Пахмурин О.Р.   Михайлов В.С.   Хамгушкеев М.С.  

Влияние генетически нелинейного приложения внешних воздействий на основной тон колебаний и напряженно-деформированное состояние железобетонных каркасных зданий на податливом основании

Докладчик: Хамгушкеев М.С.

При проектировании многоэтажных железобетонных каркасных зданий возникает две комплексные задачи. Вопрос первой задачи связан с необходимостью обеспечения достаточной жесткости здания для его комфортной и безопасной эксплуатации. Эта задача решается путем корректного расположения в плане этажа и подбора сечений диафрагм жесткости. Качество такой компоновки жесткостных параметров здания может быть проверено выполнением модального анализа расчетной схемы. В то же время возникает вторая задача, для решения которой необходим учет генетической нелинейности статически неопределимых систем, каковыми являются многоэтажные железобетонные каркасные здания. Учет истории нагружения существенен в зданиях со значительной долей собственного веса конструкций в суммарном сочетании воздействий. В качестве примера некорректной компоновки жесткости каркаса многоэтажного здания авторы приводят последствия в аварийном семнадцатиэтажном жилом доме в г. Кемерово, и на его основе демонстрируют с использованием вычислительного комплекса SCAD влияние генетически нелинейных эффектов на основной тон и напряженно-деформированное состояние конструкций на жестком и податливом основании.

Достаточно часто инженерами-проектировщиками допускаются ошибки из-за размещения диафрагм жесткости в плане здания на основании умозрительных экспертных оценок. При этом достаточно точной и простой является аналитическая компоновка диафрагм жесткости здания с типовым этажом планировки по допустимым деформациям путем статического решения задачи. Количество и габариты сечения диафрагм при этом подходе подбираются по изгибной жесткости и допустимым горизонтальным прогибам для многоэтажных зданий. Несмотря на рекомендации максимального удаления диафрагм жесткости от центра кручения на плане этажа, для их наиболее оптимального размещения на плане этажа следует уточнять крутильную жесткость диафрагм при допущении о применимости гипотезы плоских сечений для предварительного укрупненного решения компоновочной задачи.

Качество предварительной компоновки на основании статического решения задачи может быть повышено путем дополнительной аналитической проверки динамических характеристик консольной динамической модели многоэтажного железобетонного каркаса. Основной тон колебаний зависит от распределения масс и жесткости сооружения, которое может быть представлено в виде простейшей консольной задачи с плоским сечением сложной формы. В этом случае наличие информации об изгибной и крутильной жесткости позволяет заведомо оценить ожидаемый основной период собственных колебаний. Несмотря на удобство аналитического решения только для простых одномассовых систем, такой подход позволяет сравнить период собственных колебаний при учете изгибной или крутильных жесткостей, чтобы гарантированно обеспечить две первые основные формы собственных колебаний системы изгибными, а третью форму в качестве крутильной. Данное требование согласно СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» позволяет отнести здание к сооружениям простой формы в плане с учетом сейсмических воздействий только по двум направлениям, но оно имеет рекомендательный характер. Например, в отличии от отечественных нормативов в сейсмических нормах Республики Казахстан и Народной Республики Китай присутствует официальное требование для обеспечения двух первых изгибных форм собственных колебаний.

После завершения предварительной компоновки диафрагм жесткости каркаса с учетом допустимых прогибов, и обеспечения первых двух изгибных форм собственных колебаний, а также динамической комфортности, при котором максимально ускорение этажа здания не должно превышать допустимой величины, в расчетном комплексе SCAD авторами рекомендуется выполнение модального анализа. Результаты расчета пространственной динамической модели здания будут иметь более высокую степень достоверности, в отличие от аналитических расчетов укрупненных характеристик здания как для одномассовой консольной задачи. Помимо этого, вычисляемый в модальном анализе основной период собственных колебаний расчетной схемы, авторы рекомендуют сравнивать со статистическими данными об интервалах допустимых значений основного тона многоэтажных зданий, которые были обобщены за несколько десятилетий сейсмомониторинга СССР и приводятся в справочном приложении Ж ГОСТ Р 54859-2011 «Определение параметров основного тона собственных колебаний». Следует учесть тот факт, что для повышения достоверности вычисляемого методом конечных элементом основного тона колебаний здания, является обязательным учет податливости основания. Валидация же корретности построения расчетной схемы рекомандована не только сравнением результатов расчета с приложением Ж ГОСТ Р 54859-2011, но и путем сравнения с инструментальными измерениями в рамках этого же нормативного документа с использованием сейсмометрического оборудования, например прибора "РЕГИСТР" от Лаборатории Сейсмометрии Института Физики Земли УРО РАН. 

Вторая часть исследования основана на выполнении сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния многоэтажного железобетонного каркаса для результатов линейного и генетически нелинейного расчета железобетонного каркасного здания. Сравниваются расчетные схемы на жестком основании, на податливом основании постоянной жесткости, на податливом основании переменной жесткости, учитывающей динамический модуль упругости грунта на последней стадии загружения в момент приложения динамических воздействий.

Таким образом, опираясь на результаты численно-аналитического исследования, авторы демонстрируют высокую значимость учета стадийности возведения и истории изменения жесткостных параметров расчетной схемы при проектировании многоэтажных железобетонных каркасных зданий. Отраженная методология предварительной аналитической компоновки каркаса, формализованная с целью качественного выполнения второй части исследования, может быть полезна в том числе для классических линейных расчетов зданий и сооружений, в которых значение собственного веса конструкций не имеет решающего эффекта в суммарных комбинациях воздействий.


К списку докладов