Сейсмостійкість багатоповерхових будівель в залежності від конструктивних схем хвиль

Abstract

UK: Дисертацію присвячено розв”язанню актуальної науково-практичної задачі забезпечення сейсмостійкості багатоповерхових будівель в залежності від конструктивних схем та зміни сейсмічності будівельного майданчика. Обґрунтовано актуальність наукової проблеми, сформульовані мета та задачі дослідження, охарактеризована наукова новизна та практичне значення роботи, представлена її загальна характеристика та зв”язок з науковими програмами та темами. У дисертаційній роботі наведений короткий огляд досліджень щодо забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель, що проектуються в сейсмічних районах. Розглянуті загальні конструктивні вимоги забезпечення сейсмічної стійкості будівель, проаналізовані способи підвищення сейсмостійкості будівель та методи розрахунку будівель на сейсмічні впливи. Проведений аналіз сучасних нормативних документів різних країн, результатів теоретичних досліджень, наведених літературних джерел показав, що на даний час активно ведеться робота з удосконалення методів розрахунку конструкцій будівель на дію сейсмічних навантажень і підвищення сейсмостійкості будівель. Сейсмостійке проектування будівель засноване на силовому розрахунку та урахування землетрусу статичними еквівалентними силами, які розраховуються шляхом використання пружних спектрів реакцій (лінійно-спектральний метод), що пов'язують закон руху ґрунту з абсолютним прискоренням моделі у вигляді нелінійного осцилятора. Розрахунок конструкцій з урахуванням пластичної і нелінійної поведінки і навіть з урахуванням руйнування окремих елементів конструкцій будівлі вимагає використання більш складних механіко-математичних моделей і теорій. Необхідно враховувати і перерозподіл зусиль по конструкції, пов'язаних з появою в ній зон пластичних деформацій. Однак у всіх випадках критерієм для оцінки несучої здатності конструкції є принцип зіставлення зовнішніх і внутрішніх зусиль. В існуючих дослідженнях, практично відсутня інформація щодо залежності вартості заходів сейсмозахисту існуючих будівель від зміни сейсмічності будівельного майданчика, мало робіт присвячено вивченню поведінки будівель з нерегулярним розподілом маси, жорсткості або опору протистояти сейсмічним навантаженням. Тому, науковий інтерес у вирішенні задач забезпечення сейсмостійкості багатоповерхових будівель представляють задачі вибору раціонального та ефективного способу підвищення їх сейсмостійкості при реконструкції та залежності вартості заходів сейсмозахисту існуючих будівель від зміни сейсмічності будівельного майданчика; дослідження впливу нерегулярності конструктивної схеми будівлі на сейсмічну стійкість. На основі аналізу основних методів для вирішення завдань оцінки сейсмічного впливу на несучу здатність будівель проаналізовані найбільш поширені методи та обґрунтований метод нелінійного статичного розрахунку сейсмічної стійкості багатоповерхових будівель із нерегулярною конструктивною схемою для дослідження їх поведінки при сейсмічних впливах. Сучасна теорія сейсмостійкості та норми проектування пропонують два основні методи розрахунку будівельних конструкцій: спектральний метод (інженерний) і прямий динамічний метод. Як правило, розрахунок будівель і споруд на сейсмічні впливи виконується в частотній області лінійним спектральним методом з визначенням максимальних сейсмічних навантажень із спектрів відгуку в залежності від частот і форм власних коливань конструкції. Найбільш поширеним способом відображення коливань ґрунту є використання акселерограмм землетрусів для чисельного аналізу сейсмічної реакції нелінійних систем на основі нелінійного динамічного методу (прямого інтегрування). Зазначений метод є найбільш точним для визначення необхідних сил і деформацій в елементах конструкцій при сейсмічних впливах, але головним недоліком даного методу є висока трудомісткість, правильність розробки розрахункової моделі та інтерпретації отриманих результатів. Тому, для оцінки сейсмічної поведінки багатоповерхових будівель із нерегулярною конструктивною схемою поза межами пружності пропонується метод статичного нелінійного розрахунку. Метод дозволяє врахувати нелінійні властивості конструкцій не в вигляді коефіцієнта до інерційних сил (як це виконується при спектральному методі розрахунку конструкцій будівель), а безпосередньо за несучою здатністю будівлі. Розроблено методику та алгоритм чисельного моделювання будівель нерегулярної конструктивної схеми при розрахунках на сейсмічні впливи на основі методу статичного нелінійного розрахунку, реалізованого в програмному комплексі ETABS (Nonlinear v8.08). Методика ґрунтується на визначенні нелінійних переміщень будівлі з використанням спектру несучої здатності будівлі. Виконане чисельне моделювання та аналіз сейсмічної поведінки п”яти варіантів моделей будівлі з нерегулярною конструктивною схемою. Аналіз спектрів несучої здатності моделей будівлі нерегулярної конструктивної схеми показав, що будівлі з нерегулярною конструктивною схемою в плані мають нижчу здатність протистояти поперечним навантаженням у порівнянні з регулярною конструктивною схемою. Також було виявлено, що каркасні будівлі з нерегулярною конструктивною схемою при сейсмічних впливах можуть працювати в пружній стадії, це залежить від місця розташування нерегулярності в плані будівлі, а також від пластичних властивостей матеріалів конструкцій будівлі. Наведені результати впливу реконструкції на напружено-деформований стан об”єкту та пошук найбільш раціонального і ефективного способу підвищення сейсмостійкості будівлі незавершеного будівництва та розробки методики порівняльного аналізу різних варіантів підвищення сейсмостійкості будівлі та оцінка її практичного використання. Для підвищення сейсмостійкості існуючої будівлі з монолітного залізобетонного каркасу в якості додаткових елементів жорсткості, прийняті вертикальні в”язеві панелі. В'язеві панелі виконані з металопрокату і жорстко зв'язані з елементами каркасу приварюванням тяжів до сталевих траверс закріплених на колонах. Додаткові в”язеві панелі встановлюються безперервно по всій висоті будівлі між суміжними колонами та розташовані симетрично від центра ваги будівлі. Для порівняльного аналізу ефективності підвищення сейсмостійкості будівлі однотипними конструкціями (в”язевими панелями) досліджувались розрахункові моделі будівлі з нерегулярною та регулярною схемами розташування колон в плані з різним варіантами розташування в'язевих панелей, розташованих попарно на різних відстанях від центра ваги будівлі в поздовжньому, поперечному або в обох напрямках. За результатами досліджень виявлені закономірності зміни напружено-деформованого стану конструкцій каркасу існуючої будівлі при дії сейсмічного навантаження в залежності від місця розташування в'язевих панелей жорсткості в плані відносно центра ваги будівлі, визначене необхідне армування конструкцій каркасу для забезпечення нормативних вимог сейсмозахисту будівлі та виконаний аналіз ефективності варіантів у порівнянні з вихідною розрахунковою моделлю будівлі. Аналіз ефективності варіантів розміщення в'язевих панелей в плані будівлі показав, що при розробці проектів підвищення сейсмостійкості існуючих будівель необхідно прагнути до розташування додаткових елементів жорсткості ближче до центра ваги будівлі і уникати їх крайніх положень та при можливості, вживати заходів з покращення регулярності конструктивної схеми. Для порівняння та вибору раціонального варіанту розташування конструкцій підвищення сейсмостійкості будівель запропонована спрощена методика оцінки загального ефекту від їх влаштування та на її основі визначений найбільш раціональний варіант для існуючої будівлі, що досліджувалась. З введенням в дію нових норм проектування «Будівництво в сейсмічних районах України» значно розширилися сейсмонебезпечні території із загальним збільшенням їх розрахункової сейсмічності і сталося включення до сейсмонебезпечних зон 6-ти бальних територій. Наводяться результати зміни напружено-деформованого стану конструкцій багатоповерхової будівлі та методика врахування впливу зміни розрахункової сейсмічності будівельного майданчику на конструктивні та техніко-економічні характеристики будівлі. Отримані залежності зміни напружено-деформованого стану конструкцій багатоповерхової будівлі в залежності від зміни розрахункової сейсмічності будівельного майданчику дають змогу отримати економічні показники для будівель, які мають однакову конструктивну надійність в різних сейсмічних умовах. У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична задача, яка полягає в дослідженні сейсмічної поведінки багатоповерхових будівель при підвищенні сейсмостійкості існуючих будівель, зміні сейсмічності будівельного майданчика, нерегулярності конструктивної схеми та розробці науково обґрунтованих положень та методів їх розрахунку. Найбільш важливі наукові та практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному: 1. На основі аналізу сучасного стану забезпечення сейсмічної стійкості будівель та методів розрахунку будівель при сейсмічних впливах обґрунтований метод нелінійного статичного розрахунку сейсмічної стійкості багатоповерхових будівель із нерегулярною конструктивною схемою для дослідження їх поведінки при сейсмічних впливах. 2. Вперше розроблений алгоритм та методологія визначення сейсмостійкості будівель із нерегулярною конструктивною схемою при дії сейсмічного навантаження на основі методу нелінійного статичного розрахунку. Метод пов'язує несучу здатність будівлі, представлену як залежність переміщення верху будівлі від зсувної сили в основі з сейсмічним впливом, представленим у вигляді спектру реакції. 3. На основі розробленої методики вперше отримані криві спектрів несучої здатності моделей багатоповерхових каркасних будівель із нерегулярною конструктивною схемою при сейсмічному впливі та визначена їх несуча здатність з урахування нелінійної поведінки ґрунтів основи та фізичної нелінійності матеріалів конструкцій. 4. Отримані закономірності зміни напружено-деформованого стану конструкцій каркасу існуючої будівлі (на прикладі будівлі незавершеного будівництва) при дії сейсмічного навантаження в залежності від місця розташування в'язевих панелей жорсткості з підвищення їх сейсмостійкості, визначене необхідне армування конструкцій каркасу для забезпечення нормативних вимог сейсмозахисту будівлі та виконаний аналіз ефективності варіантів у порівнянні з вихідною розрахунковою моделлю будівлі. 5. Дістала подальшого розвитку методика врахування впливу зміни розрахункової сейсмічності будівельного майданчику на конструктивні та техніко-економічні характеристики будівлі та на її основі встановлено, що при переході будівельного майданчика з несейсмічної зони до 6-ти бальної вартість витрат на матеріали (бетон та арматура) конструктивних елементів збільшується майже в 2 рази.

EN: The Thesis is devoted to solving the actual scientific and practical problem of ensuring earthquake resistance of multi-storey buildings depending on design layouts and changes in earthquake activity of the construction site. The urgency of the scientific problem is substantiated, as well as the purpose and objectives of studies are formulated. The author characterized the scientific novelty and practical value of the paper, having presented its general description and links to scientific programs and topics. The Thesis Paper provides a brief overview of research to ensure reliability and design safety of buildings being engineered in earthquake areas. The general design requirements of ensuring earthquake resistance of buildings were considered, and the ways to increase earthquake resistance of buildings, and methods to proportionate buildings for seismic impacts were analyzed. The analysis of modern regulatory documents of different countries, results of theoretical research and cited literature showed that the work to improve methods of the building design calculation for seismic loads and to increase earthquake resistance of buildings is currently performed in active mode. Earthquake-resistant engineering of buildings is based on force calculation and earthquake accounting by static equivalent forces, which are calculated using the elastic reaction spectra (linear-spectral method) that link the law of soil motion to the absolute acceleration of the model in the form of a nonlinear oscillator. Design calculation with due account for the plastic and nonlinear behavior and even with an eye towards destruction of individual design elements of the building requires the use of more complex mechanical and mathematical models and theories. It is necessary to take into account the redistribution of forces along the design associated with the appearance of zones of plastic deformation in it. However, in all cases, the criterion for assessing the load-bearing capacity of the design is the principle of comparing external and internal forces. In existing studies, there is a near-zero information about the dependence of the cost of seismic protection measures in existing buildings on changes in earthquake activity of the construction site; not many papers have been done to study the behavior of buildings with the irregular distribution of weight, stiffness or resistance to seismic loads. Therefore, the scientific interest in solving problems to ensure earthquake resistance of multi-storey buildings are the tasks for choosing a rational and effective way to increase their earthquake resistance during the reconstruction and dependence of the cost of seismic protection measures in existing buildings on changes i earthquake activity of the construction site; for studying influence of irregularity of the building design layout on earthquake resistance. Based on the analysis of the main methods for solving problems to assess seismic impact on the load-bearing capacity of buildings, the most common methods were analyzed, and the method of the nonlinear static calculation of earthquake resistance of multi-storey buildings with the irregular design layout in order to study their behavior under seismic impacts was substantiated. Modern theory of earthquake resistance and design standards offer two main methods of calculating building designs: the spectral method (engineering) and the direct dynamic method. As a rule, the calculation of buildings and structures for seismic effects is performed in the frequency domain using the linear spectral method with the determination of maximum seismic loads from response spectra depending on frequencies and forms of natural oscillations of the design. The most common way to display soil oscillations is to use earthquake accelerometers for numerical analysis of the seismic response of nonlinear systems based on the nonlinear dynamic method (direct integration). This method is the most accurate for determining the required forces and deformations in design elements under seismic effects, but the main disadvantage of this method is the high complexity, correct development of the calculation model and interpretation of results obtained. Therefore, in order to assess the seismic behavior of multi-storey buildings with the irregular design layout outside the elasticity, the method of the static nonlinear calculation is proposed. The method allows to take into account the nonlinear properties of designs not in the form of a coefficient to inertial forces (as is done in the spectral method of calculating building designs), but directly on the load-bearing capacity of the building. The technique and algorithm of numerical modeling of buildings with the irregular design layout at seismic impact calculations were developed on the basis of the method of the static nonlinear calculation realized in the ETABS software package (Nonlinear v8.08). The technique is based on the determination of nonlinear displacements of the building with the use of the bearing capacity spectrum of the building. Numerical modeling and analysis of the seismic behavior of five options of models of the building with the irregular design layout were performed. Analysis of the bearing capacity spectra of models of the building with the irregular design layout showed that buildings with the irregular design layout in the plan have a lower ability to withstand transverse loads compared to the regular design layout. It was also found that frame buildings with the irregular design layout under seismic impacts could operate in the elastic stage; this depends on the location of irregularity in the building plan, as well as the plastic properties of design materials of the building. In the paper, there have been given the results of influence of the reconstruction on the stress-strain state of the facility and search for the most rational and effective way to increase earthquake resistance of the building in progress and develop methods for the comparative analysis of different options for increasing earthquake resistance of the building, as well as estimation of its practical use. In order to increase earthquake resistance of the existing building based on the monolithic reinforced concrete frame, vertical braced panels were taken as additional rigidifying agents. Braced panels are made of rolled metal and rigidly connected with elements of the frame by welding tie rods to steel beams mounted on columns. Additional braced panels are installed continuously along the entire height of the building between adjacent columns, and are located symmetrically from the center of gravity of the building. For the comparative analysis of efficiency to increase earthquake resistance of the building by identical designs (braced panels), computational models of the building with the irregular and regular layouts of the arrangement of columns in the plan were studied with various options of the arrangement of braced panels located in pairs at different distances from the center of gravity of the building in inline and cross directions, or in both ones. According to the research results, the patterns of change in the stress-strain state of the existing building frame designs were revealed under seismic loads depending on the location of braced rigidity panels in the plan relative to the center of gravity of the building; therefore, the required reinforcement of designs of the frame was determined to ensure the regulatory requirements of seismic protection of the building, and the analysis of efficiency of options in comparison with the initial design model of the building was conducted. The analysis of efficiency of options for placing braced panels in the building plan showed that when developing projects to increase earthquake resistance of existing buildings, it is necessary to strive for placement of additional rigidifying agents closer to the center of gravity of the building, and to avoid their extreme positions and, if possible, take measures to improve regularity of the design layout. In order to compare and choose a rational option for placement of designs to increase earthquake resistance of buildings, a simplified method of estimating the overall effect of their installation is proposed, and based on it, the most rational option for the existing building under study is determined. Since the introduction of the new design standards Civil Engineering in Earthquake Areas of Ukraine, earthquake endangered areas with a general increase in their calculated earthquake activity have been significantly expanded, and the 6-point territories have been included in the list of earthquake zones. The results of changing the stress-strain state of designs of the multi-storey building and the technique of taking into account influence of changes in the calculated earthquake activity of the construction site on design, technical and economic characteristics of the building are presented. The obtained relations of changing the stress-strain state of designs of the multi-storey building, in dependence to changes in the calculated earthquake activity of the construction site, allow obtaining economic indicators for buildings that have the same design reliability in different seismic conditions. The Thesis Paper solves an important scientific and practical problem, which is to study the seismic behavior of multi-storey buildings while increasing earthquake resistance of existing buildings, to change earthquake activity of the construction site and irregular design layout, and to develop scientifically sound provisions and methods for their calculation. The most important scientific and practical results, conclusions and recommendations are as follows: 1. Based on the analysis of the current state of earthquake resistance of buildings and methods for calculation of buildings under seismic effects, the method of the nonlinear static calculation of earthquake resistance of multi-storey buildings with the irregular design layout was substantiated for studying their behavior under seismiceffects. 2. For the first time, an algorithm and techniques to determine earthquake resistance of buildings with the irregular design layout under seismic loads were developed on the basis of a simplified method of the nonlinear static calculation. The method links the load-bearing capacity of the building, represented as relationship between the movement of the building top and shear force at the base, to seismic impact presented in the form of a response spectrum. 3. Based on the developed technique, the curves of the bearing capacity spectra of models of multi-storey frame buildings with the irregular design layout under seismic impact were obtained for the first time, and their bearing capacity was determined taking into account the nonlinear behavior of base soils and physical nonlinearity of design materials. 4. The patterns of change in the stress-strain state of the existing building frame designs were obtained (using the example of the building in progress) under seismic loads depending on the location of braced rigidity panels to increase their earthquake resistance; the required reinforcement of designs of the frame was determined to ensure the regulatory requirements of seismic protection of the building, and the analysis of efficiency of options in comparison with the initial design model of the building was conducted. 5. The technique of taking into account influence of changes in the calculated earthquake activity of the construction site on design, technical and economic characteristics of the building was further developed, and based on it, it was found that in transition of the construction site from the non-seismic zone to the 6-point zone, the cost of materials (concrete and reinforcement) of design elements increases by a factor of two.