В марте 2003 года НО «РАСС» провело обследование несущих конструкций реконструируемого здания Республиканского национального театра драмы в городе Горно-Алтайске (рис. 1). Обследование выполнялось в рамках Федеральной целевой программы «Сейсмическая безопасность России», утвержденной правительством России в сентябре 2001 г. Основанием для проведения работ стало принятое заказчиком решение о повышении сейсмостойкости конструкций здания, связанное с уточнением сейсмо-геологической обстановки на площадке строительства в соответствии с требованиями СНиП II-7−81* «Строительство в сейсмических районах» и повышением требований к безопасности (сейсмичность площадки, ранее оценивавшаяся в 7 баллов, после уточнений оценивается в 9 баллов). Здание запроектировано и построено в 1977 году без проведения антисейсмических мероприятий.
По результатам изучения проектной документации здания театра и данных визуального обследования обнаружились несоответствия требованиям СНиП II-7−81* более чем по двадцати пунктам. В связи с этим на стадии предпроектной проработки были предложены два варианта приведения здания театра к уровню сейсмостойкости, соответствующему 9 баллам. Первый предусматривал применение традиционных методов сейсмоусиления (разделение здания на девять самостоятельных отсеков, усиление существующих стен слоями торкретбетона, развязка свободных краев ограждающих конструкций вертикальными диафрагмами жесткости
Второй вариант основывался на использовании системы сейсмоизоляции с использованием резинометаллических сейсмоизолирующих опор (РМСО) (рис. 2).
Применение резинометаллических опор со свинцовым сердечником — один из наиболее эффективных способов сейсмоизоляции, обеспечивающий восприятие вертикальной нагрузки, горизонтальную податливость и повышенное гистерезисное затухание колебаний. Сейсмоизоляторы выпускаются со стандартными параметрами для вертикальной нагрузки от 280 до 16000 кН (28−1600 тс). Резинометаллические изоляторы проектируют и изготавливают таким образом, чтобы обеспечить решение поставленной задачи по несущей способности, по деформированию в любых направлениях с заданной жесткостью и с требуемым затуханием во время землетрясения.
Концепция организации системы сейсмозащиты здания драмтеатра с использованием РМСО приведена на рис. 3.
Этот вариант предусматривает выполнение следующих комплексных мероприятий:
Расстановка РМСО (рис. 4) и оптимизация мероприятий по сейсмоусилению проводилась по Техническим условиям, разработанным НО «РАСС» в соответствии с требованиями СНиП II-7−81*, и на основании расчетного анализа.
Выбор РМСО был обусловлен следующими факторами:
Предложенная концепция сейсмоусиления строительных конструкций здания является комплексной и предполагает поэтапное проведение ряда исследований.
На первом (предварительном) этапе определяются места установки и тип РМСО с учетом фактических объемно-планировочных и конструктивных параметров здания, а также действующих (проектных) нагрузок.
На втором этапе с учетом заданных параметров деформирования расставленных РМСО определяются действующие усилия в элементах и узлах здания для подбора уровня их усиления.
В ходе третьего этапа анализируются проектные решения, выполняемые по результатам расчетов второго этапа.
Четвертый этап предусматривает сравнительный анализ двух вариантов здания — без сейсмоизоляции и с применением РМСО (сопоставляются усилия и напряжения в конструкциях здания).
При такой постановке задачи необходимы современные компьютерные программы, позволяющие реализовать эффективные математические модели анализируемых вариантов несущих конструкций.
Далее мы представим опыт решения указанной задачи средствами интегрированной системы анализа конструкций StructureCAD (SCAD). В проведении расчетов участвовали специалисты ЦИСС ЦНИИСК им.
Вычислительный комплекс SCAD реализует универсальный метод конечных элементов. Пакет широко используется во многих регионах России, чему способствует наличие у него сертификата соответствия строительным нормам РФ. Высокую конкурентоспособность комплекса на рынке программных продуктов обеспечивает его ориентированность на решение прикладных задач, актуальных для инженеров-проектировщиков. Одним из важнейших достоинств SCAD является управляемая визуализация всех аспектов строительного проектирования: от создания конечно-элементной модели до расчета напряженно-деформированного состояния конструкций и их конструирования.
Формирование моделей и расчетный анализ проводились с применением программного комплекса SCAD Office. Укрупненная расчетная модель здания строилась в специальном препроцессоре ФОРУМ: основные размеры, привязки колонн и несущих стен, очертания перекрытий, положение проемов и отверстий формируются здесь с необходимой степенью детализации. Для упрощения формируемой модели в схему не включались ограждения и перегородки, которые не влияют на жесткость конструкции, архитектурные детали, фермы.
Препроцессор ФОРУМ предоставляет широкие возможности построения и корректировки конечно-элементной сетки. Формирование расчетной схемы здания завершается заданием жесткостных характеристик, условий опирания и примыкания элементов модели.
Сгенерированная конечно-элементная модель была частично доработана в среде SCAD. Расчетная модель здания (рис. 5) без сейсмоизоляции дополнялась только моделью структурного покрытия, созданного в среде SCAD (этот процесс проводился в режиме сборки, где назначались условия сопряжения опорных узлов покрытия с колоннами, а собранные нагрузки от ферм передавались как нагрузки от фрагмента схемы).
Добавление в модель системы сейсмоизоляции с применением РМСО осуществлялось следующим образом:
В задаче рассмотрены все регламентированные нормами статические и динамические нагрузки, включая сейсмические.
Первый этап исследования заключался в расчете здания театра без системы сейсмоизоляции на основное и особое сочетание нагрузок с целью определения усилий и напряжений в несущих элементах.
Второй этап предполагал получение результатов, необходимых при выборе типа РМСО. Для этого производился расчет на действие основного сочетания нагрузок здания с сейсмоусилением (торкретбетон), но без РМСО. По максимальному значению вертикальных усилий были выбраны тип и количество сейсмоопор (140 штук) с заданными жесткостными характеристиками — GZY400V5A.
На третьем этапе в созданную расчетную схему вводились элементы 51 с жесткостями РМСО (горизонтальные и вертикальная жесткости) (рис. 7−9). Результаты расчета на основное и особое сочетание нагрузок показали, что тип сейсмоопор был выбран правильно (максимальные горизонтальные перемещения сейсмоопор находились в допустимых пределах и соответствовали требованиям заказчика по ограничению этих перемещений вследствие близости других объектов). Когда были получены максимальные значения перемещений, появилась возможность определить размер горизонтального антисейсмического шва, отделяющего внутренний дворик от остальной части здания.
Четвертый этап заключался в проведении сравнительного анализа результатов расчета по двум расчетным схемам здания театра (с сейсмоизоляцией и без нее). Выполненные расчеты подтвердили эффективность сейсмоизоляции здания театра с применением РМСО — в комбинации с традиционными методами усиления наземной части и основания.
Сравнение результатов показало существенное улучшение характера работы здания: в отличие от базового варианта оно приобрело признаки единой системы с четко выраженной формой развития и распределения деформаций по высоте и в плане. Прежде всего об этом свидетельствуют результаты динамического расчета (рис. 10−11).
При использовании РМСО повысились периоды собственных колебаний (табл. 1), что, в свою очередь, более чем вдвое снизило коэффициент динамичности (рис. 12).
Вариант 1 Здание, усиленное традиционными методами |
Вариант 2 Здание на резинометаллических опорах |
T1 = 0,173 c | T1 = 1,485 c |
T2 = 0,164 c | T2 = 1,397 c |
T3 = 0,159 c | T3 = 1,224 c |
Снизились расчетные нагрузки на элементы и узлы здания. Например, анализ распределения внутренних усилий (рис. 13), возникающих в одной из наиболее нагруженных стен, показал снижение сжимающих напряжений на 20−30% (табл. 2).
Параметры | Расчетная модель | ||
---|---|---|---|
Вариант 1. Здание без РМСО, наземная часть которого усилена традиционными методами |
Вариант 2. Сейсмоусиленное здание на РМСО |
||
Максимальные нормальные напряжения в простенках (МПа) от особого сочетания нагрузок | |||
Стена по оси 15(М — У) | горизонт.напряж. сж./раст. | -0,16 (0,12) | -0,11 (0,07) |
вертик.напряж. сж./раст. | -0,59 (0,13) | -0,46 (-) | |
Стена по оси У (15 — 10) | горизонт.напряж. сж./раст. | -0,18 (0,087) | -0,17 (0,05) |
вертик.напряж. сж./раст. | -0,48 (0,04) | -0,35 (0,04) |
Анализ полученных результатов свидетельствует о следующем.
Приведенный пример показывает, что возможности, предоставляемые программным комплексом SCAD Office, позволяют в полном объеме и с необходимой степенью точности смоделировать напряженно-деформированное состояние сложной трехмерной несущей конструкции, подвергающейся интенсивным сейсмическим воздействиям. При этом время, необходимое для создания достаточного количества вариантов расчетных схем, выполнения расчетов и анализа их результатов, вполне приемлемо для обоснования конструктивных решений в условиях проектирования реальных строительных объектов.