Earthquake resistance analysis of structural systems of multi-storey civil buildings

Cover Page

Abstract


Relevance. Increasing the density of urban population requires the use of optimal structural systems of multi-storey civil buildings, however, despite a large number of studies on the rationality of their application, the question of choosing an assessment of seismic resistance of structural systems of multi-storey civil buildings is still open. The aim of the study. This study aims to determine advantages and disadvantages of structural systems of multi-storey buildings in seismic areas. Methods. The results of comparison analysis of five structural systems (columns grid - 6×6 m, storey height - 3 m, number of storeys - 20) are presented in this article. The structural systems are: frame & tube, frame & core, core & walls, framed core & walls, framed core & tube. The calculation were done according to Building Code 14.13330.2018 for an earthquake of 8 points intensity of MSK-64 intensity scale. The SCAD Office software package was used for modeling and analyzing. The sum of the effective modal masses taken in the calculation was at least 90% of the total mass of the system excited in the direction of the seismic action for horizontal impacts and at least 75% - for vertical impacts. Results. The comparison was carried out according to the following criteria: maximum displacements, maximum compressive and tensile stresses, maximum periods of natural oscillations, maximum accelerations.


Введение 1 Многоэтажное строительство развивается с рос- том численности городского населения. В 2010 г. городское население составляло 3,6 млрд. чел., или 51 % от общей численности населения мира. По сравнению с 1950 г. оно увеличилось в 4-5 раз и продолжит расти. Ожидается, что к 2050 г. более 75 % жителей Земли будут жить в городских условиях [1]. Повышение этажности зданий из-за обостряющегося дефицита земли городских территорий и ее удорожания, изменение карт сейсморайонирования территории России в сторону увеличения прогнозируемой интенсивности сейсмических воздействий и количества сейсмоопасных регионов перевели расчеты зданий и сооружений на сейсмические воздействия в разряд часто используемых [2]. Большое количество исследований о рациональности применения различных конструктивных систем многоэтажных гражданских зданий направлено, как правило, на оценку одного или нескольких конструктивных параметров (количество этажей, площадь, форма и т. п.) и обоснование оптимальных пределов их использования [1], не рассматривая вопросы их сейсмостойкости, в связи с чем оценка сейсмостойкости различных конструктивных систем многоэтажных зданий становится все более актуальной [3-8]. Тем не менее вопрос о выборе критерия оптимальности и самой методологии исследования остается открытым [9-13]. 1. Методы и материалы Объект исследования - комбинированные конструктивные системы многоэтажных высотных зданий (рис. 1) [1; 14; 15]: - каркасно-стеновая (Frame & Tube) - сочетание несущих стен и каркаса, воспринимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Проектируется, как правило, с безригельным каркасом или с нежестким сопряжением ригелей и колонн; - каркасно-ствольная (Frame & Core) - вместо диафрагм жесткости применяются пространственные элементы замкнутой формы в плане, на- зываемые стволами, благодаря чему происходит распределение статической работы и все вертикальные нагрузки воспринимаются каркасом, а го- ризонтальные - стволом. Следует также отметить, что для обеспечения совместных перемещений каркаса и ствола через каждые 18-20 этажей пре- дусматриваются горизонтальные аутригеры; - ствольно-стеновая (Core & Walls) - сочетает в себе несущие стены и ствол. Распределение вертикальных и горизонтальных нагрузок происходит в различных соотношениях в зависимости от жесткости и расположения элементов; - каркасно-ствольно-диафрагмовая (Framed Core & Walls) - сочетает в себе преимущества каркасно-ствольной системы с включением допол- нительных диафрагм жесткости для более эффективного восприятия горизонтальных нагрузок; - каркасно-ствольно-оболочковая (Framed Core & Tube) - система с несущей оболочкой здания и внутренним каркасом. При этом оболочка работает на все виды нагрузок и воздействий, а каркас - преимущественно на вертикальные нагрузки. Общие параметры конструктивных систем: сетка колонн - 6×6 м; сечение колонн - 40×40 см; толщина плит перекрытия - 20 см; толщина стен - 40 см; высота этажа - 3 м; количество этажей - 20; материал несущих конструкций - бетон В25, арматура А500. Рис. 1. Комбинированные конструктивные системы многоэтажных высотных зданий: a - каркасно-стеновая; b - каркасно-ствольная; c - ствольно-стеновая; d - каркасно-ствольно-диафрагмовая; e - каркасно-ствольно-оболочковая [Figure 1. Combined structural systems of high-rise multi-storey buildings: a - frame & tube; b - frame & core; c - core & walls; d - framed core & walls; e - framed core & tube] Методика расчета. Для реализации поставленной задачи использовался программный комплекс SCAD Office (рис. 2). Расчет был произведен в соответствии с СП 14.13330.2018 для расчетного землетрясения интенсивностью 8 баллов по шкале MSK-64. Автоматически было определено количество форм колебаний для всех рассмотренных конструктивных систем. Для каждой из форм колебаний были определены собственные значения, периоды и модальные массы. Сумма эффективных модальных масс, учтенных в расчете, составила не менее 90 % общей массы системы, возбуждаемой по направлению действия сейсмического воздействия для горизонтальных воздействий? и не менее 75 % - для вертикального воздействия. Для автоматического определения необходимого количества форм собственных колебаний используется метод Ланцоша совместно с многофронтальным методом. Были рассчитаны максимальные перемещения, напряжения, ускорения. Ограничения области исследования. Все расчеты выполнены для I категории грунта. Поскольку основными целями исследования были оценка работы собственных элементов конструктивных систем многоэтажных гражданских зданий и анализ их напряженно-деформированного состояния, в настоящем исследовании не учитывался эффект взаимодействия здания с грунтом основания. Рис. 2. Результат моделирования в ПК SCAD Office [Figure 2. Calculation results on SCAD Office] Номер формы [Mode] Собственное значение [Value] Частоты [Frequency] Период [Period] Модальные массы, % [Modal masses, %] рад/сек [rad/sec] Гц [Hz] сек [sec] X Y Z 1 0,12 8,65 1,38 0,73 42,59 33,8 0 2 0,12 8,66 1,38 0,73 33,8 42,59 0 3 0,06 15,57 2,48 0,4 0 0 0 4 0,04 26,6 4,23 0,24 6,64 6,09 0 5 0,04 26,61 4,24 0,24 6,09 6,65 0 6 0,03 30,98 4,93 0,2 0 0 48,82 7 0,03 32,64 5,19 0,19 0,03 0 0 8 0,03 32,64 5,2 0,19 0 0,03 0 9 0,03 35,99 5,73 0,17 0 0 0 10 0,03 38,28 6,09 0,16 0 0 0 Таблица Результаты расчета каркасно-стеновой конструктивной системы [Table. Results of calculation of frame & tube structural system] Окончание табл. [Table, ending] Номер формы [Mode] Собственное значение [Value] Частоты [Frequency] Период [Period] Модальные массы, % [Modal masses, %] рад/сек. [rad/sec.] Гц [Hz] сек. [sec.] X Y Z 11 0,02 43,3 6,89 0,15 0,02 0 0 12 0,02 43,32 6,89 0,15 0 0,02 0 13 0,02 44,14 7,03 0,14 0 0 11,82 14 0,02 46,92 7,47 0,13 0,03 0,03 0 15 0,02 47,09 7,49 0,13 1,78 1,74 0 16 0,02 47,11 7,5 0,13 1,71 1,74 0 17 0,02 49,9 7,94 0,13 0,02 0,17 0 18 0,02 49,92 7,95 0,13 0,17 0,02 0 19 0 02 53,83 8,57 0,12 0 0 0,23 20 0,02 53,94 8,58 0,12 0 0 5,59 21 0,02 54,35 8,65 0,12 0 0 0 22 0,02 58,57 9,32 0,11 0 0 0 23 0,02 62,74 9,99 0,1 0 0 12,6 24 0,02 63,7 10,14 0,1 0 0,12 0 25 0,02 63,73 10,14 0,1 0,13 0 0 26 0,02 64,3 10,23 0,1 0,05 0,4 0 27 0,02 64,31 10,23 0,1 0,39 0,05 0,01 28 0,02 65,49 10,42 0,1 1,07 0,06 0 29 0,02 65,51 10,43 0,1 0,05 1,11 0 30 0,02 65,8 10,47 0,1 0 0 1,04 31 0,02 65,84 10,48 0,1 0,18 0,01 0 32 0,02 65,9 10,49 0,1 0 0,12 0 Сумма модальных масс [The sum of the modal masses] 94,77 94,77 80,14 2. Результаты В таблице показаны все динамические загружения для каркасно-стеновой конструктивной системы (Frame & Tube). Для всех форм колебаний определены собственные значения, частоты, периоды и проценты модальных масс. В рассмотренной каркасно-стеновой конструктивной системе были определены 32 формы колебаний. При сейсмическом воздействии по оси Х максимальный период колебаний составил 0,73 сек., суммы модальных масс составили 94,77, 94,77 и 80,14 % по осям Х, Y и Z соответственно. Аналогично рассчитывались значения для других конструктивных систем. Ниже представлено графическое сравнение различных факторов для всех объектов исследования (конструктивных схем a, b, c, d, e в соответствии с рис. 1). На рис. 3 показаны максимальные горизонтальные перемещения каждой конструктивной системы. Рис. 3. Сравнение максимальных перемещений [Figure 3. Maximal displacement comparison] Как видно из рис. 3, ствольно-стеновая и каркасно-ствольно-диафрагмовая конструктивная системы обладают наибольшей жесткостью. Каркасно-ствольная схема обладает наименьшей жест- костью из всех сравниваемых конструктивных сис- тем. По результатам расчета максимальные горизонтальные перемещения в каркасно-ствольной конструктивной системе оказались на 257 % больше, чем в ствольно-стеновой системе. Системы с несущими конструкциями, расположенными по периметру здания, существенно увеличивают жесткость сооружения. Направления векторов сейсмического воздействия по Х, Y и под 45o к осям Х и Y. На рис. 4 и 5 показано сравнение максимальных сжимающих и растягивающих напряжений от действия сейсмической нагрузки для каждой конструктивной системы. Рис. 4. Сравнение максимальных сжимающих напряжений [Figure 4. Compression stress comparison] Рис. 5. Сравнение максимальных растягивающих напряжений [Figure 5. Tension stress comparison] Максимальные сжимающие и растягивающие напряжения при сейсмическом воздействии наблюдаются в каркасно-ствольно-диафрагмовой конструк- тивной системе. Самые большие напряжения возникают в элементах первого этажа здания в местах заделки стен в основание. В ствольно-стеновой конструктивной системе возникают наименьшие в сравнении с другими рассматриваемыми системами напряжения. Напряжения составляют 19 408 кН/м2, что на 83 % меньше, чем в каркасно-ствольно-диа- фрагмовой системе. Результаты расчета показывают, что увеличение количества несущих стен помогает снизить значения максимальных напряжений. На рис. 6 показаны максимальные периоды колебаний в секундах от действия для каждой конструктивной системы. Рис. 6. Сравнение максимальных периодов колебаний [Figure 6. Oscillation period comparison] Сравнительный анализ показывает, что каркасно-ствольная система имеет значительно больший период собственных колебаний (1,03 сек.), чем сис- темы с несущими стенами (0,55 сек.), что снижает динамический эффект воздействия на здание. В качестве недостатка можно отметить повышен- ную деформативность каркасных систем. На рис. 7 показаны максимальные ускорения грунта для каждой конструктивной системы. Рис. 7. Сравнение максимальных ускорений [Figure 7. Maximal acceleration comparison] Результаты расчета показывают, что в системах с большим количеством несущих стен развиваются большие ускорения. В каркасно-ствольной и каркасно-стеновой системах ускорения в среднем на 43 % ниже, чем в трех других системах с большим количеством несущих стен. Выводы По результатам исследования был выполнен сравнительный анализ пяти различных комбинированных конструктивных систем многоэтажных гражданских зданий. Расчет был произведен в соответствии с СП 14.13330.2018 для расчетного землетрясения интенсивностью 8 баллов по шкале MSK-64. Для автоматического определения необходимого количества форм собственных колебаний использовался метод Ланцоша совместно с многофронтальным методом. Сравнительный анализ перемещений показал, что применение внутренних и в особенности на- ружных стен в качестве основных несущих конструкций позволяет снизить максимальные перемещения при сейсмическом воздействии. По результатам расчета напряжений можно увидеть, что максимальные сжимающие и растягивающие напряжения в несущих конструкциях возникают при сейсмическом воздействии, направленном под 45о к осям Х и Y. Максимальные сжимающие и растягивающие напряжения при сейсмическом воздействии наблюдаются в каркасноствольно-диафрагмовой конструктивной системе. Сравнительный анализ периодов колебаний показал, что каркасно-ствольная система имеет зна- чительно больший период собственных колебаний (1,03 сек.), чем системы с несущими стенами (0,55 сек.). Больший период колебаний снижает динамический эффект воздействия на здание. По результатам расчета ускорений можно увидеть, что в сис- темах с малым количеством несущих стен развиваются наименьшие ускорения. В каркасно-ствольной и каркасно-стеновой сис- темах максимальные ускорения в среднем на 43 % ниже, чем в трех других системах с большим количеством несущих стен.

Zaurbek K. Abaev

North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy

Author for correspondence.
Email: abaich@yandex.ru
SPIN-code: 2843-1586
44 Nikolaeva St., Vladikavkaz, 362021, Republic of North Ossetia - Alania, Russian Federation

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Civil Engineering Department

Marat Yu. Kodzaev

North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy

Email: abaich@yandex.ru
SPIN-code: 7389-8508
44 Nikolaeva St., Vladikavkaz, 362021, Republic of North Ossetia - Alania, Russian Federation

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical and Applied Mechanics

Aleksandr A. Bigulaev

North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy

Email: abaich@yandex.ru
SPIN-code: 8764-6513
44 Nikolaeva St., Vladikavkaz, 362021, Republic of North Ossetia - Alania, Russian Federation

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical and Applied Mechanics

  • Senin N.I. Ratsional'noe primenenie konstruktivnykh sistem mnogoetazhnykh zdaniy [Rational Usage of Structural Systems of Multi-Storey Buildings]. Vestnik MGSU. 2013;(11):76–83.
  • Dzhinchvelashvili G.A., Bulushev, S.V. Feasibility evaluation for a predefined seismic resistance of structures. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2018;14(1):70–79. http://dx.doi.org/10.22363/ 1815-5235-2018-14-1-70-79. (In Russ.)
  • Aly A.M., Abburu S. On the Design of High-Rise Buildings for Multihazard: Fundamental Differences between Wind and Earthquake Demand. Shock and Vibration. 2015. doi: 10.1155/2015/148681.
  • Liang S., Zou L., Wang D., Huang G. Analysis of three-dimensional equivalent static wind loads of symmetric high-rise buildings based on wind tunnel tests. Wind and Structures. 2014;19(5):565–583. doi: 10.12989/was. 2014.19.5.565.
  • Iacovino C., Ditommaso R., Ponzo F., Limongelli M. The Interpolation Evolution Method for damage localization in structures under seismic excitation. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2018;47(10):2117–2136. doi: 10.1002/eqe.3062.
  • Laghi V., Palermo M., Trombetti T., Schildkamp M. Seismic-Proof Buildings in Developing Countries. Front. Built Environ. 2017;(3). doi: 10.3389/fbuil.2017.00049.
  • Bai Y., Shi Y., Deng K. Collapse analysis of highrise steel moment frames incorporating deterioration effects of column axial force – bending moment interaction. Engineering Structures. 2016;(127):402–415. doi: 10.1016/ j.engstruct.2016.09.005.
  • Lu X., Wang D., Wang S. Investigation of the seismic response of high-rise buildings supported on tensionresistant elastomeric isolation bearings. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2016;45(13):2207–2228. doi: 10.1002/eqe.2755.
  • Chapain S., Aly A.M. Vibration attenuation in high-rise buildings to achieve system-level performance under multiple hazards. Engineering Structures. 2019;(197):1–20. doi: 10.1016/j.engstruct.2019.109352.
  • Mohaiminul H., Sourav R., Amit Ch., Elias Md., Iftekharul A. Seismic performance analysis of RCC with plan multistoried buildings irregularity. American Journal of Civil Engineering. 2016;4(3):68–73. doi: 10.11648/j.ajce.20160403.11.
  • Moon K. Optimal structural configurations for tall buildings. Proceedings of the 13th East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction, EASEC. 2013:354–355.
  • Aydinoǧlu M.N. Challenges and Problems in Performance-Based Design of Tall Buildings. Geotechnical, Geological and Earthquake Engineering. 2014;(32):279–300.
  • Jiang H.J., Lu X.L., Liu X.J., He L.S. PerformanceBased Seismic Design Principles and Structural Analysis of Shanghai Tower. Advances in Structural Engineering. 2014;17(4):513–527. doi: 10.1260/1369-4332.17.4.513.
  • Schueller W. High-Rise Building Structures. New York, London, Sydney, Toronto: John Willey & Sons, Inc; 1977.
  • Willford M., Whittaker A., Klemencic R. Recommendations for the Seismic Design of High-Rise Buildings. Council for Tall Buildings and Urban Habitat. 2008:1–28. doi: 10.13140/RG.2.1.2798.8085.

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 22

PlumX


Copyright (c) 2020 Abaev Z.K., Kodzaev M.Y., Bigulaev A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.