Сопоставление допускаемых повреждений железобетонных каркасных зданий с целью расчетов на сейсмические воздействия

Журнал: №1-2-2021
Авторы:

Соснин А.В.

DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2021-1-2-50-80
УДК: 624.94.012.45:624.044.3:699.841

 

АннотацияОб авторахСписок литературы
На примере железобетонного каркаса (без вертикальных диафрагм и связей жесткости) рассмотрены особенности формирования ниспадающей ветви кривой равновесных состояний при действии инерционных сил. Частный объект исследования – фрагмент каркаса жилой блок-секции из четырех этажей размерами в осях 14,7х9,6 м, возведенный в г. Ашхабаде, который был испытан представителями научной школы ЦНИИЭП жилища с применением вибрационной машины инерционного действия В-2. Над объектом исследования автором проведен численный эксперимент с применением концепции метода нелинейного статического (Pushover) анализа. Построены кривые равновесных состояний, характерные для различных параметров армирования в зонах пластичности несущих элементов объекта исследования. В качестве инструментария использовались расчетные процедуры, соответствующие положениям ATC-40, FEMA-356 и FEMA-440, реализованные в комплексе SAP2000. Установлено, что в случае образования зон пластичности в ригелях и стойках рам каркаса пологий горизонтальный участок кривой равновесных состояний отсутствовать не может. Полученные результаты сопоставлены с результатами зарубежных натурных испытаний на фрагментах железобетонных каркасов. Для рассматриваемого объекта проведены оценки сейсмостойкости с применением критериев наступления предельного состояния, близкого к обрушению. Представлены пояснения к вопросу об отсутствии согласованности между целью расчета объектов исследования на сейсмическое воздействие типа ПЗ и значением коэффициента допускаемых повреждений K1. Отмечается необходимость дополнения СП 14.13330 требованиями к минимальному значению коэффициента поперечного армирования в зонах пластичности несущих элементов, примыкающих к узлам рам железобетонных каркасов. Для исследуемого каркаса K1 определен равным 0,34. На рассмотренном примере поясняется односторонняя связь между сейсмостойкостью и живучестью системы при сильном землетрясении.
А.В. СОСНИН1, 2, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

1 Научно-исследовательская лаборатория оценки безопасности результатов проектирования и сейсмостойкости строительных конструкций (214000, г. Смоленск, ул. Ленина, 13А)
2 АО «ЦНИИЭП жилища – институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий» (АО «ЦНИИЭП жилища») (127434, Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)

1. Айзенберг Я.М., Нейман А.И., Абакаров А.Д., Деглина М.М., Чачуа Т.Л. Адаптивные системы сей-смической защиты сооружений. М.: Наука, 1978. 248 с.
1. Ajzenberg Ya.M., Nejman A.I., Abakarov A.D., Deglina M.M., Chachua T.L. Adaptivnye sistemy seismicheskoy zashchity sooruzheniy [Adaptive systems for seismic protection of structures]. Moscow: Nauka. 1978. 248 p.
2. Джинчвелашвили Г.А., Мкртычев О.В., Соснин А.В. Анализ основных положений СП 14.13330.2011 «СНиП II-7–81*. Строительство в сейсмических районах» // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 9. С. 17–21.
2. Dzhinchvelashvili G.A., Mkrtychev O.V., Sosnin A.V. An analysis of main provisions of Seismic Building Design Code SP 14.13330.2011 «SNiP II-7–81*. Construction in Seismic Areas». Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel’stvo. 2011. No. 9, pp. 17–21. (In Russian).
3. Соснин А.В. Об уточнении коэффициента допускаемых повреждений K1 и его согласованности с концепцией редукции сейсмических сил в постановке спектрального метода (в порядке обсуждения) // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 1 (60). С. 92–114.
3. Sosnin A.V. About refinement of seismic-force-reduction factor (K1) and its coherence with the concept of seismic response modification in formulation of the spectrum method (in order of a discussion). Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2017. No. 1 (60), pp. 92–114. (In Russian).
4. Викулин А.В., Дроздюк В.Н., Семенец Н.В., Широков В.А. К землетрясению без риска. Петропавловск-Камчатский: СЭТО-СТ, 1997. 120 с.
4. Vikulin A.V., Drozdyuk V.N., Semenec N.V., Shirokov  V.A. K zemletryaseniyu bez riska [To an earthquake without a risk]. Petropavlovsk-Kamchatsky: SETO-ST. 1997. 120 p.
5. Шапиро Г.А. Некоторые рекомендации по проектированию крупнопанельных зданий в районах с большой сейсмичностью (уроки Газлийских землетрясений). Сб. тр. ЦНИИЭП жилища «Работа конструкций жилых зданий из крупноразмерных элементов». М. 1977. Вып. 2. С. 16–20.
5. Shapiro G.A. Some recommendations for a large-panel buildings design in areas with high seismicity (on a case study of Gazli earthquakes). Research Proceedings «Structures behavior of residential buildings from large-sized elements». Moscow. 1977. Vol. 2, pp. 16–20. (In Russian).
6. Ашкинадзе Г.Н. Работа конструкций крупнопанельных зданий при колебаниях (Обзор) / Сб. тр. ­ЦНИИЭП жилища. Сер. «Конструкции жилых и общественных зданий». М.: ЦНТИ по гражданскому строительству и архитектуре, 1975.
6. Ashkinadze G.N. Structures behavior of large-panel buildings under vibrations (Overview). Research Proceedings of Central Research Institute for Experimental Design (CNIIEHP) series «Structures of residential and public buildings». Moscow: Center for Scientific and Technical Information for Civil Engineering and Architecture. 1975. (In Russian).
7. Соснин А.В. Методика двухстадийного расчета армирования элементов железобетонных каркасных зданий и сооружений на действие сейсмических сил с применением концепции нелинейного статического анализа. Ч. 1: Постановка задачи, структура методики, информационная база исследования и стратегия определения параметров зон пластичности. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2018. Т. 18. № 1. С. 5–31.
7. Sosnin A.V. A two-step-state reinforcement estimation technique of RC frame buildings and structures members under seismic loads using the pushover analysis conception. Part 1: Research objective, technique framework, research info base and determination approach of hinge zones features. Vestnik YUUrGU series «Stroitel’stvo i arhitektura». 2018. Vol. 18. No. 1, pp. 5–31. (In Russian). DOI:  10.14529/build180101
8. Шапиро Г.А., Симон Ю.А., Ашкинадзе Г.Н., Захаров В.Ф., Барков Ю.В. Вибрационные испытания зданий / Госкомитет по делам строительства и архитектуры при Госстрое СССР, ­ЦНИИЭП жилища / Под ред. Г.А. Шапиро. М.: Стройиздат, 1972. 160 с.
8. Shapiro G.A., Simon Yu.A., Ashkinadze G.N., Zaharov V.F., Barkov Yu.V. Vibratsionnye ispytaniya zdanii / Goskomitet po delam stroitel’stva i arkhitektury pri Gosstroe SSSR, TsNIIEP zhilishcha; pod red. G.A. Shapiro [In-situ vibration tests of buildings. State Committee for Construction and Architecture under the USSR State Construction Committee, Central Research Institute for Experimental Design (CNIIEHP); edited by G.A. Shapiro]. Moscow: Stroyizdat. 1972. 160 p.
9. Шапиро Г.А., Ашкинадзе Г.Н., Захаров В.Ф., Симон Ю.А. Исследование нелинейной работы конструкций жилых и общественных зданий с помощью мощных вибрационных машин. М.: ЦНТИ по гражданскому строительству и архитектуре, 1969. 78 с.
9. Shapiro G.A., Ashkinadze G.N., Zaharov V.F., Simon Yu.A. Issledovanie nelineinoi raboty konstruktsii zhilykh i obshchestvennykh zdanii s pomoshch’yu moshchnykh vibratsionnykh mashin [Investigation of nonlinear structures behavior of residential and civil buildings using powerful random vibration machines]. Moscow: Center for Scientific and Technical Information for Civil Engineering and Architecture. 1969. 78 p. (In Russian).
10. Соснин А.В. К вопросу учета диссипативных свойств многоэтажных железобетонных каркасных зданий массового строительства при оценке их сейсмостойкости // Современная наука и инновации. 2017. № 1 (17). С. 127–144.
10. Sosnin A.V. About dissipation properties of multi-story RC frame buildings of large-scale construction projects at their earthquake-resistance estimation. Sovremennaya nauka i innovacii. 2017. No. 1 (17), pp. 127–144. (In Russian).
11. Айзенберг Я.М., Килимник Л.Ш. О критериях предельных состояний и диаграммах «восстанавливающая сила – перемещение» при расчетах на сейсмические воздействия. Сб. ст. исследований ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений» / Под ред. И.И.  Гольденблата. М.: Стройиздат, 1972. С. 46–60.
11. Ajzenberg Ya.M., Kilimnik L.Sh. About criteria of limit states and «restoring force – displacement» format diagrams for calculation estimates under seismic actions. Research Proceedings of Central Scientific Research Institute for Building Structures named for the V.A. Kucherenko «Earthquake-resistance of buildings and engineering structures»; edited by I.I. Gol’denblat. Moscow: Stroyizdat. 1972, pp. 46–60. (In Russian).
12. Соснин А.В. Информационная база и формула методики двойного расчета сейсмостойких железобетонных каркасных систем с применением концепции нелинейного статического анализа // Жилищное строительство. 2017. № 12. С. 37–49.
12. Sosnin A.V. Infobase and formula of a two-step-state computation technique of RC earthquake-resistance frame systems using the pushover analysis conception. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2017. No. 12. pp. 37–49. (In Russian).
13. Соснин А.В. Об алгоритме уточнения коэффициента допускаемых повреждений K1 по кривой несущей способности для проектирования железобетонных каркасных зданий массового строительства в сейсмических районах // Жилищное строительство. 2017. № 1–2. С. 60–70.
13. Sosnin A.V. About a refinement procedure of seismic-force-reduction factor K1 using a Pushover curve for earthquake-resistance estimation of RC LSC frame buildings. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2017. No. 1–2, pp. 60–70. (In Russian).
14. Bilgin H. Seismic performance evaluation of an existing school building in turkey. The 9-th International Congress on Advances in Civil Engineering. 27–30 September 2010. Karadeniz Technical University. Trabzon, Turkey. 9 p.
15. Соснин А.В. Об особенностях методологии нелинейного статического анализа и его согласованности с базовой нормативной методикой расчета зданий и сооружений на действие сейсмических сил // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». 2016. Т. 16. № 1. С. 12–19. DOI:  10.14529/build160102
15. Sosnin A.V. About Pushover analysis features and its coherence with the standard calculation procedure (CSM) of building and structures under seismic loads. Vestnik YUUrGU series «Stroitel’stvo i arhitektura». 2016. Vol. 16. No. 1, pp. 12–19. (In Russian). DOI: 10.14529/build160102
16. Айзенберг Я.М., Килимник Л.Ш. О критериях оптимального проектирования и параметрах предельных состояний при расчете на сейсмические воздействия // Строительная механика и расчет сооружений. 1970. № 6. С. 29–34.
16. Ajzenberg Ya.M., Kilimnik L.Sh. About optimal design criteria and limit states parameters for calculation estimates under seismic actions. Stroitel’naya mekhanika i raschet sooruzhenij. 1970. No. 6, pp. 29–34. (In Russian).
17. Goel R.K., Chopra A.K. Period formulas for moment-resisting frame buildings. Journal of Structural Engineering. 1997. No. 123, pp. 1454–1461. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1997)123:11(1454)
18. Турсумуратов М.Т. Влияние жесткости неконструктивных элементов в многоэтажных сейсмостойких каркасных зданиях по данным вибрационных испытаний. Cб. тр. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко / Под ред. И.И. Гольденблата. 1974. № 33. С. 89–100.
18. Tursuuratov M.T. Influence of stiffness of non-structural elements in multi-storey earthquake-resistant frame buildings according to vibration test data. Research Proceedings of Central Scientific Research Institute for Building Structures named after V.A. Kucherenko; edited by I.I. Gol’denblat. Moscow: Stroyizdat. 1974. No. 33, pp. 89–100. (In Russian).
19. Колебания зданий при взрывах и землетрясениях. Сб. трудов № 6 (16). Казахский ПромстройНИИпроект / Под ред. Т.Ж. Жунусова. Алма-Ата: Казахстан, 1972. 200 с.
19. Buildings vibration during explosions and earthquakes. Proceedings of Kazakh PromstroyNIIproekt. Edited by T.Zh. Zhunusov. Alma-Ata: Kazahstan. 1972. 200  p. (In Russian).
20. Suda K., Satake N., Ono J., Sasaki A. Damping properties of buildings in japan. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1996. Vol. 59. Iss. 2–3, pp. 383–392.
21. Zhang Zh., Cho Ch. Experimental study on damping ratios of in-situ buildings. World International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering. 2009. Vol. 3. No. 2. 5 p.
22. Di Sarno L., Manfredi G. Seismic retrofitting of existing RC frames with buckling restrained braces. ATC and SEI Conference on Improving the Seismic Performance of Existing Buildings and Other Structures. December 9–11, 2009. San Francisco, California, United States. DOI: 10.1061/41084(364)68
23. Hisada T., Nakagawa K. Vibration tests on various types of building structures up to failure. Proceedings of the First World Conference on Earthquake Engineering. Berkeley. California. 1956. 10 p.
24. Panagiotakos B., Fardis М.N. Deformations of reinforced concrete members at yielding and ultimate. ACI Structural Journal. 2001. Vol. 98. No. 2. Title No. 98-S13, pp. 135–148.
25. Takeda T., Sozen M.A., Nielsen N.N. Reinforced concrete response to simulated earthquakes. Journal of the Structural Division, ASCE. 1970. Vol. 96. Iss. 12, pp. 2557–2573.
26. Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of Structural Engineering. 1988. Vol. 114 (3). No. 8, pp. 1804–1826.
27. Kent D.C., Park R. Flexural members with confined concrete. Journal of Structural Division, ASCE. 71. Vol. 97. No. ST7. PROC paper 8243, pp. 1969–1990.
28. Paulay T., Priestley M.J.N. Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1992. 744 p.
29. Freeman S.A., Nicoletti J.P., Tyrell J.V. Evaluations of existing buildings for seismic risk: a case study of Puget Sound Naval shipyard, Bremerton. Washington. Proceedings of the U.S. National Conference of Earthquake Engineering, EERI. Berkeley. California. 1975, pp. 113–122.
30. Miranda E., Bertero V. Evaluation of strength reduction factors for earthquake-resistant design. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 1994. No. 10 (2), pp. 357–379. DOI: 10.1193/1.1585778
31. Newmark N.M., Hall W.J. Earthquake spectra and design. Earthquake Engineering Research Institute, EERI. Berkeley, California, 1982. 103 p.
32. Васильев А.П., Быченков Ю.П., Тябликов Ю.Е. Прочность стыков и узлов железобетонных каркасов многоэтажных зданий при нагрузках типа сейсмических // Бетон и железобетон. 1968. № 8. С. 1–2.
32. Vasil’ev A.P., Bychenkov Yu.P., Tyablikov Yu.E. Strength of joints and splices of RC multi-storey frame buildings under seismic loads. Beton i zhelezobeton. 1968. No. 8, pp. 1–2. (In Russian).
33. Корчинский И.Л., Бородин Л.А., Гроссман А.Б. и др. Сейсмостойкое строительство зданий / Под ред. И.Л. Корчинского. М.: Высшая школа, 1971. 320 с.
33. Korchinskiy I.L., Borodin L.A., Grossman A.B. et al. Seismostoikoe stroitel’stvo zdanii [Earthquake-resistant construction of buildings. Edited by I.L. Korchinskij]. Moscow: Vysshaya shkola. 1971. 320 p.
34. Золотков А.С. Сейсмостойкость монолитных зданий. Кишинев: Картя Молдовей, 2000. 284 с.
34. Zolotkov A.S. Seismostoikost’ monolitnykh zdanii [Earthquake-resistance of reinforced concrete site-cast buildings]. Kishinev: Kartya Moldovej. 2000. 284 p. (In Russian).
35. Абдурашидов К.С., Айзенберг Я.М., Жунусов Т.Ж. и др. Сейсмостойкость сооружений. М.: Наука, 1989. 192 с.
35. Abdurashidov K.S., Ajzenberg Ya.M, Zhunusov T.Zh. et al. Seismostoikost’ sooruzhenii [Earthquake-resistance of structures]. Moscow: Nauka. 1989. 192 p.
36. Duan L., Cooper T.R. Displacement ductility capacity of reinforced concrete columns. ACI Concrete Int. 1995. Vol. 17. No. 11, pp. 61–65.
37. Konstandakopoulou F., Hatzigeorgiou G., Evangeli-nos K., Tsalis Th., Nikolaou I. A new method to evaluate the post-earthquake performance and safety of reinforced concrete structural frame systems. Infrastructures. 2020. Vol. 5 (2). No. 16. 15 p. DOI: 10.3390/infrastructures5020016
38. Мкртычев О.В., Джинчвелашвили Г.А. Проблемы учета нелинейностей в теории сейсмостойкости (гипотезы и заблуждения). М.: МГСУ, 2012. 192 с.
38. Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A. Problemy ucheta nelineinostei v teorii seismostoikosti (gipotezy i zabluzhdeniya) [Accounting problems of nonlinear behavior in earthquake-resistance theory (hypotheses and mistakes)]. Moscow: Publishing by MGSU. 2012. 192 p.
39. Шапиро Г.А., Захаров В.Ф., Оганян А.А., Фрайнт М.Я. Анализ работы железобетонных рамных узлов. Сб. тр. ЦНИИЭП жилища «Исследование работы конструкций жилых зданий». М.: ЦНТИ по гражданскому строительству и архитектуре, 1974. С. 15–22.
39. Shapiro G.A., Zaharov V.F., Oganyan A.A., Frajnt M.Ya. Behavior analysis of reinforced concrete frame joints. Research proceedings of central research institute for experimental design (CNIIEHP) series «Research of structures behavior of residential buildings». Moscow: Center for Scientific and Technical Information on Civil Engineering and Architecture. 1974, pp. 15–22. (In Russian).
40. Оганян А.А. Метод расчета железобетонных рам с податливыми связями элементов с узлами на горизонтальные инерционные нагрузки. Сб. тр. ­ЦНИИЭП жилища «Исследование работы конструкций жилых зданий». М.: ЦНТИ по гражданскому строительству и архитектуре, 1974. С. 23–34.
40. Oganyan A.A. A calculating procedure of reinforced concrete 2-D frames with ductile connections of members in joints under horizontal inertia loads. Research proceedings of Central research institute for experimental design (CNIIEHP) series «Research of structures behavior of residential buildings». Moscow: Center for Scientific and Technical Information on Civil Engineering and Architecture. 1974, pp. 23–34.
41. Кукебаев М.М. Натурные испытания железобетонного сборного каркаса для сейсмостойких зданий. Сб. тр. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Сейсмостойкость сборных крупноэлементных зданий» / Под общ. ред. С.В. Полякова. М.: Госстройиздат, 1963. С. 41–52. (In Russian).
41. Kukebaev M.M. In-situ tests of a precast reinforced concrete frame for earthquake-resistant buildings. Research proceedings of Central scientific research institute for building structures named after V.A.  Kucherenko «Earthquake-resistance of precast concrete buildings from large-sized elements»; edited by S.V. Polyakov. Moscow: Gosstroyizdat. 1963, pp. 41–52.
42. Murty C.V.R., Goswami R., Vijayanarayanan A.R., Mehta V.V. Some concepts in earthquake behavior of buildings. https://www.engineeringbookspdf.com/ (accessed date 12.04.2016)
43. Jeong S.-H., Elnashai A.S. Analytical assessment of an irregular RC frame for full-scale 3D pseudo-dynamic testing. Part I: Analytical model verification. Journal of earthquake engineering. 2005. Vol. 9. No. 1, pp. 95–128.
44. Ockleston A.J. Tests on the old dental hospital, Johannesburg; The effect of floors and walls on the behavior of reinforced concrete frameworks subject to horizontal loading. The Concrete Association of South Africa, Johannesburg, November. 1956. Paper 3. 20 p.
45. Lee H.S., Woo S.W., Heo Y.S., Song J.G. Pushover tests of 1:5 scale 3-story reinforced concrete frames. KCI Concrete Journal. 2000. Vol. 11. No. 3, pp. 165–174.
46. Pinho R., Elnashai A.S. Dynamic collapse testing of a full-scale four storey RC frame. ISET Journal of Earthquake Technology. 2000. Paper No. 406. Vol. 37. No. 4, pp. 143–164.
47. Calvi G.M., Magenes G., Pampanin S. Experimental test on a three storey RC frame designed for gravity only. The 12-th European conference on earthquake engineering, 2002. Paper No. 727, 9 p.
48. Dolce M., Cardone D., Ponzo F.C., Valente C. Shaking table tests on reinforced concrete frames without and with passive control systems. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 2005. Vol. 34, pp. 1687–1717.
49. Chopra A.K. Dynamics of structures: Theory and applications of earthquake engineering. Fifths edition. Person Education Limited, 2020. 994 p.
50. Соснин А.В. О прогнозировании потерь от повреждения землетрясением объектов массового строительства // Проблемы анализа риска. 2017. № 4. С. 50–56.
50. Sosnin A.V. About losses prediction from damage of large-scale-construction projects caused by an earthquake. Problemy analiza riska. 2017. No. 4, pp. 50–56 (In Russian).
51. Рудый В.С., Черкашин А.В., Коноводченко В.И. Исследование колебаний крупноблочного здания со стенами из пильного камня-известняка. Сб. ст. исследований ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений» / Под ред. И.И. Гольденблата. М.: Стройиздат, 1972. С. 46–60.
51. Rudyj V.S., Cherkashin A.V., Konovodchenko V.I. Vibrations investigation of a large-block building with walls of saw-made limestone. Research proceedings of Central scientific research institute for building structures named after V.A. Kucherenko; edited by I.I. Gol’denblat. Moscow: Stroyizdat. 1972, pp. 46–60. (In Russian).
52. Джинчвелашвили Г.А., Мкртычев О.В., Ковальчук О.А., Колесников А.В., Соснин А.В. Идентификация расчетных моделей при динамических воздействиях. М.: АСВ, 2018. 300 с. DOI: 10.22337/9785432302045
52. Dzhinchvelashvili G.A., Mkrtychev O.V., Koval’-chuk O.A., Kolesnikov A.V., Sosnin A.V. Identifikatsiya raschetnykh modelei pri dinamicheskikh vozdeistviyakh [Identification of computational models under dynamic actions]. Moscow: ASV. 2018. 300 c. DOI: 10.22337/9785432302045
53. Poluraju P., Nageswara Rao P.V.S. Pushover analy-sis of reinforced concrete frame structure using SAP2000. International Journal of Earth Sciences and Engineering. 2011. Vol. 04. No. 6. SPL, pp. 684–690.

Для цитирования: Соснин А.В. Сопоставление допускаемых повреждений железобетонных каркасных зданий с целью расчетов на сейсмические воздействия // Жилищное строительство. 2021. № 1–2. С. 50–80. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2021-1-2-50-80


Печать   E-mail