Короткая колонна обладает высокой жесткостью, которая притягивает большую часть силы, действующей на многоэтажное здание. Неадекватная конструкция короткой колонны, способная выдержать эти силы, приведет к повреждению и разрушению при сдвиге. Такое поведение короткой колонны под действием чрезмерной силы называется эффектом короткой колонны.
Короткие колонны требуют особого внимания, поэтому их рекомендуется избегать при проектировании зданий, особенно в сейсмоопасных районах. Эффект короткой колонны является катастрофическим, так как она подвергается хрупкому разрушению при сдвиге. Явление эффекта короткой колонны, его результаты и способы устранения описаны ниже.
Эффект короткой колонны
В некоторых зданиях либо из-за особенностей грунта, либо из-за необходимости установки промежуточной балки требуется возведение коротких колонн, как показано на рисунке 1 ниже. Различные структурные конфигурации также требуют применения коротких колонн.
Рис.1. Короткие колонны, используемые в различных условиях строительства (Алькатамин, Талпоси)
Короткие колонны более жесткие по сравнению с длинными колоннами, и поэтому большая часть сил землетрясения, действующих на здание, воспринимается короткими колоннами (рис. 2). Чем больше жесткость любого структурного элемента, тем меньше его гибкость к любым деформациям. Проектирование здания на случай землетрясения становится более эффективным благодаря гибкости конструкции.
Рис.2. Короткие колонны притягивают большую сдвигающую силу по сравнению с длинными колоннами (Alqatamin, Talposi)
Чем больше жесткость, тем больше сила, необходимая для возникновения деформации. Если короткие колонны не рассчитаны на такую большую силу, это приводит к повреждению колонны и, следовательно, к разрушению конструкции. Это называется эффектом короткой колонны.
Короткая колонна разрушается при сдвиге посредством х-образной трещины. Сила сдвига, создаваемая в короткой колонне, будет в 8 раз больше силы сдвига, создаваемой в длинной колонне.
Рис.3. Х-образные трещины в коротких колоннах многоэтажного здания
Поведение коротких колонн во время землетрясений
Здание, построенное на наклонном грунте, как показано на рис. 1, при землетрясении вынуждено двигаться вместе с полом. Если присутствуют как длинные, так и короткие колонны, большая часть силы притягивается короткими колоннами, и они получают больше повреждений по сравнению с длинными колоннами.
Эффект коротких колонн также наблюдается в колоннах, поддерживающих чердачные перекрытия или мезонинные этажи (рис. 1). Эти элементы добавляются между двумя существующими этажами.
Другой случай – наличие короткой и длинной колонн на одном уровне пола, как показано на рисунке 4 ниже. Здесь также короткая колонна оказывает большее сопротивление по сравнению с длинной. Таким образом, короткие колонны подвергаются большему усилию и разрушению.
Короткие и длинные колонны на одном уровне пола (Alqatamin, Talposi)
Средства для устранения Эффект короткой колонны
1. Первое возможное решение – избежать использования короткой колонны на этапе архитектурного проектирования.
2. Согласно кодексу ACI, для тех колонн, которые могут подвергнуться эффекту короткой колонны, требуется специальное ограничивающее армирование, называемое вязкой арматурой. Арматура должна распространяться на колонны, расположенные ниже и выше, на определенную величину, как указано в стандартах.На рисунке 5 ниже показана детализация армирования короткой и длинной колонн.
Детали армирования коротких и длинных колонн; (Alqatamin, Talposi)
3. Для того чтобы уменьшить эффект коротких колонн в существующем здании, короткие колонны между двумя этажами вырезаются. Проемы закрываются путем возведения стены во всю высоту здания.
4. Если возведение стен невозможно, короткие колонны должны быть дооборудованы любыми существующими методами. Это должен осуществить качественный инженер-строитель, имеющий достаточный опыт в данной области.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Взаимодействие грунта со структурой – эффекты, анализ и применение в проектировании.
- Факторы, влияющие на степень повреждения зданий при землетрясении.
- Эксплуатационные характеристики различных типов зданий во время землетрясения.
- Высотные сооружения.
- Мягкая этажность в зданиях и ее уязвимость перед землетрясениями.
- Структурная гибкость зданий – проектирование и строительство адаптируемых зданий.