Главный списокПлитка, кирпич, бетон

Влияние геометрических размеров на характер разрушения железобетонных колонн зданий с гибким первым этажом при сейсмических воздействиях



Имеющаяся в настоящее время тенденция отказа от принятых ранее систем сборного панельного домостроения, связанная с экономической и технологической целесообразностью, определила переход к системам монолитного многоэтажного строительства. В частности, ведется строительство монолитных зданий с "гибким" первым этажом с повышенной сейсмической активностью. При этом плоское или ребристое перекрытие опирается на квадратные или прямоугольные колонны, что позволяет произвольно осуществлять планировку квартир в пределах одного этажа, располагая на первом этаже магазины, офисы предприятий и учреждений. Такие или аналогичные системы жилищного строительства приняты и распространены в мире достаточно широко. Так, в Турции можно различить три основные схемы строительства жилых многоэтажных зданий, отличающихся друг от друга видом поперечного сечения колонн, а также расположением их относительно продольной и поперечной осей здания. По первой схеме монолитные ребристые железобетонные перекрытия с монолитными железобетонными ригелями опираются на монолитные квадратные железобетонные колонны. Лестничная клетка располагается в центре здания и имеет монолитные стены, лестничные марши и площадки. По второй схеме монолитные ребристые железобетонные перекрытия с монолитными железобетонными ригелями опираются на монолитные колонны прямоугольного сечения с размерами в плане «1:3. Количественное соотношение прямоугольных железобетонных колонн, ориентированных в плане здания по продольной и поперечной осям, составляет примерно 1:3-1:4. Колонны, ориентированные по продольной оси, расположены только в углах здания. Высота железобетонных колонн в пределах первого этажа не менее 3 м. Лестничная клетка располагается в центре здания и имеет монолитные стены, лестничные марши и площадки. Количество этажей — 3-4-5. По третьей схеме монолитные ребристые железобетонные перекрытия с монолитными железобетонными ригелями опираются на монолитные колонны прямоугольного сечения с размерами в плане 1:3. Прямоугольные железобетонные колонны в плане ориентированы по поперечной оси здания. По продольной оси выполнены монолитные железобетонные диафрагмы с размерами в плане «1:10. Лестничная клетка располагается в центре здания и имеет монолитные стены, лестничные марши и площадки. Высота железобетонных колонн в пределах первого этажа не менее 3 м. Натурные обследования железобетонных конструкций зданий, получивших повреждения в результате землетрясения 17 августа 1999 г. с эпицентром в г. Golsuk (Турция), проводились с целью оценки действительного их состояния и пригодности к дальнейшей эксплуатации. Расчетная сейсмичность района — 7 баллов; интенсивность землетрясения в эпицентре — 7,5 баллов; очаг землетрясения на глубине 14 км. Обследовались конструкции зданий, расположенных на расстоянии около 10 км и более от эпицентра землетрясения, т.е. в районах, где горизонтальная составляющая сейсмического воздействия по всей величине соответствовала или превышала вертикальную составляющую. Характер разрушения элементов каркаса зданий однотипен — подземная часть здания разрушений не имеет, наибольшие разрушения имеют железобетонные конструкции каркаса первого этажа, и интенсивность разрушения конструкций убывает с каждым последующим этажом, так что конструкции последнего этажа разрушений практически не имеют. Необходимо отметить, что в пределах первого этажа разрушение конструкций каркаса зданий происходит по монолитным железобетонным колоннам и по конструкциям монолитной лестничной клетки с некоторыми отличиями в зависимости от принятой схемы строительства. При первой схеме строительства здания разрушение в узлах сопряжения колонн с монолитными ригелями перекрытия первого этажа в основном выражено в виде раздробления бетона колонн, образования наклонных, пересекающихся трещин в торцевой стене лестничной клетки, разрушения бетона в уровне промежуточной площадки и трещин по контакту площадки и лестничных маршей. Особо следует подчеркнуть, что раздробление бетона колонн происходит в уровне перекрытия, а трещины в стене лестничной клетки развиваются от пола первого этажа. В отдельных случаях наблюдается выраженное смещение верха колонн относительно низа. Здания, выполненные по второй схеме, имеют неравномерную ориентацию монолитных прямоугольных железобетонных колонн — наибольшее количество колонн ориентировано по поперечной оси здания. Вдоль продольной оси ориентированы обычно четыре железобетонные колонны, расположенные в углах здания. Четыре железобетонные колонны, расположенные по продольной оси, имеют разрушения в узлах сопряжения с монолитными ригелями перекрытия первого этажа в виде наклонных трещин, пересекающих широкую сторону колонн. Железобетонные колонны, ориентированные по поперечной оси здания, имеют горизонтальные трещины в сопряжении с монолитными ригелями перекрытия первого этажа. В зависимости от размеров здания может происходить смещение верха колонн относительно низа. Торцевая стена лестничной клетки, расположенная по продольной оси, имеет на поверхности наклонные пересекающиеся трещины, развивающиеся от пола первого этажа, а также разрушения бетона в уровне промежуточной площадки и трещины по контакту площадки и лестничных маршей. Для зданий, выполненных по третьей схеме, характерно наличие наклонных пересекающихся трещин в торцевой стене лестничной клетки и монолитных железобетонных элементах, расположенных по одной оси, а также разрушения бетона в уровне промежуточной площадки и трещин по контакту площадки и лестничных маршей. Трещины в торцевой стене и монолитных железобетонных элементах развиваются от пола первого этажа. Раздробление бетона колонн в узлах сопряжения с монолитными ригелями перекрытия первого этажа зданий, построенных по первой схеме, несколько вуалируют основную схему разрушения — раздробление бетона сжатой зоны колонны и разрушение с образованием наклонной трещины. По геометрическим размерам железобетонные колонны можно разделить на четыре группы. К I группе относятся железобетонные колонны с геометрическими размерами (b — ширина, h — толщина, Н — высота) в соотношениях b/h 1; H/b 15; H/h 15, а также железобетонные колонны, имеющие b/h>1 и Н/b<15 и H/h 15, например железобетонные колонны с геометрическими размерами b/h 3; H/b 5; H/h 15 при приложении горизонтальной составляющей сейсмического воздействия перпендикулярно стороне b. II группа включает железобетонные колонны с геометрическими размерами в соотношениях b/h 3; Н/b 5; H/h 15; горизонтальная составляющая сейсмического воздействия приложена перпендикулярно стороне h. В III группу входят сжатые железобетонные элементы с геометрическими размерами в соотношениях b/h 9; H/b 1,67; H/h 15; горизонтальная составляющая сейсмического воздействия приложена перпендикулярно стороне h. IV группу составляют сжатые железобетонные элементы с геометрическими размерами в соотношениях b/h 15; H/b 1; H/h 15; горизонтальная составляющая сейсмического воздействия приложена перпендикулярно стороне h. Для I группы сжатых железобетонных элементов характерно разрушение бетона в сопряжении с монолитным железобетонным ригелем перекрытия первого этажа и смещение верха колонны относительно низа Железобетонные колонны II группы разрушаются с образованием наклонной трещины в месте сопряжения с монолитным железобетонным ригелем перекрытия первого этажа и нормальной трещиной в уровне пола. Сжатые железобетонные элементы III и IV групп имеют разрушения в виде наклонных (под углом =45° к поверхности пола) взаимно пересекающихся трещин, расположенных в нижней их части. В сопряжении железобетонных колонн с ригелями перекрытия разрушений не наблюдается. Таким образом, сжатые элементы в различных группах отличаются друг от друга не только характером разрушения, но и расположением места разрушения по высоте. Для железобетонных колонн I и II групп характерно расположение места разрушения в верхней части — в сопряжениях с монолитными железобетонными ригелями перекрытия первого этажа, в то время как разрушение железобетонных элементов III и IV групп происходит в их нижней части. Схематично характер разрушения сжатых железобетонных элементов по группам показан на рис. 1. Необходимо отметить, что степень разрушения констуркций различных групп существенно различается между собой. Железобетонные колонны I и II групп получили, даже при визуальном сравнении, большие повреждения — значительные отклонения от вертикали и сквозные наклонные трещины, ширина раскрытия которых достигает сантиметров; имеют место взаимные смещения как элементов каркаса, так и частей железобетонных колонн. Разрушения железобетонных элементов III и IV групп представляют собой наклонные трещины шириной раскрытия до 0,5 мм, расположенные в их нижней части. Смещения отдельных частей элементов относительно друг друга и элементов в системе каркаса здания не наблюдаются. Расположив группы железобетонных колонн в осях (рис. 2), получим две схемы разрушения — при b/h<3,87; H/b>3,87 разрушение сжатого элемента происходит в его верхней части; при b/h>3,87; H/b<3,87 разрушение сжатого элемента происходит в нижней части. Точка 0 является граничной между двумя схемами разрушения сжатых железобетонных элементов при сейсмическом воздействии. Расчет сжатых железобетонных элементов II группы, получивших наибольшие разрушения, проведен при помощи вычислительного комплекса "Лира 503". Железобетонные элементы этой группы наиболее опасны сточки зрения сохранения геометрической неизменяемости и устойчивости каркаса в целом из-за расположения в углах здания. Полученная в результате расчета картина распределения полей напряжений отчетливо показывает наличие зоны "А" в верхней части элемента при совместном действии вертикальных нагрузок от вышележащих конструкций каркаса и горизонтальной составляющей сейсмического воздействия. Расположение указанной зоны совпадают с расположением наклонной трещины в месте разрушения сжатого железобетонного элемента II группы. Таким образом, имеется совпадение теоретического и фактического места разрушения сжатого железобетонного элемента II группы — опасное сечение располагается в верхней его части в сопряжении с монолитным железобетонным ригелем. Необходимо отметить, что при образовании наклонной трещины в верхней части сжатых железобетонных элементов первого этажа (относящихся к I и II группе) произошли либо обрушение здания или его частей, либо значительные деформации и перемещения — отклонения от вертикали, трещины, просадки и т.д. При образовании наклонных трещин в нижней части сжатых железобетонных элементов первого этажа (III и IV группа) здание сохранило геометрическую неизменяемость каркаса даже при повторном землетрясении. Следовательно, сейсмостойкость зданий с железобетонными элементами первого этажа, имеющими геометрические размеры b/h>3,87; H/b<3,87, выше сейсмостойкости зданий с железобетонными элементами первого этажа, имеющими геометрические размеры b/h<3,87; H/b>3,87. В районе обследования интенсивность землетрясения при удаленности от эпицентра около 10 км составила 7 баллов. При одинаковой интенсивности сейсмического воздействия здания с железобетонными колоннами I и II групп получили большие разрушения, даже с обрушением отдельных частей либо зданий в целом, в сравнении со зданиями с железобетонными колоннами III и IV групп, которые сохранили целостность и геометрическую неизменяемость каркаса. Таким образом, сейсмостойкость зданий с железобетонными колоннами I и II групп (b/h<3,87; H/b>3,87) соответствует расчетной сейсмичности района, в то время как сейсмостойкость зданий с железобетонными элементами III и IV групп (b/h>3,87; H/b<3,87) превышает расчетную интенсивность землетрясения. Характер разрушения железобетонных колонн II группы (наклонная трещина одного направления) указывает на то, что разрушение произошло от однократного механического воздействия определенного направления. Следствием такого воздействия явилось разрушение сжатой зоны бетона, образование и раскрытие наклонной трещины, а также смещение разрушенных частей относительно друг друга. Колебания здания происходили в упругой области работы бетона железобетонных колонн. Характер разрушения железобетонных элементов III группы (в виде системы пересекающихся наклонных трещин) указывает на многократное знакопеременное механическое воздействие. Колебания здания происходили не только в упругой, но и в пластической области работы бетона железобетонных колонн, без потери геометрической неизменяемости каркаса. При произвольной ориентации продольной и поперечной осей зданий относительно очага землетрясения наибольшие разрушения получают конструкции, расположенные по оси с минимальным количеством сжатых железобетонных элементов, обеспечивающих устойчивость каркаса. Модель разрушения здания, расположенного не в эпицентре землетрясения, от горизонтальной составляющей сейсмического воздействия, приложенного в уровне пола первого этажа, включает следующие этапы: в начальный момент железобетонная колонна работает как стойка, жестко защемленная в полу и в перекрытии над первым этажом. В нижнем и верхнем уровнях заделки колонны в нормальных сечениях имеются сжатые и растянутые зоны; с увеличением интенсивности горизонтального сейсмического воздействия в этих сечениях в растянутых зонах образуются нормальные трещины; в верхнем уровне заделки колонны (в сопряжении с ригелем перекрытия первого этажа) происходит разрушение бетона сжатой зоны и потеря устойчивости стержней арматуры сжатой зоны — разрушенная сжатая зона бетона приводит к уменьшению сечения колонны — образуется своего рода железобетонный сжатый элемент с "подрезкой" в опорной зоне; происходит закрытие трещины в растянутой зоне сечения колонны из-за воздействия вертикальных нагрузок от вышележащих конструкций здания; горизонтальная составляющая сейсмического воздействия вызывает образование наклонной трещины от разрушенной сжатой по широкой стороне колонны; под действием веса конструкций здания и вертикальной составляющей сейсмического воздействия происходит разрушение железобетонной колонны по образовавшейся наклонной трещине в уровне сопряжения ее с перекрытием над первым этажом и общее разрушение части или всего здания. Главной причиной разрушения железобетонных колонн именно в верхней их части является сложившаяся технология строительства такого типа зданий. Железобетонные колонны изготавливаются в вертикальной опалубке с заливкой бетона сверху. При таком способе бетонирования наиболее уплотненной и соответственно наиболее прочной является нижняя часть железобетонной колонны. Верхняя часть колонны и особенно сопряжение ее с монолитным железобетонным ригелем перекрытия оказывается наименее прочной. Повышенная пористость бетона, испарение влаги с поверхности бетона, не закрытой опалубкой, водоотделение и расслоение бетона являются причиной снижения прочности бетона по сравнению с проектной именно в верхней части железобетонного элемента. Более низкая прочность бетона верхней части железобетонной колонны приводит к преждевременному наступлению предельного состояния при сейсмическом воздействии и общему снижению сейсмостойкости здания. В нашей стране основой монолитного строительства зданий является безригельная каркасная схема с монолитными железобетонными колоннами и плоским монолитным перекрытием, так называемая система КУБ. Технология возведения зданий по этой схеме полностью повторяет принятую в Турции, где разрушения во время землетрясения носили массовый характер и привели к многочисленным человеческим жертвам.
add company