автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность несущих элементов железобетонных каркасных зданий при сейсмических воздействиях

На правах рукописи

ЭНДОРЖ БОР

ПРОЧНОСТЬ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность .23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 20¡2

Улан-Удэ —2012

005018431

Работа выполнена в Монгольском государственном университете науки и технологии (г. Улан-Батор)

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Гончиг Базар

Официальные оппоненты - Морозов Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», зав. кафедрой «Железобетонные и каменные конструкции»; Баранников Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, ген. директор ООО «Востокпромпроект», г.Улан-Удэ Ведущая организация - ФГУП «НТЦ по сейсмостойкому строительству и инженерной защите от стихийных бедствий» Минрегион-развития РФ (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «26» апреля 2012 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при ВосточноСибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан . «24» марта 2012 г.

Ученый секретарь ^у/

диссертационного совета ^г"' Урханова Лариса Алексеевна

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Ежегодно на земном шаре происходит свыше 300 тыс землетрясений, большинство из которых, к счастью, имеет небольшую силу или проявляется в ненаселенных районах. Однако некоторые очаги сильных землетрясений располагаются близко к населенным пунктам. В этом случае происходят большие повреждения и обрушения недостаточно прочных сооружений.

Одной из важных задач сейсмостойкого строительства является разработка методов расчета зданий и сооружений, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным сейсмическим воздействиям.

В настоящее время расчет зданий и сооружений на действие сейсмических нагрузок производится в соответствии со СНИП П-7-81*, в основу которых заложено упругое деформирование конструкций с введением некоторых обобщенных корректив, учитывающих податливость систем и образование пластических шарниров. Расчет прочности элементов производится по предельным усилиям, воспринимаемым элементом в нормальных, наклонных и пространственных сечениях. При этом вводятся специальные коэффициенты условий работы, учитывающие особенности сейсмического воздействия. Поэтому весьма актуальным и своевременным является разработка новых усовершенствованных методов расчёта сейсмостойкости, наиболее правильно отражающих поведение зданий при землетрясениях, обеспечивающих большую надежность и в то же время экономичность проектных решений.

В связи с этим актуальной является разработка методов расчета наиболее нагруженных элементов несущих систем каркасных железобетонных зданий, позволяющих обеспечить живучесть зданий на всех стадиях деформирования после разрушения одной колонны.

Степень разработанности проблемы

Исследованиями сейсмостойкого стройтельства, разработкой методов расчета зданий и сооружений, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным сейсмическим воздействиям, занимались такие ученые , как Я.М. Айзенберг,

М.У. Ашимбаев, И.К.Белобров, Ю.И.Пузанков, А.А.Беспаев, А.Т.Тастанбеков, Дж.Борджес, А.Равара, А.А. Гвоздев, И.И.Гольденблат, БЛ.Гудков, Л.Ш.Килимник, А.П.Кириллов, И.Т.Мирсаяпов, И.Л.Корчинский, А.А. Веселов и др.

Первые расчетные методы на прочность и устойчивость зданий и сооружений на сейсмические нагрузки и воздействия были разработаны такими учеными как И.Т. Мирсаяпов,

A.А.Воронов, А.Г. Назаров, С.В.Поляков, Г.И.Попов,

B.А.Ржевский., Н.Н.Складнев и др.

Цель диссертационной работы

Разработка методики расчетной оценки НДС и прочности несущих элементов каркасных железобетонных зданий после разрушения одной из колонн, позволяющих обеспечить их живучесть, в рамках развития динамического метода расчета с учетом нелинейности деформирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проведение анализа состояния многоэтажных каркасных зданий

после землетрясений, результатов экспериментальных исследований моделей каркасных зданий и выявление характерных разрушений многоэтажных зданий и их элементов; изучение характера их деформирования и механизмов разрушения при действии знакопеременных циклических нагрузок.

2. Проведение анализа напряженно-деформированного состояния нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента в условиях знакопеременного циклического нагружения на разных стадиях деформирования арматуры.

3. Разработка деформационной модели сжато-изогнутого железобетонного элемента на основе уравнений равновесия внешних и внутренних сил в нормальном сечении, условий деформирования нормальных сечений и аналитических диаграмм деформирования материалов при знакопеременном нелинейном деформировании при действии циклического нагружения сейсмического характера.

4. Разработка методики построения на основе деформационной модели диаграммы деформирования нормального сечения

сжато-изогнутого железобетонного элемента в координатах «Момент - кривизна» при нагрузках сейсмического характера.

5. Проведение проверки достоверности разработанной методики путем сравнения теоретических результатов с данными эксперимента других исследователей.

Научная новизна работы

1 .Разработана деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента, построенная на основе аналитических диаграмм деформирования материалов, при знакопеременном нелинейном деформировании при действии циклического нагру-жения сейсмического характера.

2. Разработана диаграмма деформирования нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном циклическом деформировании в координатах «Момент - кривизна» при нагрузках сейсмического характера.

3. Разработана оригинальная методика расчетной оценки сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий из железобетона на основе деформационной модели сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном нелинейном деформировании несущих элементов.

4. Рассчитаны предельные нагрузки, воспринимаемые системой ригелей над разрушенной колонной, с учетом пространственной работы каркаса. По результатам данных исследований автором была разработана методика расчёта многоэтажных железобетонных здании в условиях Монголии. Примеры расчёта конкретных зданий включены в приложение диссертации.

Практическое значение

Разработанная деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента, адекватно отражающая напряженно-деформированное состояние нормальных сечений элемента при знакопеременном циклическом нагружении, и динамический подход к расчету сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий из железобетона, позволят повысить надежность, а в ряде случаев - и экономичность конструктивных решений зданий.

На основании проведенных расчетно-теоретических исследований разработаны рекомендации для внесения в нормативно-технические документы.

Внедрение результатов работы

Предложенный расчетный аппарат использован при проектировании железобетонных элементов многоэтажных каркасных зданий. Результаты работы использованы при проектировании объектов: «Многоквартирный 9- этажный монолитный железобетонный каркасный жилой дом (г. Улан-Батор, район Хан-уул); «Многоквартирный 16-этажный монолитный железобетонный каркасный жилой дом (г. Улан-Батор, район Баян-зурх), «Пятизвездочная гостиница» (г.Улан-Батор, район Налайх) и другие, а также приняты для дальнейшего использования при проектировании многоэтажных железобетонных каркасных зданий г. Улан-Батор.

Результаты работы внедрены в учебный процесс МГУНТ при изучении студентами строительных специальностей и магистрами направления «Строительство» курса «Железобетонные и каменные конструкции» и специального курса.

На защиту выносятсяг

- деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента, построенная на основе аналитических диаграмм деформирования материалов, при знакопеременном нелинейном деформировании при действии циклического нагружения сейсмического характера;

- диаграмма деформирования нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном циклическом деформировании в координатах «Момент - кривизна» при нагрузках сейсмического характера;

- методика расчетной оценки сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий из железобетона на основе деформационной модели сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном нелинейном деформировании несущих элементов.

Апробации и публикация работы

Основное содержание диссертационной работы обсуждалось:

на научных конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры строительных конструкций и технологии МГУНТ (2001, 2004, 2005-2011гг.);

- на научных семинарах докторантов МГУНТ (2004, 20052010 гг.);

- на международных научно-практических конференциях по исследованиям бетонных и железобетонных конструкций (МНР, г.Улан-Батор, 2005-2009 гг.);

-на международной конференции инженеров-стройтелей «О роли инженеров-строителей в взаимоотношении стройтельства и окружающей среды (Республика Корея, г.Чежу, 2005 г.);

на международной конференции «Меры предупреждения опасности землетрясения, цунами, тайфунов по отношению зданий и сооружений»

(Тайвань, 2006 г.);

- на международной конференции «Меры предупреждения опасности землетрясения, цунами, тайфунов по отношению зданий и сооружений» (Австралия, г.Брисвани, 2009 г.).

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 9 научных публикациях, в том числе в 1 статье в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК МОиН РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы. Общий объем работы - 184 страницы, в том числе 22 рисунка, 2 таблицы.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Во введении работы обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи диссертации, ее научная новизна, приводится информация о практической ценности

В первой главе «Современное состояние теории и практики сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий и их элементов» проведен анализ повреждений несущих конструкций многоэтажных каркасных зданий при реальных землетрясениях, анализ экспериментальных исследований железобетонных эле-

ментов и рамных систем в условиях нагрузок типа сейсмических, обзор теоретических исследований и существующих методов расчета строительных конструкций при сейсмических воздействиях.

По масштабам современной сейсмичности территория Монголии занимает одно из первых мест среди внутриконтинен-тальных сейсмических областей мира. Только в XX в. здесь произошло более 70 сильных землетрясений интенсивностью свыше 7-8 баллов (магнитуда больше 5), из них 10 землетрясений силой 10 баллов и более (магнитуда 7 и выше), сопровождавшихся значительными деформациями земной поверхности и сейсмическими катастрофами.

Наиболее сильные землетрясения - Северо-Хангайское (1905) и Гоби-Алтайское (1957) - вскрыли ранее существовавшие разломы на десятки и сотни километров. По составленной карте сейсмического районирования масштаба 1:2 500 ООО установлено, что западная половина Монголии (особенно горные системы Монгольского и Гобийского Алтая, Хан-Хухэя, Центрального Хангая и Западного Прихубсугулья) наиболее высокосейсмична. Систематические исследования сейсмостойкости строительных конструкций, проводимые в России и за рубежом, позволили разработать методы расчета и конструктивные мероприятия, обеспечивающие необходимый ресурс неразрушимости сооружений.

Опыт оценки происшедших землетрясений показывает, что конструкции сооружений, выполненные без учета сейсмических воздействий, могут иметь значительные повреждения даже при слабых землетрясениях, но могут и остаться неповрежденными при сильных. В силу этих причин необходима гарантия требуемого уровня сейсмовооруженности таких сооружений, с оценкой действительного ресурса неразрушимости, особенно в связи с возможным изменением величины исходного балла.

Это положение особенно характерно для части региона, проходящего по Байкало-Монгольской рифтовой системе для условий строительства ряда крупных промышленных комплексов, развивающихся городов, аймачных и сомонных центров. Ранее был выполнен анализ пространственно-временной и энергетической структуры сейсмичности и напряженно-деформированного состояния литосферы Монголии, осуществ-

ленный на базе данных каталогов и бюллетеней землетрясений Монголо-Байкальского региона (A.B. Ключевский, В.М. Демьянович и Г. Баяр).

Нельзя не отметить, что наиболее важные результаты совместных геофизических, сейсмогеологических и инженерно-сейсмологических исследований связаны с именами выдающихся ученых России и Монголии: Н.Л. Яншина, Б. Лунсанданза-на, H.A. Флоренсева, A.A. Трескова, В.П. Солоненко, Л. Нацаг-Юма, Г. Люшжава, И. Балжиняма, H.A. Логачева, В.М. Кочеткова, С.Д. Хилько, Ю.А. Зорина, О.В. Павлова, Ч. Лхамсу-рэна, М.Г. Демьяновича. Подводя анализ последствий разрушительных землетрясений, можно сделать следующие выводы.

1. Иследования последствий разрушительных землетрясений показывают, что сейсмостойкость зданий во многом определяется прочностью колонн. Колонны в зданиях подвержены одновременному действию различных по характеру и направлению усилий, что и определяет характер их разрушений. Колонны многоэтажных зданий, обладающие достаточно большой гибкостью, подвергаются, главным образом, разрушениям при изгибе и вне-центренном сжатии колонны. При этом горизонтальные несущие элементы каркасных зданий не имеют существенных дефектов, и их несущая способность используется на 50 - 70% (рис. 1).

Рисунок 1 - График распределения интенсивности сейсмических

волн

2. Многоэтажные каркасные здания обладают значительными резервами прочности, связанными с упругопластической работой несущих элементов. Поэтому при оценке сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий для получения достоверных результатов необходимо учитывать возможность появления различных повреждений и остаточных деформаций в элементах конструкции в процессе нагружения, то есть учитывать способность элементов каркаса работать в упругопластической стадии.

3. Сила и направление сейсмических нагрузок зависят от эпицетрального расстояния данных зданий.

Следует отметить, что как в отечественных, так и в международных нормах не даются конкретные указания по динамическому расчету конструкций при сейсмических воздействиях, позволяющих учитывать реальный характер разрушений и реальную работу конструкций в зависимости от конструктивной схемы зданий.

Выполненный анализ современного состояния вопроса позволил сформулировать изложенные выше задачи исследований.

Во второй главе «Напряженно-деформированное состояние несущих элементов многоэтажных каркасных зданий при нагрузках типа сейсмических» рассмотрено напряженно-деформированное состояние нормальных сечений несущих элементов каркасных зданий при знакопеременном малоцикловом нагружении; описана деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента; предложена методика построения расчетных диаграмм деформирования железобетонных сечений в координатах «Момент - кривизна» на основе деформационной модели; исследовано влияние различных факторов на прочность, трещиностойкость и деформативность нормальных железобетонных сечений; представлены диаграммы деформирования бетона, арматуры и методика их трансформирования.

Экспериментальные исследования показывают, что повышение процента армирования в целом ведет к увеличению несущей способности, трещиностойкости и жесткости элементов. Одновременно наблюдается снижение их деформативности. Уменьшение шага поперечных стержней в элементатах,

работающих в условиях знакопеременного динамического нагружения, приводит к росту разрушающей нагрузки, увеличению высоты сжатой зоны бетона, уменьшению количества нормальных и наклонных трещин в приопорных участках элемента, снижению расстояний между трещинами. Прочнось бетона влияет на величину предельных усилий в сжатой зоне сечения элемента, на силы сцепления и начальные усилия в продольной арматуре .

Увеличение прочности бетона ведет к увеличению несущей способности элементов. С повышением прочности бетона трещиностойкость элемента увеличивается незначительно.

При рассматриваемых уровнях знакопеременного нагружения уже на первом полуцикле в растянутой зоне сжато-изогнутого железобетонного элемента возможно возникновение трещин. При действии нагрузки в обратном направлении ранее сжатая зона переходит в зону растяжения, вследствие чего в ней образуются новые трещины, а ранее растянутая - в зону сжатия, которая уже имеет трещины. И в дальнейшем, независимо от направления нагрузки, нормальное сечение элемента работает с трещинами и в нем возможны только напряжения сжатия (рис. 2).

а) _е_

—;-Ч Г—Г ■---'-п 1 1 =с | 1 1

Гг^1 ^ Е1

( '¡и [ТПППгтптгт^

•""•«■111(11

-Ж.

С.А',

IП = I I. 1

N Г)

рвр®"

ТШШГ^-'Г

тггпгППТП

: <7 сА', ,

Рисунок 2 - Напряженно-деформированное состояние нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента на уровне максимальной и минимальной нагрузки цикла: а, б - при работе элемента без трещин

Предлагаемый метод расчета каркасных зданий на сейсмические нагрузки базируется на деформационной модели сжато-изогнутого элемента. На основе этой модели могут быть получены полные диаграммы состояния железобетонного элемента, связывающие усилия (изгибающие моменты) с перемещениями (кривизной), с помощью которых могут рассчитываться статически неопределимые рамы, вплоть до предельного состояния системы (рис. 3).

Рисунок 3 — Полная диаграмма «Момент— кривизна» сжато-изогнутого железобетонного элемента на первом полуцикле нагруже-ния

Разработанные диаграммы деформирования арматуры и бетона при знакопеременном малоцикловом нагружении являются научной новизной данной главы.

В третьей главе «Анализ неупругой работы многоэтажных каркасных зданий при сейсмических воздействиях» проведен анализ неупругой работы многоэтажных каркасных зданий при сейсмических воздействиях; рассмотрены возможные механизмы их разрушения; предложена методика динамического расчета многоэтажного каркасного здания на основе расчетных диаграмм «Момент - кривизна», позволяющая оценить сейсмостойкость здания с учетом перераспределения усилий и последовательности образования пластических шарниров.

Рассмотрим процесс перераспределения усилий и образования пластических шарниров на примере железобетонной балки постоянного сечения, защемленной с одного конца и шарнирно опертой с другого (рис. 4).

Рисунок 4 - Железобетонная бачка, загруженная знакопеременной нагрузкой: а - изменение нагрузки во времени; б - расчетная схема балки на этапе I

С образованием первых трещин в пролете его жесткость уменьшается, и в критических сечениях происходит частичное выравнивание жесткостей. Эпюра моментов получит очертания, близкие к форме, которая соответствует упругой работе балки. При дальнейшем увеличении нагрузки в растянутой арматуре при-опорного участка балки напряжения достигнут предел текучести. Наступает начало образования пластического шарнира. В момент землетрясений перемещения грунта вызывают колебания зданий, .вследствие чего происходит изменение .их напряженно-деформированного состояния и перераспределение усилий.

Уравнение равновесия системы в матричной форме имеет вид:

/ + £> + Я = (1)

где Я=К-У - силы упругости системы;

дУ

П = С--- силы демпфирования;

ді

1 = М ■

д2У ді2

- сила инерции,

где М - диагональная матрица масс; У - .вектор перемещений; дУ

- вёктор скоростей масс;

д2У

ді

— - вектор ускорении масс.

Подставляя данные выражения в уравнения (1), получим:

М

К^2 у,

дУ

+ С- — + К-Г = 0. ді

т

Уравнение колебаний имеет следующий вид:

= (3)

д У дУ М+ С ~ + К-0 = -М ■ ді2 ді

где

д У ді2

= у-

д У

КдЄ ;

вектор ускорении грунта;

горизонтальное ускорений грунта;

д2У

V - вспомогательная матрица столбец;

У^ , У?уг - вертикальное иугловое ускорения грунта;

КиС - матрицы жесткости и демпфирования; Ре# - матрица эффективной нагрузки на раму, вызывающей ее колебания.

Можно считать, что конструкция реагирует на ускорения

грунта

Гд2у\

точно так же, как она реагировала бы на внешние

силы Р;, равные произведению масс на ускорение грунта. Таким образом, сейсмическая нагрузка может быть задана в виде прогнозируемых акселерограмм, описывающих зависимость ускорений грунта от времени (рис. 5).

— гЛ ППгПГ лгг

- - _ - 1-1 " «С.)

Рисунок 5 - Зависимость ускорений грунта от времени: а - возможная акселерограмма ускорений грунта; б - диаграмма приращений ускорений грунта

Блок-схема динамического расчета показана на рисунке 6, из которого наглядно видно, что каждый шаг включает в себя два взаимоувязанных итерационных процесса: внешний и внутренний. Во внешнем цикле проводится решение системы уравнений с переменными составляющими жесткости. Здесь уточняются приращения перемещений, усилий и кривизны в зависимости от изменения матрицы жесткости. Во внутреннем цикле производится уточ-

нение составляющих жесткости в сечениях конструкции по полученным приращениям усилий и кривизны.

Для проверки достоверности предлагаемой методики расчета рассматривались экспериментально исследованные конструкции и сравнивались с опытными данными, что явилось научной новизной работы.

Рисунок 6 - Блок-схема динамического расчета статистически неопределимой рамы на сейсмическую нагрузку

Четвертая глава «Живучесть многоэтажных каркасных зданий при кратковременных динамических воздействиях» посвящена проверке достоверности предлагаемого динамического метода расчета. Здесь представлены результаты численных исследований балочных и рамных конструкций на действие статических и динамических нагрузок, сравнение этих результатов с экспериментальными данными.

Исследования показали, что жесткопластический метод не дает хороших результатов для конструкций, в которых не развиваются большие пластические деформации. Неучет упругой деформации при расчете таких конструкций, как железобетонные, в которых пластические деформации сравнительно невелики, приводит к значительным погрешностям. Поэтому для расчета таких конструкций применяется упругопластический метод, учитывающий как упругую, так и пластическую стадию работы.

Живучесть строительных конструкций определяется как сохранение несущей способности или работоспособности конструкций при выходе из строя одного или нескольких элементов зданий.

В диссертации рассматривается ситуация, возникающая в результате внезапного разрушения одной колонны первого этажа здания. Случай внезапного разрушения колонны наиболее опасен, так как при этом будет приложено наибольшее динамическое действие на оставшиеся элементы несущей системы.

Пространственная работа каркаса здания при разрушении колонны одной из рам возникает, если примыкающая часть каркаса деформируется вместе с поврежденной рамой, повышая ее несущую способность. Это возможно при каркасе здания из перекрестных поперечных и продольных рам, ригели которых монолитно связаны с плитами, опертыми по контуру, участвующими в работе рамы.

Процесс деформирования элементов каркаса был выявлен статическим расчетом по программе ЛИРА участка многоэтажного каркаса с удаленной нижней колонной. Получено, что наибольшие усилия возникают в элементах ячейки пространственного каркаса, состоящей из поперечных и продольных ригелей, у которых один конец опирался на удаленную колонну из монолитно связанных с этими ригелями плит перекрытий, и из колонн, на которые опираются другие концы этих ригелей. Изгибающие моменты и поперечные силы, возникающие в ригелях этой ячейки каркаса, в несколько раз превышают усилия, возникающие в ригелях, лежащих вне этой ячейки (примерно в 2...5 раз в зависимости от пролетов ригелей и этажности здания). При этом наибольшие изгибающие моменты и поперечные силы возникают в сечениях нижних ригелей ячейки каркаса, а в ригелях остальных этажей происходит уменьшение изгибающих моментов на несколько процентов. Поперечные силы в сечениях ригелей над разрушенной колонной незначительны (табл. 1,2).

Таблица 1 - Отношение усилий (МиР)в ригелях ячейки каркаса к наибольшим усилиям (М и С>) в ригелях, лежащих вне этой ячейки

Узел 1 2 3 4 5 6 7

МТг 2,5 2,9 2,9 3,0 зд 3,6 2,1

МеТ

<2Г2р 1,8 1,9 1,9 1,9 1,9 1,-9 1,6

П^Р ^БІ

Таблица 2 - Отношение продольных сил в колоннах над удаленной колонной, N¡ „00 к продольным силам, действовавшим в тех же колон-

Ярус 2 3 4 5 6 7

Ni.noc.KH 15 26 31 30 26 21

Н.до. кН 838 699 559 4198 280 140

N. '"ос ГЧ) 1,8 3,7 5,5 7,2 9,3 15,0

N. } 1,Д0

На основе проведенных расчетов динамический расчет ригелей после разрушения,, одной колонны проводится для элементов ячейки пространственного каркаса, которые наиболее нагружены при разрушении колонны. Предполагается, что конструкции всех перекрытий над разрушенной колонной и нагрузки на них одинаковы, деформирование всех конструкций развивается аналогично, проходя все стадии работы последовательно снизу - вверх. Проверка достоверности предлагаемой методики дала хорошие результаты.

В этой главе рассмотрен расчет двух симметрично загруженных ригелей, работающих по плоской схеме, после разрушения одной колонны. В практике такие ригели встречаются в конструкциях ребристых перекрытий, в которых главные балки работают по плоской схеме.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ последствий разрушительных землетрясений и экспериментальные исследования фрагментов и полномасштабных моделей реальных зданий показывают, что в многоэтажных каркасных зданиях из железобетона основным видом разрушения при сейсмическом воздействии является разрушение вертикальных несущих элементов. При этом разрушение, как правило, происходит от совместного действия изгибающих моментов и продольных сил. Поэтому при разработке усовершенствованных методов расчета сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий необходимо учитывать экспериментально установленный характер разрушения и реальные режимы деформирования несущих элементов при сейсмических воздействиях.

2. В отечественных и международных нормативных документах по сейсмостойкому строительству (Японии, ЕКБ, Португалии, Новой Зеландии и др.) используется статический метод расчета на условные сейсмические нагрузки, базирующийся на общих принципиальных позициях, в основу которых заложено упругое деформирование конструкций с введением некоторых обобщенных корректив, учитывающих податливость систем, образование пластических шарниров и особенности сейсмического воздействия. В отечественных и зарубежных нормах проектирования отсутствуют конкретные указания по динамическому расчету сейсмостойкости зданий и сооружений, позволяющие учитывать реальный характер разрушений и реальную работу конструкций в зависимости от конструктивной схемы зданий.

3. Проведенные исследования позволили установить, что при действии сейсмических нагрузок в каркасных зданиях конструктивные элементы одной группы, обладающие одинаковыми характеристиками (например, стойки одного этажа), могут испытывать разное напряженно-деформированное состояние. Принятые в действующих нормах проектирования упрощенные расчетные схемы зданий в виде консолей или полурам не позволяют учитывать указанное явление. Поэтому для оценки сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий рекомендуется использовать более сложные расчетные схемы, позволяющие учитывать расчетным путем перераспределение усилий между элементами конструкции в результате появления в них

ниров.

4. Разработана деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента, учитывающая особенности напряженно-деформированного состояния нормальных сечений несущих элементов многоэтажных каркасных зданий при циклическом знакопеременном нагружении сейсмического характера.

5. Разработана диаграмма деформирования нормальноно сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном циклическом деформировании в координатах «Момент - кривизна» и методика ее построения

6. Получил развитие динамический подход и на его основе разработана методика расчета многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия с учетом деформированной модели железобетонного сжато-изогнутого элемента, позволяющая учесть предысторию нагружения, перераспределение усилий, последовательность образования пластических шарниров и особенности поведения несущих элементов при сейсмических воздействиях.

7. Результаты расчета по предложенной методике удовлетворительно согласуются с существующими экспериментальными данными, полученными разными авторами.

8. Использование предложенной в диссертации деформационной модели сжато-изогнутых железобетонных элементов при совместном действии изгибающих моментов и продольных сил в условиях знакопеременного малоциклового нагружения позволяет определить предельные сейсмические силы.

9. При удалении одной колонны наибольшие усилия возникают в элементах ячейки пространственного каркаса, состоящей из поперечных и продольных ригелей, у которых один конец опирался на удаленную колонну, из монолитно связанных с этими ригелями плит перекрытий, и из колонн, на которых опираются другие концы этих ригелей.

10. При разрушении колонны происходит изменение расчетной схемы ближайших к разрушенной колонне элементов каркаса. При этом положительные изгибающие моменты возникают в нижних слоях подвижных опор ригелей, а отрицательные моменты - в их пролетных сечениях.

11. При внезапном разрушении колонны происходит изменение характера действия эксплуатационных нагрузок, приложенных на элементах ячейки каркаса: статическая нагрузка на систему ригелей превращается в мгновенно приложенную динамическую нагрузку.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Цэрэндорж, Б. Исследование возможности использования тепловыделения при упрочнении бетона / Б.Цэрэндорж, Б. Гончиг, Г.Базар //III Междунар. конф. по исследованию бетона. - Улан-Батор: Изд-во МГУНИТ, 2004 .

2. Цэрэндорж, Б. Применение метода концентрации в тепловыделении при упрочнении бетона/ Б.Цэрэндорж, Б.Гончиг// IV междунар. конф. по исследованию бетона,— Улан-Батор: Изд-во МГУНИТ, 2004.

3. Цэрэндорж, Б. Напряженно - деформативное состояния и расчет несущих элементов многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия/ Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг// Журн. «Вести строительства».— Улан-Батор: Изд-во МГУНИТ, 2007. - №4.- Т.4. — С.11-14.

4. Цэрэндорж, Б. Напряженно-деформативное состояние и расчет несущих элэментов многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия / Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг// Журн. «Сборник научных трудов». — Улан-Батор: Изд-во МГУНИТ. -2007.-№4/94. - С.5-14.

5. Цэрэндорж, Б. Из истории развития строительства высотных зданий в Монголии и методика динамического метода расчёта прочности многоэтажных каркасных зданий / Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг// Основания фундаментов и грунтов: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. — С-Пб: Изд-во С-ПбГАСУ, 2008. - С. 14-18.

6. Цэрэндорж, Б. Напряженно-деформативное состояние и расчет несущих элементов многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия / Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг // VII междунар. конф. по исследованию бетона.— Улан-Батор: Изд-во МГУНИТ, 2008.-№5,- Т.4.-С.66-68.

7. Цэрэндорж, Б. Напряженно-деформативное состояние и расчет несущих элементов многоэтажных каркасных зданий

при сейсмических воздействиях /Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг // Жури. Академии наук Монголии «Наука и жизнь». - Улан-Батор, 2008. - №2. - Т.4. - С.36-44.

8. Цэрэндорэю, Б. Проверка результатов исследований и расчётов железобетонных конструкций при воздействии динамических нагрузок посредством экспериментов /Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг // VIII междунар. конф. по исследованию бетона — Улан-Батор: Изд-во МГУНИТ, 2009. - №4. - Т.4.-С.71-79.

9. Цэрэндорж, Б. Из истории развития строительства высотных зданий в Монголии и методика динамического метода расчёта прочности многоэтажных каркасных зданий /Б. Цэрэндорж, Б. Гончиг // Вестник ВСГТУ. - 2011. — №1. - С. 35-42 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

Выражаю глубокую благодарность преподавателям и ученым Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления, Монгольского, государственного университета науки и технологии за помощь иподдержку.

Подписано в печать 16.03.2012 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,39.

Тираж 100 экз. Заказ № 68.

Издательство ВСГУТУ: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, д.

40в.

61 12-5/2313

монгольским государственный университет

науки и технологии

На правах рукоятей

ЦЗРЭИДОРЖ БОР

/

ПРОЧНОСТЬ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕ СКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.23,01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Г.Базар

Улан-Батор - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ/ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ/....................... 5

I ГЛАВА.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ МНОГОЭТАЖНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТ....................................................... 15

1.1. Исследования разрушения несуших элементов каркасных зданий при землятрясении............................................................... 15

1.1.1 История развития расчета сейсмостойкости..............................15

1.1.2. Виды разрушения несущих элементов многоэтажных каркасных зданий при землетрясений и соответствующие выводы................18

1.1.3. Особенности сейсмического воздействия..................................25

1.2. Обзор экспериментальных исследований железобетонных элементов каркасной системы при воздействии нагрузок, типа сейсмических.......................................................................26

1.2.1. Обзор экспериментальных с исследований изгибаемых и сжато-изогнутых элементов при воздействий сейсмических

нагрузок...............................................................................27

1.2.2. Обзор экспериментальных с исследований рамных систем под воздействием знакопеременных нагрузок...................................37

II ГЛАВА.

2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОЭТАЖНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ НАГРУЗКАХ ТИПА СЕЙСМИЧЕСКИХ.......46

2.1. Особенности работы железобетонных конструкций каркасных зданий при сейсмических воздействия.....................................46

2.1.1. Факторы, влияющие на прочность несущих элементов

каркасных зданий...............................................................47

2.1.1.1. Влияние продольных сжимающих сил.....................................48

2.1.1.2. Влияние процента армирования колонны, поперечного армирования и прочности бетона.........................................50

2.2. Напряженно-деформированное состояние нормальных сечений сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном малоцикловом нагружении...................................................52

2.2.1. Напряженно-деформированное состояние при упругом

деформировании арматуры......................................................56

2.2.1.1. Коэффициент асимметрии цикла напряжений в бетоне и

арматуре.........................................................................63

2.2.2. Напряженно-деформированное состояние при упруго-пластическом деформировании арматуры.................................64

2.2.2.1. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне

и продольной арматуре..........................................................70

2.2.2.2. Средние деформации в бетоне и арматуре сжато-изогнутого железобетонного элемента с трещинами...................................72

2.2.3. Дополнительные изгибающие моменты в нормальном сечении сжато-изогнутого железобетонного элемента.............................74

2.3. Деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента.............................................................................77

2.4. Диаграммы «Момент — кривизна» при циклическом знакопеременном нагружении.................................................83

2.5. Влияние различных факторов на диаграмму состояния «Момент-кривизна»...............................................................89

2.5.1. Влияние продольной силы на диаграмму «Момент-кривизна»............................................................. 90

2.5.2. Влияние эксцентриситета продольной силы на диаграмму «Момент-кривизна»...............................................................92

2.5.3. Влияние процента армирования на диаграмму «Момент-кривизна»..............................................................92

2.5.4. Влияние прочности бетона на диаграмму

«Момент - кривизна».............................................................94

III ГЛАВА.

3. АНАЛИЗ НЕУПРУГОЙ РАБОТЫ МНОГОЭТАЖНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ...............................................................95

3.1. Перераспределение усилий и образование пластических шарниров

в каркасных многоэтажных зданиях при сейсмических воздействиях........................................................................95

3.2. Влияние кинематических возмущений основания........................98

3.3. Прямой динамический метод расчета.....................................104

3.4. Предыистория нагружения....................................................105

3.4.1. Уравнения динамического равновесия системы в приращениях

и их преобразование...........................................................109

3.4.2. Последовательность вычислений при расчете рамы каркасного здания на заданное сейсмическое воздействие..........................113

IV ГЛАВА.

ЖИВУЧЕСТЬ МНОГОЭТАЖНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ..................................................................121

4.1. Из истории развития теории расчета железобетонных конструкций при воздействии кратковременных динамических нагрузок...........121

4.2. Предельные состояния конструкций........................................122

4.3. Методы расчета конструкций при воздействий кратковременных динамических нагрузок........................................................125

4.4.1. Живучесть системы.............................................................129

4.4.2. Живучесть здания..............................................................130

4.5. Расчет пространственных ригелей,после разрушения одной из колонн.............................................................................132

4.5.1. Предварительные условия расчета.........................................132

4.5.2. Поэтапный упругий расчет ригелей каркаса после разрушения одной из колонн нижнего этажа моногоэтажных каркасных зданий...............................................................................135

4.6. Расчет системы ригелей пластической стадии...........................146

4.6.1. Частный случай расчета ригелей в пластической стадии............150

4.7. Проверка результатов расчета экспериментально........................152

4.7.1. Исследования простых конструкций.......................................152

4.7.2. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными Беспаева A.A., Тастанбекова А.Т...........................156

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................. 161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................164

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Ежегодно на земном шаре проходит свыше 300 тысяч землетрясений, большинство из которых, к счастью, имеет небольшую силу или проявляются в ненаселенных районах. Однако некоторые очаги сильных землетрясений располагаются близко к населенным пунктам. В этом случае происходят большие повреждения и обрушения недостаточно прочных сооружений. Часто следствием землетрясений являются большие пожары, потери от которых могут быть не меньше, чем непосредственно от самих землетрясений. Число человеческих жертв при землетрясениях может достигать колоссальных размеров.

Поэтому одной из важных задач сейсмостойкого строительства является разработка методов расчета зданий и сооружений, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным сейсмическим воздействиям. Анализ возможных последствий (разрушений) дает информацию для проектирования более сейсмостойких конструкций, нахождения экономичных решений, повышения их безопасности, усиления уже поврежденных зданий и сооружений.

т\ V* и

В настоящее время расчет здании и сооружении на действие сейсмических нагрузок производится в соответствии со СНИП П-7-81, в основу которых заложено упругое деформирование конструкций с введением некоторых обобщенных корректив, учитывающих податливость систем и образование пластических шарниров. Расчет прочности элементов производится по предельным усилиям, воспринимаемым элементом в нормальных, наклонных и пространственных сечениях. При этом вводятся специальные коэффициенты условий работы, учитывающие особенности сейсмического воздействия. Такой подход рассматривается как условно

статический метод расчета на сейсмические воздействия. Метод имеет свои положительные стороны и недостатки.

Главное достоинство его заключаются в простоте, когда используются хорошо известные инженеру приемы и правила, применяемые для расчета конструкций при обычных статических воздействиях. Однако такой подход не учитывает локальные повреждения в элементах. Сейсмическая нагрузка определяется в предположении упругого деформирования конструкций, а образование остаточных деформаций, трещин, пластических зон производится условными эмпирическими коэффициентами, которые не зависят ни от интенсивности землетрясения, ни от свойств самого сооружения. Вместе с тем, реальные условия деформирования конструкций при сейсмических воздействиях очень сложные. Сейсмическая нагрузка, помимо особенностей воздействия, зависит также и от динамических характеристик зданий и сооружений. При сильных землетрясениях в конструкциях появляются и развиваются повреждения. Это приводит к изменению их жесткостных и динамических характеристик. В процессе сейсмического воздействия сооружение изменяет свои свойства столько раз, сколько циклов нагружения (толчков) оно перенесло за время землетрясения, и, по существу, на каждом этапе должно рассматриваться сооружение с новыми характеристиками. Кроме того, к моменту землетрясения в зданиях и сооружениях уже существует то или иное напряженно-деформированное состояние, вызванное действием их собственного веса, полезных нагрузок, тектонических движений грунтов, неравномерных осадок, усадочных и температурных напряжений. Влияние предшествующих сейсмическому воздействию нагрузок (предыстории) вносит свой вклад не только в изменение прочностных и деформативных свойств материалов, но и в изменение динамических характеристик здания в целом.

Нормативный метод не позволяет учесть вышеизложенные факторы, что приводит к значительным отклонениям результатов расчета и

проектирования от фактического характера работы конструкций при реальных землетрясениях. Поэтому весьма актуальным и своевременным является разработка новых усовершенствованных методов расчета сейсмостойкости, наиболее правильно отражающих поведение зданий при землетрясениях, обеспечивающих большую надежность и, в то же время, экономичность проектных решений.

Взрывные и ударные нагрузки, характеризующиеся большой интенсивностью и малой продолжительностью относятся к кратковременным динамическим нагрузкам. Для обычных гражданских и промышленных сооружений, специально не предназначенных для их восприятия, эти нагрузки являются случайными аварийными воздействиями, однократно действующими на конструкцию. При действии этих нагрузок к конструкциям таких сооружений предъявляется только одно требование: конструкции должны выдержать нагрузку, не вызвав обрушение сооружения. Поэтому, в этих случаях в таких сооружениях могут быть допущены значительные остаточные деформации несущих конструкций и даже локальные разрушения одного или несколько из них, но не приводящие к обрушению сооружений или части его. Разрушение одной или нескольких элементов несущей системы может привести к перегрузке других оставшихся элементов этой системы. И это может стать причиной обрушения целого сооружения. В этих случаях для обеспечения сохранности здания от обрушения требуется обеспечить несущую способность оставшихся элементов несущей системы и сохранить его общую устойчивость даже при выключенных отдельных элементах. Колонны являются одними из основных несущих конструкций зданий и в диссертации будут рассматриваться вопросы, связанные с обеспечением прочности отдельных конструкций здания после разрушения одной колонны. Вопросы, связанные с обеспечением сохранности зданий от обрушения вследствие разрушения одной или нескольких его несущих конструкций изучены недостаточно. В связи с этим разработка методов расчета наиболее нагруженных элементов несущих систем каркасных железобетонных зданий во всех стадиях

деформирования после разрушения одной колонны, позволяющих обеспечить живучесть зданий.

Степень разработанности проблемы

Исследованиями сейсмостойкого стройтельства, разработкой методов расчета зданий и сооружении, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным сейсмическим воздействиям занимались такие ученые, как Абрамов. А.А, Айзщнберг Я.М, Ашимбаев М.У, Белобров И.К, Пузанков . Ю. И, Беспаев А.А, Тастанбеков А.Т, Борджес Дж, Равара. А, Гвоздев. А.А, Гольденблат И.И, Гудков Б.П, Килимник Л.Ш, Кириллов.А.П, Мирсаяпов И.Т, Корчинский И.Л и др.

Первые расчетные методы на прочность и устойчивость зданий и сооружений на сейсмические нагрузки и воздействия были разработаны такими учеными как, Мирсаяпов И.Т, Воронов А.А, Назаров А.Г, Поляков С. В, Попов Г.И, Ржевский В.А, Складнев Н.Н и др.

Цель диссертационной работы

• Разработка методики расчетной оценки НДС и прочности несущих элементов каркасных железобетонных зданий после разрушения одной из колонн, позволяющих обеспечить их живучесть, в рамках развития динамического метода расчета с учетом нелинейности деформирования .

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи

* Провести анализ состояния многоэтажных каркасных зданий после землетрясений, результатов экспериментальных исследований моделей каркасных зданий и выявить характерные разрушения многоэтажных зданий и их элементов; изучить характер их деформирования и механизмы разрушения при действии знакопеременных циклических нагрузок;

* Провести анализ напряженно-деформированного состояния

нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента в условиях знакопеременного циклического нагружения на разных стадиях деформирования арматуры;

* Разработать деформационную модель сжато-изогнутого железобетонного элемента на основе уравнений равновесия внешних и внутренних сил в нормальном сечении, условий деформирования нормальных сечений и аналитических диаграмм деформирования материалов при знакопеременном нелинейном деформировании при действии циклического нагружения сейсмического характера;

* Разработать методику построения на основе деформационной модели диаграммы деформирования нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента в координатах «Момент - кривизна» при нагрузках сейсмического характера;

* Разработать динамический метод расчета многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия с учетом изменения жесткости элементов, перераспределения усилий и образования пластических шарниров;

* Провести проверку достоверности разработанной методики путем сравнения теоретических результатов с данными эксперимента других исследователей.

Научная новизна работы заключается в следующем

* Деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента, построенная на основе аналитических диаграмм деформирования материалов, при знакопеременном нелинейном деформировании при действии циклического нагружения сейсмического характера;

* Диаграмма деформирования нормального сечения сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном циклическом деформировании в координатах «Момент - кривизна» при нагрузках сейсмического характера;

♦ Динамический метод расчета сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий из железобетона на основе деформационной модели сжато-изогнутого железобетонного элемента при знакопеременном нелинейном деформировании несущих элементов.

♦ Получение предельной нагрузки, воспринимаемой системой ригелей над разрушенной колонной сучетом пространственной работы каркаса;

Личный вклад автора в исследование проблемы.

Диссертация является результатом десятилетных (2001-2010) исследований автора выполненных на кафедре строительных конструкций Мон.Г.У.НиТ и в проектно-консрукторских институтах.

По результатам данных исследований автором была разработана методика расчёта многоэтажных железобетонных здании в условиях Монголии и примеры расчёта конкретных зданий включены в приложение диссертации.

Данная методика включена в учебную программу для строительных специальностей монгольских ВУЗов.

Практическое значение работы

Практическое значение работы заключается в том, что разработаны деформационная модель сжато-изогнутого железобетонного элемента, наиболее полно отражающая напряженно-деформированное состояние нормальных сечений элемента при знакопеременном циклическом нагружении, и динамический метод расчета сейсмостойкости многоэтажных каркасных зданий из железобетона, позволяющие повысить надежность, а в ряде случаев - расчетную несущую способность, и за счет этого получить наиболее экономичные их конструктивные решения.

Внедрение результатов работы

Предложенный расчетный аппарат использован при проектировании железобетонных элементов многоэтажных каркасных зданий. Результаты работы использованы при проектировании объектов: "Многоквартирный 9- этажный монолитный каркасный жилой дом"(г. Уланбатор, район Хан-Уул), "Многоквартирный 16- этажн