Сейсмические нагрузки на здания в Германии

Техническая статья

Сейсмические нагрузки в Германии определяются по национальному приложению DIN EN 1998-1/NA нормы DIN EN 1998-1. Данный норматив применяется для строительства в сейсмических зонах.

Специальные конструкции, такие как АЭС, морские сооружения и высокие плотины, данным предписаниям не подлежат [1]. Главная цель настоящих правил заключается в том, чтобы в случае землетрясения,

  • была обеспечена защита человеческой жизни,
  • был ограничен ущерб
  • и чтобы все сооружения, необходимые для защиты населения, остались в функциональном состоянии.

Землетрясение представляет собой воздействие на конструкцию, вызванное грунтом. Следовательно, данное воздействие соответствует группе наложенных деформаций или ускорений. Для его удобного сочетания с другими воздействиями (напр., приложенная нагрузка, снег и т.д.) в определенных расчетных ситуациях согласно нормативу DIN EN 1990, будет воздействие, возникающее в результате сейсмической активности, классифицироваться как сейсмическое воздействие.

Функциональные требования

Конструкции, находящиеся в сейсмических зонах, должны соответствовать определенным требованиям устойчивости и обеспечения ограничения ущерба.

С точки зрения устойчивости конструкции необходимо обеспечить, чтобы система сооружения выдерживала определенное расчетное землетрясение без местного и общего обрушения и даже после сейсмической активности сохраняла свою конструктивную прочность и остаточную несущую способность. В данном случае, соответствующее расчетное землетрясение определяется с помощью номинального периода повторения = 475 лет [2], который соответствует 10% вероятности появления землетрясения или нарушения конструкции в течение 50 лет.

Далее, требуется, в целях ограничения ущерба, обеспечить, чтобы здание выдерживало землетрясения с высшей вероятностью появления, чем расчетное землетрясение, без ущерба или других ограничений в использовании, затраты на отстранение которых могут быть непропорциональными по сравнению со стоимостью самой конструкции [1]. Тем не менее, данный аспект в немецком национальном приложении для сейсмических воздействий не учитывается.

Желаемая надежность конструкции по отношению к требованиям устойчивости и обеспечению ограничения ущерба достигается путем распределения конструкций по разным классам ответственности. Каждому классу ответственности назначен соответствующий коэффициент надежности по ответственности γI, который используется в качестве модификационного значения для оценки сейсмического воздействия при определении расчетного землетрясения [1]. Класс ответственности II соответствует TNCR опорного землетрясения.

Класс ответственностиКонструкцияКоэффициент ответственности γI
IКонструкции, не имеющие значение для общественной безопасности (сельскохозяйственные здания и т.д.)0,8
IIОбычные конструкции, не принадлежащие к другим категориям (небольшие жилые и офисные здания, мастерские и т.д.)1,0
IIIКонструкции, сейсмостойкость которых, важна для минимизаций последствий в случае обрушения (крупные жилые комплексы, школы, актовые залы, торговые центры и т.д.)1.2
IVКонструкции, сейсмостойкость которых имеет крайне важное значение для защиты населения (больницы, важные помещения гражданской обороны, пожарная служба, служба охраны и т.д.)1.4

Критерии соответствия - предельные состояния

Для удовлетворения определенных требований, диктуемых функциональным назначением здания во время сейсмических действий, необходимо проверить аварийное предельное состояние и предельное состояние по пригодности к эксплуатации.

Аварийные предельные состояния описывают возможные сценарии потери несущей способности строительной конструкции рассматриваемого здания [1]. Для обеспечения соответствия, необходимо сначала обеспечить требуемую пластичность и конструктивную устойчивость всего здания включительно всех компонентов фундамента и грунта.

С другой стороны, предельные состояния по пригодности к эксплуатации относятся к ущербу, ограничивающему пригодность конструкции к эксплуатации [1]. Для надежной защиты от ущерба требуется обеспечение соответствующих лимитов деформации. Кроме того, все важные здания должны быть достаточно жесткими, чтобы смогли защитить население и достаточно устойчивы, чтобы смогли поддержать предоставление наиболее важных услуг.

Пластичность

Землетрясение, как правило, приводит к созданию энергии в здании и вызывает вибрации [2]. Соответствующие колебания зданий, а также сейсмическая нагрузка зависят от характеристических свойств здания. По отношению к землетрясении можно спроектировать такие здания, которые смогут вынести либо относительно высокие действующие силы с небольшой упругой деформацией, либо меньшие действующие силы с большими пластическими деформациями. Второе решение приводит к значительно высшей диссипации энергии, что требует проведение физически нелинейного расчета системы сооружения. На практике, равновесие между нагрузкой и диссипацией энергии достигается с помощью коэффициента поведения q в зависимости от определенной классификации пластичности [1]. Чем выше класс пластичности, тем меньше эквивалентная сейсмическая нагрузка. Однако, в то же время, чем выше класс пластичности, тем выше требования к строительным конструкциям для обеспечения нужной пластичности.

Класс пластичности конструкцииКоэффициенты поведения q
Низкодиссипативное поведение конструкцииСРС (низкий)≤ 1,5
Поведение диссипативных конструкцийУРС (средний)Железобетонные конструкции по норме DIN EN 1998-1, раздел 5
Стальные конструкции по норме DIN EN 1998-1, раздел 6
Составные конструкции из стали и железобетона по норме DIN EN 1998-1, раздел 7
Деревянные конструкции по норме DIN EN 1998-1, раздел 8
Каменные конструкции по норме DIN EN 1998-1, раздел 9
ЗРС (повышенный)

Сейсмическое воздействие

Норматив для землетрясения описывает земные движения, происходящие в определенной точке земной поверхности с упругим спектром отклика ускорения грунта (также известного как спектр упругого отклика). По отношению к установленным требованиям касательно устойчивости конструкции и ограничения ущерба, спектр упругого отклика идентичен.

Поскольку у большинства конструкций сейсмическое воздействие уменьшается посредством нелинейной реакции, требуется для его определения нелинейный расчет [1]. В целях упрощения, можно упругое поведение зданий определить с помощью линейного расчета на основе спектра упругого отклика, модифицированного фактором поведения q. Спектр отклика, измененный с помощью коэффициента q, называется расчетным спектром [1]. Коэффициент поведения q соответствует 5% вязкому затуханию конструкции.

Pисунок 01 - Расчетный спектр

Диапазон действияФункция расчетного спектра Sd(T)
0 ≤ T ≤ TBagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ [1 + T/TB ⋅ (2,5/q - 1)]
TB ≤ T ≤ TCagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2.5/q
TC ≤ T ≤ TDagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2.5/q ⋅ TC/T
TD ≤ TagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2.5/q ⋅ (TC ⋅ TD)/T2

Sd(T) = ордината расчетного спектра
T = длительность линейного колебания единичной массы
γI = коэффициент надежности по ответственности сооружения
q = коэффициент поведения
agR = номинальное значение пикового ускорения грунта
TB, TC, TD = контрольные сроки спектра отклика
S = коэффициент грунта

Номинальное значение пикового ускорения грунта agR является характерным значением для данной площадки. В нашем случае, данное значение определяется на основе оценки сейсмической опасности в Федеративной Республике Германии. В зависимости от местной сейсмической опасности, страна подразделяется на соответствующие сейсмические зоны от 0 до 3. Сейсмическая опасность в рамках каждой зоны предполагается как постоянная и сохраняется с соответствующим номинальным значением пикового ускорения грунта agR [1].

Сейсмическая зонаНоминальное значение пикового ускорения грунта agR в м/с2
0Не указано
10,4
20,6
30,8
Не применимоНе указано

Pисунок 02 - Карта сейсмических зон

Контрольные сроки TB, TC, TD и коэффициент грунта S, определенные для расчетного спектра, являются также характерными значениями данной площадки, которые основаны на сочетании класса грунта и класса грунтового основания [1], на месте строительства.

Грунтовые условияSTB в sTC в sTD в s
A-R1,000,010,202,0
B-R1,250,010,252,0
C-R1,500,010,302,0
B-T1,000,010,302,0
C-T1,250,010,402,0
C-S0,750,010,502,0

Грунт, зависящий от скорости сдвиговых волн, подразделяется на классы A, B и C [1]:

  • Грунт типа А
    • Неэродированный скалистый грунт (свежий) с высокой прочностью
    • Преобладающая скорость сдвиговых волн превышает приблизительно 800 м/с
  • Грунт типа B
    • Частично эродированные скалистые грунты или скалистые грунты низкой прочности
    • Крупнозернистая (зернистая) или смешанная, неуплотнившаяся почва с высокими фрикционными свойствами плотной или твердой консистенции (например, каменная осыпь)
    • Преобладающая скорость сдвиговых волн находится в диапазоне с 350 м/с до 800 м/с
  • Грунт типа C
    • Сильно или полностью эродированный скалистый грунт
    • Крупнозернистая (зернистая) или смешанная, средне плотная почва твердой или хотя бы густой консистенции
    • Мелкозернистая (связная) почва твердой или хотя бы густой консистенции
    • Преобладающая скорость сдвиговых волн находится в диапазоне с 150 м/с до 350 м/с

Изменения грунтового основания между скалистой областью и областью отложений подразделяются на классы грунтового основания R, T и S [1]:

  • Класс грунтового основания R
    • Области со скалистым грунтом
  • Класс грунтового основания T
    • Области перехода между классами грунтового основания R и S, а также районы с относительно мелкими осадочными бассейнами
  • Класс грунтового основания S
    • Области глубоких бассейновых структур с мощным осадочным заполнением

Pисунок 03 - Карта классов грунтового основания

Определение местного номинального значения пикового ускорения грунта и класса грунтового основания

Инструмент геолокации на сайте фирмы Dlubal по снеговому, ветровому и сейсмическому зонированию включает в себя нормативные требования, а также технологические решения, доступные в Интернете. Данный инструмент с помощью карты Google Maps отзонирует требуемую область на основе выбранного типа нагрузки (снег, ветер, землетрясение) и определенного норматива. Для получения соответствующих данных необходимо ввести в поисковик требуемое местоположение, его географические координаты или местные условия. Затем инструмент с помощью точной высоты над уровнем моря и введенных данных о зоне, определит нормативную нагрузку или ускорение в заданном местоположении. В случае, если требуемое местоположение нельзя определить с помощью адреса, можно данную карту увеличить и выбрать правильное местоположение вручную. После выбора требуемого местоположения на карте, расчет приспособится новой высоте и отобразит обновленные нагрузки.

Сетевые средства доступны на сайте Dlubal в секции Применения → Сетевые средства.

Определив следующие параметры...

1. Тип нагрузки = землетрясение
2. Норматив = EN 1998-1
3. Тип карты = сейсмические зоны или классы грунта
4. Приложение = Германия | DIN EN 1998-1
5. Адрес = Domkloster 4, Кельн

... будут для выбранного местоположения получены следующие результаты:

6. Сейсмическая зона
7. Класс грунтового основания
8. Дополнительная информация (при необходимости)
9. Номинальное значение пикового ускорения грунта agR

Pисунок 04 - Сетевые средства Dlubal

Ключевые слова

Сейсмические воздействия Сейсмическая нагрузка Ускорение грунта Коэффициент фона Класс основания Класс грунта Сейсмическая зона Класс ответственности Коэффициент поведения Пластичность Коэффициент важности здания

Литература

[1]   Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance - Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings; EN 1998‑1:2004/A1:2013
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 23. Auflage. Köln: Bundesanzeiger, 2018

Загрузки

Ссылки

Контакты

Свяжитесь с Dlubal

У вас есть какие-либо вопросы или необходим совет?
Свяжитесь с нами через бесплатную поддержку по электронной почте, в чате или на форуме или найдите различные предлагаемые решения и полезные советы на страницах часто задаваемых вопросов.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

RFEM Основная программа
RFEM 5.xx

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций методом конечных элементов (МКЭ) плоских и пространственных конструктивных систем, состоящих из плит, стен, оболочек, стержней (балок), тел и контактных элементов

Цена первой лицензии
3 540,00 USD
RSTAB Основная программа
RSTAB 8.xx

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций рам, балок и ферм, выполняющее линейные и неьинейные расчеты внутренних сил, деформаций и опорных реакций

Цена первой лицензии
2 550,00 USD