Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Расчет сейсмического воздействия с учетом строительных норм

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Сейсмическими (от греч seismos — землетрясение) называются динамические воздействия, связанные с движениями основания сооружения во время землетрясений.

По причинам возникновения землетрясения условно подразделяют на: тектонические (наиболее сильные, возникающие вследствие сбросов, сдвигов земной коры и т. п.); вулканические; возбужденные (возникающие при наполнении глубоких водохранилищ).

Интенсивность землетрясений. На поверхности Земли ее оценивают в баллах по специальным шкалам.


В СССР приняты 12-балльная шкала Института физики Земли и аналогичная ей шкала MSK = 64. Баллам соответствуют: качественные оценки колебаний почвы — степень повреждений зданий и сооружений, ощущения людей и другие природные явления и количественные — ускорения, скорости и смещения. Так, интенсивности 1 землетрясения 7 баллов соответствуют ускорения 50...100 см/с2, скорости 4,1... 8 см/с, смещения 2,1...4 мм; 8 баллам— соответственно 100..200 см/с2; 8,1... 16 см/с, 4,1 ...8 мм; 9 — баллам — соот- ветствено 200...400 см/с2, 16,1...31 см/с и 8,1...16 мм. При увеличении на 1 балл все характеристики возрастают в 2 раза.

Интенсивность очага землетрясения (гипоцентра), располагающегося на глубинах 50...700 км, оценивается энергией Е, излучаемой в окружающую среду. В качестве условного показателя сейсмической энергии очага используют и магнитуду М. Магнитудой называется десятичный логарифм отношения амплитуды А данного землетрясения (смещение грунта) к амплитуде А стандартного землетрясения, записанной на таком же расстоянии от эпицентра (ближайший к очагу участок поверхности Земли) :

В качестве стандартного землетрясения берут самое слабое, амплитуду которого можно записать (1 ...2 балла); его магнитуду принимают равной нулю. Для крупнейших землетрясений 8,5...8,6. По Ю. В. Ризниченко и И. Л. Нерсесову.

Сейсмическое районирование. Более 13 % территории СССР подвержены сильным землетрясениям, в частности Кавказ, Крым, Средняя Азия, Дальний Восток, Саяны, Чукотка, Сахалин и др. На основе обработки сейсмологической информации составлены карты сейсмического районирования [97], где приведена балльность района и повторяемость землетрясений. По ним устанавливают исходную балльность строительной площадки применительно к средним грунтовым условиям. В зависимости от свойств основания балльность уточняют по таблице 8.7. Уточнение сейсмичности в зависимости от свойств основания


Категория грунта по сейсмическим свойствам Грунт основания Уточненная сейсмичность при сейсмичности района, баллы

Расчетные сейсмические воздействия на сооружения. Методы определения сейсмических воздействий подразделяются на: 1) методы, в которых ускорение задается акселерограммами, то есть графиками изменения ускорений колебаний грунта во времени; получение реальных акселерограмм сильных землетрясений для выбранных створов трудно осуществимо, поэтому используют типичные акселерограммы, относящиеся к аналогичным сейсмотектоническим характеристикам; 2) методы, в которых ускорение задается нормативными документами; при этом используется линейно-спектральная теория, регламентированная СНиП II-7—81.

Особенности линейно-спектральной теории: 1) действительная сейсмическая инерционная нагрузка заменяется условной нагрузкой, определяемой для каждой формы колебаний с учетом спектральных свойств сооружения и далее рассматриваемой как статическая; 2) определяются частоты и формы собственных колебаний сооружения и соответствующие им инерционные нагрузки; 3) оценивается прочность и устойчивость при действии нагрузок основного сочетания и сейсмических; 4) при определении инерционных нагрузок и статических расчетов используется общая расчетная линейно-упругая модель.

Инерционная нагрузка, действующая на тело,


При использовании в практических расчетах гидротехнических сооружений в эту формулу вводят обоснованные теоретическими и экспериментальными исследованиями коэффициенты, учитывающие влияние ряда важных факторов.

В качестве приближенной расчетной схемы для многих гидротехнических сооружений рассматривают упругую вертикальную консоль переменного сечения, масса которой сосредоточена в точках (рис. 3.19, а).

Сложное движение при сейсме консоли и ее элементов описывается математически суммой колебаний по 1-му, 2-му... i-му, п-му тону, соответственно


Сейсмическую нагрузку на k-й элемент, соответствующую i-му тону колебаний, определяют по формуле:


Для сооружений I класса силу 5, определяемую по формуле (3.43), увеличивают на 20 %.


Учет влияния водной среды. При землетрясении возникает гидродинамическое давление воды водохранилища на сооружение, которое зависит от длины водохранилища, его планового очертания и поперечных сечений, от параметров колебания сооружения, частоты затухания колебаний которого изменяются при наличии воды в верхнем бьефе. В расчетах учитывают некоторую присоединенную массу воды:


Порядок определения сейсмических воздействий и усилий. Плотину разбивают по высоте на элементы весом Qi, Q2...Qa...Q, в центре тяжести которых приложены сейсмические силы 5. Далее определяют периоды собственных колебаний сооружения и по рисунку 3.19. На основе экспериментов или данных [9, 93] определяют и по формуле (3.44); а затем по формуле (3.43) сейсмические нагрузки Sift. При наполненном водохранилище учитывают вес присоединенной массы (при этом учитывают изменение периодов собственных колебаний и соответствующие коэффициенты динамичности. При расчетах прочности по нагрузке S, определяют в расчетных сечениях значения нормальных и поперечных сил и моментов и Mi [см. формулу (3.45)]. При расчетах устойчивости определяют суммарную сейсмическую нагрузку.

Особенности расчета бетонных плотин. Расчетную схему принимают в виде консольного стержня (см. рис. 3.19, а). Период собственных колебаний гравитационных плотин приближенно равен:


Формы колебаний приведены на рисунке 3.19, а; подробнее в [9]. Важен и учет податливости основания; при податливых основаниях увеличиваются периоды собственных колебаний, изменяются формы колебаний и уменьшаются инерционные нагрузки. Определяющее условие прочности — ограничение зоны растяжения по контакту с основанием.

В расчетах контрфорсных плотин определяют периоды и формы собственных колебаний вдоль и поперек потока. Весьма сложными являются расчеты арочных плотин [9].

Особенности расчета грунтовых плотин. Приближенная расчетная схема грунтовой плотины, имеющей большие поперечные размеры по сравнению с бетонной, — треугольный сдвиговой клин; параметры колебаний его существенно зависят от деформаций сдвига.


К отдельным отсекам в центре тяжести прикладывают сейсмические нагрузки, равные произведению безраз-_ мерного ускорения ap.h на вес отсека. Значение ap.h на контакте с основанием принимают равным. В расчетах учитывают также податливость нескального основания и свойства водонасыщенного грунта [93].

Пути повышения сейсмостойкости плотин. Учет свойств оснований. Сооружения желательно размещать вдали от тектонического разлома, на скальном массиве. Слой илов, мягкопластичные глины и т. п. в основании удаляют, уплотняют или закрепляют. Для водонасыщенных несвязных грунтов проверяют возможность разжижения при сейсме и предусматривают их укрепление или уплотнение.

Конструктивные мероприятия. По И. Нотариусу их можно подразделить на: 1) уменьшающие сейсмические воздействия или их вторичный эффект; 2) направленные на достижение локального эффекта без изменения динамических характеристик сооружения; 3) повышающие сейсмостойкость изменением динамических характеристик сооружения.

Бетонные плотины. Отсутствуют сведения об их разрушении от землетрясений; очень редки сейсмические повреждения с частичным опорожнением водохранилища. Конструктивные предложения: по пункту 1—устройство пневматической завесы (предложение ВНИИГ), автоматически вводимой в действие при землетрясении (через перфорированные трубы на напорную грань подается сжатый воздух); по пунктам 2 и 3 — правильный выбор формы сооружения, расположения швов, компоновки узлов примыкания к берегу и грунтовым плотинам; применение предварительно напряженных и облегченных конструкций плотин, устройство низкомодульных прослоек в основании и др.; возведение там, где это оправданно, гибких сооружений надувного типа, а также сооружений из легких бетонов, введение амортизирующих элементов в тело плотин, облегчение пригребневой зоны; использование пространственности работы плотин при совместной работе секций в узких ущельях.

Грунтовые плотины. Конструктивные предложения по пункту 1: устройство пневмозавес, специальной дренажной системы верхового откоса, включаемой первыми толчками при этом из-за фильтрационного потока появляется прижимная сила повышающая устойчивость откоса; устройство водонепроницаемого (часто асфальтобетонного) экрана, особенно для плотин малой и средней высоты, существенно снижающего сейсмическую нагрузку на откос (заложение снижается до 1,5... 1,8 при 1=9 баллов и препятствующего разжижению грунта; несколько меньшей сейсмостойкостью обладают плотины с асфальтобетонными диафрагмами; по пунктам 2 и 3 — уменьшение порового и гидродинамического давления устройством дренирующих слоев в верховой призме; уплотнение грунта тяжелыми виброкатками, взрывами до плотности, исключающей сейсмическое его разжижение; уполо- жение откосов; крепление откосов каменной наброской или железобетонными плитами, пригрузка камнем; использование сейсмоизоляции (сейсмозащиты) — устройство в теле плотины (особенно эффективно в широком створе) одного или нескольких горизонтальных слоев грунта с динамической жесткостью в 1.5...2 раза меньше, чем тела плотины; в узких створах сейсмоизоляции эффективна на подошве, сейсмические нагрузки снижаются в 1,5...2 раза; динамические характеристики улучшаются и при криволинейной в плане форме плотины; применение армированного грунта в плотинах, подпорных стенках, особенно в сооружениях с высотой Я до 30 м и более (экономия стоимости 10...60 %); на гребне плотин —использование сетчатого рулонного армирующего материала (нейлоноваясетка); применение гибких сопряжений противофильтра- ционных элементов с основанием.

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики