Определение сейсмических нагрузок

7.1. Основные этапы создания теории
сейсмостойкого строительства

В начале XIX в. японские ученые Омори и Сано впервые предложили
статическую теорию расчета сооружений на сейсмическую силу. Сооружение, в соответствии с ней, полагается абсолютно недеформируемым и
жестко заделанным в грунт. При этих условиях перемещения у, скорости у и ускорения у во всех точках сооружения одинаковы и равны
соответствующим характеристикам основания.

Расчетная схема по теории Омори и Сано.

Статическая теория предполагала передачу каждой части сооружения
такого же сейсмического ускорения, которое испытывает его основание во
время землетрясения, т е. не учитывала свободных колебаний конструкции, а также ее деформации. Применение этой теории несколько сократило число
разрушаемых землетрясениями сооружений, однако большая их часть, рассчитанная и построенная по этой теории, продолжала разрушаться.

считанная и построенная по этой теории, продолжала разрушаться.

В нашей стране в 1951 г. были введены первые Нормы проектирования для сейсмических районов ПСП 101-51, предусматривающие проектирование зданий и сооружений по статической теории. До 1957 г. в них был
принят постоянный К_с = 0,1. В течение последующих 30 лет эти нормы пересматривались четырежды: в 1957 г. - СН 8-57; в 1962 г. - СНиП П-А.12-
62; в 1969 г. - СНиП П-А. 12-69; в 1981 г. - СНиП П-7-81. Однако сама идея
коэффициента сейсмичности сохранена и в действующем СНиП П-7-81*
«Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования». Накопленный опыт строительства и проведенные исследования показали необ-
ходимость учета динамики сооружений.

Расчетная схема теории Мононобэ

Недостатками этой теории являются: отсутствие учета затухания колебаний; представление сооружения в виде системы с одной степенью сво-
боды, что не всегда корректно; нет учета наиболее сильных разрушений (часто встречающихся) в начальный момент, когда свободные колебания,
вызванные первым толчком, суммируются с вынужденными.

В теории Мононобе учитывалось влияние деформации сооружения
на ускорение его частей в период вынужденных колебаний, однако не учитывались свободные колебания конструкций. Если вспомнить, что в те годы в основном возводились сооружения большой жесткости (каменные и
кирпичные коробки небольшой высоты) с большой частотой свободных
колебаний, то практически динамический коэффициент Мононобе равнялся единице и не менял существа статической теории Омори и Сано.

В 1926 г. у нас в стране была создана динамическая теория сейсмостойкости, основоположником которой является академик Ж.С. Завриев.
Эта теория учитывает одновременное воздействие на конструкцию вынужденных и свободных колебаний.

Французский ученый М. Био в 1934 г. предложил спектральный метод определения сейсмических сил. Смысл метода заключается в том, что
на основании обработки инструментальных записей колебаний грунта (акселерограмм) при фактических землетрясениях, т е. кривых зависимости
ускорений от времени У₀(0, выводится кривая коэффициента динамичности (3(7) = 1/Г, где (3 - коэффициент динамичности, на который надо умно-
жить наибольшее ускорение основания конструкции, чтобы получить наибольшее ускорение массы; Т- период собственных колебаний конструкции.

Решая уравнения для записанных во время землетрясения акселеро-грамм грунта У₀, можно найти максимальное ускорение массы системыи максимальную сейсмическую нагрузку У_тах. Очевидно, для систем с
различными периодами собственных колебаний Т при одном и том же законе
изменения ускорений колебаний грунта У₀ (/) будут различными величины
ускорений (и соответственно, максимальные сейсмические нагрузки). Полученную зависимость -_П1ах = /('/’) называют спектром максимальных ускорений линейного осциллятора.

Модель Био

Учитывая большую сложность анализа фактических акселерограмм, М. Био предложил для решения этой задачи механическую модель -
упругую систему с одной степенью свободы с регулируемым периодом
свободных колебаний в предположении отсутствия затухания.

Модель состоит из набора упругих элементов с одной степенью свободы каждого, имеющих различные периоды собственных колебаний и установленных на подвижной платформе. Периоды колебаний модели находятся в пределах 0,1 с < Г < 2,4 с и охватывают характеристики реальных
сооружений. Платформе передавалось движение, соответствующее ускорению колебаний грунта при землетрясении; элементы моделировали по
частным характеристикам реального сооружения. Пользуясь записями ускорений масс и платформы, можно для заданного режима движения плат-
формы построить график (рис. 7.4, прерывистая линия), выражающий зависимость максимальных ускорений масс от периодов их собственных колебаний, т е. получить спектры максимальных ускорений линейного осциллятора (сокращенно - спектры ускорений).

7.2. Определение сейсмической нагрузки

В расчетах, проводимых согласно СНиП П-7-81, как правило, должны использоваться модели, позволяющие учитывать пространственный характер деформирования. При расчете зданий, имеющих простую форму в
плане и регулярную структуру по высоте, допускается применять динамическую модель, представляющую собой невесомую вертикальную
многоэлементную консоль с сосредоточенными массами (2/, (принимаемыми, как правило, в уровне перекрытий или покрытия) и с жесткой или упругой заделкой ее в основании.

Расчет конструкций и оснований зданий и сооружений, проектируемых
для строительства в сейсмических районах, должен выполняться на основные и особые сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействий.

 

 

Расчетная схема деформации здания при горизонтальных колебаниях.

При расчете зданий и сооружений (кроме транспортных и гидротехнических) на особое сочетание нагрузок, значения расчетных нагрузок следует умножать на коэффициенты сочетаний.

Горизонтальные нагрузки от масс на гибких подвесках, температурные климатические воздействия, ветровые нагрузки, динамические воздействия от оборудования и транспорта, тормозные и боковые усилия от
движения кранов при этом не учитываются.

При определении расчетной вертикальной сейсмической нагрузки
следует учитывать вес моста крана, вес тележки, а также вес груза, равного
грузоподъемности крана, с коэффициентом 0,3.

Расчетную горизонтальную сейсмическую нагрузку от веса мостов
кранов следует учитывать в направлении, перпендикулярном к оси подкрановых балок. Снижение крановых нагрузок, предусмотренное СНиП по
нагрузкам и воздействиям, при этом не учитывается.

Для зданий и сооружений простой геометрической формы сейсмические нагрузки принимают действующими горизонтально в направлении
продольных и поперечных осей и учитывают их раздельно. При расчете
сооружений сложной геометрической формы учитывают наиболее опасные для данной конструкции (или ее элементов) направления действия сейсмических нагрузок. Расчеты таких зданий и сооружений на особые сочетания
нагрузок с учетом сейсмических воздействий выполняют с использованием инструментальных записей ускорений основания при землетрясении, наиболее опасных для данного здания или сооружения, а также синтезированных акселерограмм. При этом максимальные амплитуды ускорений основания следует принимать не менее 100, 200 или 400 см/с при сейсмичности площадок строительства 7, 8 и 9 баллов соответственно. При этом
следует учитывать возможность развития неупругих деформаций конструкций.

Поворот здания в плане.

Вертикальную сейсмическую нагрузку необходимо учитывать при
расчете:

- горизонтальных и наклонных консольных конструкций;

- пролетных строений мостов;

- рам, арок, ферм, пространственных покрытий зданий и сооружений пролетом 24 и более метров;

- сооружений на устойчивость против опрокидывания или против
скольжения;

- каменных конструкций.

Расчет каменных конструкций должен производиться на одновременное действие горизонтально и вертикально направленных сейсмических сил. Значение вертикальной сейсмической нагрузки при расчетной
сейсмичности 7-8 баллов следует принимать равным 15 %, а при сейсмичности 9 баллов - 30 % соответствующей вертикальной статической нагрузки. Направление действия вертикальной сейсмической нагрузки (вверх или
вниз) следует принимать более невыгодным для напряженного состояния
рассматриваемого элемента.

Для зданий и сооружений, имеющих один из размеров в плане больше 30 м, нормы требуют учета несовпадения центра масс и центра жесткости на рассматриваемом уровне. Для определения возникающего при этом
крутящего момента расчетный эксцентриситет е между центрами жесткости и масс принимается равным не менее 0,02 В.