Металлоконструкции в сейсмических районах: особенности

Почему сейсмика — отдельная задача для стального каркаса

Землетрясение принципиально отличается от статических нагрузок: оно воздействует динамически, с быстрым нарастанием и циклическим знакочередованием усилий. Конструкция испытывает многократные знакопеременные нагрузки, которые способны довести сталь до пластической работы и вызвать усталостные повреждения даже при напряжениях ниже расчётного сопротивления. Именно поэтому нельзя просто «добавить коэффициент» к ветровой нагрузке — сейсмическое воздействие требует специальной методологии расчёта и особых конструктивных мер.

Действующий норматив для проектирования в сейсмических районах — СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» (актуализированная редакция СНиП II-7-81*). Именно он определяет расчётную сейсмичность, методы расчёта, требования к конструктивным системам, материалам и узлам. Этот документ необходимо применять в связке со СП 16.13330 «Стальные конструкции» и СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия», которые устанавливают правила расчёта и сочетания нагрузок.

Сталь как материал при грамотном проектировании хорошо справляется с сейсмическими нагрузками: она пластична, обладает высоким соотношением прочности к массе и способна поглощать энергию через контролируемое пластическое деформирование. Однако реализовать эти преимущества можно только при правильном выборе конструктивной системы, марки материала и детальной проработке узлов.

Карты ОСР-2015 и расчётная сейсмичность площадки

Первый шаг в проектировании — определение расчётной сейсмичности конкретной площадки. Общее сейсмическое районирование территории России выполнено на основе карт ОСР-2015, утверждённых Российской академией наук. Набор включает три карты: А, В и С, соответствующие разным вероятностям превышения сейсмической интенсивности за 50 лет. Карта А даёт интенсивность с вероятностью превышения 10% за 50 лет, карта В — 5%, карта С — 1%. Выбор расчётной карты зависит от класса ответственности сооружения.

Согласно СП 14.13330.2018, нормы применяются для площадок с расчётной сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов по шкале MSK-64. Если по картам ОСР интенсивность не превышает 6 баллов, специальные антисейсмические меры, как правило, не требуются. Важно понимать, что карты ОСР дают интенсивность для грунтов категории II; реальная сейсмичность площадки уточняется сейсмомикрорайонированием (СМР) с учётом местных инженерно-геологических условий. Слабые грунты — водонасыщенные пески, рыхлые суглинки — могут увеличить расчётную интенсивность на 1–2 балла по сравнению со средними грунтами.

При проведении СМР могут быть выявлены также опасные геологические процессы: разжижение грунтов при землетрясении, оползни, тектонические разломы. Наличие этих факторов приводит к дополнительным требованиям к фундаментам и конструктивной системе здания. Проектировщик должен получить отчёт об инженерно-сейсмологических изысканиях до начала разработки конструктивных решений.

Конструктивные системы стального каркаса и их сейсмостойкость

СП 16.13330 выделяет три основные системы стального каркаса: рамную, рамно-связевую и связевую. Каждая из них по-разному ведёт себя при сейсмическом воздействии. Рамная система с жёсткими узлами соединения ригелей с колоннами обладает наибольшей способностью к диссипации сейсмической энергии через пластическое деформирование узлов и элементов. Именно поэтому для районов высокой сейсмичности (8–9 баллов) рамные системы наиболее предпочтительны, хотя и наиболее сложны в расчёте и изготовлении.

Связевая система, в которой горизонтальные усилия воспринимаются преимущественно вертикальными связями, проще и дешевле в реализации. Однако она менее пластична: при исчерпании несущей способности сжатой раскосины каркас может резко потерять жёсткость. Для снижения этого риска в сейсмостойких конструкциях применяют специальные схемы связей — Х-образные, V-образные, инвертированные V — и нормируют их соотношение прочности при растяжении и сжатии. Рамно-связевая система занимает промежуточное положение и широко используется в зданиях смешанного назначения.

При выборе конструктивной системы необходимо обеспечить симметрию и регулярность здания в плане и по высоте. Несимметричные планировки создают кручение при сейсмическом воздействии, что многократно усиливает нагрузку на крайние элементы. Резкие изменения жёсткости по высоте — так называемый «слабый этаж» — приводят к концентрации пластических деформаций в одном уровне, что является наиболее опасным сценарием разрушения.

Требования к пластичности стали в сейсмостойких конструкциях

При статических нагрузках в большинстве случаев достаточно, чтобы сталь не достигала предела текучести. В сейсмостойком проектировании расчёт ведётся иначе: конструкция специально «разрешается» деформироваться пластически в заранее выбранных зонах — пластических шарнирах. Через это пластическое деформирование здание поглощает и рассеивает сейсмическую энергию, не разрушаясь. Этот принцип называется концепцией диссипативных зон.

Для того чтобы пластические шарниры формировались предсказуемо и не приводили к хрупкому разрушению, к стали предъявляются специальные требования. Нормируется не только минимальный предел текучести, но и соотношение предела прочности к пределу текучести — оно должно быть достаточно большим, чтобы конструкция не разрушалась сразу после начала пластического деформирования. Нормируется также относительное удлинение при разрыве и ударная вязкость. Марки стали С235, С245, С345 по ГОСТ 27772 применяются в сейсмостойких конструкциях, однако выбор конкретной марки зависит от расчётной сейсмичности, условий эксплуатации и рабочих температур.

Отдельного внимания заслуживает хладостойкость. В районах с суровым климатом, которые нередко совпадают с сейсмоопасными зонами Сибири и Дальнего Востока, пониженные температуры резко снижают ударную вязкость обычных углеродистых сталей. Для таких условий применяют низколегированные стали с гарантированным значением ударной вязкости при отрицательных температурах — например, марки 09Г2С с соответствующей категорией по хладостойкости. Использовать материал без контроля ударной вязкости в сейсмических районах с холодным климатом категорически недопустимо.

Расчёт сейсмической нагрузки: основные принципы

Основной метод расчёта на сейсмические воздействия, применяемый в практике, — метод спектрального анализа. Сейсмическое воздействие представляется в виде спектра ответа: зависимости максимального ускорения от периода собственных колебаний конструкции. Для каждой собственной формы колебаний определяются усилия, которые затем суммируются по специальным правилам комбинирования. Метод реализован в большинстве расчётных программ и даёт достаточно точные результаты для регулярных зданий.

Форма спектра зависит от балльности площадки, категории грунта и типа расчётной карты ОСР. Чем выше балльность и чем мягче грунт, тем выше пиковые ускорения спектра. Конструктивная система со значительным демпфированием — за счёт вязких демпферов, специальных связей или пластических шарниров — позволяет снизить спектральные ускорения и тем самым уменьшить расчётные усилия в элементах. Именно поэтому в нормах вводится коэффициент снижения нагрузки, зависящий от уровня пластической деформации, который конструкция способна выдержать.

Сейсмическая нагрузка рассматривается как одно из особых сочетаний нагрузок совместно с постоянными и частью временных нагрузок. При этом коэффициенты сочетания снижены по сравнению с основными сочетаниями, что отражает малую вероятность одновременного возникновения максимальных значений всех нагрузок. Расчёт ведётся по первой группе предельных состояний — прочности и устойчивости.

Связи в сейсмостойком каркасе: конструктивные требования

Вертикальные и горизонтальные связи в сейсмостойком каркасе выполняют принципиально иную роль, чем в обычном здании. Они не только обеспечивают пространственную жёсткость и устойчивость конструкций из плоскости, но и несут значительную долю сейсмических горизонтальных усилий. Поэтому их нельзя проектировать «по опыту» или по минимальным конструктивным требованиям — они рассчитываются на полную сейсмическую нагрузку и проверяются по прочности и устойчивости.

В рамно-связевых и связевых системах к раскосинам предъявляются требования по гибкости: слишком гибкая раскосина теряет устойчивость при сжатии раньше, чем успевает проявить пластическую работу при растяжении. Ограничение гибкости сжатых элементов связей — одно из ключевых конструктивных требований при сейсмике. Для V-образных и инвертированных V-связей важно, чтобы при потере устойчивости сжатой раскосины ригель воспринял несбалансированную нагрузку без разрушения.

Диафрагмы перекрытий — горизонтальные диски — выполняют роль распределения сейсмических усилий между вертикальными связевыми блоками. В зданиях из стального каркаса диафрагму перекрытия, как правило, формируют монолитной железобетонной плитой по профнастилу или жёсткими горизонтальными связями. Обеспечить надёжную передачу усилий от перекрытия к вертикальным элементам через узлы опирания — важная и нередко недооцениваемая задача конструктора.

Узловые соединения в сейсмической зоне

Жёсткие узлы соединения ригелей с колоннами — самые критичные элементы рамной системы при сейсмическом воздействии. Именно в этих зонах предполагается формирование пластических шарниров, поэтому требования к качеству сварных швов здесь существенно выше, чем в обычном строительстве. Угловые и стыковые швы в зонах пластических шарниров должны выполняться с полным проплавлением и обязательным ультразвуковым или радиографическим контролем. Любые дефекты — непровары, трещины, значительные поры — многократно снижают пластичность узла.

В болтовых соединениях сейсмических узлов преимущество имеют соединения на высокопрочных болтах в режиме фрикционного или фланцевого соединения. Срезные соединения на обычных болтах не рекомендованы для восприятия знакопеременных нагрузок из-за опасности разработки отверстий и потери преднатяжения. При применении высокопрочных болтов в сейсмических узлах особое внимание уделяется подготовке контактных поверхностей и контролю усилия натяжения.

Опорный узел колонны к фундаменту при сейсмике работает на отрыв, срез и момент одновременно. Анкерные болты должны быть рассчитаны на знакопеременные нагрузки и проверены на усталостную прочность при многократном нагружении. Проектировать опорный узел, ориентируясь только на вертикальную нагрузку от колонны, в сейсмической зоне недопустимо — горизонтальные и моментные воздействия от сейсмики нередко оказываются определяющими.

Практические рекомендации: на что обратить внимание в проекте

Начинать проектирование нужно с получения полного комплекта исходных данных: отчёта по инженерно-геологическим и сейсмическим изысканиям с указанием расчётной сейсмичности площадки (не просто по карте ОСР, а с учётом категории грунта), класса ответственности сооружения и требуемой расчётной карты (А, В или С). Ошибка на этом этапе — например, применение карты А вместо В для объекта повышенного класса ответственности — ведёт к систематическому занижению расчётных нагрузок.

Конструктивную систему следует выбирать, исходя из балльности и функции здания. Для производственных зданий с пролётами 18–24 м в зоне 7–8 баллов рационально применять рамно-связевую систему с жёсткими узлами в одном направлении и связями — в другом. Стремление полностью перейти на связевую систему ради упрощения узлов оправдано только при невысокой сейсмичности и при условии тщательного расчёта связей. При сейсмичности 9 баллов рамная система предпочтительна по обоим направлениям, а конструктивные требования к узлам выходят на первый план.

Stalfa помогает подобрать и поставить металлопрокат с необходимыми характеристиками для сейсмостойких объектов: марки стали с нормированной ударной вязкостью, профильный прокат для связей и прогонов, листовой металл для фасонок и фланцев. Грамотная спецификация с указанием всех требований к материалу — включая категорию по хладостойкости и требования к сертификату — позволяет избежать непреднамеренной замены марки стали при поставке и обеспечить соответствие проекту.

Частые вопросы