Защо сглобяемите стоманобетонни халета не са „обърнато махало“?

Сглобяемо хале с конзолни колони с Vd<0.3 и система от връзки по покрива, гарантиращи корав диск, не е система „обърнато махало“ и попада в описаното в забележката към дефиницията изключение. (Едноетажна рамка с νd < 0,3).  Обосновката по-долу е извадка от защита на коефицента на поведение, на реален мой проект, пред немски контролен инженер.

По-долу ще защитим това твърдение чрез:
1. Прилагане на национални приложения към Еврокод на други европейски страни – допустимо съгласно НАРЕДБА № РД-02-20-19/29.12.2011.
2. Инженерен анализ на поведението на конструкцията.
3. Научни публикации и изследвания по темата.

 

1. Прилагане на национални приложения към Еврокод на други европейски страни – допустимо съгласно НАРЕДБА № РД-02-20-19/29.12.20111.1. Дефиниция на системата на български и английски език: Система “обърнато махало”
   Система, при която 50% или повече от масата е в горната третина от височината на конструкцията или при която, дисипацията на енергията се осъществява главно в основата на един конструктивен елемент.
   Забележка: Едноетажни рамки с колони, свързани в горния си край в две основни направления на сградата и със стойност на нормализираната осова сила νd, която никъде не надвишава 0,3, не принадлежат към тази категория. Inverted pendulum system
   System in which 50% or more of the mass is in the upper third of the height of the structure, or in wich the dissipation of energy takes place mainly at the base of a single building element.
   NOTE: One-storey frames with column tops connected along both main directions of the building and with the value of the column normalized axial load νd exceeding 0,3 nowhere, do not belong in this category.Основа за твърдението на контролния инженер, че сградата не попада в изключението на забележката, е факта, че връзката между колоните и гредите е ставна – той смята, че запъването се подразбира от думата рамка (Frame). От друга страна, понятието рамка (Frame)  се използва и за всяка една система от колони и греди без да се държи сметка за вида на връзката между тях (запъване или става). Следващата част от определението дава изискването колоните да са свързани (connected) в горния си край – никъде не пише, че е нeобходима корава връзка (rigid connection), a се изисква само връзка, която да гарантира съвместната работа на колоните.
   Ние не сме първите, които водят дискусия по този въпрос.  Проблемът се дължи на непълнота на Eврокод 8. Не е дадена ясна дефиниция за конструктивна система, в която сеизмичната енергия се дисипира в основата на конзолни колони като отделен вид конструкция. Това дава основание да се причисли към различни системи на база тълкуване на текста  – в случая ние го причисляваме към едноетажна рамкова, а контролният инженер към система „обърнато махало“.
   Редица държави са добавили точно тази система в националните си приложения – това са държавите с повишен сеизмичен риск, за които това е реален проблем. В националните приложения към Еврокод на Италия и Румъния (вероятно и на други страни), е добавена отделна система за този тип конструкции. Те са отделени и в турските, и в американските, и в японските нормативи, но там съпоставката е по-трудна, поради това че, не са базирани на Еврокод.
   В българските норми винаги е имало отделна точка за тях от 1987 г. насам. При всички цитирани норми, системата се решава с коефициент на поведение по-голям от този на система „обърнато махало“ и съвсем близо до коефициента на поведение за едноетажна рамкова система. По-подробно ще разгледам румънските национални приложения, поради това, че са най-близко географски разположени и териториите на страните ни попадат в зоната на едни и същи сеизмични огнища .1.2. Основание за позоваване на чужди национални приложения:Съгласно НАРЕДБА № РД-02-20-19/29.12.2011. Преходни и заключителни разпоредби – т.4, ал. 2 се допуска:
   ..(2) Строителни конструкции, за които частите на Еврокодовете не са преведени на български език и националните параметри не са определени и за които няма национални нормативни актове за проектиране, може да се проектират по съответните национални стандарти на държавите членки, с които са въведени частите на Еврокодовете. ….Следователно ако приемем, че този тип конструкция не е изяснен в Еврокод трябва да проектираме по БДС, а там е дефинирана. Тъй като по задание се изисква да се проектира по Еврокод и приетия тип система се поставя под въпрос, следва да се мине към позоваване на националното приложение, в което е дефинирана.

   Прилагам допълнената таблица 5.1 към т. 5.2.2.1 на румънската версия на Еврокод 8 в оригинал:         Прилагам допълнената таблица 5.1 към т. 5.2.2.1 на румънската версия на Еврокод 8, преведена на английски език:Вижда се как, вместо забележка с възможност за различно тълкуване, по-новите правилници дефинират еднозначно какво се има в предвид – системата от конзолни колони, които са свързани в горния си край в двете посоки с хоризонтална диафрагма. В румънските норми е завишено изискването за νd < 0,25 спрямо 0,3 в основната версия.

2. Инженерен анализ на поведението на конструкцията

Много по-важно от това, какво пише в някоя редакция на даден нормативен документ, е познаването на реалната работа на конструкцията при сеизмично натоварване. Коефициентът на поведение зависи от способността на конструкцията да работи дуктилно:

Дуктилност: „Свойството на конструкциите да развиват пластични деформации при знакопроменливо натоварване без поява на крехки разрушения и съществено (с не повече от 20%) намаляване на носещата им способност“.

Важен критерий  за определяне на дуктилността на даден елемент е хистерезисната му примка.

Голямата площ на хистерезисната примка означава голямо количество на дисипираната енергия, от където следва по-голям коефициент на поведение.

Крива „а“ е на греда с най-голяма площ и полегат качващ клон. Съгласно определението на Еврокод 8 греда е елемент с νd < 0,1 . С такова νd са и почти всички конзолни колони в обекта. Тъй като само 10% от напречното сечение е в състояние да поеме натисковата сила, останалите 90% от сечението са на разположение за дуктилна работа при огъване;
Крива „б“ е на колона с малка нормална сила;
Крива „в“ е на колона с голяма  нормална сила;

От тези диаграми следва да стане ясен физичният смисъл на приетия коефициент на поведение за система конзолни колони. Действително пластичните деформации  се осъществяват в основата на колоната, но там сме създали условия това да става изключително дуктилно, по най-желания в сеизмичното инженерство механизъм (пластична става в елемент с νd < 0,1) ,  с подходящ избор на напречно сечение и армиране.

Приемане на работа „обърнато махало“ означава да завишим усилията над 2 пъти, което от своя страна ще гарантира невъзможност да се дисипират усилията в колоните. Оразмерителните процедури за колоните завишават още веднъж усилията в следствие на моментите от втори ред, което ще доведе до напълно еластична работа на колоните  в сеизмична ситуация. Същевременно имаме ограничение да не оразмеряваме основите за по-големи от еластичните усилия (EC 8, т. 4.4.2.6. ал. 2). Това от своя страна ще доведе до абсурдна от гледна точка на сеизмичното проектиране ситуация – колони с по-голяма носеща способност от основите. Тоест, ако се развият някакви нееластични деформации те ще бъдат в основите – което е опасно за сградата и (почти) не подлежи на усилване.

3. Научни публикации и изследвания по темата.

Съществуват изследвания по темата за работата на конзолни колони със ставна връзка към покрива в едноетажна сграда. Тук ще дам пример с изследване, което е максимално близко до нашата сграда и е базирано на Еврокод 8.

Научната публикация е пердставена на:
The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China.
И е на тема:
SEISMIC COLLAPSE SAFETY OF RC COLUMNS IN PRECAST INDUSTRIAL BUILDINGS

Пълната версия може да намерите в сайта на университета.

Обръщам внимание на връзката между колоната и покривния диск, която е аналогична на нашата:
„The hinged connections between the columns and the beams were made of steel dowels and neoprene pads. „

Авторите на статията въобще не дискутират дали системата е „обърнато махало“. Вижда се, че прочита на дискутирания текст е в смисъла, в който ние го приемаме – едноетажна рамкова конструкция и се задава въпроса:
„дали решението в последната версия на Еврокод 8, което при определени условия (ограничаване на осовото натоварване и правилно оразмерени връзки), позволява използване на същия коефициент за редукция на сеизмичните сили, както в  случая на монолитни бетонови рамки, е задоволително?“

The main question was: is the solution from the latest version of the Eurocode 8standard, which, under certain conditions (a limitation in the axial loading, properly designed connections), permits the use of the same reduction of seismic forces as in the case of monolithic reinforced concrete frames, satisfactory?

Конкретното изследване е извършено за високо ниво на дуктилност DCH за две групи колони. При спазване на конструктивните изисквания на Еврокод 8 (в нашия проект са спазени), те показват добри резултати и доказват коефицент на поведение q=4.5.

Based on these results, the force reduction factor of q = 4.5 could be justified for the columns designed according to Eurocode 8, considering all the minimum requirements.
В конкретната публикация се препоръчва α u/α1 = 1.0 (не 1,1).

По българските норми от 2012г. q=2,86 (R =0.35), но при допустимо νd < 0,65. (Реално записа за νd  в българските норми е различен, това е приравнена стойност)

Смятам че повдигнатия въпрос касае често срещана в практиката конструктивна система и заслужава да бъде еднозначно изяснена в националното предложение.