автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета железобетонных конструкций зданий на сейсмические воздействия с учетом неупругих деформаций

рг 5

е

НУРМАГАНБЕТОВ Есет Каиржанович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ С УЧЕТОМ НЕУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ

05.23.01.- Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

од

На правах рукописи

МОСКВА 1998

Работа выполнена в Казахской государственной архитектурно-строительной академии и в Московском государственном строительном университете

Научный консультант: доктор технических наук

профессор Б.С. Расторгуев

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук профессор Я.М.Айзенберг, доктор технических наук профессор А.С. Залесов, доктор технических наук профессор О.В.Лужин

ОАО ЦНИИЭП жилища

[« /7, 03 1998г. в^ час

Защита состоится «' / » и О 1998г. ъ' ^ часов на заседании диссертационного совета Д 053.11.01 Московского государственного строительного университета по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, дом 8, ауд. №

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « » 02^. 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

АК.Фролов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Человечество пережило более 100 катастрофических землетрясений, которые унесли в общей сложности около 16 млн. человеческих жизней и привели к значительным повреждениям и даже разрушениям зданий и сооружений. Ликвидация ущерба, нанесенного землетрясением, крайне дорогостоящее мероприятие и отражается на экономике страны. Таковы, например, последствия землетрясения в Ашхабаде (1948г.), Чили (1960г.), Ташкенте (1966г.), Венесуэле (1967г.), Сан-Фернандо (1971г.), Никарагуа (1972г.) Дагестане (1975г.), Газлийское (1972г. и 1984г.), Карпате (1975г.), Армении (1988г.), Зайсанское (1990г.) и др. Существуют различные, иногда спорные, гипотезы о состоянии зданий во время землетрясений. Это объясняется не только сложностью процессов, происходящих при сейсмических колебаниях зданий, но и недостаточно полными данными о характере и величинах сейсмических воздействий. Поэтому изучение последствий землетрясений способствует постоянному совершенствованию конструктивных решений и развитию методов расчета зданий на сейсмические воздействия.

Одной из причин недостаточной надежности ряда сооружений является неполный учет действительного напряженно-деформированного состояния конструкций во всех стадиях работы, а также несовершенства некоторых конструктивных решений элементов зданий. В частности, недостаточно разработаны методы динамического расчета пространственной работы зданий и сооружений при действительном сейсмическом воздействии, задаваемом трехкомпонентным движением основания.

Действующие нормы СНиП 11-7-81* по строительству в сейсмических районах весьма условно и недостаточно надежно оценивают влияние сейсмического характера нагружения на прочность железобетонных конструкций, не учитывают накопления в них повреждений и деформаций.

Целью диссертационной работы является развитие теории расчета железобетонных конструкций зданий с использованием реальных трехкомпонент-ных акселерограмм землетрясений различной интенсивности и действительных диаграмм деформирования материалов и элементов, полученных на основе экспериментальных исследований железобетонных конструкций и узлов их соединений, а также разработка новых конструктивных решений для сейсмостойки> зданий и сооружений.

Для достижения поставленных целей решены следующие задачи:

1. Изучены факторы, влияющие на прочностные и деформативные свойства железобетона при малоцикловых режимах нагружения типа сейсмических.

2. Предложены диаграммы деформирования стержневых железобетонных элементов при сейсмическом нагружении на основе применения полных нелинейных диаграмм деформаций бетона и арматуры и с учетом циклических режимов деформирования, соответствующих реальным акселерограммам землетрясений.

3. Разработаны методы динамического расчета железобетонных конструкций зданий на основе использования двумерных и трехмерных моделей несущих систем при двух и трехкомпонентных сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами реальных землетрясений.

4. Проведен анализ влияния неупругих деформаций железобетонных конструкций зданий на их несущую способность при ожидаемых сильных землетрясениях на основе мировой и региональной сейсмологической информации.

5. Разработаны новые конструктивные решения отдельных элементов и их сопряжения для сейсмостойких зданий и сооружений.

6. Даны рекомендации по совершенствованию метода расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений на сейсмические нагрузки.

Научная новизна заключается в следующем:

- сформулированы модели сейсмических воздействий для исследования л динамических расчетов железобетонных конструкций зданий на основании ана-

лиза и обработки инструментальных записей реальных землетрясений из банка мировых и региональных данных;

- установлены факторы, влияющие на прочностные и деформативные свойства железобетона при малоцикловых режимах нагружения типа сейсмических и проведены сравнения с экспериментальными данными;

- получены действительные диаграммы деформирования железобетонных конструкций при разгрузке и.повторных сейсмических нагружениях с использованием реальных акселерограмм землетрясений средней и высокой интенсивности;

- выявлены экспериментальные данные, полученные при статических и динамических испытаниях железобетонных элементов, узлов и фрагментов, охватывающих все стадий работы конструкций;

- разработана методика динамического расчета железобетонных конструкции каркасных зданий с использованием двумерных и трехмерных моделей на сейсмические воздействия с учетом неупругих деформаций;

- получены новые формулы для определения основного тона свободных колебаний железобетонных плит и оболочек с учетом податливости контурных конструкций;

- разработаны методы динамического расчета железобетонных оболочек-покрытий зданий с учетом сложного напряженного состояния, возникающей при трехкомпонентном сейсмическом воздействия;

- исследованы факторы, влияющие на неупругие деформации железобетонных конструкций каркасных зданий и оболочек на основе разработанной методики расчета с учетом вертикальной и горизонтальных составляющих сейсмической нагрузки;

- разработаны новые эффективные конструктивные решения железобетонных элементов и рекомендации по их расчету и проектированию.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование научной проблемы, имеющей важное народнохозяйствен ное и социальное значение на основе оценки состояния железобетонных конструкций зданий при сейсмических воздействиях и анализа последствий мировых и региональных землетрясений;

- модели сейсмических воздействий для исследования и расчета железобетонных конструкций зданий в условиях землетрясений средней и высокой интенсивности;

- полученные действительные диаграммы деформирования железобетонных конструкций с учетом реальных акселерограмм землетрясений;

- результаты экспериментально-теоретических исследований стержневых железобетонных конструкций при малоцикловых режимах нагружения типа сейсмических и с использованием инструментальных записей региональных землетрясений;

- методика и результаты экспериментально-теоретических исследований каркасных железобетонных конструкций зданий при двух и трехкомпонентных сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами реальных землетрясений;

- новые формулы для определения основного тона свободных колебаний железобетонных плит и оболочек покрытий с различными контурными конструкциями;

- развитие метода динамического расчета железобетонных оболочек покрытий зданий с использованием реальных акселерограмм землетрясений на основе мировой и региональной сейсмологической информации;

- результаты комплексного анализа неупругих деформаций железобетонных конструкций при сейсмических воздействиях, учитывающие трех-компонентные движения основания;

- прогноз состояния сейсмостойких зданий;

- предложения по рациональному армированию и конструированию л;е;| -зобетонных конструкций для сейсмических районов.

Достоверность н обоснованность разработанных научных положений и выводов подтверждена постановкой и решением задач на основе современной теории деформирования железобетона и теории сейсмостойкости зданий и сооружений; принятой моделью сейсмического воздействия на здания с использованием реальных акселерограмм землетрясений; сравнением и удовлетворительным совпадением теоретических данных с данными собственных опытных испытаний и экспериментов других исследователей; опытом проектирования и эксплуатации разработанных сейсмостойких железобетонных конструкций зданий и сооружений. Расчетные зависимости получены в результате строгих и точных математических решений задач в соответствии с принятыми предпосылками и моделями.

Практическое значение и внедрение результатов.

Приведенные результаты экспериментально-теоретических исследование позволяют существенно повысить сейсмостойкость железобетонных зданий и сооружений и решить ряд важнейших вопросов проектирования и еоьертеисг вования конструктивных решений для сейсмических районов. Изложенные методы динамического расчета стержневых и пространственных железобего нр,:^ конструкций, позволяют более точно и методически правильнее ч;.м сумеет -вуюшие, оценивать несущую способность и деформативность на всох ста ¡и и-работы при сейсмических нагружениях, армировать их более рационально, 'по в отдельных случаях приводит и к снижению расхода материалов. Пнедренн новые конструкции опор и узлов сопряжений железобетонных ригеле?! с колоннами и эффективные железобетонные конструкции оболочек покрытий. Предложенные новые сейсмостойкие конструкции фундаментов снижают сейсмические нагрузки для зданий и сооружений при землетрясениях (патент РК №960333.1 от 27.03.1996г., авторы Е.К.Нурмаганбетов, Ж.Б.Байнатов).

В институте «Алматагипрогор» и «Казгорстройпроект», при участии автора запроектированы 5-ти и 9-ти этажные жилые дома в железобетонном каркасе с расчетной сейсмичностью 9 баллов и построены в г.Алматы.

В комбинате "Капчагайсельстрой" с участием автора запроектированы пять вариантов пространственных железобетонных блоков и налажен их выпуск для индивидуально-кооперативных гаражей.

Результаты работы внедрены в учебный процесс КазГАСА и технические вузы Казахстана.

Апробация работы. Основные этапы работы докладывались на научно-технической конференции в МИСИ на секции «Железобетонные конструкции» в 1972 г. (Москва); на Всесоюзном совещании в 1973 г. (Алматы); на Республиканской конференции в 1974 г. (Ташкент); на VI научной сессии СНК по пространственным конструкциям, организованной НИИЖБом и ЦНИЙСКом в 1975 г. (Москва); на Всесоюзном совещании в 1976 г.(Кшшшев); на Международной конференции ИАСС в 1977 г. (Алматы); на научном семинаре РИИ в 1981 г.(Рудный); на Всесоюзном семинаре в 1987 г. (Шауляй); на научно-технической конференции в ЦНИИСКе в 1988 г. (Москва); на Всесоюзном научно-техническом семинаре в 1988 г. (Москва); на научно-технической конференции в ЦНИИСКе в 1989 г. (Москва); на Всесоюзном семинаре в 1989 г. (Ереван); на Всесоюзной научно-технической конференции в 1990 г. (Москва); на Всесоюзном научно-техническом совещании в 1993 г. (Алматы); на научном семинаре МГСУ в 1996 г. (Москва); на научно-практической конференции КазГАСА в 1993 - 1996 гг. (Алматы).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 33 работах, в том числе в 2 учебных пособиях.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 470 страниц и содержит 355 страниц машинописного текста, 61 рисунок и 25 таблиц. Список использованной литературы включает 272 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении работы обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи диссертации, ее научная новизна, приводится информация о реализации результатов исследований.

Состояние вопроса. Теория сейсмостойкости прошла существенный путь развития от статической теории сейсмостойкости Ф.Омори и Сано до современных методов динамического расчета с использованием инструментальных записей ускорений основания. В нормах СНиП И-7-81 * применяется спектральный метод расчета конструкций, основанный на определении сейсмических нагрузок для основных форм собственных колебаний.

В разработку теории сейсмостойкости большой вклад внесли ученые Я.М.Айзенберг, И.И.Гольденблат, Т.Ж.Жунусов, И.Л.Корчинский, О.В.Лужин, А.Г.Назаров, Н.Ньюмарк, С.В.Поляков, В.А.Ржевский, Р.Танабаси, Э.Е.Хачиян,

A.К.Хаузнер и др.

Развитие теории и методов динамического расчета железобетонных конструкций стало возможным благодаря работам В.М.Бовдаренко, А.А.Гвоздева,

B.И.Жарницкого, А.В.Забегаева, А.С.Залесова, В.А.Котляревского, В.И.Мурашева, Н.Н.Попова, Б.С.Расторгуева, И.М.Рабиновича, А.Р.Ржаницина,

A.Ф.Смирнова, Е.С.Сорокина и других ученых, посвященных исследованиям деформирования конструкций при особых динамических воздействиях (сейсмических, взрывных и ударных).

Огромную роль в создании динамической теории сейсмостойкости пространственных конструкций сыграли теоретические и экспериментальные исследования В.З.Власова, Б.С.Василькова, А.С.Вольмира, И.Е.Милейковского, М.А.Керни, О.В.Лужина, Б.В.Новожилова, В.Я.Павилайнена, С.Р.Раззакова,

B.Д.Райзера, А.В.Шапиро, В.В.Шугаева и других авторов.

Анализ исследований сейсмостойкости зданий и сооружений показал, что в настоящее время теория и практика сейсмостойкого строительства достигла достаточно высокого уровня развития. Однако следует отметить, что ре-

зульташ инженерного анализа последствий мировых и региональных землетрясений последних лет выявим! ряд проблем, которые требуют более детального изучения и исследования. В первую очередь при реальных землетрясениях высокой интенсивности повреждаются отдельные железобетонные конструкции, элементы и узлы сейсмостойких зданий и сооружений. При этом изменяются прочностные, деформативные и динамические характеристики конструкции, элементов и узлов сейсмостойких .дапий и сооружений.

Для зданий, расположенных в сейсмических районах, наиболее опасным* являются горизонтальные колебания основания, принятые в СНиП-Н-7-81*. Между тем, последствия землетрясений последних лет показали, что при расчете железобетонных конструкций зданий и сооружений необходимо учитывать \ вертикальную составляющую сейсмической нагрузки. Особенно важным явля егся совместный учет вертикальной и горизонтальных составляющих сейсмиче ской нагрузки для каркасных и протяженных в плане зданий.

Перед исследователями стоит проблема создания эффективных железобетонных конструкций и выбора рациональных конструктивных схем, а также применения современных методов сейсмозащиты зданий и сооружений.

Настоящее исследование предполагает восполнить существующие пробелы ъ затрагиваемых вопросах.

Формирование модели сейсмического воздействия. На основании анализа последствий сильных землетрясений и результатов обработки инструментальных записей 104 сильных движений грунта по Казахстану и мировым сейсмологическим данным формируются модели сейсмических воздействий на здания и сооружения. Модели сформулированы из многочисленных совокупностей исходных записей реальных акселерограмм землетрясений и обобщены результаты их обработки. Для моделей сейсмических воздействий приняты следующие параметры: максимальная амплитуда, период, форма спектра реакций, длительность и тип фунта. Оценена роль каждого параметра и предложены расчетные акселерограммы сейсмических воздействий.

Анализ записей акселерограмм для г.Алматы позволил определить особенности в проявлении землетрясений с очагами в разных зонах. Сейсмогене-рирующие зоны отличаются большими периодами по сравнению с другими зонами. Очаги выбранных для анализа землетрясений находились в наиболее опасных для города зонах. Анализировались спектры, полученные при одном землетрясении на разных станциях г.Алматы. Сравнения спектров при одном землетрясении, расположенных на грунтах I, II и III категории, показывают, что на малых периодах Т<0,2 с имеются небольшие расхождения в уровнях спектральных кривых. Если период Т>0,2 с, то наблюдаются большие различия в уровнях ниспадающих ветвей спектров. При сейсмических воздействиях 5 и 6 баллов для периода 0,5 с усиление составляет 2 раза за счет грунтовых условий. Выявлено, что характерной особенностью для Алматинской сейсмогенерирую-щей зоны (Мтзх=б,б...7,5) является то, что в данной зоне могут происходить землетрясения с высоко, средне и низкочастотными колебаниями грунта. Преобладающие периоды колебаний грунта в частях г.Алматы различны.

Результаты обработки информации национальных и международных архивов и банков сейсмологических данных показывают, что по характеру движений грунтов землетрясения разделяются на четыре группы. Эти группы землетрясений подразделены на подгруппы с учетом совокупности записей акселерограмм, соответствующих интенсивностям. Для модели выбраны среднестатистические данные из наиболее многочисленных совокупностей исходных записей, соответствующие интенсивностям, т.е. балльным записям для различных зон землетрясений с эффективной длительностью во времени. Выбранные акселерограммы рассматриваются как реализация функции fxyz(t) в трехкомпонент-ном движении основания. Ускорения в основании задаются в общем виде тремя функциями:

*o(t) = W): П(0 = fyO); z0(t) = fz(t), 0)

где функции fi(t)Jy(i)Jz(0^ удовлетворяющие расчетным акселерограммам землетрясений, представлены рядами Фурье.

Для учета особенностей различных участков акселерограммы применяется способ, по которому отрезок участка записей, подвергающийся наиболее интенсивным колебаниям ускорения, разделяется на несколько временных интервалов, которые выбираются таким образом, чтобы в концах интервалов ускорение обращалось в нуль. Результаты обработки инструментальной записи реальной акселерограммы Байсорунского землетрясения 12.11.1990г. в направлениях С-Ю, В-3 с эффективной длительностью приведены в работе.

Диаграммы деформирования материалов. Диаграммы деформирования бетона и арматуры при сейсмических воздействиях представлены последовательностью ветвей нагружения и разгрузки.

Аппроксимации зависимостей диаграммы бетона и арматуры для начального нагружения представлены в виде полиномов:

"ь

<*ь( ъ) = X о,¿4- = £ а/Л- (2)

¡=1 1=1

Из условий минимума функционала среднеквадратичного отклонения теоретической диаграммы деформирования материала от экспериментальной определяются коэффициенты я,-:

2

•>'{а1,а2...а1)= |[о-(е )-<7*(е)| йе ; J{a1a2...a^ /[*}(*)- Л,

(3)

где /■} = | а(е)с1Е. О

Эти условия имеют вид:

~ = (I = 1,2,3... п) (4)

да,-

Аналогично определяются расчетные диаграммы деформирования материалов на ветвях разгрузки и повторных нагружений. Для построения диаграмм

деформирования материалов при сейсмических воздействиях с эффективной длительностью во времени используются полиномы высокого порядка.

Преимуществом принятого метода, по сравнению с другими аналитическими зависимостями диаграммы "а - е", является лучшее приближение расчетной диаграммы к экспериментальной во всех стадиях деформирования материалов.

Диаграммы деформирования изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов при разгрузке и повторных сейсмических погружениях. Диаграммы деформирования изгибаемых и внецентренно сжатых элементов "момент - кривизна" получены из уравнений равновесия сечения с использованием нелинейных зависимостей "а - е" для бетона и арматуры и гипотезы плоских сечений. Эпюры напряжений в бетоне сечений приняты криволинейными в соответствии, с зависимостями "а^ - е^". Использованы также приближенные кусочно-линейные эпюры напряжений.

Полученные расчетом диаграммы деформирования изгибаемых железобетонных элементов, находящихся в различных напряженно-деформированных состояниях при разгрузке и повторных сейсмических нагружениях для двух циклов представлены на рис.1. На диаграмме деформирования элемента показана восходящая ветвь нагружения и нисходящая ветвь разгрузки.

При сейсмическом нагружении в железобетонном элементе в сечении сжатой зоны бетона при режиме первого полуцикла (Мр О) арматура переходит в растянутую, а растянутая зона бетона во втором полуцикле (М,<0) превращается в сжатую. Результаты расчетов показали, что действительная диаграмма деформирования железобетонной конструкции зависит от интенсивности сейсмической нагрузки, формы поперечного сечения, классов бетона и арматуры, процента армирования элемента. Этапы фактического изменения напряженно-деформированного состояния опытных образцов на ветвях нагрузки и разгрузки хорошо согласуются с аналитическими зависимостями, предложенными автором.

Рис.1. Диаграмма деформирования изгибаемых железобетонных элементов при разгрузке и повторных сейсмических нагружениях

Рис.2. Диаграмма деформирования внецентренно сжатых элементов при разгрузке и повторных сейсмических нагружениях

Характерные точки 1-2-3-4 на диаграмме "М-х" деформирования соответствуют образованию и закрытию трещин в зонах растяжения и сжатия при сейсмических нагружениях железобетонных элементов до заданного уровня моментом М\.

При повторных сейсмических нагружениях, в виде циклов знакопеременного нагружения, в изгибаемых железобетонных конструкциях проявляются следующие процессы: раскрытие; закрытие и зажатие трещин в бетоне. При этом возможны сквозные трещины в железобетонных элементах.

Для внецентренно сжатых железобетонных элементов диаграммы деформирования бетона (арматуры) при разгрузке и повторных сейсмических нагружениях (рис. 2) разбиваются на отдельные участки, аналогично принятым для изгибаемого железобетонного элемента. Особенностью внецентренно сжатых элементов является то, что наличие продольной силы (Щ смещает начало отсчета деформации бетона и арматуры в область деформаций сжатая, укорачивая ее по оси приложения. Поэтому удлиняются участки (0-1) и (0 - Г) деформирования элемента. Увеличение участков связано с тем, что при вттецен-гренном сжатии в железобетонных элементах образуются несквозные трещины, т.е. сохраняется в средней зоне сечения сжатый участок.

По результатам вычисленных значений построена действительная диаграмма деформирования с учетом жесткости внецентренно сжатого элемента при действующей продольной силе N. При относительно небольшой величине продольной силы (К=0,2) выделяется пластический участок 1-2 на диаграмме деформирования "момент-кривизна", соответствующий развитию пластических деформаций в растянутой арматуре. Данный участок имеет горизонтальную зону, переходящую слегка в криволинейную зону при снижении момента. Анализ показал, что при больших значениях относительной величины продольной силы увеличивается наклон всего пластического участка. При этом деформация еЬг в бетоне происходит на ветви нагружения, а деформация арма-

туры протекает в пластической стадии, соответствующей деформированию бетона сжатой зоны на нисходящей ветви.

Оценка точности расчетных диаграмм деформирования конструкций произведена сопоставлением с данными, полученными в результате испытаний железобетонных элементов. Образцы железобетонных балок пяти серий изготовлялись из тяжелого бетона и армировались стержневой арматурой класса А-Ш и высокопрочной арматурой класса А-1У и А-У. Испытания опытных образцов производились на специальном силовом стенде при знакопеременных и малоцикловых нагрузках типа сейсмических. Получены удовлетворительные совпадения опытных и расчетных данных. Кроме того, в опытах при последующих 6+9 полных циклах выявлена стабилизация деформаций, характеризуемая пределом малоцикловой приспособляемости железобетонных конструкций.

По результатам экспериментально-теоретических исследований выявлено, что накопление неупругих деформаций в изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементах при циклическом сейсми геском нагружении может нарушить условия сейсмостойкости здания. Поэтому следует установить условия, гарантирующие стабилизацию деформаций в железобетонных конструкциях зданий при эффективной длительности землетрясений. Для этого используются критерии приспособляемости по бетону и арматуре, введенные Б.С.Расторгуевым: ог,<7?м„р , где сгь - напряжение на уровне центра тяжести сжатой зоны бетона; Яь^пр - динамический предел малоцикловой приспособляемости бетона где а-ы =0,815 - 0,866. При аи>0,85 в опытных образцах начиналось разупрочнение бетона. Динамический предел малоцикловой приспособляемости железобетона при растяжении в среднем равен

Деформационный критерий приспособляемости по бетону определяется из условия: еь<уа£ьи , где уа ' коэффициент, зависящий от уровня неупругих е, деформаций бетона и условий эксплуатации железобетонных конструкций; для

однопролетной железобетонной балки /я=0,8; для неразрезных железобетонных балок Уа=--1,1.

Критерий приспособляемости по арматуре зависит от ее физико-механических свойств. Сталь с условным пределом текучести приспособляемость по арматуре обеспечивается в результате упрочнения стали по изложенной методике. Для стали с физическим пределом текучести принят следующий критерий приспособляемости по арматуре: М0+М„^ах<Мцц, где Мо - остаточный изгибающий момент; Мпжа - максимальный упругий момент на ветви повторного сейсмического нагружения.

Произведен учет совместного действия изгибающего момента и поперечной силы. Зависимость "момент-поперечная сила" принимается в виде

где Q - поперечная сила, действующая в рассматриваемом наклонном сечении железобетонного элемента при динамическом знакопеременном нагружении; М - изгибающий момент, действующий в рассматриваемом нормальном сечении; Д - параметр, зависящий от деформации материалов и кривизны железобетонного элемента.

Динамический расчет прочности и деформативности по нормальным и наклонным сечениям производится из решения уравнения изгиба стержневых железобетонных элементов, учитывающего нелинейный характер распределения нормальных и касательных напряжений.

Анализ расчетных изгибающих моментов и поперечных сил, а также опытных образцов, армированных высокопрочной сталью класса A-IV, A-V, не имеющей площадки текучести, позволило произвести сравнительную оценку использования высокопрочной арматуры в балках прямоугольного и двутаврового сечений и оценить влияние формы сечения на границу переармирования элемента при изгибе. При малоцикловом режиме нагружения изменение деформации происходит незначительно до относительных уровней

М%ах / = 0,8 , Отах/ОТР = °>67 ■ в стадии, близкой к разрушению М'пах / М^Р > 0,8 , Омах / > 0,7 происходит интенсивное

сокращение сжатой зоны бетона и раздробление его, а затем полное разрушение балки.

Приводится метод динамического расчета стержневых железобетонных конструкций с различными опорными условиями при сейсмических воздействиях, учитывающих податливость смещений и поворотов опорных сечений.

Динамический расчет железобетонной балки на податливых опорах сводится к решению уравнения общего вида с учетом сейсмической нагрузки:

В^.т^Ц^Ю^-тЩО; М-В^й-™ (6) дх7 д хг дх2 дк

где IV (I) - смещение опор железобетонной балки при сейсмическом воздействии.

Зависимости для функций сопротивления опорных конструкций приняты в виде

Л= С/VI 0< И'<=»'е;

Я= Ие^С^^ц) <М><=М>,/; (7)

где С1, с2, сз - коэффициенты жесткости; Яе, уче, Д,/, значения силы сопротивления и перемещения в конце упругой и упругопластической стадиях, причем <2=К.

Получено уравнение колебания железобетонного элемента:

Ф/(0 + й>с>/ГО = , (8)

Ф) а>?т1 где - функция сейсмичности; юс/ = , , у/[ = —-- .

В процессе деформирования стержневых железобетонных элементов в упругой стадии опорные конструкции могут находиться в разных стадиях работы.

Эффективная длительность сейсмической нагрузки во времени определяющего конец упругого деформирования опорных конструкций балки, находится из выражения:

с/

щ',)- ф,(',)~-1к (9)

2с,

Уравнение балки в неупругой стадии (М^ работы опорных конструкций имеет вид

Ф2(1) + т2с2Ф2(1) = ю2с23(() (10)

Получена функция сейсмичности при ¿>0 Ф2 (0 = 2з5тй}с2(1-11)+ 24са%о}с2(М,), ф2 о) = 6)с1[2^с05сйс1(ы,)-7.4^п0)с2(^2). (11)

здесь г3 24 = ф200-

а>с2

Анализ последствий землетрясений показывает, что при изучении сейсмостойкости каркасных зданий в условиях сейсмических нагрузок средней и высокой интенсивности необходимы исследования и расчет неупругой работы железобетонных элементов. Нелинейное деформирование железобетонного элемента может произойти при развитии пластических деформаций в растянутой арматуре. Поэтому при определении полной несущей способности железобетонных конструкций дан метод ее расчета в стадии пластической деформации, предшествующей разрушению.

Пространственное деформирование железобетонных каркасных зданий при сейсмических погружениях. Исследование и анализ последствий землетрясений показывают, что колебания отдельных железобетонных конструкций происходят одновременно по нескольким направлениям. Здание работает как единая пространственная динамическая система. Для динамического расче-. та здания принимается многомассовая дискретная система. Пространственная модель принимается в виде системы с конечным числом степеней свободы. Сосредоточенные массы находятся в уровнях перекрытий и покрытий. Каждая

масса имеет четыре степени свободы: три - поступательные во взаимно-перпендикулярных направлениях в пространстве и одна - вращательная. Сейсмические колебания основания здания задаются тремя акселерограммами: в вертикальном и горизонтальных направлениях (ОХ, OY, OZ).

Получены решения дифференциального уравнения сейсмических колебаний каркасного здания. В работе выявлено, что при упругом и упругопластиче-ском деформировании железобетонных каркасных зданий наиболее точное приближение к фактической работе достигается построением реальных диаграмм нелинейного деформирования несущих железобетонных элементов. При этом для j-ro этажа зависимости "восстанавливающая сила - деформация" описаны криволинейными диаграммами в соответствующих направлениях ОХ, OY, ОZ. Для этих направлений определены действительные жесткостные характеристики с учетом нелинейного деформирования элементов.

При динамических расчетах железобетонных каркасных зданий приняты расчетные нелинейные и кусочно-линейные диаграммы деформирования элементов. Приведены диаграммы железобетонного каркасного здания в условиях реальных акселерограмм Байсорунского землетрясения в направлениях С-Ю и В-3, соответствующих осям ОХ и OY с учетом эффективной длительности во времени.

Предлагаемая методика расчета предназначена, в основном, для анализа поведения рамных систем, состоящих из многоэтажных и многопролетных рам при сейсмических воздействиях. Определены в каждом стержневом железобетонном элементе изгибающие моменты во взаимно-перпендикулярных плоскостях и крутящий момент При определении прочности железобетонных элементов использован один из критериев прочности. Для характеристик прочности бетона при объемном напряженном состоянии в настоящее время разработан ряд критериев прочности в работах С.В.Александровского, Г.А. Гениева, C.B. Еондаренко, Н.И.Карпенко, Ю.Т.Малашкина и др. В работе принят критерий прочности, записанный в главных напряжениях в виде

а,2 -2(у-1)^-К11Т1-К2^0, (12)

где оу - интенсивность напряжений; &, = а¡сг2 + сг]а3 + а2а3> -эмпи-

рические коэффициенты; у - обобщающий параметр, учитывающий прочность бетона при объемном напряженном состоянии.

Определены реальные жесткостные параметры железобетонных элементов при объемном напряженном состоянии в условиях землетрясений различной интенсивности. Приведены модели переменной деформативности железобетонных элементов на трех координатных осях. Реальные жесткостные параметры зависят от уровня объемного напряжения и вида напряженного состояния здания в условиях землетрясений. Распределение напряжения между бетоном и арматурой по направлению действия сейсмических сил учитывается введением

интегрального коэффициента : сг^ = (1 + ц/^); а^ где к -

/'к

порядковый номер одного из трех главных напряжений (!<к<3); - интегральный коэффициент распределения напряжений, зависящий от отношений секущих модулей деформации стали и бетона, армирования и трещины в элементе; Дг- параметр армирования.

При динамических расчетах железобетонных рам использованы реальные акселерограммы землетрясений. Принимались расчетные диаграммы деформирования колонн и ригелей. При получении расчетных зависимостей рассматривались различные значения периодов колебаний акселерограмм для большого интервала изменения отношений периодов Т/То (0,2 ... 1,8). Для выявления неупругих свойств железобетонных конструкций на сейсмические воздействия использованы соотношения относительных предельных ускорений при предельных прогибах У„л и достижений граничных значений упругих прогибов железобетонных колонн с трещинами (Аи//Ае/). При этом соотношения ускорений зависят с - соответствующих соотношений перемещений (прогибов) (У„)/Уг|) и от соотношений периодов вынужденных и собственных колебаний {Т/Та), определяющих диаграмму деформирования колонн и рамы с трещинами. Для колонн и

рам вычислены значения для различных соотношений предельных ускорений и прогибов при постоянных и переменных значениях соотношения периодов вынужденных и собственных колебаний.

Для исследования и анализа были произведены расчеты железобетонных каркасных зданий по изложенной методике с сейсмичностью района строительства 9 баллов. Определены в колоннах коэффициенты армирования (ц=0,35 ... 2,5%) и значения коэффициента динамичности (|3=0,8 ... 2,1). Период собственных колебаний поперечного каркаса составлял Т0=1,12 ... 3,2 с в горизонтальных направлениях. Для выявления влияния периодов колебаний сейсмического воздействия в реальной акселерограмме Байсорунска (1990г.) принимались преобладающие значения периодов колебаний Т, т.е. соотношения 7/Т0=0,2; 0,35; ... ; 1,8. По результатам вычислений построены графики изменения относительных предельных ускорений в зависимости от значений деформаций при Т/Т,=сопз1. В работе приведены графики изменения ускорений в зависимости от значений периодов при Уи//Уег=сот1.

Периоды колебаний с учетом изменений относительных ускорений в зависимости от значений высоты сжатой зоны бетона при расчетах железобетонных каркасных зданий на сейсмические воздействия приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты вычисленных параметров

Т/То 0,21 0,42 0,58 0,75 0,97 1,38 1,82

Т сек 0,39 0,78 1;07 1,39 1,81 2,57 3,38

Ае) 0,12 0,11 0,064 0,036 0,012 0,016 0,019

АцК 0,225 0,23 0,177 0,116 0,01 0,049 0,054

К* 0,53 0,47 0,36 0,31 0,24 0,32 0,35

0,485 0,39 0,27 0,18 0,145 0,21 0,24

п 6 5 2 7 1 5 3

Анализ показал, что значения относительной высоты сжатой зоны бетона £,, определяемые при £ь-£ьи крайнего волокна бетона по диаграмме деформирования каркасного здания, зависят от предельных ускорений "рама-основание" т.е. от соотношений предельных ускорений и прогибов, а также от соотношений периодов вынужденных и собственных колебаний. В процессе изменения ускорений происходит изменение напряженно-деформированного состояния по высоте сечений колонны и ригеля.

Для учета влияния неупрутих (пластических) деформаций в железобетонных элементах рамы определяли значения относительной высоты сжатой зоны бетона (4=0,15 ... 0,5) для различных соотношений периодов (Т/То). Графики изменения относительных ускорений (Ае/Аии) в зависимости от значений высоты сжатой зоны бетона £ при соотношениях периодов Т/То=сопы приведены в работе. Если отношения (Ае/А^) обозначим через аналогично коэффициенту К1 в СНиП 11-7-81*, то в этом случае будем учитывать неупругую деформацию железобетонного элемента. Значения К, характеризует коэффициент,-учитывающий влияние неупругих деформаций железобетонных конструкций при сейсмических воздействиях. Для упрощения расчета и установления предельных значений коэффициента К, принимается линейная зависимость, так как график, приведенный в работе, близок к линейной при Т/То=*сош.

Расчеты показали, что величины К, изменяются в пределах (0,24 ... 0,53) и графики зависимости К, от относительной высоты сжатой зоны бетона £ при Т/То^со/Ш близки к линейной, подтверждающий линейную зависимость. С увеличением значений относительной высоты сжатой зоны бетона < растет соответственно значение коэффициента ЛГ,. Влияние высоты сжатой зоны бетона | при определении значений коэффициентов неупругих деформаций К, наблюдается в расчетах железобетонных каркасных зданий на реальные акселерограммы землетрясений в Эль-Центро и Байсорунске с эффективной продолжительностью во времени. Полученные различные значения коэффициентов К, (табл. 1) подтверждают особенности Алматинской сейгалогенерирующей зоны,

где проявляются высоко-, средне- и низкочастотные колебания грунта. При этом величина коэффициента А', значительно больше значения К 1=0,25, рекомендуемого в СНиП 11-7-81*. При незначительных величинах £50,21 число> предельных циклов достигает п=5...7, а при £>0,5 возникает вероятность разрушения железобетонных элементов.

Исследования и расчеты показали, что с возрастанием соотношения прогибов Уи//Уе1 соотношения ускорений А^/А^ увеличиваются и эта зависимость приближается к линейной. С увеличением соотношений периодов вынужденных и собственных колебаний Т/То относительные ускорения Ае1 убывают. При этом происходит увеличение отношения Аи^Ае\.

Для практического использования принимаются области значений 0,2<7УГо<0,6, соответствующие зависимости Аи1/Ае/ от соотношения периодов вынужденных и собственных колебаний железобетонных элементов.

При учете податливости сопряжения колонн с ригелями и уменьшения максимального момента на опорах предложен уточненный динамический расчет с учетом особых сочетаний нагрузок по первой группе предельных состояний с ограничением неупругих деформаций (бетона и арматуры предельными значениями: ¿¡¡,„=0,0035; £„,=0,02; при ванной сварке £,„=0,01. Кроме того, для недопущения пластических деформаций в стадии эксплуатации при сейсмических воздействиях следует выполнять условия сг, < 1(г . При повторных нагру-жениях с числом циклов »<100, характерным для сейсмических воздействий, происходит поэтапное уменьшение жесткости и накопление неупругих деформаций. Значение действительной жесткости железобетонного элемента на ветвях нагружения и разгрузки приведены в работе.

Процесс накопления неупругих деформаций в железобетонных конструкциях при повторных сейсмических нагружениях ограничивается условиями сейсмостойкости здания. Для этого используются критерии приспособляемости по бетону и арматурз.

С целью оценки прочности и жесткости конструкций здания при действии динамических знакопеременных нагрузок типа сейсмических были испытаны опытные образцы железобетонных узлов и элементов каркаса. Проведенные испытания подтвердили высокую надежность узлового сопряжения ригеля с колонной. Установлено, что повторные и знакопеременные нагружения изменяли характер разрушения узлов, вызывая разрыв продольной растянутой арматуры ригеля по ванной сварке и увеличивая прогибы ригелей почти в два раза от расчетной. Оценка податливости узлового стыка ригеля с колонной позволила снизить значения опорных моментов при знакопеременных нагрузках и учитывать при конструировании новых железобетонных узлов.

Как отмечено выше, колебания отдельных железобетонных элементов происходят одновременно по нескольким направлениям в пространстве при сейсмических воздействиях. Поэтому приведен метод расчета железобетонных плит перекрытий и покрытий с различными контурными условиями на основе метода декомпозиции. Решены методом декомпозиции дифференциальные уравнения для железобетонных плит и оболочек, учитывающие податливость опорных контуров. Метод декомпозиции основан на рассмотрении более простых вспомогательных задач, позволяющих облегчить построение искомого решения. С достаточной точностью решены уравнения и краевые задачи для железобетонных плит различных форм в плане.

Исходя из основных положений метода декомпозиции автором получены новые аналитические формулы для определения основного тона свободных колебаний круглых, квадратных и прямоугольных железобетонных плит с различными контурными условиями, позволяющими учитывать влияния их низших частот и форм свободных поперечных колебаний.

Для оценки методики расчета испытаны опытные плиты с различными контурными конструкциями. Опыты показали, что периоды собственных вертикальных колебаний железобетонных плит находятся в пределах от 0,08 до 0,73 с. При этом выявлен характер изменения амплитуд колебаний отдельных

точек плит. Логарифмические декременты при вертикальных колебаниях плт составили менее 0,12. На основе выполненных расчетов и результатов испытаний предложены рациональные конструктивные решения плит для сейсмостойких зданий и сооружений.

Исследование и расчет пространственных покрытий на сейсмические нагрузки. Экспериментально-теоретические исследования выявили, что динамические параметры различны в вертикальном и горизонтальных направлениях и зависят от деформативности конструкций оболочек. Поэтому принята пространственная модель сейсмических воздействий при расчете железобетонных оболочек покрытий зданий на вертикальную и горизонтальные составляющие сейсмической нагрузки. Следует отметить, что отдельные железобетонные конструкции и узлы сопряжений покрытий имеют различную степень надежности за возможный переход здания в предельное состояние и их несущие элементы находятся в различных уровнях предельных состояний. Расчетные динамические параметры - коэффициент динамичности ф) и коэффициент формы колебаний (г]1к), определенные по нормам, не отражают полностью действительную работу железобетонных оболочек покрытий. Поэтому в зависимости от вертикального и горизонтальных направлений действия сейсмических сил железобетонные оболочки покрытия загружаются соответствующими силами инерции. При этом динамические параметры Д, щ определяются из двух моделей сейсмических воздействий, в которых сейсмические колебания оболочек, носящие пространственный характер, расчленяются на одноосные вертикальную и горизонтальные составляющие сейсмической нагрузки.

При нагружении железобетонных оболочек силами инерции длина сейсмической волны принята в виде: Л=УТо>Ь , где V - скорость распространения сейсмической волны; То - период колебания грунта, соответствующий периоду основного тона колебаний зданий; £ - длина здания с покрытиями из оболочек.

Анализ экспериментальных исследований показал, что во всех испытанных моделях оболочек податливость опорного контура была значительной,

особенно велика при арках. В этом случае частоты оболочки оказались наименьшими по сравнению с оболочками, контур которых выполнен в виде ферм и криволинейных брусьев. Определение частоты оболочки с арочными диафрагмами с учетом их податливости, полученное методом перемещений Милейковского - Василькова, сближает результаты с экспериментальными данными. Очень близко совпадают с экспериментами результаты расчета по формуле автора при учете податливости опорного контура.

Частоту основного тона свободных колебаний для железобетонной оболочки с различными контурными условиями предлагается определять по формуле:

4 я3{х-1 + к)к2К2

— —------77-уГ. (13)

4-{1-к)па4\1- V2)

где 6), = рт2 Я2¡Е\к- коэффициент податливости опорного контура.

В случае к=1, т.е. для оболочки, свободно опертой по контуру, формула (13) приводит к точному решению, полученному В.З.Власовым:

, я4 ^К2

<о* — 1 + —---у?-21 (14>

3 а4[1- V2)

Если к=0 из (13) следует:

. 4

При получается выражение для частоты основного тона в случае

свободных колебаний плиты "с различными контурными конструкциями:

й

<о2

к) _{1_к>

(16)

рка

Полученные новые формулы удобны для практических задач и использованы при гсследовании коэффициента динамичности, результаты внедрены при проектировании перекрытий и покрытий сейсмостойких зданий.

Экспериментально-теоретические исследования подтвердили и показали, что при определении частот собственных поперечных колебаний пологих железобетонных оболочек необходимо учитывать податливость опорного контура вt своей плоскости. Отмеченные в исследованиях деформативность покрытия в плане свидетельствуют о том, что пологие железобетонные оболочки являются элементами конечной жесткости, податливость которых необходимо учитывать при распределении вертикальной и горизонтальных составляющих сейсмической нагрузки между несущими конструкциями.

Результаты экспериментально-теоретических исследований показали, что периоды находятся в пределах от 0,04 до 0,65 с и логарифмические декременты затухания при вертикальных колебаниях железобетонных оболочек составляют менее 0,1. Представленный в СНиП 11-7-81* график коэффициента динамичности Д отвечает динамическому эффекту землетрясения на здания с затуханием, характеризуемым более 0,15. Учет динамического эффекта затухания необходим при расчетах железобетонных оболочек покрытий, так как он ведет к существенному увеличению максимального значения коэффициента Д. В этом случае значения коэффициента Д, принимаемые'по СНиП 11-7-81*, должны возрасти, и график нового коэффициента динамичности РуО) будет аналогичен графику СНиПа, но ординаты его примут большие значения. Поэтому для практических расчетов большепролетных железобетонных оболочек предлагается коэффициент динамичности /)*(!) в пределах

1<Р^(1)=1,7/Т<3,5 (17)

Исследования также показали, что при вертикальных колебаниях железобетонных оболочек с трещинами наблюдается увеличение величин периодов (с уменьшением величин частот и уменьшением жесткости) по сравнению с упругой работой оболочки. Это объясняется тем, что наличие в железобетонных пространственных конструкциях покрытия упругопластических деформаций существенно повышает его энергопоглощаемость и приводит к снижению динамического эффекта за счегг изменения жесткости оболочки.

Из результатов следует, что железобетонные оболочки покрытия обладают меньшим затуханием колебаний, чем обычные конструкции, и поэтому значения коэффициента динамичности, приведенные в нормах, требуют пересмотра. Существенно изменяется напряженно-деформированное состояние железобетонной оболочки при учете пространственной работы в двух и трех направлениях при больших пролетах здания. Особенно важным является учет вертикальной составляющей сейсмической нагрузки для покрытий зданий с использованием реальных акселерограмм землетрясений.

Получены пространственные формы колебаний с учетом протяженности оболочки в плане. При определении коэффициента пространственной формы колебаний железобетонных оболочек в вертикальном направлении принимается двумерная система.

в ВДЗДЯ ч{х,у)Р{х,у)Х1{х)У^х(}у

Щ{Х'У) Р(х,У)\\Ч{х^)Щх)¥?{у)с1х11у ' °8)

Л

где Х,(х), У/у) - пространственная форма собственных колебаний оболочек покрытия;/^,у) - функция распределения инерционной силы по площади оболочки покрытия.

Таким образом, формула (18) отличается от коэффициента формы колебаний т]^, приведенного в СНиП И-7-81*, введением функций Р(х,у), которые учитывают протяженность оболочек покрытия в плане и характер загружения по площади оболочки покрытия соответствующими силами инерции. Экспериментальные исследования, проведенные автором, подтверждают применимость этого коэффициента на практике. Получено, что величина вертикальной составляющей сейсмической нагрузки, определенная с учетом данных функций Р(х,у), существенно отличается от нагрузки, определяемой по СНиП Н-7-81 *

Определены также пространственные формы колебаний оболочек для предельных случаев при симметричных и кососимметричных сейсмических нагрузках.

Вертикальную составляющую сейсмической нагрузки на оболочки покрытия предлагается определять по формуле:

^ = ч{х,у)АР{х,у)^(()Кут11{х,у) , (19)

Горизонтальные составляющие сейсмической нагрузки предлагается определять по следующим формулам: по направлению X

Бг0. = Ч{х)Щх)р[{х) , (20)

по направлению У

= (у) (21)

где д(х), q(y) - распределенная нагрузка, вызывающая инерционную силу, принятая по нормальным сечениям пространственного покрытия в соответствующих направлениях.

Предложен метод динамического расчета железобетонных оболочек на основе теории В.З.Власова, учитывающий ускорения основания здания в вертикальном и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях. Пространственная поверхность железобетонной оболочки отнесена к криволинейной ортогональной системе координат, совпадающих с направлениями главных кривизн. Определены перемещения и нелинейные зависимости деформации на уровне срединной поверхности оболочки. Установлено, что значени* нормальных тангенциальных и сдвигающих усилий, изгибающих и крутящт моментов зависят от размеров в плане оболочки и длины сейсмической волны. Результаты расчетов сравниваются с испытаниями оболочек с трещинами при мшюцикловых нагружениях и расхождения составляют 11-27%.

Прогноз состояния железобетонных конструкций здания при землетрясениях. Состояние сейсмостойкого здания во время землетрясения является результатом взаимодействия системы с движением грунта. В работе приведены две стадии этого взаимодействия: упругое и упругопластическое деформирование здания. При упругопластическом деформировании системы происходят из-

менения расчетно-конструктивной схемы. Анализ экспериментально-теоретических исследований показал, что несущие элементы железобетонных конструкций находятся в разных напряженно-деформированных состояниях и переходят в предельное состояние неодинаково, т.е. отличаются по циклу и по времени. Различные степени развития неупругих деформаций железобетонных элементов следует устанавливать на основе расчетных диаграмм деформирования бетона и арматуры.

На основании полученных зависимостей и формул построена диаграмма "М--'/' с учетом изменения кривизн х>- Эта зависимости и формулы позволяют учитывать деформирование элементов и изменение расчетно-конструктивной схемы здания при сейсмических воздействиях средней и высокой интенсивности во времени. При динамическом расчете железобетонных каркасных зданий на сейсмические воздействия определены расчетные сейсмические нагрузки Бщ по главным формам колебаний. В характерных сечениях железобетонных элементов рамы получены значения усилий Л^щ и моментов М,(ч) от сейсмической нагрузки:

где N„¡0* Мтш - значения усилий и моментов в сечениях по одной из собственных форм; Лг,- ¡, Мц - значения усилий и моментов, возникающих в сечениях по ^/-ым формам колебаний, в соответствующих направлениях ОХ, ОУ; п - число форм колебаний железобетонных элементов, учитываемых в расчете; К5,(у) -

упругопластический коэффициент, значения которого принимаются по табл. 2 и зависят от класса бетона и арматуры, конструктивных особенностей элементов и их форм колебаний, а также от остаточных деформаций.

Далее произведен проверочный динамический расчет и уточнение предварительно заданных сечений железобетонных элементов с учетом неупругих

(22)

(23)

деформаций. Методика расчета использована при проектировании железобе-

тонных каркасных зданий с расчетной сейсмичностью 9 баллов.

Таблица 2,

Прогнозирование состояния конструкций зданий и сооружений

Прогноз сейсмических воздействий, баллы Общая характеристика напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций Значение упруго-пластическо го коэффициента К, Состояние сейсмостойкого здания после землетрясения

7 Упругие и неупругие деформации элементов ' '" Е_ 0,85*0,9 Трещины и повреждения в ограждающих конструкциях. Переход в предельное состояние некоторых несущих элементов.

8 Развитие неупругих деформации элементов £ь * 0,65-ь0,8 Появление силовых трещин и повреждений в несущих конструкциях. Изменение динамических характеристик железобетонных конструкций от цикла к циклу.

9 Развитие пластических деформации в отдельных элементах. Нарушение прочности = £ь.„ £. = £..т <Рт ^ 9. 0,55*0,72 Разрывы в конструкциях, сопряжениях и опорных частях. Изменение рас-четно-конструктивной схемы здания. Уменьшение прочности и увеличение деформаций -в несущих конструкциях.

10 Степень развития пластических деформаций во всех элементах различна во времени. Нарушение общей устойчивости здания. Е„> £Ьп - разрушение сжатого бетона или £, > " обрыв арматуры 0,35+0,6 Разрушение несущих железобетонных конструкций. Сдвиги и обрушение конструкции зданий. Опрокидывание отдельных отсеков или рам.

Анализ динамического расчета зданий показал, что в области сопряжения железобетонных колонн с ригелями возникают максимальные изгибающие моменты при действии сейсмических нагрузок. В работе для достижения равно-прочности и экономичности сопряжения ригеля с железобетонной колонной

предложены варианты переноса сварного шва и зоны максимального момента ригеля вследствие удлинения арматурного каркаса ригеля. Предлагаемые варианты соединения колонн с ригелями и их описание приведены в работе. Проведенные исследопан!1я и опыт проектирования и строительства подтвердили высокую надежность рекомендованных вариантов соединения ригелей с монолитной колонной при знакопеременных нагрузках типа сейсмических.

На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований сформированы новые принципы прогнозирования сейсмостойкости железобетонных конструкций зданий. Предложен критерий сейсмостойкости, определяющий возможный ущерб от землетрясении и повторяемости сейсмических воздейстзгй. Построен график повторяемости землетрясений.

Для сейсмостойкости зданий и сооружений в работе предложены и приняты при проектировании симметричные и рациональные конструктивные решения с равномерным распределением масс и жесткостен несущих железобетонных конструкций. Учтены эксцентриситеты между центрами тяжести и жесткости здания, способствующие появлению крутящих моментов в плане зданий. Предложены предельные размеры зданий и их элементов, касающихся протяженности и высоты зданий в зависимости от расчетной сейсмичности площадки строительства. Разработаны новые конструктивные решения, узлы сопряжения ригелей и колонн, фундаментов, учитывающие неупругие и пластические деформации при сейсмических воздействиях.

Предложенные методы расчета железобетонных конструкций зданий позволяют более достоверно учитывать сейсмические нагрузки, что приводит к повышению уровня надежности сейсмостойких зданий и сооружений. Принятые модели сейсмических воздействий на здания и сооружения допускают возможность учета деформированной расчетно-конструкшвнои схемы во время землетрясения и позволяют прогнозировать переход здания в предельное состояние. Совместный учет вертикальной и горизонтальных составляющих

сейсмических сил позволяет более достоверно определять реальные жесткост-иые параметры железобетонных элементов при объемном напряженно-деформированном состоянии здания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований развиты теоретические основы и методы динамического расчета сейсмостойкости зданий и сооружений. Новые данные, полученные при исследованиях напряженно-деформированных состояний железобетонных стержней, плит, оболочек и каркасных зданий, позволили разработать рекомендации по рациональному проектированию сейсмостойких железобетонных конструкций и предложения по прогнозу пространственного состояния здания при сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами реальных землетрясений. В рамках этих исследований получены следующие наиболее важные результаты:

1. На основе мировых и региональных инструментальных записей реальных акселерограмм землетрясений предложена модель формирования сейсмических воздействий на здания и сооружения. Для модели сейсмических воздействий П{ питы следующие параметры: максимальная амплитуда, период, длительность, форма спектра реакции и тип грунтовых условий. Оценена роль каждого параметра. Установлено, что изменение периодов и длительностей в зависимости от параметров очага и сейсмологической среды характеризуется как общими закономерностями, проявляющимися в разных районах мира, так и региональными особенностями. Для сейсмоактивной зоны г.Алматы получены периоды 0.12 ... 1.5 с, приводящие к деформациям и повреждениям различной степени несущих конструкций зданий.

2. Получены аналитические зависимости «напряжение-деформация», характеризующие деформирование бетона и арматуры при знакопеременных на-гружениях типа сейсмических на основе минимизации функционалов среднеквадратичного отклонения теоретической диаграммы от экспериментальной. Построены диаграммы деформирования материалов, зависящие от интенсивно-

сти сейсмического воздействия, классов бетона и арматуры и режима циклического нагружения.

3. Получены теоретические зависимости "момент - кривизна", подтвержденные экспериментальными данными, для изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов при сейсмических нагружениях. Установлено, что наличие продольной сжимающей силы смещает начало отсчета деформации бетона и арматуры на расчетной диаграмме деформирования в область деформаций сжатая во внецентренно сжатом железобетонном элементе. Выявлено изменение деформации по высоте сечения внецентренно сжатого элемента в процессе действия изгибающего момента при повторных сейсмических нагружениях. Несущая способность элемента снижается до 18%.

4. Получены диаграммы деформирования железобетонных конструкций при сейсмических нагружениях с использованием реальных акселерограмм землетрясений в Байсорунске (1990г.). Результаты обработки и инструментальные записи этих землетрясений приняты в качестве базовых для исследования и динамических расчетов железобетонных конструкций зданий и сооружений.

5. Для аналитических методов расчета конструкций зданий предложена методика получения упрощенной диаграммы деформирования на ветвях разгрузки и повторного нагружения. Для диаграммы "напряжение - деформация" бетона и арматуры принята кусочно-линейная аппроксимация.

Выявлено, что криволинейная эпюра напряжений при последующих циклах разгрузки переходит в треугольную и сохраняется в виде треугольной при. дальнейшем деформировании.

6. Разработан метод динамического расчета стержневых железобетонных конструкций с податливыми опорными закреплениями в упругой и упругоплз-стической стадиях при действии сейсмических нагрузок.

В зависимости от упругопластического и пластического деформирования железобетонных элементов и узлов установлены различные уровни сейсмостойкости конструкций при переходе всего здания в предельное состояние.

Выявлены резервы несущей способности изгибаемых железобетонных элементов с учетом податливости опорных узлов и конструкций при знакопеременных нагрузках типа сейсмических, допускающей упругопластические дс-_ формации в сопряжениях. Сравнения результатов расчета изгибаемых железобетонных элементов с экспериментальными дают хорошую сходимость.

7. При сейсмических воздействиях необходимо учитывать совместные действия изгибающих моментов, продольных и поперечных сил в железобетонных конструкциях здания. Учет совместного действия момента и поперечной силы позволил выявить влияние знакопеременных повторных нагружений при деформировании железобетонных элементов. При этом наблюдается снижение несущей способности конструкций на 15 - 25%.

8. Установлены условия сейсмостойкости зданий, гарантирующие стабилизацию деформации в изгибаемых и внецентренно сжатых элементах после повторного сейсмического нагружения, а на соответствующих диаграммах деформирования выявлены "петли в виде упругопластического гистерезиса".

Условие сейсмостойкости получено (Хсгс^Х*) по предельной кривизне сечения железобетонного элемента. Выявлено, Что при повторных сейсмических воздействиях величина максимального усилия в изгибаемых и внецентренно сжатых элементах увеличивается постепенно, а при разгрузке соответствующие остаточные деформации не увеличиваются. Вводятся предельные значения, ограничивающие накопление неупругих деформаций по бетону и арматуре: £¿,„=0,0035-^0,004; £-«,=0,015^0,025; при ванной сварке £ш =0,012.

9. Получены этапы развития пластических зон в железобетонных элементах, позволяющие прогнозировать несущую способность конструкций зданий в условиях землетрясений средней и высокой интенсивности. Оценка влияния упругопластических деформаций на сейсмостойкость железобетонных конструкций произведена отношением К3 максимального относительного ускорения при упругой работе элементов (А^ к предельному (А^. Получены значения упругопластического коэффицйента К, при исследованиях железобетонных кар-

касных зданий, изменяющиеся в пределах 0,24...0,53 с преобладающими периодами колебаний для Алматннской сейсмогенерирующей зоны, где проявляются высоко-, средне- и низкочастотные колебания основания. Для практических расчетов каркасных зданий предлагается принять /<,=0,45.

10. Предложены методы расчета железобетонных конструкций зданий на двух- и трехкомпонентные сейсмические воздействия, задаваемые акселерограммами реальных землетрясений. Установлено, что сформулированные расчетные модели сейсмических воздействий для железобетонных каркасных зданий более точно учитывают процесс накопления возможных повреждений и изменения напряженно-деформированного состоянии несущих железобетонных элементов. Расчет по разработанным методикам хорошо согласуется с испытаниями железобетонных элементов- и узлов каркасов и расхождение составляет 8,7%.

11. Получены новые формулы, позволяющие определять свободные поперечные колебания железобетонных плот и оболочек покрытий с различными контурными конструкциями. Установлен безразмерный коэффициент К,, учитывающий упругость и податливость опорных контуров. Анализируются свободные и вынужденные колебания плиг и оболочек с трещинами, учитывающие реальные жесткости опорных контурных конструкций. Сопоставления расчетов и экспериментов дают хорошую сходимость результатов.

12. Разработаны методы динамического расчета железобетонных каркасных _протяженных в плане зданий при землетрясениях средней и высокой интенсивности, учитывающие региональные сейсмологические особенности. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены "нижние и верхние условия" сейсмостойкости железобетонных конструкций, соответствующие упругой и неупругой работе здания. Выявлено, что при неупругом деформировании конструкции происходят изменения расчетно-конструктивной формы здания, связанные с трехкомпонентным движением основания. Предложены уточненные расчетные модели, позволяющие с достаточ-

ной точностью определять реальные жесткостные характеристики железобетонных элементов в расчетных сечениях при объемном напряженно-деформированном состоянии здания во время и после землетрясений.

13. Предложена новая методика определения сейсмических нагрузок, учитывающая пространственный характер распределения сейсмических воздействий на железобетонные конструкций покрытия. Получены частоты, формы и логарифмические декременты колебаний оболочек как в вертикальном, так и в горизонтальных направлениях. Учитывается нелинейное деформирование опорных контурных конструкций, влияющее на значения частот собственных вертикальных и горизонтальных колебаний железобетонных покрытий. Установлено, что наличие в железобетонных оболочках с разными контурными конструкциями неупругих деформаций существенно повышает его энергопоглощаемость, что приводит к снижению динамического эффекта при определении сейсмической нагрузки. Построен новый график для определения коэффициента динамичности. Максимальные значения коэффициента динамичности составили Д=5,5. Оценка совместного учета вертикальной и горизонтальных составляющих сейсмической нагрузки при расчете'пространственного здания позволяет более достоверно прогнозировать изменения напряженно-деформированного состояния железобетонной оболочки покрытия в трех направлениях. Расчетные данные достаточно хорошо согласуются с опытами.

14. Предложен метод динамического расчета железобетонных оболочек покрытий при трехкомпонентных сейсмических воздействиях. Определены перемещения и деформации в оболочке при малоцикловых режимах нагружения Установлено, что значения нормальных и сдвигающих усилий, изгибающих ь крутящих моментов зависят от параметров оболочек и длины сейсмическое волны. Сравнения расчетов и испытаний оболочек с трещинами дают расхождения до 27%.

15. Разработаны рациональные конструктивные решения, на основе экспериментально-теоретических исследований и системного подхода к проекти-

рованию, для строительства в сейсмических районах Казахстана и СНГ. Экспериментальные испытания предложенных железобетонных конструкций, опор и узлов сопряжения показали достаточную надежность их в работе и внедрены в практику проектирования и строительства в г.Алматы.

Установлено, что предложенные сейсмостойкие конструкции фундаментов снижают сейсмические нагрузки до 25% на здания за счет податливости и перераспределения усилий между опорными кольцевыми элементами при землетрясениях.

16. Новые формулы и основные положения «Рекомендации по совершенствованию расчета и проектирования железобетонных конструкций зданий при сейсмических воздействиях» предлагаются к внедрению при изменениях и дополнениях разделов СНиП 11-7-81* и СН PK Б.22-7-95 по застройке г.Алматы и прилегающих территорий с учетом сейсмического микрорайонирования.

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Нурмаганбетов Е.К. Динамический расчет пологих висячих армированных оболочек покрытий за пределом упругости. // Известия вузов Казахстана. Сер. «Строительство и архитектура». Вып.1. Алма-Ата: МВиССО Каз.ССР, 1973.-с. 63-64.

2. Нурмаганбетов Е.К. Экспериментальные исследования сейсмостойкости зданий с покрытиями в виде пологих оболочек на крупноразмерных моделях. // Исследования сейсмостойкости сооружений и конструкций. Сб. науч. трудов «КазпромстройНИИ-проекта». Вып. 8(18). Алма-Ата: Казахстан, 1976. -с. 93-99.

3. Нурмаганбетов Е.К. Проектирование сейсмостойких сборно-монолитных оболочек с учетом деформаций опор. // Экспресс-информация. Промышленное строительство». Алма-Ата: КазЦНТИС Госстроя Каз.ССР, 1976. -8 с.

4. Нурмаганбетов Е.К. К исследованию работы железобетонных оболочек покрытий при динамическом воздействии. // Исследование сейсмостойкости сооружений и конструкций: Сб. науч. трудов «КазпромстройНИИпроекта». Вып. 9(19). Алма-Ата: Казахстан, 1977. с. 106-110.

5. Жунусов Т.Ж., Жив A.C., Нурмаганбетов Е.К. и др. Исследование и проектирование пространственных конструкций покрытий для сейсмических районов Казахстана. // Международная конференция по облегченным пространственным конструкциям покрытий для строительства в обычных и сейсмических районах. Алма-Ата, 13-16 сентября 1977, (на англ. языке). Доклады. - М,: Стройиздат, 1977. - с. 194-198.

6. Нурмаганбетов E.K. Рук.: Разработка методических рекомендаций по планированию повышения технического уровня и экономической эффективности проектных решений в промышленном, сельскохозяйственном и гражданском строительстве. // Науч.-техн. отчет РИИ: № гос. per. 80069231, инв. №140. -Рудный, 1980.-49 с.

7. Нурмаганбетов Е.К. Рук.: Анализ экспериментально-теоретических исследований жестких узлов сопряжений многоэтажных каркасов межвидового применения для строительства в сейсмических районах. // Научно-техн. отчет ААСИ: № гос. per. 01860066267, инв. 24148. - Алма-Ата, 1985.-41 с.

8. Нурмаганбетов Е.К. Экспериментальные исследования висячих вант и оболочек на моделях. // Всесоюзное научно-техническое совещание. «Экспериментальные исследования и испытания строительных металлоконструкций». Мат. докладов. Львов, ЛПИ, 1987. - с. 167-168.

9. Нурмаганбетов Е.К. Свободные поперечные колебания квадратной пластинки с упругим контуром. // Строительная механика и расчет сооружений. 1988,№2.-с. 76-78.

10. Нурмаганбетов Е.К. Испытание моделей оболочек покрытий на импульсивные воздействия типа сейсмических. И Бюллетень строительной техники. М.: Стройиздат, 1989, №12, С. 32.

11. Нурмаганбетов Е.К., Скориков A.B. Свободные колебания пологой сферической оболочки с упругим контуром. II Строительная механика и расчет сооружений. 1989, №3, С. 49-51.

12. Нурмаганбетов Е.К. Системный подход к проектированию модульных зданий. // Проектирование и инженерные изыскания. 1990, №4, С. 7-8.

13. Нурмаганбетов Е.К. Осесимметричные свободные колебания круглых плит с упругим кошуром. // Пути повышения эффективности капитального строительства. Межвуз. сб. науч. трудов Алма-Ата: КазПТИ, 1990. - с. 84-86.

14. Нурмаганбетов Е.К. Применения метода декомпозиций к определению свободных поперечных колебаний прямоугольных ортотропных плит с упругим контуром. // Строительная механика и расчет сооружений. 1990, №1. - с. 55-58.

15. Нурмаганбетов Е.К., Рудник Е.А. Работа стыковых соединений с колонной в железобетонном каркасе при сейсмических нагрузках. // Бетон и железобетон, 1990, №5. - с. 8-9.

16. Нурмаганбетов Е.К., Суров К.Л. Определение универсальных жестко-стных параметров железобетонных конструкций. И Бетон и железобетон, 1990, №9. -с. 18-19.

17. Нурмаганбетов Е.К/, Римшин В.И. Методика определения напряжений магнитоупругими датчиками типа Ц-24-500 в трехоснонапряженных железобетонных конструкциях. // Бюллетень строительной техники. М.: Стройиздат,

1990, №4.-с. 11.

18. Нурмаганбетов Е.К. Определение прочности изгибаемых стержневых железобетонных элементов по нормальным сечениям. // Бетон и железобетон,

1991, Ns3. - с. 18-19.

19. Нурмаганбетов Е.К. Расчет железобетонных плит с различными контурными условиями. // Научно-технический прогресс в строительстве и пути ее ускорения в новых условиях хозяйствования. Межвуз. сб. науч. трудов. Алма-Ата: КазПТИ - МВнССО Каз.ССР, 1991. - с. 80-86.

20. Нурмаганбетов Е.К., Уразиманов М.Р. Натурные испытания железобетонных узлов каркаса многоэтажных сейсмостойких зданий. // Технологические процессы в промышленности строительных материалов. Межвуз. сб. науч. трудов. Алма-Ата: КазПТИ - МВиССО Каз.ССР, 1991. - с. 96-98.

21. Нурмаганбетов Е.ЬС. Поперечный изгиб стержневых железобетонных элементов. // Бетон и железобетон, 1991, №9. - с. 16-18.

22. Нурмаганбетов Е.К., Акименко Т.П. Оптимальная структура модульных элементов зданий в комбинаторном формообразовании. // Совершенствование архитектуры и градостроительства Казахстана. Межвуз. сб. науч. трудов. Алма-Ата: КазПТИ - МВиССО Каз.ССР, 1991. - с. 66-69.

23. Нурмаганбетов Е.К., Бобров Ф. Исследование пространственной работы блок-комнаты. // Бюллетень строительной техники. М.: Стройиздат, 1991, №5. - с. 27.

24. Нурмаганбетов Е.К., Искакова Щ.А., Шарбакова Л .Ж. Особенности расчета и проектирование зданий из объемных блоков. /У Совершенствование архитектуры и градостроительства Казахстана. Межвуз. сб. науч. трудов. Алма-Ата: КазПТИ - МВиССО Каз.ССР, 1991. - с. 71-73.

25. Нурмаганбетов Е.К. Поперечный изгиб сжатых стержневых элементов. // Бетон и железобетон, 1992, №6. - с. 17-19.

26. Нурмаганбетов Е.К. Расчет плоских железобетонных рам. // Бетон и железобетон, 1993, №4. - с. 21-22.

27. Нурмаганбетов Е.К., Аубакиров Г.Т. Оценка прочности изгибаемых железобетонных элементов. // Вестник высшей школы Казахстана: «Поиск», науч. журнал Мин. обр. РК, Алматы, 1995, №1. - с. 101-105.

28. Нурмаганбетов Е.К. О применении метода декомпозиции к исследованию колебаний плит с разными коэффициентами упругости контура. // Исследования сейсмостойкости сооружений и конструкций: Сб. трудов/ Под ред. Жунусова Т.Ж. - Алматы: КазНИИСА, 1996. - с. 232-234.

- 29. Нурмаганбетов Е.К., Аубакиров Г.Т. Особенности расчета стержневых железобетонных элементов при действии статических и динамических нагрузок. // Вестник высшей школы Казахстана. «Поиск», научный журнал Мин. оор. РК. Алматы: 1997, №2. - с. 141-146.

30. Нурмаганбетов Е.К. Учет вертикальной составляющей сейсмической лагрузки при расчете пространственного покрытия здания. // Исследования сейсмостойкости сооружений и конструкций. Сб. трудов. Алматы: КазНИИСА, 1997.-с. 170-175.

31. Нурмаганбетов Е.К\ Вопросы сейсмостойкости большепролетных покрытий зданий. // Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций. Сб. науч. трудов. КазГАСА. Алматы: Рауан, 1997. - с. 36-

Зо.

32. Байнатов Ж.Б., Нурмаганбетов Е.К. Расчет и проектирование сейсмостойких зданий и сооружений. // Учебное пособие. АлматьсКазГАСА, 1997 -146 с.

33. Нурмаганбетов Е.К. Висячие покрытая. // Учебное пособие (на каз.. языке). Алматы: КазГАСА, 1997. - 124 с.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.92 г.

Подписано в печать 23.01. 98 г. Формат 60x841Д6 Псч. офсетная

И- 4 Объем I пл. Т. 100 Заказ XI

Московский государственный строительный университет Типография МГСУ, 129337, Москва, Ярославское ш.,26