Проблема обеспечения сейсмостойкости стальных рамных каркасов многоэтажных зданий остается актуальной и в настоящее время, поскольку анализ последствий землетрясений за 20 последних лет показывает, что такие каркасы не всегда остаются неповрежденными. Благодаря выполненным в конце прошлого столетия теоретическим и поисковым экспериментальным исследованиям были выявлены основные факторы, влияющие на повышение сейсмостойкости стальных каркасов данной конструктивной формы. В Рекомендациях, составленных на основании этих исследований, указано, что повышение сейсмостойкости рамных каркасов зависит, прежде всего, от местной устойчивости поясов и особенно от устойчивости стенок двутавровых ригелей.

Впоследствии на основании анализа результатов выполненных в ТОО «Институт ПСК» г. Алматы экспериментальных исследований на натурных моделях стальных ригелей, изготовленных из одной и двух марок сталей, подтверждено это влияние местной устойчивости поясов и особенно стенок двутавровых ригелей стальных многоэтажных рамных каркасов на их энергоемкость и циклическую долговечность при работе на знакопеременные сейсмические нагрузки расчетной интенсивности и особенно пиковые перегрузки. Эти перегрузки составляют 10 – 15 % от общего количества колебаний грунта во время землетрясения, при которых фактические ускорения могут достигать двух - трехкратной величины по отношению к стандартному ускорению, на основе которого определяется нагрузка по нормам на проектирование в сейсмических районах.

Известно, что повысить местную устойчивость стенок ригелей можно как путем увеличения ее толщины, так и за счет уменьшения размеров ее отсеков. Уменьшение размеров расчетных отсеков стенок достигается либо более частой постановкой вертикальных ребер жесткости, либо применением для стенок стальных гофрированных листов. Экспериментальные исследования показали, что для обеспечения требуемой сейсмостойкости стального рамного каркаса необходимое увеличение местной устойчивости плоских стенок может быть достигнуто только при отношении высоты стенки ригеля к длине расчетного отсека меньше единицы, а теоретически наибольший эффект в повышении местной устойчивости стенок был получен при длинах отсеков, равных 0,25 – 0,5 от высоты стенки ригеля. Попытки экспериментальным путем получить подтверждение указанных выше теоретических исследований не имели успеха, поскольку уже при длине отсека, равной его высоте, при гибкостях плоских стенок 80 и более на обеспечение местной устойчивости начали оказывать влияние сварочные деформации от сварных швов, прикрепляющих часто расположенные вертикальные ребра жесткости. После остывания сварных швов в отсеках стенок между ребрами жесткости имели место начальные погибы в виде различной формы выпуклостей, которые при нагружении ригелей принимали удлиненную форму, направленную вдоль диагоналей отсеков. Максимально достигнутая нагрузка у ригелей с такими стенками оказалась даже ниже, чем у ригелей, стенки которых были подкреплены в соответствии с требованиями действующего СНиП на проектирование стальных конструкций, а деформативность - значительно выше.

Наиболее эффективным способом повышения местной устойчивости стенки является подкрепление ее различного рода гофрами. Гофрирование стенки, в несколько раз увеличивая ее изгибную жесткость в сравнении с плоской стенкой, дает возможность снизить толщину и в тоже время не вызывает появления начальных деформаций в виде различной формы погибов. Увеличенная жесткость и отсутствие сварочных деформаций от приварки вертикальных ребер жесткости, а главным образом работа стенки только на сдвиг, обеспечивают повышенную устойчивость гофрированной стенки ригеля и сейсмостойкость каркаса в целом.

Позднее был определен и рекомендован для применения в практику проектирования стальных каркасов в сейсмических районах интервал гибкости плоских стенок стальных ригелей рамных каркасов, равный 40 - 60. На рисунках 1 и 2 показаны характерные разрушения ригелей, имеющих соответственно гибкости плоских стенок 45 и 80.

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Сопоставление характера разрушения испытанных моделей показывает существенные различия в их поведении под нагрузкой и в формах наступления предельного состояния. Разрушение ригелей с гибкостью стенок 45 произошло после 70–90 циклов нагружения, причем усталостные трещины появлялись вначале в поясах после 60 циклов нагружения и только через несколько циклов эти трещины приобретали сквозной характер и распространялись на стенку (рисунок 1).

В моделях с гибкостью стенок, равной 80, причиной исчерпания несущей способности была потеря устойчивости стенки с характерным выпучиванием вдоль растянутой диагонали (рисунок 2). При смене направления действия усилия во втором полуцикле стенка выпучивалась вдоль другой диагонали и в месте их пересечения на 4-6 циклах знакопеременного нагружения появлялась первая усталостная трещина, затем вторая, после чего испытания были прекращены на 11 цикле.

Испытанные одновременно модели с поперечно гофрированной стенкой гибкостью 80 не разрушились даже после 100 циклов знакопеременного нагружения (рисунок 3), что указывает на их высокую сейсмостойкость.

Рисунок 3. Способ повышения сейсмостойкости стальных рамных каркасов в 1978 – 1982 годах защищен четырьмя авторскими свидетельствами СССР №619605, №827724, №924325 и №1157192. Эти изобретения использованы в проектах десятков объектов одно и многоэтажных зданий с жесткими соединениями сварных двутавровых ригелей с колоннами. При этом, помимо повышения сейсмостойкости стальных каркасов всегда снижался расход стали на их строительство.