Jak zaprojektować budynek odporny na wstrząsy górnicze czy też drgania komunikacyjne?
Eksploatacja górnicza, przejazdy pociągów, tramwajów czy też metra generują wstrząs (falę dynamiczną), która obciąża budynek i może doprowadzić do zniszczeń elementów wykończeniowych lub nawet przy silnym wstrząsie lub po wielu cyklach obciążenia do zniszczeń elementów konstrukcyjnych!
Projektowanie budynków odpornych na drgania to złożony proces, a niniejszy artykuł skupi się na aspekcie tzw. REGULARNOŚCI KONSTRUKCJI – czy wiesz, że regularność w konstrukcji projektowanych budynków ma istotne znaczenie dla odporności dynamicznej?
Konstrukcje budowlane są klasyfikowane według Eurokodu 8 jako regularne i nieregularne, w rzucie i w przekroju.To rozróżnienie ma konsekwencje dla następujących aspektów projektowania sejsmicznego:
1. Model konstrukcyjny: model płaski lub model przestrzenny;
2. Metoda analizy: analiza spektralna lub analiza modalna;
3. Wartość współczynnika zachowania „q” należy zmniejszyć o 20% dla budynków o nieregularnej elewacji, co również zmniejsza występowanie nieregularności w rzucie, w zależności od układu konstrukcyjnego i klasy ciągliwości, jak wyjaśniono Eurokod 8. Budynek zaklasyfikowany jako o regularny w przekroju musi spełniać wszystkie warunki wskazane w poniższych punktach:
a) Wszystkie układy odporne na oddziaływania boczne, takie jak rdzenie, ściany nośne lub ramy, są ciągłe od fundamentu do szczytu budynku lub w przypadku występowania cofnięć stropów na różnych wysokościach, do górnej części rozpatrywanego obszaru w budynku.
b) Sztywność poprzeczna i masa każdej kondygnacji pozostają stałe lub wykazują stopniową redukcję, bez gwałtownych zmian, od podstawy do szczytu rozpatrywanego budynku.
c) W budynkach o konstrukcji szkieletowej stosunek rzeczywistej wytrzymałości podłogi do wytrzymałości wymaganej projektowo nie może różnić się nieproporcjonalnie pomiędzy sąsiednimi kondygnacjami. W tym kontekście szczególne aspekty konstrukcji szkieletowych z wypełnieniami murowanymi są omówione w Eurokodzie.
d) Jeżeli budynek ma tzw. setbacks (cofnięcia kondygnacji w przekroju pionowym), należy zastosować następujące dodatkowe warunki:
– przypadku kolejnych cofnięć zachowujących symetrię osiową, cofnięcie na którymkolwiek piętrze nie może przekraczać 20% wymiaru rzutu dolnego poziomu w kierunku cofnięcia.
– w przypadku pojedynczego cofnięcia umieszczonego w dolnych 15% całkowitej wysokości głównego układu konstrukcyjnego, nie może ono przekraczać 50% wymiaru rzutu dolnego poziomu, takim przypadku konstrukcja dolnej powierzchni znajdującej się w rzucie pionowym górnych pięter musi zostać obliczona przynajmniej tak, aby była wytrzymała 75% siły poziomej, która działałaby na tym poziomie w podobnym budynku bez poszerzania podstawy – w przypadku cofnięć niesymetrycznych suma cofnięć z każdej strony wszystkich kondygnacji nie może przekraczać 30% wymiaru w rzucie na poziomie stropu powyżej fundamentu lub powyżej górnego poziomu sztywnej piwnicy, a każde cofnięcie nie może przekraczać 10% wymiaru w planie dolnego poziomu
Podsumowując powyższe rozważania w Eurokodzie, możemy sobie pozwolić na poniższe zestawienie elementów wpływające na redukcję sztywności dynamicznej konstrukcji:
1. Nieregularność sztywności – SOFT STOREY (słaba kondygnacja): Sprawdzana w przypadku różnic w sztywności pomiędzy kondygnacjami, skutkujących osłabieniem stropu, co może powodować powstawanie mechanizmów takich jak słaba kondygnacja. Na sztywność boczną budynków duży wpływ ma również obecność tzw. setbacks (cofnięte w przekroju pionowym wybrane kondygnacje budynku).
2. Nieprawidłowości wytrzymałościowe – WEAK STOREY:
a) Ze względu na istnienie różnej wysokości części składowych budynku oraz różnych wysokości pomiędzy budynkami: występują, gdy sąsiednie budynki mają różną wysokość, co skutkuje ograniczeniami w poruszaniu się dolnych kondygnacji.
b) Nieprawidłowości w nośności stropu: spowodowane różnym oporem elementów podtrzymujących działanie aktywności sejsmicznej w kierunku na danym piętrze, w stosunku do piętra następnego.
c) Nieprawidłowości spowodowane nieciągłościami w ścieżkach obciążenia: weryfikowane przy braku ciągłości elementów konstrukcyjnych z jednego piętra na drugie.
3. Nieregularności masy: Sprawdzane, gdy masa stropu jest znacznie większa lub mniejsza od pozostałych. Przykładem praktycznego aspektu tej sytuacji jest składowanie ciężkich sprzętów na danej kondygnacji.
Naturalnie nasuwa się wówczas pytanie jakich należy się spodziewać skutków niepożądanych drgań w przypadku źle zabezpieczonej konstrukcji:
1. Strzemiona, obręcze: Wynikają one z nieodpowiednich detali, niedostateczności lub braku zbrojenia poprzecznego, słabego wyszczególnienia obręczy i dużych odstępów między strzemionami.
2. Szczegóły zbrojenia wzdłużnego (wiązanie, zakotwienie i połączenia zakładkowe): gładkie pręty zmniejszają wytrzymałość elementów żelbetowych. Wzdłuż prętów podłużnych obserwuje się znaczne pogorszenie warunków wiązania, przekraczające i odbiegające od teorii przekrojów płaskich.
3. Nośność elementów na ścinanie i zginanie.
4. Niewystarczająca nośność węzłów konstrukcyjnych na ścinanie.
5. Mechanizm silnego elementu belkowego i słabego elementu słupowego (strong-beam weak-column mechanism).
7. Nieprawidłowości w planie i/lub wysokości.
8. Tzw. pounding (ma miejsce, gdy sąsiednie budynki zaczynają wibrować w przesunięciu w fazie podczas aktywności sejsmicznej, co powoduje uderzenia o sąsiadujące budynki)
9. Uszkodzenia elementów drugiego rzędu (secondary elements).
10. Uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych.
