Введение к работе
Актуальность проблемы. За первое десятилетие XXI века в России претерпели существенное изменение многие нормы и правила в области строительства:
при переиздании в 2000 г. СНиП П-7-81* «Строительство в сейсмических районах» и замене карт общего сейсмического районирования новыми картами ОСР-97 сейсмичность ряда территорий была увеличена, соответственно, дефицит сейсмостойкости городской застройки повысился на один-два балла по сейсмической шкале MSK-64;
в 2003 г. увеличились требования СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» по весу снегового покрова;
изменились положения для расчета железобетонных конструкций, конструктивные требования по проценту и шагу армирования несущих конструкций согласно СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции»; СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры»; СП 52-102-2004 «Бетонные и железобетонные конструкции с предварительным напряжением»;
в 2005 г. введен в действие СП 31-114-2004 «Строительство в сейсмических районах», содержащий ряд ограничений для строительства безригельных каркасов в сейсмических районах.
В результате большое количество как эксплуатируемых, так и недостроенных зданий, запроектированных по прежним нормам, не удовлетворяют современным требованиям.
Сложившаяся ситуация требует оценки несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации конструкций существующих зданий, а также поиска новых вариантов усиления применяющихся в строительстве конструктивно-технологических систем (КТС).
В России широкое распространение получили системы с безригельным каркасом, характеризующиеся быстротой возведения, архитектурной выразительностью и свободной внутренней планировкой помещений с одновременным обеспечением прочности, надежности и устойчивости здания.
По проблемам использования КТС с безригельным каркасом в строительной практике имеется большое количество научных публикаций, однако очень ограничена информация об экспериментальных исследованиях работы таких систем под нагрузкой, отсутствуют рекомендации по обеспечению пространственной жесткости здания. Кроме того, известным КТС присущи значительные недостатки - сложная технология и, соответственно, трудоемкость выполнения стыков между плитами и надколонного стыка, что зачастую приводит к уменьшению надежности системы.
Поэтому, актуальным представляется экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния безбалочного перекрытия с целью поиска эффективных вариантов повышения надежности и сейсмостойкости зданий.
Одним из перспективных способов повышения сейсмостойкости зданий является применение упруго-фрикционных соединений (УФС) конструктивных элементов. Разработаны новые КТС, в которых реализуются преимущества УФС. При этом практически отсутствуют данные о применении подобных систем в панельном домостроении и исследованиях работы соответствующих конструктивных элементов и их соединений под нагрузкой.
Соответственно, возникает необходимость экспериментального исследования возможности применения УФС для полносборных зданий и изучения работы основных конструктивных элементов новых КТС, обладающих повышенной сейсмостойкостью.
Объектами исследования являются:
-
Натурный объект в виде 4-этажного учебного корпуса в конструкциях безригельного каркаса КУБ-1.
-
Конструктивная ячейка сборного железобетонного перекрытия безригельного каркаса КУБ-1.
-
Стеновая панель в виде металлической контурной рамки специальной конструкции, заполненная бетоном.
4. Система активной сейсмозащиты с использованием упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов полносборных зданий.
Цель и задачи исследований.
Повышение пространственной жесткости полносборных зданий за счет усиления монтажных узлов и стыков конструктивных элементов, применения упруго-фрикционных соединений между ними и экспериментальным подтверждением достигнутого эффекта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
-
Выполнить сравнительный анализ существующих конструктивных систем безригель-ных каркасов. С помощью методов численного моделирования оценить резервы повышения устойчивости полносборных зданий на их основе.
-
Разработать конструктивные решения, обеспечивающие жесткость диска перекрытий за счет усиления монтажных швов между плитами и узлов сопряжения колонн с надколон-ной плитой. Изучить особенности совместной работы несущих элементов каркаса с учетом усиления монтажных швов и стыков.
-
Предложить новые технические решения и оценить экономическую эффективность введения упруго-фрикционных связей в систему конструктивных элементов для повышения сейсмической надежности полносборных зданий.
-
Исследовать работу стеновых панелей и плит перекрытия, обрамленных металлическим профилем для реализации УФС при проектировании и строительстве сейсмостойких зданий.
-
Подтвердить с помощью экспериментальных методов эффективность предложенных конструктивных решений.
На защиту выносятся:
-
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований работы безригельного каркаса при микродинамических колебаниях здания.
-
Конструктивно-технологические решения усиления дисков перекрытий безригельного каркаса по принципу внешнего армирования с использованием композитных материалов.
-
Конструктивные решения по повышению устойчивости и сейсмической надежности зданий на основе упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.
Научная новизна исследований.
-
Результаты экспериментально-аналитических исследований работы безригельного каркаса с использованием данных инженерно-сейсмометрического обследования и прочностных испытаний конструктивной ячейки натурного объекта.
-
Унифицированный метод усиления зданий различных типов в сейсмических районах на основе упруго-фрикционных соединений конструктивных элементов.
-
Эмпирическая зависимость порога срабатывания упруго-фрикционных соединений различных модификаций от величины усилия затяжки высокопрочных болтов и материала фрикционных прокладок.
Техническая новизна работы подтверждается патентом РФ на изобретение № 2340751 (патентообладатель ООО «Спецпроект» при лаборатории сейсмостойкого строительства ФГБУН ИЗК СО РАН, научный руководитель проекта к.г.- м.н. Ю.А. Бержинский).
Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных конечно-элементных методов расчета и программных средств. Достоверность численных расчетов подтверждается результатами экспериментальных исследований ячейки перекрытия системы КУБ-1, моделей панелей и их упруго-фрикционных соединений, изготовленных в натуральную величину.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования; создании расчетных моделей и анализе результатов теоретических исследований; проведении экспериментальных исследований; составлении рекомендаций по расчету усиления стыков и расчету конструктивных элементов.
Практическая значимость работы.
-
Разработаны конструктивно-технологические решения усиления монтажных швов между плитами перекрытий безригельного каркаса при строительстве в сейсмических районах.
-
Предложена усовершенствованная конструкция надколонных стыков безригельного каркаса.
-
Разработан и экспериментально проверен способ повышения надежности системы сейсмоизоляции в виде кинематических фундаментов за счет введения дополнительных связей с упруго-фрикционными соединениями.
-
Разработаны рекомендации по проектированию упруго-фрикционных соединений, составленные на основании результатов экспериментальных исследований.
Экспериментальные исследования ячейки перекрытия с усиленными швами между плитами перекрытия системы КУБ-1 проведены на 4-этажном корпусе общеобразовательной школы в 7-м м-не г. Ангарска в составе совместной научно-исследовательской работы между ФГБОУ ВПО «АГТА» (г. Ангарск) и ФГБУН ИЗК СО РАН (г. Иркутск) в 2011 г.
Экспериментальные исследования демпфирующей способности металлических связей-подкосов с упруго-фрикционными соединениями на высокопрочных болтах проведены на натурном фрагменте сейсмоизолирующих фундаментов типа КФ, возведенных под 9-этажный жилой дом серии 97с, в г. Усолье-Сибирское (2011-2012 г.г.).
Внедрение результатов работы.
-
Результаты работы по увеличению жесткости дисков перекрытия для повышения пространственной жесткости каркаса применены в здании общеобразовательной школы г. Ангарска.
-
Металлические связи-подкосы с упруго-фрикционными соединениями применены в конструкциях кинематических фундаментов под 9-этажный крупнопанельный жилой дом в г. Усолье-Сибирское для повышения сейсмической надежности фундаментов типа КФ. Указанные связи служат ограничителями горизонтальных перемещений системы сейсмоизоляции и обеспечивают повышение ее демпфирующих свойств.
-
Результаты работы по исследованию способов усиления зданий, в том числе с применением систем активной сейсмозащиты используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «АГТА» при подготовке инженеров и бакалавров строительного профиля.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на:
международных научно-практических конференциях ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2007; 2009; 2013);
международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России: наука, образование, практика», посвященной 50-летию ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2008);
VII Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (г. Сочи, 2007);
Всероссийском совещании с участием приглашенных исследователей из других стран и Всероссийской научной молодежной школе при ИЗК СО РАН (г. Иркутск, 2012);
VII Всеукраинской научно-технической конференции «Строительство в сейсмических районах Украины» (г. Ялта, 2008);
областном конкурсе «Молодость. Творчество. Современность» (г. Иркутск, 2012);
- научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТА» (г. Ангарск, 2007 - 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в т.ч. 3 статьи в изданиях,
включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и патент на изобретение Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 150 страниц, включая 86 рисунков и 15 таблиц, библиографический список из 185 наименований.
Автор выражает благодарность заведующему лабораторией сейсмостойкого строительства ФГБУН ИЗК СО РАН кандидату геолого-минералогических наук Бержинскому Юрию Анатольевичу за помощь, ценные советы и замечания, которые сыграли важную роль при выполнении данной работы.
