Повышение сейсмостойкости жестких высотных зданий сложной макроструктуры
Здание сложной макроструктуры — это здание, состоящее из двух или более корпусов, объединенных перемычками или связями.
Одной из целей использования зданий сложной макроструктуры (ЗСМ) является повышение их горизонтальной жесткости и комфортности при колебаниях от действия ветровых нагрузок.
Как известно, крестовые связи и регулярная связевая решетка наделяют здание высокой жесткостью при ветровом воздействии и, как следствие, повышают собственные частоты и инерционные силы при сейсмическом воздействии. Жесткие здания становятся уязвимыми при сейсмических воздействиях.
Разрешить это противоречие можно введением в ЗСМ внутренних упругопластических связей (УПС), которые при ветровых воздействиях работают упруго. При достижении усилиями в связях усилий срабатывания УПС снижают горизонтальную жесткость здания, делают его податливым и уменьшают инерционные силы.
Рассмотрим ЗСМ, состоящее из двух башен, связанных распорками и крестовыми связями (рис. 1, 2). Жесткость и сейсмостойкость здания из плоскости работы связей обеспечивается большим размером поперечного сечения башен в этом направлении. Как известно, низшая форма колебаний составного стержня связана с большими усилиями в раскосах нижних ярусов, играющих роль связей сдвига между башнями. Поэтому упругопластические связи должны быть введены именно в эти элементы.
Возможен вариант, когда упругопластической связью является весь раскос, работающий только на растяжение и выключающийся при работе на сжатие. В этом случае раскос выполняется в виде металлической полосы, ослабленной отверстиями специальной формы.
Эффективный метод расчета таких систем реализован в программном комплексе МicroFE.
Рассмотрим ЗСМ, изображенные на рисунках 1 и 2. Это двухбашенные ЗСМ высотой 160 м (40 этажей). Габариты башен — 16х54 м,
расстояние между башнями — 24 м. Здания объединены ферменной системой двух (рис.1) или пяти (рис. 2) крестовых связей. Расчетная бальность района по шкале Рихтера принята 6 баллов. Расчет по спектральной теории дает усилие срабатывания в первом уровне, равное 4 000 кН. Сечение металлических связей — 200 кв. см.
В версии 2006 г. программного комплекса МicroFE реализован сейсмический расчет сооружений по акселерограммам при условии, что упругопластические связи являются внешними. Поэтому, с учетом косой симметрии задачи, перейдем к рассмотрению отдельной башни, где раскосы заменяются внешними моментными связями, приложенными в середине высоты панелей (рис. 1, 2).
Путем несложных преобразований получим, что жесткость моментной связи Rz при наклоне связей 450 равна Rz= 8 EF,
где: Е — модуль упругости стали, F — площадь поперечного сечения диагональной связи.
При этом площадь поперечного сечения равна F=Ncр /Ry,
где: Nср — усилие срабатывания раскоса, т. е. такое усилие в каждой конкретной диагонали, при котором она переходит в пластическую стадию своей работы, Ry — предел текучести стали.
Тогда момент срабатывания эквивалентной моментной связи равен Мср= 8 Nср.
Аналогично можно найти остальные эквивалентные жесткости моментных связей.
Произведено два расчета: здание с одиночным ригелем-перемычкой (рис. 1) и здание со связевой треугольной решеткой, регулярной по высоте (рис. 2). Двойная перекрестная связь, установленная в зоне 2/3 высоты здания, при варьировании жесткости показала зону снижения ускорений до величин отдельно стоящего здания при определенном подборе величин жесткости и усилия включения УПС. Подбор жесткостей показал возможность выключения связей и работу УПС как пластических при усилиях срабатывания 500 кН·м (таб. 1). При этом удается снизить ускорения с 0,41 м/c2 до 0,27 м/c2, равному ускорению свободностоящего здания.
Параллельно рассмотрена система, соединенная решеткой шести крестовых связей, распределенных по всей высоте. При действии кососимметричной сейсмической нагрузки крестовые связи описаны 5-ю моментными связями. Подбор усилия срабатывания и жесткостей, по расчету по спектральной теории, показал переменные усилия, убывающие аналогично значениям поперечных сил в составном стержне.
Подбор жесткостей показал возможность выключения связей и работу УПС как пластических при усилиях срабатывания 100–600 кН·м (таб. 2). При этом удается снизить ускорения с 0,61 м/c2 до 0,48 м/c2, равному ускорению свободностоящего здания.
Проведенный анализ показывает, что применение упруго-пластических связей позволяет снизить ускорения колебаний высотного здания сложной макроструктуры при сейсмическом воздействии, а значит снизить сейсмические силы и усилия в элементах башен.
| Автор: А. А. Смирнов Дата: 31.07.2008 Журнал Стройпрофиль 5-08 Рубрика: монолитное домостроение. опалубочные системы Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |