ИЗНОС ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ФОНОВЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

АННОТАЦИЯ

Ежегодно на земном шаре проходит свыше 300 тысяч землетрясений, большинство из которых, к счастью, имеет небольшую силу или проявляются в ненаселенных районах. Однако некоторые очаги сильных землетрясений располагаются близко к населенным пунктам. В этом случае происходят большие повреждения и обрушения недостаточно прочных сооружений. Часто следствием землетрясений являются большие пожары, потери от которых могут быть не меньше, чем непосредственно от самих землетрясений. Число человеческих жертв при землетрясениях может достигать колоссальных размеров.

Поэтому одной из важных задач сейсмостойкого строительства является разработка методов расчета зданий и сооружений, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным сейсмическим воздействиям. Анализ возможных последствий (разрушений) дает информацию для проектирования более сейсмостойких конструкций, нахождения экономичных решений, повышения их безопасности, усиления уже поврежденных зданий и сооружений.

Ключевые слова: землетрясение, коэффициент ассиметрии, акселерограмма.

Как известно, характеристики прочности строительных материалов имеют прямое отношение к несущей способности строительных конструкций при сейсмических нагрузках. Сейсмическая нагрузка связана с цикличностью и скоростью возрастания нагрузки. Скорость нагружения оказывает влияние на характеристики стали стали. По исследованиям Корчинского И.Л. [1]  было установлено, что ударная прочность стали на 20-40% выше статической и что по сравнению со статическими испытаниями предел текучести увеличивается на 30-60%. Также данные исследований усталостной прочности стали, проведённые многими авторами, показали, что предел выносливости для стали равен около . Для железобетонных элементов предел выносливости зависит от процента армирования и находиться в диапазоне 0.4- 0.6.

Изменение предела выносливости арматуры для класса A-II в зависимости от коэффициента асимметрии циклов по данным Гвоздёва А.А. [2] представлено на (рис.1).

Рисунок 1. График зависимости предела выносливости арматуры класса A-II от коэффициента асимметрии циклов Гвоздёва А.А[2]

При этом, в диапазоне коэффициентов асимметрии от минус 1 до плюс 0,2 предел выносливости арматуры практически не зависит от класса арматуры.

При исследовании [1] прочностных характеристик стали, бетона и железобетона было установлено, что на прочность и деформативность строительных материалов влияет скорость приложения нагрузки, в результате чего увеличивается прочность материала.  В то же время повторение динамического воздействия снижает несущую способность. Показателем же, который оказывает существенное влияние на прочностные характеристики конструктивных элементов, является «перегрузочный цикл», которые имеют место при сейсмических нагрузках.

Несущую способность материалов при повторных нагружениях изучалась группой исследователей - Г.В. Беченева, Р.С. Бердыевой, и В.А. Ржевским под руководством И.Л. Корчинского.  Г.В. Беченева провела опыты на центальное нагружение образцов со скоростью 300 циклов в 1 мин., что схоже со скоростью нагружения строительных конструкций при сейсмической нагрузкой. При испытаниях коэффициент ассиметрии цикла был R≈0 и значение максимальной нагрузки выбиралось из расчёта, чтобы образец выдерживал не более 1000 циклов нагружений до момента разрушения.

В результате опытов удалось установить зависимость между прочностью и логарифмом числа нагружений для исследуемых материалов, что она имеет прямо линейный характер и выражается уравнениями:

для стали

для бетона

Рисунок 2. Прочность стали при повторном нагружении

О- опыты Г.В. Беченевой,  • - опыты Б.Н. Дучинского

Рисунок 3. Прочность бетона при повторном нагружении

О- опыты Г.В. Беченевой,  • - опыты Дж. Антрима и Дж. Лонглинка, ∆- опыты Н.С. Карпухина

Эти результаты опытов показывают, что прочность стали и бетона при при небольшом числе повторных нагружений (80-100 циклов) в некоторых случаях превышает статический предел прочности. При однократном же нагружении превышение предела прочности становиться более значительным, что говорит о значительном влиянии скорости нагружения на характеристики материалов. Следует отметить, что исследования данной группы исследователей имеют близкое сходство с исследования других исследователей, которые занимались вопросом прочности стали и бетона при повторных нагружениях.

Для прогнозирования степени износа железобетонных конструкций от землетрясений и определения способа их усиления, необходимо выяснить, какие усилия возникают в конструкция при землетрясениях.

Усталостный износ конструкций происходит от фоновых землетрясений, которые возникают в течении всего срока эксплуатации зданий. Чтобы определить напряжённо-деформированное состояние конструкций в продолжительный период времени, была сформирована и проанализирована расчётная модель.

Здание каркасного типа, (рис.15), крайние пролеты 8 м, средний пролет 6 м, высота этажа 4 м. Сечения балок 800х600 мм, толщина плиты перекрытия 250 мм, сечения колонн 500х500 мм. Расчет конструкции здания производился в программном комплексе SCADOffice. Расчёт воздействия от землетрясений во времени проводился в программе SAP 2000. В качестве цели исследования была выбрана неразрезная трехпролетная железобетонная балка (рис.16).

Рисунок 4. Анализируемая неразрезная балка

Варианты армирования балок представлены на (рис.5), характеристики сечений приведены в (табл. 1.)

Рисунок 5. Варианты армирования балок

Таблица 1.

Жесткостные параметры исследуемой неразрезной железобетонной балки

Расчетом на особое сочетание нагрузок для площадок с 8 бальной сейсмичностью были определены сечение балки и ее армирование. Моделируя на пролётах разные схемы загружения кратковременной нагрузкой, возможно определить минимальную и максимальную нагрузку в сечениях (рис.6).

Рисунок 6. Схемы загружения и эпюры моментов в неразрезных балках

С целью исследования напряженно-деформированного состояния балки и моделирования землетрясения во времени, были приняты 8 искусственно созданных трехкомпонентных акселерограмм по направлениям: горизонтальное радиальное (площадка-очаг землетрясения), горизонтальное тангенциальное  (перпендикулярное к радиальному) и вертикальное . Акселерограммы отмасштабированы под максимальное результирующее ускорение 0,5 , что соответствует интенсивности 6 баллов (табл. 2).

Таблица 2.

Моделируемые акселерограмм.

В качестве рассматриваемого напряженно-деформированное состояние, принято состояние от действия постоянной нагрузки, особой нагрузки (землетрясение фоновой интенсивности), кратковременной равномерно распределенной нагрузки, действующей только по крайним пролетам. Результаты анализа представлены в (табл. 3).

Таблица 3.

Изгибающие моменты в сечениях середины пролета железобетонной неразрезной балки в крайних и средних пролетах:

Проанализировав данные из таблицы (6) можно отметить, что при землетрясении, среднее значение момента в крайних пролётах достигает 83,18-110,42, иными словами 66,7%-88,6% относительно расчетного состояния. В среднем же пролёте момент принимает отрицательное значение в диапазоне -4,8 - -9,3, тоесть -6,8% -13,1% относительно расчетного состояния. Таким образом, при землетрясениях 6 баллов и более, напряжения в конструкциях достигают значительных значений, что на прямую влияет на износ железобетонных конструкций при длительной эксплуатации зданий. Изменение направления усилий в среднем пролёте происходит из-за продолжительного сейсмического влияния.

Выводы.

1) Анализируя данные численного моделирования, можно сказать, что при фоновых землетрясениях интенсивностью 6 баллов в железобетонных конструкциях зданий возникают значительные перепады напряжений, что на прямую влияет на износ конструкций, а также возможно изменение знака напряжений.

2) Вследствие перепада напряжений возможен переход границы микроразрушения в сжатой зоне бетона, что в свою очередь ведёт к их накоплению и появлению трещин. Предположительно этот процесс может углубляться, так как происходит перепад напряжение, а бетон плохо работает на растяжение.

3) При проектировании, следует учитывать кумулятивный характер от землетрясений, поскольку это на прямую влияет на срок безаварийной эксплуатации зданий.

4) Усталостные изменения от фоновых воздействий может иметь кумулятивный характер, что ведёт к деградации конструктивных свойств железобетона.

Список литературы:

1. Каррыев Б.С. Катастрофы в природе: землетрясения Гипотезы, факты, причины, последствия/ Б.С. Каррыев.: ЛитРес, 2016.-550.
2. ГОСТ Р ИСО 2394-2016 Конструкции строительные. Основные принципы надежности. – М: Стандартинформ 2016
3. Федеральный закон «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30.12.2009 № 384-ФЗ. – М., 2009.
4. СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах (Актуа-лизированная редакция СНиП II-7-81*)», введ. 01.06.2014// Свод правил / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. – М., 2014. – 125с.
5. Корчинсикй, И.Л. Сейсмостойкое строительство зданий / И.Л. Корчинсикй, Л.А. Бородин, А.Б. Гроссман, В.С. Преображенский, В.А. Ржевский, И.Ф. Ципенюк, В.Ф. Шепелев / - М.: Высш. Школа, 1971. – 316 с.