажа к его высоте (Au/h)i и характеризует максимальное отклонение
перемещения.43Рис. 2.2.2. Деформация сдвига конструкций:1 - каркас; 2 - соединительная балка; 3 - ветвь
стеныРис. 2.2.1. Межэтажные перемеще¬
ния конструкций:
а - монолитная деформация; Ъ - мест¬
ная деформация
Ащ - щ - W/_i - это разница перемещений между / и /-1 этажами. Макси¬
мальное перемещение А и обычно возникает в наиболее высокой части конст¬
рукции.2.2.2.	Жесткость многоэтажных зданий при воздействии
ветровой нагрузкиЖесткость здания - отсутствие изменений в его структуре при качании зда¬
ния от динамических воздействий и воздействия ветра или под влиянием дру¬
гих видов колебательных воздействий. Далее представлены наиболее важные
критерии надежности.Высотное здание постоянно находится в движении. В некоторых случаях
жители многоэтажных зданий даже при допустимых пределах колебаний вос¬
принимают это воздействие, вызывающее негативные ощущения. Поэтому по¬
мимо прочности необходимо обеспечить достаточную жесткость здания.Здание испытывает неизбежные колебательные движения под воздействием
шквальных ветровых и сейсмических нагрузок. Целью проектирования в этих
условиях является создание многоэтажного здания, обладающего возможностью
к восприятию действующих нагрузок в соответствии с требованиями норм и
удовлетворяющих требованиям комфортного проживания.Комфортность проживания и пределы изменения
ветровых колебанийБольшим числом исследований влияния колебательных воздействий на че¬
ловека установлено, что главным параметром в оценке этого фактора является
ускорение. Количественное влияние ускорения на жизнедеятельность человека
отражено на рис. 2.2.3. Здесь А - порог чувствительности; В - психологический
порог; С - двигательный порог; D - предел допустимого колебания здания.Пределы значений ускорений колебательного движения позволяют выде¬
лить восемь уровней воздействия на человека, как показано в табл. 2.2.2. На
рис. 2.2.4 определены пределы комфортности проживания при различных зна¬
чениях ускорений, амплитуды и периода колебательного движения. Проблема
комфортности при восприятии колебательных движений исследовалась также
во многих других странах, включивших результаты своих научных изысканий в
положения нормативных документов.Таблица 2.2.2Уровни воздействия колебательных процессов на жизнедеятельность человекаУровеньЗначение ускорения (м/с2)Влияние на человека1231<0,05За порогом чувствительности20,05-0,10Легкое покачивание подвешенных предметов30,10-0,25.Ощутимое качание, вызывающее чувство дискомфорта44
Продолжение табл. 2.2.212340,25-0,4Колебательное воздействие вызывает трудности при письме50,4-0,5Потеря равновесия60,5-0,6Большинство людей не могут сами ходить70,6-0,7Критическое воздействие на организм человека8>0,85Падение предметов, угроза возникновения обрушений и заваловРис. 2.2.3. Влияние ускорения на
жизнедеятельность человека:(T)-(D “ уровни воздействия на жизне¬
деятельность человекаРис. 2.2.4. Кривые комфортности про¬
живания при различных значениях
ускорений, амплитуды и периода коле¬
бательного движенияВ «Технической инструкции по проектированию конструкций высотных
зданий» (JGJ3-2002) и «Технической инструкции по проектированию метал¬
лических конструкций высотных зданий» (JGJ99-98) определены условия
комфортности для помещений высотных зданий повышенной этажности. Со¬
гласно нормам «Нагрузки на строительные конструкции» (GB50009-2001)
предусматривается проводить расчет ветровой нагрузки не реже 1 раза в 10
лет. На основании опытов со специальными отверстиями внутри высотных
зданий было определено максимальное предельное ускорение атах (табл.
2.2.3).45Переменная амплитуды смещенияЗдание«Империя»ветер
80 м/часУскорение (м/с2)Период (с)Период (с)
Таблица 2.2.3Предельные ускорения колебательного движенияНазначениеЯшах (м/с2)Жилой дом0,15Офис, гостиница0,25Определение ускорения ветрового колебанияПри определении ускорения ветрового колебания небоскреба по ветру учи¬
тываются максимальное ускорение по ветровому направлению, максимальное
ускорение против ветрового потока, угловая скорость.•	Ускорение ветрового колебания в направлении ветраНесмотря на то, что многие страны проводят исследования ускорения вет¬
рового колебания а* до сегодняшнего дня еще не получена его единая расчет¬
ная формула.В «Технической инструкции по проектированию конструкций высотных
зданий» (JGJ3-2002) и «Технической инструкции по проектированию металли¬
ческих конструкций высотных зданий» (JGJ99-98) приводится следующая
формула максимального ускорения по ветровому направлению:(224)Що,где aD - максимальное ускорение ветрового давления; /4 - коэффициент ветро¬
вой нагрузки (см. п. 4.2); а>0 - ветровая нагрузка; £ у- динамический коэффи¬
циент и коэффициент пульсационного влияния; А - суммарная площадь, на ко¬
торую воздействует ветер (м2); тш - суммарная масса здания (т).•	Максимальное ускорение колебаний здания против ветрового потокаВ общем случае максимальные горизонтальные нагрузки и перемещения
наблюдаются по направлению ветра, но существуют особые случаи, когда мак¬
симальные ускорения здания могут возникать при действии поперечных вет¬
ров, т. е. ускорения ветрового колебания при поперечных ветрах aw превышают
ускорения ветрового колебания по ветру ad.Максимальное ускорение колебаний здания против ветрового потока аю по
нормам Канады NBCC, определяется следующим образом:aw =	»	(2-2-5)ar = 78,5-10-3(t>H/«o>/^)3’3,	(2.2.6)где р - средняя плотность здания, кг/м3; В - ширина здания, м; L - длина зда-46
ния, м; g -ускорение свободного падения, м/с2; п0 - постоянная частота попе¬
речных ветров; /? - коэффициент затухания колебаний; ин - скорость ветра на
высоте вершины здания, м/с, определяемая один раз в 10 лет (см. параграф
4.2.18); gp - множитель нагрузки.В «Технической инструкции по проектированию металлических конструк¬
ций высотных зданий» (JGJ99-98) принимаются следующие формулы:br 4HL	^ Л ^w ~ т2 ГР— ’	(2.2.7)Tt Гвл]С',сг6Г= 2,0540^	(2.2.8)где aw - максимальное ускорение колебаний здания против ветрового потока,
м/с; Ъг - коэффициент колебаний при поперечном ветре; Qxr - коэффициент
затухания колебаний при поперечном ветре; Г, - первый период при попереч¬
ном ветре; ув - средняя масса здания, кН/м3; В, L - ширина и длина здания;
Оп,т - скорость вершины здания, м/с (см. параграф 4.2.18), определяемая с пе¬
риодичностью один раз в 10 лет.В общем случае суммарные перемещения, максимальное ускорение в на¬
правлении ветра у высотных зданий больше, чем в поперечном направлении.
Но в случае, если здание более тонкое и высокое, то максимальное ускорение
по направлению ветра может быть меньше ускорения, возникающего в попе¬
речном направлении, игнорировать которое уже нельзя.2.2.3.	Колебания перекрытий и влияние их на человекаКолебания перекрытий могут быть вызваны движением человека (люд¬
ские потоки, занятия танцами и спортом) или работающим оборудованием.
Колебания перекрытий и влияние их на человека в Китае мало исследованы и
еще не нашли отражения в нормах проектирования. В США, Японии и других
странах такие нормы уже существуют. При написании этого параграфа ис¬
пользован справочник проектирования «Об уменьшении колебании перекры¬
тий», который издан в США АТС (Applide Technology Council) в 1999 году. На
основании данных этого справочника в сочетании с практикой проектирова¬
ния железобетонных и металлических перекрытий строятся соответствующие
расчетные методы учета и регулирования указанных воздействий.Ограничение колебаний перекрытийСильные колебания перекрытий оказывают немалое влияние на нашу
жизнь и работу. Ограничение колебаний перекрытий зависит от чувств челове¬
ка. Человеческая чувствительность колебаний перекрытий зависит от амплиту¬
ды колебания и их продолжительности, а также зависит от окружающей среды
и деятельности человека в помещении. Все это оказывает физиологическое
воздействие на человека.47
При разных средах и разных частотах колебания комфортность определя¬
ется максимальным ускорением колебаний, которое не должно превышать зна¬
чений, указанных на рис. 2.2.5.Рис. 2.2.5. Уровни ускорения вершины при разных назначениях помещенийПри проектировании гражданских зданий принимают частоту собственных
колебаний перекрытий 4-8 Гц, при этом комфортность сохраняется при макси¬
мальном ускорении колебаний (табл. 2.2.4).Таблица 2.2.4Максимальные ускорения колебаний перекрытийСредаМаксимальные ускоренияОперационные больницы0,0025gОфисные помещения0,005gТорговые помещения, дискотека, коридоры0,015sГалереи, воздушные переходы0,05gМодели колебаний перекрытийКолебания перекрытий имеют сложную зависимость от интерференции и
отклика. После долгого изучения многочисленных испытаний, выделяют три
модели колебаний перекрытий.48Ускорение вершины (х 0,0lg)Наружный пешеходный мост
Помещение для ритмического спортаВнутренний путепровод, торговое
помещение, ресторан, танцевальный
зал, офис, жилище, церковьОперационная комната больницыСреднеквадратичная отчетная кривая
ускорения влияния, вызванной от
вибраций людей на перекрытие
•	Резонансная модельЧастота возникающих колебаний от
ритмически повторяющейся ходьбы чело¬
века составляет обычно 3 Гц. Частота по¬
ходного шага составляет 2 Гц. На
рис. 2.2.6 показана зависимость между
периодическим импульсным действием и
максимальным ускорением перекрытий.На рисунке частота колебаний перекры¬
тий приведена для первой основной фор¬
мы колебаний.Из рис. 2.2.6 видно, что частота соб¬
ственных колебаний перекрытия, при¬
ближаясь к частоте вынужденных колеба¬
ний, вызывает резонанс.1)	величина амплитуды колебаний за¬
висит от затухания, которое, в свою оче¬
редь, зависит от конструктивных систем
перекрытий;2)	несмотря на разнообразие видов колебательных процессов, из рис. 2.2.6
вытекает, что резонанс колебаний перекрытия вызывается самыми низкими
частотами колебаний.На рис. 2.2.7 показано, что в музыкальном зале громко звучит рок-музыка,
в перекрытии появляются значительные колебания, а собственное колебание
железобетонных панельных конструкций составляет 2,4 Гц.Отношение частот собственных
колебаний к вынужденнымРис. 2.2.6Рис. 2.2.7. Реакция резонансом панельного перекрытия на концерт
ансамбля «ROCK»•	Деформационная модельДля легких перекрытий ввиду легкого собственного веса их собственная
частота колебаний достигает 10 Гц, поэтому предыдущая модель к использова¬
нию непригодна. От ходьбы людей и веса стационарного оборудования пере¬
крытия получают большие деформации, что доставляет чувство дискомфорта.
Другим главным параметром регулирования колебательных процессов при со¬
средоточенных нагрузках является жесткость.49Резонанс
•	Модель импульсных колебанийКогда частота собственных колебаний перекрытий достигает 8-15 Гц, то
импульс движений ходьбы может привести к опасным колебаниям перекры¬
тий. Модель импульсных колебаний описывается законом Ньютона (ско¬
рость = импульс/масса), из которого легко определить скорость колебания пе¬
рекрытий.Колебания легких металлических перекрытий от ходьбы человека•	Регулирование деформацийДля легких перекрытий регулирование колебаний от человеческой ходьбы
осуществляют по деформационной модели легких металлических перекрытий,
используя следующую формулу:[ Др] < 0,6 + 2,54e_0,6(i"1,92) < 2 мм ,	(2.2.9)где L - пролет балок; [Д^] -
допускаемое перемещение при
действии сосредоточенной си¬
лы р = 1 кН, мм.В соответствии с неравен¬
ством (2.2.9) построена зави¬
симость «[Др] - Ь», представ¬
ленная на рис. 2.2.8.Из рис. 2.2.8 видно, что
чем больше пролет балок, тем
меньше значения допускаемых
перемещений.•	Расчет деформацийДвижение человека при ходьбе возмущают колебания перекрытий, в ре¬
зультате которых они получают перемещения, определяемые по формулеДр =-^——,	(2.2.10)р 48£7где EI - изгибная жесткость сечения балки (обрешетки), кН/м2; р - сосредото¬
ченная сила (1 кН); L - пролет балки (обрешетки), м.•	Вертикальная частота собственных колебаний /„Для легких перекрытий, во избежание резонанса, собственную частоту ко¬
лебаний fn контролируют допускаемыми деформациями, чтобы выполнялось
условие:/„>8 Гц.	(2.2.11)•	Определение собственных вертикальных колебаний /„Для легких перекрытий собственные вертикальные колебания f„ определя¬
ются по формуле:/„ = 0,18^7X7 = 18/,/a7 (Гц),	(2.2.12)Рис. 2.2.8. Диаграмма [Ap]-L50
где g - ускорение свободного падения; А,- - перемещение (мм) в середине балки
(обрешетки) при действиях нагрузок определяется по формуле(мм),	(2.2.13)J 384EIгде q - равномерно распределенные нагрузки, которые действуют на балку
(кН/м), принимается для офиса 0,55 кНУм2, для жилого дома 0,3 кН/м2.Колебания стальных и железобетонных перекрытий
от ходьбы человека•	Вертикальная частота собственных колебаний/,Чтобы уменьшить резонансную частоту из-за ходьбы человека, для верти¬
кальной частоты собственных колебаний/, стальных и железобетонных конст¬
рукций должно выполняться следующее условие:/я£ЗГц.	(2.2.14)•	Предельные ускоренияПредельные ускорения ар колебаний перекрытий, вызванных ходьбой чело¬
века, определяют по формуле<*P/g = А>е'°,35/" IPa<a0lg,	(2.2.15)где p0e~°'3S^ - нагрузки от людей при предельной собственной частоте колеба¬
ний (кН); р0 - нагрузки от людей, кН (табл. 2.2.5); f„ - вертикальная частота
собственных колебаний, Гц; - сопротивление колебаниям от действия чело¬
века; р - коэффициент затухания (см. табл. 2.2.5); со - вес перекрытия, кН; g -
ускорение свободного падения (9,8 м/с2); а0 - предельное ускорение колебаний
перекрытий, м/с2 (см. табл. 2.2.5)Таблица 2.2.5Вид помещенийНагрузка от
людей р0Коэффициент
затухания /?Предельное ускорение
колебания перекрытий а0Жилой дом, офис0,30,02-0,050,005Магазин0,30,020,015Закрытые галереи-
переходы0,420,01-0,020,015Открытые галереи-
переходы0,420,010,05•	Определение вертикальной частоты собственных колебаний/, массы
перекрытий1.	Жесткое опирание балочного перекрытия на диафрагмы.Частота поперечных собственных колебаний f„ без учета перемещений
опор (жесткое опирание балочного перекрытия) следует определять по формуле51
f„ =0,18/^7X7 = 18/7X7,	(2.2.16)где Aj - прогиб балки перекрытия от действия полезной нагрузки (масса), опре¬
деляемый по формуле:А ,=С/Я-^-,	(2.2.17)
J 384£7где q - равномерно распределенная нагрузка по оси балки (статическая нагруз¬
ка + динамическая нагрузка), (кН/м); L - пролет балки, м; EI - изгибная жест¬
кость с учетом сдвиговых деформаций, при работе материала до трещинообразо-
вания при динамических нагрузках (модуль упругости х 1,2); С/„ - коэффициент,
учитывающий деформации неразрезных балок при собственных колебаниях,
для шарнирно-подвижной опоры С/„= 1; соседние пролеты равнопролетных
неразрезных балок колеблются в обратном направлении, С/„ = 1; для неравно¬
пролетных неразрезных балок С/„ = 0,35 - 1 (рис. 2.2.9 и 2.2.10).Рис. 2.2.9. Коэффициент Cf„ для неразрезной балкиРис. 2.2.10. Коэффициент Ср, для неразрезной каркасной балки52
Сущность зависимости деформации неразрезных балок от собственных ко¬
лебаний показана на рис. 2.2.9 и 2.2.10.Масса колеблющегося перекрытия со рассчитывается по следующей фор¬
муле:co = 6)BL,	(2.2.18)где со - распределенный вес на единицу площади перекрытия, кН/м2 от собст¬
венного веса и динамическая нагрузка от людей; L - пролет балки, м; В - ус¬
ловная ширина перекрытия, подвергающегося колебаниям, м, которая рассчи¬
тывается по формуле:B = C(DT/Drf-L,	(2.2.19)где С - показатель, отражающий влияние коэффициента деформаций неразрез¬
ных балок; для крайней балки С - 1, для центральной балки C-2\DT- изгиб¬
ная жесткость единицы ширины перекрытия в направлении перпендикулярном
пролету балки; DL - изгибная жесткость на единицу ширины перекрытия в на¬
правлении пролета балки.Полезная сосредоточенная динамическая нагрузка на перекрытия приведе¬
на в табл. 2.2.6.Таблица 2.2.6Полезная сосредоточенная динамическая нагрузка на перекрытияДинамическая нагрузка на перекрытия:офисы0,55 кН/м2жилое здание0,3 кН/м22.	Шарнирное опирание балочного перекрытия на ригель.В случае шарнирного опирания балочного перекрытия на ригель частота
собственных поперечных колебаний рассчитывается по формуле1Я/„=-7=	= (ГЦ),	(2.2.20)где Aj - прогиб балки перекрытия от действия полезной нагрузки (мм), опреде¬
ляемый по формуле (2.2.17); Ag- прогиб ригеля от действия полезной нагрузки,
мм, рассчитывается по формуле (2.2.17) как для шарнирно опертого.Масса колеблющегося перекрытия рассчитывается по следующей формуле:0) = ^1 + Аг(0г (кН))	(2.2.21)А;+д*где а>] - масса колеблющегося балочного перекрытия, кН, рассчитывается по
формулам (2.2.18) и (2.2.19); cog - масса колеблющегося ригеля каркаса, кН, оп¬
ределяется по формулам (2.2.18) и (2.2.19).53
Колебания конструкций перекрытия вследствие
ритмичности ходьбы человекаКогда частота вынужденных колебаний/, от ходьбы человека приближает¬
ся к собственной частоте перекрытий, во-первых, это вызывает резонанс пере¬
крытий и, когда ускорение колебания перекрытий достигает 0,5g, это сущест¬
венно влияет на безопасную работу конструкций. Во-вторых, такая частота вы¬
нужденных колебаний доставляет большой дискомфорт жителям. Поэтому не¬
обходимо ограничивать параметры колебания конструкции, связанные с
ритмичностью человеческих действий.•	Ограничение собственной частоты поперечных колебаний /„Собственная частота поперечных колебаний, вызванных ритмичностью
ходьбы человека, должна соответствовать условию(2.221)V (°0 lg)Wгде/, - частота собственных поперечных колебаний, определяется по формуле(2.2.20);/- максимальная частота ритмичной ходьбы человека; а0 - предельное
ускорение колебания перекрытий, м/с2 (табл. 2.2.7); g - ускорение свободного
падения; wp - нормативная полезная нагрузка от людей на единицу площади,
кН, определяется по табл. 2.2.8; w - полная нагрузка от перекрытия, кН (вклю¬
чая н^); а,- - динамический коэффициент при воздействии /-го спектра частот
колебаний (см. табл. 2.2.8); К - коэффициент назначения помещения, К= 1,3 -
танцзал, К= 1,7 - музыкальный зал, К- 2- спортзал.Когда перекрытия находятся на верхних этажах, то в формуле 2.2.20 следу¬
ет учитывать деформации колонн Ду + Ag + Дс.Таблица 2.2.7Предельное ускорение колебания перекрытий а0Вид помещенийПредельное ускорение колебания перекрытий а0Ресторан0,015-0,025gТанцзал, музыкальный зал, спортзал0,04-0,07#Таблица 2.2.8Коэффициент а, и wpВид помещенийТанцзалМузыкальный залСпортзал0,6 кН/м21,5 кН/м20,2 кН/м2«|(Л)0,5(1,5-3 Гц)0,4(0,25)(1,5-3 Гц)1,5(2-2,75 Гц)аг(1г)	0,15(0,05)(3-5 Гц)0,6(4-5,5 Гц)аШ——0,1(6-8,25 Гц)54
•	Ограничение и вычисление ускорения колебаний перекрытийПредельное ускорение колебания перекрытия aPi при воздействии i'-ой час¬
тоты первого вида колебаний перекрытия определяется по формулеapi	1,3а,- wp/w	^	(2223)где / - i-ая частота спектра ритмичного движения человека, Гц; /? - коэффици¬
ент затухания (железобетонных конструкций - 0,06, легких металлических кон¬
струкций - 0,12).Ускорение колебания перекрытий вследствие ритмического воздействия ходь¬
бы человека ат должно быть меньше предельных ускорений а0 (см. табл. 2.2.7).Ускорение колебания ат вычисляется по формуле_i_ат = (E^f)1,5 ^ <*0.	(2.2.24)В случае, если музыкальный зал оборудован сиденьями для зрителей,
а\ = 0,25, а2 = 0,05.Если зрительские места отсутствуют, то а\ = 0,4, а2 = 0,15.•	Практические советы по проектированию регулирования колебаний
перекрытий1.	Если в здании будет располагаться танцзал, спортзал и другие подобные
помещения, то их надо максимально удалить от чувствительных к колебанию
областей перекрытий.2.	При проектировании конструкций должны применяться различные ме¬
роприятия по ограничению колебаний перекрытий, например увеличение жест¬
кости перекрытий, установка амортизаторов.3.	Собственная частота конструкций перекрытия, определенная по формуле
2.2.20, должна превышать минимально допустимую, по табл. 2.2.9, в зависимо¬
сти от вида помещений.Таблица 2.2.9Минимальные допустимые частоты собственных колебаний [/„]Вид помещения[/а, г ц12Танцзал, ресторан (a0/g = 0,02,/ = 3 Гц, wp = 0,6 кН/м2)Тяжелые перекрытия w = 5 кН/м26,4Средние перекрытия w = 2,5 кН/м28,3Легкие перекрытия w = 1 кН/м212Музыкальные залы (a0/g= 0,05,/ = 5 Гц, wp = 1,5 кН/м2)Тяжелые перекрытия w = 5 кН/м25,9Средние перекрытия w = 2,5 кН/м26,5Легкие перекрытия w = 1 кН/м2855
Продолжение табл. 2.2.912Спортзал (a0/g = 0,05,/ = 5,5-8,25 Гц, wp = 0,2 кН/м2)Тяжелые перекрытия w = 5 кН/м28,9Средние перекрытия w = 2,5 кН/м29,4Легкие перекрытия w = 1 кН/м213Спортзал с поднятием тяжестей (a0/g = 0,02, f = 5,5-8,25 Гц, wp = 0,125 кН/м2)Тяжелые перекрытия w = 5 кН/м29,2Средние перекрытия w = 2,5 кН/м211Легкие перекрытия w = 1 кН/м2164.	Для стальных железобетонных конструкций перекрытий, коэффициент
затухания следует принимать равным /? = 0,06. Тогда в соответствии с табл.
2.2.8 и из формул (2.2.23) и (2.2.24) получим ускорение колебания перекрытий
am/g (рис. 2.2.11). Из рисунка 2.2.11, зная, что на вертикальной оси отложено
значение (am/g)/(l,3wp/w), получим:om/g = (am/g)/(\,3wp/w)x(\,3wp/w).	(2.2.25)56Рис. 2.2.11. Кривая отношения частоты/, собственных
колебаний перекрытия к ускорению колебаний ат5.	Рациональное проектирование конструкции обусловливает достаточную
для сопротивления колебаниям их жесткость, которая для различных видов по¬
мещений может быть описана условиями:/„>[/„] и ат<а0.	(2.2.26)(am/g)/(l3wp/w)Частота собственных колебаний fn
Пример.Здание выполнено в металлических конструкциях. Спортзал находится на
5-ом этаже. План перекрытий показан на рисунке 2.2.12. Минимальная частота
собственных колебаний перекрытий в соответствии с данными табл. 2.2.9 для
тяжелых перекрытий спортзала (w = 5 кН/м2), принята \fn] = 9 Гц.57Расстояние между
второстепенными
балками 1,2 мРис. 2.2.12. План перекрытия зданияДеформация перекрытий при тяжелых нагрузках:Aj = 2,97 мм (деформация в середине пролета металлических второ¬
степенных балок, LjI 2019)Ag = 6,45 мм (деформация в середине пролета металлических балок
рамы каркаса, Lg /1674)Ас = 3,94 мм (деформация сжатия металлических колонн, средниесжимающие напряжения при давлении <тс = 38,7 Н/мм2,
Я = 20,4 м, £ = 2• 105 Н/мм2, Де = стсН/Е = 3,94 мм)Д = Дс + Ду- + Д? = 13,36 мм
18/„ = = 4,9Гц<9Гц, условие не выполняется.С учетом отношения частоты собственных колебаний к ускорению колеба¬
ний перекрытия у? = 0,06 (рис. 2.2.11) и полученного значения f„ = 4,9 Гц и от¬
ношения (am/g)/(l,3wp/w) = 5,1 ускорение вибрации составит:am =5,lxbl!^p.xg = 5)ixlil^lg = 0,265g>0,07g,
w	5т.е. нормативное требование не удовлетворяется.
58В этом случае, значение ускорения вибрации а„, передаваемой от колонны
на другие этажи, составит:ап = am-^ = 0,265gx-^^- = 0,078g>0,005g,А	13,36т.е. условие также не удовлетворяется.Одновременно с этим, при слишком большом ускорении колебаний а„, воз¬
никают усталостные повреждения перекрытия спортзала при длительной рабо¬
те. Это тоже не допускается нормами.Если невозможно перенести спортзал на приземный этаж, то задача может
быть решена установкой дополнительного ряда колонн в середине пролета
главных балок, тем самым увеличивая жесткость диска перекрытия и уменьшая
деформации колонн.Тогда с учетом изменения жесткостных параметров и деформаций сжатия
новые значения расчетных параметров перекрытия будут равны:А'- = — = 1,48 мм
7 2-	А' = — = 0,4 мм*	16А с = — = 0,99 мм
4А' =а;+А} + А;=2,87 мм.18/„' =^7 = 10,6Гц>9Гц, т.е. условие для минимальной частоты колеба¬
ний перекрытия удовлетворяется.-ЕЩ- = 0,4\,Ъм>р/м>l,3w	1 3-0 2а'т = g ——--0,4 = 0,4-—	-—g = 0,02g<0,07g, т.е. условие удовлетво-w	5ряется., А'	0,99а'» = a'm-^ = 0,02g~ = 0,007g * 0,005g , т.е. условие удовлетворяется.А	2,о7Анализ колебаний перекрытия с помощью компьютерныхпрограммС развитием техники, все более широкое применение находят методы ком¬
пьютерного анализа и диагностики колебаний перекрытий.При осуществлении компьютерного анализа и диагностики колебаний пе¬
рекрытия особое внимание следует уделить следующим вопросам:
1)	необходимо применять модель колебаний абсолютно упругих перекры¬
тий со многими степенями свободы и континуальными связями. Когда соседние
перекрытия колеблются во взаимно обратном направлении, то за частоту их
колебаний принимают основную частоту собственных колебаний;2)	при динамических расчетах, модуль упругости материалов следует уве¬
личивать в 1,2 раза;3)	в расчеты следует вводить динамические нагрузки от движения людей;4)	в расчетах следует учитывать влияние развития трещиностойкости во вре¬
мени на деформативность и прочность железобетонных балочных конструкций.2.3.	Предотвращение лавинообразного обрушения
конструкций зданияВ этом параграфе рассмотрены вопросы о лавинообразном обрушении зда¬
ний из-за аварий (взрыв, удар и т.д.).2.3.1.	Возникновение проблемы лавинообразного обрушенияПосле того как в 1968 году в Англии в здании Ronan Point произошел взрыв
газа, в Китае начинают исследовать вопросы о лавинообразном обрушении зда¬
ний из-за внезапных аварий. Одиннадцатого сентября 2001 года два здания аме¬
риканского торгового центра обрушились из-за авиатеракта. После аварии 11
сентября проектировщики обратили внимание на эти вопросы. В Китае также
конструкции зданий подвергались лавинообразному или локальному обруше¬
нию, но для предотвращения этого соответствующие нормы и документы до
сих пор отсутствуют.2.3.2.	Способы предотвращения лавинообразного обрушенияконструкций зданияЗарубежные проектировщики выдвинули понятие «конструктивная безо¬
пасность», которое характеризует свойство конструкции, предотвращать лави¬
нообразное обрушение. Конструктивная безопасность зданий и сооружений
при разрушении отдельных элементов обеспечивается за счет ближайших
смежных конструкций, которые могут препятствовать изменению конструктив¬
ной схемы, поддерживают способность каркаса воспринимать вертикальную
нагрузку, предотвращая лавинообразное обрушение. При внезапном аварийном
воздействии разрушение отдельного элемента может вызвать выключение из
работы ближайших конструкций с последующим распространением этого раз¬
рушения на все здание.Для того чтобы повысить конструктивную безопасность и долговечность
зданий, необходимо:1)	использовать жесткие соединения между элементами, при максимальном
уменьшении статически определимых элементов конструкций;2)	использовать методы контролируемого распределения усилий при вне¬
запных выключениях ключевых элементов;59
3)	использовать методы проектирования, при которых разрушение отдель¬
ных элементов не вызывает лавинообразного разрушения всей конструктивной
системы;4)	предотвращать возникновение разрушения от сдвигающих сил в элемен¬
тах конструкций; повышать растяжимость несущих элементов.2.3.3.	Контрмеры и мероприятия по предотвращению
лавинообразного обрушения конструкцийДо сих пор существуют неясные вопросы лавинообразного обрушения кон¬
струкций зданий при внезапных авариях. Теория и практика данной проблемы
проектирования еще недостаточно исследована. Существует много вопросов,
например интервалы и степень запредельных воздействий, расчетная модель,
вопросы экономии, и т.д. Автор считает, что на сегодняшний день применимы
следующие контрмеры по предотвращению лавинообразного обрушения зда¬
ний:1)для	особенно ответственных зданий производить проектирование, при
котором предусматривать меры по предотвращению лавинообразного обруше¬
ния здания;2)	для сложных конструкций многоэтажных высотных зданий необходимо
повышать их конструктивную безопасность;3)	для повышения конструктивной безопасности несущих систем, не уве¬
личивая стоимости, необходимо проектировать защиту от лавинообразного об¬
рушения конструкций здания при взрывах газа.Ниже представлены некоторые мероприятия в этом направлении:1)	в соответствии с принципами, перечисленными выше, повышать конст¬
руктивную безопасность несущих систем зданий;2)	обеспечивать контролируемое перераспределение усилий при альтерна¬
тивных путях нагружения после локального повреждения.Это приближенный способ защиты от лавинообразного обрушения. От¬
дельный несущий элемент может разрушаться при запроектных воздействиях.
Поэтому если элемент конструкции исчерпал несущую способность или поте¬
рял устойчивость, то внутренние усилия от постоянных нагрузок перераспре¬
делится между другими элементами. В этой связи при проектировании посто¬
янную нагрузку рекомендуется принимать 1,(Ш + 0,251 и вводить запас по
прочности материалов, повышая коэффициент надежности по бетону до 1,25,
по металлу до 1,05.Каркасная конструкция (рис. 2.3.1, 2.3.2)Если средняя колонна нижнего этажа потеряла устойчивость, необходимо
учитывать внутренние усилия, возникающие в верхних и соседних колоннах.При потере устойчивости колонны каркаса продольная арматура балок мо¬
жет растягиваться дополнительными усилиями. В этой связи для повышения
конструктивной безопасности продольная арматура балок и арматура колонн
должны пересекаться в узлах и удовлетворять требованиям анкеровки.60
Рис. 2.3.1. Потеря устойчивости
средней колонныРис. 2.3.2. Потеря устойчивости нижней
крайней колонныВ случае потери устойчивости средней колонной нижнего этажа возникает
пластический шарнир, но обрушение не происходит из-за восприятия дополни¬
тельного растяжения продольной арматурой балок. Контроль обеспечения кон¬
структивной безопасности выполняется по следующей формуле:Г <0,75/,4,	(2.3.1)где V - поперечная сила балки от нагрузки этажа 1,0D + 0,25 Z, при которой
средняя колонна нижнего этажа теряет устойчивость; fy - расчетное значение
прочности на растяжение продольной арматуры балки; As - площадь продоль¬
ной арматуры.При опасности потери устойчивости продольных балок их длина должна
вычисляться при нагрузках 1,0D + 0,25Z, а проектное значение прочности бал¬
ки на растяжение можно принимать 1,25 fy.Конструкции со стенами-диафрагмами, каркасные конструкции
со стенами-диафрагмами и цилиндрические конструкцииВ конструкциях со стенами-диафрагмами лучше устанавливать внутренние
продольные стены членением ее на отсеки. Для повышения устойчивости стен
рекомендуется выполнять соединение элементов стен в углах.В конструкциях со стенами-диафрагмами лучше использовать скрытные
балки, толщина которых чуть больше, чем толщина стены. Стены конструкций
зданий с цилиндрическими ядрами жесткости рассчитываются как стены каркас¬
ных конструкций со стенами-диафрагмами. На этажах здания устанавливаются
кольцевые балки, а их толщина должна удовлетворять требованиям анкеровки.Конструкции перекрытий с поддерживающими
колоннами и балкамиЕсли какая-то колонна каркаса потеряет устойчивость, необходимо учиты¬
вать и анализировать перераспределение внутренних усилий. В качестве опор¬
ных колонн каркаса следует применять центрально-сжатые бетонные или желе¬
зобетонные колонны с профилями. Центрально-сжатые колонны или железобе¬
тонные колонны с профилями могут выдерживать постоянную нагрузку (1,0£>
+ 0,25L). Опорные балки каркаса лучше выполнять железобетонными.61Колонна
над нижней
"колонной^ Расчет как
консольной
балки
Установка переходных фермНа нижнем, среднем и верхнем этажах рекомендуется устанавливать пере¬
ходные фермы. В добавление к методу перераспределения усилий можно при¬
менить метод DCR, с помощью которого можно определить возможность лави¬
нообразных обрушений:DCR = Qud/QCE,	(2.3.2)где Qud - усилия, которые выдержат элементы или узлы (от сжатия, изгиба,
сдвига и т.д.) при запредельных воздействиях; вычисленные по упругостатиче¬
ской анализу; Qce - предельное усилие для элементов или узлов.Следующие условия определяют возможность лавинообразного обрушения:-	симметричные конструкции DCR > 2;-	сложные конструкции DCR >1,5.Метод повышения локального сопротивления.Для очень сложных конструкций лучше не использовать вышеприведенные
методы. В этом случае можно использовать метод повышения локального со¬
противления, который подразумевает перераспределение нагрузки на элементы
по неблагоприятным направлениям в размере не менее 36 кН/м2. При этом кон¬
струкции не должны разрушаться.62
Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И НОРМЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕЙСМОСТОЙКИХ
ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙПроектирование сейсмостойких конструкций включает в себя ряд сложных
вопросов: неопределенность сейсмического воздействия; прогнозирование
уровня балльности сейсмических воздействий; анализ уровня силового сопро¬
тивления конструкции при сейсмических воздействиях (упругий, нелинейный);
анализ факторов, влияющих на характеристики сейсмостойкости, и соответст¬
вующие мероприятия по ее обеспечению. За более чем столетний период ис¬
следований был накоплен богатый теоретический и практический опыт в об¬
ласти сейсмостойкого проектирования. В настоящее время в мире проектируют
сейсмостойкие конструкции, основываясь на спектральном методе и принципе
надежности конструкций. Однако в данном методе остаются отдельные нере¬
шенные вопросы, по которым ведутся исследования.Далее в этой главе рассмотрены следующие вопросы: история развития
методов сейсмостойкого проектирования; определение и нормирование на¬
дежности; концептуальное проектирование - основа разработки проектных
решений при строительстве зданий в сейсмических районах. Концептуальное
проектирование имеет важное значение при обеспечении заданного уровня
надежности. Основные положения по этому вопросу приведены в главе 6.
Сейсмостойкое проектирование конструкций связано с учетом виброизоля¬
ции, длительности эксплуатации и рассмотрением ряда других специальных
вопросов.3.1.	Развитие методов проектирования сейсмостойких
конструкций3.1.1.	Первые методы проектирования сейсмостойких конструкцийИсследования сейсмостойкости строительных конструкций начинаются с
1906 года после землетрясения в Сан-Франциско (США). В 1915 году японский
профессор Цзо Е ввел в употребление термин «магнитуда» для количественной
оценки силы землетрясения. Он предложил определять сейсмическую силу по
формуле F = RW, где R - магнитуда, W— масса здания. В 1924 году после боль¬
шого землетрясения в Японии такое понятие появилось в японских строитель¬
ных нормах, с постоянным значением R = 0,1. С 20-30-х годов XX века оценка
сейсмичности начинает широко использоваться во всем мире при проектирова¬
нии строительных конструкций. В то время еще не могли измерять ускорение
движения земной поверхности, и точное определение сейсмической инерцион¬
ной силы было невозможно. При этом горизонтальная сила сейсмического воз¬
действия принималась равной 10% собственной массы здания, что было очень
неточным.63
3.1.2. Спектральный метод и надежность конструкцийВ 1933 году в США сделали первую запись сейсмического ускорения, а не¬
сколько позже, в 1940 году, в центре исследований землетрясений Elcentro было
продолжено изучение сейсмического ускорения. На основании полученных ма¬
териалов о характере вынужденных колебаний зданий американские ученые
выдвинули теорию сейсмического ускорения при землетрясении. В 1956 году в
Сан-Франциско (США) приняли новые нормы по обеспечению сейсмостойко¬
сти конструкций, основанные на использовании данной теории. При этом были
введены новые понятия - период вынужденных колебаний (7), коэффициент
затухания, коэффициент поперечных сил и соотношения между ними. После
дальнейших исследований, проводимых также и в Китае, эти нормы стали бо¬
лее приближенными к практике и легли в основу общепринятых методов про¬
ектирования сейсмостойких конструкций. В Китае, как и во многих других
странах мира, теория сейсмического ускорения и принцип надежности были
приняты к использованию при проектировании. Это предполагает использова¬
ние следующего алгоритма проектирования конструкций, подверженных сейс¬
мическим воздействиям:1.	Упругим расчетом определяются сейсмические ускорения. В 2001 году ис¬
следованиями было определены сейсмические ускорения, при этом вероятность
возникновения подобных землетрясений в 50-летний период составила 63%.2.	Рассчитываются реальные пластические свойства конструкции и неупру¬
гие деформации. С учетом пластических свойств материала определяют внут¬
ренние усилия в элементах конструкции для назначения основных параметров
их поперечных сечений. Кроме того, выполняется проверка конструкции по
деформациям, чтобы они не превышали своих предельных нормативных значе¬
ний. Этим закладывается основа надежности конструктивной системы.3.	На следующем этапе проектирования необходимо ограничить проявле¬
ние пластических свойств материала конструкции в пределах, определяемых
нормами.Все перечисленные этапы расчета обеспечивают соблюдение принципа на¬
дежности.3.1.3.	Основы проектирования сейсмостойких конструкцийС 90-х годов XX века многими учеными и исследовательскими института¬
ми США, Японии, Австралии, стран Европы и Китая разрабатывалась теория
сейсмостойкого проектирования. Исследование проблемы обеспечения сейсмо¬
стойкости конструкций шло в направлении от общего к частному. Это дало
возможность проведения анализа уровня сейсмостойкости конструкций в ста¬
тической и динамической постановках задачи при учете упругопластических
свойств материала, это соответствовало новой концепции в развитии теории
проектирования. Тем не менее, основы сейсмического проектирования до на¬
стоящего времени полностью не разработаны. Это связано в первую очередь с
неопределимостью значений сейсмического воздействия, неточностью в описа-64
нии расчетных моделей и свойств материалов при проявлении сейсмических
воздействий; недостаточностью опыта при анализе работы модели конструк¬
ции; неопределенности требования по обслуживанию сейсмически опасных
объектов. Несмотря на это, методы по обеспечению сейсмической безопасно¬
сти конструкций постепенно совершенствуются.3.2.	Нормы и понятие надежности проектирования3.2.1.	Предельные состояния в сейсмических районахПри проектировании в сейсмических районах рассматриваются три вида
предельных состояний: эксплуатационное предельное состояние, предельное
состояние при повреждениях и предельное состояние разрушения. В нормах
Китая по сейсмостойкому проектированию принято три уровня конструктивной
безопасности: здание при незначительном землетрясении не будет иметь по¬
вреждений; при среднем землетрясении здание подлежит восстановлению; при
сильном землетрясении остов здания не обрушается.Эксплуатационное предельное состояние определяется тем, что при нор¬
мальной эксплуатации здания и сооружения нормально работают при сейсми¬
ческих воздействиях. Элементы и конструкции здания не разрушаются или
только получают незначительные повреждения, которые обычно не требуют
ремонта. При проектировании здания с учетом требований эксплуатационного
предельного состояния необходимо обратить внимание на то, чтобы все несу¬
щие элементы конструктивной системы здания имели такой уровень усилий от
сейсмических воздействий, при котором конструкции в основном работали бы
в упругой стадии. В железобетонных конструкциях в предельных состояниях
допустимо появление трещин, но уровень действующих напряжений в арматуре
не должен приводить к значительному раскрытию трещин и раздроблению сжа¬
того бетона. В элементах металлических конструкций в предельных состояниях
не должны возникать значительные деформации и перемещения.Предельное сопротивление конструкций при локальных разрушениях ха¬
рактеризуется тем, что при редких землетрясениях в зданиях могут возникать
более серьезные повреждения. Деформация арматуры такова, что может при¬
вести к значительному раскрытию трещин и раздроблению бетона сжатой зоны.
В элементах металлических конструкций наступает текучесть, что может при¬
вести к недопустимым деформациям и перемещениям. Оценка работоспособ¬
ности конструкций после таких землетрясений определяется расчетом по пре¬
дельным состояниям. При относительно небольших повреждениях конструк¬
ции и элементы еще могут подлежать ремонту. При больших значениях дефор¬
маций и разрушениях поврежденные конструкции уже не восстанавливаются,
так как это экономически невыгодно. Описанное предельное состояние по
нормам сейсмостойкого проектирования Китая относится к оценке уровня
среднего землетрясения. Здание после такого воздействия еще подлежит вос¬
становлению.65
Предельное состояние разрушения характеризуется тем, что при землетря¬
сении здание получает значительные разрушения, но остов не обрушается. С
точки зрения современных стратегических позиций безопасности важнейшим
остается предотвращение человеческих потерь при землетрясении. Вообще го¬
воря, редкое землетрясение приводит конструкции и элементы здания к разру¬
шению и не всегда возникает обрушение здания в целом. При сильном земле¬
трясении в конструкциях обычно возникают значительные неупругие деформа¬
ции, поэтому проектировщик должен обратить внимание на общую устойчи¬
вость остова здания при таких землетрясениях. В таких условиях в нагруженных
конструкциях не возникает разрушений, они испытывают относительно большие
деформации и в целом здание еще может выдерживать эксплуатационную на¬
грузку. Такое предельное состояние по нормам сейсмостойкого проектирования
Китая относится к третьему уровню предельного состояния, при котором остов
здания не обрушается.3.2.2.	Уровни пластичности конструкцийВ основе принципа проектирования сейсмостойких конструкций лежит
способность конструкции поглощать энергию землетрясения. При высоком
уровне нагружения конструкции пластические деформации незначительны, и
наоборот, пластические деформации конструкций с небольшим нагружением
увеличиваются. Зависимость между уровнем нагружения конструкции и пла¬
стичностью показана на рис. 3.2.1. Согласно принципу надежности пластич¬
ность конструкций разделяет на разные уровни.Рис. 3.2.1. Зависимость между уровнем нагружения и деформациямиУпругая реакция конструкции. Некоторые здания вследствие особой их
важности должны иметь такой уровень нагружения, чтобы они всегда находи-66Идеальный упругий эффект
Находится в состоянии упругого эффектаОграниченный эффект пластичности
Требуемая пластичность превышает пределПеремещение АУровень нагружения при
сейсмических воздействиях
лись в упругом состоянии. В конструкциях менее ответственных зданий уров¬
ни нагружения еще могут обеспечить появление в конструкции незначитель¬
ных неупругих деформаций. Анализ и проектирование данных конструкций
могут быть выполнены традиционными методами. Для определения требуе¬
мого сопротивления сечения конструктивных элементов рассчитывают по
предельным состояниям. Когда сейсмическое воздействие не превышает про¬
ектную горизонтальную силу, в конструкциях не будет явных неупругих де¬
формаций, так как при проектировании конструктивных элементов по нормам
принят коэффициент надежности по материалу, обеспечивающий упругую
работу бетона. Такие конструкции имеют некоторые способности к пластич¬
ности и их относят к IV категории сейсмостойкости. Кривая О А А' на рис.
3.2.1 выражает сейсмическую диаграмму реакций.Конструкционная реакция пластичности несущих конструкций характери¬
зуется тем, что расчетная горизонтальная нагрузка на конструктивную систему
здания меньше той, которая вызывает упругие реакции в элементах конструк¬
тивной системы. В конструкциях при этом будут возникать упругопластические
деформации, и необходимы критерии по оценке пластических деформаций (см.
рис. 3.2.1). При приложении сейсмического нагружения на основе реакций пла¬
стичности расчетный объем пластических деформаций в конструкции соответ¬
ственно изменяется. Далее рассмотрим два уровня конструкционной реакции с
позиции степени проявления пластических деформаций.Первый уровень - конструкции, полностью функционирующие при повре¬
ждениях, вызванных пластическими деформациями. Такие конструкции долж¬
ны иметь максимальный потенциал пластичности. Этот потенциал может дос¬
тигаться с помощью расчетов, учитывающих неупругие деформации. Отсутст¬
вие деформационных упругих элементов способствует возникновению упруго¬
пластических деформаций только на определенной части конструкции. Работа
такой конструкции выражается кривой ОСС' (см. рис. 3.2.1).Второй уровень - конструкции с предельными пластическими деформа¬
циями.Некоторые конструкции имеют высокую степень нагружения, которая мо¬
жет уменьшать способность к пластичности. Например, применение многочис¬
ленных стен-диафрагм. Кроме этого, некоторые конструкции здания плохо ра¬
ботают при высоких растягивающих усилиях из-за несимметричных конструк¬
тивных форм и конструктивных распределений. Следовательно, конструкции
должны иметь большие нагружения, чтобы уменьшить условия пластичности.
Такие конструкции относятся к элементам с граничными условиями пластич¬
ности. Работа конструкции, которая подразумевает граничную пластичность,
выражена кривой ОВВ' (см. рис. 3.2.1). Реакционная кривая, более соответст¬
вующая действительности, показана штрихпунктирной линией.Между конструкциями с полной пластичностью и конструкциями с гра¬
ничной пластичностью трудно найти четкую границу. Процесс перехода одной
системы в другую происходит постепенно.67
Большинство современных норм сейсмостойкости учитывают различные
комбинации уровней нагружения и пластичности. Например, по европейским
нормам сейсмостойкости ЕС8 существует три уровня пластичности; каждый
уровень имеет свое проектное сейсмическое усилие, степень надежности, ее
коэффициент и соответствующие конструктивные мероприятия.«Строительство в сейсмических районах» (GB50010-2002) и «Техническая
инструкция по проектированию конструкций многоэтажных зданий» (JGJ 3-
2002) Китая при разных сейсмостойких уровнях, высотах зданий, конструктив¬
ных системах подробно определяют различные уровни зданий по сейсмостой¬
кости (1, 2, 3, 4-й уровни), контролирующие условия пластичности конструк¬
ций. К уровням 1, 2, 3 относятся конструкции с граничными условиями пла¬
стичности, конструкции 4-го уровня относятся к упругим. Подробные нормы, а
также высоты здания А и В приведены в табл. 3.2.1 и табл. 3.2.2.Таблица 3.2.1Уровень А сейсмостойкости высотных зданийКонструктивная системаБалльность6789Каркасвысота (м)<30>30<30>30<30>30<25каркас4* 332211Каркас со стена-
ми-диафрагмамивысота (м)<60>60<60>60<60>60<50каркас4332211стены-диафрагмы32111Стены-диафрагмывысота (м)<80>80<80>80<80>80<60стены-диафрагмы4332211Стены-диафраг-
мы с поддержи¬
вающими пере¬
крытия колонна¬
ми и балкамистены-диафрагмы
не усиленные43322Неприни¬маетсястены-диафрагмыусиленные3221каркас с колоннами
и балками2211Цилиндрическаясхемакаркас с цилиндри¬
ческим внутренним
ядром жесткости32112211цилиндрическиеконструкции3211Панельно-колон¬
ные конструкции
со стенами-диа¬
фрагмамиконструкций с ко¬
лоннами и панелями321Неприни¬маетсястены-диафрагмы22268
Таблица 3.2.2Уровень В сейсмостойкости высотных зданийТип конструкцииБалльность6 баллов7 баллов8 балловКаркас со стенами-
диафрагмамиКаркас211Стены-диафрагмы21особен¬
ный 1Стены-диафрагмыСтены-диафрагмы211Стены-диафрагмыСтены-диафрагмы не усилен¬
ные211Стены-диафрагмы с усиленны¬
ми участками нижних граней11особен¬
ный 1Каркас с каркасными опорами1особен¬
ный 1особен¬
ный 1Каркас с внутренним
ядром жесткостиКаркас211Ядро жесткости21особен¬
ный 1Ствольная конструк¬
ция с внутренним
ядром жесткостиВнешнее ядро21особен¬
ный 1Внутреннее ядро21особен¬
ный 1Примечания:1.	При определении сейсмостойкого уровня приблизительно равный предел высоты нужно соче¬
тать с уровнем несимметричности здания, застройками, условиями основания.2.	В цилиндрических конструкциях с переходными этажами уровень сейсмостойкости принима¬
ется по нормам зданий со стенами-диафрагмами, поддерживаемых перекрытиями с колоннами
и балками.3.	Частично уровень каркаса панельно-каркасных конструкций со стенами-диафрагмами одина¬
ков с уровнем сейсмостойкости у колонн панельно-каркасных зданий.3.2.3.	Принцип надежности конструкцийНа начальном этапе проектирования определяется конструктивная и расчет¬
ная схемы с учетом возможного развития пластических деформаций. При сим¬
метричной форме конструкции лучше обеспечивается ее целостность. Далее оп¬
ределяются области возможного появления пластических шарниров. В этих об¬
ластях тщательно анализируется работа конструкции для обеспечения условия
пластичности таких областей. Большое внимание уделяется анкеровке хомутов.Элемент с пластическими шарнирами должен предотвращать разрушение
от перерезывающей силы, разрушения анкеровки и неупругого разрушения из
за потери устойчивости.Для резервирования несущей способности ответственных узлов каркасов
высотных зданий важно обеспечить исключение в этих узлах образования пла¬
стичных шарниров. Несмотря на редкую повторяемость сейсмических воздей-69
ствий, такие узлы должны проектироваться в рамках упругих участков диа¬
фрагм деформирования.Основные принципы обеспечения надежности конструкций просты прои
условии их качественного выполнения. При проектировании нелинейно де¬
формируемой конструкции, поглощающей энергию, нужны еще более сложные
и комплексные методы. Внутренние силы конструкций при разных по силе
землетрясениях существенно различаются. При этом могут происходить неже¬
лательные перераспределения внутренних сил или образовываться их невыгод¬
ные сочетания. Например, растяжение колонн по расчету может быть незначи¬
тельно или вообще отсутствовать. Но при редких землетрясениях растяжение
колонны может быть очень большим.При проектировании конструкций работающих на растяжение в условиях
изменчивости силовых воздействий, увеличивается количество и вероятность
образования пластичных шарниров и соответственно повышается способность
к работе на растяжение сжатых и изгибаемых элементов. За счет этого предот¬
вращается возникновение сдвига в конструкциях, преждевременное разруше¬
ние узлов сопряжения балок, колонн и основания.Надежность проектирования обеспечивается также различными конструк¬
тивными мероприятиями. Существует много приемов, обеспечивающих живу¬
честь конструктивных систем при внезапных изменениях режимов силового
нагружения. Тем более, что при расчете каркасных зданий трудно предугадать
влияние изменения силовых потоков на сопротивляемость элементов каркаса.
Поэтому большинство объектов проектируется по действующим нормам сейс¬
мостойкого проектирования.3.3.	Критерии концептуального проектированияКонцептуальное проектирование имеет важное значение в надежности кон¬
струкций проектирования.При определении сейсмостойкой конструктивной схемы необходимо учиты¬
вать форму, симметричность, монолитность и т.д., правильно оценивать уровень
нагружения конструкции, жесткость и неупруго деформационную способность к
пластичности при сейсмических воздействиях. Инженеры-конструкторы прежде
всего сталкиваются с вопросом о том, как выбрать лучшую сейсмостойкую схе¬
му, удовлетворяющую всем условиям проектирования. Если есть возможность,
архитекторы и инженеры-конструкторы на раннем этапе проектирования обсуж¬
дают разные выбранные формы здания и внутреннее пространственное располо¬
жение, отказываются от неудобных или особых несимметричных схем.Далее рассмотрен главный критерий концептуального проектирования.3.3.1.	Ограничение несимметричности зданийКонструктивная несимметричность здания приводит к снижению сейсмо¬
стойкости конструкций. Если это не учитывать, возникают непредусмотренные
повреждения или обрушение.70
Благодаря опыту многих стран определен критерий концептуального про¬
ектирования. Например, «Строительные нормы сейсмостойкого проектирова¬
ния» (GB50011-2001), «Техническая инструкция по проектированию конст¬
рукций высотных зданий» (JGJ 3-2002) Китая, европейские нормы (Eurocode 8,
1998), американские нормы (Uniform Building Code, 1997) и Американские ме¬
ждународные строительные нормы (International Building Code, 2003) и т.д. К
характерным чертам относят следующие.При расположении в плоскости предпочтительнее правильные, симмет¬
ричные формы, которые имеют достаточную монолитность. Разница длины
здания L и выступа / не должна быть слишком большой (рис. 3.3.1), L и /
должны удовлетворять условиям табл. 3.3.1; план не должен принимать фор¬
му тонкого пояса.Рис. 3.3.1. Планы несимметричных зданийТаблица 3.3.1Пределы L и /Сейсмостойкий уровеньL/B//Ятах1/Ь6, 7-й уровни<6,0<0,35<2,08, 9-й уровни<5,0<0,30<1,5Расположение конструкций должно снижать кручение. Учитываются влия¬
ние эксцентриситета при сейсмических воздействиях, максимальное горизон¬
тальное перемещение вертикальных элементов этажа (или перемещение этажей
относительно друг друга), которое должно быть больше в 1,2 раза.71
Общая площадь отверстий в перекрытии не должна превышать 30% от
площади перекрытий; размер отверстия в перекрытии не должен быть больше
половины ширины перекрытия.Наиболее благоприятные формы планов высотных зданий симметричные,
равномерные, без значительных изменений. Вертикальная жесткость конструк¬
ции должна изменяться постепенно и в нижней части иметь максимальное зна¬
чение. Вертикальная жесткость этажа должна быть не меньше 70% жесткости
следующего верхнего этажа, или не меньше 80% средней величины вертикаль¬
ных жесткостей трех верхних этажей.Вертикальные элементы конструкции, оказывающие сопротивления гори¬
зонтальным силам, должны соединять между собой верхние и нижние элементы.Когда отношение между высотами Н\ и Н больше 0,2, горизонтальная ве¬
личина В1 должна быть больше В в 0,75 раза (рис. 3.3.2). Когда верхний этаж
выступает относительно нижних этажей, горизонтальная величина В должна
превышать В\ в 0,9 раза, горизонтальная выступающая величина должна быть
не меньше 4 м (см. рис. 3.3.2).Рис. 3.3.2. Выступающие конструкцииЕсли на последнем этаже отсутствуют некоторые стены и колонны, что
обеспечивает свободу планировки, необходимо провести упругодинамический
анализ и принять соответствующие конструктивные меры.Ниже подробно рассказано о важности предотвращения отклонений от
симметричности конструкций.•	Установление отклонений симметричностиВ нормах проектирования в сейсмических районах разных стран только
упоминается о главных типах отклонений. При проектировании объектов часто
встречаются разные отклонения, некоторые из которых в нормах не рассмотре¬
ны. Необходимо обратить внимание на их анализ, установление отклонений,
принять соответствующие меры.Отклонение конструкций возникает по многим причинам. Например, рез¬
кое изменение формы, непостоянство изменения жесткости, особые формы эле¬
ментов, неуместное расположение конструктивных элементов и т.д. Проекти¬72
ровщики должны иметь знания и опыт проектирования, позволяющие обнару¬
жить неблагоприятные конструктивные характеристики.•	Ограничение крутящего эффектаРасположение конструкции в плоскости должно ограничивать эффект за¬
кручивания. Бедствия от землетрясений показали, что отклонение плоскости,
конструкции со слабыми антикрутящими жесткостями, эксцентриситетами
массы и жесткости приводят к серьезным разрушениям при сейсмических воз¬
действиях. Результаты опытов на некоторых макетах с применением виброп¬
лощадок также показали, что крутящий эффект может привести к серьезным
разрушениям конструкций.Эффект закручивания конструкции ограничивается двумя способами.Неправильность распределения конструкции в плане. Возникновение
большого крутящего момента из-за большого эксцентриситета. «Технической
инструкцией по проектированию конструкций высотных зданий» определены
верхние и нижние пределы эффекта закручивания по высоте здания уровня А,
по высоте здания уровня В, комбинированных конструкций и высотных зданий
со сложной конструктивной схемой. При расчете крутящего момента необхо¬
димо учитывать влияние случайных эксцентриситетов. Верхние пределы со¬
ставляют 1,4 высоты здания уровня В комбинированных конструкций и высот¬
ных зданий со сложной конструктивной схемой.Жесткость при кручении конструкции не должна быть слишком малой.
Главная задача - ограничение отношения первого периода собственного коле¬
бания Tt при кручении конструкции к первому периоду собственного колебания
Г/ при поступательном движении конструкции. Когда два периода приблизи¬
тельно равны, крутящий эффект заметно повышается из-за влияния колебаний.
При проектировании планов высотных зданий необходимо обращать внимание
на уменьшение эксцентриситета из-за несимметричности здания и разных зна¬
чений конструктивных жесткостей, а также на уменьшение отношения конст¬
руктивных периодов Г,/Г/. Крутящий момент конструкции зависит не только от
децентрации е/r, но и от увеличения энергетики крутящего момента из-за
большого отношения периодов. Чтобы в дальнейшем понять важность влияния
отношения периода к крутящему моменту, на рис. 3.3.3 показана схема зависи¬
мости вг!и от Г,/7). Комплексно выражено отношение периодов TtITi и соответ¬
ствующее влияние крутящих моментов от децентрации elr. Если отношение
периода Г,/7} меньше 0,5, то соответствующие крутящие эффекты Or!и обычно
маленькие (в - угол закручивания и г - поворотный радиус, Or - перемещение
от центра тяжести из-за крутящего эффекта является поворотным радиусом, и -
перемещение центра тяжести), если эксцентриситет жесткости большой, де-
центрация е достигает 0,7г, соответствующая величина крутящего эффекта
только 0,2. Если отношение периода Г,/7} больше 0,85, соответственные крутя¬
щие эффекты вг!и резко увеличиваются, если эксцентриситет жесткости очень
маленький, децентрация е равна 0,1 г; когда отношение периода TtITi равно0,85, соответственная величина крутящего эффекта достигает 0,5. Отсюда ви¬73
дим, что при проектировании в сейсмических районах должны приниматься
мероприятия по уменьшению отношения периода Т,/Т, для придания конструк¬
ции необходимых крутящих жесткостей. Если отношение периода Г,/Г/ не
удовлетворяет верхнему пределу нормы, то должно регулироваться расположе¬
ние элементов, которые воспринимают горизонтальные силы.Отношение периодов T,/Ti, жесткость на кручение К,, боковая жесткость
К/, крутящая инерта т, и масса т связаны следующим образом:Т, 2я /К, I mtK[Tt 2л4 m,/К, V miKtРис. 3.3.3. Диаграмма вг!и - TJTi74Рис. 3.3.4. Схема вертикальной жесткости
Между жесткостью конструкции на кручение Kt и вертикальной жестко¬
стью Kix по направлению х, вертикальной жесткостью Kiy по направлению у и
жесткостью на кручение элементов конструкции Kti существуют следующие
отношения:+*,<*?+*«>; <3-3-2>
кь = 2Х,;^*=2Х,-	<3-3-3>Из формул (3.3.1), (3.3.2), (3.3.3) видно, что при рациональном расположе¬
нии конструкций, при увеличении отношения Kt к можно уменьшить вели¬
чину Tt!Tu при этом влияние крутящего эффекта уменьшится. Для некоторых
конструкций (например, конструкции галерейных переходов и т.д.) еще нужно
обратить внимание на то, что большое отношение инерционной массы mt к
массе т приводит к увеличению отношения периодов ТУГ/.При расчете крутящего эффекта обычно используют линейно-упругий ана¬
лиз. Как показывает опыт, когда в отдельных элементах, подверженных круче¬
нию, при больших деформациях возникают трещины или разрушения, крутя¬
щий момент конструкции увеличивается дальше, это увеличение намного
больше, чем при упругом анализе. Поэтому при расчете крутящего момента
лучше использовать нелинейно-упругий анализ.•	Функция перекрытийПерекрытия здания имеют большую жесткость в своей плоскости, верти¬
кальные элементы через соединение перекрытий могут влиять на общую спо¬
собность здания к сопротивлению горизонтальным усилиям. Благодаря большой
жесткости в плоскости перекрытия выполняют функцию переборки. Горизон¬
тальные перемещения разных вертикальных конструктивных элементов, оказы¬
вающих сопротивление горизонтальным усилиям, имеют линейные зависимости.•	Влияние формы здания, различной по высотеНа рис. 3.3.5 показано несколько неправильных форм зданий: а - форма
здания, при которой масса концентрируется в верхней части, поэтому требова¬
ния к нижним этажам и основанию предъявляются очень строгие; Ъ - фасад с
сужением, приводящее к возникновению конструктивного эффекта на дискрет¬
ном этаже, такой эффект трудно четко прогнозировать; с - неправильная кар¬
касная схема, где колонна верхней части оперта на ригель нижней части здания;
d - здание, состоящее из двух почти одинаковых по конструкциям частей, но
несмотря на это, одинаковый эффект при сейсмических воздействиях не обес¬
печивается, поэтому все связи между двумя зданиями (галерейный переход)
должны быть рассчитаны на влияние крутящего момента и вертикальных сейс¬
мических воздействий; е - пересечение перекрытий в разных уровнях, жесткое
соединение между перекрытиями и вертикальными элементами теряется, ре¬
зультаты нелинейного анализа в таком случае обычно недостаточно верные.75
Рис. 3.3.5. Различные варианты пересечения перекрытийЛюбое явное отклонение от принципа постоянного изменения жесткости и
нагруженности по высоте здания может приводить к нежелательным и даже
опасным последствиям. На рис. 3.3.6 показано изменение жесткости этажа. При
уменьшении жесткости какого-либо этажа нагруженность тоже уменьшается, что
приводит к появлению больших неупругих деформаций на этом этаже. Такие яв¬
ления становятся главной причиной обрушения при сейсмических воздействиях.На рис. 3.3.7 дано несколько примеров зданий с отклонениями по высоте.
Применяемые стены-диафрагмы являются главными элементами, оказывающи¬
ми сопротивление горизонтальным силам. Если на 1-м этаже необходимо обес¬
печить свободное пространство, проектировщики выполняют стены-диафрагмы,
начиная со 2-го этажа (рис. 3.3.7, а). В данном случае обязательна установка
стен-диафрагм на 1-м этаже, иначе здание обрушится из-за больших деформа¬
ций нижних колонн. Если стены-диафрагмы доводят до основания и на каждом
этаже имеют соединения сплошных балок (рис. 3.3.7, b), то такая конструктив¬
ная схема является самой эффективной. На рис. 3.3.7, с показано расположениеРис. 3.3.6. Изменение жесткостиэтажаРис. 3.3.7. Несколько примеров вертикальнойнеправильности здания76Деформации
панелей в разных уровнях, что может нарушить постоянство жесткости. В ре¬
зультате реализовать достаточно надежную передачу усилий через стыки в уг¬
лах достаточно сложно. Если все панели размещаются на одной вертикали
(рис. 3.3.7, d), тогда получается конструктивная система довольно устойчивая к
горизонтальным нагрузкам.При землетрясении часто наблюдают¬
ся разрушения, связанные с деформацией
дополнительного стального элемента. На
рис. 3.3.8 изображена, кирпичная стена,
увеличивающая конструктивную проч¬
ность при сопротивлении боковой силе.При этом в колонне будет возникать гори¬
зонтальная поперечная сила, влиянием
которой нельзя пренебрегать. Кроме того,
не соответствует требованиям образова¬
ние шарниров пластичности в середине и
по краям указанного элемента. Непрогно¬
зируемое разрушение главных элементов при увеличении нагрузки может
привести к обрушению здания в целом. Поэтому главной задачей конструкто¬
ра является ограничение ожидаемой деформации составляющих элементов
здания при проектировании и строительстве.3.3.2.	Сейсмостойкость и высота многоэтажных железобетонныхзданий•	Каркасно-панельная система со стенами-диафрагмамиКак показала практика, сейсмостойкость обычной каркасно-панельной кон¬
струкции невысока. При землетрясении горизонтальное перемещение системы
больше, при этом совместная работа колонн с плитами при передаче попереч¬
ных сил затруднена. При землетрясении часто наблюдаются разрушения, вы¬
званные потерей устойчивости колонн и нарушением соединений. Как отмече¬
но в ряде литературных источников, цельная каркасно-панельная система не¬
применима при проявлении сейсмических воздействий. Отечественные и ки¬
тайские нормы сейсмостойкости, нормы проектирования железобетонных
конструкций и правила проектирования многоэтажных железобетонных конст¬
рукций исключают эту систему из возможных вариантов конструктивных ре¬
шений.Сейсмостойкость каркасно-панельной системы со стенами-диафрагмами
лучше по сравнению с предыдущей системой. Оценка сейсмостойкости конст¬
рукций имеет различия в проектировании по нормам разных стран мира. Нор¬
мы сейсмостойкого проектирования Китая строго ограничивают высоту кар-
касно-панельного сооружения со стенами-диафрагмами (табл. 3.3.2). Для оцен¬
ки сейсмостойкости этой конструктивной системы на рис. 3.3.9 и 3.3.10 показа¬
ны два каркасно-панельных здания со стенами-диафрагмами, разрушенных в
результате землетрясения в Мексике в 1985 году.77Рис. 3.3.8. Деформация конструкции
Рис. 3.3.9. Каркасно-панельное здание со стенами-диафрагмами (12 этажей):
1 - облицовка фасада, не соединяющаяся с конструкцией; 2 - кирпичная стена
толщиной 14 см; 3 - колонна 35x70 см; 4 - железобетонное ядро толщиной 20 смРис. 3.3.10. Каркасно-панельное здание со стенами-диафрагмами (15 этажей)В здании (см. рис. 3.3.9) стены и колонны 2-го и 5-го этажей разрушились
от кручения в основании стен, в перекрытиях возникли локальные трещины, в
колоннах с 5-го по 11-й этаж возникли трещины значительного раскрытия, ос¬
нование стен-диафрагм просело.В здании (см. рис. 3.3.10) стены и колонны 2-5 этаж разрушились от кру¬
чения, возникли трещины на отдельных участках перекрытия. Конструкции1-4 этажей почти не пострадали, в колоннах с 5-го по 11-й этаж возникли тре¬
щины.783.303.303.303.30
'3.303.303.303.303.303.303.303.303.30
2.75
4.15
3.35Разрез каркаса по оси 2 (м)
Таблица 3.3.2Максимальные высоты железобетонных многоэтажных зданий (м)Конструктивная системаОбщеепроекти¬рованиеСейсмическое
воздействие (баллы)6789Обычный каркас7060554525Каркас со стенами-диафрагмами14013012010050Сгены-диафрагмысплошные15014012010060локальные (прерывистые)13012010080—Цилиндрическаяконструкциякаркасные конструкции с ци¬
линдрическим ядром жесткости16015013010070цилиндрическая конструкция с
внутренним ядром жесткости20018015012080Каркас с панельными стенами-диафрагмами70403530—Примечания:1.	Высота здания определяется по наружной поверхности до верхнего перекрытия, не включая
высоты аппаратной лифта, водохранилища, каркасы которых превышают перекрытие.2.	В таблице приведены данные для симметричных каркасов.3.	Прерывистые стены-диафрагмы опираются на фундамент.4.	Для несимметричных конструкций максимально применимая высота должна понижаться.5.	Для обеспечения сейсмостойкости рекомендуется проектировать здание с запасом на 1 балл по
силе возможного землетрясения; при прогнозируемых воздействиях в 9 баллов необходимо
проведение дополнительных мероприятий.6.	Если в случаях сейсмического воздействия силой 9 баллов высота здания превышает значение,
приведенное в таблице, то данное проектное решение должно быть обосновано и проведены
соответствующие конструктивные мероприятия.•	Каркасные конструкцииВ США, Новой Зеландии и других странах на основании практики проек¬
тирования считают, что здание с прямоугольным каркасом, обладающим доста¬
точной упругостью, имеет хорошую сейсмостойкость. Произошедшие крупные
землетрясения: Тянь-Шань, Китай (1976 г.), Хэпули, Югославия (1963 г.), Вене¬
суэла (1967 г.), Манагура, Никарагуа (1972 г.), Бухарест, Румыния (1977 г.),
Япония (1978, 1995 гг.), Греция (1978 г.), Тайвань (1999 г.) и т.п. характеризова¬
лись множественными обрушениями каркасных конструкций.Анализ последствий этих землетрясений выявил непригодность каркасной
конструкции при сильных сейсмических воздействиях, вызывающих серьезные
разрушения в таких системах. Причинами этого являются деформируемость
основания, потеря устойчивости конструкций, несимметричная в плане конфи¬
гурация зданий, несоблюдение норм проектирования и качества выполнения
строительных работ и т.д. Таким образом, многие факторы достаточно резко
снижают способность восприятия каркасной конструкцией сейсмических воз¬
действий. На рис. 3.3.11 показан сдвиг колонн каркаса здания, вызвавший его
разрушение при землетрясении в Тайване. Это разрушение вызвано сейсмиче-79
ским воздействием в результате недооценки опасности возникновения растяги¬
вающих усилий в колоннах каркаса. На рис. 3.3.12 - каркасное здание, испы¬
тавшее крупные разрушения при землетрясении в Осака-Кобе (Япония), наибо¬
лее серьезные разрушения получили продольные каркасные балки по осям XI,
Х2 и узлы сопряжения балок и колонн. Вследствие этого такая каркасная сис¬
тема не получила широкого распространения. Для высотных зданий, построен¬
ных на ее основе, установлены строгие ограничения (см. табл. 3.3.2).Рис. 3.3.12. План 7-этажного каркасного здания•	Каркасные здания со стенами-диафрагмамиКак показала практика проектирования, разрушительных последствий зем¬
летрясения можно избежать в зданиях каркасного типа симметричной поста¬
новкой вертикальных стен-диафрагм. В этом случае конструкция каркаса лучше
воспринимает кручение и обладают высокой сейсмостойкостью. При землетря¬
сении в Японии конструкции каркаса со стенами-диафрагмами показали
большую сейсмостойкость, чем обычные каркасные конструкции (см. рис.
3.3.13 и 3.3.14). В нормах сейсмостойкого проектирования применимые высоты
для таких конструкций имеют большие значения (см. табл. 3.3.2 и 3.3.3).80Рис. 3.3.11. План здания «Фукуй»Единицы: мм
Рис. 3.3.13. Состояние разрушения стен-диафрагм при землетрясении в Осаке-Кобе:а - план каркасного 7-этажного здания со стенами-диафрагмами; b - состояние стен-диафрагмпри разрушении каркаса81Разрушения северной стороныРазрушения западной стороныРазрушения южной стороныРазрушения восточной стороны
Рис. 3.3.14. Конструкции 24-этажного каркасного здания со стенами-диафрагмами в
Осаке-Кобе, при землетрясении получившие разрушения среднего уровняТаблица 3.3.3Максимальные применимые высоты железобетонных многоэтажных зданий (м)Конструктивная системаОбщеепроекти¬рованиеСейсмическое
воздействие (баллы)678Каркас со стенами-диафрагмами170160140120Стены-диафрагмысплошные180170150130локальные (прерывистые)150140120100Цилиндрическаяконструкциякаркасные конструкции с ци¬
линдрическим ядром жесткости220210180140цилиндрическая конструкция с
внутренним ядром жесткости300280230170Примечания:1.	Высота здания определяется с наружной поверхности до верхнего перекрытия, не включая
высоту аппаратной лифта, водохранилища, каркасы которых выше верхнего перекрытия.2.	Прерывистые стены-диафрагмы опираются на фундамент.3.	Для несимметричных конструкций максимально применимая высота должна понижаться.4.	Для обеспечения лучшей сейсмостойкости рекомендуется проектировать здание с запасом на 1
балл по силе возможного землетрясения, при прогнозируемых воздействиях в 8 баллов необ¬
ходимо проведение дополнительных мероприятий.5.	Если высота здания превышает значение этой таблицы, то такое проектное решение должно
быть обосновано и должны быть проведены соответствующие конструктивные мероприятия.•	Каркасные здания со стенами-диафрагмами и с цилиндрическим
ядром жесткостиС 70-х годов XX века в Китае широко используются конструкции со стена-
ми-диафрагмами. Путем анализа разрушений при землетрясениях и результатов
экспериментальных исследований установлено, что такие системы обладают хо¬
рошей сейсмостойкостью. Цилиндрические конструкции также обладают повы¬
шенной сейсмостойкостью. Благодаря этому можно увеличить высоту зданий.82
В 70-80-е годы XX века в мире существовали разные точки зрения на
оценку сейсмостойкости стен-диафрагм и диафрагм-цилиндров. Опыт земле¬
трясений показал важность стен-диафрагм для обеспечения сейсмостойкости
зданий, позволил сделать общие выводы по данному вопросу. Если конструк¬
ции стен-диафрагм (или цилиндрических конструкций) соединить пластиче¬
скими элементами со связующими балками и обычными стенами здания, то
можно обеспечить хорошую сейсмостойкость. При землетрясении в Японии
(1995 г.) было замечено, что жилые дома с конструкциями стен-диафрагм (вы¬
сотой 10 этажей), подверженные сильным сейсмическим воздействиям, про¬
явили хорошую сейсмостойкость. При этом элементы диафрагм не разруша¬
лись, а в связующих балках наружных стен возникают изгибные разрушения
(рис. 3.3.15, а и рис. 3.3.15, Ь). Анализ последствий землетрясений подтвердил
хорошую сейсмостойкость зданий со стенами-диафрагмами в Хэпули (Югосла¬
вия, 1963 г.) и Бухаресте (Румыния, 1977 г.). Другие конструкции оказались
слабее. То же наблюдалось при землетрясении в Никарагуа (1972 г.).•	Сложные конструкции многоэтажных зданийК конструкциям сложных многоэтажных зданий относятся несимметрич¬
ные системы, проектирование которых предусматривает проведение специаль¬
ных мероприятий, обеспечивающих их сейсмостойкость. Примеры таких зда¬
ний при землетрясениях весьма многочисленны, особенно при наличии дис¬
кретных вертикальных стен-диафрагм (см. главу 9). На опыте эксперименталь¬
ных исследований в отечественных нормах сейсмостойкого проектирования
для конструкции зданий с прерывистыми стенами-диафрагмами приведены со¬
ответствующие способы сейсмостойкого проектирования. Применимость таких
конструкций зданий ограничивается 9-балльным землетрясением, а их высота
ниже, чем при использовании сплошных стен диафрагм.«Техническая инструкция по проектированию конструкций высотных зда¬
ний» содержит ограничение проектирования конструкций в сейсмических рай¬
онах. Под воздействием сейсмики несимметричные конструкции легко прояв¬
ляют недостатки. Для повышения сейсмостойкости конструкций необходимо
соблюдение правил проектирования и соответствующих рекомендаций, прове¬
дение специальных исследований.1.	При 9-балльной сейсмической активности уже не применимы многие
возможные конструктивные решения.2.	При строительстве многоэтажных зданий в районах с сейсмостойкостью
7, 8 баллов не рекомендуется применять более двух различных типов конструк¬
ций (сложные здания). Это приводит к серьезным разрушениям.3.	Для конструкций зданий с разноуровневыми этажами, выполненных на
основе каркасной системы со стенами-диафрагмами, строго ограничивают
высоту здания. При сейсмичности района 7, 8 баллов высоты зданий с разно¬
уровневыми этажами и стенами-диафрагмами должно быть менее 80 и 60 м
соответственно. Конструкции с разноуровневыми этажами имеют несиммет¬
ричную структуру, недостаточное число реакций для восприятия горизон¬83
тальных сил, ослабления из-за разноуровневых этажей. Практика показала,
что такие конструкции обладают меньшей сейсмостойкостью и высота их
должна быть строго ограничена.Рис. 3.3.15. Конструкции каркасных зданий со стенами-диафрагмами в Осаке-Кобе,
при землетрясении получившие разрушения среднего уровня:а - конструкции 10-этажного жилого дома со стенами-диафрагмами; b - состояние конст¬
рукции каркасного 7-этажного здания со стенами-диафрагмами, разрушение неразрезных
балок из-за текучести, стены-диафрагмы не разрушились84
Рис. 3.3.17. План конструкций 15-этажного здания Государственного банка4.	Конструкции многоэтажных зданий не должны иметь жестких соедине¬
ний. При землетрясении более жесткие соединения наиболее подвержены раз¬
рушению. При этом, чем выше здание, тем больше значения реакций в жестких
соединениях, следовательно, необходимо ограничивать применимые высоты
для таких конструкций.5.	При проектировании сейсмостойких цилиндрических конструкций с
внутренним ядром жесткости (пункт В), имеющих разноуровневые этажи и
внешний цилиндр жесткости с панельным каркасом из стен-диафрагм, макси¬
мальное значение применимых высот должно быть меньше, чем значения, при¬
веденные в табл. 3.3.2. Исследования показали, что в этих конструкциях на¬
блюдается существенное изменение несущей способности и передачи усилий
между элементами системы, следовательно, необходимо снижать максимально
применимые высоты. Исследованиями установлено, что снижение определяет¬
ся в пределах 10-20%.85Рис. 3.3.16. Конструкция ствола 18-этажного здания банка Мэнь Шоунеразрезная балкавнешний стволвнутренний стволбалкикаркасжелезобетонные
стены \дополнительные
стены 7
Главная особенность правил состоит в разделении зданий на типы А и В.
Многоэтажные здания типа А проектируются согласно общепринятым строи¬
тельным нормам. Многоэтажные здания типа В требуют соблюдения дополни¬
тельных требований проектирования.Правила требуют соблюдения следующих положений:1.	Железобетонным многоэтажным зданиям типа А соответствуют пре¬
дельные значения высоты, приведенные в табл. 3.3.2, такие конструкции полу¬
чили широкое распространение и многостороннее применение. Если каркасные
здания со стенами-диафрагмами или диафрагмами цилиндрической формы
превышают высоты, указанные в табл. 3.3.2, то такие многоэтажные здания от¬
носят к типу В. Максимально применимые высоты многоэтажных зданий типа
В не должны превышать значений, приведенных в табл. 3.3.3, при этом преду¬
сматривается проведение дополнительных исследований и соответствующих
мероприятий.Каркасные конструкции, конструкции с каркасно-панельными стенами-
диафрагмами и конструкции с сейсмостойкостью 9 баллов, высоты которых
превышают максимально применимые высоты для зданий типа А, из-за недос¬
таточности исследований и отсутствия опытов строительства не могут быть
причислены к типу В.2.	Теперь для обеспечения сейсмостойкости конструкций со стенами-диа-
фрагмами, несмотря на разногласия, исследованиями установлено, что макси¬
мально применимые высоты таких зданий следует снижать. Так, конструкции
со стенами-диафрагмами при 7-балльной сейсмостойкости должны быть ниже
100 м, при 8-балльной ниже 80 м; в многоэтажных зданиях типа В и 9-балльной
сейсмостойкости типа А не следует применять такую конструктивную схему.86
Глава 4. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
4.1.	Постоянные нагрузки (собственный вес здания)4.1.1.	Основные положенияОсновные нагрузки на здание включают постоянные нагрузки (собствен¬
ный вес), временные нагрузки (нагрузки от людей и мебели) и длительные
временные нагрузки. Постоянные нагрузки напрямую зависят от веса здания,
его структуры, размеров сечений конструкций. Архитектор и инженер-проек-
тировщик должны стремиться к обеспечению следующих двух факторов.Снижение веса конструкций (малый удельный вес). Применение легких
высокопрочных, звукоизоляционных и огнезащитных материалов облегчает
собственный вес здания, улучшает комфортность, увеличивает эксплуатацион¬
ные свойства планировочного решения.Точность расчетов. Расчеты постоянных нагрузок составляют основную
базу для проектирования конструкций. Эти расчеты обеспечивают сочетание
безопасности и экономичности строительства.Постоянные нагрузки состоят из четырех частей:1)	собственный вес конструкций (перекрытия, балки, колонны стены-
диафрагмы и элементы ядра). Составляет 60-80% полной нагрузки;2)	собственный вес отделки, гидроизоляции, утеплителя;3)	перегородки, окна и двери;4)	временная нагрузка (нагрузка от людей). Включает вес людей, мебели,
оборудования.В каждой стране существуют свои нормы учета нагрузок. В Китае это «На¬
грузки на строительные конструкции» (GB50009-2001) (табл. 4.1.1).Таблица 4.1.1Нормативные значения временных нагрузок для основных видовперекрытийВид помещенийНормативное значение (кН/м2)1Жилые комнаты, офисы, палата лечебного
учреждения, детский сад22Аудитория, лаборатория23Ресторан, танцевальный зал, спортзал, театр3,54Гараж45Кухня и туалет (жилой дом)26Кухня и прачечная (гостиница)47Эксплуатируемая кровля28Крыша с садом387
4.1.2.	Методы расчета постоянных нагрузок
Основные методы расчета постоянных нагрузокПри расчете постоянных нагрузок используются стандартные значения
достаточно точно определенных нагрузок для типовых этажей (для жилых до¬
мов, гостиниц, офисов). Для крыш и технических этажей также существуют
стандартные значения.Сбор нагрузки должен проводиться в определенной последовательности.
Распределенные нагрузки на плиты, погонные нагрузки на балки, суммарные
нагрузки главных балок и нагрузки на колонны (стены) собираются следую¬
щим образом:1)	распределенные нагрузки на плиты определяются как среднее значение
отношения суммарной нагрузки к площади плиты;2)	после определения распределенных нагрузок на плиты их значения пе¬
редают на балки (стены) в виде линейных нагрузок. Линейные нагрузки балок
передают на главные балки, учитывая собственный вес вышележащих конст¬
рукций. Суммарные нагрузки, затем передают на колонны (стены) в виде со¬
средоточенных сил. Такой принцип определения нагрузок используется при
свободном опирании конструкций.Основы расчета постоянных нагрузокПри определении нагрузки на конструкции здания в некоторых случаях не
учитывается собственный вес балок, а действующая на них нагрузка собирает¬
ся на соответствующие грузовые полосы. При этом распределенные нагрузки
от плит передают на балки (стены), вдоль их центральной оси. Расчеты показа¬
ли, что пренебрежение собственным весом балок приводит к погрешности
суммарных нагрузок на величину 10-20%. В настоящее время проведение рас¬
четов в автоматизированном режиме обеспечивает учет всех постоянных на¬
грузок на конструкции многоэтажных зданий.Необходимо учитывать также собственный вес стен здания, пренебреже¬
ние которым приведет к погрешности суммарных нагрузок в 5%.При определении нагрузки на колонны и стены необходимо к нагрузкам от
вышележащих элементов добавлять собственный вес.При учете временных нагрузок «Нагрузки на строительные конструкции»
(GB 50009-2001) рекомендуют добавлять к постоянным нагрузкам от конструк¬
ций временные, взятые с коэффициентом, учитывающим их тип (табл. 4.1.2).
При этом меньшее значение применяется для зданий, имеющих более 20 этажей,
большее - для 10-этажных зданий и для промежуточных вариантов.4.1.3 Учет собственного весаУчет собственного веса является важным звеном при проектировании
многоэтажных конструкций. Вес здания - значимый фактор, влияющий на
расчеты с учетом сейсмических воздействий, реакцию от ветровой нагрузки и
колебания конструкций. Также он является важным показателем проектиро¬
вания. Масса здания определяется отношением постоянной нагрузки к уско¬88
рению свободного падения. При ее определении используются коэффициенты
из табл. 4.1.2.Таблица 4.1.2Коэффициенты надежности по нагрузкеТип помещенияКоэффициент надежности г]Жилой дом, офис, гостиница, палата0,7-0,55Магазин, гараж, комната с оборудованием0,8-0,55Исследованиями определены распределенные нагрузки от веса перегоро¬
док (стен) 1000-1300кг/м2. Эти значения определяются по табл. 4.1.3.Таблица 4.1.3Средний вес панельных конструкцийТипКаркаснаяКаркасно-Каркасно¬Конструкцияконструкцииконструкциядиафрагменнаяконтинуальная«стена-конструкцияконструкциядиафрагма»Средний вес т/м20,9-1,21,1-1,41,3-1,51,4-1,7Когда здание выше 100 м или больше 30 этажей, его средний вес определя¬
ется максимальным значением по табл. 4.1.3, когда здание ниже 60 м или
меньше 20 этажей, его средний вес определяется минимальным значением по
табл. 4.1.3.Значения, приведенные в табл. 4.1.3, в настоящее время подлежат пере¬
смотру и уточнению, что необходимо иметь в виду при проектировании. Об¬
щий вес здания равен произведению удельной распределенной нагрузки на
общую площадь здания.4.2.	Ветровая нагрузкаВетровая нагрузка является одним из видов динамической нагрузки, при¬
кладываемой горизонтально. При воздействии ветра на поверхность здания пе¬
редается ветровое давление. В общем случае наветренная сторона испытывает
растяжение, подветренная - сжатие. Таким образом, горизонтальная ветровая
нагрузка вызывает изгиб многоэтажного здания.Величина ветровой нагрузки определяется скоростью ветра, плотностью
воздушного потока, типом местности, высотой здания, его конфигурацией,
климатическими особенностями района строительства.При проектировании многоэтажных зданий ветровая динамическая нагрузка
рассматривается в виде эквивалентной статической, от действия которой опреде¬
ляются перемещения здания, устойчивость, возможность опрокидывания. Для
многоэтажного высотного здания сложной конфигурации необходимо проводить89
специальные исследования ветрового воздействия, ускорений ветровых колеба¬
ний для обеспечения их комфортности.4.2.1.	Нормативные значения ветровой нагрузкиНормативное значение нагрузки о\, воздействующей на поверхность зда¬
ния по нормам «Нагрузки на строительные конструкции», определяется по
следующей формуле:сок = Ргц,щ (кН/м2),	(4.2.1)где coq - нормативное ветровое давление (кН/м2); /4 - коэффициент изменения
ветрового давления по высоте; /4 - коэффициент формы ветровой нагрузки;
Д - коэффициент ветрового колебания по высоте z от поверхности земли.Определенная по формуле (4.2.1) ветровая нагрузка, действующая на сим¬
метричное высотное здание, распределяется по треугольному закону.Нормативное ветровое давлениеВ приложении D.4 «Нагрузки на строительные конструкции» (GB 50009-
2001) указано, что в Китае период учета нормативного ветрового давления оп¬
ределяется в 10, 50 и 100 лет. Нормативное ветровое давление щ в зависимо¬
сти от максимальной скорости ц> (м/с), определенной на высоте больше 10 м в
течение 1 минуты, находится по формуле:Щ)=Оо /1600, (кН/м).	(4.2.2)«Правила проектирования железобетонных конструкций высотных зда¬
ний» (JGJ 3-2002) определяют период учета нормативного ветрового давления
(табл. 4.2.1).Таблица 4.2.1Период определения нормативного ветрового давления
для оценки состояния многоэтажных зданийПериод наблюденийЦель исследования10 летРегулирование комфортности50 летОценка ветрового воздействия на здание высотой меньше 60 м100 летОценка ветрового воздействия на здание высотой больше 60 мКоэффициент изменения ветрового давления по высоте здания
Измерения показали, что на разных высотах и при различных рельефах ме¬
стности средняя скорость ветра принимает различные значения (рис. 4.2.1).В нормах «Нагрузки на строительные конструкции» определена формула
для изменения коэффициента ветрового давления по высоте цг\Mz=¥{zlm2a,	(4.2.3)90
где z - высота точки определения ветрового давления от поверхности земли
(м); у/ - коэффициент учета влияния типа местности на ветровой напор; а -
коэффициент, учитывающий тип местности и влияние окружающей застройки
(табл. 4.2.2).Рис. 4.2.1. Изменение кривой ветровой нагрузки по высотеТаблица 4.2.2Расчетные коэффициентыТип местностиАВСD¥1,37910,6160,318а0,120,160,220,3В табл. 4.2.3 расшифрованы типы местности для рис. 4.2.1 и табл. 4.2.2.Таблица 4.2.3Типы местностиТип местностиОсобенность территорииАОстров, побережье,ВЗагородная местностьСЧастая городская застройкаDЧастая высотная застройкаВ нормах «Нагрузки на строительные конструкции» по формуле (4.2.3) оп¬
ределен коэффициент изменения ветрового давления /4 (табл. 4.2.4).91
Таблица 4.2.4Коэффициент изменения ветрового давления по высоте /4Высота от уровня
земли или моря (м)Тип местностиАВСD51,171,000,740,62101,381,000,740,62151,521,140,740,62201,631,250,840,62301,801,421,000,62401,921,561,130,73502,031,671,250,84602,121,771,350,93702,201,861,451,02802,271,951,541,11902,342,021,621,191002,402,091,701,271502,642,382,031,612002,832,612,301,922502,992,802,542,193003,122,972,752,453503,123,122,942,684003,123,123,122,91>4503,123,123,123,12Коэффициент формы ветровой нагрузкиКоэффициент формы ветровой нагрузки /4 отражает закон распределения
ветрового давления по поверхности здания и зависит от формы здания.Для прямоугольного сим¬
метричного высотного здания
коэффициент формы ветро¬
вой нагрузки jus принимается
со знаком «+», если нагрузка
направлена на здание, и со
знаком «-», если нагрузка
направлена от здания (рис.
4.2.2).Для высотных зданий
распределенные горизонталь¬
ные ветровые нагрузки, дей¬
ствующие вдоль здания, при¬
кладываются к элементам его
каркаса. Коэффициент формыРис. 4.2.2. Коэффициент формы ветровой нагрузки92ветер
ветровой нагрузки служит для корректировки значений нагрузки с учетом
формы здания. Как правило, его значение положительно с наветренной сторо¬
ны и отрицательно с подветренной. Формы различных высотных зданий и со¬
ответствующие им коэффициенты формы приведены в табл. 4.2.5.Таблица 4.2.5Коэффициенты формы ветровой нагрузки fis для различных
высокоэтажных зданийНомерХарактеристика формы зданияMs1Прямоугольник, крестовина, Н!В < 4, LIB > 1,51,32Прямоугольник, крестовина, Н!В > 4, L/B < 1,51,43Окружность, эллипс0,84Многоугольник0,8 +1,25Формы F, У, L дуга1,4Эпюры ветрового давления принимаются по направлению ветра.При определении коэффициента формы ветровой нагрузки учитываются
два условия:1.	Неравномерное ветровое давление воспринимают отдельные элементы
поверхности здания. При этом увеличенные значения коэффициента формы
ветровой нагрузки jus определяется следующим образом:с наветренной стороныМ* = +1,5;с подветренной стороныИз = -2,0.	(4.2.4)2.	Условия территории застройки влияют на коэффициент формы ветровой
нагрузки /4: если здание находится среди плотной высотной застройки, то ко¬
эффициент формы ветровой нагрузки /4 изменяется очень сложно. В таком
случае учитывается туннельный эффект ветрового давления.Коэффициент ветровой пульсацииУчет действия ветровой нагрузки на высотные здания предусматривает
учет пульсации ветрового потока. Это увеличивает ветровое давление дейст¬
вующей ветровой нагрузки.Формула для вычисления коэффициента ветровой пульсации имеет сле¬
дующий вид:pz=\ + %v(pzlnz,	(4-2.5)где /4 - коэффициент ветрового давления по высоте здания, определенный по
формуле (4.2.3); <pz - частотный коэффициент колебаний конструкции, вычис¬
ленный по формуле (4.2.6); коэффициент, увеличивающий пульсацию вет¬93
рового давления (формула (4.2.7) и табл. 4.2.6); v- эффективный коэффициент
импульса ветрового давления (табл. 4.2.7).Частотный коэффициент колебаний конструкцийПри анализе кривой ветровой нагрузки считается, что стабильный период
ветрового воздействия на здание обычно больше минуты. Частотный коэффи¬
циент ветровых колебаний учитывает кратковременное импульсное воздейст¬
вие ветровой нагрузки на здание. Как правило, конструкции высотных зданий
имеют равномерные прочностные свойства по высоте. Учитывается частота1-го периода пульсации ветра, колебания высших частот не учитываются. Ко¬
эффициент ветровых колебаний определяется по формуле:<рг=2/Н,	(4.2.6)где z - высота точки определения коэффициента ветрового колебания Д над
поверхностью земли; Н - общая высота конструкции высотного здания (см.
рис. 4.2.2).Коэффициент увеличения импульса ветрового давленияДействие ветровых нагрузок уточняется с помощью коэффициента увели¬
чения импульса ветрового давления £ связанного с нормативным давлением
со0, типом местности, периодом вынужденных колебаний Т\ (s) и коэффициен¬
том затухания колебаний:Г	~~150я- !(Л 900 V
4= 1+ — •> 7 1 + =т ,	(4.2.7)^	\2rj/{ щТ2)где щ - нормативное давление ветра с учетом типа местности кН/м2, формула
(4.2.8); Т\ - период вынужденных колебаний (с); ij - коэффициент затухания,
формула (4.2.9)1,38<иь Тип местности А—	щ	Тип местности В^=1ао -г	(4.2.8)0,62<аь Тип местности С0,32й\) Тип местности D,где О)о - нормативное ветровое давление (кН/м2);0,05 Железобетонные конструкции
ij = - 0,02-0,25 Железобетонные комбинированные (4.2.9)
0,01 Стальные конструкции.По формуле (4.2.7) после определения всех параметров, вычисляется ко¬
эффициент увеличения импульса (микросейсм) ветрового давления £ В «Нор¬
мах учета нагрузок на строительные конструкции» (GB 50009-2001) приведе¬
ны его основные значения (табл. 4.2.6).94
Таблица 4.2.6Коэффициент увеличения импульса (микросейсм) £wQTi (кНс2/м2)0,010,020,040,060,080,100,200,400,60Стальные конструкции1,471,571,691,771,831,882,042,242,36Стальные конструкции
здания с перегородками1,261,321,391,441,471,501,611,731,81Бетонные и кирпичные
конструкции1,111,141,171,191,211,231,281,341,38a>J? (кНс2/м2)0,801,002,004,006,008,0010,0020,0030,00Стальные конструкции2,462,532,803,093,283,423,543,914,14Стальные конструкции
здания с перегородками1,881,932,102,302,432,522,602,853,01Бетонные и кирпичные
конструкции1,421,441,541,651,721,771,821,962,06Оптимальный коэффициент импульса ветрового давленияПрактическими и теоретическими исследованиями динамики сооружений
установлено, что оптимальный коэффициент импульса (микросейсм) ветрового
давления v зависит от высоты здания, отношения высоты к ширине и типа ме¬
стности (табл. 4.2.7).Таблица 4.2.7Оптимальный коэффициент импульса (микросейсм) уН/ВТипыОбщие высоты Н (м)местности<305010015020025030035012345678910А0,440,420,330,270,240,210,190,17< 0 SВ0,420,410,330,280,250,220,200,18С0,400,400,340,290,270,230,220,20D0,360,370,340,300,270,250,240,22А0,480,470,410,350,310,270,260,241 пВ0,460,460,420,360,360,290,270,261,иС0,430,440,420,370,340,310,290,28D0,390,420,420,380,360,330,320,31А0,500,510,460,420,380,350,330,310 пВ0,480,500,470,420,400,360,350,33z,uС0,450,490,480,440,420,380,380,36D0,410,460,480,460,460,440,420,39А0,530,510,490,420,410,380,380,36д пВ0,510,500,490,460,430,400,400,38С0,480,490,490,480,460,430,430,41D0,430,460,490,490,400,470,460,4595
Продолжение табл. 4.2.712345678910А0,520,530,510,490,460,440,420,39S пВ0,500,530,520,500,480,450,440,42С0,470,500,520,520,500,480,470,45D0,430,480,520,530,530,520,510,50А0,530,540,530,510,480,460,430,42я оВ0,510,530,540,520,500,490,460,44о,иС0,480,510,540,530,520,520,500,48D0,430,480,540,530,550,550,540,534.2.2.	Блок-схема расчета ветровой нагрузкой для высотных зданий96НачалоОпределение нормативного ветрового давления со0
в районе строительства зданияОпределения типа местностиОпределение коэффициента ветровой нагрузки \xsПо данным ветрового давления, коэффициента затуханий, периода
вынужденных колебаний определяется коэффициент увеличения
импульса (микросейсм) ветрового давления £Определение оптимального коэффициента импульса
ветрового давления vВычисление коэффициента увеличения ветрового давления по
высоте здания |iz, колебательного частотного коэффициента cpz,
ветрового колебательного коэффициента Р2Определение ветровой нагрузки со,*, приходящейся
в узлы каркаса зданияКонецОпределение горизонтальной ветровой силы, приходящейся в узлы
каркаса здания F, = со,*/*Д, где /?, - высота этажа, 2?, - ширина здания
в направлении, перпендикулярному ветровому направлению
4.2.3.	Нормирование ветровых колебаний от горизонтального
ветрового воздействияВ нормах «Нагрузки на строительные конструкции» приведена простая
расчетная формула по диаметру сечения окружности высотных зданий и воз¬
вышающихся конструкций. Для многоэтажных стальных конструкций гори¬
зонтальное ветровое воздействие и ветровые колебания могут вызвать даже
разрушение. В Китае и других странах накоплен ценный опыт строительства
высотных сооружений, воспринимающих ветровое воздействие.Критические значения горизонтальных ветровых колебанийТеория аэродинамики использует число Рейнольдса для характеристики
колебаний воздушного потока (рис. 4.2.3.)Число Рейнольдса определяется по формулеRe = —,	(4.2.10)Vгде D - диаметр сечения, м; и - скорость ветра, м/с; v - адгезионный коэффи¬
циент воздушного движения v = 1,45 • 10"5м2/с .На основании формулы (4.2.10) получено:Re = 69000uD.	(4.2.11)Рис. 4.2.3. Изменение числа Рейнольдса97(a)	Re <5-отсутствие бифуркаций
(ламинарный воздушный поток)(b)	5 -15 < Re < 40 - равномерное
завихрение воздушного потока(c)	40 < Re < 90 и 90 < Re < 150(d)	150 < Re < 300 - беспорядочное
падение вихревого потока300 < Re< Зх105(e)	ЗхЮ5<Ле<3,5х106(/) 3,5х106 < Re
По величине числа Рейнольдса Re различают три интервала для характери¬
стики воздушного потока:Re < 3 • 105 - докритическая область;3	• 105 < Re < 3,5 • 10б - критический интервал;Re > 3,5 • 10б - закритическая область.Из формулы (4.2.11) следует, что в докритической области скорость ветра
мала и возникает незначительный резонанс, не приводящий к разрушению кон¬
струкции; в критической области воздействие резонанса также мало и им мож¬
но пренебречь; в закритической области скорость ветра значительна, что вызы¬
вает существенный резонанс. На этом основывается характеристика горизон¬
тальных ветровых колебаний высотных конструкций.Оценка резонанса, вызванного закритическим ветровымвоздействиемЕсли ветровая скорость верхней точки конструкции Он больше, чем пре¬
дельное значение осп то в закритической области будет возникать резонанс от
воздействия горизонтальной ураганной ветровой нагрузки, что требует норми¬
рования этой нагрузки.•	Предельная ветровая скорость о„В закритической области частота спада п5 характеризуется числом Струха-ле SSt=nsD/u.	(4.2.12)Для круглого сеченияS, = 0,2.	(4.2.13)Если конструкция входит в предельный резонанс при горизонтальном воз¬
действии ветра, то ее частота собственных колебаний п\ равна частоте спада
при подветренном завихрении ns:tii=ns.	(4.2.14)Из формул (4.2.12)-(4.2.14) определяется подветренная предельная ско¬
рость исг (м/с):!ЬО = щО=_£_=5В
S, S, TyS, Т,где Т\ - основной период собственных колебаний конструкции при горизон¬
тальном ветре, с.Из формулы (4.2.15) следует, что если конструкция тонкая, то основной
период ее собственных колебаний при горизонтальном ветре больше, а пре¬
дельная ветровая скорость исг низкая, что способствует образованию горизон¬
тальных ветровых колебаний. Напротив, для широкой конструкции основной
период собственных колебаний от действия горизонтального ветра более ко¬
роткий и предельная ветровая скорость исг увеличивается, что затрудняет появ¬
ление ветровых колебаний.98
•	Ветровая скорость вершины здания ОнЗная нормативное ветровое давление 0)о, значение его коэффициента на
вершине здания цн и дифференциальный коэффициент ветровой нагрузки гт
можно определить проектное ветровое давление на вершине здания он.тн - г\*№нЩ •	(4-2.16)Пользуясь формулой определения ветрового давления и ветровой скорости
(4.2.2), определяют ветровое давление на вершине здания а>н и ветровую ско¬
рость на вершине здания Он'.<%= i^/l 600.	(4.2.17)Из формул (4.2.16)-(4.2.17) определяется ветровая скорость на вершине
здания ин:он = ^\600rwjuHcob 9 (м/с),	(4.2.18)где rw - дифференциальный коэффициент ветровой нагрузки; /лн - коэффици¬
ент ветрового давления на вершине здания (см. табл. 4.2.4); соо - нормативное
ветровое давление, кН/м2 (см. «Нагрузки на строительные конструкции»
(GB50009-2001)).Из формулы (4.2.18) следует, что если при определенном местонахожде¬
нии здания нормативное давление большое и само здание достаточно высо¬
кое, то ветровая скорость на вершине здания ин больше и в результате легко
появляются горизонтальные ветровые колебания. Напротив, при малом нор¬
мативном давлении и малой высоте здания ветровая скорость на его вершине
Off будет ниже критической. ин < исг и явление резонанса появляться не будет,
соответственно не надо оценивать влияние горизонтальных ветровых колеба¬
ний.•	Резонансная зона закритического ветрового воздействияВ резонансной зоне закритического ветра (и2> исг) учитываются эквива¬
лентные горизонтальные ветровые нагрузки (рис. 4.2.4): Н\ - начальная высотазакритической ветровой скорости vcr,
Н-Н\- резонансная зона закритическо¬
го ветра.Из формул (4.2.16) и (4.2.17) полу¬
чим проектное ветровое давление о)Н\ на
высоте Н\\Юнх -rwHH\°h — 1 • (4.2.19)
loUUИз формул (4.2.16), (4.2.17) и(4.2.19)	получим• (4.2.20)ИнРис. 4.2.4. Резонансная эквивалентная
ветровая нагрузка99
Выражение для изменения коэффициента ветрового давления по высоте
(формулу (4.2.3) подставим в (4.2.20)):vcrl °н ={Н\1 Н)2а.	(4.2.21)Из формулы (4.2.21) следует, чтоj_Н\ = Н(осг/ин)а,	(4.2.22)где а-коэффициент уровня застройки местности (см. табл. 4.2.2).Опыт строительства показывает, что при увеличении высоты здания также
возрастает скорость ветра, превышая предельное значение в 1,3-1,4 раза. В
данном случае с отметки этой высоты до перекрытия здания не будут возни¬
кать горизонтальные ветровые колебания. Явление резонанса в закритической
области проявляется в перекрывающейся зоне, для которой ветровая скорость
составляет и= исг~ 1,3(1,4)исг. Если скорость и< l,39(l,4)ucr, то зона роста вет¬
рового резонанса определяется интервалом Н-Н\, как показано на рис. 4.2.4.•	В резонансной зоне закритической области при проектировании при¬
нимается эквивалентное значение горизонтальной ветровой нагрузки.В нормах «Нагрузки на строительные конструкции» (GB50009-2001) ука¬
зано, что ветровую резонансную зону закритической области для круглого се¬
чения {Н-Н\) на высоте Z следует заменять эквивалентной горизонтальной
ветровой нагрузкой по у-ой форме типового колебания o)CZJ:= |Л,.|и>„./(12800£), (кН/м2),	(4.2.23)где Xj - вычисленный коэффициент горизонтального ветрового колебания по j-ой
форме типового колебания (табл. 4.2.8); ^-коэффициент, принимаемый по j-ой
форме типового колебания на высоте Z (табл. 4.2.8); § - коэффициент затухания,
отношение значения по j-ой форме типового колебания к первой форме (сталь¬
ная конструкция - 0,01, стальной каркас здания - 0,02, бетонная конструкция -
0,05); для высшей формы типового колебания, при отсутствии данных исследо¬
ваний, можно принимать отношение затухания первого типового колебания.Таблица 4.2.8Значения AjТипзданияНомертиповогоколебанияНх/Н00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0Высотноездание11,561,551,541,491,421,311,150,940,680,37020,830,820,760,600,370,09-0,16-0,33-0,38-0,27030,520,480,320,060,19-0,30-0,210,000,200,23040,300,330,02-0,20-0,230,030,160,15-0,05-0,180Много¬этажноездание11,561,561,541,491,411,281,120,910,650,35020,730,720,630,450,19-0,11-0,36-0,52-0,53-0,360100
Таблица 4.2.9Коэффициент типового колебания высотных конструкцийОтносительная
высота z/HНомер типового колебания12340,10,02-0,090,22-0,380,20,08-0,300,58-0,730,30,17-0,500,70-0,400,40,27-0,680,460,380,50,38-0,63-0,030,680,60,45-0,48-0,490,290,70,67-0,18-0,63-0,470,80,740,17-0,34-0,620,90,860,580,27-0,021,01,001,001,001,00•	Комбинированный эффект типового колебанияПри определении горизонтальной ветровой резонансной нагрузки, на мно¬
гоэтажное здание учитывается комбинация I и II формы основных колебаний,
для высотной конструкции учитывается комбинация I, II, III и IV форм основ¬
ных колебаний.По теории стохастических колебаний комбинированный эффект типового
колебания определяется по формулеSa=JyS,	(4.2.24)где SC2 - проектное значение комбинированного эффекта при резонансе гори¬
зонтальной ветровой нагрузки; Saj - проектное значение эффекта при ветровом
резонансе j-го типового колебания.•	Взаимодействие горизонтальной ветровой нагрузкой и комбиниро¬
ванного эффекта с подветренной стороны зданияГоризонтальная ветровая резонансная нагрузка сопутствует эффекту под¬
ветренного ветрового давления и колебаниям, но не обязательно усиливает его.
По теории стохастических колебаний вычисляют общий комбинированный
эффект по следующей формуле:S = 4S1 + S2A,	(4.2.25)где S - проектное значение комбинированного эффекта горизонтальной и под¬
ветренной ветровой нагрузки; Scz - проектное значение комбинированного эф¬
фекта при действии горизонтальной эквивалентной ветровой нагрузки; SA -
проектное значение эффекта подветренной ветровой нагрузки. Из формул
(4.2.24), (4.2.25) следует, что комбинированный эффект определяется конст¬
руктивным решением, внутренними усилиями и перемещениями, вызываемы-101
ми горизонтальной и подветренной эквивалентными ветровыми нагрузками.
Направление горизонтальной ветровой нагрузки перпендикулярно направле¬
нию подветренной, при этом их эффекты и воздействие комбинируются путем
векторного сложения соответствующих сил и перемещений. Поэтому при вы¬
числении комбинированного эффекта по формуле (4.2.25) угловое воздействие
особенно велико при значительном кручении и деформировании конструкции,
которые усиливают данный эффект.•	Определение горизонтального ветрового колебания для конструкций
некруглых сеченийОпределение горизонтального ветрового колебания для конструкций не
круглых сечений достаточно сложно. Необходимо проведение аэродинамиче¬
ских испытаний и дополнительных научных исследований.Примеры определения горизонтального ветрового колебанияПример 1. Рассматривается 64-этажное здание офиса со стальным карка¬
сом, высота здания Н= 221,2 м, диаметр сечения D = 40 м, число струхаляS,	= 0,2, период собственных колебаний Т\ - 4,85 с, коэффициент затухания
^ = 0,02, тип местности D-ovi а= 0,3, нормативное давление <аь = 0,7 кН/м2 (за
период 50 лет).Найти значение горизонтальной эквивалентной ветровой нагрузки по пер¬
вой и второй типовым формам колебаний 0)„\, (оаг, а также значение подвет¬
ренной ветровой нагрузки на верхней части конструкции (Оан-Решение: горизонтальная критическая скорость ветраvcr=5D/Tl =5-40/4,85 = 41,2 м/с;Мн = У'(фО)2а = 0,318(211,2/Ю)2х0’3 = 1,98;vH = J l600rwuH щ = J1600-1,4 -1,98 -0,7 = 55,8 м/с = l,35t)cr >0сг< 1,4 исгЯ, =Н(осг/ин)а = 211,2(41,2/55,8)°>3 =76,8 м;из табл. 4.2.8:0 364-0 3Я) =1,49-(1,49-1,41)-	=1,44;0,4-0,30 364-0 3Л2 = 0,45-(0,45-0,19)-	’ =0,28;0,4-0,312800£i 12800-0,02= №^2 = 0,28-41,22-g>,2 =12800^2 12800-0,02102
Из табл. 4.2.9 определяем, что на участке (Н - Н\) проектное значение го¬
ризонтальной эквивалентной ветровой нагрузки а>С2\, <yra2 результаты промежу¬
точного расчета отражены в табл. 4.2.10 и на рис. 4.2.5.z/H<Pz\G>cz\<Pz26>cz20,3640,2342,23-0,62-1,150,40,272,58-0,68-1,260,50,383,63-0,63-1,170,60,454,3-0,48-0,890,70,676,4-0,18-0,330,80,747,070,170,320,90,868,210,581,08119,5511,86Определяем значение подветренной в верхней части конструкции:
цн = viz/Wf* = 0,318(211,2/10)2х0-3 = 1,98;щТ? =0,32-0,7-4,852 = 5,28 кНс2/м2.Из табл. 4.2.6, для стальной конструкции находим:г = 3,09+ (3,28-3,09)-	= 3,21;6-4Н/В =211,2/40 = 5,28;Н = 211,2.Уровень застройки - местность типа D.Рис. 4.2.5Таблица 4.2.101039,558,217,076,404,303,632,582,250,33-0,89-1,17-1,26-1,151,861,080,32
Из табл. 4.2.7, находим v = 0,53.pzH =\ + 4v<pH/MH =1 + 3,21 0,53-1/1,98 = 1,86.Значение подветренной ветровой нагрузки в верхней части конструкции:<*>ан =гЛ^яйЬ = 1,4-1,86-0,8 1,98-0,7 = 2,89кН/м2.Пример 2. Железобетонная конструкция, коэффициент затухания § = 0,05,
остальные условия взяты по примеру 1.Решение: горизонтальная критическая скорость ветраосг=^- = 41,2 м/с;* 1Ин = ^(г/Ю)2а = 1,98;vH = J \ 600гк/лн<щ = 55,8 м/с = 1,3 5и„. ^ °асг ;<1,4 исг_1_Я, = H(vcrlvH)a = 76,8 м;Из табл. 4.2.8Я, =1,44,Яг =0,28,44-41,2У„12800^ 12800-0,05„= 0,28-41,2г -уг2 = 0 74
12800^2 12800-0,05Из табл. 4.2.9 определяем, что на участке высоты (Н - Н\) проектированное
значение горизонтальной эквивалентной ветровой нагрузки о)С2\, 0)CZ2. Результа¬
ты расчета приведены в табл. 4.2.11 и на рис. 4.2.6.Таблица 4.2.11z!H(Рг\&CZ 1(PzlCOczl0,3640,2340,89-0,62-0,460,40,271,03-0,68-0,50,50,381,45-0,63-0,470,60,451,72-0,48-0,360,70,672,56-0,18-0,130,80,742,830,170,130,90,863,290,580,43113,8210,74104
Рис. 4.2.6. К расчету примера 2Определяем значение подветренной ветровой нагрузки на верхнюю часть
конструкции:Мн = ^(Z/10)2“ = 1.98;
щ Г,2 = 5,28 кНс2/м2.Из табл. 4.2.6, для железобетонной конструкции4	= 1,65 + (1,72 -1,65) •5,28 ~ 4 =1,69.6-4Я/5 =211,2/40 = 5,28;Н = 211,2.Уровень застройки - местность типа D. Из табл. 4.2.7, находим v = 0,53.
pzH =\ + 4v<Ph/mh =1 + 1,69-0,53 1/1,98 = 1,45.Значение подветренной ветровой нагрузки в верхней части конструкции:<*>А н =	= 1,4 • 1,45 • 0,8 • 1,98 • 0,7 = 2,25 кН/м2.Из рассмотренных примеров следует:1.	Для круглых сечений стальных конструкций высотных зданий, воспри¬
нимающих значительное ветровое давление, горизонтальный ветровой резо¬
нанс на много больше подветренной ветровой нагрузки в (9,55/2,92 = 3,27 раза),
что необходимо учитывать при проектировании.2.	Для круглых сечений высотных железобетонных конструкций, воспри¬
нимающих значительное ветровое давление, горизонтальный ветровой резо¬
нанс больше подветренной ветровой нагрузки в (3,82/2,25 = 1,7 раза), воздейст¬
вие такого эффекта также необходимо учитывать при проектировании наряду с
возможностью кручения конструкции.3.82
3,292.83
2,56
1,72
1,45
1,03
0,890,740,430,130,13-0,36-0,47-0,5-0,46
3.	При проектировании прямоугольного (или другого) сечения высотного
здания, воспринимающего значительное ветровое давление, необходимо про¬
водить дополнительные аэродинамические испытания и исследования, особен¬
но для стальных конструкций.4.3.	Сейсмическое воздействиеСейсмическое воздействие - одно из важнейших явлений, которые воспри¬
нимают строительные конструкции высотных зданий. Сейсмический эффект
оценивается в баллах по описательной шкале интенсивности сотрясений зем¬
ной поверхности, основан на реакции людей, на изменениях строительных и
природных объектов. Сейсмический эффект зависит как от величины (магни¬
туды) землетрясения, так и от удаленности и глубины залегания сейсмического
очага, спектральных характеристик сейсмических волн, а также от местной
геологии, собственной массы здания, периода, типа колебания, затухания и т.д.В зарубежном строительном проектировании зданий в сейсмических рай¬
онах обычно используют два метода. Первый метод - аналого-статический -
спектр эффектов ускорения, который выражается комплексным отражением ве¬
личины и распределения сейсмического эффекта. Используя спектр эффектов,
получают коэффициенты сейсмических воздействий, далее горизонтальный
сейсмический эффект. Такой метод широко применяется и подходит для подав¬
ляющего большинства зданий. Другой - прямой динамический - метод анализа
по времени. На основе сейсмической активности области и характера грунтов
выбираются некоторые соответствующие записи ускорений движений поверхно¬
сти при сейсмических воздействиях или искусственные аналого-композицион-
ные диаграммы по времени. Через интегральные величины решаются динамиче¬
ские уравнения и получаются перемещения скорости и ускорения строительных
конструкций при моделировании сейсмических движений. Такой метод подхо¬
дит для особо важных, несимметричных по форме и высотных зданий.4.3.1.	Проектная сейсмичность и категория сейсмостойкости здания
Проектная сейсмичностьПроектная сейсмичность обычно обозначает основную сейсмичность ука¬
занных мест, измеренную с определенным интервалом с достоверной вероят¬
ностью 10%.В строительных категориях сейсмостойкости обычно принимают проект¬
ную сейсмичность здания на месте, в котором здание будет находиться. Про¬
ектную сейсмичность особо важных зданий можно увеличивать или уменьшать
для зданий, не имеющих особого значения.Высотные здания со сроком эксплуатации 50 лет проектируют по «Строи¬
тельным сейсмостойким нормам проектирования» (GB50011-2001, приложе¬
ние А) с соответствующим сейсмическим параметром. Для особо важных зда¬
ний или зданий со сроком эксплуатации 100 лет проектирование проводится по
специальным нормам.106
Классификация сейсмостойкости зданияВ «Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB50011-
2001) выделяют четыре типа зданий, определенных на основе важности экс-
плутационных функций:1-й	тип зданий - важные строительные объекты с возможностью возник¬
новения серьезных побочных эффектов при сейсмических воздействиях;2-й	тип зданий - эксплуатационные функции зданий не должны быть на¬
рушены или их нужно срочно восстанавливать при сейсмических воздейст¬
виях;3-й	тип зданий - кроме зданий 1, 2, 3, остальные - общие здания;4-й	тип зданий - второстепенные сейсмостойкие здания.Категория сейсмостойкости зданияВ «Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB50011-
2001) выдвинули четыре категории сейсмостойкости здания.1-й	тип зданий: сейсмические эффекты - при расчете сейсмических эффек¬
тов используют балл сейсмичности, превышающий балл сейсмичности района
строительства.2-й	тип зданий: сейсмические эффекты - расчеты производят по баллам
сейсмичности района строительства.Сейсмостойкие мероприятия: если сейсмическая активность составляет
девять баллов, проводят проектирование зданий для уровня сейсмостойкости
здания выше на один уровень.3-й	тип зданий: сейсмические эффекты - расчет сейсмических эффектов
производят по баллам с.ейсмичности района строительства.Сейсмостойкие мероприятия: проектирование производятся по требова¬
ниям проектной сейсмичности.4-й	тип зданий: сейсмические эффекты - в общем случае, сейсмические
эффекты рассчитываются по баллам сейсмичности района строительства.Сейсмостойкие мероприятия: при проектировании позволяется снижение
баллов сейсмичности.4.3.2.	Цели сейсмического проектированияВ «Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB50011-
2001) обозначены три цели сейсмостойкого проектирования.1.	Здание при низкобалльном землетрясении не разрушится.Здание испытывает частые землетрясения, которые ниже проектного балла
сейсмичности района строительства. Таким образом, здание при небольшом
землетрясении не разрушится.2.	Здание после среднебалльного землетрясения можно отремонтировать.Здание испытывает случайно происходящее землетрясение (среднебалль¬
ное землетрясение), при этом может разрушиться, но возможно его использо¬
вание после восстановления и реконструкции.3.	Здание при высокобалльном землетрясении не обрушается и не падает.107
Когда здание испытывает редко происходящее землетрясение, балльность
которого больше проектной на один балл (высокобалльное землетрясение),
здание не обрушается или не возникает серьезных разрушений, наносящих
вред человеческим жизням.4.3.3.	Диаграмма горизонтальных сейсмических
воздействий - спектр эффектов ускоренияВ «Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB50011-
2001) предложена диаграмма горизонтальных сейсмических воздействий -
спектр эффектов ускорения движения поверхности, площадки для зданий со
сроком эксплуатации проектирования 50 лет (рис. 4.3.1).Рис. 4.3.1. Диаграмма горизонтальных сейсмических воздействий - спектрэффектов ускорения:а - коэффициент при горизонтальных сейсмических воздействиях; ах - максимальный
коэффициент при горизонтальных сейсмических воздействиях (табл. 4.3.1); Т - период
собственных колебаний конструкции; Tg - период характеристики района площадки
(табл. 4.3.2); щ - регулируемый коэффициент падающего градиента (табл. 4.3.1); rj2 - ре¬
гулируемый коэффициент затухания (табл. 4.3.2); у- коэффициент затухания (табл. 4.3.3)Таблица 4.3.1Максимальный коэффициент при горизонтальных сейсмическихвоздействиях а^ах^\^-^^Проектная сейсмическая
^ балльностьУС1соРениеКатегорияпроектной сейсмичности6баллов7баллов8баллов9баллов0,05g0,1 gОД 5g0,2 g0,3 g0,4gСлабое сейсмическое воздействие0,040,080,120,160,240,32Сильное сейсмическое воздействие0,230,050,720,901,21,4g- ускорение центра тяжести 9,8 м/с2.108
Таблица 4.3.2Период характеристики площадки Tg (с)Группы проектирования
по землетрясениямКлассификация площадкиIIIIIIIV1-я группа0,250,350,450,652-я группа0,300,400,550,753-я группа0,350,450,650,90Таблица 4.3.3Максимальные ускорения движений поверхности земли а^хПроектная6r89сейсмическая балльностьбалловбалловбалловбалловМаленькое землетрясение0,01 Sg0,035g0,055g0,07g0,11 g0,14*Среднее землетрясение0,05 go.lg0,15*0,2 g0,3 g0,4gБольшое землетрясение0,1 g0,22 g0,22g0,4g0,51 g0,62 gПри проектной сейсмичности района строительства 8, 9 баллов, при кон¬
тролировании редких землетрясений, значения периода характеристики пло¬
щадки в таблице должны обычно увеличиваться на 0,05 с.Образование спектра эффектов ускорения рассчитывается, если отношение
затухания конструкции, классификация площадки, группа проектирования оп¬
ределены. Коэффициент при горизонтальных сейсмических воздействиях а
главным образом зависит от максимального ускорения движения поверхности
Ятах, Так же как И максимальный коэффициент при горизонтальных сейсмиче¬
ских воздействиях amaLX оо атаХ.В «Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB50011-
2001) предложены три максимальных ускорения движений поверхности при
разной проектной сейсмической балльности (табл. 4.3.3).Из OnтаХ оо Яшах и табл. 4.3.3, получаем максимальный коэффициент при го¬
ризонтальных средних сейсмических воздействиях атах(табл. 4.3.4.).Таблица 4.3.4Максимальный коэффициент при горизонтальных средних
сейсмических воздействиях атяхПроектная
сейсмическая балльность6баллов7баллов8баллов9балловВоздействие среднего землетря¬
сения (конструкции находятся на
упругом основании)0,110,230,330,460,660,9109
7, SO;	(4.3,)= 1 + (0,05-^) >055	(432)0,06 + 1,7^M+^os-i)0,5 + 5£где £- коэффициент затухания.«Строительные сейсмостойкие нормы проектирования» (GB50011-2001),
«Технической инструкции по проектированию конструкций высотных зданий»
(JGJ 3-2002), «Технические нормы металлических конструкций для высотных
зданий» (JGJ99-98) выдвинули некоторые отношения значения затуханий ко¬
лебаний конструкций коэффициенты затухания при различных проектных
уровнях сейсмичности (табл. 4.3.5).Таблица 4.3.5Коэффициент затухания колебаний конструкцийТипыконструкцийКатегория\^проектнойсейсмичностиМеталлическиеконструкцииСталебетон¬
ные комби¬
нированные
конструкцииЖ.Б.К.< 12 этажей> 12 этажейПри маленьких сейсми¬
ческих воздействиях0,0350,020,040,05При больших сейсми¬
ческих воздействиях0,050,05СоответственноувеличиваетсяДля металлических конструкций £=0,02 и железобетонных конструкций
£=0,05. На рис. 4.3.2 и 4.3.3 показаны диаграммы - коэффициенты эффектов
ускорения при горизонтальных сейсмических воздействиях. Сравнивая диа¬
граммы, видим, что при 7} < Tg значение коэффициента при горизонтальных
сейсмических воздействиях а для металлических конструкций больше, чем для
железобетонных конструкций, на 30%; при длительных периодах Tj>5Tg еще
больше на 20%.В «Строительных нормах сейсмостойкого проектирования» (GB50011-
2001) разработаны параметры землетрясений поверхности земли (максималь¬
ное ускорение, спектр эффектов ускорения, характеристика площадки и т.д.),
которые рассчитывают при сейсмостойком проектировании конструкций об¬
щих зданий со сроком эксплуатации 50 лет. Для временных зданий со сроком
эксплуатации меньше 50 лет ведут сейсмостойкое проектирование по «Строи¬
тельным нормам сейсмостойкого проектирования» (GB50011-2001). Для важ¬
ных зданий со сроком эксплуатации больше 50 лет нужно изучать аттестованные110
Рис. 4.3.2. Диаграммы - коэффициенты эффектов ускорения при горизонтальных сейс¬
мических воздействиях (£= 0,02):1 - строительная площадь I группы; 2 - то же II группы; 3 - то же III группы; 4 - то же IV группыРис. 4.3.3. Диаграммы - коэффициенты эффектов ускорения при горизонтальных сейс¬
мических воздействиях (£= 0,05):1 - строительная площадь I группы; 2 - то же II группы; 3 - то же III группы; 4 - то же IV группы111
отчеты безопасности по землетрясениям и проводить сейсмостойкое проекти¬
рование. В общих случаях, максимальное ускорение и максимальный коэффи¬
циент при сейсмических воздействиях Ощах увеличиваются.При загрублении фундамента здания с подвалом жесткость его увеличива¬
ется. При сейсмических воздействиях для фундамента относительно поверхно¬
сти земли максимальное ускорение и максимальный коэффициент уменьшают¬
ся. Для расчета сейсмостойкости нужно рассматривать общую модель здания с
учетом подвала.4.3.4.	Расчет горизонтального сейсмического воздействия по
методу поперечной силы в основанииРеактивный спектр - метод поперечной силы в основании - является про¬
стым методом для расчета горизонтального сейсмического воздействия, при
проектировании сейсмостойких конструкций высотных зданий. Данный метод
дает точные результаты для зданий высотой < 40 м, имеющих каркасную кон¬
струкцию с равномерно распределенной жесткостью и массой по высоте, де¬
формирующуюся по схеме сдвига.В «Строительных нормах сейсмостой¬
кого проектирования» (GB 50011-2001) ре¬
активный спектр описывается рис. 4.3.4,
согласно которому вычисляются горизон¬
тальные сейсмические воздействия по ме¬
тоду поперечной силы в основании.На рисунке: FEk - общее сдвигающее
усилие в основания конструкции при гори¬
зонтальных сейсмических воздействиях
(формула (4.3.4); Ft - сдвигающее усилие
сосредоточенной массы (этажный узел)
z(z = 1 In) при горизонтальных сейсмических
воздействиях (формула (4.3.5); AFn - зна¬
чения дополнительных сдвигающих сейс¬
мических воздействий в самом верхнем
этаже здания (формула (4.3.6); G/, G, - сосредоточенная масса от собственного
веса и постоянной нагрузки z-го и у-го этажа (этажный узел); Hi9 Hj - высота z-
ой и j-ой сосредоточенной массы (этажного узла) от уровня земли; G„ - сосре¬
доточенная масса от собственного веса и постоянной нагрузки п-го этажа в
форме башни (последний этажный узел); Н- высота сосредоточенной массы п-
го этажа (последнего этажного узла п) от уровня земли:Fek = a\Geq\	(4.3.4)(4.3.5)XGjHj7=1Рис. 4.3.4. Реактивный спектр - ме¬
тод поперечной силы в основании112
AFn=S„FEK,	(4.3.6)где а\ - коэффициент горизонтального сейсмического воздействия в зависимо¬
сти от периода собственных колебаний Т\, вычисляется по формуле (4.3.7):(т Y’9ах = — апих - для железобетонных конструкций;\т\(т Y’9= 1,321«шах - Для стальных конструкций;	(4.3.7)Geq - эквивалентная суммарная нагрузка:Ge9=0,85£(?,.;	(4.3.8)j=iS„ - коэффициент горизонтального сейсмического воздействия для зданий с
башенным этажом:0(71<1,4Гг)0,0871+0,07 (Г. <0,35 с)
"■H0,08^0,01(2VS0,35-0,55c)7'>1-47'-	<***>0,087;-0,02 (Tg < 0,55 с)Из формулы (4.3.5) видно, что когда здание равномерно по вертикали, то
горизонтальное сейсмическое воздействие распределяется по вертикали при¬
ближенно по треугольнику.Коэффициент сейсмического влияния для зданий с башенным этажом
(формула (4.3.9) не изменяет величину общего сейсмического воздействия, но
наглядно отображает более рациональное распределение сдвигающих усилий
по высоте здания.Горизонтальное усилие от сейсмических воздействий, возникающих в са¬
мом башенном этаже F6, следует определять по формулеFB=3^(F„+AFn),	(4.3.10)где Gb - нагрузка от башенного этажа.4.3.5.	Расчет горизонтальных сейсмических воздействий по
методу дезинтеграции (декомпозиции) типа колебанийРеактивный спектр дезинтеграции (декомпозиция) типа колебаний - это
расчетный метод горизонтального сейсмического воздействия посредством
компьютерных программ. Результаты расчета применимы для сейсмостойкого
проектирования любых высотных строительных конструкций. Так предыдущий
метод сдвига является упрощенным и поэтому имеет погрешность в результа¬
тах расчета, особенно когда высотные конструкции имеют не равномерное113
распределение массы и жесткости по высоте. Поэтому сейсмостойкое проекти¬
рование высотных строительных конструкций посредством компьютерных
программ, основанных на методе реактивного спектра дезинтеграции (деком¬
позиции) типа колебаний, очень точно определяет горизонтальные сейсмиче¬
ские воздействия и их распределения.Расчет без учета влияния кручения от колебаний1.	Без учета влияния кручения от колебаний нормативное значение гори¬
зонтальных сейсмических воздействий определяют по следующей формуле:Fji = ajyjXjiGi;	(4.3.11)
iXjiG,
	,	(4-3.12)i=lгде Fji - нормативное значение при горизонтальных сейсмических воздействи¬
ях /-ого узла на j-ый тип колебания; ц - коэффициент горизонтального сейс¬
мического воздействия с периодом собственных колебаний 7} нау-ый тип коле¬
бания, определяется из рис. 4.3.1; Xji - горизонтальное относительное переме¬
щение /-ого узла для j-r о типа колебания; % - коэффициент, зависящий от у-ого
типа колебаний; G, - нормативная постоянная нагрузка в /-ого узла.Г / = 1,2,	п1/ = 1,2,	тп - общее число узлов, обычно принимается равным числу этажей, включает
башенный этаж здания;
т - общее число типов колебаний.2.	Нормативные значения деформации и внутренних усилий конструктив¬
ного элемента, зависимость, которых приводится при горизонтальном сейсми¬
ческом воздействии, вычислены по среднеквадратичному методу стохастиче¬
ского типа колебания (SRSS).s =	(4.3.13)где S - нормативное значение деформации с внутренней силой конструктив¬
ного элемента, для которого берется комбинированная зависимость от типов
колебаний при горизонтальном сейсмическом воздействии; S, - нормативное
значение деформации с внутренней силой конструктивного элемента, для ко¬
торого берется зависимость от у-го типа колебания при горизонтальном сейс¬
мическом воздействии; т - число типов колебаний, обычно принимается т = 3,
для высотных зданий, если прочность по вертикали неравномерна, т = 5-6, для
здания с башней, для 3-6-го типов колебаний.114
3.	Выбор числа колебаний т.В «Правилах строительства и технологий возведения высотных зданий из
железобетонных конструкций» (JGJ3-2002) указано, что частная масса различ¬
ных типовых колебаний должно быть не меньше 90% суммарной массы.Из формул (4.3.11) и (4.3.12) получим:частная масса/-го колебания i-oro узла.Gy = ГjXifii •	(4-3.14)Суммарная масса/-го колебания:&XjiGi)2Gj = HrjXyGi = ^	.	(4.3.15)2ДО/i=\Отношения частной массы к суммарной массе в т типах колебаний:тZGjГс=^~-	(4-3.16)1-1По формуле (4.3.16), регулируя /д > 0,9, можно определить число коле¬
баний т.4.	Для прямоугольной конструкции вычисляют по направлению главных
осей; если существует уклон конструкции больше 15°, проводят дополнитель¬
ный расчет.Влияние кручения, связанное с колебаниямиДля конструкций зданий с неравномерно распределенной массой и жестко¬
стью необходимо вычислять эксцентриситет собственного веса масс (см. главу
7, параграф 1), следовательно, необходимо учитывать влияние кручения от ко¬
лебаний.Каждому этажу задается горизонтальное перемещение и угол ортогональ¬
ного перемещения, три степени свободы. Положение этажного узла является
координатами начала. Тип колебания задается тремя направлениями колеба¬
ния, вычисленными по второму среднеквадратичному методу (CQC).1.	Горизонтальное сейсмическое воздействие приводит к возникновению
инерционных сил и, следовательно, Мкр. Нормативное значение при однона¬
правленном горизонтальном сейсмическом воздействии и /-го типа колебания
/-ого этажного узла.Fxji = aJ)/ijXjiGi;Fyji = ajrtJYj,Gr,	(4.3.17)F.ji = ajYtjVjiGi.115
х - направленное горизонтальное сейсмическое воздействие:r,j=-n	ы	;	(4.3.18)i=lу - направленное горизонтальное сейсмическое воздействие:ЕВДr,j=~	ы	•	(4-3.19)S(^ + rj+^2)G,./=1С углом сейсмическое воздействие:Ytj = Yxjcos 0 + Yyj sin 0-	(4.3.20)В формулах (4.3.17)-(4.3.20)FXtji, Fyji, Ftji, - нормативное значение Мкр при горизонтальных сейсмиче¬
ских воздействиях, нормативное значение при горизонтальных сейсмических
воздействиях /-ого этажного узла, нау-ый тип колебания в х, у направления; Xji9
Yji - горизонтальное относительное перемещение /-ого узла от у-ого типа коле¬
баний, в направлениях х и у; g>ji - относительный угол смещения /-го этажа от у-
го типа колебания; г,- - радиус кривизны перемещения /-ого узла, именно/;■ = у!^тс^с/Итс 9 мс - это масса в точке С /-ого этажа; Sc - это расстояние от
точки С до центра /-ого этажного узла; ytj - коэффициент, учитывающий влия¬
ние кручения от у-го типа колебания, вычисленный по формулам (4.3.18)-(4.3.20); aj - коэффициент горизонтального сейсмического воздействия с пе¬
риодом собственных колебаний 7} от у-го типа колебаний, определяется по
рис. 4.3.1; yXj, - коэффициент, учитывающий влияние кручения от колебаний
по направлению осей х и у, вычисляются по формулам (4.3.18) и (4.3.19); в-
угол между направлениями горизонтальных сейсмических воздействий и осью
х; /= 1, 2, ..., п — п, это общее число узлов, обычно принимается по общему
числу этажей, включая башенный этаж.2.	Комбинированный эффект кручения при однонаправленном горизон¬
тальном сейсмическом воздействии и нормативное значение деформации с
внутренней силой конструктивного элемента, вычисленные по второму сред¬
неквадратическому методу (CQC).т т$ЕК Е EPjtSjSk 5	(4.3.21)v ;=>*=>8Щ1 + Лг№*	(l-^)2+4£&(l + ^)2V116
где SEk ~ нормативное значение комбинированного кручения от колебаний при
однонаправленном горизонтальном сейсмическом воздействии; S/, S* - норма¬
тивные значения перемещений при однонаправленном горизонтальном сейс¬
мическом воздействии, от воздействий 7-г о, к- го типа колебаний; <§, ^ - коэф¬
фициент затухания от у-го, &-го типа колебания, обычно <§=£*= £ р% - коэф¬
фициент, учитывающий влияния 7-го, А:-го типа колебаний; Лт - отношение
периодов собственных колебанийу-го, к-го типа колебания.Г г = 12,	mU = l 2,	m,где m - общее число типов колебаний, обычно принимается m = 9-15, для зда¬
ния с башней m = 9-15; при горизонтальной участвующей массе типового ко¬
лебания не меньше 90% суммарной массы. При длительном горизонтальном
сейсмическом воздействии влияние кручения во времени приводит к накопле¬
нию массы, участвующей в типовом колебании.По формулам (4.3.21) и (4.3.22) не рассчитываются деформации кручения
конструкции, это только трансляция деформаций, между их значениями боль¬
шая разница в собственных колебаниях, когда Хт < 0,7, /?д«0; когда J=k,
Лт= 1, Pjk — 1 • Формула (4.3.21) вырождается в формулу (4.3.13), метод SRSS
является частным случаем метода CQC. Когда деформация трансляций и де¬
формация кручения существуют одновременно, при однонаправленном земле¬
трясении, другое направление деформация трансляций и кручения вовремя то¬
же существуют, в три направления.3.	Нормативное значение комбинированных кручений при двунаправлен¬
ном горизонтальном сейсмическом эффекте, принимается большим из значений:SEK =^S2x+(0,S5Sy)2 ,	(4.3.23)SEK=^S2 + (0,S5SX)2 ,	(4.3.24)где SX9 Sy -нормативное значение кручения при однонаправленном сейсмиче¬
ском воздействии по оси х и оси у (4.3.21).Из формул (4.3.23) и (4.3.24) двунаправленный горизонтальный сейсмиче¬
ский эффект учитывают для несимметричных конструкций. Из опытов проек¬
тирования выяснено, что сейсмическое воздействие является трехмерным раз¬
нонаправленным воздействием, они существуют в разных фазах, три горизон¬
тальных направленных максимальных ускорения неодинаковы. Когда
однонаправленное максимальное ускорение равно 1, другое направленное рав¬
но 0,85, вертикальное равно 0,65. Поэтому двунаправленный горизонтальный
сейсмический эффект надо вычислять по (4.3.23) и (4.3.24).В табл. 4.3.6 приведены отношения S/Sx и Sy/Sx. Эффект двунаправленных
горизонтальных сейсмических воздействий больше в 1,31 раза эффекта одно¬
направленных горизонтальных сейсмических воздействий.117
Таблица 4.3.6Отношения S/Sx и Sy/SxSy!Sx1,00,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0S!SX1,311,261,211,161,121,091,061,031,011,001,00Американской строительной комиссией в документе «Проектирование на¬
грузки на строительные конструкции» (ASCE7-98) определено, что при типе
«С» сейсмостойкости конструкции необходимо выполнять линейный упругий
расчет, вычислить однонаправленные горизонтальные сейсмические воздейст¬
вия, учитывая эффект однонаправленных горизонтальных сейсмических воз¬
действий: внутренняя сила при однонаправленных горизонтальных сейсмиче¬
ских воздействиях увеличивается на 100%, при другом направлении горизон¬
тальных сейсмических воздействий внутреннюю силу увеличивают на 30%.4.3.6.	Минимальная горизонтальная поперечная сила длялюбых этажейПри горизонтальном сейсмическом воздействии вычисляют минимальную
горизонтальную поперечную силу любого этажа:VEKi>A±Gj,	(4.3.25)j=iгде VEKi - поперечная сила z-ro этажа при горизонтальном сейсмическом воз¬
действии; Я - коэффициент поперечных сил, принимается не менее приведен¬
ных в табл. 4.3.7, для вертикальных несимметричных конструкций, умножается
на 1,15; Gj - нагрузка j- го этажа.Таблица 4.3.7Минимальные значения коэффициента поперечных силТип7 баллов8 баллов9 балловВоздействие кручения для конструкции с
основным периодом < 3,5 с0,016(0,024)0,032(0,048)0,064То же, для конструкции с основным пе¬
риодом > 5 с0,012(0,018)0,024(0,032)0,040Примечания:1.	Для конструкции с основным периодом 3,5-5 с значения коэффициента поперечных сил вы¬
числяется по интерполяции.2.	Значения в скобках даны для ускорения основного сейсмического воздействия 0,15g и 0,30g.Из табл. 4.3.7 видно, что при явном воздействии кручения на конструкцию
с основным периодом < 3,5 с, минимальный коэффициент этажной сейсмиче¬
ской поперечной силы Я = 0,2 для конструкции с основным периодом118
> 3,5 с Я соответственно уменьшается. Определение минимальной горизон¬
тальной сейсмической поперечной силы отражает зависимость сейсмических
воздействий, скорость сейсмического движения, воздействие перемещения и
дополняет недостаток реактивного спектра. Когда коэффициент этажной гори¬
зонтальной сейсмической поперечной силы при расчете оказывается меньше,
чем минимальная горизонтальная сейсмическая поперечная сила, то можно
увеличить значения поперечной силы и таким образом регулировать эффект
сейсмического воздействия. Но регулировать увеличивающуюся амплитуду
нельзя больше 1,2-1,3; иначе необходимо менять конструктивное расположе¬
ние и размеры сечения, увеличивать конструктивную прочность, чтобы удов¬
летворить требованиям конструктивной безопасности.4.3.7.	Вертикальное сейсмическое воздействиеКонструкция с вертикальным сейсмическим воздействием:1)	высотное здание с сейсмостойкостью 9 баллов;2)	большой пролет и длинная консоль с сейсмостойкостью 8, 9 баллов;3)	высокая соединенная конструкция, высокие пролет и консоль с сейсмо¬
стойкостью 8 баллов.Нормативное значение вертикальных сейс¬
мических воздействий на высотное значениеОбщее нормативное значение суммарных верти¬
кальных сейсмических воздействий Fevk определяет¬
ся по следующим формулам:FevK =#vma yfl eq\	(4.3.26)«vmax =0,65^;	(4.3.27)Geq=0,75±Gi,	(4.3.28)/=1где FEvK - суммарное нормативное значение верти¬
кальных сейсмических воздействий; G/ - норматив¬
ное значение нагрузки от z-го этажа, z = 1...Л, п - об¬
щее количество этажей конструкции; с^тах - макси¬
мальное значение коэффициента при вертикальных
сейсмических воздействиях (принимается равной
65% максимального значения коэффициента при горизонтальных сейсмиче¬
ских воздействиях (4.3.27)). Расчетная схема при расчете на вертикальные
сейсмические воздействия; Oniax - максимальное значение коэффициента при
горизонтальных сейсмических воздействиях (см. табл. 4.3.1 и 4.3.4); Geq - экви¬
валентная конструктивная нагрузка из формулы (4.3.28) принимается равной
75% нормативной суммарной нагрузки.Нормативное значение вертикальных сейсмических воздействий от z-го
этажного узла Fvi определяется по следующей формуле:Рис. 4.3.5. Вертикальное
сейсмическое действие.
Расчетная схема119
Fvi = {ед/хед! fEvK .	(4.3.29)V / 1=1 JОт вертикальных сейсмических воздействий возникает внутреннее усилие
в каждом этаже. Оно должно распределяться равномерно для каждого элемента
этажа. По опыту землетрясения «Тайвань 9.21» было выявлено, что необходи¬
мо умножать внутренние усилия на коэффициент 1,5, таким образом, воспол¬
нить недостаток воздействия от вертикальных колебаний в реактивном спек¬
тре. Из формул (4.3.26)-(4.3.28) видно, что для сейсмостойкости в 9 баллов
нормативное значение суммарных нагрузок здания при вертикальных сейсми¬
ческих воздействиях увеличивается в 1,5 раза:FEvK = О,65 • 0,32.0,75.1,5 • £ Gt = О,234£ G, > 0,2£ G,./=1	/=1	ы\Нормативное значение наибольшего пролета и длины консоли
при вертикальных сейсмических воздействиях1.	Нормативное значение вертикального сейсмического воздействия в каж¬
дом узле Fvi фермы и стропил, пролет которых больше 24 м (рис. 4.3.6), можно
вычислить по следующей формуле:Fvi = avGh	(4.3.30)где av - коэффициент вертикального сейсмического воздействия (берется по
табл. 4.3.8); G, - нормативное значение нагрузки в z-ом узле.Рис. 4.3.6. Ферма при вертикальном сейсмическом воздействииТаблица 4.3.8Нормативное значение вертикального сейсмического
воздействия на ферму и балку большого пролетаТипы конструкцииБалльностьТип местности123Стальная ферма80,100,08(0,12)0,1(0,15)90,150,150,20Железобетонная ферма80,1(0,15)0,13(0,19)0,13(0,19)90,20,250,25Примечание. Значения в скобках используются для основного ускорения 0,30g.120
2.	Конструкция длинной консоли и прочих больших пролетов.Нормативное значение вертикального сейсмического воздействия на кон¬
струкцию консоли больших проле¬
тов в каждом узле Fvi можно вычис¬
лить по следующим формулам:8	баллов Fvi = О,\G{ (0,15(7,); (4.3.31)9	баллов Fvi = 0,2G,, (4.3.32)где Gj - нормативное значение на¬
грузки в г-ом узле.Значения в скобках используют¬
ся для основного ускорения 0,30g.3.	Высокая соединенная конструкция, большой пролет и большая консоль.Высокая соединенная конструкция, высокий пролет и высокая консоль -это особенно сложные высотные конструкции здания. Эксперименты с вибро¬
установкой и анализ их показали, что переходная часть высокой сочлененной
конструкции довольно хрупка и необходимо учитывать воздействие верти¬
кального колебания на нее. Для такой сложной конструкции применение сейс¬
моспектра, коэффициентов затухания, максимального ускорения приведет к
упругому анализу в трех направлениях (два горизонтальных и одно вертикаль¬
ное), чтобы удобно было анализировать вертикальное воздействие колебания
на верхнюю часть соединенной конструкции.4.3.8.	Комбинированное сейсмическое воздействие в трех
направленияхИз опыта выявлено, что землетрясение представляет собой трехмерное
движение. Поэтому при проектировании сейсмостойких конструкций необхо¬
димо учитывать комбинированное сейсмическое воздействие со спектром в
трех направлениях. Для районов с сейсмичностью более 8 баллов вертикальное
сейсмическое воздействие нельзя не учитывать; для конструкций, жесткость
которых распределена явно несимметрично, под воздействием двунаправлен¬
ных горизонтальных сейсмических воздействий их связь не учитывать также
нельзя. Сейсмическое проектирование таких конструкций должно осуществ¬
ляться только при учете комбинированного воздействия сейсмических нагру¬
зок в трех направлениях.Комбинированное сейсмическое воздействие в трех направленияхПо пиковому ускорению проводится спектральный анализ. Когда одновре¬
менно действуют вертикальные и горизонтальные сейсмические воздействия,
то необходимо учитывать их сочетание с коэффициентом, равным 0,4. Поэтому
нормативное значение сейсмического воздействия SEk определяется по сле¬
дующим формулам и принимается большее из значений:SEK=ylS2x+(0,S5Sy)2 +0,4SZ;	(4.3.33)Рис. 4.3.7. Консоль при вертикальных
сейсмических воздействиях121
SEK = Js2y+(0,t5sx)2 + 0,4S2;	(4.3.34)SEK=SZ.	(4.3.35)«Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB 50011-2001)
предусматривают учет комбинированного сейсмического воздействия в трех
направлениях при расчете умножением нормативных нагрузок, определенных
по формулам 4.3.33, 4.3.34, 4.3.35, на коэффициент 1,3. Расчетные значения
сейсмических воздействий SE определяются по следующим формулам:= 1,3.^/ S2 + (0,855>,)2 + 0,5£г;	(4.3.36)SE=l,3yjs2 + (0,85 Sx)2 + 0,5 Sz;	(4.3.37)Sflf=l,3S„	(4.3.38)где Sx, Sy - нормативные значения комбинированных однонаправленных гори¬
зонтальных сейсмических воздействий с учетом кручения, определяется по
формуле (4.3.21); S2 - нормативное значение вертикальных сейсмических воз¬
действий.Выбор спектра вертикального сейсмического воздействия необходимо
осуществлять совместно со спектром горизонтального сейсмического воздей¬
ствия. Максимальный коэффициент воздействия от вертикальных сейсмиче¬
ских воздействий avmax определяется по следующей формуле:0 75avma\ =0>65-^^-1,5аЯтах =0,86 аНпах,	(4.3.39)где «я „их принимается для местности, с одной балльностью, проектной сейс¬
мической характеристикой. Для горизонтальных сейсмических воздействий
максимальный коэффициент воздействия определяется по табл. 4.3.1 и
табл. 4.3.4.Временной анализ комбинированного тринаправленного
сейсмического воздействия
Анализ сильных землетрясений показал важную зависимость распростра¬
нения сейсмоволны. Когда ускорение горизонтальной составляющей воздейст¬
вия достигает максимума, то ускорение другой горизонтальной составляющей,
перпендикулярной ей, составляет 0,85, а ускорение вертикальной составляю¬
щей - 0,65 от ускорения главного горизонтального воздействия. Расчет сейс¬
мического воздействия по ускорению динамики осуществляется с применени¬
ем следующих двух расчетных методов:1.	Рассматривается сейсмическая волна как тринаправленное воздействие:Sek = S2 + Sx + Sy,	(4.3.40)где SEk - нормативное значение комбинированного воздействия тринаправ¬
ленного сейсмического действия с учетом временного анализа; Sx, Sy, Sz -122
нормативное значение воздействий сейсмической волны в трех ее направле¬
ниях действия.Примечания:1)	сейсмическая волна совпадает с типом полей, если характер спектра ее
воздействий совпадает с полями;2)	изменение максимального ускорения тринаправленной сейсмической
волны, характеризует дальность и время воздействия;3)	изменение максимального ускорения происходит также в горизонталь¬
ном направлении и в вертикальном направлении распространения волны;4)	максимальное ускорение горизонтальных сейсмических волн вводится
по оси двунаправленных конструкций и принимается большее из значений.2. Приложение	горизонтальной однонаправленной	волны сейсмического
воздействия:по оси л;	SEK = Sx +0,$5Sy+0,65Sz;	(4.3.41)по оси у	SEK =Sy+ 0,85^ + 0,65Sz,	(4.3.42)где SEk - нормативное значение с комбинированным эффектом тринаправлено-
го сейсмического воздействия с анализом времени; Sx, Sy, Sz - нормативное зна¬
чение эффекта одной сейсмической волны по трем направлениям сейсмическо¬
го воздействия.4.4. Дополнительные воздействия на конструкцииОт деформаций бетона, усадки, ползучести, перепада температур, осадки
фундаментов возникают деформации в конструкциях, приводящие к появле¬
нию внутренних усилий при ограничении деформаций. Такие воздействия при¬
нято называть несиловыми.Для любой конструкции такие воздействия всегда присутствуют. Из-за
больших сечений вертикальных элементов, больших вертикальных деформа¬
ций и ограничениях горизонтальных деформаций эти не силовые воздействия
оказывают большое влияние на работу конструкций под нагрузкой.В высотных железобетонных конструкциях (балки, внешние стены, ство¬
ловые стены и балки-настилы) появляются трещины, которые влияют на рабо¬
ту конструкции под нагрузкой. В трещинах бетон испытывает растяжение, бе¬
тонные конструкции растрескиваются. Такое растяжение зависит от ранних
деформаций бетона, производства работ и условий твердения.Вслед за увеличивающимся объемом и высотой зданий действие дополни¬
тельных воздействий увеличивается. В результате строительные организации
разных стран проводят исследования и предлагают различные проектные ре¬
шения. В некоторых высотных конструкциях зданий исследуются усадка бето¬
на, влияние температур и проводятся соответствующие конструктивные меро¬
приятия, обеспечивающие надежность конструкций. В «Правилах проектиро¬
вания высотных железобетонных конструкций» (JGJ 3-2002) уделено большое
внимание устранению несиловых факторов.123
Основные направления проектных решений, устраняющих такие воздей¬
ствия:податливость - увеличение податливости конструкций к действию несило¬
вых факторов;жесткость - увеличение сопротивления дополнительным несиловым воз¬
действиям.Учет дополнительных воздействий всегда сложен. На рис. 4.4.1 приведена
блок-схема их анализа.Рис. 4.4.1. Блок-схема анализа на несиловые воздействия4.4.1.	Вертикальные температурные воздействия на
высотные зданияОбщеизвестно, что для высоких и больших по объему зданий обычно при¬
меняют температурные швы для уменьшения влияния перепада температур.
Однако, когда высота многоэтажных зданий 100 м и более, могут возникнуть
неравномерные деформации от температурных воздействий в вертикальных
элементах, приводящие к появлению внутренних усилий вследствие ограни¬
ченности деформаций. Поэтому при проектировании конструкций рассчиты¬
вают на внутренние усилия, возникающие в конструкциях, от температурных
воздействий и предусматривают мероприятия по их уменьшению.124Данные об окружающей
средеПо методам упругости
вычисляются внутренние
усилия от данного
воздействияОценка характера усадки бетона,
анализ колебаний температурМожно применить простой
расчетный метод, или
расчетный метод
ограниченного огсекаНормирование внутренних
усилий данного воздействия
при комбинированных
деформацияхДопускается выбирать
значение упругости
приблизительно * 0,3Нагружения: ветровая нагруз¬
ка, сейсмическое воздействие,
дополнительные воздействияУчет комбинированного
эффекта нагрузки и воз¬
действийВлияние комбинированных
деформаций, анализ дефор¬
маций конструкцийАнализ влияния деформации
для элементов конструкции и
всего здания
Первоначальные сведенияТемпературные воздействия на строительные конструкции могут иметь
самое разнообразное происхождение, но чаще всего рассматриваются климати¬
ческие и технологические. Для высотных зданий выделяют два типа темпера¬
турных воздействий: перепад температур наружных элементов и перепад тем¬
ператур по сечению.Перепад температур по сечению приближенно вычисляется по формулед J _ Г(Тнаруж: + Тмут )/2 - Твнут = (Тиаруж - Твнут )/2	(441)\(Тнаруж + Твнеш)/2 - Твнеш = (Тнаруж - Твнеи1)/2,где Тнаруж - наружная температура среднемесячная; Твиут - среднемесячная тем¬
пература без кондиционера; Твнеш - среднемесячная температура с кондиционе¬
ром.Перепад температур находится по формуле:At = 2АТ,	(4.4.2)где АТ - перепад температур по сечению.При упрощенном расчете обычно предполагается, что температурный гра¬
диент носит линейный характер. Для высотных зданий принято, что конструк¬
ции от действия перепада температур не перемещаются.125Рис. 4.4.2. Расчет вертикальных элементов на температурные воздействия1 - свободная деформация; 2 - фактическая деформация; 3 - этаж /; 4 - расчет половинысеченияСнаружиВ комнатеСнаружиВ комнате
При решении применяется расчетный метод на основе дифференциального
уравнения с непрерывной функцией упругости, искомой величиной которого
является внутренняя сила элементов при упругих деформациях.Как показывает анализ температурных воздействий на конструкции, одно¬
временно действует перепад температур и перепад температур по сечению.
Обычно предполагается, что от перепада температур в узлах не возникает пе¬
ремещений и кручения. При этом считается, что наружные вертикальные эле¬
менты работают только на изгиб:Mz = -aAtEWz/2,	(4.4.3)где Wz - момент сопротивления наружных вертикальных элементов; Е - модуль
упругости наружных вертикальных элементов; At - перепад температур, летом
Тнаруж > Твнут At > 0, происходит растяжение внутреннего края; зимой Тнаруж <
< Твиут At < 0, растяжение внешнего края; а - коэффициент расширения на¬
ружных вертикальных элементов, для железобетона а= 1СГ5 (1/°С).Расчет ограниченного отсека с вертикальными элементами на
температурные воздействияПри проектировании высотных зданий для анализа вертикальных темпера¬
турных воздействий применяют метод расчета ограниченного отсека с расчет¬
ной функцией температурного сопротивления.1.	Построение температурного плана."Нахождение перепада температур по сечению для каждого вертикального
элемента АТ и перепада температур At. При расчете одновременно учитывается
зимний «минус» и летний «плюс».2.	Применение метода ограниченного отсека без расчетной функции тем¬
пературного сопротивления.При расчете температурных воздействий для их учета на наружные верти¬
кальные элементы прикладывается фиктивная нагрузка и применяются обыч¬
ные методы строительной механики.Проектные методы расчета вертикальных температурныхвоздействий1.	Уменьшение постепенно изменяющегося сопротивления.При ограничении температурных деформаций в элементах конструкций воз¬
никают внутренние усилия. В железобетонных конструкциях происходит старе¬
ние бетона, поэтому необходимо учитывать уменьшающееся сопротивление
температурным воздействиям. При упрощенном расчете внутреннюю силу тем¬
пературных воздействий следует умножать на коэффициент ослабления сечения0,3. В стальных конструкциях не происходит ослабления сопротивления элемента.2.	Уменьшение жесткости.Под воздействием вертикальной нагрузки, горизонтальной нагрузки и тем¬
пературы в железобетонных конструкциях высотных зданий необходимо учи¬
тывать появление трещин в сечениях элементов. Для учета этого эффекта упру¬126
гая жесткость железобетонных сечений умножается на 0,85, упругая жесткость
стальных конструкций не уменьшается.3.	Сочетание нагрузок с температурными воздействиями.Сочетание нагрузок с температурными воздействиями вычисляется по сле¬
дующей формуле:S = Yg^gk + VtYitStk >	(4.4.4)где S - расчетное значение температурного воздействия; yG, ут - коэффициент
надежности, (табл. 4.4.1); Sgk ~ нормативное значение нагрузки; STk ~ норма¬
тивное значение температурного воздействия; у/т - коэффициент сочетаний,у/т — 0.8.Таблица 4.4.1Коэффициент надежностиНагрузка yGТемпературное воздействие утКоэффициент надежности1,251,2Анализ вертикальных температурных воздействий и факторы,влияющие на них•	Факторы, влияющие на температурные воздействияТемпература, высота здания, высота этажа, изгибная жесткость балок, же¬
сткость колонн - это главные факторы, влияющие на вертикальные темпера¬
турные воздействия. При увеличении этих параметров увеличиваются темпера¬
турные воздействия, а температура и высота здания являются самыми главны¬
ми регулирующими параметрами.•	Влияние на конструкции температурных воздействийВертикальные температурные воздействия высотных зданий проявляются
в неразрезных балках, в них увеличивается момент и поперечная сила; про¬
дольное сжатие и растяжение действуют на вертикальные элементы нижних
этажей, перепад температур действует на наружные вертикальные элементы, в
них появляется большой момент.При проектировании конструкций высотных зданий находят наружные
вертикальные элементы, для которых возникающие усилия от температурных
воздействий оказывают большое негативное влияние на их работу. Для наруж¬
ных элементов необходимо принимать качественные теплозащитные и тепло¬
изолирующие мероприятия, в результате которых уменьшаются температурные
воздействия, а также увеличивается выносливость конструкций, уменьшается
появление трещин в стенах.4.4.2.	Горизонтальные температурные воздействияМаксимальный перепад температур определяется по формулеА Т,=Тсред-Тст.	(4.4.5)127
Из формулы 4.4.5 получим ATt (табл. 4.4.2).Таблица 4.4.2Максимальные перепады температур ДГ, г. ШэньчжэньАнализ усадки бетона
При испарении воды в монолитном бетоне появляются деформации усадки
с суммарным предельным значением (2-4)* 1(Г4. К главным факторам, влияю¬
щим на усадку, относятся: состав цемента, тонкость помола, качество заполни¬
телей, соотношение воды, окружающая температура, качество укладки смеси,
коэффициент армирования, химические добавки и т.д. Образование и развитие
деформаций усадки тесно связано с возрастом бетона и определяется по фор¬
муле^=(1-е-°’0,'Ко,	(4.4.6)где £so - предельная деформация усадки бетона; es - возраст t(d) деформаций
усадки.Деформация усадки бетона сначала быстро нарастает, а через 90 дней она
равна 60% предельной деформации (табл. 4.4.3).Таблица 4.4.3Возраст и значение деформации усадки бетонаВозраст t (дн)286090360е51е5о0,260,450,600,97Свободная деформация бетона от перепада температур вычисляется по
формуле:еТ=аАТ,	(4.4.7)где а-коэффициент (10~51/°С).Эквивалентный перепад температур при усадке вычисляется по формулеД7>*>(°С).	(4.4.8)Расчетный горизонтальный перепад для крыши и перекрытий вычисляется
соответственно по формулам:Г АТ' = АТ/+ ATS для крыши{ДГ = АТ, + ATS для перекрытий	^ ^128Комната с кондиционеромКомната без кондиционераКрыша ДГ/15°С-30°С = -15°С20°С - 30°С = -10°СПерекрытие ДГ/20°С - 30°С = -10°С20°С - 30°С = -10°С
Упрощенный расчет эффекта усадки от горизонтальных
перепадов температуры•	Расчетная модельОбычно высотные здания проектируются симметричными. Расчетная мо¬
дель для таких зданий показана на рис. 4.4.3.Рис. 4.4.3. Расчетная модель:L - половина конструктивной части зда¬
ния; АТ - расчетный температурный пе¬
репад перекрытий; АТ - расчетный тем¬
пературный перепад кровлиРис. 4.4.4. Расчетная схема:а - равномерное температурное поле; b - местное
температурное полеЖесткость стволовых конструкций и стен-диафрагм больше жесткости
каркасных конструкций колонн, балок и перекрытий:EJC/H»EJJH },	, У.	(4.4.10)EJjH »(EJl + EJf)/L\Средняя температура определяется по формуле:At = АТ'-АТ.	(4.4.11)•	Сокращенный расчет на температурные воздействияСредняя температура и перепады температур могут вычисляться по методу
дифференциалов.Расчет ограниченного отсека на температурные воздействияВ настоящий момент можно применять расчет ограниченного отсека на
температурные воздействия.•	Введение температуры129Центральная
ось несущих
конструкцийКрайнее7ядро
Вычисляется эффект усадки при горизонтальном перепаде температур АТ,АТ.•	Применение ограниченного отсека без эффекта температурного пе¬
репадаЭффект усадки учитывается введением фиктивных нагрузок и расчетом с
применением методов строительной механики.Факторы, учитываемые при расчете усадки1.	Ослабление постепенного изменяющегося сопротивления, уменьшение
жесткости, расчетные сочетания нагрузок.Все эти параметры одинаковы с методами проектирования вертикальных
температурных воздействий.2.	Распределение горизонтальных усилий на крыше производится в мас¬
штабе и приближенно считается наибольшее в центре плана кровли.3.	Арматура балок и перекрытий.При определении арматуры балки и перекрытия по расчету учитывается
нагрузка от температурных воздействий.Анализ горизонтальных температурных воздействий и
мероприятия по уменьшению усадки•	ФакторыТемпература, длина здания, высота этажа, изгибная жесткость балки, жест¬
кость колонн - это главные факторы, которые оказывают влияние на горизон¬
тальные температурные воздействия. При их увеличении эффект температурных
воздействий растет, а температура и длина здания являются главными факторами.•	МероприятияУменьшение температурной усадки:1)	бетонирование и обеспечение низкой температуры при твердении явля¬
ются важным мероприятием по уменьшению температурных усадок;2)	в бетонируемом слое стараются уменьшить усадочное напряжение;3)	уменьшение бетонных усадочных деформаций - бетонирование при вы¬
сокой влажности, уменьшение водоцементного отношения, улучшение качест¬
ва бетона и арматуры;4)	атмосферные условия.Применение кондиционеров, утепление кровли - все это служит для
уменьшения перепада температур в конструкциях и соответственно уменьше¬
ния усадочных деформаций.4.4.3.	Эффект осадки фундаментов высотных зданийВ настоящее время в мире широко исследована модель фундамент-осно-
вание-верхняя конструкция и выделены основные направления для создания
рациональной конструкции. Однако задача очень сложная и не линейная, по¬
этому при проектировании точный расчет применяется редко.С другой стороны, осадка фундаментов высотных зданий - это актуальная
задача в строительстве. Собрано много материала для исследования данного эф-130
фекта. Осадка характеризует деформации высотных конструкций и фундамен¬
тов. Равномерная осадка не приводит к возникновению дополнительных внут¬
ренних сил в верхней части. Далее рассмотрены неравномерные осадки.Расчет неравномерных осадокПри равномерной жесткости фун¬
даментов под воздействием постоян¬
ных нагрузок в центре осадка больше,
а по краям меньше. На основании
опытных данных и собранных мате¬
риалов по существующим зданиям
для высотных конструкций возника¬
ют следующие смещения, показанные
на рис. 4.4.5.Для решения задачи и нахожде¬
ния осадки, как и при температурных
воздействиях, применяется простой
расчетный метод с решением диффе¬
ренциального уравнения.Расчет ограниченного отсекапри неравномерных осадкахПредставим, что у'-й вертикаль¬
ный элемент получит осадку А, как
показано на рис. 4.4.6.В результате осадки Д (Д > 0) из-за ограничения вертикальных деформаций
произойдет растяжение элемента j на величину Д. Из курса сопротивления ма¬
териалов известно:^г=А’	<4А12)EAjгде Rj - возникающее усилие во втором этаже в результа¬
те смещения опоры, растяжение элементов «+»; EAj -
нормальная жесткость; h, - высота первого этажа.Сила в этажном узле Nj определяется по следующей
формуле:Nj = -Rj = -EAA/h\.	(4.4.13)Продольное усилие в вертикальном элементе нахо¬
дится по формуле:Nzj = Nzj_pac4-Nj,	(4.4.14)где Nzj-pac4 - продольная сила в у'-ом вертикальном эле¬
менте; Nzj - общее продольное усилие в у-ом вертикаль¬
ном элементе от нагрузки и осадки опоры.Рис. 4.4.5. К расчету осадки зданияРис. 4.4.6. Расчетнаясхема131
Проектные методы расчета осадки•	Ослабление постепенно изменяющегося сопротивленияПри ограничении деформаций, возникающих в результате осадки опор, в
элементах конструкций возникают дополнительные усилия. Под действием
постоянной нагрузки деформации осадки нарастают медленно, включая посте¬
пенный рост постоянной нагрузки, консолидации грунтов, также нельзя игно¬
рировать изменение прочности бетона. При упрощенном расчете для железобе¬
тонных конструкций внутренняя сила, возникающая в результате осадки опор,
умножается на коэффициент ослабления 0,3. Для стальных конструкций ослаб¬
ления сопротивления не происходит.•	Уменьшение жесткостиПри расчете на постоянную нагрузку, горизонтальную нагрузку и действие
несиловых факторов в железобетоннйх конструкциях высотных зданий необ¬
ходимо учитывать трещинообразование в конструкциях. Для учета данного яв¬
ления упругая жесткость железобетонных сечений умножается на 0,85, упругая
жесткость стальных сечений не меняется.•	Сочетание нагрузокНагрузка от осадки в сочетании с другими находится по формуле:S = Ygsgk + VsYsSsk >	(4.4.15)где S- расчетное значение; уа, ут- коэффициент надежности по нагрузке (табл.
4.4.4); Sgk - нормативное значение усилий от силовых нагрузок; Sgk ~ норма¬
тивное значение усилий, возникающих от осадки опор; у/$ - коэффициент соче¬
таний, = 0,8.Таблица 4.4.4Коэффициент надежностиНагрузка yGТермоэффект уТКоэффициент надежности1,251,2Мероприятия по уменьшению неравномерных осадок1.	Неравномерные осадки приводят к возникновению большой продольной
силы в вертикальных элементах (сжатие в крайних колоннах, растяжение в
средних).2.	Регулирование предельной осадки является главным мероприятием по
уменьшению эффекта от неравномерных осадок.3.	Воздействия неравномерных осадок необходимо тщательно анализиро¬
вать для каждого объекта. Когда неравномерные осадки больше 1 см, необхо¬
димо рассчитывать эффект, оказываемый на конструкции, и тщательно проек¬
тировать армирование ригелей второго этажа.4.	Необходимо проводить наблюдение за осадкой высотных конструкций,
так как с одной стороны, можно исследовать напряженное состояние постро¬
енного объекта в любой момент, с другой - накапливать опытные данные для
прогнозирования поведения зданий при строительстве новых объектов.132
Глава 5. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙС развитием компьютерных технологий основные аналитические расчеты
для сложных высотных конструкций выполняются с помощью программных
комплексов, в связи с этим настоящий раздел содержит принципы автоматиза¬
ции расчетных процедур. Упрощенные ручные расчетные методики применять
в настоящее время не рекомендуется.Во время выполнения проектирования сложного высотного сооружения
особое внимание следует обращать на представление проекта. Первой задачей
является выбор конструктивной схемы здания, определение путей передачи на¬
грузок. После определения предварительного варианта конструктивной схемы
здания точный и надежный расчет и анализ являются главным инструментом по
выполнению проекта.Определение правильного варианта конструктивной схемы сложного со¬
оружения является комплексной работой, для этого требуются ясное представ¬
ление и достаточный опыт проектирования. Эти качества формируются в прак¬
тике проектных работ, изучения большого количества документов и примеров,
изучения чужого опыта, сравнения вариантов при выполнении конструкций
каждого объекта. Важно постоянное изучение совершенствующихся день за
днем компьютерных технологий, постепенно улучшающихся расчетных про¬
грамм. Ниже мы рекомендуем некоторые методики расчета, анализа и правила
по определению расчетной модели здания. Необходимо учитывать, что расчет
ведется на основании анализа модели, имеющей расхождения с фактическими
конструкциями.Расчет и анализ производятся на основании моделей конструкций. Сущест¬
вует разница между принимаемыми упрощенными нагрузками, упрощенными
моделями и фактическими конструкциями. Отклонения между расчетными
моделями и фактическими конструкциями представлены на рис. 5.1.Рис. 5.1. Отношение фактической конструкции и результатов расчета133ДействиеФактическаяконструкцияРеакцияРезультатырасчетаРасчетнаямодельПостоянные,
ветровые, полезные
нагрузки, землетря¬
сение и температур¬
ные воздействия
Отклонение полученного результата расчета от действительных свойств
конструкции зависит от неопределенности нагрузок, упругопластических
свойств материалов, разницы между расчетной моделью и фактической конст¬
рукцией, погрешности анализа и расчета. Проектировщик должен знать о влия¬
нии этих факторов, а также должен учитывать, что не существует абсолютно
правильного результата, а существует наиболее правильная модель и расчет.5.1.	Методика анализаОдной из важных проектных задач является анализ реакции конструкций
на разные нагрузки. В этом разделе приведены некоторые основные формулы
строительной механики, в которых даются основные понятия, без подробного
расчета. Читатели могут найти подробные расчетные зависимости в учебнике
строительной механики, динамики и устойчивости.5.1.1.	Основные понятия метода конечных элементовС помощью аналитической методики можно точно решить только простые
вопросы, при этом редко получается решение целого здания или сооружения.
Здесь обычно имеются два пути.Первый, это введение упрощающих гипотез и формул, а также граничных
условий для получения решения в упрощенном виде. Данная методика действу¬
ет только в простых случаях по причине того, что слишком значительные уп¬
рощения ведут к искажению результатов. Второй путь - применение численных
методов для решения сложных задач.С развитием компьютерных технологий большое распространение получила
новая методика расчета - метод конечных элементов (МКЭ). Основная предпо¬
сылка этого метода - дискретизация непрерывных конструкций. При таком
подходе расчетную схему здания проще моделировать, так как элементы могут
соединяться друг с другом разными способами, и сам элемент может быть раз¬
ной геометрической формы. Рассчитываемая конструкция разбивается на ряд
элементов, напряженно-деформируемое состояние которых имеет заранее из¬
вестное решение, а соединение элементов между собой учитывается только в
точках сопряжения с помощью введения различных связей. Усилия и переме¬
щения, полученные в точках, можно связать между собой с помощью аппрок¬
симирующих функций, позволяющих, в свою очередь, получить решения в се¬
чениях между узлами сопряжений.Таким образом, идея метода конечных элементов - в дискретизации гео¬
метрических форм и выборе функции интерполирования.Дискретизация геометрических форм, т. е. разделение элементов, влияет на
четкость и качество анализа геометрических форм элемента и значительно
влияет на точность решения. Эту работу большинство программных комплек¬
сов, реализующих метод конечных элементов позволяет выполнять в автомати¬
ческом режиме. Однако пользователю все еще нужно проверять разделение
конструкций на конечные элементы.134
Выбор интерполяционной функции является главной задачей при изучении
теории конечных элементов, т.к. выбор разных функций, это фактически назна¬
чение той или иной модели для рассчитываемых элементов. Данная работа воз¬
ложена на расчетчика, и ее реализация требует знания характеристик и назна¬
чения элементов, эксплуатационных характеристик.5.1.2.	Построение матриц жесткости типовых стержневыхэлементовОсновным этапом расчета МКЭ является получение матрицы жесткости
элемента. Для реализации данного метода необходимо прежде всего разделить
конструкцию на отдельные элементы, имеющие простую форму, с постоянной
жесткостью, т. е. стержень и т.п. Сначала изучают характеристики этих элемен¬
тов и их соединений, потом элементы соединяют в конструкцию и производят
обобщенный расчет. Различие между данной и общей упругой динамикой в том,
что вариации матриц жесткостей элементов могут прямо стартовать с конструк¬
тивных расчетных форм. Узловые перемещения и усилия в элементах являются
основными неизвестными величинами.Ниже приведены часто используемые матрицы жесткости элементов (балки
и пластины). При анализе конструкции обычно ось Z обозначает высоту эле¬
мента, поверхность XY обозначает плоскость.Матрицы жесткости элементов в виде колоннПри выборе системы координат обычно ось г совмещают с продольной
осью элемента. Данный элемент имеет
шесть степеней свободы начала i и конца j
колонны.Для таких элементов матрица жестко¬
сти [Л?], устанавливающая связь между
возможными перемещениями узлов и
внешними силами, имеет видРс 1 1
'	 =[*с] 	 , (5.1.1)pj J 1 SJгде Sf = [и, v, w, вх, ву, 0Z]J; Pf = [Nx, Ny, Nz, Mx, My, Mz]f; u, v - перемеще¬
ние по осям x, у; w - перемещение по оси z\ вх, ву- углы поворота относительно
х и у; в2- угол поворота относительно оси z; Nx, Ny - поперечные силы по оси х,
у; Nz - нормальная сила; Мх, Му - изгибающий момент по оси х, у, Mz - крутя¬
щий момент; [Xе] - матрица жесткости элемента колонны, в которой введены
следующие величины:; - EI* i - Е1у т -	т 12^Е1у «1 ^х /1 \т ’ У {1 \т ’	/~< л т2 ’ Фу	л т2 ’ (5.1.2)(1 + (px)L (1 + (py)L	GAD	GAL135Рис. 5.1.1. Система координат
м-12.£1’6 .
Г'12.6.7*'12.J}1*6 .
Iх12.6.IхЕАLЕАL(4 + ^К6 .Iх(2 ~<Px)ix(4 + 9y)iy6.’I*'(2 -<P,)iyGJLGJLсимметрично12.Т’6.Т'12.1}1х6 .LxЕАL(4 + <px)ix(4 + <Py)iyGJ_L(5.1.2)Матрица жесткости балочного элементаПри выборе системы координат обычно ось х совмещают с продольной осью
элемента. Для таких элементов матрица жесткости [Л!*], устанавливающая связь
между возможными перемещениями узлов и внешними силами, имеет видР? 1	\s* '<	\ = [КВ]\	 ,	(5.1.3)р?	S?. J J	J .где вектор перемещения балки Sf имеет одинаковую интерпретацию с векто¬
ром перемещения колонны Sf.Матрица жесткости [К®], учитывающая влияние поперечного среза, имеетвид. _ EIy	Е12 _ 12цЕ1у 12цЕ12	. .чly (1 + <py)L’ h (1 + <p2)L’ <Ру GAL1 ’ 9z GAL2PiB = [N*, Ny, Nz, Mx, My, MZ]J; Nx- продольная сила; Ny, Nz - поперечные
силы; Mx - крутящий момент; Му, М2 - изгибающий момент относительно осейУ HZ.136
ЕАL_EA
L12.6.~Lh12.6 .
~Lh12.1| ON
sT*’12.~T>6.~T>01,L_£LL(4 + <py)iy6.Г'{2-<py)iyм-(4 + (pz )iz1О | ON(5.1.4)EALсимметрично12.T‘1| ON12.6 .~TyGhL(4+(4 + /p, )/.5.2. Анализ статики и динамики конструкций5.2.1.	Динамические и статические нагрузкиВ соответствии с разными характеристиками нагрузок, действующих на
конструкции, мы можем разделить их на динамические и статические. Статиче¬
ской нагрузкой называется нагрузка, у которой величина и направление почти
не изменяются во времени. Наоборот, динамической нагрузкой называется та¬
кая нагрузка, у которой величина и направление изменяются во времени.Собственный вес конструкций, вес оборудования считаются статической
нагрузкой. Нагрузка от людей, мебели и другие нагрузки, изменяющиеся за пе¬
риод эксплуатации конструкции, также считаются статической нагрузкой. Пер¬
вые называются постоянными нагрузками, вторые - временными.Сейсмическое воздействие, суть которого заключается в перемещении кон¬
струкций от движения основания, является динамической нагрузкой.При разных нагрузках применяется разная методика анализа. Для исследо¬
вания реакции конструкции под действием статической нагрузки применяют
статический расчет, а для исследования конструкций на динамическую нагруз¬
ку - динамический расчет, однако, часто применяют упрощенную методику
расчета на динамическую нагрузку статическими методами.137
•	Динамические нагрузкиНагрузки от технологического оборудования, машин, механизмов, нагрузки
от транспорта являются динамическими. В нормах «Нагрузки на конструкции
сооружений» приведены соответствующие динамические коэффициенты, обеспе¬
чивающие безопасность конструкций за счет увеличения влияния ее статистики.•	Ветровая нагрузкаВетровая нагрузка также принадлежит к динамическим нагрузкам, особен¬
но для верхней части высотных и возвышающихся конструкций, при сильном
ветре и податливой конструкции. Действие ветра и конструкций друг на друга
является очень сложным динамическим процессом. В обычных случаях приме¬
няется коэффициент ветровой пульсации, увеличивающий ветровое статиче¬
ское действие. В случае сложной конструкции, когда она очень восприимчива к
динамическому влиянию ветрового давления, необходимо проводить анализ с
выполнением эксперимента и численного решения.•	Сейсмическое воздействиеСейсмическое воздействие является одной из динамических нагрузок, при
этом обычно используют упрощенную методику расчета. Сегодня применяется
методика спектрального анализа, но для сложных высотных конструкций до¬
полнительно необходимо проводить анализ динамики в единицу времени.5.2.2.	Способ анализа колебаний во времени•	Основные формулы движенияУравнение движения для высотных зданий записывается в следующем виде:[M{x}] + [C]{i} + [/s:]W = -[M]{z},	(5.2.1)где [М\ - матрица масс элементов; [X] - матрица жесткости; [С] - матрица
демпфирования.Матрица демпфирования может быть определена следующим образом:[С)=Х\М\,	(5.2.2)[С\=Я2[К].	(5.2.3)Таким образом, матрицу [С] можно представить в виде линейной комбина¬
ции матриц [М\ и [А].[С]=7-М + 'ЛК1	(5.2.4)~мКоэффициенты 1/тм и % можно вычислить следующим образом:— = 2 {Щ-AjaH)	(5.2.4-1)тм {(Oj+a^aj-cOi)Гк = WAT**}. ,	р.2.4-2)(cOj + CO^COj-COi)138
В упругопластическом анализе матрица жесткости [А] изменяется в соот¬
ветствии со степенью нагружения элемента конструкции, соответствующим
образом изменяется матрица [С], зависящая от матрицы [ЛГ].•	Решение уравнения движенияПошаговое интегрирование является основным способом решения уравне¬
ния движения. Решение каждого шага выполняется при разбивке движения на
определенные временные отрезки. Пошаговое интегрирование применительно
к решению упругопластического уравнения движения и уравнения упругости
достаточно трудоемкий процесс.При проведении линейного анализа можно выбрать методику накладыва¬
ния типа колебания. Объем расчета в этом случае сокращается.•	Требования к анализу колебаний во времениВ соответствии с «Требованиями к сейсмоустойчивым сооружениям» и
«Техническими требованиями к конструкциям высотных сооружений» выпол¬
нение анализа движения во времени должно соответствовать нижеследующим
требованиям:1)	в соответствии с сейсмичностью строительной площадки и сейсмостой¬
костью здания выбрать акселерограмму прохождения в единицу времени не
менее чем двух групп фактических сейсмических волн и одной группы искус¬
ственных сейсмических волн;2)	время прохождения сейсмической волны не должно быть менее чем 12 с,
обычно принимается 5-10 циклов автоколебаний конструкции; шаг деления
сейсмической волны можно принимать 0,01-0,02 с;3)	вводить максимальную акселерацию сейсмической волны можно по табл.5.2.1.Таблица 5.2.1Максимальная вводимая величина сейсмической акселерацииБалльность
антисейсмической установки7 баллов8 баллов9 балловЛ max (CM/C2)220 (310)400 (510)620Примечание. При 7, 8 баллах величины, которые даны в скобках, назначаются соответственно
для тех зон, в которых основная проектная акселерация 0,15g и 0,30g.При проектировании сейсмостойких высотных сложных сооружений часто
требуется провести дополнительный анализ колебаний во времени. Необходимо
выбрать правильную волну сейсмической акселерации для ввода в общую рас¬
четную схему сооружения, которая должна приниматься не более чем 65% рас¬
четного спектра реакции отклика, а осредненный расчет многих волн не менее
чем 80% расчетного спектра реакции. В некоторых проектах для удовлетворе¬
ния вышеуказанных требований увеличивают максимальную величину акселе¬
рации в 1,5-2 раза. Данная мера увеличит балльность антисейсмической уста¬139
новки на 1 балл, что неприемлемо, и в этом случае необходимо заново выби¬
рать сейсмическую волну.5.2.3.	Анализ ввода сейсмического возбуждения многих точексооруженияЦель ввода сейсмических волн для многих точекИзучение пространственного вариантного сейсмического движения начато
в 1965 году. Богданов и другие отметили влияние выдержки, в процессе переда¬
чи сейсмического движения на конструкцию, имеющую большую протяжен¬
ность. В 80-х, 90-х годах с развитием компьютерных технологиях и углублени¬
ем знаний о сейсмическом движении, вопрос возбуждения многих точек стал
одним из важных вопросов, стоящих перед учеными. В связи с тем, что проле¬
ты мостов гораздо больше, чем пролеты конструкции сооружений, анализ
сейсмической реакции с возбуждением многих точек мостов выполняется для
изучения чаще обычных конструкций.Результаты изучения показали необходимость проведения анализа сейсми¬
ческой реакции многих точек для сверхдлинной конструкции. Европейские
нормы (Eurocode 8: Structures in seismic regions-design part2: Bridges) установи¬
ли сейсмическое действие, учитывая свойство пространственной вариации
сейсмического движения, причем указали необходимость учета пространствен¬
ной вариации при следующих двух случаях: 1) длина моста свыше чем 200 м;2)	длина моста свыше чем 600 м.На основании имеющихся китайских и мировых данных анализа сейсмиче¬
ских реакций ввода сейсмического возбуждения многих точек можно сделать
единогласный вывод. Отклик конструкции под тождественным сейсмическим
воздействием, выше или ниже, чем отклик, под соответственным пространст¬
венным воздействием (многоточечный ввод) и зависит от динамических свойств
конструкции, вида сечения, типа реагирования и размера вариантности сейсми¬
ческого воздействия и др. Для самого простого типа конструкции не возможно
определить какое воздействие может вызвать максимальный отклик. Поэтому
при фактическом расчете нельзя сделать расчет как типовых конструкций, а
необходимо проводить конкретный анализ определенной конструкции. Это обес¬
печивает антисейсмическому проектированию сверхдлинных конструкций бе¬
зопасность и надежность.Суть пространственного варьирования сейсмического движения заключа¬
ется в уменьшении взаимности работ. Причина уменьшения взаимности работ
в следующем:1.	Неравномерность среды передачи сейсмической волны от сейсмического
источника до двух разных испытательных точек. Сейсмические волны на две
испытываемые точки могут быть отправлены с разных мест сейсмического ис¬
точника. В результате может происходить их наложение в разном соотношении,
что сказывается на разнотипности сейсмического движения двух испытуемых
точек конструкции и вызывает реакцию неоднородности.140
2.	Из-за различия путей передачи, сейсмическая волна, переданная из сейс¬
мического источника до двух испытуемых точек в разное время уменьшает ко¬
герентность и называется действием распространения волны.3.	Уменьшение когерентности, из-за различия расстояния от двух испытуе¬
мых точек до сейсмического источника, называют действием фединга.4.	Передача сейсмической волны по грунту основания на поверхность земли,
вызывает уменьшение когерентности сейсмического движения из-за различия
грунта в двух испытуемых точках и называется действием условий местного поля.От ограниченного размера объекта строительства, незначительное влия¬
ние действия фединга, в обычном случае не учитывается. Расчетная коррек¬
ция с учетом действия бегущей волны занимает главное место, а расчетная
коррекция с учетом частичной потери когерентности между точками возбуж¬
дения, (действие неоднородности, действие местного поля) оказывает гораздо
меньшее влияние.Способ анализа ввода сейсмических волн для многих точекКогда проводиться анализ ввода сейсмических волн для многих точек, это
так или иначе касается методики анализа прохождения волны в единицу време¬
ни, методики анализа случайной осцилляции и методики реакции спектра, при¬
чем каждая имеет свое превосходство и свой недостаток, в том числе методика
прохождения в единицу времена и методика реакции спектра относятся к мето¬
дикам, имеющим вероятную основу.•	Методика анализа прохождения волны в единицу времениВ анализе сейсмической реакции с помощью методики ввода сейсмических
волн для многих точек конструкции, главное это применение прямой интегра¬
ции. С развитием современных технологий, созданием искусственных волн,
имеющих пространственную вариантность, все более обширно используют ме¬
тодику прохождения волны в единицу времени. Данной методикой можно учесть
характеристики амплитуды, спектра и, одновременно, нелинейность конструк¬
ций. Недостатком является то, что необходимо принимать много групп прохож¬
дения волн в единицу времени для более полного отображения случайности
сейсмической нагрузки, что сложнее при анализе многих точек.•	Методика анализа случайной осцилляцииСлучайная осцилляция является популярной в настоящее время сферой
изучения сейсмических воздействий с хорошей перспективой. Сейсмическое
движение является случайным процессом, применение теории случайной ос¬
цилляции для проведения изучения сейсмического реагирования является наи¬
более точной методикой. Ее технология состоит в том, что на изучаемую точку
вводиться интенсивность само-спектра и взаимо-спектра сейсмического дви¬
жения, то есть анализируется исходящий спектр мощности от заданного ввод¬
ного спектра мощности. Раньше самым большим недостатком этой методики
являлись огромные объемы расчетов, однако этот вопрос уже решен отдельны¬
ми ученными, но, однако, еще не достиг полной функциональности.141
•	Методика реакции спектраВ настоящее время, методика реакции спектра является основной эффек¬
тивной антисейсмической методикой проектирования, рекомендованной нор¬
мами многих стран. Достоинством методики является упрощенность, значи¬
тельная вероятность результата и обширность применения для выбора типа
конструкции и для предварительного проектирования. Но при рассмотрении
вопроса ввода сейсмического возбуждения многих точек затруднительно
обеспечение точности расчетов по причине того, что существует проблема по
спектру длиннопериодической реакции, а также трудность моделирования
характеристики временно-пространственной вариации движения поверхности
земли.Основные догмы ввода сейсмических волн многих точек для
анализа прохождения в единицу времени•	Уравнение равновесия конструкцииРазделяя статическую неопределимость конструкции на внутреннюю ys и
внешнюю уь9 уравнения равновесия имеет следующий вид:\К' ^1|М = |М	(5.2.5)кы	МОбычно внешняя статическая неопределимость уь и внешняя нагрузка Fs
являются заданными, а внутренняя статическая неопределимость конструкции
уь и внутренние реакции Ръ являются неизвестными величинами, получаемыми
из уравнений:Ksys+Ksbyb=Fs.	(5.2.6-1)Kbyb+Kbsys=Fb.	(5.2.6-2)выражение 5.2.6.-1 можно записать в виде:Ksys=Fs-Ksbyb.	(5.2.6-3)Если внешняя нагрузка отсутствует, а возникло только изменение внутрен¬
ней статической неопределимости, выражение 5.2.6-3. записывается в виде:ys=-K;lKsbyb.	(5.2.7)•	Уравнение равновесия движения с учетом сейсмического возбуждения
многих точекУравнение движения с учетом сейсмического возбуждения многих точек
имеет вид:М° ° lF4 + |"Cr С'*1{М + [^ ^1{Л} = {°}. (5.2.8)
. о mJUJ |с£ Cb\\yb\ Kbs ^JUJ \Fb\В этом уравнении ys, ys, ys, соответственно, абсолютное ускорение, ско¬
рость и вектор перемещений; MS9 Cs, Ks - соответственно, матрица масс элемен¬
тов, матрица демпфирования и матрица жесткости.142
Перемещение определяется следующим образом:'-Ы-КШ- (5-2-9)где uf - динамическое перемещение, yss - статическое перемещение.Статическое перемещение:yl=-K;'Ksbyb=-Ryb.	(5.2.10)Вычислив производную первого и второго порядка, получим, соответст¬
венно, скорость и ускорение:yss=-Ryb,yss=-Ryb•	(5.2.11)Из уравнения (5.2.8) получим:Msys+Csys + Csbyb +Ksys +Ksbyb =0.	(5.2.12)Подставив уравнение 5.2.9 в 5.2.12, получим:Msiid + Csiid +Ksuds = -Msy\ -Csy*-Csbyb-Ksbyb-Ksyss. (5.2.13)Окончательно получим:Msiid + Cstif +Ksuds =-Msyss =-MsRyb.	(5.2.14)Получено уравнение динамического равновесия при сейсмическом возбу¬
ждении многих точек. Из сопоставления представленных решений можно ви¬
деть, что статическая реакция и динамическая реакция зависят от соотноше¬
ния жесткостей. Если речь идет о линейно-деформируемой конструкции, то
отдельно можно определить статическую реакцию и динамическую реакцию.
Если речь идет о нелинейной конструкции, у которой жесткость конструкции
связана с ее реакцией отклика, то в этом случае нельзя отдельно определить
статическую и динамическую реакции, так как принцип наложения здесь не
подходит. В этом случае можно только с помощью уравнения динамического
равновесия определить абсолютное конструктивное смещение - в качестве
основного параметра.При проведении анализа сейсмической реакции по времени прохождения
волны точек для определения времени начала вибрации, необходимо опреде¬
лить направление передачи сейсмической волны. Обычно для учета влияния
ввода волны для многих точек, необходимо, определение разности фаз на каж¬
дой точке, и соответственно определения скорости передачи сейсмической вол¬
ны для расчета реакции отклика конструкции. Одновременно нужно учитывать
то, что направление сейсмического движения земли не имеет отношения к на¬
правлению передачи сейсмической силы, т.е. нельзя смешивать направления
передачи сейсмической волны с сейсмическим движением земли. В одном на¬
правлении передачи сейсмической волны, должно учитываться влияние сейс¬
мического движения земли в разных направлениях.143
Процесс проведения анализа способом оценки времени
прохождения сейсмических волн1.	Определение времени прохождения сейсмической волны в различных
точках.Прежде всего, соответственно фактическому состоянию строительной пло¬
щадки необходимо определить начальное время прохождения волны в каждой
точке. Существует два способа для определения времени прохождения волны в
каждой точке. Первый способ состоит в приведении анализа движения волны,
другой упрощенный расчетный способ. Из-за неопределенности землетрясения,
при анализе нужно учитывать влияние разных направлений сейсмической вол¬
ны и отдельно определить время прохождения волны в каждой точке и под раз¬
ным направлением передачи сейсмической волны.а)	Способ анализа движения волныУчитывая закономерности взаимодействия грунта основания и конструк¬
ции фундамента, необходимо построить математическую модель, включающую
конструкцию и массив грунта. На границу исследуемой модели вводится сейс¬
мическая волна, и проводится анализ ее движения вдоль площадки взаимодей¬
ствия, получая данные о времени ее движения в каждой точке ввода. При ана¬
лизе, возможно, исследование и другой гипотезы о границе передачи сейсмиче¬
ской волны. Это очень сложной вопрос и читатель может принять к сведению
специальные работы по этому вопросу. *б)	Упрощенный способПри учете однократного действия бегущей волны на одномерной площадке,
можно принять упрощенный способ анализа. Проводить ввод волны на подош¬
ву фундамента конструкции, принимая вид вводной сейсмической волны в ка¬
ждой точке одинаковый по размеру пикового значения. При передаче волны на
конструкцию возникает разность фаз вводимой сейсмической волны в каждой
точке. Далее необходим совместный анализ направления и скорости передачи
сейсмической волны.Первоначально в соответствии с направлением передачи сейсмической
волны, определяется первая точка, где начинается сейсмическая вибрация. Дан¬
ная точка принимается в качестве точки нулевой фазы прохождения сейсмиче¬
ской волны. Используя гипотезу о том, что сейсмическая волна передается па¬
раллельно ее направлению и одинаковая фаза сейсмической волны зависит от
направления и скорости ее передачи, рассчитывается время передачи сейсмиче¬
ской волны на каждую точку подошвы фундамента и определяется соответст¬
вующая разность фаз.2.	Проведение анализа ввода сейсмического возбуждения многих точек со¬
оружения.Конечно-элементная модель конструкции позволяет проводить анализ виб¬
рации при введении в каждую точку с подошвы сейсмического воздействия. В
соответствии с различными направлениями сейсмической волны, определяется
включение сейсмического воздействия в каждой точке. Одновременно фикси¬144
руются отдельные направления вибрации и направления передачи сейсмиче¬
ской волны для каждого направления передачи.3.	Сравнение результатов ввода сейсмического возбуждения многих точек и
одномерного ввода сейсмической волны.Сравнивая параметры вводной сейсмической волны и реакцию отклика
конструкции можно определить влияние ввода сейсмического возбуждения
многих точек конструкции. В процессе проектирования конструкции, можно
непосредственно использовать результаты метода анализа времени прохожде¬
ния волны для эталонирования прочностных характеристик конструкции. Но
обычно это очень большой объем работы, который трудно выполнить. Поэтому
можно вводить коэффициенты влияния ввода многих точек в методику анализа
реакций спектра, для проведения проектирования конструкции.Влияние учета ввода сейсмических волн для точекОтносительно конструкции моста, где нижнее основание сооружения рабо¬
тает относительно самостоятельно, очевидно влияние статической реакции,
вызванной не синхронизацией основной вибрации. В обычной же конструкции
сооружения, соединенной с подвалом ограниченным низким перекрытием в
общем случае не возникает, наблюдается незначительное влияние аналогичной
статической реакции. Но другое влияние учета ввода сейсмических волн для
многих точек состоит в том, что из-за разности фаз волны на каждой точке бу¬
дет возникать реакция закручивания всей конструкции. Это является главным
моментом при сейсмическом анализе.После учета ввода сейсмических волн для многих точек, в конструкциях
зданий со многими симметричными башнями, возможно, возникновение реак¬
ции закручивания в конструкции, что не возможно учесть при анализе с ис¬
пользованием ввода сейсмических волн для точки.Для конкретной сверхдлинной конструкции авиавокзала № 3 столичного
аэропорта (ТЗА), был проведен анализ прохождения волны в единицу времени
с использованием многих сейсмических точек. Одновременно, учитывая много
направлений передачи сейсмических волн. Авиавокзал ТЗА в плане представ¬
ляет собой Y-образную фигуру, симметричную отностельно оси север-юга. Рас¬
стояние между краями двух крыльев корпуса составляет 760 м, длины Y образ¬
ной фигуры по оси север-юг составляет приблизительно 900 м (рис. 5.2.1).
Конструктивная часть проекта данного объекта выполнена консультантами
«ОЯНА» и Пекинской проектной академией. Китайская научная строительная
академия участвовала в расчетной работе с применением анализа сейсмическо¬
го возбуждения многих точек сооружения.При анализе времени прохождения сейсмических волн для многих точек по
зданию авиавокзала ТЗА. Установлено, что общий срез конструктивной базы
при таком анализе уменьшается, но увеличивается влияние закручивания кон¬
струкции (рис. 5.2.2). Сплошная линия - результат ввода сейсмических волн
для многих точек, пунктирная линия - результат тестового ввода. При расчете
на действие сейсмических волн для точек, внутренние усилия в вертикальных145
конструкциях больше, чем при расчете на тестовое сейсмическое воздействие.
Причем кратное увеличения внутренних усилий возникают в контурах конст¬
рукций. Большое влияние учета сейсмических волн для многих точек наблюда¬
лось на цокольном этаже, меньшее влияние происходит на верхние конструкции.Рис. 5.2.1. Авиавокзал столичного аэропорта ТЗА:
1 - угловые колонны; 2 - контурные колонныРис. 5.2.2. Реакция отклика во времени при прохождении
волн для конструкции угловой колонныЕсли говорить о обычных высотных зданиях, то надо учитывать следующее.
Если длина подвала больше чем 600 м, то оптимально проводить расчет с ис¬
пользованием ввода сейсмического возбуждения для точек. Если длина подвала
больше чем 200 м, причем имеется геологическая неоднородность или очевидная
рельефность, то также оптимально проводить расчет с использованием многих
точек, ввода сейсмического возбуждения при расчете, одновременно учитывать
местные особенности площадки строительства и влияния бегущей волны.146Угол кручения конструкцииВремя (с)0.012.0.010-0.008-0.006-0.004-0.002-0.000--0.002--0.004--0.006--0.008-
5.3. Нелинейный анализ5.3.1. Анализ геометрической нелинейности (влияние Р-А)Учет геометрической нелинейности
Обычно расчет конструкций выполняют в упругой стадии их работы без
учета деформированной схемы. Такая схема расчета подходит для конструкций,
имеющих большую жесткость, малодеформируемых конструкций, однако для
некоторых особенных состояний эта схема неприменима.Если в конструкции возникают неупругие деформации при внешних воз¬
действиях, необходим нелинейный анализ конструкции. При изгибе под дейст¬
вием поперечной нагрузки в конструкции будет возникать дополнительный
изгибающий момент (рис. 5.3.1). Для некоторых конструкций, имеющих боль¬
шую гибкость и относительно малую жесткость, необходимо учесть это влияние.Одновременно возможно другое состояние, например конструкция каната.
Эта конструкция создана, именно на основе больших деформаций сечения, при
этом, естественно, требуется учет нелинейности при ее анализе.Для обыкновенных высотных сооружений учет влияния P-А является глав¬
ным вопросом. Это связано с непрерывным увеличением количества этажей
высотных сооружений, и соответственно увеличением случайного эксцентри¬
ситета конструкции, уменьшение жесткости, а также увеличением горизон¬
тального смещения конструкций под действием горизонтальных нагрузок.Упрощенный метод расчета влияния зависимости Р-А
При учете нелинейности работы конструкции требуется построить соот¬
ветствующие уравнения конструкции в деформированном состоянии. При этом
обычно учитывается и дополнительное действие гравитационных нагрузок в
деформированном состоянии.Рис. 5.3.1. Дополнительный момент, вызванный смещением этажа:а - расчетная схема после деформации; b - дополнительный момент;
с - дополнительная горизонтальная нагрузка147
После деформации конструкций возникает дополнительная гравитация ка¬
ждого этажа. Дополнительный наклоненный момент, вызванный гравитацией
этажа, показан на рис. 5.3.1. После деформации конструкции под воздействием
поперечной силы дополнительный момент, действующий на /-ом этаже, выгля¬
дит так:trij = WjUh	(5.3.1)где Wi - гравитация г-го этажа; щ - смещение г-го этажа.Данный изгибающий момент можно заменить парой сил (см. рис. 5.3.1, с):qi = wiui/hi,	(5.3.2)где hi - высота г-го этажа.Влияние действия Р-Д по уравнению (5.3.2) может быть рассчитано приме¬
нением последовательных итераций.Прежде рассчитывалось перемещение конструкции под воздействием гори¬
зонтальной силы без учета действия Р-Д:Д° = {м10,м2°,...,<}7’.Соответственно по полученному перемещению может быть вычислен до¬
полнительный изгибающий момент.Таким же образом рассчитывается дополнительная горизонтальная сила:p° = {pIpI,:-,p°n}t.Прикладывая дополнительную горизонтальную нагрузку, с учетом началь¬
ной горизонтальной нагрузки, получаем новое перемещение:A1 = {и\,и\,...,и\}т.На основании данного перемещения можно вычислить новую дополни¬
тельную горизонтальную силу. Также повторными итерациями, до удовлетво¬
рения требований схождения, возможно получить перемещение конструкции с
учетом действия Р-Д.Итерационный способ решения является достаточно длительной и неточ¬
ной расчетной процедурой, требующей замены более быстрым и удобным спо¬
собом прямого решения.Согласно рис. 5.3.1 выписываем уравнение равновесия конструкции:KU=F + LU9	(5.3.3)где К - матрица жесткости бокового направления конструкции; L - матрица сил
гравитации w, каждого этажа; U - горизонтальное перемещение этажа.
Уравнение (5.3.3) можно записать:£*t/=F,	(5.3.4)meK* = K-L.Отсюда можно выразить перемещение с учетом действия Р-Д. При этом w,
является несимметричной матрицей, поэтому матрица К* тоже несимметричная.
Для упрощения решения необходимо преобразование:148
iи,	= (иi - им) + (и,_, - щ_2) + • • • = £ (и,- - М;-1);	(5.3.5)мiЩ = wi'L(uj-uj-i).	(5.3.6)J'=1Поэтому дополнительный общий момент гравитации /-го этажа разделяет¬
ся на дополнительные изгибающие моменты соответствующего перемещения
каждого нижнего этажа от гравитации верхнего этажа, это можно отобразить
парой горизонтальных сил, действующих на каждом этаже:Vj (= -Г- ! ! fJ (/=1, «,7=1,0.	(5.3.7)Я)-х J ИуЛ"1 41 ип\Общая горизонтальная сила каждого этажа:Г 1 { \Г л 1*1 Г 1Hl =	1 ,	(5.3.8)_?mJ UyjL-i iJh-iJгде qt - дополнительная горизонтальная сила /-го этажа; W{ - общая гравитаци¬
онная сила каждого этажа выше /-го этажа.Таким образом, W\ отобразит симметрический момент L уравнением равно¬
весия для решения (5.3.4), можно вычислить переме¬
щения конструкции с учетом действия Р-А, не прибе¬
гая к итерированию.Для сложно соединенной конструкции трудно
точно определить общую гравитацию от каждого
вышерасположенного этажа, т. е. вышеизложенный
способ расчета трудно реализовать, поэтому для уп¬
рощения расчета производят замену продольной си¬
лой колонны (рис. 5.3.2):?1=-?2=у(А.-А2),	(5.3.9)где N- продольная сила.С учетом уравнения (5.3.4) можно исправлять
элементную матрицу жесткости колонны, вводя ее в
расчет, можно находить перемещения конструкции с
учетом действия Р-А.Влияние момента от действия Р-АДля изучения момента, который возникает при действии P-А, проводится
сравнительный анализ конструкций, представленных на рис. 5.3.3.На результат сравнения влияет изменение воздействий, действующих на
конструкцию, а также изменение конструкций. Поэтому выполняется сравнение
данных результатов с результатами действия ветровой нагрузки, получившаяся
разность результатов является изменением системы в результате влияния Р-А.Рис. 5.3.2. Дополнитель¬
ная горизонтальная сила
при учете действия Р-А149
Рис. 5.3.3. Конструктивная схема в плане•	Жесткость в поперечном направлении конструкцииВ предыдущем расчете была принята большая жесткость в поперечном на¬
правлении (железобетонная конструкция без учета влияния действия Р-Д).
Стальные конструкции имеют большую деформируемость и соответственно
малую жесткость сечения, в таком случае требуется учесть влияние действия
P-А. При сравнении работы двух конструктивных схем здания с одинаковым
расположением конструкции моделируется разница жесткостей сечений конст¬
рукций. Вариант 1 представляет собой железобетонную конструкцию с ограни¬
чением перемещения 1/800; вариант 2 представляет собой стальную конструк¬
цию с ограничением перемещения 1/500. Высота этажа принимается 3 м. Раз¬
мер сечения элементов двух вариантов - табл. 5.3.1. Результаты сравнения
приведены в табл. 5.3.2.Таблица 5.3.1Сечения элементов сравниваемых конструкцийТолщина стены (мм)Сечение колонны (мм)Сечение балки (мм)Вариант 1500800x800500x800Вариант 2350600x600350x800150
Таблица 5.3.2Результаты расчетаКол-воВариант 1
Перемещения, ммВариант 2
Перемещения,ммэтажейотклонениеотклонениес учетомбез учета(%)с учетомбез учета(%)205,905,981,449,179,341,853023,5524,343,3834,9436,544,594063,3267,346,3596,48103,867,6550136,63151,1410,62208,87240,8315,3Анализируя результаты расчета, можно сделать вывод, что поперечная же¬
сткость конструкции прямо влияет на степень действия Р-А конструкции. При
одинаковой высоте конструкции и уменьшении жесткости конструкции увели¬
чивается влияние действия Р-А. При одинаковом расположении конструкции и
увеличении высоты конструкции уменьшение жесткости конструкции вызывает
увеличение влияния действия Р-Д.•	Нагружение конструкцийДля сравнения влияния нагружения конструкций применяется разная вели¬
чина нагрузки по двум вариантам (10 кН/м2, 6 кН/м2), результаты расчета при¬
ведены в табл. 5.3.3.Таблица 5.3.3Результаты расчета перемещения при разных нагрузках, ммКол-воНагрузка 6 кН/м2Нагрузка 10 кН/м2этажейс учетомбез учетаотклонение(%)без учетас учетомотклонение(%)205,905,961,005,905,981,443023,5524,112,3823,5524,343,384063,3266,154,4763,3267,346,3550136,63146,737,39136,63151,1410,62Если не учитывать действие Р-Д при одинаковом расположении конструк¬
ций, одинаковом действии ветровой нагрузки и разной вертикальной нагрузке,
перемещения конструкции одинаковы. Когда действие Р-Д учитывается, со¬
стояние будет другое, при увеличении нагрузки увеличивается влияние Р-Д.•	Высота конструкцийРассмотрим комплексное влияние высоты конструкции на действие Р-Д. С
одной стороны, при увеличении высоты конструкции для ограничения переме¬
щений необходимо увеличение поперечной жесткости, при этом влияние дей¬
ствия Р-Д будет уменьшаться. С другой стороны, при увеличении высоты кон-151
струкции нагружение конструкции будет соответственно увеличиваться, что
приводит к увеличению действия Р-А.Для изучения зависимости влияния Р-Д от высоты и размеров конструк¬
ции рассматривается один вариант, дифференцированно регулируются разме¬
ры конструкции на 20, 30, 40 и 50 этажах, чтобы они удовлетворяли требова¬
ниям ограничения перемещений 1/800 при воздействии ветровой нагрузки
(табл. 5.3.4).Таблица 5.3.4Результаты расчета перемещенияКол-воПеремещение, ммэтажейбез учета действия Р-Ас учетом действия Р-Аотклонение (%)2059,16(1/1014)66,7412,83087,7(1/1026)97,5711,2540113,05 (1/1062)125,010,5750140,97(1/1064)156,4610,98При разной высоте конструкции разница между размерами незначительно
влияет на действие Р-Д. Следовательно, когда конструктивные требования
удовлетворяются, низкая высота конструкции не обозначает то, что влияние
действия Р-Д меньше, на это нужно обращать внимание.Анализируя вышеприведенные результаты расчетов, можно выделить два
основных фактора влияния действия Р-Д высотных сооружений: жесткость в
поперечном направлении и нагружение конструкции. Нельзя определить влия¬
ние действия Р-Д просто на основании высоты конструкции. В некоторых осо¬
бых случаях действие Р-Д нельзя игнорировать, особенно для конструкций,
имеющих большие вертикальные нагрузки.Жесткость конструкции прямо влияет на зависимость Р-Д. В требованиях
норм Китая к проекту установлено ограничение перемещений конструкций, это
до известной степени обеспечивается жесткостью конструкции. Перемещение
конструкции зависит от величины нагрузки, действующей на нее. Если нагруз¬
ка на конструкцию мала, то при ограничении перемещений в поперечном на¬
правлении, значительное влияние оказывает зависимость Р-Д. В регионах,
имеющих малую ветровую нагрузку и незначительную сейсмичность, при про¬
ектировании легко удовлетворяются требования ограничения перемещения
конструкции, при этом часто проектируют конструкции с малой жесткостью.
Ввиду этого в этих регионах необходимо особенно обращать внимание на зави¬
симость Р-Д высотных и сверхвысотных сооружений, и особенно при расчете
устойчивости здания.При анализе упругих деформаций конструкций зависимость Р-Д не отно¬
сится к горизонтальным усилиям, действующим на конструкцию, а определяет¬
ся в основном нагружением и расположением конструкции в плане. Если при152
действии горизонтальной нагрузки в конструкции возникают неупругие дефор¬
мации и уменьшается жесткость конструкции, влияние зависимости Р-А боль¬
ше, чем в расчете упругих конструкций. Это очень важно при проектировании
железобетонных конструкций, потому что железобетонная конструкция работа¬
ет с трещинами, в упругопластическом состоянии. В связи с этим в уточненной
версии требований к высотным зданиям установлено, что при анализе конст¬
рукции с учетом зависимости P-А обязательно требование об уменьшении на
50% модуля упругости материала конструкции. Этим учитывается увеличение
влияния P-А после наступления упругопластической стадии работы конструк¬
ции. Таким образом, при проведении упругопластического анализа, с уменьше¬
нием жесткости конструкции, необходимо учесть геометрическую нелиней¬
ность конструкции.5.3.2.	Упругопластический анализ железобетонных конструкцийПри анализе упругости и пластичности необходимо применять способы
антисейсмического проектирования в соответствии с балльностью региона
строительства. Цель проектирования сейсмостойких зданий - в создании та¬
ких конструкций, которые не повреждаются при малых землетрясениях, ре¬
монтопригодны после средних землетрясений, не обрушаются при сильных
землетрясениях. То есть при действии малых землетрясений, сооружение ос¬
тается в нормальном рабочем состоянии, конструкции работают в упругой
стадии, для упругого анализа применяется спектр упругой реакции. При
средних землетрясениях конструкция работает неупруго, но эти неупругие
деформации или повреждения конструктивной системы незначительны и под¬
лежат восстановлению или ремонту. При сильных землетрясениях неупругие
деформации конструкции больше, но ограничиваются в пределах необходи¬
мых для предотвращения обрушения здания.По нормам Китая расчет внутренних усилий при малых землетрясениях
выполняется на основании упругого анализа, при сильных землетрясениях
процесс проектирования и антисейсмических мероприятий должен предупреж¬
дать возникновение обрушения. Применяется метод расчета предельного равно¬
весия, в конструкции в предварительно установленных местах максимальных
деформаций располагают пластические шарниры. В сложных не симметричных
конструкциях, если существует ослабление сечений, возможно наступление
пластичности при сейсмических воздействиях, что влечет за собой поврежде¬
ния, и из-за местного повреждения может произойти обрушение целой конст¬
рукции. Именно из-за того, что предыдущий упругий анализ не может опреде¬
лить фактическую реакцию конструкции после вступления в пластическую
стадию при сильных землетрясениях. Для сложных конструкций при расчете
данным способом не всегда обеспечивается безопасность, для таких конструк¬
ций более применим метод упругопластического анализа. Для особенно непра¬
вильных конструкций на основании упругого расчета, путем упругопластиче¬
ского анализа определяют перемещения и расположение пластических шарни¬153
ров конструкции при сильной сейсмической нагрузке, далее проводится второй
этап поверочного расчета против обрушения.Динамический упругопластический анализ тоже получил определенное
развитие при анализе упругопластической реакции поведения конструкции при
землетрясении.Конструкции высотных сооружений имеют очень большое количество эле¬
ментов. При проведении нелинейного анализа методом конечных элементов, по¬
вышается трудоемкость расчетов, поэтому метод конечных элементов применяют
в особых случаях. Для упрощения процесса расчета и увеличения точности на
основании положений метода конечных элементов и понятия пластического
шарнира появился метод анализа макроэлементов железобетонной конструкции.
Согласно данному методу каждый элемент конструкции разделяется на один или
несколько участков, причем на участках анализируется их пластическое состоя¬
ние, при этом намного уменьшается объем расчета, а точность повышается.Основные гипотезыПри проведении упругопластического анализа железобетонного элемента
принимают следующие гипотезы:•	Гипотеза плоских сеченийТеоретически гипотеза плоских сечений справедлива только для элементов
из однородных упругих материалов. Применительно к железобетонному эле¬
менту с учетом неоднородности материала, особенно на этапе текучести про¬
дольной арматуры, при уменьшении высоты сжатой зоны на этапе, близком к
разрушению, гипотеза плоских сечений в сечении с трещиной уже непримени¬
ма. Однако с учетом того, что повреждение элемента возникает на каком-то ог¬
раниченном участке длины, то осредненная величина деформации сечения с
момента приложения нагрузки до момента повреждения участка лучше согла¬
суется с гипотезой плоских сечений. Поэтому в методике анализа макроэлемен¬
тов также принимается закон линейного распределения деформаций по сечению.•	Гипотеза пластического шарнираПластичность элемента возникает в местах расположения пластических
шарниров, причем места расположения возможных пластических шарниров
назначаются предварительно, по некоторым моделям еще устанавливают и дли¬
ну пластической области.•	Зависимость напряжение-деформации материалаПо методике макроэлементов применяют одномерную или двухмерную мо¬
дель, обычно сталь по соотношению напряжения-деформации считается идеаль¬
ным упругопластическим материалом, для бетона назначают разные модули.Модели элементов•	Макроскопическая нелинейная модель балкиВ методике макроэлементов обычно применяют гипотезу жесткого перекры¬
тия, поэтому не обращают внимания на продольную силу балки, причем нагру¬154
жается балка однонаправленным изгибающим моментом. Конкретная модель -
модель шарнирно опертой балки, состоящая из балки АВ и шарниров А и В, на¬
ходящихся по концам балки. Шарниры А и В являются цилиндрическими изгиб-
ными, что отображает нелинейное действие блока.Рис. 5.3.5. Зависимость М-<р•	Модель балки, работающей на изгиб и срезМодель балки, работающей на изгиб и срез, приведена на рис. 5.3.6. Мо¬
дель включает две основные части: шарнир А и шарнир В, которые моделируют
изгибающие моменты; пружина К моделирует срез.Рис. 5.3.6. Модель балки на действия изгиба и срезаВ трех точках контролируется поведение изгиба и среза модели. Путем
проведения анализа сечений элемента, находящихся в разных местах, можно
определить соотношение нелинейной деформации и нагрузки шарнира и пру¬
жины.Макроскопическая нелинейная модель колонны
Центрально нагруженная колонна отличается от балки в железобетонных
конструкциях, она воспринимает вертикальную нагрузку, изгибающий момент
и срез рассматриваемого этажа и переданные от вышерасположенных этажей,
причем существует зависимость между продольной силой и изгибающим мо¬
ментом при нелинейном расчете. Поэтому для обыкновенной макроскопиче¬
ской модели колонны принято следующее:•	Модель одной пружины. Модель колонны представляет собой одинар¬
ную пружину на двух опорах, моделирующую упругопластическую работу
элемента.155Рис. 5.3.4. Схема модели балки
Рис. 5.3.7. Модель
колонны из многих
пружин•	Модель многих пружин. Макроскопическая мо¬
дель колонны, состоящая из многих пружин, расположен¬
ных в направлении оси, отображающих оголовок и базу
колонны (рис. 5.3.7), тело колонны моделируется одной
или несколькими горизонтальными пружинами для ана¬
лиза работы колонны на сдвиг.Для того чтобы построить диаграмму «нагрузка-де¬
формации» для сечений колонны от действия продольной
силы и изгиба, требуется отдельно нагружать пластиче¬
скую область элемента по длине.Макроскопическая нелинейная модель диафрагм
жесткостиДиафрагма жесткости является главным элементом,
воспринимающим горизонтальные нагрузки. Виды таких
конструкций разные, с учетом есть ли скрытая колонна, вид скрытой колонны и
имеются ли проемы. Так как длина и высота диафрагмы жесткости больше по
сравнению с толщиной, причем ее основная работа происходит в своей плоско¬
сти, поэтому часто упрощается расчет напряжения в плоскости модели, учиты¬
вается жесткость только в плоскости диафрагмы жесткости. В настоящее время
существуют следующие макроскопические модели диафрагм жесткости.•	Модель пружины одной оси. В модели приняты
четыре пружины (рис. 5.3.8), соединенные жесткими по¬
лосами для моделирования работы на изгиб, на срез и на
напряжение стен жесткости. Из них работа на изгиб мо¬
делируется парой сил от двух боковых пружин в про¬
дольном направлении, вертикальными и горизонтальны¬
ми пружинами, которые находятся в середине, на напря¬
жение и на срез. Путем анализа по сечению блока можно
получить нелинейное соотношение между жесткостями
каждой пружины и деформациями.•	Модель одной пружины с горизонтальными
стержнями. В середине установлена пружина в осевомнаправлении для моделирования напряжения диафрагмы жесткости, добавлены
по две пружины в осевом направлении сбоку для моделирования действия про¬
тив растягивающего напряжения скрытой колонны в стене жесткости. Кроме
того, соединение между пружинами выполнено жесткими стержнями, в верх¬
нем сечении и в основании модели тоже установлены горизонтальные стержни,
что обеспечивает удовлетворение гипотезы плоских сечений при деформации
целой конструкции.•	Модель диафрагмы в виде волокон. Верх и основание диафрагмы жест¬
кости в месте расположения потенциального пластического шарнира моделиру¬
ется в виде волокон и соответствует зависимости напряжения-деформации с
учетом разных механических свойств сечения.Рис. 5.3.8. Модель
диафрагмы жест¬
кости156ЦокольколонныОголовокколонны
Рис. 5.3.9. Модель диафрагмы
жесткости с пружиной одной осиРис. 5.3.10. Модель диафрагмы жесткости в виде
волокон•	Модель двухмерной фермы. Вмодели двухмерной фермы, исходя из
гипотезы жесткости в плоскости сте-
ны-диафрагмы используется ферма
(стержень двух сил) для моделирова¬
ния элемента (рис. 5.3.11).В моделях приняты простые блоки
(пружины, волокна и т.д.), отдельно
моделирующие деформацию при срезе,
изгибе и напряжении от нагрузки, и
жесткие полосы и другие фиктивные
блоки для соединения каждого блока,
что обеспечивает увязку деформаций.5.3.3.	Анализ сечения железобетонного элементаДля проведения нелинейного анализа железобетонной конструкции необ¬
ходимо знать параметры модели, отражающие нелинейную зависимость де¬
формаций элемента от нагрузки в потенциальном месте расположения пласти¬
ческого шарнира.Зависимость «напряжение-деформации» бетонаВ соответствии с характеристикой сечения элемента железобетонной кон¬
струкции в макроскопической модели бетон делится на внутренний в пределах
замкнутых арматурных хомутов и бетон вне хомутов. Ограниченный бетон,
расположенный внутри замкнутого хомута, находится в состоянии трехосного
напряжения, поперечные деформации данной части бетона эффективно ограни¬
чиваются хомутами подобно действию обойм, поэтому прочность и деформа-
тивность бетона увеличена. Бетон, расположенный вне хомутов - это защитный
слой элемента и из-за малой толщины данная часть бетона находится в состоя¬
нии одноосного напряжения. При определении нелинейной характеристики
элемента необходимо отдельно учесть бетоны разного расположения по сечению.Рис. 5.3.11. Модель двухмерной фермы
стены-диафрагмы157Жесткий стерженьЖесткий стерженьСтекло¬волокноСтекло¬волокноПружинаКрайняяколоннаЖесткий стерженьКрайняяколонна
•	Зависимость напряжения-деформации для одноосно нагруженного
неограниченного бетонаЗависимость напряжения-деформации неограниченного бетона соответст¬
вует зависимости напряжения-деформации одноосно нагруженного бетона. За¬
висимость напряжения от деформаций определяется уравнением	 Л Уу Г V	(5-3'10)А + В — +С — +D —^<о) K£ioJ \*iQjгде Ео - начальный модуль упругости; 8to - деформации при максимальном на¬
пряжении; A,B,ChD- постоянные.Работа растянутого бетона может характеризоваться нижеследующими
тремя линейными диаграммами (рис. 5.3.12).Рис. 5.3.12. Модель растянутого бетона•	Зависимость напряжения-деформации ограниченного бетона при
нагружении одного направленияВ настоящее время в макроскопической модели чаще всего используют за¬
висимость «напряжения-деформации» ограниченного хомутами бетона. Пять
параметров определяют зависимость «напряжения-деформации» бетона данной
модели. Параметры эти зависят от армирования и вида сечения и определяются
следующими уравнениями:/с = f'cf г\	(5.3.11)г-\ + хгfee = /с'f2,254 11 + 2^-2^-1,254);	(5.3.12)^ V Jc Jc	jдс = ^, scc=0,002 H-sf^-ll ;	(5.3.13)&cc	_ \ Jc ) _r = —^	;	(5.3.14)F-Ff-'c f-'sec158
Ес = 5000-у//^ (MPa);	(5.3.15)где /с'с - предельное напряжение бетона; есс - деформации соответствующих
напряжений; Ес, Esec - начальный модуль упругости и секущей при максималь¬
ном напряжении; // - действующее в бетоне напряжение поперечного направ¬
ления. Остальные параметры определяются как и ранее.Рис. 5.3.13. Диаграмма «напряжения-деформации»
ограниченного бетонаВыбирается коэффициент площади бетона минимально действующего ог¬
раниченного ядра от общей площади ядра Ке.Для круглого сечения обычно применяют 0,95 от Ке. Расчет осредненного
бокового ограниченного напряжения ядра соответствует уравнениюЛ=КЛ // = ^^L,	(5.3.16)D sгде Asp - площадь сечения хомутов, s - шаг хомутов, П - диаметр кольцевого
хомута.Для прямоугольного сечения обычно применяют 0,75 от Ке. Предложенный
коэффициент хомута по объему, в направлении х, у отдельно рх и ру. Возможно,
существуют разные действующие ограниченные напряжения на двух разных
направлениях, требуется проведение отдельного расчета.fix = KePxfyh’ fly = KePyfyH■	(5-3.17)Предельные сжимающие деформации ограниченного бетона в соответст¬
вии с тем, что энергия деформации хомута равна энергии, выделенной бетоном
при деформации, рекомендуется определить по нижеследующему уравнению:0,004+ 1,4М*£™,	(5.3.18)fee159IНеограниченный бетонОграниченный бетон
где ps - коэффициент размещения хомутов по объему, fyh - предел текучести
хомута, £sm - предельная деформация растяжения хомута. Предельные относи¬
тельные деформации сжатия бетона от 0,012 до 0,05.Уравнение (5.3.18) описывает деформации бетона в сечении при предель¬
ном сжатии. При этом для расчета сжатой зоны изгибаемого элемента, из-за
наличия градиента напряжений учитывается минимальное отклонение 50%.
Кроме того, пластический шарнир обычно появляется в узле стыка балки с ко¬
лонной. Жесткость других элементов может придавать дополнительное ограни¬
чение бетону, чем увеличится деформация предельного сжатия.Для растянутой части результат испытания показывает, что ее соотношение
«напряжение-деформации» почти тождественно с состоянием при одноосном
растяжении, поэтому для макроскопической модели обычно принимаются за¬
висимости для одноосного напряжения.Фактически можно упрощать вышеуказанное соотношение напряжения -
деформации для ограниченного бетона, доводя до билинейной или трехлиней¬
ной моделей.Диаграммы «напряжения-деформации» стали
В нелинейном расчете железобетонной конструкции обычно считают сталь
идеальным упругопластическим материалом. С одной стороны, диаграмма «на¬
пряжения-деформации» стали совпадает с классической упругопластической
моделью, с другой стороны, проектирование конструкций выполняется на ос¬
новании того, что, проходя этап пластической деформации, арматура все еще
может выдержать высокое напряжение. Причем считается, что арматура разру¬
шается пластично.Рис. 5.3.14. Диаграммы «напряжения-деформации» арматурыВ макроскопической модели обычно для стали принимается зависимость
«напряжение-деформации» при одноосном направлении, как показано на рис.
5.3.14.Анализ изгибающего момента
С использованием вышеуказанных гипотез при одномерном нагружении
конструкций анализ сечения производится по следующей методике:1)	сечение разделяется на участки по длине параллельно направлению оси
с учетом того, что деформации и напряжения распределены равномерно на ка¬
ждом участке;160
2)	предварительно определяется место расположения нейтральной оси се¬
чения в соответствии с гипотезой плоских сечений;3)	в соответствии со свойствами арматуры и бетона определяется напряже¬
ние на каждом участке;4)	интегрированием напряжений сечения определяются изгибающий мо¬
мент и продольная сила, проводится поверочный расчет исходя из условия рав¬
новесия. При несоблюдении условия равновесия необходимо откорректировать
положение нейтральной оси. Повторить расчет по пунктам 2-4, пока условие
не будет выполнено.Путем вышеуказанных шагов можно
построить диаграмму «момент-кривизна»
сечения с учетом нелинейности материалов,
т. е. получить жесткость элемента при лю¬
бой нагрузке для формирования матрицы
жесткости.Как правило, вышеуказанным способом
зависимость «момент-кривизна» получается
непрерывными вариантными итерациями.Для упрощения расчета, обычно преобразу¬
ют ее в зигзагообразную линию, как показа¬
но на рис. 5.3.15.Анализ сечения и определение свойств пластического шарнира являются
сложным рабочим процессом. Некоторые упругопластические анализирующие
программы могут самостоятельно определить положение и свойства пластиче¬
ского шарнира, но большинство программ еще не может выполнять эту работу.Рис. 5.3.15. Упрощенная модель
элемента161
Глава 6. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОТНЫХ
ЗДАНИЙ СО СЛОЖНОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМОЙ
И ЗАДАННЫМИ СЕЙСМОСТОЙКИМИ СВОЙСТВАМИОсновные положения и методы сейсмостойкого проектирования заданных
свойств были заложены в 90-е годы XX века. Ассоциация инженеров-конструк-
торов SEAO (США) в 1995 году разработала требования к методам сейсмо¬
стойкого проектирования зданий. В 1998 и 2000 годах FEMA (США) выпусти¬
ла некоторые документы по проектированию сейсмостойких зданий. В 2003
году ICC (International Code Council) разработаны «Нормы проектирования и
обслуживания зданий», касающиеся многих вопросов, включая нормативные
эксплутационные требования зданий, конструкций, систем и их обслуживания,
поведения при различных бедствиях (воздействие огня, ветра, землетрясения и
т.д.), и условий длительной эксплуатации. В этих нормах проектирования были
приведены конкретные указания.Проектирование заданных свойств сейсмостойких зданий является новым
важным направлением в проектировании конструкций зданий. Его характери¬
стики: обеспечение сейсмостойкости конструкций в направлении от общего к
частному; глубокий анализ и обоснованность, обеспечивающие новаторство в
проектировании строительных конструкций. После исследования свойств
(включая испытания) можно применять новые конструктивные системы, новую
технику и новые материалы, которые настоящими нормами еще не определе¬
ны. Для разных уровней сейсмичности, местных условий и ответственности
зданий принимаются разные проектные решения и мероприятия. Тем не менее,
основы такого метода антисейсмического проектирования до настоящего вре¬
мени полностью не изучены вследствие неопределимости значений сейсмиче¬
ского воздействия, недостаточности экспериментального моделирования таких
воздействий, недостаточности опыта при анализе модели работы конструкции;
неопределенности требований по обслуживанию сейсмически опасных объек¬
тов. Несмотря на это, методы по обеспечению сейсмической безопасности кон¬
струкций постепенно совершенствуются.При проектировании высотных зданий со сложной конструктивной схемой,
для которых уже недостаточны существующие нормы, наиболее пригоден рас¬
сматриваемый метод. Объектами его рассмотрения являются несимметричные, а
также сложные конструкции. В «Технической инструкции по проектированию
высотных зданий» (JGJ3-2002) дан подробный анализ теоретических и практи¬
ческих исследований при сейсмических бедствиях, но применительно к некото¬
рым объектам еще остаются конструкции, для которых неприемлемы сущест¬
вующие нормы. Кроме того, для конструкций со сложной схемой (многоэтажные
металлические и комбинированные конструкции) сегодня еще нет соответст¬
вующих норм проектирования. Их разработка обоснована приказом № 111 Ми¬
нистерства строительства Китая «Указания о проектной сейсмичности, превы¬
шающей допустимую для многоэтажных строительных объектов» и «Техниче¬162
ские положения специальных проверок, для многоэтажных строительных объек¬
тов превышающих действующие ограничения и т.д. Проектировщики должны по
конкретных условиях объектов, превышающих действующие ограничения, про¬
изводить подробный анализ, специальные исследования а при необходимости
эксперименты на модулях и применять серьезные и более конкретные мероприя¬
тия по повышению сейсмостойкости, чем указанные в нормах. Необходимые
подтверждения осуществляются посредством специальных расчетов обеспече¬
ния безопасности конструкций при сейсмических воздействиях.Десятилетняя практика специальных проверок многоэтажных строитель¬
ных объектов показала, что уже достаточно часто при проектировании объек¬
тов используются основные положения метода сейсмостойкого проектирова¬
ния с заданными свойствами. Некоторые проектировщики объектов активно
выступают за принятие концепций данного метода. И сейчас в Китае уже на¬
шло применение метода проектирования с заданными свойствами высотных
зданий со сложной конструктивной схемой.6.1.	Основные этапы проектирования сейсмостойких
конструкций с заданными свойствамиВыше рассмотрены нормативные эксплуатационные свойства зданий, конст¬
рукций при разных бедствиях (воздействие огня, ветра, землетрясения и т.д.), а
также свойства конструкций при длительной эксплуатации. Далее для проектиро¬
вания высотных зданий со сложной конструктивной схемой рассмотрены основ¬
ные этапы проектирования с заданными сейсмостойкими свойствами.6.1.1.	Определение и выбор целей сейсмостойких свойствВ данном случае целью является проектирование ожидаемого уровня
свойств здания для определенных сейсмических воздействий.Движение поверхности земли при землетрясениях включает три уровня:1-й - за 50 лет вероятность возникновения землетрясения превышает 63% -
малое землетрясение; 2-й - 10% - среднее землетрясение; 3-й - 2-3% - сильное
землетрясение.•	Уровни конструктивной безопасности конструкцийОпределение уровней конструктивной безопасности конструкций по раз¬
ным нормам неодинаковы. Уровни конструктивной безопасности обозначаются
SP - сокр. Structural Performance (конструктивная пригодность). В зависимости
от пригодности к дальнейшей эксплуатации можно выделить следующие уров¬
ни: SP1 - конструкции работоспособны и возможно их использование после
землетрясения; SP2 - конструкции почти работоспособны, возможно их ис¬
пользование после ремонта; SP3 - локальное разрушение, необходимо усиле¬
ние после землетрясения; SP4 - разрушение конструкций серьезное, но не вы¬
зывает человеческих жертв; SP5 - конструкция сохраняет устойчивость, но
разрушения серьезны, приближаются к обрушению.163
•	Уровни безопасности неконструктивных системНеконструктивные системы включают ограждающие элементы (перего¬
родки, декоративные элементы и т.д.), а также разное электромеханическое и
другое инженерное оборудование.Уровни безопасности свойств неконструктивных систем обозначаются NP -
сокр. Nonstructural Performance (неконструктивная пригодность) и подразделя¬
ются на следующие: NP-A - нормально функционирует и эксплуатируется по¬
сле землетрясения; NP-B - быстро восстанавливает эксплуатационные свойства
и может использоваться; NP-C - разрушение серьезнее, но не вызывает челове¬
ческих жертв; NP-D - серьезное разрушение.•	Уровни конструктивной безопасности здания в целомДля определения уровня свойств зданий можно использовать некоторые
комбинации уровней безопасности конструкций и уровни безопасности неконст¬
руктивных систем. В общих случаях можно принимать следующие комбинации.Комбинации SP1 и NP-A (сокращенно на 1-А, далее то же), 1-В, 1-С, 2-А,2-В, 2-С, 3-В, 3-С, 3-D, 4-С, 4-D, 5-С, 5-D.Верхние комбинации 1-А, 1-В, 2-А, 2-В относятся к свойствам зданий, ко¬
торые работоспособны или могут быть исправлены; 3-С, 4-С относятся к свой¬
ствам зданий, подвергающимся разрушениям, не вызывающих жертв; при ком¬
бинации 5-С, 5-D в конструкциях возникают серьезные разрушения, но остов
здания не обрушается. Остальные комбинации обладают промежуточными
свойствами.•	Цель сейсмостойких свойств зданийПосле определения категории землетрясения и уровня конструктивной безо¬
пасности зданий можно определить уровень сейсмостойких свойств зданий.Заказчик на основе категории ответственности здания, проектной балльно¬
сти площадки строительства, функций и стоимости конструкции и неконструк¬
тивных систем, степени разрушения после землетрясения и сложности восста¬
новления и т.д. может назначить уровень его сейсмостойких свойств. Проекти¬
ровщику необходимо представить техническо-экономический анализ. В табл.
6.1.1 показаны примеры выбора сейсмостойких свойств здания.Таблица 6.1.1Примеры выбора целей сейсмостойкости зданийЗданиеКатегорияземлетрясенияОсобо важные
здания(больницы,
службы безопасно¬
сти)ВажныезданияОбщиезданияЗдания удовле¬
творяют основ¬
ным свойствам
безопасностиМалое землетрясение1-А1-А1 А(1 -В)1 А(1-В)Среднее землетрясение1-А1-В3-С4-ССильное землетрясение1-А2-В4-C(4-D)5-D164
6.1.2. Выбор, обоснование и оценка проектного решенияКогда ориентировочно определен уровень сейсмостойких свойств зданий,
проектировщик, инженер-конструктор, инженер по оборудованию и инженер-
сметчик приступают к выполнению проекта здания. Они проводят обоснование
и оценку проектного решения, проверяют возможность достижения ожидаемых
целей и проводят экономическую оценку. Например, если обоснование и оценка
ориентировочного проекта неудовлетворительны, тогда проводится вторичный
расчет или изменяют свойства объекта. После проведения обоснования проект
отдается на экспертизу, которая выявляет ошибки, подлежащие исправлению.При обосновании варианта проектирования необходимо обратить внима¬
ние на принимаемые решения, основанные на использовании соответствующих
конструктивных систем, новых материалов, оборудования и техники. При не¬
обходимости проводятся эксперименты, антисейсмические мероприятия для
неконструктивных систем и оборудования, расчеты и анализ (упругий и нели¬
нейный), проработка, деталей, экономический анализ и т.д.Сейсмостойкое проектирование заданных свойств состоит из определения
и выбора свойств, обоснования и оценки проектного варианта. На рис. 6.1.1
показаны основные этапы реализации сейсмостойкого проектирования.Рис. 6.1.1. Блок-схема - «Основные этапы реализации сейсмостойкогопроектирования»165Соответствующие
документы и нормы
административных
органовПроектирование по
действующим нормамВыбор строительных
проектовВыбор уровнейУровень свойствДокументы и нормы
административных
органовПроведение расчетовПроработка деталейЭкономический анализОценка целейСпециальные проверкиУтверждение проекта
6.2.	Некоторые сравнения между методом проектирования
сейсмостойких конструкций с заданными свойствами и
нормативным сейсмостойким проектированием6.2.1.	Нормативное сейсмостойкое проектирование является
прообразом метода проектирования сейсмических конструкций
с заданными свойствамиВ Китае в 80-е годы XX века при пересмотре норм сейсмостойкого проек¬
тирования промышленных и гражданских зданий впервые была выдвинута но¬
вая цель - здание при малом землетрясении не должно иметь повреждений, при
среднем землетрясении его можно восстановить, при сильном землетрясении
остов здания не обрушается. В 1989 году официально выпустили «Строитель¬
ные сейсмостойкие нормы проектирования» GBJ 11-89. Статистический анализ
вероятности возникновения землетрясения в 65 городах сейсмических районов
Китая показал, что в 50-летний период вероятность возникновения подобных
землетрясений составляет 63%, 10%, 2-3%, а соответствующие им отношения
максимальных коэффициентов сейсмических эффектов составили 1:2, 8:4, 5:6.
При определении степени разрушения зданий после редких землетрясений на
основе «критериев степени сейсмических разрушений зданий» (1990 № 377)
(табл. 6.2.1) уточнили понятие сейсмических бедствий. Такой подход опреде¬
ляет макрорегулирование сейсмических свойств строительных объектов.Таблица 6.2.1Степени разрушений зданий при сейсмических воздействияхСостояниеОписание разрушенияВозможность использованияРаботоспособноНесущие элементы исправны; некото¬
рые ненесущие элементы незначитель¬
но разрушаются; во второстепенных
элементах возникают разрушения раз¬
ных степенейЗдание обычно не требует ре¬
монта и продолжает эксплуа¬
тироватьсяНезначительноеразрушениеНекоторые несущие элементы имеют
незначительные трещины, некоторые
ненесущие элементы явно разрушают¬
ся; во второстепенных элементах воз¬
никают разрушения разных степенейЗдание не требует ремонта
или необходим незначитель¬
ный ремонт, и здание может
эксплуатироваться дальшеСреднееразрушениеВ большинстве несущих элементов
возникают незначительные трещины;
некоторые ненесущие элементы серь¬
езно разрушаютсяНеобходим ремонт, принима¬
ются мероприятия по безо¬
пасному использованиюСерьезноеразрушениеБольшинство несущих элементов серь¬
езно разрушаются или части здания
обрушаютсяЧасть здания реконструирует¬
сяОбрушениеБольшинство несущих элементов об¬
рушаютсяНеобходима замена конструк¬
ций166
Для выполнения проектных целей, начиная с третьего уровня в нормах при¬
нят сокращенный метод проектирования, разделенный на два этапа. На первом
этапе контролируется нагруженность конструктивных элементов и регулирова¬
ние деформаций. На втором этапе контролируются упругопластические дефор¬
мации конструкции при сильных землетрясениях. Перемещение слабых элемен¬
тов легкоразрушающихся конструкций и строительных конструкций, к которым
предъявляются особые требования, при сильных землетрясениях должно быть
ограничено для того, чтобы избежать обрушения. Поэтому необходимо пред¬
принимать специальные антисейсмические мероприятия. Требования третьего
уровня к таким конструкциям включают четкие ограничения перемещений.В связи с этим можно полагать, что метод проектирования сейсмостойко¬
сти, применяемый в Китае с 1989 года уже имел черты метода проектирования
заданных свойств. Новые нормативные документы «Строительные нормы про¬
ектирования сейсмостойких зданий» (GB50011-2001) и «Технические инст¬
рукции по проектированию конструкций высотных зданий» (JGJ 3-2002) в кон¬
цептуальных понятиях, требованиях и регулировании свойств получили даль¬
нейшее и более конкретное развитие.6.2.2.	Некоторые сравнения между проектированием
конструкций с заданными сейсмостойкими свойствами и
нормативным сейсмостойким проектированиемСравнивая рекомендации первого параграфа о «проектировании заданных
свойств», приведем некоторые сравнения между проектированием конструк¬
ций с заданными сейсмостойкими свойствами и нормативным сейсмостойким
проектированием (табл. 6.2.2).Таблица 6.2.2Сравнительный анализ методов проектирования сейсмостойких конструкцийОбъектсравненияНормативное сейсмостойкое
проектированиеПроектирование конструкций
с заданными свойствами123ПроектнаяцельЗдание при малом землетрясении не
будет иметь повреждений, при сред¬
нем землетрясении его можно восста¬
новить, при сильных землетрясениях
не обрушается; малое землетрясение
имеет точный показатель свойств,
большое землетрясение имеет показа¬
тель - перемещение; по важности зда¬
ния разделяют на 4 типа (I, ИДИ, IV)По категории эксплуатационных
функций и степени разрушения пос¬
ле землетрясения выдвинуто много
ожидаемых свойств, включающих
разные конкретные показатели для
свойств конструктивных, неконст¬
руктивных систем и мероприятия.
Выбирают ожидаемые свойства для
конкретного объектаМетодвыполненияПроектирование по жестким нормам.
Упругая работа конструкций при ма¬
лом землетрясении, рациональное ре¬
гулирование внутренних усилий и де¬
формаций конструкций при большихКроме удовлетворения основных
требований необходимо дать обос¬
нования, которые соответствуют
ожидаемым требованиям свойств и
включают конструктивные схемы,167
Продолжение табл. 6.2.2123землетрясениях, т.е. предполагается,
что может выполняться ожидаемая
общая проектная цельподробный анализ, сейсмостойкие
мероприятия и необходимые экспе¬
рименты, а также регламент специ¬
альных проверокПрименениеПроектировщиками четко регламенти¬
руются высота и симметрия здания.
Существующая ограниченность не
может соответствовать требованиям
развития новых конструктивных сис¬
тем, техники и новых материаловРедко применяется проектировщи¬
ками (метод не освоен). Способст¬
вует прогрессу в технической сфе¬
ре, но еще существуют некоторые
вопросы, требующие исследованияТакое сравнение показывает, что метод проектирования конструкций с за¬
данными сейсмостойкими свойствами является важным развитием в проекти¬
ровании конструкций высотных зданий, характеристики которых превышают
соответствующие нормативные пределы, а также при проектировании конст¬
рукций со сложной формой. Но для использования в массовом проектировании
строительных конструкций необходимо апробация и дальнейшее развитие дан¬
ного метода.6.3.	Цель реализации свойств сейсмостойкости высотных
зданий со сложной конструктивной схемойЦель реализации свойств сейсмостойкости высотных зданий - ожидаемые
уровни свойств зданий при определенных движениях земной поверхности (на¬
пример, если в год вероятность возникновения землетрясения превышает 63% -
малое землетрясение, 10% - среднее землетрясение, 2-3% - сильное землетря¬
сение). Уровни свойств здания в целом включают разные комбинации уровней
свойств конструктивных и неконструктивных систем. Главная техническая
сложность высотных зданий со сложной конструктивной схемой состоит в том,
что высота конструкции и условия симметрии здания не соответствуют требо¬
ваниям инструкции норм или в нормах отсутствуют условия проектирования
таких конструкций (здание, характеристики которого превышают ограничения,
далее - ЗПО). Эта книга обсуждает цель реализации и уровни свойств сейсмо¬
стойкости конструкций. Уровни свойств сейсмостойкости неконструктивных
систем широко изучаются многими специальными областями. В Китае такие
исследования проводятся еще недостаточно, особенно в вопросах сейсмостой¬
кости современных электромеханических систем обслуживания, ответственно¬
го оборудования и т.д.6.3.1.	Уровни сейсмостойкости конструкцийСхемы реализации и уровни свойств сейсмостойкости высотных зданий со
сложной конструктивной схемой и с превышающими ограничениями при раз-168
Рис. 6.3.1. Свойства сейсмичности зданий и их уровниУровень 1а. Конструкции после землетрясения не повреждены, не требуют
ремонта и продолжают эксплуатироваться.Уровень lb. Конструкции после землетрясения почти не имеют поврежде¬
ний, некоторые элементы имеют незначительные трещины, обычно не требует¬
ся ремонт или он незначительный, здание может эксплуатироваться далее.Уровень 2. После землетрясения ослабленные и критические сечения эле¬
ментов конструкций не имеют повреждений. В других элементах под воздейст¬
вием растягивающих напряжений возникают явные трещины. Поэтому необхо¬
дим незначительный ремонт, здание может эксплуатироваться далее.Уровень 3. После землетрясения в опасных сечениях элементов конструк¬
ций возникают незначительные повреждения и трещины, в них наступает теку¬
честь, необходим ремонт, предпринимаются мероприятия и по обеспечению
безопасности.Уровень 4. В конструкциях возникают разрушения средней степени, в
большинстве элементов возникают незначительные трещины; некоторые эле¬
менты серьезно разрушаются; материал вступает в стадию пластичности, име¬
ются значительные трещины. Необходимо предпринимать мероприятия по
обеспечению безопасности, ремонт и усиление конструкций для обеспечения
дальнейшей эксплуатации здания.Уровень 5. В конструкциях возникают явные разрушения, в большинстве
элементов возникают средние разрушения, в работе материала наступает ста¬169ных проявлениях сейсмики приведены на рис. 6.3.1, сейсмостойкие свойства
конструкций разделяются на следующие уровни.СуммарнаяпоперечнаясилаСильноеземлетрясениеСреднееземлетрясениеМалоеземлетрясениеИсправно при больших землетрясенияхПочти исправно при больших землетрясенияхВ отдельных элементах при больших землетрясениях
возникают разрушения средней степениРегулированиеразрушенияБезопасно
для жизниПеремещениеБезопасность для
жизни при больших
землетрясенияхКонструкция надежнаРазрушения средней степени при больших землетрясениях
дия пластичности, но обрушения конструкции не происходит, не возникает ло¬
кальных обрушений. Люди могут быть травмированы, но серьезного ущерба
для здоровья не возникает.6.3.2.	Свойства конструкцийДля каждого высотного здания со сложной конструктивной схемой, пре¬
вышающего ограничения по конкретному проектному значению сейсмичности,
условиям района строительства, высоте, месту и степени несимметричности, а
также по экономическим возможностям заказчика выбирают свойства конст¬
рукций при трех уровнях сейсмических воздействий. В табл. 6.3.1 приведены
некоторые виды проектных вариантов.Таблица 6.3.1Варианты проектных свойствСейсмический уровеньУровни свойств конструкций1 а1Ъ2345I (малое землетрясение)А, В, С, D, ЕII (среднее землетрясение)АВСDЕFIII (сильное землетрясение)АВСDЕВариант А: при малых и средних землетрясениях удовлетворяются требо¬
вания уровня 1а, при больших землетрясениях - требования уровня lb; в целом
конструкции не повреждены; высота и степень несимметричности здания не
требует специальных ограничений.Вариант В: при малых землетрясениях удовлетворяются требования уров¬
ня 1а, при средних землетрясениях - требования уровня lb, при сильных - тре¬
бования уровня 2; в целом конструкции не повреждены; высота и степень не¬
симметричности здания обычно не требуют специальных ограничений.Вариант С: при малых землетрясениях удовлетворяются требования уров¬
ня 1а, при средних - требования уровня 2, при сильных - требования уровня 3;
отдельные элементы конструкций разрушены; высота здания не требует специ¬
альных ограничений, ограничение степени несимметричности может быть
жестче, чем в настоящих нормах.Вариант D: при малых землетрясениях удовлетворяются требования уров¬
ня 1а, при средних - уровня 3, при сильных - уровня 4; конструкции имеют
средние разрушения; высота здания может превышать значения, приведенные в
«Технической инструкции железобетонных конструкций высотных зданий»,
ограничение степени несимметричности может соответственно увеличиться.Вариант Е: при малых землетрясениях удовлетворяются требования уровня
1а, при средних - уровня 4, при сильных - уровня 5; разрушения конструкции
не опасны для жизни; высота здания соответствует положениям «Технической
инструкции железобетонных конструкций высотных зданий», ограничения
степени несимметричности достаточно жесткие.170
6.4. Метод проектирования сейсмостойких конструкций6.4.1.	Определение уровней сейсмостойкостиСогласно принципам сейсмической безопасности, если конструкция и ее
элементы имеют низкий уровень нагружения, то ее способность к пластиче¬
ским деформациям уменьшается; если конструкция и ее элементы имеют вы¬
сокий уровень нагружения, то это может способствовать развитию пластиче¬
ских деформаций. Следует отметить, что степень несимметричности конст¬
рукции напрямую влияет на ее способность к проявлению пластических
деформаций. Отсюда следует, что при сейсмическом проектировании слож¬
ных зданий, характеристики которых превышают нормативные ограничения,
учитывается степень симметричности конструкции и значение ее высоты,
превышающей заданное ограничение. При повышении нагруженности конст¬
рукции или ее способности к пластическим деформациям, а также при увели¬
чении сразу двух этих факторов из трех методов проектирования выбирают
наиболее рациональный. Для выполнения проверок сейсмостойкости специа¬
листы сравнивают выполнимость условий проектирования. Если ограничения
норм не выполняются, то необходимо привести параметры конструкции к со¬
ответствующему уровню безопасности. При проектировании заданных
свойств сейсмостойкости требуются более рациональные критерии уровней
сейсмостойкости, а рассчитываемые факторы более всесторонни при задании
этих свойств.Критерии уровней сейсмостойкостиВ п. 6.3.1 этой главы представлено шесть уровней сейсмостойкости кон¬
струкций, далее дано определение их критериев. При разных уровнях сейсмо¬
стойкости для обеспечения общей пространственной жесткости конструкции
система перекрытий должна иметь заданный уровень напряженно-деформи¬
рованного состояния, обеспечивающий ее упругую работу при землетрясе¬
нии, т.е. должны применяться рациональные расчетные модели конструкций
с обязательным их обоснованием (включая экспериментальные исследова¬
ния). Чтобы избежать возникновения хрупких разрушений в элементах кон¬
струкции, от среза при проектировании необходимо регулировать размеры
срезаемого сечения, удовлетворяющая ограничениям действующих норм. Ос¬
новные требования обеспечения сейсмостойкости конструкций по уровням
свойств эквивалентны требованиям четвертого уровня состояния железобе¬
тонных конструкций.Уровень 1 а. Конструкция удовлетворяет проектным условиям упругости,
нагруженность от сейсмических воздействий и угол сдвига между этажами
удовлетворяют условиям действующих норм; при расчете конструкции ис¬
пользуется рациональная конструктивная схема и ее расчетная модель. В рас¬
чете учитываются коэффициенты надежности по нагрузке, материалов, зда¬
нию и корректирующий коэффициент сочетаний сейсмической нагрузки. Для
конструкций типа А и В можно не рассчитывать значения внутренних сил171
при сейсмических воздействиях; отдельные сейсмостойкие структуры разных
элементов удовлетворяют минимуму основных условий. Для конструкций
типа С, D и Е для проведения нелинейного анализа поведения конструкций
при средних и сильных землетрясениях сначала проводят проектирование
конструкций на стадии малых землетрясений по настоящим нормам, затем
проводят нелинейный анализ и корректируют свойства при средних и боль¬
ших землетрясениях. Согласно скорректированным результатам проводят
дальнейшее проектирование.Уровень 1Ь. Сейсмическая нагруженность всех элементов удовлетворяет
условиям работы конструкции в упругой стадии, сейсмостойкость разных эле¬
ментов удовлетворяет минимуму основных требований. Принимаются коэф¬
фициенты надежности по нагрузке, материалов, зданию и коэффициент соче¬
таний сейсмической нагрузке, но не рассчитывается изменение внутренних сил
при сейсмических воздействиях.Уровень 2. Сейсмическая нагруженность ослабленных и критических се¬
чений удовлетворяют условиям проектирования по упругой стадии. Все конст¬
рукции подвергаются нелинейному анализу, допускается приближение свойств
материала в указанных сечениях к условиям текучести. Не допускается воз¬
никновение перерезывающих и других хрупких разрушений; отдельные сейс¬
мостойкие структуры разных элементов удовлетворяют минимуму условия их
растяжимости.Уровень 3. В ослабленных или критических сечениях конструкции не воз¬
никает текучесть, т.е. не рассчитывается изменение внутренних сил при сейс¬
мических воздействиях. Сейсмостойкую нагрузку вычисляют по нормам (ко¬
эффициенты надежности по нагрузке, материалов, зданию и коэффициент со¬
четаний для сейсмической нагрузки принимаются равными 1,0). Конструкции
подвергаются нелинейному анализу, допускается приближение свойств мате¬
риала сечений к текучести, но не должны возникать перерезывающие и другие
хрупкие разрушения; отдельные сейсмостойкие структуры элементов удовле¬
творяют минимальным условиям средней растяжимости.Уровень 4. Конструкция подвергается нелинейному анализу, ослабленные
или критические сечения конструкций могут переходить в состояние текуче¬
сти, но при этом удовлетворяется условие ограничения деформаций (напри¬
мер, относительные сдвиги этажей железобетонных конструкций составляют
1/500-1/300). В вертикальных элементах не допускается возникновение пере¬
резывающих и другие хрупкие разрушения; отдельные сейсмостойкие струк¬
туры разных конструкций удовлетворяют минимальным условиям предель¬
ной пластичности.Уровень 5. Конструкция подвергается нелинейному анализу, ее ослаблен¬
ные или критические сечения могут переходить в состояние текучести, однако
удовлетворяются ограничения по деформациям при сильных землетрясениях;
отдельные сейсмостойкие структуры разных конструкций удовлетворяют ус¬
ловиям предельной пластичности.172
Выбор уровней сейсмостойкостиПри выборе уровней сейсмостойкости сложных зданий, характеристики
которых превышают ограничения, должны учитываться многие факторы. Да¬
лее представлены некоторые рекомендации.1.	При воздействиях малых землетрясений любые конструкции сложных
зданий, характеристики которых превышают ограничения, должны удовлетво¬
рять условиям уровня 1а. В табл. 6.3.1 разработаны разные варианты, которые
полностью соответствуют проектным условиям основной сейсмостойкости.2.	В некоторых зданиях ответственные конструкции должны находиться под
соответствующей нагрузкой для нахождения в упругом состоянии при средних и
больших землетрясениях. Некоторые здания проектируются сравнительно асим¬
метричными, заказчик, для того чтобы выдержать задаваемую им архитектурную
форму и удовлетворить особым свойствам проекта, соглашается увеличивать
запасы и соответственно расходы с тем, чтобы здание работало в упругом со¬
стоянии. Вышеперечисленные и другие особые состояния соответствуют вари¬
анту А. В то же время высота и несимметричность здания не требуют специаль¬
ных ограничений, но это не относится к особо несимметричным конструкциям.3.	Вариант В близок к варианту А, отличие конструкции по варианту В-
неослабленные и некритические состояния сечений, которые практически дос¬
тигают текучести при сильных землетрясениях. Высота и несимметричность
здания не требуют при этом специальных ограничений, но это не должны быть
особо несимметричные конструкции. Конструкция соответствует варианту А.
Также можно принять вариант В, при этом вводимые коэффициенты сейсмо¬
стойкости конструкций уменьшаются незначительно, но стоимость конструк¬
ций по сравнению с вариантом А снижается.4.	Варианты С, D, Е предполагают рассмотрение работы в неупругом со¬
стоянии. Опыт сейсмических бедствий и эксперименты показали, что при сред¬
них и сильных землетрясениях конструкции имеют допустимую нагруженность,
что приводит к ограничению их растяжимости. Для сложных конструкций в об¬
щем случае принимаются варианты С, D, Е. При выборе трех возможных вари¬
антов нужно комплексно учитывать проектную сейсмичность, степень несим¬
метричности конструкций, высоту здания, пластичность конструкций, возмож¬
ные потери после землетрясения, сложность восстановления объекта и др.5.	Для особо несимметричных высотных конструкций степень несиммет¬
ричности намного превышает пределы допустимых норм. Если конструкции
имеют минимальную пластичность, рекомендуется принимать вариант С.6.	Если высота здания или некоторая несимметричность намного превыша¬
ет пределы допустимых норм, то можно принимать варианты С или D.7.	Если высота здания и несимметричность превышает пределы допусти¬
мых норм, то можно принимать вариант D.8.	Если высота здания не превышает допустимый уровень высоты и его не¬
симметричность удовлетворяет ограничениям, то для таких конструкций, мож¬
но принимать варианты D или Е.173
6.4.2.	Расчет сейсмостойкости конструкций и условия проведенияэкспериментовЭтапы проектного расчета сложных зданий, характеристики которых пре¬
вышают конструктивные ограничения, должны быть рассмотрены особенно
тщательно. Для того чтобы выполнить проектирование заданных свойств, рас¬
четы сейсмостойкости и экспериментальные исследования должны удовлетво¬
рять следующим условиям.Расчетная модель конструкцииПри проведении упругих и нелинейных расчетов параметры модели, эле¬
ментов и узлов конструкций должны быть выбраны правильно и рационально.При расчете конструкций с горизонтальными связями необходимо обра¬
тить внимание на стыки колонн (находящихся не в уровне пола) и связевые
балки. При расчете стен-диафрагм необходимо обратить внимание на построе¬
ние расчетной модели и параметры нелинейного расчета. При расчете несим¬
метричных конструкций, имеющих большие отверстия на фасаде здания, нуж¬
но правильно запроектировать локальные жесткие перекрытия, с учетом разме¬
ров, количества и схем распределения отверстий, а также с учетом
распределения элементов жесткости, которые противодействуют горизонталь¬
ным воздействиям. Если перекрытие при сильных землетрясениях не может на¬
ходиться в упругом состоянии, то необходимо исследовать и разработать соот¬
ветствующую рациональную нелинейную модель расчета. Для конструкций,
которые используют демпферы, необходимо правильно определить отношение
коэффициентов затухания здания.Когда конструктивная система очень сложна и трудно выразить критиче¬
ские состояния для разных элементов, то принимают к рассмотрению как ми¬
нимум две расчетные модели с последующим сравнением результатов.Анализ результатовПри расчете на горизонтальные сейсмические воздействия необходимо
предусматривать восприятие внутренних усилий в первую очередь арматурой и
бетоном элементов, которые сопротивляются поперечным силам. Для симмет¬
ричных или почти симметричных высотных зданий не требуется рассчитывать
сейсмические воздействия двух направлений.Необходимо регулировать минимальные сейсмические воздействия на вы¬
сотные здания. Если суммарные перерезывающие силы в конструкции, рассчи¬
танные по коэффициенту сейсмических воздействий, меньше нормативных ве¬
личин, то жесткость этой конструкции мала и сейсмические воздействия в ос¬
новном зависят от скорости поверхности земли и ее перемещений, а не от
ускорений. Если эти силы значительны, то нужно регулировать типы элемен¬
тов в конструкции или схему всего здания.Особое внимание нужно уделять элементам, которые доводятся до фунда¬
ментов и опираются на второстепенные балки. Сейсмический эффект элементов,
которые воспринимают горизонтальные силы (стена, колонны, опоры и т.д.), пе¬174
редается на второстепенные балки, а потом на главные балки, а далее на верти¬
кальные элементы, идущие до земли. При этом необходимо проводить уточнен¬
ные расчеты и принимать соответствующие конструктивные мероприятия.Необходимо также регулировать скачек жесткости здания и особенно попе¬
речной жесткости. Результаты расчета соотношений жесткостей могут быть не¬
одинаковы, поэтому определение скачка жесткости допускается рассчитывать
разными методами. При этом учитывается угол сдвига между соседними этажа¬
ми, отношение суммарных площадей сечений вертикальных элементов, эквива¬
лентные сдвиговые жесткости и т.д. При проектировании сейсмостойких конст¬
рукций, для которых принимают варианты С, D, Е, требуется проведение нели¬
нейного анализа. Регулирование скачка жесткости таких конструкций зависит от
того, удовлетворяет ли соответствующим нормам угол сдвига между этажами.Применение метода Push overПри усложненном сейсмостойком проектировании нужно проводить допол¬
нительный расчет с использованием метода Push over. Основная предпосылка
такого расчета - введение волны сейсмического ускорения, т.е. суммарные пере¬
резывающие силы при сейсмических воздействиях, которые учитываются по од¬
ной волне и по спектральному методу, должны быть больше 65%. Если учет ве¬
дется по многим волнам, тогда значение этих сил должно быть больше 80%
(больше, чем в спектральном методе).При сравнении результатов анализа необходимо не только сравнить сейс¬
мические усилия по всем этажам, поперечную силу на этаже, перемещение ме¬
жду этажами и контролировать сечения и арматуру элементов, но и анализиро¬
вать изменения между соседними этажами и найти место скачка жесткости.Анализ вертикальных сейсмических воздействий
При землетрясениях до 8 баллов должны учитываться вертикальные сейс¬
мические воздействия. При расчете необходимо применять метод Push over.Исследования показали, что в общем случае эффект ускорения вертикаль¬
ного колебания вершины здания в 2-3 раза больше, чем его нижней части. Эф¬
фект ускорений вертикальных колебаний средней части пролетов соединений
между высотными зданиями или на конце консоли намного больше, чем на
опорах, - по некоторым подсчетам, в 3 раза. Это показало, что, если средняя
часть пролетов здания испытает землетрясение до 8 баллов, то вертикальные
сейсмические воздействия, испытываемые отдельными локальными элемента¬
ми, могут превышать 9 баллов. Эксперименты на моделях показали, что верти¬
кальные колебания соединений игнорировать нельзя.Анализ деформаций ослабленных этажей
Чтобы обеспечить жесткость и монолитность конструкции, необходимо
регулировать величину перемещений между этажами. В основные методы, ко¬
торые учитывают деформации ослабленных этажей сложных высотных конст¬
рукций, входит метод Push over и статический метод упругопластического ана¬
лиза во времени (EPDA).175
Методом упругопластического динамического анализа во времени можно
более точно оценить эффект колебательного процесса конструкций при силь¬
ных сейсмических воздействиях, но реализация метода очень сложна и на ре¬
зультаты анализа оказывают большое влияние волны землетрясений, восстано¬
вительные способности элементов, а также используемые пластические моде¬
ли. При проектировании важных высотных зданий расчетная модель элементов
должна соответствовать реальным характеристикам.Метод Push over - упрощенный метод упругопластического динамического
анализа, фактически это метод статического анализа. Иначе говоря, горизон¬
тальная сила в расчетном модуле увеличивается параметрически. Если в каком-
то элементе возникают трещины (или текучесть), то необходимо уточнить его
жесткость (или исключить его из работы) и далее уточнить матрицу суммарной
жесткости, а затем проводить расчет на следующей итерации. Цикл повторяет¬
ся вплоть до момента, когда конструкция достигает намеченного состояния.
Таким образом, необходимо определить, удовлетворяет ли конструкция соот¬
ветствующим требованиям сейсмостойкости. Метод Push over разделяют на две
части: сначала создают диаграмму нагрузка-перемещение, потом определяют
сейсмостойкость конструкций. Такой метод хорошо определяет деформации
монолитных и отдельных упругопластических конструкций, а также вскрывает
недочеты упругого проектирования (большие деформации, скачки прочности и
жесткости и т.д.).Спектральный метод сейсмостойкого проектированияПрименять данный метод сейсмостойкого проектирования можно на сле¬
дующих этапах:1.	Применяя метод Push over, получают диаграмму характеристики конст¬
рукции (рис. 6.4.1).2.	Полученную диаграмму характеристики конструкции заменяют на диа¬
грамму характеристики, которая выражается отношением спектра ускорений и
спектра перемещений (рис. 6.4.1).Рис. 6.4.1	Рис. 6.4.2Диаграммы характеристик конструкций176Диаграмма характеристики
конструкции уДиаграмма Push overПеремещение верхней точкиПоперечная сила основания
Спектр перемещений конструкции Sj и спектр ускорения Sa, определяются
по формулам:i(G,Xn)/g*=Т	— ’	(6-4.1)UG.Xfo/g/=1hoM/g12
«1 = г—!j=4r			i’	(6-4.2)\iGt/g\\i(GtX2a)/g\_/=i J L/=i*-22;	(6.4.3)«1s'=7^--	(6-4-4)где, G/ - собственный вес i-го этажа; g - ускорение свободного падения; Хц -
перемещение 1-го этажа при основных типах колебаний; X,0Pt\ - перемещение
вершины здания при основных типах колебаний; V - поперечная сила в осно¬
вании; G - собственный вес здания; D,op - перемещение вершины здания; Sa -
спектр ускорений; Sa - спектр перемещений.На основе диаграммы спектра свойств конструкции можно вычислить пе¬
риод ее колебаний:T=2*ff.	(6.4.5)Анализируя рис. 6.4.2, можно сделать вывод, что при увеличении дефор¬
мации здания период колебаний конструкций увеличивается.3.	Нормативный спектр реакций заменяют на диаграмму характеристик
конструкций, которая выражается отношением спектра ускорений и спектра
перемещений.Спектр ускорений рассчитывается по формулеSat = a,g.	(6.4.6)Спектр перемещений рассчитывается по формулеs«=4=tts«-	(6А7>аг 4 л1Соединяя все точки значений (Sdh Sal), получим требуемые спектры при
разных коэффициентах затухания. На рис. 6.4.3 показано, что требуемые спек¬
тры по «Строительным сейсмостойким нормам проектирования» «противосто¬
ят» землетрясениям до 8 баллов. При сильных землетрясениях затухание со¬
ставляет 5%, 10%, 15%, 20%.177
Рис. 6.4.3. Зависимость спектра ускорений от спектра перемещений.4.	Расчет коэффициента затухания.В процессе увеличения горизонтальных нагрузок элементы конструкций
переходят в упругопластическое состояние, и затухание колебаний увеличива¬
ется.Для учета затухания колебаний некоторой произвольной точки Р, находя¬
щихся на диаграмме спектра свойств конструкции (рис. 6.4.4), графически
строятся эквивалентные линии следующим образом. Полагаем, что площадь
А\=А2, тем самым эквивалентно учитывается изменение энергии для элемен¬
тов конструкции, вступающих в упругопластическую стадию работы:Ed = 4(aydpi -dyapi).	(6.4.8)Параметры формул пояснены рисунком 6.4.5.Рис. 6.4.4. К определению
эквивалентных характеристик
диссипации энергииРис. 6.4.5. К определению расчетных
параметров диссипации энергии кон¬
струкции178Спеюр перемещений (мм)Требуемый спеюр 5%
Требуемый спектр 10%
Требуемый спектр 15%
Требуемый спеюр 20%Спеюр ускорений (g)КриваяспектраэнергииКриваяспектраэнергии
Максимальная энергия упругих деформаций:EE=apidpi/2.	(6.4.9)Дополнительное затухание колебаний возникает в элементах, которые на¬
ходятся в упругопластическом состоянии. При этом коэффициент затухания
определяется по формуле:/3t=^-=4ard'‘-d’a',).	(6.4Л0)4 7tEE napidpiСуммарный коэффициент затухания:fi,=fie+Kfi09	(6.4.11)где Д - коэффициент затухания конструкции в упругом состоянии; к - попра¬
вочный коэффициент дополнительного затухания в упруго-пластической стадии.Коэффициент затухания железобетонных конструкций Д = 5 + яД.Коэффициент затухания стальных конструкций Д = 2 + кр§.5.	Определение характерной точки свойств конструкции.Определение диссипативных характеристик конструкций производится спомощью так называемых характерных точек свойств конструкции. Эта точка
находится на кривой спектра энергии между кривой требуемых реакций спек¬
тра и спектром характеристик конструкций.При проведении расчета характерной точки свойств конструкции на диа¬
грамме свойств конструкции, нужно учитывахь период колебаний конструкции
(формула 6.4.5) и коэффициент затухания (формула 6.4.11). На основе этих
двух величин учитывается коэффициент сейсмического воздействия. Далее из
формул (6.4.6) и (6.4.7) можно определить величины требуемого спектра и по¬
строить «диаграмму требуемого спектра». По фактическим характеристикам
конструкций строится диаграмма реакций конструкций. Пересечение этих
диаграмм будет являться точкой
свойств конструкции (рис. 6.4.6).6.	Перемещения конструкций
при сильных землетрясениях.На основе точек свойств кон¬
струкции по формуле (6.4.4) можно
получить соответствующие пере¬
мещения вершин конструкций и
соответственно смещения всех
этажей. Учитывая угол сдвига ме¬
жду этажами конструкций, необ¬
ходимо сравнить его значение с
нормативным. Затем можно опре¬
делить, удовлетворяет ли конст¬
рукция требованиям по деформа¬
циям при сильных землетрясениях.Рис. 6.4.6. К расчету характерной точкисвойств конструкции179Спектр ускорений (g)Кривая спектра энергииКривая
требуемого
5% спектраКривая требуемых
реакций спектраСпектр перемещений, ммКривая реакций
конструкцииТочкасвойств
На основе схемы расположения пластических шарниров определяют места ос¬
лабленных сечений конструкции.При применении спектрального метода сейсмостойкого проектирования
нужно обратить внимание на построение расчетной модели расчета конст¬
рукции и соответствие параметров этой модели фактическим состояниям
конструкции. Вдоль высоты здания прикладываются горизонтальные нагруз¬
ки. Для горизонтальных нагрузок можно принять треугольное, прямоугольное
распределение или распределение первого типа формы колебаний и т.д. Оп¬
ределение степени разрушения или перемещения конструкций должно стать
целью проектирования. Должны анализироваться соответствующие упруго¬
пластические состояния конструкций при малых, средних и больших земле¬
трясений.7. Требования к экспериментам по исследованию сейсмостойкости конст¬
рукций.Если сейсмостойкое проектирование проводится при отсутствии опытных
данных, то необходимо проведение экспериментальных исследований. Напри¬
мер, при применении железобетонных балок с жесткой арматурой, колонн с вы¬
соким процентом армирования и стен-диафрагм, проводятся эксперименты с со¬
ответствующими моделям этих элементов. Для сложных систем или когда сум¬
марная высота намного превышает допустимые значения, например, главный
корпус китайской телестанции Хуэн чу Шань Хэя и т.д., должны проводиться
эксперименты на моделях зданий.Масштаб модели конструкции здания применяется не меньше 1:25, модели
элемента - не меньше 1:10, модель узла - не меньше 1:4.6.5. Примеры проектирования объектов6.5.1.	Цинн Гуан Тай ЛеняЗдание Цинн Гуан Тай Лени рассчитано на землетрясения до 7 баллов,
конструкция запроектирована со стенами-диафрагмами, площадка строитель¬
ства 1-ой категории. План главного корпуса имеет форму эллипса, стены-
диафрагмы стоят на земле. Суммарная высота здания 170 м, что превышает
высоту определенную по сейсмостойким нормам на 42% (рис. 6.5.1).Особенностью этого объекта является превышение допустимой высоты, но
сейсмическая нагрузка малых землетрясений меньше ветровой нагрузки, т.е.
нагруженность сечений и деформации конструкции регулируются силой ветра.
Требования заданных свойств: сейсмостойкий уровень стен и сплошных балок
должен быть равным I. Стены, усиливающие участки нижней части здания,
проектируются на восприятие средних землетрясений и находятся в упругом
состоянии и не достигают состояния текучести при сильных землетрясениях. В
то же время среднее напряжение среза в сечениях элементов при средних зем¬
летрясениях 0,4/i, удовлетворяет требованиям, при которых при сильных зем¬
летрясениях не возникают наклонные трещины. При этом необходимо учиты¬
вать также неопределимость сейсмических воздействий.180
Рис. 6.5.1. Схема здания Цинн Гуан Тай Леня6.5.2.	Пекинское высотное здание Лан ХуаЗдание рассчитано на землетрясения до 8 баллов, имеет конструкции со
стенами-диафрагмами, высота здания 93 м. Перекрытия пяти этажей смещены
по одной стороне, другая сторона выполнена без перекрытий. Запроектирован
железобетонный подкос из профилей. Подкос в перекрытиях пятого этажа вы¬
зывает существенное растяжение (рис. 6.5.2).181Этаж для
оборудованияЭтаж для
оборудования
Рис. 6.5.2. Схема высотное здание Лан Хуа (Пекин)Требования к проектированию свойств: для перекрытий пятого этажа при¬
нимаются мероприятия, обеспечивающие безопасность при землетрясениях.
Необходимо учитывать эффект Р-Д при сильных землетрясениях, обеспечить
проектную нагруженность по упругому состоянию и регулировать перемеще¬
ния при сильных землетрясениях (« 1/450). Поперечные сейсмические нагруз¬
ки, которые испытают каркасные части здания, увеличиваются. Каждая колон¬
на выдерживает 2% суммарного поперечного усилия от землетрясения. Стены-
диафрагмы этой конструкции на шестом этаже и выше проектируют по обще¬
принятым требованиям норм. Поэтому свойство монолитности соответствует
требованиям варианта Е.182План верхнего этажаПлан среднего этажа
6.5.3. Торговый центр Нан НинПроектная сейсмичность - 6 баллов, конструкция здания - каркас с цилин¬
дрическим внутренним ядром жесткости, внешняя форма почти симметрична,
суммарная высота - 201 м, высота авиаплощадки - 218 м, что приближается к
максимальной высоте здания типа В, согласно «Технической инструкции по
проектированию конструкций многоэтажных зданий» (рис. 6.5.3).Рис. 6.5.3. Схема торгового центра Нан Нин183План нижнего этажаПлан среднего этажаПлан верхнего этажа
Особенности этого объекта: большая высота, цилиндрическое ядро жест¬
кости большого размера (45% размера плана, отношение высоты к ширине -
1:10). Нагруженность сечений не превышает предельных значений при сейсми¬
ческих воздействиях малых землетрясений. Требования к свойствам: увеличи¬
ваются поперечные сейсмические нагрузки, которые испытают элементы кар¬
каса. Вертикальные элементы (стены, колонны) сохраняют упругую работу при
средних землетрясениях, максимальный сдвиг между этажами порядка 1/1000
возникает на 2/3 суммарной высоты. Усиливающие элементы нижней части
при редких землетрясениях почти не переходят в состояние текучести. Свойст¬
во монолитности соответствует требованиям варианта Е.6.5.4.	Пекинское международное здание UHN184Рис. 6.5.4. Схема международного здания UHN (Пекин)Расстояние от левой опоры фермы (м)Эффект ускорения3.152.702.251.801.350.900.450.00Ускорение (м/с2)
Проектная сейсмичность - 8 баллов, железобетонные конструкции приня¬
ты со стенами-диафрагмами, высота двух башен-близнецов составляет 81 м,
выше 23-го этажа башни соединяются стальными конструкциями, которые на¬
ходятся с этажами башен на разных уровнях. Конструкции двух башен почти
одинаковы, пролет соединительной конструкции составляет 31м (рис. 6.5.4).Особенность этого объекта: конструкция соединения с большим пролетом
находится на разных уровнях. Результаты анализа по методу Push over показали,
что эффект вертикального сейсмического ускорения средней части пролета дос¬
таточно большой. Требования к проектированию свойств: конструкцию соеди¬
нения башен нужно рассчитывать на восприятие вертикальной составляющей
землетрясения. Нагруженность здания проектируется с учетом упругой работы
его конструкций при средних землетрясениях. Уровень сейсмостойкости конст¬
рукций соединения -1. Нагруженность стен пяти этажей, у которых учитывают¬
ся нижние соединения, такова, что в них не наступает текучесть при средних
землетрясениях. Свойство монолитности соответствует требованиям варианта D.6.5.5.	Здание компании SIEMENS (Пекин)Расположение стальных каркасов
ядерного ствола здания SIEMENSРис. 6.5.5. Схема здания компании SIEMENS (Пекин)185122.700
Л? 100
_П4.900
П0.700
Ш6.800шоо_g9 000
_9j 100
_91.200
_87.300
_§3.400
J79.500
_75.600
_7_1.700
_67.800
_63.900
_60.000
_5£.800
_5j.900
_48.000
_44.100
^р.200
_36.300
_32.400
_28.500
J4 600
_20.700
_16.800
Jj.800
_9 000
__5Д00__0.000
Проектная сейсмичность - 8 баллов, внутреннее ядро - железобетонные
монолитные конструкции, внешний каркас - трубобетонные конструкции,
высота составляет 123 м, план здания представляет собой 1/4 эллипса. Рас¬
стояние между колоннами внешнего каркаса 7,2-8,4 м. Применяются сталебе¬
тонные комбинированные перекрытия (рис. 6.5.5).Особенность этого объекта: элементы железобетонного ядра, которые вос¬
принимают горизонтальные сейсмические силы, расположили по кривой. В
них действуют большие напряжения и крутящий момент. Сейсмические силы,
которые воздействуют на внешний каркас, достаточно малы. Требования по
проектированию свойств: на внешний каркас приходится 25% суммарного по¬
перечного усилия от землетрясения в нижней части здания, при этом регули¬
руются поперечные усилия землетрясения, которые испытают колонны каждо¬
го этажа. Уровень сейсмостойкости -1.Нагруженность трубобетонных колонн при большом крутящем моменте
нижней части такова, что в них не наступает текучесть при средних землетря¬
сениях. На стены установлены фасонки и опоры, в которых не наступают теку¬
чести при средних землетрясениях. Свойство монолитности достигает требова¬
ний варианта D.6.5.6.	Пекинское торговое зданиеПроектная сейсмичность - 8 баллов, высота составляет 330 м, по форме
здание симметрично. В нем применены сильно армированные железобетонные
колонны с жесткой арматурой, железобетонное внутреннее ядро и усиленные
этажи (рис. 6.5.6).186Рис. 6.5.6. Схема торгового здания (Пекин)
Этот объект намного превышает максимальную высоту здания, определен¬
ную «Технической инструкцией по проектированию конструкций многоэтаж¬
ных зданий». Размер внутреннего ядра почти 40% плана, отношение высоты к
ширине - 15,5. Внешнее ядро выдерживает 50% силы землетрясения.Требования к проектированию свойств: конструкции удовлетворяют нор¬
мативным требованиям при средних землетрясениях и обеспечивают не воз¬
никновение состояния текучести. Нагруженность пояса каркаса из стальных
элементов проектируется с учетом упругой работы при средних землетрясени¬
ях. Свойство монолитности достигает требований варианта D.6.5.7.	Международный финансовый центр Нань ЦиннПроектная сейсмичность - 8 баллов, внутреннее ядро - железобетонные
конструкции, внешний каркас - железобетонные конструкции с жесткой арма¬
турой. Высота составляет 196 м. Чтобы уменьшить собственный вес, примене¬
ны стальные балки (рис. 6.5.7).Требования к проектированию: бетонное внутреннее ядро проектируется с
учетом работы в упругой стадии при средних землетрясениях. Уровень сейсмо¬
стойкости - I. Внешний каркас испытает 25% суммарной поперечной силы при
землетрясении и в конструкциях при этом не наступает текучесть при средних
землетрясениях. Свойство монолитности соответствует требованиям варианта D.Рис. 6.5.7. Схема международного финансового центра Нань ЦиннПлан типового этажаПлан верхнего этажаПлан нижнего этажа187
6.6. Краткие выводыВ результате проведенного анализа получены следующие выводы:1.	Проектирование зданий с заданными свойствами сейсмостойкости явля¬
ется новым важным направлением в проектировании конструкций высотных
зданий. Его характеристики: обеспечение сейсмостойкости конструкций в на¬
правлении от общего к частному; глубокий анализ и обоснованность, обеспе¬
чивающие новаторство в проектировании строительных конструкций.2.	В этой главе выдвинута цель сейсмостойких свойств, уровни свойств
конструкций, метод проектирования для различной высоты и симметричности
без конструктивных ограничений. Проектировщики должны по конкретным
превышающим ограничения параметрам объектов проводить подробный ана¬
лиз, специальные исследования и проводить научные обоснования.3.	Вышеперечисленные примеры показали, что понятие проектирования
заданных свойств сейсмостойкости имеет определенные характеристики. В на¬
стоящее время в Китае постепенно развивается проектирование заданных
свойств сейсмостойкости высотных зданий со сложной конструктивной схемой.4.	Основы метода антисейсмического проектирования до настоящего време¬
ни полностью не изучены вследствие неопределенности значения сейсмического
воздействия, недостаточности исследований на моделях и недостаточности ма¬
териалов о проявлении таких воздействий, недостаточности опыта при анализе
модели работы модели конструкции, а также неопределенности требований по
обслуживанию сейсмически опасных объектов. Несмотря на это, методы по
обеспечению сейсмобезопасности конструкций постоянно совершенствуются.188
Глава 7. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ В ПЛАНЕ ЗДАНИЯСимметричность конструкции является одним из главных факторов, вли¬
яющих на сейсмостойкость зданий. Сейсмические аварии показали, что несим¬
метричные в плане конструкции зданий проектировать нецелесообразно, при
легких землетрясениях в таких зданиях возникает кручение конструкции и
хрупкое разрушение элементов. Серьезные землетрясения вызывают обруше¬
ние зданий (см. примеры 1 и 2). Но с повышением требований архитектурной
выразительности появилось много несимметричных высотных зданий, превы¬
шающих ограничения норм по высоте. В этой главе изложены определения и
категории несимметричных в плане конструкции, понятия, методы и мероприя¬
тии по повышению сейсмостойкости таких зданий.В качестве примера сейсмического повреждения здания с несимметричны¬
ми в плане конструкциями рассмотрим 5-этажное офисное здание (J.C.Penney
Building) в Анкоредже (США). По периметру здания со стороны северного, за¬
падного и восточного фасадов запроектированы монолитные железобетонные
стены-диафрагмы. Со стороны южного фасада расположены внутренние ядра
жесткости, в которых размещены лестничные клетки и лифтовые шахты. Сече¬
ние колонн каркаса 500x500 мм. План первого этажа этого здания приведен на
рис. 7.0.1.Стены-диафрагмы	Колоннысечением 500x500 ммСтвол лифтовой шахтыРис. 7.0.1. План первого этажа здания J.C.Penney BuildingПоследствия землетрясения: в восточной и северной части здания разру¬
шились перегородки толщиной 100 мм, в северной части восточного фасада
опрокинуты две пролетные стены-диафрагмы, северо-восточный угол обрушен
(рис. 7.0.2). Это здание не подлежит восстановлению.189
Рис. 7.0.2. Здание J.C.Penney Building после землетрясения465.5Рис. 7.0.3. План конструкций 12-этажного жилого дома190
В результате можно сделать вывод, что несимметричное расположение
стен-диафрагм приводит к разрушению от кручения.Еще одним примером повреждений здания от землетрясения с несиммет¬
ричными в плане конструкциями может служить 12-этажный жилой дом (Тэй-
вай) с железобетонным несущим каркасом, получивший, кстати, золотую ме¬
даль строительного проектирования. Схема плана конструкций этого здания
приведена на рис. 7.0.3.В результате 9-балльного землетрясения несущие конструкции каркаса бы¬
ли обрушены и здание не подлежит восстановлению.Анализируя сейсмические бедствия можно сделать вывод, что несиммет¬
ричные в плане конструкции приводят к ослаблению конструкций и их разру¬
шению.7.1.	Определение конструкций несимметричных в плане7.1.1.	Определение несимметричных в плане конструкций понормам Китая«Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» (GB50011-2001)
выдвинули определение несимметричных в плане конструкций, приведенное в
табл. 7.1.1.Таблица 7.J.JОпределение несимметричных в плане конструкций (GB50011-2001)ТипнесимметричностиОпределение
несимметричных конструкцийОпределение особых
несимметричных конструкцийКручениенесимметричноМаксимальное упругое горизонталь¬
ное перемещение этажа (или сдвиг
между этажами) в 1,2 раза превыша¬
ет среднее упругое горизонтальное
перемещение (или сдвиг между эта¬
жами)Максимальное горизонтальное
перемещение этажа (или сдвиг
между этажами) превышает в
1,5 раза среднее горизонтальное
перемещение (или среднего
сдвига между этажами)Вогнутые или
выпуклые
несимметричные
конструкции/ > О^Ятах, размер вогнутой стороны
плана / (рис. 3.3.1)—НепостоянстворазмеровперекрытийИзменение размера перекрытия вы¬
зывает резкое изменение жесткости.
Например, ширина перекрытия на
отдельных участках Ве меньше об¬
щей ширины перекрытия В (Ве <
0,5В) на 50%, или площадь отверстия
At больше площади А перекрытия
этого этажа (At > 0,3 А) на 30%, или
этажи устроены на разном уровне—191
«Техническая инструкция по проектированию конструкций высотных зда¬
ний» (JGJ 3-2002) в дальнейшем дополнила определение несимметричных в
плане конструкций (табл. 7.1.2).Таблица 7.1.2Определение несимметричных в плане конструкций (JGJ 3-2002)ТипнесимметричностиОпределение
несимметричных конструкцийОпределение особых
несимметричных конструкций123Кручение
несимметрично
(см. пример 7.1.1)Учитывается влияние случай¬
ного эксцентриситета при сей¬
смических воздействиях. Мак¬
симальное горизонтальное пе¬
ремещение или сдвиг между
этажами вертикальных элемен¬
тов больше в 1,2 раза средней
величины горизонтального пе¬
ремещения или сдвига между
этажами.Случайный эксцентриситет е0 =
= ±0,05L (L - длина конструк¬
ции, воспринимающей гори¬
зонтальные силы)1.	Высотные здания типа А. Учитыва¬
ется влияние случайного эксцентри¬
ситета при сейсмических воздействи¬
ях. Максимальное горизонтальное
перемещение или сдвиг между эта¬
жами вертикальных элементов боль¬
ше в 1,5 раза средней величины гори¬
зонтального перемещения или сдвига
между элементами этого этажа.
Высотные здания типа В. Смешанные
конструкции высотных зданий со
сложной схемой. Учитывается влия¬
ние случайного эксцентриситета при
сейсмических воздействиях. Макси¬
мальное горизонтальное перемеще¬
ние или сдвиг между этажами верти¬
кальных элементов этажа больше в
1,4 раза средней величины горизон¬
тального перемещения или сдвига
между элементами этого этажа.2.	Высотные здания типа А. Отноше¬
ние периодов первого собственного
колебания Tt к Тх для горизонтального
движения, Tt/Tx > 0,85Вогнутые или
выпуклые
несимметричные
конструкцииУзкое здание, длина L больше
ширины В:L/B > 6,0 (проектная сейсмич¬
ность 6, 7 бал.);UB >5,0 (проектная сейсмич¬
ность 8 бал.);//^тах > 0,35 (проектная сейс¬
мичность 6, 7 бал.).Выпуклая часть достаточно
узка, отношение длины (/) к
ширине (Ь) выпуклой части
достаточно большое:1/Ь > 2,0 (проектная сейсмич¬
ность 6,7 бал.);1/Ь > 1,5 (проектная сейсмич¬
ность 8 бал.)—192
Продолжение табл. 7.1.2123НепостоянстворазмеровперекрытийШирина перекрытия Ве на от¬
дельном участке меньше общей
ширины перекрытия В (Ве <
0,5В) на 50%, или площадь
отверстия At больше площади А
перекрытия этого этажа (At >
0,ЗЛ) на 30%, или этажи на
разном уровнеНа отдельных участках минимальная
ширина перекрытия Ве < 5 м и мини¬
мальная ширина перекрытия одной
стороны Ье<2ыРис. 7.1.1. Пример неправильного кручения плана зданияНа рис. 7.1.1 введены следующие условные обозначения: Umzx - макси¬
мальное горизонтальное перемещение или максимальный сдвиг между этажа¬
ми вертикальных элементов угловой точки этажа, рассчитывается по жесткости
перекрытий; Um\n - минимальное горизонтальное перемещение или минималь¬
ный сдвиг между этажами вертикальных элементов угловой точки этажа счита¬
ется по жесткости перекрытий; U - среднее горизонтальное перемещение или
средний сдвиг между этажами, считается по следующим формулам:Yj — ^rnax ^rrrin .	(7 11)£ =	(7 Л .2)UИз формулы 7.1.1:2U{ = 7 ;	(7.1.3)^ max ^ min193Горизонтальные
сейсмические воздействияЦентр жесткостиЦентр масс
Рис. 7.1.2194U <fr^- = -2—,	(7.1.4)t/mi„ 2-<fгде £ - отношение максимального перемещения к среднему сдвигу между эта¬
жами угловой точки.Зависимость отношения максимального перемещения к минимальному пе¬
ремещению угловой точки приведена в табл. 7.1.3.Таблица 7.1.3Расчетные зависимостие _ ^Лпахи11,11,21,31,41,51,61,71,81,92,0ит ах^Лта'п1,001,221,501,862,333,004,005,679,0019,0000Рис. 7.1.3. Перекрытия локальной части здания дискретныПо данным табл. 7.1.3 построена
диаграмма зависимостей £/max/£/min и
4= ^шах/C/min (рис. 7.1.2). На диаграм-
ме при £>1,8 отношение UnVlJUm\n
резко увеличивается. В результате
резко увеличивается неравномер¬
ность деформации в конструкциях
при сейсмических воздействиях,
сейсмостойкость конструкции снижа¬
ется и возникает лавинообразное раз¬
рушение.7.1.2.	Определение несимметричных в плане конструкций по
американским нормам«Американские строительные нормы» (IBC 2003) п. 1616.5.1.1 и «Строи¬
тельные нормы проектной нагрузки» (ASCE 7-02) п. 9.5.2.3.2, п. 9.5.5.5.2 ис¬
пользуют категории определения несимметричных конструкций «Американ¬
ских строительных норм» (UBC90), приведенных на рис. 7.1.3, 7.1.4 и в табл.7.1.4.
Рис. 7.1.4. Примеры несимметричных конструкцийТаблица 7.1.4Категории определения несимметричных конструкций (IBC2003)Тип несимметричной
конструкцииКатегории определения несимметричных конструкцийКручение несимметричноПриняты жесткие перекрытия. Учитывается влияние случайного
эксцентриситета. Максимальное горизонтальное перемещение
этажа в 1,2 раза больше среднего перемещения между этажами.
Случайный эксцентриситет е0 = ±0,05L (L - длина конструкции,
воспринимающей горизонтальные силы)Кручение особо несиммет¬
ричноПриняты жесткие перекрытия. Учитывается влияние случайного
эксцентриситета. Максимальное горизонтальное перемещение
этажа в 1,4 раза больше среднего перемещения между этажамиВогнутые и выпуклые не¬
симметричные конструк¬
цииРазмер вогнутой части на 15% больше размера проекции плана
конструкцииРазмеры перекрытия непо¬
стоянныВозникает резкое изменение размеров перекрытия и жесткости,
например разница между жесткостью перекрытия данного этажа
и жесткостью перекрытия соседнего этажа больше на 50%Вогнутая формаНаправление горизонтальных сил реакций в здании дискретно,
вогнутая форма (пример см. на рис.7.1.1)Наклонные пересекающие
конструкцииВертикальные элементы, воспринимающие горизонтальные
силы, непараллельны7.1.3.	Анализ и расчет несимметричных конструкцийВ категориях несимметричных в плане конструкций отражается несиммет¬
ричное кручение, дискретность перекрытий и т.д. Несимметричное кручение
является главным фактором, влияющим на работу несимметричных конструк¬
ций. Имеются два показателя, определяющих характер кручения, - показатель
деформаций кручения и показатель жесткости кручения, с учетом которых не¬
обходимо проводить специальные анализы и расчеты.Анализ и расчет деформаций кручения• Анализ деформаций крученияДеформации кручения несимметричных конструкций являются важней¬
шим свойством после определения массы, жесткости, расположения конструк¬
ций в плане. При проектировании ограничивают деформации кручения конст¬
рукции, которые должны быть меньше горизонтальных деформаций конструк¬
ции при сейсмических воздействиях, соответственно ограничивается крутящий
момент. Кручению и разрушению конструкций при сейсмических воздействиях
подвержены ослабленные крайние в плане участки, воспринимающие большие
усилия. Серьезное разрушение части конструкции вызывает затем обрушение
всего здания. Нагрузки от кручения трудно воспринять за счет пластичности
монолитного здания. Кручение конструкции является главной причиной сейс¬
мических бедствий.Горизонтальные деформации здания С/, угол горизонтального кручения
конструкции в показаны на рис. 7.1.1. Горизонтальные перемещения двух
крайних участков здания UUm\n можно.выразить следующими формулами:	 ПТи^=и + — -	(7.1.5)	 пти^=и-—.	(7.1.6)Из формулы (7.1.2) получим:#	= 1 + — ,	(7.1.7)2 Uгде 6L!2 - горизонтальные деформации от кручения, ограничены отношением
£= 1 + 0LI2U, но фактически ограничиваются отношение деформаций круче¬
ния к деформациям горизонтального перемещения 6LI2U. Зависимость отноше¬
ния максимального горизонтального перемещения к среднему горизонтальному
перемещению U^JU и зависимость отношения горизонтальных деформаций
от кручения к горизонтальным деформациям 6LI2U приведены в табл. 7.1.5.Таблица 7.1.52 U11,11,21,31,41,51,61,71,81,92,0вь_2 U00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0196
•	Расчет деформаций крученияРасчет деформаций кручения необходимо выполнять в следующей после¬
довательности:1.	Относительно двух краев конструкции здания в плане деформации гори¬
зонтального кручения имеют положительный и отрицательный знак. Деформа¬
ция кручения является вектором, имеющим определенное направление. Расчет
выполняется на первый тип колебаний, при этом анализируются горизонталь¬
ные сейсмические воздействия. Если принимается комплексный расчет на все
типы колебаний (SRSS или CQC) по стохастической теории колебаний прини¬
мается самая невыгодная комбинация. При этом ит\п увеличивается, соответст¬
венно U тоже увеличивается, отношение £= U^JU уменьшается, т.е. расчет¬
ный показатель характеристики кручения этой конструкции не совпадает с ре¬
альной ситуацией. С этой точки зрения показатель деформации кручения
£= UmJU только выражает характер кручения, а не реальные деформации кон¬
струкций при сейсмических воздействиях.2.	Показатель деформации кручения %= Um2iJU отражает свойства работы
всего здания в целом с учетом гипотезы жестких перекрытий. Если принимает¬
ся гипотеза упругих перекрытий, показатель деформации кручения может уве¬
личиваться и уменьшаться из-за колебаний и деформирования частей перекры¬
тия. Для свойств кручения конкретной монолитной конструкции невозможно
дать точное определение.3.	При расчете максимальное и минимальное горизонтальные перемещения
(Цтх> £Лпт) должны приниматься по одному направлению вертикальных эле¬
ментов. На основе расчета получим U = (i/max + U^H. Принимать среднюю
величину U горизонтального перемещения вертикальных элементов всех эта¬
жей в одном направлении не рекомендуется, при этом может возникать откло¬
нение из-за неравномерного расположения вертикальных элементов.4.	Для зданий с большим внутренним
объемом перемещения и f/min долж¬
ны быть приняты как горизонтальное пе¬
ремещение между этажами. Если этажи
здания расположены не в одном уровне и
есть помещения с большим объемом* при
расчете £/П1ах и t/min должно учитывать¬
ся полное горизонтальное перемещение
(рис. 7.1.5).5.	В расчете показателей деформаций кручения должно учитываться влия¬
ние случайного эксцентриситета. Из-за неопределенности сейсмических воз¬
действий, существующие крутящие моменты от сейсмических воздействий не¬
возможно зарегистрировать. При строительстве и эксплуатации конструкций
реального здания возникает эксцентриситет жесткости и массы, это увеличива¬
ет случайный эксцентриситет, соответственно увеличивает крутящие моменты
при землетрясении. При проектировании необходимо ограничивать показатели197Рис. 7.1.5Перемещение,учитываемоерасчетом
деформаций кручения конструкции и тем самым повышать сейсмостойкость
зданий. Проектировщики Китая, США и других стран учитывают влияние слу¬
чайного эксцентриситета. В общем случае перемещение центра массы е0 опре¬
деляется по формуле:в0 =±0,05 Z,	(7.1.8)где L - длина конструкции, которая воспринимает горизонтальные силы.При расчете зданий с равномерными и симметричными массами и жестко¬
стями введение случайного эксцентриситета ограничивает крутящую жест¬
кость, позволяет избежать разрушения конструкции из-за кручения.6.	Деформации кручения конструкций отдельно рассчитываются по на¬
правлению двух главных осей.7.	В особо несимметричных конструкциях распределение массы и жестко¬
сти увеличивает горизонтальные и крутящие колебания, горизонтальные сейс¬
мические воздействия по двум направлениям будут еще более увеличивать кру¬
чение конструкций. Это подтверждают «Строительные нормы сейсмостойкого
проектирования» (GB 50011-2001), в которых говорится, что при определен¬
ном расположении массы и жесткости особо несимметричных конструкций не¬
обходимо рассчитывать влияние кручения при сейсмических воздействиях по
двум направлениям.При анализе показателей кручения, если не учитывается влияние случай¬
ного эксцентриситета, но деформации кручения конструкции достигают значе¬
ния £= UmbJU > 1,2, расположение центра массы и центра жесткости конст¬
рукции считается несимметричным. В этом случае необходимо рассчитывать
сейсмические воздействия по двум направлениям.Горизонтальные перемещения при сейсмических воздействиях по двум на¬
правлениям показаны на рис. 7.1.6.На рис. 7.1.6 приняты сле¬
дующие обозначения: Uxxm2ix -
максимальное горизонтальное
перемещение в направлении х
при сейсмических воздействиях
от горизонтального смещения
вертикальных элементов меж¬
ду этажами в направлении х;
Uyymax - то же в направлении у;
£4cmin - минимальное горизон¬
тальное перемещение в направ¬
лении х при сейсмических воз¬
действиях от горизонтального
смещения вертикальных эле¬
ментов в направлении х; Uyyndn -
то же в направлении у; Uxymах -
максимальное горизонтальноеРис. 7.1.6. Деформации конструкции при сейс¬
мических воздействиях по двум направлениям198
Рис. 7.1.7. Последовательность расчета деформаций от крученияперемещение в направлении у при сейсмических воздействиях от горизонталь¬
ного смещения между этажами вертикальных элементов, вызванного поворотом
перекрытия в направлении х\ Uxymin - минимальное горизонтальное перемеще¬
ние в направлении у при сейсмических воздействиях от горизонтального сме¬
щения вертикальных элементов между этажами, вызванного поворотом пере¬
крытия в направлении х\ Uyxmах - максимальное горизонтальное перемещение в
направлении х при сейсмических воздействиях от горизонтального смещения
вертикальных элементов, между этажами, вызванного поворотом перекрытия в
направлении у; Uyxmin - минимальное горизонтальное перемещение в направле¬
нии х при сейсмических воздействиях от горизонтального смещения между
этажами вертикального элемента, вызванного поворотом в направлении у.Учитывая взаимное влияние векторов горизонтального перемещения при
сейсмических воздействиях по двум направлениям отношение сейсмического
максимального ускорения составляет 1:0,85 (по указаниям п. 1620.3.2 «Амери¬
канских строительных нор» (ЮС 2003). При сейсмических воздействиях по
двум направлениям максимальное и минимальное горизонтальное перемещение
точки угла конструкции Uxmin, Uymax, Uym\n определяется следующим образом._	Гостах = Иветах +0>ЗС/хугшх	(7.1.9)В направлении х <l^min = -0,3C/^min	(7.1.10)ft/xmax =Uyynax +0,3Uyxmax	(7.1.11)В направлении у {К™ =Uyymin -0,3Uyx^	(7.1.12)На основе формул (7.1.1), (7.1.2), (7.1.3) - (7.1.12) получены показатели де¬
формации кручения конструкций при горизонтальных сейсмических воздейст¬
виях по двум направлениям.В общих случаях последовательность расчета деформаций от кручения при
несимметричности представлена на рис. 7.1.7.199Рассчитывается случайный
эксцентриситет в одном
направленииРассчитывается случайный
эксцентриситет по двум
направлениямВыбор наиболее невыгодного
результатаВыбор расчета случайного
эксцентриситета
Анализ и расчет показателей крутящего периодаТип колебания кручения конструкции и период колебаний определяются
значениями жесткости. При всех равных условиях, когда колебание кручения
является главным типом колебаний, жесткость конструкции на кручение мала.
С позиций устойчивости конструкции этот тип колебаний опасен и крайне не¬
желателен. Согласно «Технической инструкции по проектированию конструк¬
ций высотных зданий» (JGJ 3-2002) определен показатель несимметричности
зданий, а именно: отношение периода первой формы колебаний кручения Т, к
периоду первого горизонтального колебания Тг:для высотных зданий уровня А:Т,/7] >0,9;	(7.1.13)для высотных зданий уровня В, железобетонных и комбинированных кон¬
струкций сложных высотных зданий:Г,/7] >0,85.	(7.1.14)Анализ исследований показал, что когда Т, близко к Т\, крутящий момент в
конструкции (учитывая влияние случайного эксцентриситета) резко увеличива¬
ется. Поэтому, чтобы регулировать характер разрушений от кручения конструк¬
ции при сейсмических воздействиях, для высотных зданий уровня А и высот¬
ных зданий уровня В, железобетонных и комбинированных конструкций вы¬
сотных зданий со сложной схемой и других конструкций, которые при
сейсмических воздействиях находятся в сложном напряженном состоянии, раз¬
работаны категории определения несимметричности кручения.1.	Определение периода первой формы колебаний кручения Т,.Согласно нормам (JGJ 3-2002), используя характеристики типа колебаний,
выполняется расчет крутящих и горизонтальных колебаний.Характеристикой горизонтального /-го колебания может служить величинаDpj.
Dpj = X тп^ + X mj).	(7.1.15)/ iХарактеристикой крутящего колебания является величина Def.Dej = Y.Jfih	(7.1.16)iгде т, и Jj — масса и момент инерции г'-го этажа; хц и ytj - соответственно сме¬
щение г-го этажа по у-ой форме колебания в направлении осей х и у; ву -угол
закручивания /-го этажа по /-ой форме колебания.При сейсмических воздействиях по у'-ой форме колебания могут одновре¬
менно возникать и горизонтальные, и крутящие колебания.Определение типа колебания - горизонтального или крутящего - выполня¬
ется по следующим зависимостям.При условии:Dpjl(Dpj +Dej)> 0,5	(7.1.17)200
колебание по j-ой форме является горизонтальным, т.е. расстояние между цен¬
тром вращения и центром массы больше радиуса вращения.При условии:Dej/(Dpj+Dej)> 0,5	(7.1.18)колебание по у-ой форме является крутящим, т.е. расстояние между центром
вращения и центром массы меньше радиуса вращения.2.	Определение периода горизонтального колебания Т\.Если у-ое колебание является горизонтальным (горизонтальный тип колеба¬
ний), колебания определяются в двух перпендикулярных направлениях (.х,у).При соблюдении неравенстваY.™i4j > Ищу1 >	(7.1.19)/ /j-ое колебание является горизонтальным в направлении оси х.При соблюдении неравенстваХ>,.^ <	,	(7.1.20)I	/у-ое колебание является горизонтальным в направлении оси у.Для конструкций имеющих близкие размеры в 2-х направлениях период
собственных горизонтальных колебаний определяется по двум направлениям и
большее из полученных значений принимается за расчетное значение периода
Т\. Для сложных не симметричных конструкций должен производиться про¬
странственный расчет, и определяться период собственных колебаний первого
типа (горизонтальные колебания) по двум направлениям. Большее из получен¬
ных значений принимается за расчетное значение Т\.1.2.	Кручение несимметричных конструкций7.2.1.	Управление кручением несимметричных конструкцийМногочисленные землетрясения показали, что при сейсмических воздейст¬
виях в несимметричных конструкциях возникают неизвестные компоненты
крутящих усилий, что приводит к хрупкому разрушению конструкций. Приня¬
тые конструктивные решения высотных зданий должны согласовываться с за¬
казчиком с максимальным удовлетворением требований норм по ограничению
кручения, главными из которых являются следующие:-	длинные здания (более 60 м) разделяют на некоторые участки симмет¬
ричной формы температурным швом, который одновременно является и анти¬
сейсмическим. Таким образом, уменьшается влияние не только температурных
деформаций, но и снижается кручение здания и, соответственно, уменьшаются
деформации конструкций от кручения;-	максимально усиливаются внешние несущие конструкции, симметрично
располагаются ядра жесткости. В то же время снижается жесткость внутренних
несущих конструкций, повышается жесткость конструкций, воспринимающих201
кручение. Это сокращает период колебаний кручения и уменьшает крутящие
деформации.Однако в некоторых высотных зданиях со сложной конструктивной схемой
вынужденно превышаются показатели кручения несимметричных конструкций.
Поэтому для таких зданий, во-первых, производится проектирование конструк¬
ций с заданными сейсмостойкими свойствами или другие аналогичные методы
проектирования для усиления конструкций и обеспечения проектной сейсмич¬
ности. Во-вторых, при проектировании необходимо ограничивать несиммет¬
ричность конструкций и необходимо избегать слишком слабых рабочих свойств
реальных конструкций, учитывая при этом неопределенность сейсмических
воздействий. Для двух основных показателей кручения несимметричных кон¬
струкций зданий (деформации кручения и период колебаний при кручении)
проводится анализ:-	когда показатели деформаций кручения £= Um2iJU = 2, U^JU^ = °о,OLHU = 1, деформации при кручении равны деформациям от горизонтальных
смещений. В то же время деформация от кручения монолитной конструкции
является главным деформационным показателем, обеспечивающим сейсмо¬
стойкое свойство конструкции;-	когда показатель Tt!T\ > 1, тогда крутящие колебания оказывают главное
влияние на сейсмическое движение. При этом в конструкциях могут возникать
разрушения от кручения, что является недопустимым при проектировании.При расчете несимметричных конструкций на кручение допустимо превы¬
шение одного из этих показателей, но предел превышения обязательно ограни¬
чивается следующими условиями:4 = ипах/й< 1,8;	(7.2.1)Г(/7;<0,95.	(7.2.2)7.2.2.	Проектирование несимметричных конструкций с
заданными сейсмостойкими свойствамиПо показателям кручения определяется напряженность несимметричных
конструкций и ограничения (формулы 7.2.1, 7.2.2). При этом конструкции мо¬
гут соответствовать уровням А, В, С, D проектирования сейсмостойких зданий.
Минимально должен быть достигнут уровень D; наиболее рационально, дос¬
тижение уровня С. Если условия позволяют, достигаются уровни А и В.Цели уровней А и В достаточно высоки: при больших землетрясениях кон¬
струкция должна находиться в упругом состоянии и не должна обрушаться.Требования уровня С ниже требований уровней А и В. Например, при боль¬
ших землетрясениях для уровня С возможны разрушения, подлежащие восста¬
новлению. Основные требования к зданию уровня С заключаются в следующем.Спектр упругого деформирования при малых землетрясениях удовлетворя¬
ет требованиям уровня 1. Конструкция находится в упругом состоянии даже
при самых неблагоприятных комбинациях усилий с учетом сейсмических воз¬202
действий по двум направлениям. Напряжение в элементах и максимальные пе¬
ремещения удовлетворяют требованиям действующих норм.Спектр упругого деформирования при средних землетрясениях удовлетво¬
ряет требованиям уровня 2. Конструкция находится почти в упругом состоянии,
т.е. нет необходимости предусматривать регулирование внутренних усилий при
сейсмических воздействиях: коэффициентов сочетаний сейсмического воздей¬
ствия и коэффициентов регулирования сейсмостойкости. При этом принимают
самые невыгодные комбинации нагрузок при сейсмических воздействиях по
двум направлениям. Принимается проектная прочность материалов и проект¬
ные напряжения в элементах ограничиваются расчетом на максимальное пере¬
мещение и максимальные показатели кручения.При статических или сейсмических воздействиях конструкции удовлетво¬
ряют требованиям уровня 3. В некоторых ослабленных местах конструкций
может быть допущена текучесть. Монолитные конструкции здания должны
иметь определенные ограничения по жесткости. Должен также учитываться
упругопластический сдвиг между этажами.Проектирование сейсмостойких зданий с заданными свойствами, согласно
«Строительным нормам сейсмостойкого проектирования» (GB50011-2001),
имеет три уровня проектной сейсмостойкости и для сложных несимметричных
конструкций назначаются их конкретные значения.По требованиям уровня С принимают спектр упругого деформирования и
проводятся расчеты соотношения воздействия среднего землетрясения к воз¬
действию малого землетрясения Рсред., отношения воздействия большого земле¬
трясения к воздействию среднего землетрясения Рбтыи. согласно следующим
формулам:-уСред.зелиг.Рсоед =—	;	(7.2.3)rcpto. мал.земл.	4	/wmaxfубол.земл.Рболш. =-^ST*	<7-2-4)wmaxИз табл. 4.3.1 и таблицы 4.3.4 получены рсред^ Qвбольш)9 результаты расчетных
коэффициентов приведенны в табл. 7.2.1.Таблица 7.2.1Расчетные коэффициентыПроектнаясейсмичность1 бал.7,5 бал.8 бал.8,5 бал.9 бал.п мал. земл.
wmax0,080,120,160,240,32сред.земл.
max0,230,330,460,660,80fубол.земл.
ытах0,50,720,901,21,40Рсред.2,8752,752,8752,752,5Рбольш.6,256,05,6255,04,375203
Анализ напряжений и комбинацийСогласно нормам GB50011-2001 при малых землетрясениях суммарный
эффект Ss для управления напряженностью сечений можно вычислить по сле¬
дующей зависимости:$s = ^i.rG^G + rE^Es) — R/rRE >	(7.2.5)где SG учитывает нормативную величину влияния силы тяжести в упругом со¬
стоянии; SEs - нормативная величина влияния упругого спектра при малых зем¬
летрясениях; rG - коэффициент влияния силы тяжести (в общих случаях при¬
нимается г с7= 1,2); гЕ - коэффициент влияния малого землетрясения (в общих
случаях принимается rG = 1,3); (р - коэффициент, увеличивающий внутренние
силы ключевых элементов (обычные элементы, <р= 1); R - проектная величина
напряжений, действующих в сечении элемента (принимается проектная проч¬
ность материалов); rRE - коэффициент, регулирующий сейсмостойкие напряже¬
ния сечения элемента.В обычных условиях коэффициенты rG, rE, (р, rRE принимают фиксирован¬
ные значения, формула (7.2.5) упрощается и записывается в следующем виде:0,95*+0,9755* <Д.	(7.2.6)При реализации цели проектирования уровня С, с уровнем свойств 2 при
средних землетрясениях, суммарный эффект Ss для управления напряжениями в
сечении вычисляется по формуле:$т = rG$G + ГЕ$Ет - &/rEs >	О-2-7)где SG - нормативная величина влияния силы тяжести в упругом состоянии,
SEm - нормативная величина влияния упругого спектра при средних землетря¬
сениях; R - проектная величина напряжений, действующих в сечении элемента
(принимается проектная прочность материалов). В табл. 7.2.1 приведены зна¬
чения коэффициента рсред, в пределах от 2,75 до 2,875 области проектной сейс¬
мичности 7, 8 бал. В итоге принимается приближенная величина 2.8, т.е.:$Ет = Pchtl/$Es -	(7.2.8)Подставляя формулу (7.2.8) в формулу (7.2.7) получим:0,95*+2,735* £ Д.	(7.2.9)Сравнивая формулу (7.2.6) с формулой (7.2.9), можно видеть, что при сред¬
них землетрясениях суммарный эффект (левая часть 7.2.9) больше суммарного
эффекта при малых землетрясениях (левая часть 7.2.6).Отношение суммарного эффекта при средних землетрясениях к суммарно¬
му эффекту при малых землетрясениях (табл. 7.2.2):a=019S£ + 2273S^0,9SC+0,9755*204
Отношение нормативной величины влияния упругого спектра при малых
землетрясениях к нормативной величине эффекта силы тяжести определяется
по формуле:fj = SEs/Sg.	(7.2.11)Подставляя (7.2.11) в (7.2.10), получим:a = 029Sc+2J3ri	(7.2.12)0,9 + 0,9757где а - отношение суммарных эффектов при средних землетрясениях и при ма¬
лых землетрясениях, соответственно.Таблица 7.2.2п00,050,10,150,20,250,30,40,50,60,70,80,9< 1а11,091,181,251,321,381,441,541,631,711,781,841,89< 1,94В табл. 7.2.2 показано, что при средних землетрясениях суммарные эффек¬
ты (левая часть 7.2.9) больше суммарных эффектов при слабых землетрясени¬
ях. Отношение а увеличивается с увеличением эффекта сейсмических воздей¬
ствий. Согласно нормам GB50011-2001, JGJ3-2002 и другим действующим
нормам проводится регулирование внутренних усилий в несущих элементах
при малых и средних землетрясениях для обеспечения необходимого уровня
напряженности, пластичности и запаса прочности в сечениях при сейсмиче¬
ских воздействиях.При проектировании сейсмостойких зданий при средних землетрясениях
принимается, что конструкции должны работать в упругом состоянии. При
больших землетрясениях для некоторых ослабленных элементов допускается
работа в стадии текучести. Если монолитные конструкции обладают опреде¬
ленной жесткостью и нагруженностью, то при землетрясении такие конструк¬
ции подвергаются, как правило, малым разрушениям, и тем самым достигается
проектная цель легкости их восстановления.Анализ предельных перемещенийПри горизонтальных сейсмических воздействиях перемещение конструк¬
ции определяется упругим расчетом (включая максимальный горизонтальный
сдвиг между этажами, максимальное горизонтальное перемещение) и с вели¬
чинами сейсмических воздействий связывается линейной зависимостью. От¬
ношение горизонтального перемещения конструкции в спектре упругой работы
при средних сейсмических воздействиях к горизонтальным перемещениям кон¬
струкции в спектре упругой работы при малых сейсмических воздействиях, т.е.
воздействие средних землетрясений к воздействиям малых сейсмических воз¬
действий, определяется коэффициентом рсредш = 2,8.205
В то же время предел максимального угла сдвига между этажами в при
сейсмических воздействиях для обеспечения конструкциям сейсмостойких
свойств нормируется более строго (табл. 7.2.3).Таблица 7.2.3В табл. 7.2.3 во - предел максимального угла сдвига между этажами при
малых сейсмических воздействиях.Анализируя данные табл. 7.2.3 можно сделать вывод, что фактический пре¬
дел перемещений требует регулирования расположения элементов конструк¬
ции, уменьшая влияние кручения. При больших землетрясениях некоторые се¬
чения конструкции работают в стадии текучести, их жесткость уменьшается, а
коэффициент затухания увеличивается фбтыи.= 5,625 - 6,25). Вообще говоря,
такие значения коэффициента затухания удовлетворяют требованиям предель¬
ных перемещений при средних землетрясениях. При больших землетрясениях
упругопластические средние перемещения между этажами ограничиваются
величиной 1/200, упругопластический угол сдвига между этажами ограничива¬
ется 1/100 - для стен-диафрагм и 1/50 - для колонн.7.2.3.	Сейсмостойкое проектирование несимметричных зданий
(американские нормы)В соответствии с указаниями п. 9.5.5.5.2 «Американских строительных
проектных норм» (ASCE 7-02) для несимметричных конструкций или несим¬
метричных конструкций, в которых возникает кручение, вводится увеличи¬
вающий коэффициент Ах для учета крутящего момента при случайном эксцен¬
триситете, который учитывает влияние несимметричности конструкций и вво¬
дится в расчет напряжений и перемещений при проектировании сейсмостойких
зданий. Метод заключается в следующем.Определяется увеличивающий коэффициент Ах для крутящего момента ка¬
ждого перекрытия по формуле:(и YАх=	<3.	(7.2.13)Ц2 U)206Показатель крутящей деформации1,21,31,41,51,61,71,8Предел максимального угла сдвига
между этажами при средних сейс¬
мических воздействиях [в]/[в0]2,82,261,811,41,050,740,47Предел максимального угла сдвига
между этажами при малых сейс¬
мических воздействиях [в]/[0о]11/1,241/1,551/21/2,671/3,781/6
Случайный эксцентриситет е0 крутящего момента перекрытия по каждому
этажу увеличивается на эксцентриситет е, определяемый по формуле:е = е0Ах,	(7.2.14)где во - случайный эксцентриситет перекрытия каждого этажа (см. 7.2.8).При Л* < 3:^р<1,2ч/з «2.	(7.2.15)Таким образом, удовлетворяется ограничение показателя по кручению не¬
симметричных конструкций.Данный метод используется в нормах при проектировании сейсмостойких
конструкций.7.3.	Конструкции несимметричных перекрытий7.3.1.	Ограничения для конструкций несимметричных
перекрытийМногочисленные сейсмические бедствия показали, что при сейсмических
воздействиях напряженное состояние несимметричных перекрытий сплошного
сечения является сложным. Передача усилий нечеткая, вначале возникает раз¬
рушение ослабленных сечений конструкции, в дальнейшем обрушение всего
здания. Конструктивные схемы высотных зданий должны проходить согласова¬
ние проектировщика и заказчика с целью выбора геометрической формы зда¬
ния в плане, максимально удовлетворяющей требованиям норм к неразрезан¬
ным конструкциям перекрытий здания. Основные требования в данном случае
следующие: .1.	Отдельные участки перекрытия рекомендуется выполнять монолитными,
удовлетворяющими требованиям симметрии.Например, жилой дом со стенами-
диафрагмами из-за изрезанности плана
является несимметричным (рис. 7.3.1).Конструкции данного здания необходи¬
мо совершенствовать, приближая к сим¬
метричным.1)	в выступающих частях рекомен¬
дуется запроектировать балочное моно¬
литное перекрытие, с толщиной плиты
> 200 мм, шириной балок > 500 мм и с
расположением балок в двух направле¬
ниях;2)	в западающей части запроектиро¬
вать монолитное перекрытие со сплош¬
ными плитами.Рис. 7.3.1. Конструкция жилого дома207
2.	Несимметричные конструкции или ослабленные проемами перекрытия
разделять на некоторые симметричные участки антисейсмическими швами.
Например, в невысоких галерейных переходах можно принимать шарнирное
опирание галерей (рис. 7.3.2, 7.3.3).Определение минимальной ширины опоры воздушного галерейного пере¬
хода с шарнирными опорами.Чтобы при больших землетрясениях шарнирные опоры не разрушались от
удара друг о друга, их минимальная ширина должна соизмеряться со значения¬
ми упругопластических горизонтальных смещений прилегающих зданий около
галерейного перехода на заданной высоте, т.е. ширина антисейсмического шва
в основном зависит от горизонтальных перемещений.В указаниях п. 1620.4.5 «Американскиххтроительных норм ЮС 2003» при¬
нят метод стохастического колебания. Ширина антисейсмического шва Wc ме¬
жду воздушным галерейным переходом и прилегающими зданиями по направ¬
лению пролета галерейного перехода должна удовлетворять неравенствуWc>jAt+A22 ,	(7.3.1)где Дь Д2 — упругопластические горизонтальные перемещения в зонах примы¬
кания к зданиям по направлению пролета на высоте воздушного галерейного
перехода.Значения этих перемещений приближенно можно вычислить по следую¬
щей зависимости:^\{^2) = ^РбольшА\е(^2е) >	(7.3.2)где Ai£ (А2е) ~ упругие горизонтальные перемещения в зонах примыкания к зда¬
ниям по направлению пролета перехода на его высоте; Рбольш. - отношение воз¬
действия большого землетрясения к воздействиям малого землетрясения; 2 -
влияние изменения жесткости конструкции при землетрясении.Минимальная ширина опоры Ъ по направлению к пролету галерейного пе¬
рехода:b>Wc+bc9	(7.3.3)где Wc - ширина антисейсмического шва по направлению к пролету галерейно¬
го перехода (см. 7.3.1); Ьс - минимальная ширина опоры по направлению к про¬
лету воздушного галерейного перехода.208Рис. 7.3.2Рис. 7.3.4Антисейсмический
/ шовШарнирныеопорыГалерейныйпереход
Пример 1. Проектная сейсмичность района строительства - 8 баллов, воз¬
душный галерейный переход находится на высоте 15 м, прилегающие конст¬
рукции - стены-диафрагмы. В упругом состоянии горизонтальное перемещение
по направлению к пролету на высоте воздушного галерейного перехода состав¬
ляет Н! 1200. Необходимо определить минимальную ширину опоры b по на¬
правлению к пролету галерейного перехода.Решение. Л1Е - А2Е = Н/1200= 15000/1200 = 12,5 мм ;Д,(Д2) = 2/Зб0МШ А1Е(А2Е) = 4г ■ 5,625 • 12,5 = 140,6 мм .Ширина антисейсмического шва по нормамЖС>7А?+Аг = л/2-140,6 = 199 >70 ммШирина опоры по направлению к пролету воздушного галерейного перехо¬
да Ьс = 300 мм.Минимальная ширина опоры Ъ по направлению к пролету галерейного пе¬
рехода b > Wc + bc = 199 + 300 = 499 мм » 500 мм.Минимальная длина опоры по направлению к пролету воздушного гале¬
рейного перехода / определяется аналогичным образом:/>0Wo	(7.3.4)где WL - длина опоры, предотвращающая сползание по направлению к ширине
воздушного галерейного перехода, расчет которой аналогичен (7.3.1) и (7.3.2);
1С - минимальная длина опоры по направлению к ширине воздушного галерей¬
ного перехода.7.3.2.	Сейсмостойкое проектирование конструкций несимметричных
в плане перекрытий (по нормам Китая)Проектирование конструкции дискретных несимметричных в плане пере¬
крытий аналогично проектированию перекрытий зданий испытывающих кру¬
чение. При этом конструкции могут соответствовать уровням А, В, С, D проек¬
тирования сейсмостойких зданий. Минимально должен быть достигнут уро¬
вень D. Хорошо, когда достигается уровень С и, если условия позволяют,
достигаются уровни АиВ. Конкретные требования к этим уровням изложены в
параграфе 7.2.Монолитные конструкции рассчитываются по линейной модели упруго
деформируемых перекрытий.Если несимметричные в плане перекрытия невозможно разделить на сим¬
метричные участки, при расчете монолитной конструкции необходимо прини¬
мать линейную модель расчета упруго деформируемых перекрытий. При расче¬
те на кручение принимать самое большое значение случайного эксцентриситета
или эксцентриситеты от воздействий по двум направлениям и определять ос¬
лабленные сечения.209
Перекрытия работают в упругом состоянии.При проектировании конструкций перекрытий несимметричных в плане
(см. рис. 7.1.4, а, гантелеобразный план) необходимо стремиться к максималь¬
ному учету различных адаптационных мероприятий, с таким расчетом, чтобы
перекрытия при воздействии большого землетрясения все же сохранили упру¬
гое рабочее состояние с достижением показателей уровня С. Напряжения при
сейсмических воздействиях от больших землетрясений должны удовлетворять
требованиям текучести. Монолитные перекрытия должны сохранять упругое
рабочее состояние при больших землетрясениях, передавая сейсмическое воз¬
действие и обеспечивая совместную работу конструкций. В этом случае дости¬
гается проектная сейсмостойкость конструкций, при которой здание при боль¬
ших землетрясениях испытает средние разрушения, и не возникает лавинооб¬
разное обрушение всей конструкций здания.При сейсмических воздействиях, свойственных показателю С для ослаб¬
ленных связующих перекрытий, выполняется сейсмостойкое проектирование
уровня 3.Усилия, воспринимаемые ослабленными связующими перекрытиями весь¬
ма значительны при передаче эффекта сейсмического воздействия для пере¬
крытий, работающих в упругом состоянии. При этом необходимо учитывать
влияние разницы фазы при передаче сейсмической волны, регулировать силы,
которые ослабленные связующие перекрытия воспринимают при больших зем¬
летрясениях, необходимо обеспечивать монолитность перекрытия, а также со¬
хранить упругое рабочее состояние конструкций под воздействием больших
землетрясений. Ослабленные связующие перекрытия при сейсмических воз¬
действиях рассчитывают в линейно упругой постановке с введением повы¬
шающего коэффициента внутренних усилий 77:m = Filv„	(7.3.5)где ifr - коэффициент внутренних усилий /-го этажа; Ft - горизонтальное сейс¬
мическое воздействие малого землетрясения спектра упругого эффекта /-го
этажа; F* - горизонтальные поперечные усилия спектра упругого эффекта /-го
этажа при малых землетрясениях.По вычисленному значению коэффициента 77, можно получить эффект
больших землетрясений ослабленных связующих перекрытий ^EDi (продольная
сила, поперечная сила, изгибающий момент):^EDt = ^7/Рболъш.^Esi >	(7.3.6)где Рболъш. ~ отношение воздействия большого землетрясения к воздействию
среднего землетрясения; SEsi - эффект малых землетрясений ослабленных свя¬
зующих перекрытий $EDi (продольная сила, поперечная сила, момент).Для ослабленных связующих перекрытий удовлетворяющих при сейсмиче¬
ском проектировании показателю уровня С, при учете комбинированного эф¬
фекта сейсмических воздействий ограничение для значений нормативных на-210
пряжений SD. определяются по формуле:*$£>,■ = SGi + SED. < Rj,,	(7.3.7)где SD - значение нормативных напряжений от силы тяжести при упругом
расчете ослабленных связующих перекрытий г-го этажа; SED. - значение нор¬
мативных напряжений для ослабленных связующих перекрытий i-го этажа при
больших землетрясениях; Rb - нормативное сопротивление материала сечения
элемента (нормативная прочность материала).Ослабленные связующие перекрытия не удовлетворяют требованиям
упругого рабочего состояния.Если несимметричность перекрытия большая, ослабленные связующие пе¬
рекрытия не удовлетворяют требованиям, конструкции из двух отсеков должны
рассчитываться отдельно. При этом минимально должен быть достигнут уро¬
вень D, и вполне достаточно достигать уровня С. При больших землетрясениях
элементы практически находятся в упругом рабочем состоянии, и лишь локаль¬
ные элементы могут достигнуть состояния текучести. Такие конструкции вы¬
держивают средние разрушения и подлежат восстановлению.Усиливающие мероприятия1.	Сейсмостойкий уровень.Если дискретные перекрытия с выступающими и западающими участками
значительно превышают нормируемые параметры симметрии, необходимо по¬
вышать сейсмостойкость конструкции на один уровень. Необходимо проводить
мероприятия по повышению пластичности форм в плане для несимметричных
конструкций.2.	Усиление мест сосредоточения напряжений в перекрытиях.Ослабленные связующие перекрытия и перекрытия с выступающими илизападающими участками плана необходимо утолщать. Армирование необходи¬
мо выполнять в двух направлениях, чтобы предотвращать эффект излома пере¬
крытия в плане. Иногда на высоконапряженных участках можно применять
стальные конструкции перекрытий. При этом допускается выполнять отвер¬
стия, необходимые для бетонирования и сохранения монолитности перекрытия.3.	Усиливающие мероприятия крайних элементов.Если крутящий момент в дискретных перекрытиях с выступающими и за¬
падающими участками значителен, повышается процент армирования ослаб¬
ленных сечений главной конструкции обычно крайних участков здания.7.3.3.	Сейсмостойкое проектирование дискретных несимметричных
перекрытий (по нормам США)Согласно п. 1620.4.3 «Американских строительных норм» и п. 9.5.2.6.4.4
«Американских строительных норм проектных нагрузок» (ASCE 7-02) для кон¬
струкций несимметричных дискретных перекрытий с выступающими и запа¬
дающими в плане участками расчет усилий в элементах перекрытий при сейс¬
мических воздействиях ведется по следующей формуле:211
ft1.F,Fpx=*f—Wpx,	(7.3.8)2.Щi=xгде Fpx - поперечные силы в перекрытиях х-го этажа при сейсмических воздей¬
ствиях; Fi - горизонтальные сейсмические воздействия i-то этажа; W{ - масса
/-го этажа; Wpx - масса х-го этажа.Физический смысл этой формулы заключается в следующем. Перекрытия
испытывают поперечные силы х-го этажа при сейсмических воздействиях, рав¬
ные суммарному горизонтальному воздействию, действующему выше х-го эта¬
жа, деленному на суммарную массу конструкций выше х-го этажа.Вывод: принцип этого расчета одинаков с принципом (п. 7.2.2) проектиро¬
вания сейсмостойких несимметричных конструкций с заданными свойствами и
является одним из показателей макроконтроля и нормирования сейсмостойкого
проектирования конструкций.212
Глава 8. ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ С ПЕРЕХОДНЫМИ
ЭТАЖАМИ И НОВЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ КОНСТРУКЦИИВ Китае в последние 20 лет широко применяются высотные здания с пере¬
ходными этажами для формирования совместного внутреннего пространства в
нижней части здания. Разрез высотных зданий с переходными этажами приве¬
ден на рис. 8.1.В нижней части высотных
сооружений при более частом
расположении элементов (стена-
диафрагма, колонна каркаса)
верхних этажей невозможно на¬
прямую состыковать конструк¬
ции, поэтому необходимо уст¬
ройство переходного этажа, на
котором располагаются элементы
переходной конструкции.Элементы переходной кон¬
струкции выполняют из балок,
ферм, решетчатых балок с вер¬
тикальными стойками, сплошных
конструкций, раскосов (рис. 8.2).На сегодняшний день известно
много новых типов переходных
конструкций (например, переход¬
ные конструкции, устраиваемые
поверху колонн).Несмотря на разнообразие
форм переходных этажей, стена-
диафрагма все же является глав¬
ным типом конструкции переход¬
ных этажей. В Китае широко при¬
меняется более высокое располо¬
жение переходных этажей. В этой
главе на основе реальных объек¬
тов и практических исследований
рассмотрим сейсмостойкость зда¬
ний с переходными этажами со
стенами-диафрагмами (зданий с
ядрами жесткости), выполним
комплексный анализ реальных
землетрясений и рассмотрим ме¬
тоды проектирования сейсмо¬Рис. 8.1. Высотные здания с переходными
этажами:1	- сетчатый каркас с частым шагом колонн;2	- переходный этаж; 3 - сетчатый каркас средким шагом колоннРис. 8.2. Конструкция элементов переходного
этажа:а - сплошная конструкция; Ъ - ферма; с - решетча¬
тая балка213
стойких зданий. Также на примерах исследований и проектирования реальных
объектов предложим некоторые новые переходные конструкции.8.1.	Сейсмостойкость высотных зданий с переходными
этажамиВ этом разделе рассмотрены исследования сейсмостойких свойств конструк¬
ций зданий со стенами-диафрагмами и переходными этажами, зданий с ядрами
жесткости и переходными этажами, а также выполнен анализ разрушений от зем¬
летрясений континуальных конструкций стен-диафрагм, и приведены данные
экспериментальных исследований некоторых переходных конструкций. В этом
разделе рассмотрен механизм разрушения переходных конструкций, уточнено
понятие сейсмостойкого проектирования и предложены рекомендации по проек¬
тированию переходных конструкций.8.1.1.	Анализ факторов, влияющих на сейсмостойкие свойстваконструкцийВысотные здания с переходными этажами из-за различий в вертикальных
элементах нижней и верхней частей, переменной дискретно-континуальной
структуры, изменяющегося напряженно-деформированного состояния по высо¬
те здания весьма уязвимы с позиции сейсмостойкости. Ниже рассмотрены
главные факторы, влияющие на сейсмостойкость высотного здания.Для исследования этих факторов были проанализированы конструкции
зданий с переходными этажами со стенами-диафрагмами и с ядрами жестко¬
сти. Структура, конструктивные схемы таких зданий приведены на рис. 8.1.1
и 8.1.2.Конструктивные схемы здания с переходными этажами со стенами-
диафрагмами приведены на рис. 8.1.1. Общая высота здания 121,5 м, нижние
этажи и переходный этаж состоят из несущего каркаса и стен-диафрагм с вы¬
сотой этажа 4,5 м (рис. 8.1.1, а). Верхние этажи выполнены из конструкций в
виде стен-диафрагм с высотой этажа 3 м (рис. 8.1.1, Ь). Реакция (сейсмиче¬
ский отклик) здания на сейсмическое воздействие анализировалось в направ¬
лении оси>\На рис. 8.1.2 показаны конструкции зданий с ядром жесткости в виде вер¬
тикального ствола. Внутреннее ядро таких конструкций непрерывно на всю
высоту здания, начиная с фундамента. Внешний ствол начинается от переход¬
ного этажа, а ниже переходного этажа этот ствол поддерживается колоннами.
Чтобы проанализировать влияние жесткости внешнего ствола на общую про¬
странственную жесткость здания, исследовано 10 вариантов конструкций. Вы¬
сота переходного этажа -6 м, высота этажей ниже переходного - 3 м. План
нижней части конструкции переходного этажа приведен на рис. 8.1.2, а. Тол¬
щина стены внутреннего ствола - 600 мм. Восемь колонн, поддерживающих
внешний ствол, имеют сечение 1600x1600 мм. Отличия в исследованных деся¬214
ти вариантах заключались в верхних конструкциях переходного этажа. Верхние
конструкции переходного этажа разделяются на типы А, В и С (табл. 8.1.1). Тип
А - внешний ствол - каркас. Внешний ствол типов В и С состоит из стен-
диафрагм (см. на рис. 8.1.2, с и 8.1.2, d).Рис. 8.1.1. Здания с переходными этажами со стенами-диафрагмами:а - переходный этаж и план его нижней конструктивной части; Ъ - переходный этаж и планего верхней конструктивной части215
Рис. 8.1.2. Конструкции зданий с ядром жесткости:а - план нижней части конструкции переходного этажа; b - план верхней части переходного эта¬
жа (тип А); с - план верхней части переходного этажа (тип В); d - план верхней части переходно¬
го этажа (тип С)Таблица 8.1.1Варианты конструкции переходного этажаАхЛ2Аза4ВхВ2с,с2С3с4Внеш¬нийстволБалки300x600Балки300x600Балки600x800Балки600x800Стены400Стены400Стены400Стены400Стены400Стены400Внут¬реннийстволСтены400Стены600Стены400Стены600Стены400Стены600Стены400Стены600Стены400Стены600216
При анализе влияния высоты расположения переходного этажа высота всех
этажей под переходным увеличивалась и соответственно уменьшалась высота
этажей выше переходного этажа. При этом общая высота здания оставалась
постоянной.Проведенные исследования позволили выделить главные факторы, влияю¬
щие на сейсмостойкость конструкции высотного здания: высота установки пе¬
реходного этажа и отношение вертикальной жесткости переходного этажа к
жесткости верхних и нижних этажей.Высота установления переходного этажа
Изменение угла сдвига этажей здания в зависимости от места расположе¬
ния переходного этажа (с 1-го по 7-й этаж) показана кривыми на рис. 8.1.3.
Распределение поперечной силы вдоль стен, которые «стоят на земле» (2), и
стен, которые поддерживаются колоннами и балками (3), показано на рис. 8.1.4,
а и рис. 8.1.4, 6, а зависимость угла сдвига между этажами при расположении
переходных этажей на различном уровне - на рис. 8.1.5.Рис. 8.1.3. Диаграмма угла сдвига между этажами конструкции217Угол сдвига 0
между этажами (рад)-1 этаж
■2 этаж
■3 этаж4	этаж5	этаж
■6 этаж
■7 этаж121.5117.0112.5108.0103.599.094.590.084.581.076.572.067.563.058.554.049.545.040.536.031.527.022.518.013.5
9.04.5q!
Рис. 8.1.4. Диаграммы распределения поперечной силыРис. 8.1.5. Зависимость угла сдвига (в) между этажами при расположении переходныхэтажей на различном уровне218стена, которая
стоит на земле
стена, которая
поддерживается
колоннами и балкамиУгол сдвига 0 (рад)Угол сдвига 0 (рад)Угол сдвига 0 (рад)150.0140.0130.0120.0
110.0
100.0v 90.0
' 80.070.060.050.040.030.020.0
10.00150.0140.0130.0120.0
110.0
100.090.080.070.060.050.040.030.020.0
10.00150.0140.0130.0120.0
110.0
100.090.080.070.060.050.040.030.020.0
10.00
В табл. 8.1.2 приведен сравнительный анализ поперечной силы в зависимо¬
сти от места расположения переходного этажа.Таблица 8.1.2Сравнение изменения поперечной силы при установке переходного этажана 2-м и 5-м этажахЭтаж, на
котором
находится
переход¬
ный этажПоперечная сила внешнего
ствола, QqПоперечная сила внутреннего
ствола, QqверхнийэтажпереходныйэтажнижнийэтажверхнийэтажпереходныйэтажнижнийэтажТипА20,34-0,390,13-0,170,06-0,070,60-0,650,83-0,870,9350,53-0,580,19-0,250,030,41-0,460,74-0,800,97ТипВ20,72-0,790,15-0,180,060,2-0,270,82-0,840,9450,9-1,00,19-0,210,020-0,170,78-0,800,98ТипС20,78-0,860,11-0,160,070,14-0,20,84-0,880,9450,96-1,080,14-0,180,02-0,10-0,10,81-0,930,98Проведенные результаты исследований показали, что при расположении
переходного этажа выше угол сдвига между этажами в уровне переходного
этажа и распределение поперечной силы изменяются более значительно.Отношение поперечной жесткости здания выше и ниже
переходного этажа
Конструкции зданий со стенами-диафрагмами с переходными этажами
представлены на рис. 8.1.1. При проектировании необходимо регулировать вы¬
соту расположения переходного этажа, учитывая при этом угол сдвига между
переходным этажом и верхним и нижним этажами и изменение поперечной си¬
лы в переходном этаже. На рис. 8.1.6 показаны изменения относительного угла
сдвига между переходным, верхним и нижним этажами (в\/в2) и относительно¬
го перемещения (V\/V2) в зависимости от поперечной жесткости переходного
этажа к жесткости верхнего этажа, при расположении переходного на 2-м, 3-м,
4-м, 5-м, 6-м этажах.Из анализа зависимостей, представленных на рис. 8.1.6, можно сделать вы¬
вод, что для зданий со стенами-диафрагмами при неизменном расположении
переходного этажа, если высота нижнего этажа под переходным этажом увели¬
чивается, при уменьшении отношения поперечной жесткости переходного эта¬
жа к жесткости верхнего этажа отношения в\Ю2 и V\/V2 увеличиваются.На рис. 8.1.2 показаны основные варианты конструктивных схем переход¬
ного этажа, в табл. 8.1.3 анализируются значения поперечной силы в конструк¬
циях этажей выше и ниже переходного 5-го этажа, в зависимости от десяти ва¬
риантов конструкции переходного этажа.219
Отношение вертикальной жесткости
переходного этажа к его верхнему этажупереходный 2-й этаж
переходный 3-й этаж
переходный 4-й этаж
переходный 5-й этаж
переходный 6-й этажпереходный 2-й этаж
переходный 3-й этаж
переходный 4-й этаж
переходный 5-й этаж
переходный 6-й этажРис. 8.1.6Таблица 8.1.3Поперечная сила на внутреннем и внешнем стволе конструкции ядра жесткостиПоперечная сила внешнего ствола, Q0Поперечная сила внутреннего ствола, Q06-й этаж5-й этаж4-й этаж6-й этаж5-й этаж4-й этажАх0,5320,2210,0300,4570,7740,967а20,5730,2460,0310,4150,7480,966А30,5530,1920,0290,4350,8020,968Аа0,5840,2120,0300,4020,7810,966Вх0,8990,1890,0190,1730,8030,977в20,9990,2050,021-0,0300,7870,975С\0,9640,1680,0140,0130,8230,981С21,0570,1800,016-0,0830,8110,980С30,9800,1390,0160,0050,8520,979с41,0760,1650,019-0,0940,9300,978220Отношение вертикальной жесткости
переходного этажа к его верхнему этажуОтношение поперечной
силы (VJV2)Отношение угла сдвига
между этажами (0/02)
Из приведенных результатов видно, что жесткость внешнего ствола ядра
жесткости верхней части здания сильно влияет на жесткость здания в целом и
соответственно на распределение величины поперечной силы. Если внешний
ствол здания выполнен в виде каркаса, в общих случаях при варьировании ре¬
зультатов нередко возникает изменение поперечной жесткости здания, но реже
возникает изменение величины поперечной силы.Отношение поперечной жесткости переходного этажа к жесткости верхне¬
го этажа и зависимость 0\№2 при расположении переходного этажа на 2-м и 5-м
этажах представлены на рис. 8.1.7.Зависимость отношения поперечной жесткости переходного этажа к же¬
сткости верхнего этажа от отношения VXIV2 при расположении переходного
этажа на 2-м и 5-м этажах представлена на рис. 8.1.8. После уменьшения же¬
сткости внутреннего ствола (переходный этаж находится на 5-м этаже)
уменьшается отношение поперечной жесткости переходного этажа к жестко¬
сти верхнего этажа и, соответственно, зависимость V\/V2, где V2 - поперечная
сила, воспринимаемая внешним стволом верхнего этажа над переходным эта¬
жом, Vj - поперечная сила, воспринимаемая колоннами каркаса переходного
этажа.221Рис. 8.1.8Рис. 8.1.7Отношение вертикальной жесткости
переходного этажа к его верхнему этажуОтношение вертикальной жесткости
переходного этажа к его верхнему этажупереходный 2-й этажпереходный 5-й этажпереходный 5-й этаж (после
уменьшения жесткости внут¬
реннего ствола)переходный 2-й этаж
переходный 5-й этаж
Анализируя зависимости, представленные на рис. 8.1.7 и 8.1.8, видно, что,
для конструкции ствола с переходными этажами при уменьшении отношения
поперечной жесткости переходного этажа к жесткости верхнего этажа отноше¬
ния 0\!О2 и V2/Vi увеличиваются.Отношение эквивалентной жесткости переходного этажа
Отношение эквивалентной жесткости конструкции этажей выше и ниже
переходного этажа можно учитывать по рис. 8.1.9 и по формуле:где НиН2- высота расчетной модели нижней части и верхней части конструк¬
ции здания Н\ > Н2; Ai - перемещение нижней части конструкции здания на вы¬
соте Нх; Д2 - перемещение нижней части конструкции здания на высоте Н2.Рис. 8.1.9. Расчетная модель для моделирования эквивалентной жесткости
конструкции здания выше и ниже переходного этажа:а - расчетная модель 1 - конструкция нижнего переходного этажа; b - расчетная
модель 2 - конструкция верхнего переходного этажаДля различных случаев расположения переходного этажа с 1-го по 7-й по
направлению у, отношение жесткости на срез (книж / и отношение эквива¬
лентной и поперечной жесткости уе конструкции верхней и нижней частей от¬
носительно переходного этажа приведены в табл. 8.1.4. Эквивалентная жест¬
кость этажа принимается как отношение поперечной силы этого этажа к сдви¬
говой жесткости между этажами. Отношение эквивалентной жесткости уе
конструкции верхней и нижней части переходного этажа считается по исход¬
ным статико-геометрическим характеристикам здания.222
Таблица 8.1.4Отношение жесткости этажей по направлению у в засимости от положенияпереходного этажаНомерЛ этажа
Отношение^^жесткости1-йэтаж2-йэтаж3-йэтаж4-йэтаж5-йэтаж6-йэтаж7-йэтажОтношение жестко¬
сти на срез1,761,761,761,761,761,761,76Отношение попереч¬
ной жесткости1,160,770,690,670,660,660,66Отношение эквива¬
лентной жесткости-1,348-1,468-1,491,534Анализируя данные табл. 8.1.4, можно сделать вывод, что с повышением
положения переходного этажа отношение жесткости на срез почти не изменя¬
ется, отношение поперечной жесткости уменьшается, отношение эквивалент¬
ной жесткости повышается. Поэтому для зданий со стенами-диафрагмами и
переходными этажами, когда верхние этажи поддерживаются колоннами и бал¬
ками, располагающимися выше 1-го этажа, изменение отношения эквивалент¬
ной жесткости является наиболее оптимальным.Для дальнейшего исследования отношения эквивалентной жесткости ре¬
гулировались размеры этажей выше и ниже переходного этажа. При этом, со¬
ответственно, изменялось отношение эквивалентной жесткости уе. Исследова¬
лось изменение угла сдвига между этажами выше и ниже переходного этажа
(Оив2) и изменение внутренних усилий (v2 и vx) в колоннах этажей выше и
ниже переходного при изменении эквивалентной жесткости уе. Для получения
более полных данных были рассмотрены варианты расположения переходно¬
го этажа на 2-м, 3-м, 4-м, 5-м и 6-м этажах, результаты расчета приведены на
рис. 8.1.10.При неизменном положении переходного этажа (см. рис. 8.1.10, а) и увели¬
чении отношения эквивалентной жесткости уе отношение углов сдвига в\/в2
увеличивается (при уе< 1, в\1в2 < 1). При неизменном отношении эквивалент¬
ной жесткости положение переходного этажа повышается и увеличивается от¬
ношение углов сдвига вх1в2. При увеличении отношении эквивалентных жест¬
костей до значений уе < 1,3 и отношение углов сдвига в\1в2 увеличивается. По¬
этому для конструкции зданий со стенами-диафрагмами с отношение эквива¬
лентных жесткостей уе практически характеризуется изменением угла сдвига
между этажами выше и ниже переходного этажа.При неизменном положении переходного этажа (см. рис. 8.1.10, b), если
отношение эквивалентной жесткости уе увеличивается, то увеличивается и от¬
ношение поперечных сил V2/Vь При отношении эквивалентной жесткости223
уе< 1 и любом положении переходного этажа отношение V2/Vt практически не
изменяется. При 1 < уе < 1,3 и изменении положения переходного этажа отно¬
шение V2/V\ изменяется незначительно. Но при отношении уе> 1,3 величина
V2/Vi значительно увеличивается, т.е. происходит резкое изменение поперечной
силы от этажей выше переходного к нижележащим этажам, в результате пере¬
крытия переходного этажа испытывают большие поперечные силы.переходный 2-й этаж
переходный 3-й этаж
переходный 4-й этаж
переходный 5-й этаж
переходный 6-й этажпереходный 2-й этаж
переходный 3-й этаж
переходный 4-й этаж
переходный 5-й этаж
переходный 6-й этажРис. 8.1.10. Зависимости отношения эквивалентной жесткости:
а - от отношения углов сдвига; Ъ - от отношения поперечных силИз вышеприведенного анализа видим, что для конструкции зданий со сте¬
нами-диафрагмами и переходными этажами отношение эквивалентной жестко¬
сти верхней и нижней части здания во многом влияет на изменение угла сдвига
между этажами выше и ниже переходного этажа. Это является главным факто¬
ром, влияющим на сейсмостойкость зданий.Выводы1.	Для конструкции зданий со стенами-диафрагмами и переходными эта¬
жами и конструкцией зданий с ядром жесткости и с переходными этажами про¬
веден анализ угла сдвига между этажами выше и ниже переходного этажа и из¬
менений внутренних усилий. Выявлены главные факторы, влияющие на сейс¬
мостойкость зданий: высота расположения переходного этажа, отношение
эквивалентной жесткости верхней и нижней части здания относительно пере¬224Отношение поперечной
силы (Vx/V2)Отношение эквивалентной жесткости уеОтношение эквивалентной жесткости уеОтношение угла сдвига
между этажами (O/Gj)
ходного этажа и отношение поперечной жесткости несущих конструкций зда¬
ния. Для конструкций зданий с ядрами жесткости и переходными этажами
главными влияющими факторами являются жесткость внешнего ствола над пе¬
реходным этажом, высота установки переходного этажа и жесткость внутрен¬
него ствола.2.	Для описанных выше двух типов зданий с переходными конструкциями
высота расположения переходного этажа является главным фактором, влияю¬
щим на сейсмостойкость здания. Чем выше положение переходного этажа, тем
больше изменение угла сдвига между этажами выше и ниже переходного этажа
и тем больше изменение внутренних усилий. При проектировании необходимо
ограничивать высоту установки переходного этажа.3.	Определенное влияние оказывает отношение поперечной жесткости
переходного этажа и верхних этажей на сейсмостойкость конструкций. Для
зданий со стенами-диафрагмами и с переходными этажами, в которых поло¬
жение переходного этажа достаточно низко, ограничивая отношение попереч¬
ной жесткости, можно ограничивать изменение угла сдвига между этажами
выше и ниже переходного этажа и, соответственно, изменение внутренних
усилий.4.	Для конструкции зданий со стенами-диафрагмами и переходными эта¬
жами, которые находятся достаточно высоко, ограничение отношения попереч¬
ной жесткости этажей выше и ниже переходного этажа недостаточно. Необхо¬
димо еще ограничение отношения эквивалентной жесткости верхней и нижней
частей конструкции переходного этажа. Чем больше отношение эквивалентной
жесткости уе конструкции верхней и нижней части конструкции переходного
этажа, тем больше изменение угла сдвига между этажами выше и ниже пере¬
ходного этажа и соответственно изменение внутренних усилий. При проекти¬
ровании необходимо ограничивать отношение эквивалентной жесткости уе,
чтобы оно приближалось к единице и было не более 1,3.5.	Для конструкций зданий с ядрами жесткости и переходными этажами,
если внешний ствол здания выполнен в виде каркаса, в общем случае не возни¬
кает резкого изменения жесткости, но возникает резкое изменение поперечных
сил по высоте здания. Высота установки переходного этажа для здания с таки¬
ми конструкциями соответственно повышается. Отношение эквивалентной же¬
сткости уе в этом случае можно ограничить, но отношение поперечной жестко¬
сти переходного этажа к поперечной жесткости верхнего этажа иногда не удов¬
летворяет принятым ограничениям. Для зданий с такими конструкциями
необходимо предпринимать мероприятия по их усилению.6.	Для конструкции зданий с ядрами жесткости и переходными этажами,
если внешний ствол здания выполнен как система «стена-диафрагма—каркас»,
жесткость такой конструктивной системы и распределение поперечных сил
аналогично конструкции «стена-диафрагма», поддерживаемой колоннами и
балками. Поэтому при сейсмостойком проектировании таких конструктивных
систем мероприятия по усилению конструкций стен-диафрагм аналогичны
проектированию конструкций, поддерживаемых колоннами и балками.225
8.1.2. Экспериментальное моделированиеЭкспериментальное моделирование здания со стенами-диафрагмамии с переходными этажами
В рассматриваемой модели переходный этаж находится на 6-м этаже, пла¬
ны нижней и верхней части переходного этажа приведены на рис. 8.1.12. Высо¬
ты этажей со стенами-диафрагмами составляют 5,4 м и 4,5 м, высота этажей
верхней части здания составляет 3 м. Колонны переходного этажа выполнены
из железобетона в виде профильного сечения. Масштаб модели 1:40.При экспериментах по направлению х, у модель исследовалась на воздей¬
ствия P-волн (первые), S-волн (вторые) и поверхностных волн L и R. При дове¬
дении до разрушения были приняты поверхностные волны L и R. Вводилось
максимальное ускорение 0,6g, при котором модель имеет локальные разруше¬
ния, но не обрушается. При применении поверхностных волн L и R, результаты
динамического анализа во времени с результатами спектрального анализа в ос¬
новном одинаковы (например, угол сдвига между этажами, поперечная сила для
этажа). Результаты анализа приведены на рис. 8.1.13. Из рисунка видно, что хотя
положение переходного этажа относительно высоко, но резкого изменения угла
сдвига между этажами не наблюдается.Отношение поперечной жесткости переходного этажа к поперечной жест¬
кости верхнего этажа и отношение эквивалентной жесткости уе конструкций
выше и ниже переходного этажа приведены в табл. 8.1.5.Таблица 8.1.5'—^---^^^Направление
Жесткость ' -——	^-направлениеУ-направлениеОтношение поперечной жесткости пере¬
ходного этажа к поперечной жесткости
верхнего этажа K^/K-j0,580,58Отношение эквивалентной жесткости уе1,2311,204Из таблицы видно, что отношение поперечной жесткости переходного эта¬
жа к жесткости верхнего этажа относительно мало. Отношение эквивалентной
жесткости уе конструкции верхней и нижней части переходного этажа сущест¬
венно больше. Эти данные свидетельствуют о том, что жесткость этажей под
переходным этажом мала. Отношение поперечной силы в стенах-диафрагмах
верхней части переходного этажа к поперечной силе в колоннах каркаса под
переходным этажом составляет 6,45. Очевидно, изменение поперечной силы в
верхней и нижней части переходного этажа значительное, так как поперечная
сила в нижней части на 3-4 раза больше, чем в верхней. Картина трещинообра-
зования модели приведена на рис. 8.1.14 и 8.1.15.226
Рис. 8.1.11. План модели нижней части
переходного этажаОгибающая поперечной силы
этажа (по направлению х)Рис. 8.1.13. Результаты анализа:
а - сдвиг между этажами; b - поперечная сила8*227Максимальный угол перемещения = 1/249 рад.Поперечная
сила (кН)Угол пере¬
мещения (рад)ЭтажРис. 8.1.12. План модели верхней части
переходного этажа
Рис. 8.1.14. Картина трещинообразования
модели (1-6 этаж)Анализируя картину трещинообразования, представленную на рис.
8.1.14, можно сделать вывод, что после появления трещин жесткость конст¬
рукций переходного этажа резко снижается и внутренние усилия в колоннах
каркаса увеличиваются. Так как в исследуемой модели колонны каркаса были
выполнены в виде профильного сечения, зго не произошло их разрушения.
Однако стены-диафрагмы верхней части переходного этажа серьезно разру¬
шились. В конечной стадии опыта в ходе анализа экспериментальных данных
и расчета внутренних усилий стен, «стоящих на земле», можно сделать вы¬
вод о неизбежности возникновения трещин в несущих конструкциях пере¬
ходного этажа.Динамическое исследование опытных конструкций стен-диафрагм,
поддерживаемых колоннами и балками нижнего этажаПлан и разрез опытной 12-этажной модели, использованной при динами¬
ческом исследовании, представлены на рис. 8.1.16. Конструкция нижнего
этажа этой модели симметрична. Стены-диафрагмы, «стоящие на земле», об¬
разуют ствол, шаг стен составляет 24 м, что меньше 2,5 В (27 м). Максималь¬
ное расстояние между колоннами каркаса и стенами 12 м, переходный этаж
установлен на 1-м этаже.При изготовлении модели были усилены колонны и стены-диафрагмы 1-
го этажа. Поэтому в ходе исследования в стенах-диафрагмах каркаса этого
этажа разрушения не возникло, а в колоннах каркаса первого этажа образова¬
лись незначительные трещины. Разрушение возникало на верхних этажах,
расположенных над переходным этажом, особенно на этаже, непосредственно
примыкающем к переходному. Поэтому усиление должно выполняться для
конструкций переходного этажа и конструкций первого и верхнего этажей.
Картина трещинообразования модели показана на рис. 8.1.17.228Рис. 8.1.15. Картина трещино¬
образования модели (2-9 этаж)
Рис. 8.1.16. План и разрез опытной модели (масштаб модели 1:6)Рис. 8.1.17. Картина трещинообразования опытной 12-этажной моделиИсследования модели 23-этажного здания со сталежелезо¬
бетонными конструкциями
Планы различных этажей 23-этажного сталежелезобетонного каркаса с
ядром жесткости показаны на рис. 8.1.18. На 3-м этаже здания установлен пе¬
реходный этаж. Для изменения шага колонн внешнего каркаса приняты фермы.
Разрез здания показан на рис. 8.1.19.229
Рис. 8.1.18. План конструкции 23-этажного сталежелезобетонного каркасас ядром жесткости (м):а - план 1 -2-го этажей; b - план 3-го этажа (переходный этаж); с - план 4-22-го этажей;d - план 23-го этажаИспользуя программный комплекс TBSA6.0 для исследуемого здания, про¬
веден упругостатический анализ. При этом на 4-м, 8-м, 12-м, 16-м, 20-м, 23-м
этажах были приложены горизонтальные нагрузки, составляющие 900 кН, 1800
кН, 2700 кН, 3500 кН, 4500 кН, 5400 кН соответственно. Результаты упругоста¬
тического расчета в виде изменения поперечной силы по высоте здания показа¬230
ны на рис. 8.1.20 (кН). Из рисунка видно, что как во внешнем, так и во внут¬
реннем стволе поперечная сила резко изменяется в уровне переходного этажа.
Внутренний ствол воспринимает основную часть поперечной силы, внешний
каркас воспринимает незначительную часть поперечной силы, поперечная сила
в уровне переходного этажа воспринимается главным образом колоннами
внешнего каркаса. На верхних этажах из-за наличия переходного этажа, как во
внешнем каркасе, так и внутреннем стволе тоже существует резкое изменение
поперечной силы. Расчет и анализ показали, что при воздействиях горизон¬
тальной нагрузки колонны каркаса, «стоящие на земле», выдерживают попе¬
речную силу уже превышающую максимальные расчетные значения. Резкое
изменение поперечной силы, возникающее в конструкциях переходного этажа,
ослабляет сечения внешнего каркаса и внутреннего ствола верхних этажей. При
воздействиях горизонтальной нагрузки в сечениях этих частей здания возника¬
ют трещины и начинается разрушение.Поперечная сила колонны
Поперечная сила стены
Поперечная сила этажа
Я(м)Рис. 8.1.19. Разрез зданияРис. 8.1.20. Распределение поперечной
силы в стенах внутреннего ствола и в
колоннах внешнего каркаса231Поперечная сила (кН)
Исследование и ана¬
лиз сталежелезобетонно¬
го (стального) здания с
ядром жесткости проводит¬
ся на модели в масштабе
1:20. На 4-м, 8-м, 12-м, 16-
м, 20-м и 23-м этажах были
приложены горизонтальные
нагрузки. Полученное рас¬
положение трещин в опыт¬
ной модели показано на
рис. 8.1.21. Из рисунка вид¬
но, что большое количество
трещин возникает в конст¬
рукциях под переходным
этажом и в стенах-диафраг-
мах внутреннего ствола
верхних этажей. Ширина
трещин в колоннах нижне¬
го этажа достигла 0,7 мм.Полученные расчетные
значения трещин по про¬
грамме TBSA6.0 близки к
опытным. При проектиро¬
вании ствола здания, необ¬
ходимо принимать меропри¬
ятия по увеличению жест¬
кости каркаса под переход¬
ным этажом и повышению
его трещиностойкости.Экспериментальные исследования конструкции ствола с
переходными этажами с применением виброплиты
В конструкциях ствола здания с переходными этажами при сейсмических
воздействиях возникает резкое изменение поперечной силы. Передача попереч¬
ной силы только через внутренний ствол переходного этажа невозможно. Что¬
бы выполнить передачу поперечной силы, часть ее передается через колонны
внешнего каркаса. Поэтому фактическая поперечная сила в конструкциях
внешнего каркаса под переходным этажом намного больше, чем следует из ре¬
зультатов расчета. Неучет этого снижает сейсмостойкость.Для подтверждения такого распределения усилий были выполнены экспе¬
риментальные исследования модели на виброплите. Планы модели приведены
на рис. 8.1.22. Расстояние между колоннами каркаса и стенами, этажа ниже пе¬
реходного превышало 12 м.232Рис. 8.1.21. Схема расположения трещин в элементах
модели
Рис. 8.1.22. План модели:
а - часть здания ниже переходного этажа; Ъ - часть выше переходного этажа233
Опытное расположение трещин
колонн каркаса нижней части модели
показано на рис. 8.1.23. Из рисунка
видно, что значительные трещины
возникают в колоннах каркаса, распо¬
ложенных под переходным этажом. В
средних колоннах этажа незначитель¬
ные трещины возникают только на
локальных зонах выше и ниже пере¬
ходного этажа. Во внешних стенах-
диафрагмах, поддерживаемых колон¬
нами и стенами, над переходным эта¬
жом возникает большое количество
трещин. Полученные опытные дан¬
ные для исследуемой конструкции модели здания при сейсмических воздействи¬
ях, такие как характер расположения внутренних усилий, распределение усилий
между внешними стенами-диафрагмами переходного этажа и поддерживаемыми
колоннами и стенами верхних этажей, показали расхождения с результатами уп¬
ругостатического расчета. Наружные стены-диафрагмы, поддерживаемые колон¬
нами и стенами выше переходного этажа, воспринимают обобщенный изгибаю¬
щий момент и передают его на колонны каркаса нижней части здания.Объект Лан-Вэн Шэньчженя•	Общие сведенияОбъект Лан-Вэн Шэньчженя проектируется строительной проектной ака¬
демией Шэньчженьского университета. Надземная часть - в форме бабочки -
представляет собой 50-этажный жилой дом. Строительная площадь - 71 ООО м2,
высота надземной части - 163,5 м. Второй этаж этого объекта является пере¬
ходным этажом, на фасаде выполнены четыре проема. На 10-м этаже установ¬
лен второй переходный этаж. Это здание является сложным высотным соору¬
жением, проектирование которого находится за рамками действующих норм.Здание рассчитано на землетрясения до 7 баллов, тип площадки строитель¬
ства II. Нижняя часть представляет собой две башни-бабочки, из которых за¬
падная башня немного меньше. На 10-м этаже переходный этаж соединяет две
башни, в результате чего средняя часть образует 9-этажный проем. Над про¬
емом сейсмостойкий шов разделяет здание на две башни. На 19-25-м этажах
внутренней части западной и восточной башни запроектированы проемы. Про¬
емы предусмотрены также в наружной части здания на 11-16-м этажах.Из-за сложности конструкций при проектировании приняты следующие
мероприятия по усилению здания: увеличение жесткости переходного этажа,
поддерживаемого колоннами и балками, увеличение армирования колонн и
стен-диафрагм. Стены, обрамляющие проемы нижней части здания, выполнены
из железобетонных и комбинированных конструкций профильного сечения. Из-
за сделанных на фасаде проемов зона усиления нижней части конструкций, об¬234Рис. 8.1.23. Картина трещинообразования в
колоннах каркаса нижней части модели
рамляющих проем, продолжается от верха 2-го этажа до 28-го этажа. Усиление
стен-диафрагм здания выполнено по требованиям I-го сейсмостойкого уровня.Чтобы проанализировать сейсмостойкость этого объекта, Китайской строи¬
тельной научной академией был выполнен эксперимент с использованием виб¬
роплиты. Общий вид модели приведен на рис. 8.1.24, фасад модели показан на
рис. 8.1.25.Рис. 8.1.24. Вид моделиРис. 8.1.25. Схема фасада модели•	Конструкция моделиОсновные масштабные коэффициенты, принятые для моделирования зда¬
ния в экспериментах с виброплитой, приведены в табл. 8.1.6.Таблица 8.1.6Масштабные коэффициенты моделиПараметрмеханикиМасштабныекоэффициентыПараметрмеханикиМасштабныекоэффициентыДлина st1/30Время st1/9,17Деформация s£1Частота Sf9,17Модуль упругости sE1/3,83Перемещение su1/30Напряжение sa1/3,83Скорость sv1/3,27Плотность массы sp2,77Ускорение sa2,81235
Разработанная по реальному объекту модель имеет масштаб 1:30, суммар¬
ная высота модели (включая высоту поддона) составляет 5,6 м, всего 51 этаж
(см. рис. 8.1.24, 8.1.25).Первый этаж модели представляет стилобатную часть высотой 150 мм
(рис. 8.1.26), башня состоит из ядра, стен-диафрагм и колонн, которые поддер¬
живают верхние стены-диафрагмы. В средней части здания имеется большое
отверстие, стены которого толщиной 42 мм выполнены из железобетона про¬
фильного сечения.Рис. 8.1.26. План первого этажа моделиРис. 8.1.27. План второго этажа моделисевер236
Второй этаж модели является первым переходным этажом главной несу¬
щей конструкции здания (рис. 8.1.27). Высота этажа - 300 мм, толщина стен
ствола, доходящих до фундамента, составляет 8 мм. Чтобы обеспечить соотно¬
шение жесткостей этажей выше и ниже переходного этажа, толщина остальных
стен-диафрагм основания модели увеличена и составляет 27-33 мм. Колонны,
поддерживающие верхние стены-диафрагмы, выполнены размером 33x92 мм,
высота балок, поддерживающих верхние стены-диафрагмы, составляет 83 мм.Планы 3-9-го этажей модели не изменяются (рис. 8.1.28), высота этих эта¬
жей - 100 мм. В плане здание похоже на бабочку.Десятый этаж модели является вторым переходным этажом главной конст¬
рукции здания (рис. 8.1.29). Высота переходных балок, соединяющих промежу¬
точное пространство между двумя симметричными башнями и поддерживаю¬
щих стены-диафрагмы над проемом - 121 мм.С 11-го этажа начинается антисейсмический шов и две башни образуют две
отдельные сейсмоустойчивые конструкции. С 11-го по 14-й этаж две башни яв¬
ляются симметричными конструкциями (рис. 8.1.30). С целью повышения
сейсмостойкости колонны, соединяющие этажи в месте проемов, и крайние
колонны, обрамляющие проемы, выполнены в виде профильного сечения.С 15-го этажа начинается изменение конструктивной схемы башни: размер
западной башни в плане уменьшается, проем на фасаде здания закрывается.
Проем на фасаде восточной башни продолжается до 16-го этажа (рис. 8.1.31).На фасаде внутренней части обеих башен с 19-го по 25-й этажи также сде¬
ланы проемы (рис. 8.1.32). Колонны, соединяющие этажи в пространстве про¬
емов, и стойки в пространстве проемов выполнены в виде профильного сече¬
ния для повышения их сейсмостойкости. Планы 26-го и 49-го этажей модели
почти не изменяются (рис. 8.1.33), уменьшается толщина стен, 50-й и 51-й эта¬
жи представляют собой маленькие башенки (рис. 8.1.34).Рис. 8.1.28. План 3-9-го этажей модели237
Рис. 8.1.29. План 10-го этажа моделиРис. 8.1.30. План 11-14-го этажей моделиРис. 8.1.31. План 15-18-го этажей модели238
Рис. 8.1.33. План 26-49-го этажей моделиРис. 8.1.34. План 50 и 51-го этажей моделиРис. 8.1.32. План 19-25-го этажей модели239
•	Цель работыЦелью экспериментальных исследований модели с использованием вибро¬
плиты является измерение ее реальных динамических характеристик при воз¬
действиях ускорения сейсмических волн; анализ ослабленных сечений, крутя¬
щего момента, типа колебаний; определение перемещений конструкции при
сейсмических воздействиях. Данные эксперимента позволят выполнять более
точный расчет и принимать необходимые мероприятия по усилению конструкций.•	Методика и содержание экспериментаПри экспериментальных исследованиях модели на виброплите на некото¬
рых этажах вдоль направления горизонтальных сил установлены 28 датчиков
ускорения, которые служили для измерения ускорений при введении сейсмиче¬
ских волн.На основе требований норм с помощью виброплиты создаются три сейсми¬
ческие волны: P-волны (первые), S-волны (вторые) и поверхностные волны L и R.На основе изучения колебаний модели установлено, что она выдерживает
сейсмическое воздействие малых землетрясений до 7 баллов (аггах = 0,03 5gx
x2,81=0,lg); 7 баллов средние сейсмические воздействия (яП1ах = 0,lgx2,81 =
= 0,29g); 7 баллов большие сейсмические воздействия (Ятах = 0,15gx2,81 =
= 0,46g) 7 баллов сильные сейсмические воздействия (а^ = 0,22gx2,81 = 0,63g);
Яшах = 0,85g и я™* = 1,00*.•	Трещинообразование модели после'сейсмических воздействий коле¬
банийВ экспериментальных исследованиях модели при введении трех сейсмиче¬
ских волн при ускорениях, превышающих расчетный уровень сейсмостойкости,
в разных местах элементов модели постепенно возникают трещины (рис.
8.1.35-8.1.37).Картина трещинообразования в конструкциях северного фасадаПри введении ускорений сейсмической волны до 0,lg (маленькое земле¬
трясение) в нижней части стен-диафрагм, соединяющих конструкции 3-го эта¬
жа с переходными балками 2-го этажа, возникли незначительные трещины. В
верхних частях стен-диафрагм, которые соединяют конструкции 2-го этажа с
переходными балками, также возникли незначительные трещины.При ускорении сейсмической волны до 0,29* (среднее землетрясение) в
верхней части 3-го и 4-го этажей восточной башни возникли незначительные
трещины. В верхней части 34-го этажа внешней стены фасада западной башни
возникла одна трещина.При ускорении сейсмической волны до 0,46g (значительное землетрясение)
на пересечении переходной балки 10-го этажа и вертикальной стены отверстия
возникла одна незначительная трещина.При ускорении сейсмической волны до l,0g (сильное землетрясение) в сте-
нах-диафрагмах западной башни, перпендикулярных вертикальным стенам от¬
верстий нижней части, на 3-м и 5-м этажах возникли трещины. Большинство тре¬
щин сосредоточено во внешних стенах средней части башен с 32-го по 35-й этаж.240
После воздействия сейсмической волны более l,0g (сильное землетрясе¬
ние) нижние части стен-диафрагм двух маленьких башен вершины серьезно
разрушились.Рис. 8.1.35. Картина трещинообразования в конструкциях северного фасадаКартина трещинообразования в конструкциях южного фасадаПри ускорении сейсмической волны до 0,lg (маленькое землетрясение) в
нижней части стен-диафрагм, соединяющих конструкции 3-го этажа с переход¬
ными балками 2-го этажа, возникли незначительные трещины.При ускорении сейсмической волны до 0,29g (среднее землетрясение) на
месте пересечения переходной балки 10-го этажа и вертикальной стены отвер¬
стия возникла одна незначительная трещина.241
При ускорении сейсмической волны до 0,63g (большое землетрясение) на
месте пересечения переходной балки 10-го этажа и вертикальной стены отвер¬
стия восточной башни возникли значительные трещины.При ускорении сейсмической волны до l,0g (сильное землетрясение) в сте¬
нах двух башен возникли трещины. В растянутой зоне верхних крайних балок
возникли значительные трещины.Рис. 8.1.36. Картина трещинообразования в конструкциях южного фасадаКартина трещинообразования в конструкциях западного фасада
При ускорении сейсмической волны до 0,lg (маленькое землетрясение) в
нижней части стен-диафрагм, соединяющих конструкции 3-го этажа с переход¬
ными балками 2-го этажа, возникли незначительные трещины.242
При ускорении сейсмической волны до 0,29g (среднее землетрясение) в не¬
которых стенах 33-го и 34-го этажей появились трещины.При ускорении сейсмической волны до 1 .Og (сильное землетрясение) в рас¬
тянутой зоне крайних балок возникли значительные трещины.Во внутреннем стволе и перекрытии трещины не образовывались.Рис. 8.1.37. Картина трещинообразования в конструкциях западного (а) и восточного (Ъ)фасадовКартина трещинообразования в конструкциях восточного фасада
При ускорении сейсмической волны до 0,lg (маленькое землетрясение) в
верхней части стен 3-го, 10-го и 18-го этажей возникли незначительные трещины.243Развернутая схема
трещин внутренней
стороны проема
со 2-го по 9-й этажизападнаясторонавосточнаясторона
При ускорении сейсмической волны до 0,29g (среднее землетрясение) в
стенах 1-го и 2-го этажей, а также в нижней и верхней части 3-го этажа восточ¬
ной башни возникли трещины.При ускорении сейсмической волны до 0,46g (среднее землетрясение) и до0,63g (большое землетрясение) в стенах средней части конструкции возникли
незначительные трещины.При ускорении сейсмической волны до 1,0g (сильное землетрясение) в сте¬
нах верхней части конструкции возникли незначительные трещины.Выводы и рекомендации по проектированиюИспытанная модель выдерживает сейсмическое воздействие (7 баллов) ма¬
лых, средних и сильных землетрясений. На основе результатов эксперименталь¬
ных исследований на виброплите были определены характеристики собственных
колебаний модели (период, частота, декремент затухания колебаний), динамиче¬
ские характеристики модели при трех различных сейсмических волнах, реальное
расположение трещин и оценена сейсмостойкость модели реального здания.1.	Модель подвергалась сейсмическому воздействию, эквивалентному 7-
балльному землетрясению. В результате сейсмического воздействия жесткость
конструкции уменьшилась на 50%, что отвечает нормируемому показателю.
При воздействии малого землетрясения трех сейсмических волн по оси X мак¬
симальные углы сдвига между этажами двух башен составили 1/1388 и 1/1180,
по оси Y максимальные углы сдвига между этажами составили 1/1224 и 1/923.
При поверхностных волнах и сильных сейсмических воздействиях по оси X и
по оси Y угол сдвига между этажами самый большой и составляет 1/117 и 1/114
соответственно. Таким образом, можно сделать вывод о достаточной сейсмо¬
стойкости данного здания при 7-бапльном сейсмическом воздействии.2.	Устройство переходного этажа в уровне 10-го этажа позволяет ограни¬
чить кручение отдельных конструкций. В переходных балках этого этажа, со¬
единяющих две башни, при малых и средних землетрясениях трещины не воз¬
никают. Крутящий момент всей конструкции здания незначителен, и тем самым
цель проектирования достигнута.3.	Экспериментальное исследование модели на виброплите показало, что
трещин в стволе главной конструкции образовалось немного, что доказало эф¬
фективность мероприятий по усилению ствола.4.	В обрамляющих конструкциях усиления главных четырех проемов зда¬
ния не возникают серьезные трещины и разрушения. Это доказывает, что при¬
менение профильных железобетонных элементов удовлетворяет сейсмостой¬
ким требованиям.5.	Наиболее ослабленные сечения модели сосредоточены на верхних эта¬
жах, расположенных над переходным этажом. В конструкциях здания, распо¬
ложенных выше переходного этажа и соединяемых переходными балками, об¬
разовавшиеся трещины имели значительное раскрытие, особенно в нижней
части стен-диафрагм 3-го этажа. Это явление характерно для конструкций стен-
диафрагм, расположенных со всех сторон внешнего ствола (фасада). В этом244
случае для повышения их сейсмостойкости рекомендуется увеличивать разме¬
ры их сечений или армирование.6.	Масса восточной башни больше, соответственно стены-диафрагмы,
стоящие ближе к нулевой отметке, выдерживают большие сейсмические силы.
Особенно это относится к восточной стене. В конструкциях 2-го этажа и ниже
возникают косые трещины. В связи с этим рекомендуется увеличить сечение
балок и колонн, которые поддерживают верхние стены-диафрагмы и стены-
диафрагмы, расположенные ближе к земле, или увеличить содержание арматуры
в этих конструкциях. В усиленных колоннах, поддерживающих верхние стены-
диафрагмы под переходным этажом, признаков разрушения не наблюдалось.7.	При проектировании конструкций вершины здания двух маленьких ба¬
шен в них необходимо увеличивать содержание арматуры.Объект Хун-Шу Шэньчжень•	Положение объектаОбъект жилого дома Хун-Шу Шэньчжень представляет собой конструкцию
из стилобатной части со многими переходными этажами. На фасаде сделаны
проемы и установлены переходные балки. Конструкция высотного здания име¬
ет сложную схему. Главный корпус имеет 32 этажа, высота его 99 м, проектная
сейсмостойкость 7 баллов, строительная площадка относится ко II типу. Над
стилобатом выполняются три длинные и узкие башни, которые в плане образу¬
ют ломаную линию длиной более 200 м; на фасаде сделаны большие проемы.
Чтобы уменьшить влияние кручения на каждую башню, в здании запроектиро¬
ваны два сейсмостойких шва, которые одновременно выполняют и функцию
температурно-усадочных швов. Каждый сейсмостойкий отсек здания представ¬
ляет собой конструктивную систему «ядро—стены-диафрагмы» или «колон¬
ны—стены-диафрагмы». При проектировании ядра и поперечных стен-
диафрагм необходимо их усиливать с той целью, чтобы они выдерживали 70%
изгибающего момента, возникающего от сейсмических воздействий. Конструк¬
ции проемов нижней части здания представляют собой железобетонные и ком¬
бинированные конструкции из профильных элементов.Объект проектируется Строительной проектной академией Шэньчженьско-
го университета. Для исследования сейсмостойкости здания сложной формы
Китайской строительной научной академией был проведен эксперимент с ис¬
пользованием виброплиты.•	Конструкция моделиМасштабные коэффициенты опытной модели приведены в табл. 8.1.7.Модель реального объекта в виде трех башен высотой 3,307 м имеет 32
этажа (рис. 8.1.38 и 8.1.39).Первый этаж модели представляет собой стилобат (рис. 8.1.40) в виде ло¬
маной в плане фигуры, состоящей из колонн, дискретных перекрытий и стен-
диафрагм. Толщина перекрытия стилобата составляет 200 мм. Конструкция
стилобата состоит из пяти ядер жесткости и внешних колонн. По оси 4А уста¬245
новлены гигантские металли¬
ческие опоры, доводимые до
переходной балки 12-го этажа
для поддержания верхних
конструкций.На втором этаже модели
установлен 1-й переходный
этаж здания (рис. 8.1.41). Вы¬
сота переходной балки состав¬
ляет 40 мм, толщина стен-
диафрагм ядра 200 мм. В мо¬
дели по осям 4/5-10 располо¬
жено большое отверстие про¬
фильными железобетонными
стенами толщиной 40 мм.С 3-го до 10-го этажи
планы модели не изменяются.
Толщина ствола с 200 мм на2-м этаже уменьшается до
150 мм или 100 мм. С 3-го
этажа начинается сейсмо¬
стойкий шов, разделяющий
главный корпус на два от¬
дельных сейсмоустойчивых конструктивных отсека, которые называются зда¬
ние А и здание В (рис. 8.1.42).11-й этаж модели по оси 4/5-10 является перекрытием большого отверстия
нижней части с установлением переходных балок высотой, равной высоте этого
этажа. Также на 11-м этаже модели выполнены перекрытия четырех металли¬
ческих колонн (рис. 8.1.38).С 13-го до 19-го этажа и с 20-го по 30-й план модели не изменяется. Верши¬
ной конструкции является 31-й этаж, а одна башня имеет 32 этажа (рис. 8.1.43).Таблица 8.1.7Масштабные коэффициенты моделиПараметрмеханикиМасштабныекоэффициентыПараметрмеханикиМасштабныекоэффициентыДлина 5/1/30Время st1/10,9Деформация sE1Частота Sf10,9Модуль упругости sE1/2,07Перемещение su1/30Напряжение sa1/2,07Скорость sv1/2,8Плотность массы sp3,7Ускорение sa3,94246Рис. 8.1.38. Общий вид модели
247Рис. 8.1.39. Фасад модели
248Рис. 8.1.40. Конструктивный план 1-го этажа модели
249Рис. 8.1.41. Конструктивный план 2-го этажа модели
250Рис. 8.1.42. Конструктивный план 3-го этажа модели
251Рис. 8.1.43. Конструктивный план 12-го этажа модели
252Рис. 8.1.44. Конструктивный план 31-го этажа модели
•	Цель работыЦелью проведения экспериментальных исследований модели с использо¬
ванием виброплиты является измерение динамических характеристик конст¬
рукции: анализ ускорений от сейсмических волн; анализ ослабленных сечений,
крутящего момента, типа колебаний; определение перемещений конструкции
при сейсмических воздействиях. На основании эксперимента выполняется бо¬
лее точный расчет и назначаются соответствующие мероприятия по усилению.•	Содержание и ход экспериментаНа основе изучения колебаний модели установлено, что она выдерживает
сейсмическое воздействие малых землетрясений до 7 баллов (amax= 0,14g); 7
баллов средние сейсмические воздействия (aniax= 0,39g); 7 баллов большие
сейсмические воздействия (^w = 0,59g); 7 баллов сильные сейсмические воз¬
действия (а„и* = 0,87g и а™,* = l,00g).На основе требований норм с помощью виброплиты создаются три сейсми¬
ческие волны: P-волны (первые), S-волны (вторые) и поверхностные волны L и R.•	Трещинообразование модели в ходе испытанийВ ходе экспериментальных исследований модели на виброплите при введе¬
нии трех сейсмических волн повышалось ускорение, при этом в элементах мо¬
дели в разных местах постепенно возникали трещины (рис. 8.1.45-8.1.52).Картина трещинообразования по фасаду оси 5А.При введении по оси х ускорения S-волны до 0,14g (малое землетрясение)
в двух крайних стенах-диафрагмах первого этажа возникают трещины. Так как
длина сечения стен-диафрагм достаточно велика, и они воспринимают большие
поперечные силы и поэтому в них возникают наклонные трещины.При введении по оси у ускорения P-волны до 0,14g (малое землетрясение),
незначительно увеличиваются наклонные трещины двух крайних стен-диафрагм
первого этажа.При введении по оси у ускорения P-волны до 0,39g (среднее землетрясение)
трещины возникают в нижней части колонн 12-го, 13-го этажей. При введении по
оси х ускорения поверхностной волны до 0,39g (среднее землетрясение) трещи¬
ны возникают у верхней части колонны 31-го этажа и перекрытия. В нижней час¬
ти 13-го этажа по оси 4А трещины возникают из-за резкого изменения жесткости
верхнего и нижнего этажей. При введении по оси у ускорения P-волны до 0,39g
(среднее землетрясение) в нижней части одной колонны 3-го этажа трещины
возникают из-за резкого изменения жесткости верхнего и нижнего этажей.При введении по оси у ускорения поверхностных волн L и R до 0,39g (сред¬
нее землетрясение) трещины возникают в перекрытиях 25-го и 26-го этажей.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до 0,59g (зна¬
чительное землетрясение) трещины возникают в некоторых перекрытиях и ко¬
лоннах 5-го этажа.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до 0,87g
(сильное землетрясение) трещины возникают в нижней части 12-го этажа.253
При введении по оси х ускорения поверхностных волн до l,00g (очень
сильное землетрясение) трещины возникают в нижней части многих колонн и
местах сопряжения колонн и перекрытий выше 19-го этажа.Рис. 8.1.45 (начало). Картина трещинообразования фасада по оси 5А.
Фасад 1/5-7... 1/5-14:Ах - P-волна по оси х\ Ux - S-волна по оси х\ Ех - поверхностные волны по оси х254
Рис. 8.1.45 (продолжение). Картина трещинообразования фасада по оси 5А.Фасад 6-1...4А:Ах - P-волна по оси х\ Ux - S-волна по оси х\ Ех - поверхностные волны по оси х255
Картина трещинообразования по фасаду оси 5ДРис. 8.1.46 (начало). Картина трещинообразования по фасаду оси 5Д.Фасад 4А ...6-1:Ах - P-волна по оси х\ Ау - P-волна по оси у; Ux - S-волна по оси х\ Uy - S-волна
по оси .у; Ех- поверхностные волны по оси х\ Еу - поверхностные волны по оси у256
Рис. 8.1.46 (продолжение). Картина трещинообразования по фасаду оси 5Д.Фасад 1/5-14... 1/5-7:Ах - P-волна по оси х\ Ау - P-волна по оси у; Ux - S-волна по оси х; Uy - S-волна
по оси у; Ех- поверхностные волны по оси х\ - поверхностные волны по оси у9 Проектирование современных высотных зданий257
При введении по оси х ускорения P-волны до 0,14# (малое землетрясение)
незначительные трещины возникают на первом этаже в стенах-диафрагмах по
оси 5-7 и в средней части одной колонны.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до 0,14g (ма¬
лое землетрясение) развиваются трещины в стенах-диафрагмах первого этажа.
При этом возникают трещины в нижней части колонн, расположенных под пе¬
реходными балками второго этажа.При введении по оси у ускорения S-волны до 0,14g (малое землетрясение)
трещины возникают в верхней части одной колонны 6-го этажа.При введении по оси х ускорения P-волны до 0,39# (среднее землетрясе¬
ние) трещины возникают во многих местах стен-диафрагм и в местах пересе¬
чения перекрытий и колонн по оси 4G.При введении по оси у ускорения S-волны до 0,39g (среднее землетрясение)
трещины возникают в нижней части колонн, находящихся под переходными
балками 12-го этажа. При введении по оси у ускорения поверхностных волн до0,39# (среднее землетрясение) трещины возникают в колоннах верхних этажей.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до 0,59g (зна¬
чительное землетрясение) горизонтальные трещины возникают в некоторых
колоннах выше третьего этажа по оси 4G.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до 0,87#
(сильное землетрясение) трещины возникают в стенах и перекрытиях, в местах
расположения переходных балок, в местах пересечения колонн и перекрытий.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до l,00g
(очень сильное землетрясение) трещины возникают в верхней части колонн
многих этажей.Картина трещинообразования по фасаду оси 1/5-7При введении по оси х ускорения S-волны до 0,14g (малое землетрясение)
наклонные трещины возникают в верхней и нижней части стен-диафрагм пер¬
вого этажа.При введении по оси х ускорения поверхностных волн до 0,14g (малое зем¬
летрясение) добавляются наклонные трещины в стенах-диафрагмах первого
этажа и возникают наклонные трещины в колоннах средней части.При введении по оси у ускорения P-волны до 0,14g (малое землетрясение)
в нижней части стены-диафрагмы 7-го этажа по оси 5А возникает горизонталь¬
ная трещина.При введении по оси у ускорения поверхностных волн L и R до 0,14g (ма¬
лое землетрясение) в верхней части стен-диафрагм 3-6-го этажей возникают
горизонтальные трещины.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R, достигающе¬
го 0,39g (среднее землетрясение), в колоннах на многих этажах возникают го¬
ризонтальные трещины.При введении по оси х ускорения поверхностных волн до 0,87g (сильное
землетрясение) горизонтальные трещины возникают в верхних сечениях диа¬
фрагм 12-го, 13-го, 15-го этажей и в средней части диафрагмы 21-го этажа.258
При введении по оси х ускорения поверхностных волн до l,00g (очень
сильное землетрясение) горизонтальные трещины возникают в средней части
колонны на 26-м этаже и в стенах-диафрагмах на 30-31-м этажах.Рис. 8.1.47. Картина трещинообразования фасада по оси 1/5-7
Картина трещинообразования по фасаду оси 4АПри введении по оси у ускорения P-волны до 0,14g (малое землетрясение)
наклонные трещины возникают в стене-диафрагме 1-го этажа.259
При введении по оси у ускорения поверхностных волн L и R, S-волны до0,14g (малое землетрясение) в нижней части стены-диафрагмы 3-го этажа воз¬
никают горизонтальные трещины.Рис. 8.1.48. Картина трещинобразования фасада по оси 4АПри введении по оси х ускорения P-волны, поверхностных волн L и R до0,39g (среднее землетрясение) в нижней части колонны 13-го этажа возникают260
трещины. На 28-м этаже в местах пересечения колонн и перекрытий при этих
ускорениях также возникают трещины. При введении по оси у ускорения
P-волны до 0,39* (среднее землетрясение) увеличиваются наклонные трещины
в стенах-диафрагмах 1-го этажа. При введении по оси у ускорения поверхност¬
ных волн L и R до 0,39* (среднее землетрясение) трещины возникают во мно¬
гих колоннах и в местах пересечения перекрытий и колонн выше 24-го этажа.При введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R и S-волны до
1,00* (очень сильное землетрясение) горизонтальные трещины возникают в
верхней части стен-диафрагм 12-го этажа и большое количество трещин возни¬
кает в местах соединения перекрытий и колонн остальных этажей.Ах - P-волна по оси х; Ау - P-волна по оси у; Ux - S-волна по оси х; Uy -
S-волна по оси у; Ех - поверхностные волны по оси х; Еу - поверхностные вол¬
ны L и R по оси j;.Картина трещинообразования модели по оси 4М (рис. 8.1.49)При введении по оси х ускорения P-волны до 0,39* (среднее землетрясе¬
ние) горизонтальные трещины возникают во многих местах колонн и стен-
диафрагм. При введении по оси х ускорения поверхностной волны L и R до0,87* (большое землетрясение) в стенах-диафрагмах по оси 4-1 в верхней части
24-го этажа возникают горизонтальные трещины. При введении по оси х уско¬
рения поверхностной волны L и R до 1,00* (очень сильное землетрясение) го¬
ризонтальные трещины возникают в верхних сечениях стен-диафрагм 22-го,
30-го и 31-го этажей.Картина трещинообразования модели по оси 4G (рис. 8.1.50)Рис. 8.1.49. Состояние трещин модели
по оси 4МРис. 8.1.50. Состояние трещин модели
по оси 4G261
При введении по оси х ускорения Р-волны, S-волны до 0,39g (среднее зем¬
летрясение) горизонтальные трещины возникают в колоннах и стенах-
диафрагмах многих этажей.При введении по оси х ускорения поверхностной волны L и R до 0,87g
(сильное землетрясение) возникают наклонные трещины в стенах 24-го, 26-го,
28-го этажей.Картина трещинообразования стволов А, В, С, D, Е (рис. 8.1.51)Рис. 8.1.51 (начало). Картина трещинообразования конструкций стволов А, В, С, D, Емодели I26219 эт.
18 эт.
Пэт.
16 эт.
15 эт.
14 эт
13 эт
12 эт
11 эт.
10 эт.
9 эт.
8 эт.
7 эт.
6 эт.
5 эт.
4 эт.
3 эт.
2 эт1 ЭТ.32 эт.
31 эт.
30 эт.
29 эт.
28 эт.
27 эт
26 эт.
25 эт.
24 эт
23 эт.
22 эт
21 эт
20 эт
19 эт.
18 эт.
17 эт.
16 эт.
15 эт.
14 эт.
13 эт.
12 эт.11 ЭТ.10 эт.
9эт.8 эт.7 эт.6 эт.5 эт.4 эт.3 эт.2 эт.1 эт.Выше 3-го этажаСтвол АСтвол АСтвол ВСтвол В
Ствол ССтвол ССтвол DСтвол DСтвол ЕСтвол ЕРис. 8.1.51 (продолжение). Картина трещинообразования конструкций стволовА,	В, С, D, Е модели IIПри введении по оси х ускорения поверхностных волн L и R до l,00g
(очень сильное землетрясение) после эксперимента были исследованы трещи¬
ны разных стволов. На 13-м этаже ствола А трещины возникают в нижней час¬
ти стен-диафрагм, в стене-диафрагме 15-го этажа возникают наклонные и вер¬
тикальные трещины. На стволе В в углах 2-го и 3-го этажей возникают наклон¬
ные трещины, на 13-м этаже возникают пересекающие трещины. В стенах-
диафрагмах некоторых этажей ствола С возникают вертикальные, горизонталь¬
ные и наклонные трещины. В стенах-диафрагмах ствола D на 5-м, 6-м, 7-м, 14-
м, 15-м, 25-м, 26-м и 28-м этажах возникают горизонтальные трещины. В кон¬
струкциях ствола Е была обнаружена только горизонтальная трещина в средней
части стены-диафрагмы 13-го этажа.Картина трещинообразования стен-диафрагм этажа, находящегося
над переходным этажом (рис. 8.1.52)Горизонтальные трещины возникают на месте проемов и на поперечных
стенах-диафрагмах, расположенных над переходными балками 11-го этажа в
нижних сечениях 12-го и 13-го этажей. Горизонтальные трещины также возни¬
кают в поперечных и продольных стенах-диафрагмах с 12-го по 14-й этажи,
расположенных над переходными балками. В перекрытии 14-го этажа возника¬
ют наклонные трещины.263
264Рис. 8.1.52. Картина трещинообразования стен-диафрагм, расположенных над переходным этажом
Результаты экспериментаA.	Влияние ускоренияПри приложении к модели здания А сейсмических волн малой интенсив¬
ности ускорение с 1-го по 26-й этажи изменяется по линейному закону. Одна¬
ко ускорение верхних этажей модели при больших колебаниях более значи¬
тельно.При приложении к модели здания В сейсмических волн малой интенсивно¬
сти ускорение конструкции с 1-го по 19-й этажи изменяется также по линейно¬
му закону, выше 19-го этажа здание разделяется на две башни, и в процессе ко¬
лебания по направлению х и по направлению у ускорение быстро увеличивает¬
ся, имеются явные крутящие моменты, и с увеличением ускорения крутящий
момент также увеличивается.Б. При приложении к зданиям А и В по осям х и у малых сейсмических воз¬
действий диаграмма перемещения имеет изгибно-сдвиговую форму.B.	В процессе проведения экспериментальных исследований модели зда¬
ния и введения сейсмических волн при постепенном повышении ускорения в
разных местах элементов модели возникают трещины.При малых землетрясениях в стенах-диафрагмах 1-го этажа возникает мно¬
го наклонных трещин. В нижней части колонны, поддерживающей переходные
балки 2-го этажа, и в колонне 11-го этажа возникают нормальные трещины.Экспериментальные исследования модели показали, что ширина раскрытия
трещин пяти стволов незначительна, что доказывает достаточность проектного
армирования.Выводы и рекомендации по проектированиюНа основе результатов экспериментальных исследований модели с исполь¬
зованием виброплиты и исследований характеристик собственных колебаний
модели (период, частота, затухание колебаний), динамического эффекта и ре¬
альной картины трещин при действии трех сейсмических волн можно полагать,
что сейсмические требования удовлетворяются для строительных площадок II
типа и балльности 7.Проведение эксперимента позволило обнаружить ослабленные сечения и
сформулировать рекомендации по проектированию аналогичных объектов.A.	Экспериментальные колебания модели показали, что трещины пяти
стволов незначительны, стволы находятся в средних частях здания, уровень
сейсмостойкости их повышается со 2-го до 1-го, установка контурных элемен¬
тов снизу доверху является эффективным усиливающим мероприятием.Б. Ослабленные сечения сосредоточены в конструкциях, расположенных
над переходным этажом, и в крайних колоннах 13-го и 14-го этажей. Рекомен¬
дуется увеличивать сечение колонн с 13-го по 16-й этаж и повысить процент их
армирования. Если сечение нельзя увеличивать, рекомендуется применять же¬
лезобетонные колонны с жесткой арматурой.B.	Размер сечения и армирование поперечных стен главной несущей конст¬
рукции здания рекомендуется увеличивать. В то же время можно соответствен-265
но увеличить количество поперечных стен-диафрагм, поперечных и продоль¬
ных стен 2-го этажа над переходным этажом.Г. Стены с большими отверстиями в нижней части здания необходимо уси¬
лить. Толщину стен фасада с 500 мм в нижней части можно постепенно умень¬
шать до 360 мм и 240 мм в верхней части. При сейсмических воздействиях в
стенах по фасадам возникает много поперечных и горизонтальных трещин. Фа¬
садные стены воспринимают большие усилия от момента поперечного направ¬
ления (х) и одновременно большие усилия от крутящего момента. В связи с
этим необходимо увеличивать толщину стен фасада и его армирование.Д. В местах проемов выше 19-го этажа стены проемов и перекрытия над
ними необходимо усиливать.Е. Стены в углах стилобата воспринимают большой крутящий момент, в
результате чего при сейсмических воздействиях в этих местах возникает много
наклонных трещин, и при проектировании эти стены необходимо усиливать.Ж. Необходимо увеличивать поперечные жесткости в направлении у, пра¬
вой башни здания В.8.1.3. Разрушение зданий со стенами-диафрагмами при
сейсмических нагрузках•	Основные положенияС 70-х годов XX века произошло много крупных землетрясений, например
в 1979 году в Centro (США), в 1995-м в Osaka-Kobe (Япония) и др., которые
показали, что вертикальные конструкции стен-диафрагм из-за неправильного
проектирования получали серьезные повреждения или обрушались при сейс¬
мических воздействиях.В этом параграфе из большинства сейсмических бедствий выбрано девять
типичных примеров и на основе обобщения опыта даны рекомендации по про¬
ектированию вертикальных конструкций стен-диафрагм.•	Реальные примеры сейсмических бедствий и выводыГлавный корпус больницы Holy Cross (США)Конструкция зданияГлавный больничный корпус Holy Cross в наземной части имеет семь эта¬
жей, подвал является 1-м этажом, основание здания свайное. Конструкция со¬
стоит из каркаса и стен-диафрагм, горизонтальные нагрузки воспринимаются
железобетонными стенами-диафрагмами, колонны рассчитываются только на
вертикальные нагрузки. По фасадам здания расположены стены-диафрагмы
толщиной 203 мм, по оси Е и N расположены вертикальные конструкции стен-
диафрагм; стены, опирающиеся на балки перекрытий, передают усилия на пе¬
рекрытие.Каркас состоит из железобетонных колонн размером сечения 405x813 мм.
Перекрытие состоит из системы балок высотой 356 мм и шириной 180 мм,
средний шаг между балками 950 мм, толщина плиты перекрытия 76 мм. Конст¬266
рукции перекрытий выполнены из легкого бетона прочностью 34,5 МПа. Сте-
ны-диафрагмы и колонны выполнены из тяжелого бетона (34,5 МПа). Наруж¬
ные стены и перегородки - из легкого бетона прочностью 20,7 МПа. расчетное
сопротивление арматуры 138 МПа. Конструктивные схемы и картина трещино¬
образования приведены на рис. 8.1.53-8.1.55. Конструктивные планы с 4-го по
7-й этажи аналогичны плану 3-го этажа. Степень разрушения перекрытий по
этажам с увеличением высоты уменьшается, перекрытия 7-го этажа не разру¬
шились вообще.Сейсмические повреждения конструкцийВ 1971 году в США произошло землетрясение мощностью 6,4 балла. Мак¬
симальное ускорение движения поверхности земли составляло 0,4-0,5g. Ос¬
новные повреждения здания после этого землетрясения следующие.1.	По оси Е здания расположены стены-диафрагмы, дискретно связанные
с перекрытиями 2-го и 3-го этажей (рис. 8.1.53). Таким образом, осуществля¬
ется передача горизонтальных сил на перекрытия 2-го, 3-го, 4-го этажей. Пе¬
рекрытия этих этажей воспринимают значительные усилия, и между осями Е
и F возникают серьезные трещины (рис. 8.1.54, 8.1.55). В стенах-диафрагмах
на 2-м, 3-м, 4-м этажах по оси Е также возникли трещины (рис. 8.1.56). Раз¬
рушились колонны 3-го этажа по осям Е/10 и Е/11. По оси Е/12 разрушились
колонны 1-го этажа.Рис. 8.1.53. План 1-го этажа главного корпуса больницы Holy Cross267
Рис. 8.1.54. План 2-го этажа главного корпуса больницы Holy Cross и схема расположе¬
ния трещин перекрытийРис. 8.1.55. План 3-го этажа главного корпуса больницы Holy Cross и схема расположе¬
ния трещин перекрытий268
Рис. 8.1.56. Разрез стены по оси Е
(больница Holy Cross)Рис. 8.1.57. Разрез стены по оси N
(больница Holy Cross)2.	Стены-диафрагмы по оси N3-го	этажа здания соединены с пере¬
крытиями дискретно, разрушены сте-
ны-диафрагмы на 4-м этаже, раздроб¬
лен бетон колонн, сломаны хомуты,
места соединения продольных арма¬
турных стержней внахлестку разо¬
шлись (рис. 8.1.57, 8.1.58).3.	В продольных стенах-диафраг-
мах здания возникли Х-образные на¬
клонные трещины (рис. 8.1.59).4.	В колоннах возникли наклон¬
ные трещины, которые на 2-м, 3-ми4-м	этажах особенно серьезны, а вы¬
ше 4-го этажа уменьшаются (рис.
8.1.56). Продольные балки внешнего
каркаса обрушились, бетон колонн
выкрошен, армутура заметно изогну¬
та, особенно на 3-м этаже.Рис. 8.1.58. Разрушение южной части
стены-диафрагмы по оси N на 4-м этаже269
Рис. 8.1.59. Состояние трещин продольных стен-диафрагм по оси 10 (больница HolyCross)Выводы1.	Стены-диафрагмы установленные на обрезах фундаментов и западные
стены-диафрагмы под перекрытиями 2-го и 3-го этажей по оси Е имеют дис¬
кретное расположение, что повышает сейсмостойкость колонн здания.2.	На этажах, где стены-диафрагмы оси Е и оси N дискретны, и не установ¬
лены переходные балки с достаточной прочностью; где толщина перекрытия
(76 мм) и его армирование недостаточны; на переходном этаже и на двух эта¬
жах выше него возникли трещины от среза. Кроме того, над переходным эта¬
жом некоторые колонны и стены-диафрагмы разрушились.3.	В продольных стенах-диафрагмах здания возникают Х-образные на¬
клонные трещины. Поперечного армирования стен-диафрагм недостаточно,
вследствие этого южная часть стены-диафрагмы по оси N серьезно разруши¬
лась. Отношение высоты к длине неразрезных балок мало.4.	При проектировании колонны здания рассчитывались только на верти¬
кальные нагрузки, при землетрясении в стенах-диафрагмах возникли значи¬
тельные трещины, а колонны средней части по оси Е воспринимали большие
поперечные силы и момент. В результате этого возникли трещины от среза, не¬
которые колонны серьезно разрушились.5.	Перекрытия были выполнены из легкого бетона, в стенах-диафрагмах и
колоннах использован тяжелый бетон. Легким бетоном с низкой прочностью
замоноличены участки между стенами-диафрагмами и колоннами. Это явилось
одной из причин разрушения перекрытий.Административное здание (ICSB)Характеристика зданияСтроительство здания ICSB (Impertiel CountyServices building) завершено в
1971 году. Наземная часть имеет шесть этажей, основание свайное, высота зда¬
ния 24,87 м, высота 1-го этажа 4,42 м, высота 2-5-го этажей - 4,11 м, высота 6-
го этажа составляет 4,01 м. Длина здания 41,71 м, ширина 22,86 м (рис. 8.1.60).270
Рис. 8.1.60. План здания ICSB:1 - сборные железобетонные плиты; 2 - балки; 3 - колонны; 4 - монолитное балочное перекрытиеВ поперечном направлении пространственную жесткость обеспечивают
железобетонные стены-диафрагмы, в продольном - каркасные конструкции.
Шаг колонн каркаса составляет 7,62 м, размер сечения колонн 610x610 мм,
размер сечения балок каркаса внутренней части - 610x760 мм, размер сечения
балок каркаса наружной части - 610x740 мм (1-й этаж), 255x1270 мм (2-5 эта¬
жи), 255x1270 мм (6-ой этаж). Толщина перекрытия 125 мм - для 2-го этажа, 75
мм - для перекрытий с 3-го по 6-й этаж.В пределах 2-6-го этажей с обоих торцов здания установлены стены-
диафрагмы. Их толщина для 2-го этажа-190 мм, толщина стен 3-6-го этажей
составляет 178 мм (рис. 8.1.60). На 1-м этаже установлены четыре короткие
стены-диафрагмы, толщина которых 305 мм. Принято бетонное свайное осно¬
вание, между сваями располагаются железобетонные балки.Сейсмические повреждения конструкций15 октября 1979 года в южной части США произошло землетрясение EL-
Centro мощностью 6,4 балла. На расстоянии 103 м восточнее здания зафикси¬
ровано максимальное ускорение движения поверхности 0,213g (поперечное
направление), 0,236g (продольное направление).По оси G четыре колонны 1-го этажа разрушились, причем разрушения
крайних колонн были серьезнее, чем двух средних колонн. Стены-диафрагмы и
перекрытия не получили явных разрушений.В нижней части колонн 1-го этажа были предусмотрены усиленные хому¬
ты, но высота области усиления была принята только до перекрытий 1-го эта¬
жа. Поэтому разрушение четырех колонн сосредоточено именно на уровне пе¬
рекрытий 1-го этажа.В поперечном направлении здание выдерживало максимальное ускорение
движения поверхности только 0,213g. Если бы землетрясение было сильнее, то
колонны 1-го этажа могли обрушиться, в перекрытиях 2-го этажа также могли
возникнуть серьезные разрушения.271План 1-го этажаПлан 2-5-го этажей
Выводы1.	Здание имеет простую симметричную конструкцию, исключением явля¬
ются стены-диафрагмы 1-го этажа. Крайние стены-диафрагмы установленные
на 2-6-м этажах на 1-м этаже отсутствуют, это является неблагоприятным ре¬
шением и не обеспечивает передачу поперечной силы. Жесткость и прочность
поперечного направления здания мгновенно уменьшаются.2.	Расположение четырех коротких стен-диафрагм 1-го этажа несиммет¬
ричное. На восточной стороне четыре колонны 1-го этажа расположены от края
стены-диафрагмы на расстоянии 7,62 м. Поперечные силы от нагруженных
стен-диафрагм передаются на внутренние стены-диафрагмы. Плечо передачи
поперечной силы - 9,42 м. Таким образом, четыре колонны 1-го этажа восточ¬
ной стороны воспринимают определенные поперечные силы, а также воспри¬
нимают момент опрокидывания от верхней части здания и вертикальные на¬
грузки. И наоборот, стены-диафрагмы 1-го этажа западной стороны установле¬
ны между двумя колоннами, плечо передачи поперечной силы верхних стен-
диафрагм короткое - 1,8 м. Момент опрокидывания верхней части здания и вер¬
тикальные нагрузки могут восприниматься короткими стенами-диафрагмами и
колоннами (рис. 8.1.61). Колонны, поддерживающие верхние стены-диафрагмы
восточной стороны, при землетрясении серьезно разрушились, а колонны с за¬
падной стороны не получили серьезных повреждений.Восточная сторонаОпрокиды¬вающиймоментЗападная сторонаЗападнаясторонаРис. 8.1.61. Передача момента опрокидывания и поперечной силы
в стенах-диафрагмах с восточной и западной стороны здания272Опрокиды¬вающиймоментВосточнаясторонаПоперечная сила
Жилой дом НАКонструкция зданияЗдание находится в Японии, строительство завершено в 1988 году, назем¬
ная часть имеет 10 этажей, на 1-м этаже располагается стоянка, 2-10-й этажи
являются жилыми. Основание здания свайное. Здание квадратное в плане, вы¬
сота составляет 29,75 м, ширина 8,5 м, суммарная длина 33 м, по продольно¬
му направлению расположено шесть квартир, шаг колонн 5,5 м (рис. 8.1.63). В
поперечном направлении пространственная жесткость здания со 2-го по 10-й
этаж обеспечивается стенами-диафрагмами, расположенными по каждой оси.
На 1-м этаже по осям XI, ХЗ, Х5 установлены V-образные раскосы, по оси
Х7 - стены-диафрагмы, по другим трем осям (Х2, Х4, Х6) - каркасные опоры.
Вертикальный разрез конструкции пока¬
зан на рис. 8.1.64. В продольном направ¬
лении пространственная жесткость обес¬
печивается рамными конструкциями.Сейсмические повреждения конст¬
рукцииВ результате землетрясения в Японии
в 1995 году были повреждены конструк¬
ции 1-го этажа здания, выше 2-го этажа
повреждений не зафиксировано. По осям
Х2, ХЗ, Х4, Х5 средней части 1-го этажа в
верхней части колонн рабочая арматура
потеряла устойчивость (рис. 8.1.62).В поперечном направлении выше 2-го
этажа установлены стены-диафрагмы с
большей жесткостью, поэтому колонны
каркаса 1-го этажа воспринимали боль¬
шие нормальные усилия от момента оп¬
рокидывания, что привело к потере ус¬
тойчивости рабочей арматуры верхней
части колонн.Выводы1.	Сейсмическое проектирование этого объекта более рационально. На 1-м
этаже только по трем осям установлены рамные опоры, по остальным осям -
раскосы или стены-диафрагмы, что незначительно изменило вертикальную же¬
сткость конструкции.2.	Установлением на 1-м этаже V-образных раскосов можно повышать вер¬
тикальную жесткость и способность сопротивления поперечным силам, но
нельзя уменьшить осевые сжимающие и растягивающие силы от момента оп¬
рокидывания. При землетрясении эти силы приводят к растяжению рабочей
арматуры верхней части колонны каркаса с раскосами.Рис. 8.1.62. Повреждение колонны
1-го этажа273
Рис. 8.1.63. План 2-го этажа жилого дома НАРис. 8.1.64. Вертикальный разрез жилого дома НА274
Жилой дом А (Япония)Основные положенияЗдание находится в средней части Японии, строительство завершено в 1965
году, наземная часть имеет 10 этажей и подвал. На 1-3-м этажах размещены
магазины и офисы, с 4-го по 10-й этажи расположены жилые помещения. Вос¬
точная и западная части здания разделены температурным швом, план здания
приведен на рис. 8.1.65. Высота здания составляет 30,4 м, высота 1-го этажа 4,0
м, 2-го - 3,3 м, 3-го - 3,8 м, 4-10-го этажей - 2,7 м.В здании принят железобетонный каркас со стенами-диафрагмами.Рис. 8.1.65. План жилого дома А (Япония)Сейсмические повреждения конструкцииВ 1995 году в Японии произошло землетрясение, в результате которого
произошло обрушение 3-го этажа средней части здания, степень повреждения
колонн по осям 7-11 - V уровня (обрушение или серьезные деформации), сте¬
пень повреждения колонн по другим осям колеблется от I до IV уровня (рис.
8.1.66). Степень повреждения 4-9-го этажей - IV. Серьезные разрушения на¬
блюдались в месте температурного шва (рис. 8.1.67). Восточная часть здания не
обрушилась.275Западнее зданиеПлан 4-10 этажейВосточное зданиеУсадочныйшовЗападнее зданиеЗападнее зданиеПлан 1-го этажаВосточное зданиесеверВосточное зданиеПлан 2-3 этажейУсадочныйшовУсадочныйшов
Рис. 8.1.66. Уровень повреждения колонн 3-го этажаРис. 8.1.67. Обрушение 3-го этажаВыводыГлавная причина серьезных разрушений западной части здания - эксцен¬
триситет жесткости. На западной части здания жесткость нижних этажей (1-3-
й этажи) меньше жесткости верхних этажей (4-10-й этажи). Расположение
стен-диафрагм, поддерживаемых колоннами и балками, создало серьезный экс¬
центриситет. В западной части западного здания установлено много стен-
диафрагм на 1-м этаже, а на 1-3-м этажах восточной части установлено пять
стен-диафрагм, поддерживаемых колоннами. Поэтому эксцентриситет этажей,
которые поддерживаются колоннами и балками, большой. В результате этого
при землетрясении возникает значительный крутящий момент, вызывающий
разрушение ослабленных колонн. В табл. 8.1.8 показаны расчетные эксцентри¬
ситеты разных этажей западного здания. Из таблицы видно, что эксцентрисите¬
ты 1-3-го этажей намного больше эксцентриситетов 4-10-го этажей. Эксцен¬
триситет жесткости восточного здания маленький, поэтому в восточном здании
возникло среднее разрушение (подробно см. рис. 8.1.9).При проектировании конструкции стен-диафрагм, поддерживаемых колон¬
нами и балками, кроме регулирования жесткости еще необходимо регулировать
степень эксцентриситета жесткости.276
Таблица 8.1.8Эксцентриситет и величина жесткости западной части зданияЭтаж^-направление (продольное направление)У-направление (поперечное направление)эксцентриситетсоответственная
величина жесткостиэксцентриситетсоответственная
величина жесткости100,1010,640,1300,9790,0540,620,0690,8780,0230,620,0790,8570,0040,630,0890,8560,0120,680,0900,8950,0340,730,0980,9340,0190,850,0361,0530,1541,270,7150,9820,2171,470,9981,0110,2292,490,7551,62Таблица 8.1.9Эксцентриситет восточной части зданияЭтаж^-направление (продольное направление)У-направление (поперечное направление)эксцентриситетэксцентриситет100,1780,43490,0770,53880,0700,54470,0650,55560,0590,56250,0460,55240,0910,58730,0900,82020,0120,66310,0140,347Жилой дом WAKO-REBIAКонструкция зданияЗдание находится в Японии, строительство завершено в 1994 году, назем¬
ная часть имеет семь этажей, на 1-м этаже расположена стоянка, 2-7-й этажи
являются жилыми. Планы этажей здания показаны на рис. 8.1.68, разрез по оси
XI-Х4 приведен на рис. 8.1.69.В поперечном направлении железобетонный каркас выполнен из стен-
диафрагм. Стены-диафрагмы 2-7-го этажей идут только до перекрытий 2-го
этажа. На 1-м этаже установлена только одна короткая стена-диафрагма. В про¬
дольном направлении пространственная жесткость обеспечивается железобе¬
тонными конструкциями каркаса.277
Рис. 8.1.69. Разрез по оси XI-Х4Сечения колонн 1-го этажа: Cl, С2, С8-С11 850x850 мм, СЗ - 600x800 мм,
С4 - 600x600 мм, С5 - бООх 1200 мм, С6 - 800x850 мм, С7 - 1300x650 мм.Сейсмические повреждения конструкцииВ 1995 году в Осака-Кобе произошло землетрясение. Первый этаж серьез¬
но разрушился, все колонны переместились в северном направлении и получи¬
ли большие осадочные перемещения (рис. 8.1.70). Из рисунка видно, что ко¬
лонны переместились в северном направлении на 16-30 см и их осадка достиг¬
ла 30-50 см; все колонны южной части получили осадку 9-13 см. Нижняя и
верхняя часть колонн 1-го этажа серьезно разрушилась, степень повреждений
достигла V уровня (обрушение конструкций). На рис. 8.1.71 и 8.1.72 показано
разрушение колонн СЗ и С8. Единственная короткая стена-диафрагма 1-го эта¬
жа серьезно разрушилась (рис. 8.1.73). Балки 1-го этажа и перегородки лест¬
ничной клетки также разрушились.278Рис. 8.1.68. Планы зданияПлан 2-7-го этажейПлан 1-го этажа
Пол 2-го этажа накренился, на стенах-диафрагмах по оси Х2 появились на¬
клонные трещины. Балки и колонны 2-го этажа почти не получили повреждений.Рис. 8.1.70. Деформация колонн 1-го этажа
после землетрясенияРис. 8.1.71. Состояние колонны
С8. после землетрясенияРис. 8.1.72. Верхняя часть колонны С8
1-го этажаРис. 8.1.73. Колонна СЗ и короткая
стена-диафрагма 1-го этажаВыводыНа 1-м этаже имеется только одна стена-диафрагма, на верхних этажах ус¬
тановлены стены-диафрагмы поперечного направления, поэтому жесткость 1-го
этажа по сравнению с верхним этажом намного меньше. Несмотря на то, что
колонны 1-го этажа рассчитываются с учетом сейсмичности площадки строи¬
тельства, их сейсмостойкость и способность к неупругому деформированию
еще недостаточны. Короткая стена-диафрагма на 1-м этаже установлена со
смещением по отношению к верхним стенам-диафрагмам, ее жесткость и на¬
груженность по сравнению с верхними длинными стенами-диафрагмами соот¬
ветственно меньше. Такие слабые стены-диафрагмы, поддерживаемые колон¬
нами и стенами, нежелательны для зданий в сейсмически опасных районах.279Верхнее число: горизонтальное перемещение (см)
Нижнее число: величина вертикальной осадки (см)
Здание FYОсновные положенияЗдание FY находится в сейсмическом районе Японии, строительство за¬
вершено в 1986 году. Наземная часть имеет семь этажей, высота здания 19,65 м,
подвал отсутствует, основание свайное.Здание в продольном направлении имеет разную этажность: по осям F-G -
3 этажа, по осям E-F - 4 этажа, по осям D-E — 6 этажей, по осям А-D - 7 этажей
(рис. 8.1.74).Рис. 8.1.74. Разрез в продольном направлении здания FYНа 1-м этаже располагаются магазины, склады и офисные помещения, в
части 2-го этажа также располагаются магазины и офисные помещения, 2-7-й
этажи являются жилыми. Здание квадратное в плане, в продольном направле¬
нии разделяется на шесть секций, длина каждой секции 6,3 м, суммарная длина
здания 37,8 м (рис. 8.1.75).В продольном направлении пространственная жесткость обеспечивается же¬
лезобетонными рамными конструкциями. В поперечном направлении выше 2-го
этажа от оси А до оси G установлены железобетонные стены-диафрагмы. По осямВ,	F, G на 2-м этаже и осям А, В, D, F, G на 1-м этаже стен-диафрагм нет. В попе¬
речном направлении в здании семь осей, среди них вдоль пяти осей установлены
стены-диафрагмы, поддерживаемые колоннами и стенами, и только вдоль двух
осей (С, Е) установлены стены-диафрагмы. Разрез здания показан на рис. 8.1.76.280
Рис. 8.1.75. План 2-го этажа FY зданияРис. 8.1.76 (начало). Разрез здания FY281
Рис. 8.1.76 (продолжение). Разрез здания FYСейсмические повреждения конструкцииКолонны 1-го этажа по оси А серьезно разрушились, в верхней и нижней
частях колонн бетон разрушился, хомуты отсоединились, главные балки изо¬
гнулись. Картина разрушения колонн южной стороны здания показана на рис.
8.1.77. Картина разрушения колонн северной стороны показана на рис. 8.1.78.Выводы1.	В поперечном направлении в здании семь осей; стены-диафрагмы только
по средним осям С и Е опираются на фундамент, по остальным пяти осям сте¬
ны-диафрагмы поддерживаются колоннами и балками. Передача поперечной
силы, жесткость и нагруженность конструкций 1-го и 2-го этажей различны.
При сейсмических воздействиях опрокидывающий момент от верхних стен-
диафрагм передавался на колонны 1-го и 2-го этажей, в результате чего возник¬
ли большие осевые растягивающие и сжимающие силы. Поперечные силы от
верхних стен-диафрагм не могут полностью быть восприняты стенами-диафраг-
мами 1-го этажа. Следовательно, нижние колонны воспринимают определенные282
Рис. 8.1.77. Разрушение колон¬
ны 1-го этажа по оси А южной
части здания FYпоперечные силы. Западная сторона по оси А имеет семь этажей, здесь две ко¬
лонны 1-го этажа воспринимают максимальные усилия, в них возникают наи¬
более серьезные разрушения.Б. В связи с различной этажностью здания в продольном направлении: в
западной части - семь этажей, в восточной части - три этажа, большой крутя¬
щий момент по оси А западной части ускорил разрушения колонн каркаса по
оси А.Офисное здание М 11Конструктивные особенностиЗдание находится в г. Осака, строительство завершено в 1965 году, назем¬
ная часть имеет восемь этажей, подземная часть - два этажа, высота здания
31,0 м. Здание имеет в плане квадратную форму (рис. 8.1.79).В здании приняты железобетонные стены-диафрагмы, на колоннах каркаса
установлены уголки. Такие SRC-колонны при землетрясении в г. Осака серьез¬
но разрушились. Стены-диафрагмы этого здания в вертикальном направлении
смещены и расположены в плане с эксцентриситетом. Стены-диафрагмы 1-го и2-го этажей расположены на северной (оси Е, D) и восточной стороне (ось 3)
(см. рис. 8.1.79). На 3-м этаже стен-диафрагм больше всего, и они расположены
по осям Е, D северной стороны и по осям 2, 3 продольного направления (рис.
8.1.80). На 4-м этаже и выше стен-диафрагм мало и установлены они только по
осям Е и D северной стороны поперечного направления (рис. 8.1.81). Размеры
сечения колонн следующие: часть 2-го этажа 950x950 мм, подземная и назем¬
ная части 1-го этажа - 900x900 мм, 2-й этаж - 850x850 мм, 3-й и 4-й этажи -
800x800 мм, 5-й и 6-й этажи - 750x750 мм, 7-й и 8-й этажи - 700x700 мм, вы¬
ступающая часть вершины здания - 600x600 мм.283Рис. 8.1.78. Разрушение колонны 1-го этажа по оси А
северной части здания FY
Рис. 8.1.80. План 3-го этажа284Рис. 8.1.79. План Ьго этажа
Сейсмические повреждения конструкцийНа 4-м этаже обрушились стены-диафрагмы юго-западной части и колонны
северной части (рис. 8.1.82). На 5-8-м этажах на стенах-диафрагмах появились
наклонные трещины, а на колоннах трещины от среза. Нижняя часть колонн
раздроблена, много колонн серьезно разрушились. Между 7-м и 8-м этажами по
осям 3 и 4 в перекрытиях появились большие трещины. В подвале до 3-го эта¬
жа нет явных разрушений конструкции.285Рис. 8.1.81. План 4-го этажаВыводыРасположение стен-диафрагм этого здания несимметрично, особенно с 4-го
этажа. Жесткость этажа, эксцентриситет жесткости и жесткость кручения резко
изменяются. Это привело к тому, что 4-й этаж обрушился, а 5-8-й этажи серьезноРис. 8.1.82. Обрушение большей части 4-го
этажа зданияРис. 8.1.83. Крутильная жесткость
разрушились. На рис. 8.1.85 показано расчетное расположение жесткости на кру¬
чение по высоте этажей. Из рисунка видно, что жесткость на кручение 4-го этажа
резко уменьшается, а эксцентриситет жесткости 4-го этажа резко увеличивается,
что и привело к обрушению. При проектировании дискретных конструкций стен-
диафрагм в вертикальном направлении нужно обращать внимание не только на
жесткость нижнего этажа (3-й этаж), но и на то, что жесткость верхнего этажа
нельзя резко уменьшать по отношению к жесткости нижнего этажа. Также нельзя
резко увеличивать эксцентриситет жесткости всего здания.Продольное направление
Поперечное направлениеРис. 8.1.84Продольное направление
Поперечное направлениеРис. 8.1.85ЗданиеSКонструкция зданияЗдание находится в г. Кобе (Япония),
строительство завершено в 1993 году. На¬
земная часть имеет четыре этажа, на 1-м
расположена стоянка, 2-4-й этажи являют¬
ся жилыми (рис. 8.1.86). Здание имеет пря¬
моугольную форму в плане. Шаг несущих
конструкций в поперечном направлении
4,5 м, в продольном - 5,0 м. Конструктивно
здание представляет собой железобетонный
каркас со стенами-диафрагмами. На 2-4-м
этажах установлены стены-диафрагмы и
перегородки, на 1-м этаже только в про¬
дольном направлении установлены стены-
диафрагмы. Размер сечения колонн 1-го
этажа составляет 650x650 мм, рабочая арма¬
тура 12022, хомуты 2012 с шагом 100 мм.Рис. 8.1.86. Фасад западной стороныздания S286Эксцентриситет ReЭтажЖесткость этажа RsЭтаж
Рис. 8.1.87. Разрушение колонн
1-го этажа здания SСейсмические повреждения конструкцииРазрушение сосредоточено на 1-м этаже, на 2-м и выше наблюдались не¬
большие повреждения и наклонные трещины только в перегородках. Колонны
1-го этажа разрушились, особенно серьезно с западной и южной сторон: края
колонны раздробились, хомуты лопнули, рабочая арматура изогнулась. Сте-
ны-диафрагмы восточной стороны 1-го этажа разрушились. Здание накрени¬
лось в западном направлении. На рис. 8.1.87 и 8.1.88 показаны картины раз¬
рушения колонн 1-го этажа.Выводы1.	На 1-м этаже здания только на восточной стороне были установлены
стены-диафрагмы. В результате этого колонны на западной стороне серьезно
разрушились, а здание накренилось в западном направлении.2.	В поперечном направлении на 1-м этаже не установлены стены-диа-
фрагмы и поперечные силы от землетрясения воспринимаются колоннами.
Кроме этого, выше 2-го этажа стен в здании больше, следовательно, и жест¬
кость больше. Из-за этого возникает большой опрокидывающий момент, ко¬
лонны воспринимают значительные осевые растягивающие и сжимающие си¬
лы, ускоряющие разрушение.Главный корпус больницы Olive ViewКонструкция зданияСтроительство главного корпуса больницы OliveView завершилось в 1971
году, перед землетрясением здание не эксплуатировалось. Здание имеет шесть
этажей, на 1-м этаже расположен стилобат, 2-6-й этажи типовые (рис. 8.1.90,
рис. 8.1.91).287Рис. 8.1.88. Разрушение колонн 1-го этажа здания S
Рис. 8.1.89. Главный корпус больницы OliveViewРис. 8.1.90. План 1-го этажа и основания (главный корпус больницы OliveView)288чердаккрышачердаккрышанасыпной грунт
Рис. 8.1.91. План типового этажа (главный корпус больницы OliveView):1 - лестница; 2 - лифт; 3 - проем; 4 - шов 102 мм; 5 - железобетонная стена; 6 - капитель колонныСейсмические повреждения конструкцийНа 1-м и 2-м этажах колонны серьезно разрушились, хомуты лопнули, ра¬
бочая арматура изогнулась (рис. 8.1.92). У колонн со спиральными хомутами
(косвенное армирование) отслоился только бетон с поверхности, центральный
же бетон остался неповрежденным (рис. 8.1.93). Разрушились стыки крайних
колонн с балками (рис. 8.1.94).На 2-м этаже максимальное перемещение достигло 710 мм. Среднее пере¬
мещение здания составило 380 мм (рис. 8.1.95).В стенах-диафрагмах 3-го этажа образовались наклонные трещины (рис.
8.1.96). Такие же трещины возникли в простенках 3-го этажа (рис. 8.1.97).289