Мягкая конфигурация этажей в зданиях – это тип конструкции, при котором любой один этаж здания является более гибким (менее жестким) по сравнению с другими этажами. Он может находиться внизу или в любых промежуточных точках, где этаж выше или ниже него может быть более жестким по сравнению с ним самим. Это считается слабым элементом с точки зрения сейсмических сил.
Во время землетрясения поведение мягкого перекрытия основано на критерии, что движение грунта будет искать все возможные слабые места в конструкции. Эта слабость может быть резким изменением параметров жесткости, пластичности или прочности. Эти изменения приводят к плохому распределению масс по этажу, что само по себе нежелательно.
Многие повреждения конструкций, зафиксированные в результате землетрясения, имеют основную проблему изменения жесткости и прочности вдоль их вертикальной конфигурации. Важно иметь симметрию не только в горизонтальном направлении, т.е. в плане, но и в вертикальном направлении. Это фактор, обеспечивающий поперечную жесткость. Следует максимально избегать резких изменений в вертикальном плане.
Типичным примером этого является здание с открытым этажом, где нижний этаж построен открытым для учета парковочных коммуникаций и мест для людей, как показано на рис. 1. Этот этаж, следовательно, имеет более низкую структурную жесткость по сравнению с вышележащими этажами. Он представляет собой вертикальную симметрию.
Здание с открытым этажом – нижний этаж напоминает конфигурацию мягкого этажа
Различные конфигурации мягких этажей
Конфигурация мягкого этажа возможна при различном расположении в здании. Это показано на рисунке 2. Одним из таких вариантов является сочетание открытого первого этажа и кладочного заполнения на других верхних этажах. Эта схема показана на рисунке 2(a).
Наличие стен на верхних этажах делает их намного жестче по сравнению с нижними этажами. Это заставляет верхние этажи вести себя как единый блок. Под действием динамических сил большая часть горизонтальных перемещений происходит только в нижнем мягком этаже. Это приведет к раскачиванию здания вперед-назад, как маятник, как показано на рис. 3.
Если эта неравномерность незначительна по своей природе, система будет сопротивляться сейсмическим силам в соответствии с сейсмическими нормами. Для этого инженеру-конструктору необходимо придать прочность, специально рассчитанную для данного этажа, чтобы противостоять динамической силе. Это осуществляется с помощью дополнительной пластичной детализации и дополнительных материалов, придающих прочность.
Другая схема предусматривает установку более длинных колонн на нижнем этаже, а другая – более мелких, как показано на рисунке 2(b). На рисунке 2(c) показано расположение мягких этажей, где колонны расположены прерывисто. Это само по себе создает проблемы, связанные с разрывом в передаче нагрузки, что становится серьезным под воздействием сейсмических сил.
Мягкое расположение этажей
Верхние этажи здания движутся вперед и назад как маятник при землетрясении
Структурное поведение мягкого этажа
Когда речь идет о вертикальной симметрии, т.е. о форме конструкции мягкого этажа, вместо поглощения энергии арматурой или стальными секциями в их пластических зонах, происходит более высокая концентрация энергии на уровнях мягкого этажа. Это может привести к серьезным повреждениям тех колонн, которые находятся в этой зоне.
Колонны в нижнем открытом этаже шестиэтажного здания после пластического шарнира в результате землетрясения в Китае, 2008 г.
После того как он нанес ущерб членам на мягкой истории, у него нет характера двигаться дальше и наносить ущерб другим членам. Вместо этого они оказывают свое сильное давление на тот же самый этаж. Поэтому мы видим, что большая часть конструкции над мягким этажом остается неповрежденной (рис.5).
Это объясняется жертвенным действием мягкого перекрытия. Колонны в мягком этаже не способны поглотить сейсмический ущерб в обычных случаях, и они обречены по той же причине. Но они продолжают поддерживать весь вес, приходящийся на них.
Рис.5. Полное обрушение нижнего открытого этажа квартиры, вызванное землетрясением в Нортридже. Нижний этаж был предназначен для парковки автомобилей.
Совершенствование стратегий проектирования
Последствия землетрясения в Бхудже в 2001 году для зданий из металлоконструкций потребовали особого внимания при проектировании зданий с мягкими перекрытиями в Индийском сейсмическом кодексе IS 1893 (часть 1)-2002. Первое уточнение заключается в определении того, когда здание должно рассматриваться как здание с мягким этажом и здание со слабым этажом. Второе положение заключается в определении более высокого значения усилий для конструкции с мягким этажом.
Проектирование должно проводиться путем определения усилий в каждом элементе конструкции, т.е. в колоннах, балках и стенах на сдвиг, пренебрегая учетом кладки стен или принимая здание за голый каркас во время расчета.
При расчете балок и колонн усилия равны 2,5-кратному значению усилий, полученных при анализе голой рамы для соответствующих конструктивных элементов. Когда речь идет о стенах сдвига, проектирование ведется на усилие, равное 1,5-кратному значению усилий, рассчитанных по голому заполнению.
Когда речь идет о новом плане строительства здания, рекомендуется избегать большого уменьшения или увеличения жесткости по всему зданию. Рекомендуется возводить стены и на нижнем этаже. Конструкторы должны минимизировать разрывы в конструкции стен.
Стенка сдвига в вертикальном направлении в запланированном положении для обеспечения большей устойчивости и контроля нежелательного поведения мягкого этажа
Когда речь идет о восстановлении или улучшении существующих зданий с мягкими перекрытиями, для предотвращения разрушения здания от сильного движения грунта необходимо провести дополнительное укрепление конструкции под руководством квалифицированных инженеров-строителей.
Одним из методов является заполнение всех возможных открытых этажей, которые вносят разрыв, каменной стеной, аналогичной вышележащим этажам.
Стенки сдвига в плановых позициях, которые заключены на основе анализа, являются еще одним средством восстановления, которое может улучшить жесткость и устойчивость к движению грунта. Когда открытый первый этаж очень важен и не может быть нарушен, можно предусмотреть внутренние стены, как показано на следующем плане.
Открытый первый этаж с внутренним заполнением, не мешающим парковке автомобилей
Установка системы боковой арматуры на уже построенном мягком этаже для защиты от землетрясения
Читайте далее:- ИСПЫТАНИЕ СОВОКУПНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Факторы, влияющие на степень повреждения зданий при землетрясении.
- Принципы концептуального проектирования сейсмостойких сооружений.
- Эксплуатационные характеристики различных типов зданий во время землетрясения.
- Высотные сооружения.
- Планирование строительства парковочных сооружений – Спрос на парковки и проблемы.