Территория Республики Абхазия располагается в зоне повышенной сейсмической активности, большинство строительных объектов находятся на открытых территориях морского побережья с постоянной ветровой нагрузкой. Отсутствие мероприятий, обеспечивающих сейсмостойкость жилых зданий и сооружений, является одним из основных факторов, приводящих к гибели людей и причинению огромного культурного и экономического ущерба. В связи с дефицитом нормативно-технической документации на проектирование и строительство в Республике Абхазии расчеты строительных конструкций выполняют по строительным нормам и правилам Российской Федерации.
Цель исследования: моделирование работы конструкций монолитного железобетонного каркаса здания при сейсмическом воздействии, анализ кинематических параметров (перемещений, ускорений и скоростей) конструктивных элементов каркаса здания, оценка динамических реакций.
Объект исследования - здание морского вокзала в г. Сухум (рис.1). Общественное здание, состоящее из портовой части и торгово-развлекательной с предусмотренной парковочной зоной.
Рис. 1. Морской вокзал г. Сухум
Конструктивная схема здания – монолитный железобетонный каркас. Пространственная жесткость и устойчивость зданий обеспечивается совместной работой колонн, стен, монолитных дисков перекрытия и покрытия. Деформационные швы разделяют здание на 3 блока.
В качестве фундамента применяют железобетонную монолитную плиту толщиной 1500 мм. Армирование фундаментной плиты выполняют отдельными стержнями арматурой класса А400 в продольном и поперечном направлении. Бетон для фундаментной плиты принят класса В30. Искусственное основание - буровые железобетонные сваи диаметром 2 м, шагом 9х5,5 м.
Перекрытия монолитные толщиной 350 мм. Шахта лифта из кирпича керамического, лестничный узел из монолитного железобетона. Наружные стены кирпичные. Между поверхностями стен и колонн каркаса предусмотрен зазор не менее 20 мм, кладка имеет гибкие связи с каркасом, не препятствующие горизонтальным смещениям каркаса вдоль стен.
Сейсмичность площадки по карте А в соответствии с СП 14.13330.2014 «Нагрузки и воздействия» составляет 8 баллов (принято по г. Сочи, ближайшему в Российской Федерации). Снеговой район II, ветровой район IV в соответствии с СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» [1].
Для решения поставленных задач выбран численный метод исследования – метод конечных элементов. Разработана конечно-элементная модель по плитно-стержневой схеме в программном комплексе «ЛИРА-САПР» (рис. 2) [2-4].
Рис. 2. Конечно-элементная модель: а) блок А; б) блок Б; в) блок В;
г) таблица жесткостей
Для динамического расчета в расчетную модель здания введены следующие нагрузки и воздействия: собственный вес несущих конструкций и постоянные нагрузки; вес временных перегородок; полезные нагрузки; снеговая нагрузка.
Создана динамическая комбинация коэффициентов перевода нагрузок в массы [5-9]. В результате динамического расчета получены частоты и формы колебаний (рис. 3).
Анализ форм колебаний показал, что первая и вторая формы крутильные, что соответствует сложным конструктивно-планировочным решениям каркаса здания. При моделировании сейсмического воздействия для таких зданий необходимо учитывать наиболее опасные значения сейсмической реакции сооружения или его частей и направления сейсмических воздействий [7].
Рис. 3. Формы колебаний блока Б: а) 1-я форма; б) 2-я форма;
в) 3-я форма
Для учета сейсмического воздействия выбран метод, реализующий требования СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах». Выполнено моделирование сейсмических воздействий вдоль оси Х и оси Y линейно-спектральным методом, реализованным в программном комплексе «ЛИРА-САПР».
Для учета дополнительных инерционных сил, соответствующих вращательному воздействию грунта, рассмотрена расчетная модель сейсмического воздействия с учетом угловых ускорений. Направление опасного сейсмического воздействия, а также направляющие косинусы для каждой формы колебаний задают в диалоговом окне.
Выполнен общий статический расчет конструкций монолитного железобетонного каркаса здания. На рис. 4 приведены деформированные схемы каркаса блока Б.
Рис. 4. Деформированные схемы каркаса блока Б от сейсмических воздействий: а) вдоль оси Х; б) вдоль оси Y; в) с учетом угловых ускорений
Анализ результатов динамического расчета показал, что учет сейсмического воздействия с учетом угловых ускорений вносит существенный вклад в напряженно-деформированное состояние каркаса здания. Выгиб консольных участков плит перекрытий требует увеличения расчетного армирования балок и плит, что снижает экономичность принятых конструктивных решений.
Согласно действующей нормативной документации для зданий и сооружений с простыми конструктивными решениями допускается моделировать сейсмические воздействия, действующие горизонтально в продольном и поперечном направлениях. Анализ причин сейсмических воздействий показал, что к разрушениям приводят мощные импульсы ускорения грунта, создающие на конструкции зданий и сооружений ударные волны сдвига.
Для обеспечения надежности проектных решений рекомендуется рассчитывать все здания по интегральной модели сейсмического воздействия, которая учитывает дополнительные инерционные силы, соответствующие вращательному воздействию основания.
