Сейсмические нагрузки на здания в Германии
Pисунок 01 - Расчетный спектр
Pисунок 02 - Карта сейсмических зон
Pисунок 03 - Карта классов грунтового основания
Pисунок 04 - Сетевые средства Dlubal
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 ответственности | Конструкция | Коэффициент ответственности γI |
|---|---|---|
| I | Конструкции, не имеющие значение для общественной безопасности (сельскохозяйственные здания и т.д.) | 0,8 |
| II | Обычные конструкции, не принадлежащие к другим категориям (небольшие жилые и офисные здания, мастерские и т.д.) | 1,0 |
| III | Конструкции, сейсмостойкость которых, важна для минимизаций последствий в случае обрушения (крупные жилые комплексы, школы, актовые залы, торговые центры и т.д.) | 1.2 |
| IV | Конструкции, 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 конструкции | Коэффициенты поведения q | |
|---|---|---|
| Низкодиссипативное поведение конструкции | СРС (низкий) | ≤ 1,5 |
| Поведение диссипативных конструкций | УРС (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.
| Диапазон действия | Функция расчетного спектра Sd(T) |
|---|---|
| 0 ≤ T ≤ TB | agR ⋅ γI ⋅ S ⋅ [1 + T/TB ⋅ (2,5/q - 1)] |
| TB ≤ T ≤ TC | agR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2.5/q |
| TC ≤ T ≤ TD | agR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2.5/q ⋅ TC/T |
| TD ≤ T | agR ⋅ 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 зона | Номинальное значение пикового ускорения грунта agR в м/с2 |
|---|---|
| 0 | Не указано |
| 1 | 0,4 |
| 2 | 0,6 |
| 3 | 0,8 |
| Не применимо | Не 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 условия | S | TB в s | TC в s | TD в s |
|---|---|---|---|---|
| A-R | 1,00 | 0,01 | 0,20 | 2,0 |
| B-R | 1,25 | 0,01 | 0,25 | 2,0 |
| C-R | 1,50 | 0,01 | 0,30 | 2,0 |
| B-T | 1,00 | 0,01 | 0,30 | 2,0 |
| C-T | 1,25 | 0,01 | 0,40 | 2,0 |
| C-S | 0,75 | 0,01 | 0,50 | 2,0 |
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
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
Загрузки
Ссылки
Контакты
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.
Все семейства
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
3 540,00 USD
Основная программа
Программное обеспечение для расчета конструкций рам, балок и ферм, выполняющее линейные и неьинейные расчеты внутренних сил, деформаций и опорных реакций
2 550,00 USD
