Содержание к диссертации
Введение
1 Состояния вопроса и задачи исследования 8
Конструкции Египетского университета «Нур-Мубарак »в г. Алмата 8
Землетрясения и их воздействия на пространственные покрытия зданий и сооружений 18
1.2.1 Причины землетрясений и их последствия 18
1.2.2 Анализ сейсмостойкости железобетонных конструкций и оболочек покрытий 36
1.3 Оценка упругопластической работы железобетонных конструкций и оболочек покрытий зданий при действии динамических нагрузок 49
1.4 Диаграмма деформирования материалов 57
1.5 Цель и задачи исследования 64
2. Экспериментальные исследования моделей 68
2.1 Конструкция модели покрытия 68
2.2 Испытательный стенд, приборы и методы динамических испытаний 77
2.3. Результаты статических и динамических испытаний моде лей 82
2.5 Выводы по главе 2 91
3. Расчеты моделей пространственного покрытия 92
Выводы по главе 3 115
4 Расчеты несущей системы здания университета на сейсмические воздей ствия 116
Выводы по главе 4 134
Общие выводы 135
Список использованной литературы 137
Приложения 153
- Землетрясения и их воздействия на пространственные покрытия зданий и сооружений
- Анализ сейсмостойкости железобетонных конструкций и оболочек покрытий
- Оценка упругопластической работы железобетонных конструкций и оболочек покрытий зданий при действии динамических нагрузок
- Испытательный стенд, приборы и методы динамических испытаний
Введение к работе
Во всем мире произошло значительное количество сильных и разрушительных землетрясений, эти проблемы представляют особый интерес. Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений имеет важное значение для сохранности человеческих жизней и других ценностей.
В гражданском и промышленном строительстве всё большее применение находят прогрессивные тонкостенные пространственные покрытия.
В диссертации выполнено исследование деформирования несущей системы здания Египетского университета состоящей из составной оболочки покрытия, поддерживаемой монолитной опорной плитой опирающейся на 4 колонны восьмигранного сечения.
Сейсмостойкость несущей системы здания определяется прочностными свойствами колонн и пространственного покрытия.
Сейсмическое воздействие передается непосредственно на колонны, жестко заделанные в фундаментах. Сейсмическое воздействие на покрытие возникает вследствие колебаний опорной плиты, которые могут существенно отличаться от колебаний основания. Поэтому требуется динамический расчет всей несущей системы.
Сейсмостойкость железобетонных колонн изучена достаточно полно. Однако деформирование составных оболочек (купол - цилиндр) при сейсмических воздействиях до настоящего времени не рассматривалось. Поэтому в диссертации большое внимание уделено исследованию таких пространственных конструкций.
Необходимость теоретических и экспериментальных исследовании подобных конструкций отмечалась на Международных и Республиканских конференциях, симпозиумах по проектированию и совершепстио-
ванию методов расчета сейсмостойких зданий и сооружений с покры
тиями из оболочек и пространственных систем. ;
Цель исследования. Данная диссертация посвящена экспериментально-теоретическому исследованию работы железобетонного пространственного покрытия в виде купола на цилиндрической оболочке и разработке методики расчета несущей системы-здания на сейсмические воздействия.
Научную новизну работы составляют:
методики и результатов экспериментальных исследований моде-лей составных железобетонных оболочек из купола и цилиндра при действии статической нагрузки;
методики и результатов экспериментальных исследований моделей составных оболочек при динамических воздействиях;
методики учета влияния нелинейных деформативных свойств составных железобетонных оболочек на их работу;
обоснования применения программного комплекса SAP 2000 к расчету несущей системы здания на сейсмические воздействия.
На защиту выносятся :
расчетная модель железобетонных составных оболочек, учитывающая нелинейные деформативные свойства бетона;
опытные нагрузки трещинообразования и распределение трещин на поверхности составных оболочек;
опытные значения предельных нагрузок на составные оболочки;
- результаты расчета несущей системы здания на сейсмические
воздействия интенсивностью 9 баллов.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
испытанием моделей купола с цилиндрической оболочкой на статические и динамические нагрузки;
проведенными экспериментальными исследованиями, результаты которых использованы в предпосылках метода расчета и удовлетворительным совпадением расчетных и опытных данных.
реальное проектирование сейсмостойкого здания с покрытием из железобетонного купола с цилиндрической оболочкой в г. Алматы;
апробацией результатов работы па Международных и Республиканских конференциях, симпозиумах и семинарах по проблемам прочности, надежности и сейсмостойкого строительства, зданий и сооружений.
Практическое значение данной работы заключается в:
- разработке рекомендаций по расчету и конструированию простран
ственного покрытия, состоящего из купола и цилиндрической оболочки, и
использование их при проектировании здания Египетского университета в г.
Алмата и для дальнейшего применения при проектировании и возведе
нии подобных конструкций для зданий и сооружений с расчетной сейс
мичностью 7, 8 и 9 баллов
Апробация работы. L '
Основные результаты диссертационной работы были доложены на межвузовских и международных конференциях, симпозиумах:
- Межвузовская научно-техническая конференция (ВКТУ, г. Усть-
Каменогорск, март 2000 г.);
- 1-й Центрально-Азиатский геотехнический симпозиум (Астана,
май 2000 г.;
- The Kazakhstan -- Japan joint geotechnical seminar. (Astana, 2-3 Au
gust 2001 г.);
- Международная научно-практическая конференция «Региональ
ные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности». (КазГАСА,
Алматы, январь 2002 г.);
2-я Международная научно-практическая конференция «Транспорт Евразии: Взгляд в XXI век». (КазАТК, Алматы, октябрь 2002 г.).
Ежегодная Межвузовская и Международная научно-техническая конференция (КазГАСА, Алматы 2000-2002 гг.)
Публикации:
Результаты исследований опубликованы в 10 научных статьях:
Внедрение результатов исследования.
Результаты исследования внедрены при проектировании и строительстве Египетского университета «Нур-Мубарак» в г.Алматы. Результаты работы также использованы в учебном процессе на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции» КазГАСА.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному консультанту д.т.н., почетному, профессору Расторгуеву Б.С кафедры железобетонных и каменных конструкций Московского государственного строительного университета за постоянное внимание и непрерывную помощь при выполне-. нии данной работы.
Структура диссертации.
Диссертация изложена на 168 страницах, состоит из введения, 4 глав, общие выводы, списка использованных источников в количестве 164 на 16 страницах и приложения на 15 страницах.
Землетрясения и их воздействия на пространственные покрытия зданий и сооружений
Сейсмические воздействия связаны с внутриземными процессами, сопровождающимися большими объемными изменениями на ограниченных участках земной коры. В результате при внезапных смещениях и разрывах верхней мантии земли происходят поднятия или опускания земной поверхности, которые распространяются на большие расстояния в виде упругих колебаний грунта [17, 96, 138].
Основной причиной землетрясений являются тектонические перемещения в геологических слоях мантии [55] и последствия инженерной деятельности человека. С развитием земли происходят тектонические процессы. Тектонические землетрясения проявляются сдвигами и глубинными разломами в земной коре, образуя микротрещины под действием сдвигающих или сжимающих и растягивающих усилий. Остаточные напряжения и деформации внутри земли, накапливая потенциальную энергию, достигнув максимума, мгновенно переходят в кинетическую энергию движения. Причины возникновения большинства землетрясений даются в новой глобальной тектонике, объясняющей процессы, происходящие в земной коре и верхних слоях мантии.
Землетрясения бывают и в процессе инженерной деятельности человека. Например, взрывы при заполнении водохранилищ, эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, космических воздействиях и атомных испытаниях в Неваде (США), в Семипалатинске (СССР) и др. Мощные подземные взрывы активизировали сейсмическую нагрузку в виде мелкофокусных тектонических землетрясений с магнитудой М=4-т6. При землетрясении Нурекского водохранилища наблюдалась сейсмическая активность прилегающих районов. В Газли в 1976 г. при эксплуатации газовых месторождений произошло сильное землетрясение до 10 баллов [42].
В 1967 г. в урочище Медео (г. Алма-Ата) были произведены подземные взрывы, которые вызвали искусственное землетрясение [42]. На расстоянии 800 м от фокуса взрывов движения грунта по ускорениям соответствовали землетрясению 8 баллов.
Сейсмическими воздействиями являются землетрясения тектонического происхождения, вызывающие интенсивные и разрушительные колебания земной поверхности [72]. Эти сейсмические колебания в начальный период имеют небольшие амплитуды, а с течением времени они возрастают и во втором периоде продолжаются в течение определенного промежутка времени, а затем постепенно затухают. Медленные тектонические движения при землетрясении переходят в сейсмические воздействия (движения), имеющие большие ускорения, что приводит к разрядке накопленной упругой энергии за 10-25с. Для сильных землетрясений максимальное значение такой энергии достигает I025 эрг. Сейсмические волны - это упругие волны, возникающие в фокусе при смещении и освобождении энергии, которые распространяются по Земле в форме колебательного движения грунта. Сейсмические волны бывают глубинные и поверхностные - Рэлея (R) и Лява (L). Глубинные волны подразделяются на 2 типа: продольные (Р) и поперечные (S). Эти волны имеют различные скорости распространения, соответствующие двум типам колебаний. Акселерограммы бывают весьма сложными и группа волн (S) всегда появляется ранее, чем затухает группа волн (Р). Глубинные продольные волны поочередно образуют зону сжатия и растяжения. При этом движение грунта происходит вдоль направления поли (7=0,2-7-0,5с), их называют короткопериодными. Глубинные поперечные волны в грунте колеблются в направлении, перпендикулярном направлению движения фронта волны с периодом колебаний Т= 1,0-7-5,0с. и их называют длиннопериодными. Поперечные волны имеют скорость в среднем в 1,7 раза меньше, чем продольные и обе волны на поверхности проявляются в виде двух фаз землетрясений. Первая фаза -момент вступлений продольных волн (Р), вторая - поперечных (S), Эти фазы будут предварительными, а момент вступления поверхностных волн (R) - главной фазой землетрясения. На различие фаз влияют виды сейсмических волн. Пространственные здания и сооружения по разному реагируют на различные колебания грунта. Например, короткопериод-ные колебания от продольных волн являются опасными для жестких зданий (крупноблочных, крупнопанельных и каменных), а длиннопери-одные колебания от глубинных поперечных волн для гибких здании (каркасных, пространственных, большепролетных зданий и др.). Сейсмические высокочастотные полны имеют большие амплитуды ускорения, а малые амплитуды смещения, по сравнению с длиннопериодными волнами, обладают малыми ускорениями. При этом, скорость распространения волны зависит от длины волны и периода:
Анализ сейсмостойкости железобетонных конструкций и оболочек покрытий
Опыт и анализ сильных землетрясений показывает, что основную опасность для зданий и сооружении представляют горизонтальные сейсмические силы. Поэтому первые исследования посвящены статической и динамической теории сейсмостойкости с учетом и без учета упругих деформаций сооружений с ускорением основания в горизонтальном направлении. Далее разработан спектральный метод расчета на сейсмостойкость зданий и сооружений. Методика определения сейсмических нагрузок на здания и сооружения по спектральному методу включена в нормы [116, 117, 118]. Антисейсмические мероприятия, относящиеся к раннему периоду сейсмостойкого строительства, основывались на опыте землетрясений а Японии (1891г.). Японские ученые Омори и Сано впервые разработали методику определения сейсмических сил, получившую название «Статическая теория сейсмостойкости» [155]. Статическая теория Омори и Само сводилась к переносному движению сооружения вместе с основанием. Сильные и разрушительные землетрясения начала XX столетия (Сан-Франциско, 1906 г.; Алматы, 1911 г.; Канто, 1923 г.; Ленинакан, 1926 г.; Крым, 1927 г. и др.) выявили несовершенство статической теории и недостатки ее основных положений. Дальнейшие исследования показали необходимость учета динамических свойств зданий и сооружений при землетрясениях. В работе [150] 1920 г. профессора Мононобэ Н. (Япония) предложена методика для определения сейсмических сил с учетом упругой деформации зданий и сооружений. В теории Мононобэ II. учитывались деформации сооружения в процессе установившихся вынужденных колебаний и не учитывались их свободные колебания. Известно, что свободные колебания конструкций зданий и сооружений имеют важное значение, особенно при возникновенении резонансных явлений и при этом сейсмическая балльность увеличивается. В 1927 г. Завриев К.С. предложил [47] динамический метод расчета на сейсмостойкость зданий и сооружений. Он обосновал недостаточность исследования установившихся колебаний и необходимость рассмотрения нестационарных процессов. Эта методика расчета учитывает одновременное воздействие па элементы зданий и сооружений вынужденных и свободных колебаний.
Для записей землетрясений американский ученый Б йот М. в 1933 г. предложил спектральный метод [140] определения сейсмических сил экспериментальным путем. Он сконструировал специальные маятники, обладающие различными периодами собственных колебаний (от 0,1 до 2,4 сек) для построения спектральных кривых по инструментально зарегистрированным акселерограммам сильных землетрясений, происшедших на территории США. Спектральный метод расчета получил значительное развитие в работах Корчинского И.Л., Назарова А.Г. [60, 72]. На основе анализа сейсмограмм некоторых слабых землетрясений, происшедших в СНГ, было предложено записывать закон движения грунта в виде суммы затухающих синусоид, спектр ускорений называть спектром приведенных сейсмических ускорений основания. В развитие расчета железобетонных конструкций на сейсмические воздействия на основе теории железобетона огромный вклад внесли ученые Бондаренко М.В., Гвоздев А.А., Власов В.З., Мурашев В.И., Тимошенко СП. [21, 26, 70, 123]. Вопросы расчета зданий и сооружений в условиях сильных землетрясений рассмотрены в ряде зарубежных исследований [139, 147, 149, 157, 162]. При упругом расчете зданий на сейсмические воздействия рассматривается консольная расчетная схема. Горизонтальные сейсмические нагрузки, приложенные в уровнях перекрытий, считаются сосредоточенными в уровне масс здания. Колебание системы представляется в виде разложения по формам собственных колебаний. Сейсмическая нагрузка определяется отдельно для каждой формы собственных колебаний зданий. Расчетная сейсмическая нагрузка определяется в виде сосредоточенных сил Sjt., приложенных к сосредоточенным массам и соответствующих /-ой форме собственных колебаний. При упругом деформировании конструкций зданий сейсмическая нагрузка рассчитывается по формуле [118]: Полная сейсмическая нагрузка на здание или сооружение определяется в виде: где: - /Г; коэффициент учитывает допускаемые повреждения зданий, принимаемый по таблице [116, табл.3]. Он изменяется от 0,12 до 1 и зависит от назначения здания. Qk = rni/g - вес здания, отнесенный к точке, определяемый с учетом расчетных нагрузок на конструкцию [116, табл.2]; А - y"oma\/g - относительная величина максимальных ускорений основания. Это основной коэффициент, так как он зависит от балльности района, который определяется по схеме районирования (0,1; 0,2; 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов); Рг коэффициент динамичности, соответствующий і-ому тону собственных колебаний здания. Этот коэффициент зависит от периода колебаний по і-ой форме и категории грунта; Kv - коэффициент, изменяющийся от 1 до 1,5. Он учитывает некоторые конструктивные особенности здания и определяется по [1 16, табл коэффициент, зависящий от формы деформации сооружения при его колебаниях по і- му тону и от места расположения нагрузки. Для жестких зданий со сложной конструктивной схемой допускается определить коэффициент г\\ь (для основного тона) по приближенной формуле, исходя из предпосылок, что первая форма собственных колебаний имеет вид прямой
Оценка упругопластической работы железобетонных конструкций и оболочек покрытий зданий при действии динамических нагрузок
Опыт проектирования и строительства железобетонных куполов и оболочек покрытий [82, 91, 94] при достаточной жесткости опорного контура их можно рассматривать в первом приближении как жесткий шарнирно опертый криволинейный диск, не деформируемый в горизонтальной плоскости. При этом основная масса здания приходится на купол и, сводя всю массу в одну точку, рассматриваем ее как систему с одной степенью свободы. В данном случае на горизонтальные составляющие сейсмической нагрузки рассчитываются только опоры и опорные конструкции. Отдельно стоящее здание, т.е. купольное покрытие с контурными опорными конструкциями, при горизонтальных колебаниях, имеют единственную частоту, а соответствующий коэффициент формы колебаний т/" -1. Коэффициент динамичности Д (,)( ) определяется по СНиП РК В. 1.2-4-98, по периоду основного тона колебания здания. Отсюда горизонтальные составляющие сейсмических сил с учетом (1.10) и (1.11) примет вид: Полученные формулы использованы при проектировании здания с пространственным покрытием на сейсмические воздействия. Сейсмические нагрузки характеризуются, с одной стороны, кратковременностью нагружения, а с другой стороны, их повторяемостью. Первый фактор способствует увеличению несущей способности железобетонного элемента, вследствие упрочнения арматуры и бетона при динамическом воздействии.
Второй фактор вызывает снижение несущей способности железобетонного элемента, за счет накопления повреждений в бетоне, причем степень снижения несущей способности зависит от характера напряженного состояния и формы разрушения. С учетом указанных факторов значение коэффициента ткр может приниматься: для расчета по нормальным сечениям: т , 7; для расчета по наклонным и пространственным сечениям: ткр .Л Важной целью динамического расчета является учет нелинейных деформаций конструкций, поэтому эти расчеты базируются на физико-механических характеристиках конструкций и сооружений вплоть до исчерпания несущей способности. Основными характеристиками являются параметры предельных состояний и зависимости «восстанавливающая сила - перемещение». В работе [34] рассмотрены применяемые параметры предельных состояний и диаграммы деформирования конструкций зданий и сооружений. Параметры предельных состояний разделяются на четыре группы: прочностные, деформационные, энергетические и параметры механических и динамических характеристик. В основном, находят применение деформационные параметры, к которым относятся максимальные значения перемещений (х), углов поворота (0), деформации (є) и коэффициенты пластичности - отношения этих величин к максимальным упругим фх, цо, fij или отношения остаточных значений этих величин к предельным упругим (хх Хс,Хс) При циклических деформациях принимаются суммарные значения коэффициентов остаточных перемещений ХХ, углов поворота Л , деформации 2Ж-. Следовательно, динамический расчет зданий в общем виде основывается на законе изменения сейсмической нагрузки во времени и диаграмм состояния элементов и системы в целом, связывающих усилия и перемещения системы вплоть до предельного состояния. При изменении нагрузки во времени используются инструментальные записи ускорении оснований сооружений при сейсмических воздействиях. При циклических колебаниях железобетонных элементов и пространственных конструкций зданий остаточные деформации определяются различными зависимостями при нагружении и разгрузке [13, 16. 28, 151]. Получение ряда диаграмм в упруго пластической стадии исследованы в работах [36, 48,61, 104]. Эти зависимости находят широкое применение при работе железобетонных элементов в упругопластиче-ской стадии.
Ведутся обширные исследования и области теории сейсмостойкости здании и сооружений с учетом упругопластических деформаций системы как в Казахстане, так и СНГ [4, 7, 24, 41, 44, 65, 66, 76,138] и за рубежом [22, 156, 158]. В исследованиях Жарницкого В.И. [38, 39] предложен метод прямого динамического расчета и использована модель упругопластического тела. Принимается закон, определяющий зависимости «восстанавливающая сила - перемещение». Эта модель имеет попарно параллельно расположенные наклонные и горизонтальные участки, соответствующие условному пределу текучести. При достижении напряжениями величины предела текучести допускается развитие пластических деформаций, а затем уменьшение напряжении до нуля - произвести разгрузку, то деформации будут уменьшаться по прямой, параллельной величине начальной загрузки. В работе [20] Боброва Ф.В., Быховского В.А. и Гасанова А.Н. приведены результаты исследовании динамических характеристик реальных сооружений и моделей с покрытиями типа оболочек и висячих конструкций. Определены сейсмические нагрузки в упругой стадии па оболочки и висячие покрытия, учитывающие вертикальные и горизонтальные движения основания. Приведены частоты и формы колебаний. Для различных типов оболочек посвящены работы Ониашвили О.Д. [92]. Он разработал метод динамического расчета оболочек на основе технической теории оболочек Власова В.З. [26] и довел эти способы до формул и графиков с учетом вариационных принципов. Сейсмическая нагрузка в работе Жармагамбетова Б.С, Мурмаган-бетова Е.К. [37] для железобетонных круговых оболочек покрытий определялась как для жесткого диска при упругом деформировании всего здания. Упрощенная расчетная схема такого здания была представлена в виде консольного стержня, защемленного в основании и несущего на свободном конце сосредоточенную массу. Эта схема принята из предположения, что конструкция железобетонного покрытия имеет небольшие размеры, поэтому ее колебанияпроисходят в основном в горизонтальном направлении.
Испытательный стенд, приборы и методы динамических испытаний
Для изготовления моделей конструкций используются формы из деревянных материалов. Выбор материала и конструкций форм определяется удобством их изготовления и количеством изготовляемых моделей. Было предусмотрено изготовление трех моделей с применением деревянной опалубки из брусьев и оцинкованной жести. Контроль точности изготовления опалубки осуществляется с помощью шаблонов и нивелирования, отклонения по толщине плиты модели не должны превышать ±0,5 мм; кривизна модели должна быть выдержана с точностью ±5%. Опалубку необходимо проектировать достаточно жесткой, чтобы при транспортировании и изготовлении в ней не возникало деформаций, искажаіощих форму изделий. Опалубка выполнялась сборно-разборной, чтобы избежать повреждений модели при распалубке. Чтобы исключить сцепление бетона с опалубкой, поверхности форм перед изготовлением в них моделей покрывают слоем смазки (разогретой смесью парафина с солидолом). Сетки для армирования вяжут непосредственно на опалубке. Защитный слой обеспечивается установкой пластмассовых подкладок. Бетон уплотняют виброрейками. Толщину моделей при бетонировании контролируют с помощью маяков, крепящихся к опалубке и шаблонов. Бетонная смесь приготовляется на портландцементе и обладает достаточной удобоукладываемостью. Бетон моделей твердел в естественных условиях при температуре + 18+5С. Через 10—12 ч после укладки модель покрывали полиэтиленовыми пленками и периодически увлажняли в течение 28 дней. Это помогает устранить появление усадочных трещин. Распалубку производят после достижения бетоном необходимой прочности, контролируемой по образцам и неразрушающими методами. Три модели (К-1, К-2, К-3) имели круглые очертания в плане 092 см и изготовлялись в матрицах из мелкозернистого бетона В15. Модели толщиной 5 = 20мм армированы проволочными стержнями 01,2 мм класса В-1 в кольцевых и меридиональных направлениях. Дополнительно армировались приконтурпые зоны. Армирование модели приведено на рисунке 2.2. Контурные опорные плиты моделей К-1 и К-2 армировались плоскими каркасами. Плоский каркас состоял из одного рабочего стержня 0 6 мм класса А-І и одного конструктивного стержня 0 3 мм класса В-1. Контур опорной плиты модели К-3 армирован пространственным каркасом, состоящим издвух стержней 06 мм. Поперечные стержни изготовлялись из проволоки 0 1,2 мм класса В-1 с шагом 120 мм.В соответствии с целями проводимых испытаний железобетонного купола выбраны следующие приборы для регистрации статических и динамических нагрузок комплект приборов типа К001, состоящих из вибродатчика И0ОІ, регулятора увеличения Р001 и гальванометров типа М002; ГБ-ІІІ и све-толучевые осциллографы H-I 15; Н-700. Диапазон измерения частот для К001 составляет 1,5-120 Гц и предназначен для измерения перемещений в горизонтальной и вертикальной плоскости с амплитудой до 1 мм. При этом запись производится в перемещениях, что достигается благодаря использованию интегрирующих гальванометров М002 и ГБ-Ш пятью ступенями увеличения.
- Сейсмодатчики SM-3 с собственной частотой 30-31 Гц, для регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний купола позволяют записывать частоты до 300 Гц и более. При этом использовали автоматический электронный измеритель деформации АИД-4 в комплекте с осциллографом Н-700. Одновременно регистрировали этой же аппаратурой деформации моделей и во взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью специально изготовленных тензорезисторов (рис. 2.4). Сигнал от тензорези-сторов через шестиканальный усилитель подавался на шлейфы осциллографа Н-700. При этом стабилизация напряжения питающей сети производилась феррорезонансным стабилизатором. Для измерения деформаций применяют тензодатчики сопротивления с базой 20—50 мм, рычажные тензометры с базой не менее 100 мм, индикаторы с ценой деления 0,001 мм.
