Робота будівельних конструкцій в умовах особливих навантажень

ЧАСТИНА ТРЕТЯ.

РОБОТА БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ В УМОВАХ ОСОБЛИВИХ НАВАНТАЖЕНЬ

 

РОЗДІЛ 11. ВПЛИВ СЕЙСМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ

 

Загальні поняття про землетруси

Швидкі, раптові струси земної кори, викликані різного роду природними причинами, називаються землетрусами. Основна причина землетрусів – розрядка внутрішніх напруг Землі. Виявляються землетруси, головним чином, в зонах активних рухів земної кори. Ці зони називаються сейсмічними (грець. seismos – коливання).

Область усередині Землі, де раптово виділяється потенційна енергія, називається сейсмічним осередком. Центр області називають гіпоцентром Н, а його проекцію на поверхню Землі – епіцентром Е. Відстаньміж гіпоцентром і епіцентром – глибина сейсмічного осередку. За глибиною сейсмічного осередку землетруси поділяють на:

– поверхневі – відстань від епіцентру до гіпоцентру до 10 км;

– нормальні – 10…75 км;

– проміжні – 75…300 км;

– глибокофокусні – 300…700 км.

 

Пружні коливання, що розповсюджуються в Землі від осередків землетрусів, вибухів і інших джерел називають сейсмічними хвилями. Швидкість розповсюдження хвиль залежить від щільності і пружності середовища. Швидкість має тенденцію до зростання у міру поглиблення, в земній корі вона складає 2-8 км/с, а при поглибленні до мантії - 13 км/с. Розрізняють об'ємні та поверхневі сейсмічні хвилі; у свою чергу об'ємні хвилі розрізняються на подовжні і поперечні (рис. 11.1).

Поверхневі сейсмічні хвилі – ті, що розповсюджуються тільки уздовж поверхні Землі. Швидкість поверхневих хвиль менше швидкості об'ємних хвиль. Із-за своєї низької частоти, часу дії і великої амплітуди вони є самими руйнівними зі всіх типів сейсмічних хвиль. Розрізняють два типи поверхневих хвиль: хвилі Лява і Релея.

Об'ємні хвилі проходять через надра Землі.

Подовжні сейсмічні хвилі (P-хвилі, первинні хвилі, компресійні хвилі ) – найбільш швидкі хвилі, що розповсюджуються від джерела сейсмічних коливань і є послідовним стисненням і розрядкою матеріалу. Подовжні хвилі проходять через всі середовища. Їх швидкість в 1,7 разу більша, ніж швидкість поперечних S-хвиль. Стандартна швидкість P-хвиль в граніті – 5000 м/с.

Поперечні сейсмічні хвилі (S-хвилі, вторинні хвилі) – сейсмічні хвилі, що розповсюджуються повільніше, ніж подовжні Р-хвилі. Вони складаються з пружних коливань, поперечних по відношенню до напряму розповсюдження хвилі. Поперечні хвилі не проходять через рідину.

Сейсмічні хвилі у міру віддалення від сейсмічного осередку втрачають інтенсивність. Зменшується і сейсмічна енергія. Ці зміни на спеціальних сейсмічних картах показують ізолініями (ізосейстами). Кожна ізосейста з’єднує точки з рівною щільністю потоку сейсмічної енергії. Дальність розповсюдження багато в чому визначається геологічною будовою району. У складчастих областях сейсмічні хвилі затухають значно швидше, ніж на рівнинах.

 

 

Рисунок 11.1 – Види сейсмічних хвиль

 

В Україні до сейсмічно небезпечних районів віднесені Карпати і Крим. Сейсмічна зона Криму займає південну частину півострова. Тут відомі землетруси силою до 8 балів.

За причинами, що їх викликають, землетруси поділяються на тектонічні, вулканічні і денудаційні.

Тектонічні землетруси пов’язані з розрядкою напруг, що періодично накопичуються в земній корі і верхній мантії внаслідок рухів блоків та глиб, що зачіпають різні глибини земної кори і верхню мантію. На них припадає 95 % всіх землетрусів.

Вулканічні землетруси передують виверженням вулканів або супроводжують їх. Вони мають локальне розповсюдження: обмежуються областю, прилеглою до діючого вулкана.

Денудаційні (або обвальні) землетруси відбуваються в районах розповсюдження легкорозчинних гіпсових, сольових і карбонатних порід, де виникають значних розмірів карстові порожнини і печери. Підземний обвал віддає по поверхні сейсмічним поштовхом. На частку денудаційних припадає близько 1 % всіх відомих землетрусів. Один з найбільш сильних денудаційних землетрусів спостерігався в Харківській області в 1915 р.

Коливання ґрунту, викликані проходженням поверхневих хвиль, фіксуються за допомогою приладів – сейсмографів і записуються у вигляді сейсмограм. Сейсмограми – основний документ, що характеризує землетрус. На них відбиті амплітуди подовжніх, поперечних і поверхневих хвиль.

Основні показники сили землетрусу – його енергія та інтенсивність. Енергія, що виділяється при розрядці напруг у сейсмічному осередку, вимірюється у джоулях або магнітудах. Магнітуда M – умовна енергетична характеристика, що виражається логарифмом відношення амплітуди коливань землетрусу, який вивчається, A_t до амплітуди коливань стандартного землетрусу A:

 

М = lg (А_ґ / А) (11.1)

Як еталонний, або стандартний землетрус, прийнято землетрус з амплітудою 1 мкм, який можна зареєструвати на відстані 100 км сейсмографом стандартного типу.

Шкала, запропонована Ч. Ріхтером, налічує 9 магнітуд. Між енергією і магнітудами існує залежність. Співвідношення магнітуди, енергії та інтенсивності землетрусів наведені в табл. 11.1.

У глибокофокусних землетрусів поверхні Землі досягає лише 7…8 % енергії, що виділяється. Тому невеликі за енергією землетруси з малою глибиною сейсмічного осередку бувають більш руйнівними, ніж глибокофокусні з високою енергією сейсмічного осередку.

Інтенсивність землетрусу характеризує силу підземних поштовхів на поверхні Землі. Для оцінки її розвитку використовують 12-бальну шкалу MSK-1964 (табл. 11.2). В її основу покладені ступінь руйнування будівель, зміни у ґрунтах, поведінка людей та інші ознаки. Характер руйнувань на поверхні залежить від напрямку ударної хвилі.

 

Таблиця 11.1 – Співвідношення інтенсивності, магнітуди та енергії землетрусів

Характер землетрусів	Інтенсивність, бали	Магнітуда, М	Енергія E, Дж	Число землетрусів на рік (частота землетрусів)
Катастрофічне	11…12	8,0…9,0	10^8
Сильно руйнівне	9…11	7,0…7,9	10^16
Руйнівне	7…9	6,0…6,9	10^14
Супроводжується пошкодженнями	6…7	5,0…5,9	10^12
Тільки відчувається	4…5	3,0…3,9	10^8

 

Між енергією землетрусу та його інтенсивністю існує залежність, що виражається формулою:

 

М = 1,3 + 0,6 B, (11.2)

 

де M – магнітуда; B – інтенсивність землетрусу, балів.

 

Таблиця 11.2 – Класифікація землетрусів за проявами по шкалі MSK-1964

VI	3.0…3.9 М	Легкі пошкодження будівель. Спостерігаються тонкі тріщини у штукатурці. У сирих ґрунтах з’являються тріщини шириною до 1 см.
VII	4.0…4.9 М	Легкі та значні пошкодження будівель. Спостерігаються тріщини та сколювання штукатурки. Спостерігаються випадки руйнування споруд з природного каменю (глинобитних і з рваної цеглини), На дорогах з’являються тріщини, порушуються стики трубопроводів.
VIII	5.0…5.9 М	Сильне пошкодження будівель. Руйнується багато будівель із природного каменю. У кам’яних будівлях з’являються численні великі тріщини та розшарування кладки, руйнування окремих ділянок стін, обсипається штукатурка. Тріщини у ґрунтах досягають декількох сантиметрів.
IX	6.0…6.9 М	Загальне пошкодження будівель. Руйнування стін та перекриттів. Окремі випадки руйнування цегляних споруд. Скривлюються залізничні колії. Тріщини у ґрунтах досягають 10 см завширшки.
X	7.0…7.9 М	Загальне руйнування будівель. Цегляні будівлі руйнуються, серйозні пошкодження виникають у дамбах, греблях, мостах. Дорожні асфальтовані покриття набувають хвилястої поверхні. Тріщини у ґрунтах досягають 1 м. На берегах річок, морів, схилах гір спостерігаються великі обвали, випадки випліскування води в озерах, каналах, річках.
XI	8.0…8.9 М	Катастрофа. Ушкоджуються будівлі залізобетонних конструкцій. Значним руйнуванням піддаються мости, дамби, залізничні колії. Рівна поверхня стає хвилястою. Ширина тріщин у ґрунтах досягає 1 м. Уздовж розривів відбуваються вертикальні й горизонтальні переміщення гірських порід.

 

 

Таблиця 11.3 - Сейсмічність майданчика будівництва в залежності від категорії ґрунтів

Категорія ґрунту за сейсмічними властивостями	Ґрунти	Сейсмічність майданчика будівництва при сейсмічності району, балів	Швидкості розпов­сюдження сейсмічних хвиль у грунті, vs, м/с
I	Скельні ґрунти усіх видів; великоуламкові ґрунти щільні, маловологі, які вміщують до 30 % піщано-глинистого заповнювача. Глибина ґрунтових вод більше 15 м.					vs >800
II	Скельні ґрунти вивітрілі; піски гравелисті, крупні та середньої крупності щільні та середньої щільності маловологі; пилувато-глинисті грунти із показником текучості ІL≤0,5 при коефіцієнті пористості е < 0,9 - для глин і суглинків та е < 0,7 - для супісків. Глибина ґрунтових вод 15…5 м.					500< vs <800
III	Піски крихкі незалежно від ступеня вологості та крупності; піски гра­велисті крупні; дрібні та пилуваті вологі та водонасичені; пилувато-глинисті грунти з показником текучості ІL > 0,5; пилувато-глинисті ґрунти з показником текучості ІL≤0,5 при коефіцієнті пористості е≥0,9 - для глин і суглинків та е≥0,7 - для супісків. Глибина ґрунтових вод менше 4 м.					200< vs <500
IV	Піски крихкі водонасичені, схильні до розрідження; насипні грунти; пливуни, біогенні ґрунти та намули	За результатами спеціальних досліджень	vs <200

 

При проектуванні будівель зазвичай приймають нормативну сейсмічність будівельного майданчика, яка відповідає 2-ій категорії. Для ґрунтів 1-ї категорії розрахункова сейсмічність знижується на 1 бал, а для ґрунтів 3-ї категорії – підвищується на 1 бал, порівняно з нормативною.

Відомо, що споруди, які будуються у сейсмічно небезпечному районі, проектуються так, щоб відповідати різним критеріям поведінки за різної інтенсивності землетрусів.

 

При проектуванні сейсмостійких споруд дотримуються таких принципів:

1. Принцип симетрії: маса і жорсткість конструкції повинні бути розподілені рівномірно і симетрично відносно площин симетрії, що проходять через центр ваги споруди. Тобто будівлі проектують простої форми у плані та симетричними (круг, квадрат, прямокутник). Будівлі складної форми у плані поділяють на відсіки простої форми антисейсмічними швами (рис. 11.2) у вигляді парних стін (у стінових будівлях) або парних рам (у каркасних будівлях).

2. Принцип гармонії: необхідно дотримуватися пропорційності у розмірах будівлі, при цьому її довжина або висота не повинні бути надзвичайно великими. Граничні розміри, поверховість, висоту поверхів будівель приймають згідно з вимогами ДБН В.1.1-12:2006.

3. Принцип антиважкості: необхідно проектувати споруду якомога більш легкою, з центром ваги, розташованим якнайнижче.

4. Принцип еластичності: матеріали в конструкції бажано застосовувати міцні, легкі, такі, що мають пружні властивості; конструкції з них повинні мати однорідні властивості.

5. Забезпечення замкнутого контуру: несучі елементи конструкції повинні бути зв’язані між собою, утворюючи замкнуті контури як у вертикальному напрямку, так і в горизонтальному.

6. Забезпечення надійності фундаментів: для сейсмостійких конструкцій фундаменти повинні бути міцними, достатньо глибоко закладеними, бажано на податливих прошарках або спеціальних субструкціях, що замінюють слабкі ґрунти, для забезпечення однорідності і міцності ґрунтової основи. Стрічкові збірні фундаменти закладають на одній відмітці та роблять неперервними. Ростверк пальового фундаменту роблять низьким, заглибленим у ґрунт. Рекомендується застосовувати суцільний плитний фундамент. Підвал розташовується під усім відсіком. В каркасних будівлях фундаменти під колони зв’язують між собою неперервними залізобетонними фундаментними балками у вигляді перехресних стрічок.

Рисунок 11.2 – Приклад проектування будівель складної форми в сейсмічних районах

7. Застосування сейсмоізоляції: доцільно застосовувати пристрої, що знижують інтенсивність коливальних процесів, які передаються від ґрунту на будівлю.

При будівництві дамб і мостів підсилюють їх основи, влаштовують більш пологі укоси. Нові конструкції будівель здорожують будівництво, але це врешті-решт виправдовує себе: рятує життя багатьом людям, зберігає від руйнування дорогі промислові об’єкти.

Будівлі і споруди слід розділяти антисейсмічними швами у випадках, якщо:

- будівля або споруда має складну форму в плані;

- суміжні ділянки будівлі або споруди мають перепади висот 5 м і більше. В одноповерхових будівлях заввишки до 10 м за розрахункової сейсмічності 7 балів антисейсмічні шви допускається не влаштовувати|владнувати,улаштовувати|.

Антисейсмічні шви повинні розділяти будівлі і споруди по всій висоті. Допускається не влаштовувати шов у фундаменті, за винятком випадків, коли антисейсмічний шов співпадає з осадовим.

Сходові клітки слід передбачати закритими, такими, що мають в зовнішніх стінах віконні отвори. Розташування і кількість сходових кліток слід визначати за результатами розрахунку, що виконується відповідно до вимог ДБН В.1.1-7-2002 «Захист від пожеж. Пожежна безпека будівель та споруд», але приймати не менше однієї сходової клітки між антисейсмічними швами в будівлях заввишки більше трьох поверхів.

Антисейсмічні шви слід виконувати шляхом зведення парних стін або рам, а також зведення рами і стіни.

 

 

Рисунок 11.3 – Класифікація систем сейсмозахисту

 

 

Цегляні будівлі.

Цегляні будинки висотою до чотирьох поверхів є найпоширенішим типом будівель у сейсмічних районах.

Міцнісні і деформаційні властивості кам’яних кладок такі, що вони погано чинять опір дії сейсмічних навантажень. Вразливими місцями будівель при землетрусах є ділянки сполучення поздовжніх і поперечних стін. При дії горизонтальних сил у площині перекриттів найскладніше зусилля зсуву сприймаються в місцях сполучення перекриттів зі стінами.

Тому в кам’яних стінах влаштовуються окремі залізобетонні включення, що істотно підвищують несучу здатність кам’яних конструкцій.

У стінових будівлях стійкість та жорсткість несучих стін підсилюється залізобетонними обв’язками замонолічування, антисейсмічними поясами та антисейсмічними сердечниками.

Великопанельні будівлі.

Зведення великопанельних будинків у сейсмічних районах вважають більш доцільним, бо вони приблизно у 2 рази легші за цегляні та мають більшу просторову жорсткість. Нові будівлі із залізобетонними конструкціями витримують підземні поштовхи силою до 8 балів і більше.

Великопанельні будівлі для підвищення механічної міцності слід проектувати з подовжніми і поперечними несучими стінами, об’єднаними між собою і з перекриттями та покриттями в єдину просторову систему, що сприймає сейсмічні навантаження.

Зовнішні стіни розраховують на горизонтальні навантаження. У будівлях вище 5 поверхів застосовують панелі з подвійною арматурою. Перекриття рекомендується виконувати з панелей "на кімнату" з рифленими гранями.

Каркасні будівлі.

У каркасних будівлях конструкцією, що сприймає горизонтальне сейсмічне навантаження, може служити: каркас, каркас із заповненням, каркас із вертикальними зв’язками, діафрагмами або ядрами жорсткості.

Для сприйняття сейсмічних впливів жорсткі вузли залізобетонних каркасів будівель повинні бути посилені застосуванням зварних сіток, спіралей або замкнутих хомутів.

В каркасних будівлях враховують додаткові сейсмічні горизонтальні навантаження, встановлюючи діафрагми і зв'язки.

Деякі землетруси викликають у каркасних будівлях руйнування колон при великих переміщеннях нижнього поверху. Одним з можливих шляхів збереження колон нижнього поверху, а значить і будівлі в цілому, є застосування в нижньому поверсі резервних жорстких вертикальних елементів (РВЕ), що вимикаються (що руйнуються) у процесі наростання амплітуд коливань споруди при деяких сейсмічних діях. Виключення цих РВЕ викликає перебудову внутрішньої структури системи, зміну її динамічних характеристик і підвищує надійність споруди при сейсмічних діях різного типу.

 

 

Рисунок 11.5 – Приклад застосування системи ковзаючого поясу у фундаменті споруди

 

Конструкції, в яких виникає повертаюча сила між сейсмоізолюючими частинами споруди, можна поділити на дві групи: із пружними та кінематичними опорами гравітаційного типу.

 

 

Рисунок 11.6 – Приклад системи сейсмоізолюючого фундаменту з використанням сипких матеріалів

 

У системі з пружними елементами амортизуючі опорні елементи виконуються з різних еластичних матеріалів (гуми, поліхлоропрену, фторопласту і т.под.) і пружинних елементів (рис. 11.7). Ці опори можуть надійно захищати конструкції від сейсмічних дій.

Дослідження споруд на гумометалевих опорах указують на їх високу надійність, проте вартість самих фундаментів виявляється значною і може досягати 30 % від вартості будівлі.

 

Рисунок 11.7 – Приклад системи сейсмоізолюючого фундаменту з пружними елементами

 

Застосування таких пристроїв дозволяє знизити сейсмічні навантаження і внутрішні зусилля, викликані ними, в конструкціях будівель. Проте серйозною проблемою при проектуванні споруд на пружних опорах виявилася складність забезпечення їх міцності при значних взаємних зсувах сейсмоізольованих частин фундаменту.

Принцип роботи конструкцій гравітаційного типу на гравітаційних кінематичних опорах полягає в тому, що під час землетрусу центр тяжіння опор піднімається (рис. 11.8), в результаті утворюється гравітаційна поновлююча сила. При цьому коливання будівлі відбуваються біля положення рівноваги, і їх початкова частота й період залежатимуть від геометричних розмірів використовуваних опор.

Рисунок 11.8 – Приклад системи сейсмоізолюючого фундаменту гравітаційного типу на гравітаційних кінематичних опорах

 

Пропоноване рішення дозволяє збільшити площу передачі навантаження на опорні частини і тим самим зменшити виникаючі напруги в зоні контакту рухомих елементів із опорними частинами.

У системах сейсмогасіння, що включають енергопоглиначі і динамічні гасителі, значний ефект гасіння коливань досягається шляхом використання спеціальних поглиначів енергії, що мають підвищені дисипативні властивості. Механічна енергія конструкції, що коливається, переходить в інші види енергії, що приводить до демпфірування коливань або до перерозподілу енергії від захищуваної конструкції до гасителя. Розсіювання енергії в системах сейсмогасіння відбувається за рахунок:

– роботи сил пластичної деформації,

– сухого або в’язкого тертя;

– застосування пружнофрикційних зв’язків;

– динамічних гасителів коливань.

Енергопоглиначі сухого або в’язкого тертя, що застосовуються в системах сейсмоізоляції фундаментів (рис. 11.9), можуть використовуватися не тільки у вигляді нерозривного зв’язку між досліджуваним об’єктом і основою, але також і як обмежувачі переміщення, що встановлюються із заданим зазором. Вони є найбільш зручними, з погляду практичної реалізації та експлуатації

Рисунок 11.9 – Приклад системи з енергопоглиначами сухого або в’язкого тертя

а) 1 – енергопоглинач; 2 – підземна сейсмоізолююча частина будівлі; 3 – надземні конструкції будівлі;

б) 1 – надземні конструкції споруди; 2 – нижня частина фундаменту; 3 – вертикальні амортизуючі елементи; 4 – поршень гідросистеми; 5 – циліндр гідросистеми; 6 – патрубок; 7 – перехідна трубка; 8 – резервуар; 9 – зворотний клапан; 10 – дросель

 

Застосування пружнофрикційних зв’язків (рис. 11.10) дозволяє не тільки значно підвищити дисипативні властивості системи, але й регулювати її енергопоглинаючу здатність. настроювати систему на оптимальний режим роботи. Втіленням фрикційних зв’язків є штучне розрізання остову будівлі на самостійні несучі блоки, сполучені між собою у швах фрикційними зв’язками. Як фрикційні зв’язки можуть використовуватись, наприклад, болтові з’єднання.

У системах сейсмогасіння з динамічним гасителем коливань (ДГК) як на рис. 11.11 механічна енергія конструкції, що коливається, не тільки може переходити в інші види енергії, але і перерозподілятися від конструкції, що захищається, до гасителя. Для забезпечення ефективної роботи ДГК в потрібне істотне збільшення гасячої маси. Системи сейсмогасіння з ДГК використовують для захисту хмарочосів.

Рисунок 11.10 – Приклади систем з енергопоглиначами пружнофрикційних зв’язків (а). Пластичні енергопоглиначі в системах зв’язків сталевих каркасів (б)

Існують адаптивні системи сейсмозахисту, динамічні характеристики яких можуть змінюватися (самонастроюватися) і пристосовуватися до спектрального складу землетрусу. Один із різновидів таких систем – комбінована система, що складається з кінематичних опор і упорів-обмежувачів переміщень. Існує декілька конструктивних рішень, що по-різному втілюють цю систему. Кожне з конструктивних рішень має специфічні особливості, які так чи інакше можуть вплинути на будівлю при землетрусі, її сейсмічну реакцію і врешті решт сейсмічність.

Рисунок 11.11 – Приклад системи з динамічним гасителем коливань

 

 

Таблиця 11.4 - Значення коефіцієнтів сполучень

Види навантажень	Значення коефіцієнта сполучень, nс
Постійні для залізобетонних, кам'яних, дерев'яних конструкцій	0,9
Те саме для металевих конструкцій	0,95
Тимчасові тривалі	0,8
Короткочасні (на перекриття та покриття)	0,5

Розрахунки споруд на особливі сполучення навантажень з урахуванням сейсмічних дій належить виконувати із використанням:

а) спектрального методу – слід виконувати для всіх будівель і споруд. Цей метод є достатнім для будівель і споруд простої геометричної форми із симетричним і регулярним розміщенням мас і жорсткостей, із найменшим розміром у плані не більше 30 м;

б) прямого динамічного методу – із застосуванням інструментальних записів прискорень ґрунту при землетрусах або стандартного набору синтезованих акселерограм – для будівель і споруд особливо відповідальних, заввишки понад 50 м (більше 16 поверхів) та споруди з прогонами більше 30 м або із принципово новими конструк­тивними рішеннями. При цих розрахунках слід враховувати можливість розвитку непружних деформацій конструкцій.

 

Сейсмічні дії можуть мати будь-який напрям|направлення| в просторі. При цьому максимальні амплітуди прискорень підстави|основи,заснування| слід приймати не менше 100, 200 або 400 см/с² при сейсмічності майданчиків будівництва 7, 8 і 9 балів відповідно.

Для будівель і споруд простої геометричної форми розрахункові сейсмічні навантаження слід приймати такими, що діють горизонтально у напрямі їх подовжньої і поперечної осей. Дію сейсмічних навантажень у вказаних напрямах слід враховувати роздільно.

При розрахунку споруд складної геометричної форми слід враховувати найбільш небезпечні для даної конструкції або її елементів напряму|направлення| дії сейсмічних навантажень.

Вертикальну складову сейсмічної дії необхідно враховувати при розрахунку:

- горизонтальних і похилих консольних конструкцій;

- пролітних споруд мостів;

- рам, арок, ферм, просторових покриттів будівель і споруд прольотом 12…24 і більше метрів в залежності від сейсмічності майданчика;

- будівель, споруд і фундаментів на стійкість проти перекидання або проти ковзання;

- пальових конструкцій з високим ростверком;

- міцності несучих стін з кам'яної кладки;

- опорних елементів сейсмоізоляції.

 

Спектральний метод розрахунку.

При визначенні розрахункових значень горизонтальних сейсмічних навантажень на будівлі та споруди висотою Н, яка перевищує у два і більше разів її ширину В і довжину L допускається приймати розрахункову схему (рис. 11.12,а) у вигляді багатомасового пружно-деформованого консольного стрижня, жорстко закріпленого на основі, який несе зосереджені маси вагою Q_{k ,}розташовані на рівні перекриттів, і здійснює коливальний рух за одним із напрямків (х або у).

При ширині будівлі В, яка в три і більше разів менша від двох інших її розмірів (Н і L), допускається приймати розрахункову схему (рис. 11.12,6) у вигляді багатомасового пружно-де­формованої перехресної системи із зосередженими у вузлах масами, розташованими на рівні перекриттів.

Як правило, рекомендується використовувати просторові розрахункові динамічні моделі із зо­середженими у вузлах масами (рис. 11.12,в).

 

Рисунок 11.12 – Розрахункові схеми будівель і споруд:

Питання для самоконтролю до розділу 11

 

1. Що таке гіпоцентр, епіцентр та сейсмічний осередок землетрусу?

2. Охарактеризуйте види сейсмічних хвиль.

3. Наведіть класифікацію землетрусів за глибиною сейсмічного осередку та за причинами, що їх викликають.

4. За якими показниками вимірюється сила землетрусу?

5. Які пошкодження будівель можуть бути під час землетрусів різної сили?

6. Охарактеризуйте поняття «сейсмічний район».

7. Охарактеризуйте поняття"сейсмічність будівельного майданчика".

8. В чому сутність заходів при проектуванні конструкцій в сейсмічних зонах?

9. Яким питанням треба приділяти особливу увагу при будівництві в сейсмічних районах?

10. З якою метою у будівлі влаштовуються антисейсмічні шви?

11. Вкажіть основні принципи будівництва у сейсмічних районах.

12. Як змінюються міцнісні характеристики матеріалів зі зміною швидкості навантаження та повторності додавання навантаження.

13. Вкажіть методи забезпечення сейсмостійкості цегляних будинків.

14. Охарактеризуйте антисейсмічні властивості великопанельних будинків.

15. Наведіть класифікацію методів сейсмозахисту.

16. Охарактеризуйте активні методи сейсмозахисту.

17. Чим відрізняється сейсмогасіння від сейсмоізоляції?

18. Чим відрізняється адаптивні та стаціонарні системи сейсмоізоляції?

19. Вкажіть методи, які використовуються для розрахунку споруд на сейсмічні дії.

 

 

Рисунок 12.1 – Схема зміни тиску в часі у фіксованій на місці точці для ударної хвилі та хвилі стиску

Вибухові хвилі впливають на конструкції споруд як короткочасні динамічні навантаження. В залежності від призначення споруди та причин вибуху короткочасні динамічні навантаження можуть бути експлуатаційними та аварійними. При експлуатаційних навантаженнях у конструкціях не повинні виникати деформації, що порушують нормальну експлуатацію споруди. При аварійних навантаженнях у деяких конструкціях споруди можуть виникати пластичні деформації і, навіть, руйнації.

 

У залежності від механізму передачі теплоти від шару до шару ВР розрізняють два види вибухового перетворення: детонацію і дефлаграцію (горіння).

При дефлаграційному процесі (горінні) теплота, що виділяється в зоні реакції, передається шляхом теплопередачі від гарячих продуктів реакції до найближчого шару ВР, викликаючи в ньому, у свою чергу, інтенсивну хімічну реакцію. Процес повторюється й у наступних шарах ВР. У цьому випадку хімічне перетворення поширюється при атмосферному тиску з дозвуковою швидкістю. Швидкість поширення сильно залежить від тиску, при якому протікає процес.

Фронт дефлаграційного горіння нагадує " проникний поршень ", що створює при русі попереду себе хвилю стиску. Надмірний тиск ΔР_ф в хвилі стиску поступово збільшується від фронту хвилі до фронту полум'я. Хвиля стиску також утворює, так званий, швидкісний натиск – динамічне навантаження, що утворюється потоком повітря (див. додаток 42). Швидкісний натиск є основним руйнівним чинником для будівельних конструкцій. Максимальні значення надмірного тиску і швидкісного натиску досягаються перед фронтом полум'я, позаду якого утворюється вогненна куля з високою температурою випромінювання (1800…2500 °С).

 

Рисунок 12.2 – Схема зміни тиску і температури в часі у фіксованій на місці точці при дефлаграційному вибуху

 

Коли горіння відбувається в незамкнутому просторі, воно не супроводжується ані характерним звуковим ефектом, ані механічною роботою. У замкнутому ж просторі процес протікає енергійніше: швидко піднімається тиск, у зв'язку з чим збільшується швидкість горіння. При горінні в замкнутому об’ємі, наприклад у зарядній камері гармати або в шпурі, характерно більш-менш швидке, але не різке наростання тиску газів до значень декількох сотень МН/м² (декількох тисяч атмосфер).

 

При детонаційному процесі механізм поширення хімічного перетворення ВР обумовлений передачею енергії від шару до шару хвилею стиску, тобто ударною хвилею. У цьому випадку хімічне перетворення поширюється по речовині з надзвуковою швидкістю або швидкістю, близькою до швидкості звуку.

Детонація може виникнути при наявності деяких умов, при яких горіння вибухових речовин стає нестійким, швидкість його починає збільшуватися, а, починаючи з деякого її значення, змінюється режим вибухового перетворення – виникає ударна хвиля. Швидкість ударної хвилі продовжує наростати, але до деякого граничного значення. Таким чином, швидкість вибухового перетворення, що протікає по механізму детонації, безупинно зростає від мінімального до граничного, постійного значення.

Детонація характеризується різким стрибком тиску в місці вибухового перетворення до 30-40 млн. Н/м² (300-400 тис. кгс/см²) і дуже різкою дією на навколишнє середовище. У момент підходу ударної хвилі до перешкоди тиск стрибком підвищується від атмосферного Р_о до значення Р_о + ΔР_ф у фронті хвилі, а потім поступово убуває (рис. 12.3). Після часу τ_t від моменту приходу ударної хвилі фаза стиснення переходить у фазу розрядки, але максимальна розрядка ΔР < 0,3ΔР_ф. Одночасно з тиском у фазі стиснення виникає рух повітря у напрямі розповсюдження хвилі – швидкісний натиск, який рухається за фронтом ударної хвилі.

Безпосереднє ураження ударною хвилею виникає в результаті дії надлишкового тиску та швидкісного натиску повітря. Ступінь пошкодження будівель та споруд в залежності від їх конструктивних особливостей визначається або надлишковим тиском, або швидкісним натиском. Наприклад, при невеликих розмірах об'єкту ударна хвиля майже миттєво охоплює його та надає сильного тиску (людиною миттєве підвищення тиску сприймається як різкий удар). В той же час швидкісний натиск утворює сильний лобовий тиск на об'єкт, який обумовлює його зсув у просторі та/або перекидання.

У фазі розрядки повітря рухається у зворотному напрямі. А на дальніх відстанях ударні хвилі від вибухів переходять в слабкі хвилі стиску.

 

Рисунок 12.3 – Схема зміни тиску і температури в часі у фіксованій на місці точці при детонаційному вибуху

Класифікація вибухових речовин (ВР) здійснюється за декількома ознаками:

1) за агрегатним станом – гази, рідини і тверді речовини;

2) за складом – однорідні речовини і суміші;

3) за приналежністю до певного класу хімічних сполук;

4) за ступенем стійкості горіння.

Більшість вибухових речовин є твердими тілами (наприклад, тротил, ксиліл і т.п.). Менш поширені, але так само різноманітні рідкі вибухові речовини. Вибуховими речовинами можуть бути і гази, наприклад суміші повітря з парами бензину або горючими газами. Так суміш повітря з газом метаном приводить до вибухів у шахтах, якщо в них не забезпечена правильна вентиляція. Нарешті, вибуховою системою може бути пилоповітряні горючі суміші, наприклад вугільний пил, пил борошна і т.п.

ВР, що належать до одного класу хімічних сполук, можуть значно розрізнятися по стійкості горіння, тобто по характеру вибухового перетворення, а отже й по можливостях їхнього застосування. По зазначених ознаках розрізняють три групи ВР:

Група І – ініціюючі (первинні) вибухові речовини (ІВР). Вони легко вибухають від простих видів зовнішнього впливу – полум'я, удару, тертя. Тому вони служать для збудження детонації бризантних ВР. Найважливішими представниками ІВР є гримуча ртуть, тетразен, азид свинцю та ін. Призначення ІВР – запалення порохових зарядів, сповільнювачів у дистанційних трубках і підривниках та інших об'єктів.

Група ІІ – бризантні або подрібнювальні (вторинні) вибухові речовини (БВР). Характерним видом вибухового перетворення ВР цієї групи є детонація. У звичайних умовах БВР не здатні вибухати від підпалювання, тому для виникнення їх детонації застосовують ІВР. БВР застосовують головним чином для спорядження боєприпасів і для підривних робіт.

Група ІІІ – метальні вибухові речовини (МВР) або порохи. Для речовин цієї групи характерним видом вибухового перетворення є горіння, що не переходить у детонацію. Для збудження горіння необхідна дія полум'я.

Таким чином, вибух заряду ВР може бути збуджений вибухом іншого заряду. Заряд, що вибухає першим, називають ініціюючим зарядом. Заряд, що вибухає під впливом вибуху активного заряду, називають пасивним зарядом або зарядом, що ініціюється.

 

 

Рисунок 12.4 – Схема утворення пластичних шарнірів при впливі вибуху на згинальні конструкції