Скручивание зданий является одним из факторов, вызывающих серьезные разрушения во время землетрясений. Обычно это происходит в зданиях из-за неравномерности жесткости в плане и высоте зданий, а также из-за неравномерности массы в плане и высоте зданий.
Поэтому, когда происходит землетрясение, сейсмические силы вызывают большее движение на той стороне здания, где масса перекрытий больше или вертикальные элементы распределены не с одинаковой концентрацией по сравнению с другой стороной.
Причины скручивания зданий во время землетрясения
1. Неравномерность жесткости в плане
Неравномерность жесткости в плане возникает из-за использования колонн разного размера, наличия структурной стены с одной стороны здания, или наличия лестничной или лифтовой клетки на одном углу здания, рис. 1.
Факторы, вызывающие нарушения жесткости и последующее скручивание во время землетрясений
Здания с неравными вертикальными элементами, такими как колонны, стены или их комбинация, при сотрясении основания в определенных направлениях под действием сейсмических сил, их перекрытия скручиваются вокруг вертикальной оси и смещаются в горизонтальном направлении, как показано на рис. 2.
Здания с одной или двумя более тяжелыми сторонами скручиваются в направлении этой стороны во время землетрясений
Аналогично, здания, у которых стены только с двух сторон или с одной стороны и тонкие колонны с другой, скручиваются при сотрясении на уровне земли, рис. 3.
Скручивание здания во время землетрясения из-за нарушений жесткости
2. Асимметрия масс в плане зданий
Если масса на полу здания больше на одной стороне, то эта сторона здания больше перемещается из-за движения грунта Рис. 4. Это здание движется так, что его этажи смещаются по горизонтали, а также поворачиваются.
Даже если вертикальные элементы размещены равномерно в плане здания, большая масса с одной стороны вызывает искривление перекрытий
Например, на одной стороне здания могут располагаться складские помещения, библиотека или резервуары для воды на крыше. Резервуары для воды с большой массой обычно располагаются на углах зданий. Это влияет на распределение массы в плане. Эти неравномерности массы в плане вызывают скручивание зданий во время землетрясения из-за несовпадения центра масс и центра жесткости.
Здания скручиваются во время землетрясения из-за несовпадения линии действия силы инерции
3. Неравномерность жесткости по высоте
Неровности жесткости возникают в зданиях в результате конструктивных и архитектурных соображений. Здания, имеющие неправильную форму в плане, склонны к искривлению при землетрясении. Например, в выпирающем нависающем здании Рис. 6, нависающая часть раскачивается на относительно тонких колоннах под ней. Этажи скручиваются и смещаются по горизонтали.
Одностороннее открытое наземное многоэтажное здание скручивается во время землетрясения
Влияние скручивания на здания
Скручивание зданий, называемое инженерами кручением, заставляет различные части на одном и том же уровне этажа смещаться по горизонтали на разную величину. Это приводит к большему повреждению колонн и стен на той стороне, которая движется больше.
Многие здания серьезно пострадали от такого чрезмерного скручивания во время землетрясений. Лучше всего минимизировать (если не полностью избежать) такое скручивание, обеспечив симметрию здания в плане (т.е. равномерно распределенную массу и равномерно расположенные вертикальные элементы).
Если этого скручивания не удается избежать, необходимо провести специальные расчеты для учета этих дополнительных поперечных сил при проектировании зданий; в индийском сейсмическом кодексе (IS 1893, 2002) есть положения для таких расчетов. Но, несомненно, здания с кручением будут плохо работать во время сильных землетрясений.
Разрушение здания в результате скручивания, вызванного землетрясениями
- Как предотвратить скручивание бетона? [PDF].
- Факторы, влияющие на степень повреждения зданий при землетрясении.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Мягкая этажность в зданиях и ее уязвимость перед землетрясениями.
- ФИЛОСОФИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ.
- Как сотрясается земля во время землетрясений?.
- Требования к проектированию железобетонных резервуаров для воды.