Оценка сейсмостойкости железобетонных зданий на основе дифференцированного коэффициента допускаемых повреждений

1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (НИУ МГСУ)
Умаров Кароматулло Исхокович
ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ
ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО КОЭФФИЦИЕНТА ДОПУСКАЕМЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
Специальность – 05.23.01
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
д.т.н., профессор Кабанцев О. В.
Москва 2020

2.

Актуальность. Обеспечение высокой сейсмостойкости железобетонных зданий различного назначения является одной из
важнейших задач современного строительства. От того, насколько успешно она решается, зависит жизнь людей и сохранность
материальных ценностей при землетрясениях.
Сейсмология еще не умеет сколько-нибудь точно предсказывать место, время и интенсивность землетрясения, но
строители должны проектировать и везде строить такие здания и сооружения, чтобы они не разрушались при любом
землетрясении.
Обеспечение надежности и безопасности сейсмостойкого строительства, несомненно, представляет собой сложнейшую
инженерную задачу. Фиксируемый уровень надежности должен обеспечивать условия эксплуатации без разрушения
конструкций или без появления недопустимых деформаций, а также обеспечивать необходимую долговечность. Во многих
действующих нормативных документах при проектировании сейсмостойких сооружений, допускается возможность работы
материала конструкций за пределами упругости. Считается нецелесообразным, экономически невыгодным и практически
невозможным проектировать здания и сооружения таким образом, чтобы при воздействии сильных землетрясений
конструкции работали только в упругой стадии. Поэтому предполагается нелинейное поведение конструкций, и даже
допускаются разрушения отдельных элементов. Эти разрушения ограничиваются пластическими деформациями колонн и
устоев (диафрагм).
В настоящее время массовый расчет зданий и сооружений на сейсмические нагрузки производится в соответствии со
СНиП II-7-81*, в основу которого заложено упругое деформирование конструкций с введением одним коэффициентом К1
«коэффициента допускаемых повреждений» для учета нелинейной работы конструкций несущей системы, которое не зависит
от интенсивности землетрясения.
Железобетонные здания смешанного типа с колонами и стенами (рамно-связевые несущие системы) получают при
землетрясениях существенно различный объем повреждений, что свидетельствует о недостаточной научной обоснованности
используемых в нормах значений важнейшей механической характеристики железобетонных несущих конструкций
сейсмостойких зданий и необходимости совершенствования методов оценки их сейсмостойкости. Таким образом, тема
диссертационного исследования, посвященная теоретическому обоснованию сейсмостойкости железобетонных зданий на
основе дифференцированного коэффициента допускаемых повреждений, является актуальной.

3.

Цель работы
Оценка уровня сейсмостойкости железобетонных зданий на основе дифференцированного коэффициента
допускаемых повреждений элементов несущей системы.
Научно-техническая гипотеза состоит в предположении наличия зависимости параметров сейсмической реакции
железобетонных зданий от реализации пластической фазы деформирования элементов несущей системы.
Задачи исследования:
Разработка методика оценки перехода в предельное состояние железобетонных диафрагм жесткости при действии
горизонтальных нагрузок.
Обоснование и разработка методика оценки перехода в предельное состояние железобетонных диафрагм
жесткости при действии горизонтальных нагрузок в условиях развития пластических деформаций допустимого
объема.
Обоснование характеристики предельных состояний плоскостных железобетонных конструкций с заданным
предельным уровнем повреждений.
Определение и обоснование значений коэффициента допускаемых повреждений для основных групп вертикальных
несущих
конструкций
рамно-связевых
железобетонных
несущих
систем,
который
является
функцией
коэффициента пластичности μ.
Численные исследования по определению особенностей формирования и накопления во времени пластических
деформаций в элементах рамно-связевых каркасов при различной этажности модельного здания.
Численные исследования по оценке сейсмостойкости на основе метода дифференцированных коэффициентов
допускаемых повреждений различных видов зданий с рамно-связевым железобетонным каркасом.
Обоснование применения дифференцированных значений коэффициентов допускаемых повреждений для колонн и
диафрагм жесткости рамно-связевых железобетонных каркасов.

4.

Объектом исследований являются несущие системы железобетонных зданий различного функционального
назначения, расположенные в сейсмоопасных районах.
Предметом исследований является уровень сейсмостойкости несущих систем железобетонных зданий.
Научная новизна в рамках диссертационного исследования получены результаты, обладающие научной новизной:
Разработана и обоснована методика оценки перехода в предельное состояние железобетонных диафрагм
жесткости при действии горизонтальных нагрузок в условиях развития пластических деформаций допустимого
объема.
Установлены и обоснованы характеристики перехода в предельное состояние стеновых железобетонных
элементов с учетом предельной величины развития локальных разрушений.
Установлены и обоснованы дифференцированные значения коэффициентов допускаемых повреждений
элементов несущих систем железобетонных зданий рамно-связевым каркасом, обеспечивающие требуемый
уровень сейсмостойкости.
Установлена зависимость уровня сейсмической реакции несущих систем железобетонных рамно-связевых
зданий от величины реализации пластической фазы деформирования конструктивных элементов и узлов.
Обоснована необходимость применения дифференцированных коэффициентов допускаемых повреждений для
корректной оценки уровня сейсмостойкости зданий с железобетонным рамно-связевым каркасом.

5.

Теоретическая значимость заключается в выявленных закономерностях особенностей упруго-пластического
деформирования конструкций различных типов в составе рамно-связевых железобетонных систем при сейсмических
воздействиях.
Практическая значимость заключается в определении и обосновании дифференцированных значений
коэффициентов допускаемых повреждений для конструктивных элементов различных типов в составе рамносвязевых железобетонных систем при сейсмических воздействиях и разработке предложений по обоснованию
сейсмостойкости рамно-связевых железобетонных систем на основе дифференцированных коэффициентов
допускаемых повреждений для конструктивных элементов различных типов.

6.

На защиту выносятся:
Метод моделирования перехода в предельное состояние железобетонных диафрагм жесткости при действии
горизонтальных нагрузок в условиях развития пластических деформаций допустимого объема
Обоснование характеристик перехода в предельное состояние стеновых железобетонных элементов с учетом предельной
величины развития локальных разрушений.
Результаты численных исследований перехода в предельное состояние железобетонных диафрагм жесткости при
действии горизонтальных нагрузок в условиях развития пластических деформаций допустимого объема.
Методика определения дифференцированного значения коэффициентов допускаемых повреждений элементов несущих
систем железобетонных зданий рамно-связевым каркасом, обеспечивающие требуемый уровень сейсмостойкости.
Значения величин коэффициентов допускаемых повреждения для основных групп вертикальных железобетонных
конструкций рамно-связевых несущих систем для расчета таких систем на сейсмические воздействия.
Обоснованность и достоверность результатов исследования:
Представленные в диссертации результаты исследований, выводы и заключения подтверждаются использованием
общепризнанных математических моделей, методов расчета и расчетных технологий, а также удовлетворительной
корреляцией результатов численных исследований, в том числе:
проведенными теоретическими исследованиями по разработке КЭ анализа перехода в предельное состояние
железобетонных диафрагм жесткости при действии горизонтальных нагрузок.
корректным применением методов динамического расчета для численных исследований дифференцированного значения
коэффициентов допускаемых повреждений элементов несущих систем железобетонных зданий рамно-связевым каркасом,
обеспечивающие требуемый уровень сейсмостойкости
корректным применением сертифицированных расчетных комплексов ETABS, SAP2000 сертификат соответствия
№RA.US.АБ86.Н00960 срок действия с 10.10.2016г.

7.

Апробация результатов исследования:
Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах:
Участие
при
разъяснение
нового
документа
СП
14.13330.2018
Строительство
в
сейсмических
районах.
Актуализированная редакция СНиП II-7-81*, которая состоялось 9 августа 2018 года в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева.
Место проведения: Москва, 2-я Институтская ул., 6, стр. 5.
Научная конференция молодых ученых и аспирантов ИФЗ РАН, 22-23 апреля 2019 г. М.: ИФЗ РАН, 2019.
Умаров К.И., Кабанцев О.В. О необходимости учета различного уровня ответственности конструктивных элементов
несущих систем при оценке сейсмостойкости зданий. М.: ИФЗ РАН, 2019 – 92 c. -80.
XIII Российская
состоится
национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию
01-06 июля 2019 года в г. Санкт-Петербурге, CITYTEL Oтель
«Санкт-Петербург» (г. Санкт-Петербург,
Пироговская наб.5/2).
Умаров К.И., Кабанцев О.В. Оценка сейсмостойкости зданий с учетом дифференцированных характеристик
предельных
состояний конструктивных элементов и узлов. г. Санкт-Петербург, 2019 – 122 c. -29.
Международной научно-практической конференции ««Перспектива развития науки и образования 27-28 ноября 2019
года в Душанбе, Таджикский технический университет имени академика М.С. Осими.
Умаров К.И., Кабанцев О.В. Особенности упруго-пластического деформирования рамно-связевых железобетонных
каркасов при сейсмическом воздействии.
22nd International Conference on Seismic Engineering and Analysis on June, 25-26, 2020 at Istanbul, Turkey (материалы
приняты):.
K. I. Umarov., O.V. Kabantsev. Analysis of Elastic-plastic Deformation of Reinforced Concrete Shear-wall Structures under
Earthquake Excitations. // World Academy of Science, Engineering and Technology. International Journal of Civil and
Architectural Engineering

8.

Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 научная статья в рецензируемых изданиях из перечня ВАК и
1 статья рецензируемых изданиях из перечня Scopus. Опубликованные научные труды полностью соответствуют теме и
содержанию диссертационной работы.
Личный вклад автора в науку определяется: выявленными закономерностями особенностей упруго-пластического
деформирования конструкций различных типов в составе рамно-связевых железобетонных систем при сейсмических
воздействиях; разработкой и обоснованием характеристик предельных состояний железобетонных стен сейсмостойких
зданий; разработкой и обоснованием величин коэффициентов допускаемых повреждений для конструктивных элементов
различных типов в составе рамно-связевых железобетонных систем при сейсмических воздействиях.

9.

Глава 1. Состояние проблемы. Цели и задачи исследований
Значительный вклад по оценке уровня сейсмостойкости железобетонных зданий на основе коэффициента допускаемых
повреждений элементов несущей системы внесли Я.М. Айзенберг, Ю.Л. Рутман, Ю. И. Немчинов, Е.К. Нурмаганбетов, О.В.
Мкртычев, О.В. Кабанцев, Г.А. Джинчвелашвили, Э. Симборт, Алипур М.А. и др.
В разработку теории сейсмостойкости большой вклад внесли ученные Я.М. Айзенберг, И.И. Гольденблат, И.Л. Корчинский,
О.В. Лужин, А.Г. Назаров, Н. Ньюмарк, С.В. Поляков, В.А. Ржевский, Э.Е. Хачиян и др. Из зарубежных авторов необходимо
отметь работы Д. Хаузнера, Д. Блюма, П. Дженингса, В. Бертеро, Р. Клафа, Дж. Борджерса и др.
Развитие теории и методов динамического расчета железобетонных конструкций стало возможным благодаря работам В.М.
Бондаренко, А.А. Гвоздева, В.И. Жарницкого, А.В. Забегаева, А.С. Залесова, В.А. Котляревского, В.И. Мурашева, Н.Н.
Попова, Б.С. Расторгуева, И.М. Рабиновича, А.Р. Ржаницина, А.Ф. Смирнова, Е.С. Сорокина и других ученных, посвященных
исследованиям деформирования конструкций при особых динамических воздействиях (сейсмических, взрывных и ударных).
Огромную роль в создании динамической теории сейсмостойкости пространственных конструкций сыграли теоретические и
экспериментальные исследования В.З. Власова, А.С. Вольмира, Б.С. Василькова, Г.Н. Ашкинадзе, М.А. Керни, И.Е.
Милейковского, О.В. Лужина, Б.В. Новожилова, В.Я. Павилайнена, В.Д. Райзера, С.Р. Раззакова, А.В. Шапиро, В.В. Щугаева и
других авторов.

10.

Сейсмическая опасность на территории РФ (СССР)
Более 20% территорий России являются сейсмоопасными,
около трети из них приходится на регионы, отнесенные к 8-9бальной сейсмичности.
Площади (% от территории) с разной интенсивностью
сейсмических воздействий по данным карт сейсмического
районирования разных лет и различных вероятностей
сейсмического события. Внизу под гистограмм – процент
площадей с интенсивностью землетрясений 6, 7, 8, 9.

11.

Повреждаемость зданий различных конструктивных типов при землетрясениях
№ п/п
Средняя степень
повреждения «d»
Стандарт
«σ»
Коэффициент
вариации
«v»
Каменные здания с монолитными
железобетонными поясами и включениями,
образующими четкий пространственный
каркас
Каменные здания с монолитными
железобетонными поясами и включениями,
не образующими четкий пространственный
каркас
Каменные здания с монолитными
железобетонными поясами
Каменные здания из бутовой кладки с
монолитными железобетонными поясами
1,3
0,73
0,56
2,2
1,29
0,59
2,8
0,47
0,41
3,3
1,23
0,56
5
6
Крупнопанельные здания
Здания с железобетонным каркасом
1,1
2,3
0,21
0,86
0,18
7
Монолитные железобетонные здания
1,5
0,26
1
2
3
4
Конструктивный тип
0,37
0,17

12.

Повреждаемость зданий с несущими стенами и колонами из железобетона при землетрясениях

13.

Методы расчета на сейсмические воздействия

14.

Линейно спектральным методом по СНИП II-7-81* (СП 14.13330.)
Расчетная сейсмическая нагрузка