Сейсмические нагрузки на здания в Германии

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 γ_I, который используется в качестве модификационного значения для оценки сейсмического воздействия при определении расчетного землетрясения [1]. Класс ответственности II соответствует T_NCR опорного землетрясения.

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.

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

S_d(T) = ордината расчетного спектра
T = длительность линейного колебания единичной массы
γ_I = коэффициент надежности по ответственности сооружения
q = коэффициент поведения
a_gR = номинальное значение пикового ускорения грунта
T_B, T_C, T_D = контрольные сроки спектра отклика
S = коэффициент грунта

Номинальное значение пикового ускорения грунта a_gR 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 a_gR [1].

Pисунок 02 - Схема сейсмических зон

Контрольные сроки T_B, T_C, T_D 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.

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 - Схема классов недр

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 a_gR

Pисунок 04