Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследовании 8
1.1. Основные конструктивные особенности быстровозводимых .
зданий 8
1.2. Быстровозводимые здания в сейсмически активных районах 23
1.3. Особенности устройства сеисмоизоляции и сейсмогашения коле , баний в различных конструкциях зданий 35
1.4. Предлагаемая компоновка упругих элементов сеисмоизоляции и демпферов сухого трения в фундаментной конструкции быстро-возводимого здания 52
1.5. Выводы. Цель и задачи исследования 58
2. Экспериментальная оценка параметров диаграмм сдвига демпферов сухого тения на основе металлических трущихсяпар 61
2.1. Вводные замечания 61
2.2. Описание экспериментальной установки для определения пара- метров диаграммы деформирования при динамическом нагружении 64
2.3. Методика экспериментальных исследований 73
2.4. Выводы по главе 81
3. Разработка методики оценки эффективности системы сеисмоизоляции в конструкциях быстровозво димых зданий с использованием вероятностного подхода 83
3.1. Вводные замечания 83
3.2. Разработка методики синтеза акселерограммы сейсмического воздействия
3.3. Обобщенная расчетная модель исследуемых сейсмоизолирован ных объектов 90
3.4. Методика расчетно-теоретических исследований эффективности сейсмоизолированных объектов с использованием вероятностного подхода 94
4. Расчетно-теоретические исследования эффективности системы сейсмоизоляции быстровозводимых зданий с использованием разработанной методики 99
4.1. Система дифференциальных уравнений движения 99
4.2. Результаты численного решения по определению вероятностных характеристик отклика системы 105
4.3. Система дифференциальных уравнений движения для расчетной модели двухэтажного здания 119
4.4. Результаты численного решения по определению вероятностных характеристик отклика расчетной модели двухэтажного здания 123
4.5. Анализ результатов и рекомендации по выбору параметров сейс-моизолирующего фундамента с учетом случайных изменений характеристик трения 145
5. Использование полученных результатов в практике строительства 149
5.1. Конструктивные предложения по возможности реализации систем сейсмоизоляции в конструкциях сейсмозащиты быстро-возводимых зданий 149
5.2. Опытное проектирование системы сейсмоизоляции принятого типа в конструкциях сейсмозащиты быстровозводимого здания 153
Общие выводы 158
Литература
- Особенности устройства сеисмоизоляции и сейсмогашения коле , баний в различных конструкциях зданий
- Описание экспериментальной установки для определения пара- метров диаграммы деформирования при динамическом нагружении
- Методика расчетно-теоретических исследований эффективности сейсмоизолированных объектов с использованием вероятностного подхода
- Результаты численного решения по определению вероятностных характеристик отклика расчетной модели двухэтажного здания
Особенности устройства сеисмоизоляции и сейсмогашения коле , баний в различных конструкциях зданий
Проведенные ЦНИИЭП жилища расчеты двухэтажного одноквартирного дома- представителя, выполненного из панелей «Радослав» на 9 бальную сейсмическую нагрузку показали достаточную прочность несущих элементов здания. На рис. 1.16 представлен общий вид зданий пристроенных с использованием термоструктурных панелей.
Анализ конструктивных решений быстровозводимых зданий для сейсмически опасных регионов свидетельствует о том, что сейсмостойкость этих зданий может достигаться за счет использования специальных узловых соединений, либо за счет использования материалов в несущих конструкциях, обладающих повышенными диссипативными свойствами, за счет применения простой формы плана здания с равномерным распределением жесткостей, путем использования систем сейсмоизоляции и сейсмогашения. Среди существующих предложений, направленных на повышение сейсмостойкости зданий, наиболее перспективными с точки зрения надежности следует признать специальные системы сейсмозащиты. Однако в существующих решениях с использованием систем сейсмоизоляции и сейсмогашения и проводимых исследованиях не дооценивается роль поглощения энергии колебаний, которая, как известно, необходима при низкочастотных воздействиях [25], [26], те же конструкции, где было предусмотрено это поглощение, отличаются сложностью исполнения, невозможностью замены и регулирования трения, что снижает эффективность применения быстровозводимых зданий в сейсмических районах. Следует отметить, что в исследованиях эффективности этих конструкций используется в основном детерминированный подход к оценки сейсмостойкости. Между тем, специфической особенностью быстровозводимых зданий является разброс, как исходных параметров объекта, так и самого сейсмического воздействия, которое, как правило, имеет разнообразный частотный диапазон и различную степень интенсивности. При таких условиях наиболее предпочтительным методом оценки должен быть вероятностный метод расчета.
.Учитывая вышесказанное, выбор эффективной системы сейсмозащиты для быстровозводимых зданий будем осуществлять на основе использования сочетания упруго-податливых элементов, выполняющих роль сейсмоизоляции и демпфирующих устройств, обладающих высокими диссипативными свойствами. При этом следует отметить, что предпочтение этой системе сейсмозащиты было отдано потому, что она позволяет сохранить принципиальные достоинства быстровозводимых зданий, а именно: низкие эксплуатационные затраты и сроки строительства, возможность использования современных материалов и технологий. Для определения наиболее рационального типа упруго-податливой системы и средств поглощения энергии сейсмических колебаний рассмотрим более подробно наиболее известные устройства сейсмоизоляции и сейсмогашения, используемые в практике отечественного и зарубежного строительства.
Особенности устройства сейсмоизоляции и сейсмогашения колебаний в различных конструкциях зданий
Как известно, в практике сейсмостойкого строительства сложились два основных метода повышения сейсмостойкости зданий: традиционный подход, направленный на восприятие сейсмических сил за счет развития сечений конструкций, использования эффективных материалов и конструктивных схем и т.п., и специальный, основанный на снижении сейсмических нагрузок за счет целенаправленного изменения динамической схемы работы сооружения. Согласно [27], [28], традиционные методы получили широкое распространение в различных странах и являются общепризнанными. Однако специальные методы сейсмозащиты во многих случаях позволяют снизить затраты на усиление и повысить надежность возводимых зданий. Под системами сейсмоизоляции понимают систему снижения энергии, передаваемой зданию в процессе сейсмических колебаний, за счет установки элементов повышенной податливости, приводящих к отстройке спектра здания от спектра воздействия в длинопериодную область. Различают адаптивные и стационарные системы сейсмоизоляции. В адаптивных системах динамические характеристики здания меняются в процессе землетрясения необратимо, приспосабливаясь к воздействию. В стационарных системах динамические характеристики сохраняются в процессе землетрясения. Наибольшее распространение в практике сейсмостойкого строительства среди стационарных систем получили сейсмоизолирующие фундаменты. Общая классификация систем сейсмозащиты, согласно [27], показана на рис. 1.17. При оценке эффективности сейсмоизоляции исходят из решающего влияния на сейсмоизолирующие объекты низкочастотных сейсмических воздействий, вызывающих чрезмерные амплитуды колебаний основания. В таких системах кроме опорных элементов необходима установка демпфирующих устройств. В последнее время издано более десяти монографий по вопросам сейсмоизоляции [27]-[34]. Основные результаты по исследованию систем сейсмоизоляции представлены в работах Я.М. Айзенберга, А.Т. Аубакирова, Т. Ж. Жунусова, Л.Ш.Килимника, В. В Назина, Ю.Д. Черепинского, СВ. Полякова, О.А. Савинова, A.M. Уздина и других ученых, за рубежом - в работах М. Био, Р. Клафа, Дж. Келли, Д. Смита, Р. Скиннера, В. Робинсона и др. С учетом принятой классификации систем сейсмоизоляции (рис. 1.17) рассмотрим некоторые примеры ее реализации. Наиболее типичным приемом устройства сейсмоизоляции при наличии возвращающей силы являются здания с гибким нижним этажом. Особенности поведения таких
Описание экспериментальной установки для определения пара- метров диаграммы деформирования при динамическом нагружении
Для разработки рекомендации по использованию предлагаемой -.сейсмозащиты необходимым условием является оценка параметров этой системы. Оценка параметров систем сейсмоизоляции может осуществляться различным образом. В настоящее время накоплен большой опыт по данному вопросу и разработаны рекомендации по определению оптимальных параметров сейсмоизоляции. Эти исследования выполнялись Уздиным А. М., Белаш Т. А., Долгой А. А. [26], [66]. В этих работах подбор параметров сейсмозащиты выполнялся в детерминированной постановке. Учитывая особенности быстровозводимых зданий, при недостаточной информации о сейсмологической обстановке районов строительства, для оценки эффективности параметров сейсмоизоляции необходимо использование вероятностных подходов. Одной из первых работ в этом направлении были исследования, выполненные Яременко В. Г. [67]. Однако автором этих разработок основное внимание было уделено заданию сейсмического воздействия. В проводимых им исследованиях не учитывался характер работы и подбор параметров демпферных устройств, не учитывалась необходимость их регулирования и замены. Все вышеизложенное и послужило основанием для проведения исследований, представленных в данной работе.
Анализ современной отечественной и зарубежной архитектуры показал, что в строительстве объектов различного назначения все большее распространение получают нетрадиционные виды возведения зданий. Одним из таких видов являются быстровозводимые здания, отличающиеся многообразием конструктивных форм и решений. Главным преимуществом 3 этих зданий является снижение эксплуатационных расходов, трудоемкости монтажа и сроков строительства.
В настоящее время быстровозводимые здания широко используются при восстановлении жилья, объектов социального, культурного и промышленного назначения после стихийных бедствий, среди которых землетрясения занимают лидирующие позиции по величине ущерба, причиняемого населению после тайфунов и наводнений. В этой связи особое значение специалистов уделяется надежности этих конструкций при сейсмических воздействиях в условиях недостаточности информации об их возникновении и возможности повторной серии сейсмических толчков.
В современном строительстве сейсмостойких зданий наиболее перспективным и надежным способом повышения сейсмостойкости зданий являются специальные средства в виде сейсмоизоляции и сейсмогашения.
Учитывая, специфику возведения и эксплуатации быстровозводимых зданий этим методам было отдано предпочтение. В качестве упруго-податливых элементов принимаются упругие опорные элементы различного вида, а в качестве дополнительного энергопоглощения - демпферы сухого трения в виде фрикционных металлических пластин, стянутых болтами.
Эффективность работы этой сейсмозащиты зависит от правильно выбранных ее параметров.
Несмотря на многочисленные исследования систем сейсмоизоляции с включением дополнительных устройств и поглощения энергии сейсмических колебаний по оценке демпфирования все они в основном выполнялись в детерминированной постановке. Между тем, специфической особенностью быстровозводимых зданий является разброс, как исходных параметров, так и самого сейсмического воздействия, которое имеет разнообразный частотный диапазон и интенсивность. Отсюда возникает необходимость в проведении расчетно-экспериментальных исследований эффективности систем сейсмоизоляции в конструкциях сейсмозащиты быстровозводимых зданий с использованием бо вероятностных методов анализа и разработке практических рекомендаций по их применению в сейсмически опасных районах. Для этого необходимо было решить следующие основные задачи: - проанализировать конструктивные особенности быстровозводимых зданий с учетом возможности их использования в сейсмически активных районах; - дать обоснование по выбору конструктивного решения системы сейсмоизоляции для конструкций сеисмозащиты быстровозводимых зданий; - исследовать механические свойства и характеристики демпфирующих устройств с использованием аппарата теории вероятности; - разработать методику оценки эффективности системы принятой сейсмоизоляции в конструкциях сеисмозащиты быстровозводимых зданий с использованием вероятностных методов анализа; - провести расчетно-теоретическое исследование эффективности принятой сейсмоизоляции на примере одно- двухэтажных быстровозводимых зданий с использованием разработанной методики; - разработать рекомендации по практическому использованию сейсмоизоляции рассмотренного типа в конструкциях сеисмозащиты быстровозводимых зданий.
Методика расчетно-теоретических исследований эффективности сейсмоизолированных объектов с использованием вероятностного подхода
Получив ряд решений для данной функции отклика при различных значениях математического ожидания характеристик трения, можно построить интересующие нас зависимости функции распределения отклика системы, а также закон распределения р(х), математическое ожидание Мх, а при необходимости - и моменты более высоких порядков. Учитывая, что значения полученной в результате такого способа функции распределения отклика имеются в виде массива пар значений, число которых зависит от выбранного шага варьирования исследуемой характеристики, для определения закона распределения (плотности вероятности) и математического ожидания выходной величины используется приближенный метод, в котором дифференцирование заменено отношением приращений функции к приращению аргумента, а интегрирование заменяется суммированием. При достаточно малом шаге варьирования аргумента можно получить результат с достаточной для практического использования точностью. Расчетные формулы для определения указанных вероятностных характеристик можно записать в виде:
В предыдущей главе рассмотрена разработанная методика оценки характеристик обобщенной расчетной модели многоэтажного здания, моделируемого системой с сосредоточенными параметрами с N степенями свободы. В данной главе рассматривается использование этой методики на конкретном примере двух типов зданий - с одним и двумя этажами, доведенное до численных результатов, а также еко№ЄНА.аи, ч поьывора ка оміетров і_емифілрсжанч „ Начнем рассмотрение этих вопросов с варианта одноэтажного здания.
Отношение К/М в данном случае представляет собой квадрат собственной частоты системы. При выполнении расчетов эта характеристика изменялась в диапазоне 9,87 - 61,69 с"2 (период собственных колебаний То соответственно, составлял от 0,8 до 2,0 с). Выбор конкретного значения периода То зависит от прогнозируемого характера сейсмического воздействия (преобладающей частоты сор) [53 ].
Для решения системы уравнений (4.1) используется метод пошагового интегрирования Рунге-Кутта 4-го порядка [71].
В результате решения с использованием указанной программы получены значения максимальных абсолютных ускорений, относительных смещений и скоростей массы осциллятора для ряда значений собственного периода колебаний осциллятора в диапазоне изменения параметра трения Ь=0-4.0м/с2,
Характеристики сейсмического воздействия выбраны таким образом, чтобы максимальное значение ускорений основания составляло 4 м/с2, преобладающий период равен 0,5 с, время действия акселерограммы - 15 с, время прихода пикового ускорения - 5с.
Графики зависимостей абсолютных ускорений Wa=f(b) и относительных смещений S=(p(b) показаны на рис. 4.1, 4.2. Исходные данные для построения этих графиков приведены в табл. 4.1 и 4.2.
Из представленных графиков можно видеть, что найденные зависимости для ряда периодов имеют немонотонный характер и, следовательно, для отыскания границ интервалов, соответствующих заданным уровням абсолютных ускорений и относительных смещений необходимо определение всех корней соответствующих аппроксимирующих полиномов, поскольку для одних и тех же значений ускорений или смещений таких границ может быть несколько.
Задача отыскания корней уравнений Wa-W , S=S решалась с использованием метода, основанном на последовательном прохождении интервала изменения аргумента и анализом на каждом шаге знаков функции y=Wa - W , обеспечивающим отыскание всех корней в заданном интервале изменения аргумента. В случае, когда на концах интервала у функции / оказывались разные знаки, шаг уменьшался в 3-5 раз и изменялся по знаку. Указанная процедура повторялась до момента, когда значение шага оказывалось меньшим или равным заданной точности вычисления корней.
Результаты численного решения по определению вероятностных характеристик отклика расчетной модели двухэтажного здания
Как было установлено в предыдущих разделах диссертации, наибольший эффект гашения колебаний при сейсмических воздействиях различного типа и интенсивности достигается за счет совместной работы упруго-податливых опорных элементов, устанавливаемых в фундаментной части здания, и поглотителей энергии колебаний - демпферов сухого трения. В настоящем разделе рассматриваются возможные конструктивные решения сейсмозащиты быстровозводимых зданий, включающие эти элементы и даются рекомендации по их устройству.
Опорные конструкции.
На основании выполненных в диссертации исследований в качестве опорных элементов в конструкции сейсмозащиты предусматриваются вертикальные стойки. Кроме фуйкционального назначения - передачи нагрузки от собственного веса вышележащих строительных конструкций, опорные элементы должны удовлетворять ряду специфических требований, к которым, как известно, относятся необходимость обеспечения достаточной податливости на сдвиг при действии горизонтальных сейсмических сил и сохранения несущей способности при больших относительных смещениях здания. Важным требованием для быстровозводимых зданий является также простота изготовления этих элементов и возможность их ремонтопригодности. Как было установлено в работах [26], [27], [66] и подтверждено исследованиями, выполненными в четвертом разделе диссертации, для снижения сейсмической нагрузки в три и более раз, необходимо, чтобы период собственных колебаний объекта на этих опорных элементах составлял от 1 с до 2 с. Реализация опорных элементов, отвечающая таким условиям податливости представлена на рис. 5.1.
Выполнение опорных элементов по первому варианту (рис. 5.1, а) осуществляется в железобетоне по типу, разработанному в работе [73]. В этом варианте стойки состоят из пакета стальных цилиндрических элементов, имеющих жесткую заделку в нижней плите фундамента. В верхней части возможна как жесткая, так и шарнирная заделка концов опорных стоек в вышележащие части здания. При этом длина стоек составляет от 2,5 до 3 м.
Опорные элементы могут быть также выполнены в виде пакета арматурных стрежней (рис. 5.1, б) в виде железобетонных каркасных стоек и других конструктивных вариантов.
В первом разделе диссертации была показана возможность использования в качестве сейсмоизолирующих элементов резинометаллических опор. Этот тип сейсмоизоляции предусматривает наличие не только резинометаллических элементов, но и свинцового сердечника для повышения гистерезисного трения. Опоры указанного типа выполняют соответственно три функции: воспринимают вертикальные нагрузки, обеспечивают горизонтальную податливость и затухание. На территории России эти опорные элементы используются для повышения сейсмостойкости зданий в г. Иркутске и Иркутской области. Согласно данным, указанным в работе [74], сейсмоизоляторы изготавливаемые китайской фирмой "VIBROECH" выпускаются со стандартными параметрами для нагрузки от 200 кН (20 тс) до 16000 кН (1600 тс). Способы монтажа предусматривают установку сейсмоизоляторов как по ходу строительства, так и после завершения монтажа несущих конструкций, а также возможность их замены в любой момент эксплуатации. Все опоры имеют одинаковые размеры: диаметр 510 мм и высоту 216 мм. Применение
Варианты устройства опорных элементов при шарнирном их соединении к верхним несущим конструкциям здания а) - опорные элементы, выполненные в виде пакета стальных стрежней трубчатого сечения; б) - опорные элементы, выполненные в виде пакета арматурных стальных стрежней: таких сейсмоизоляторов в районах 7, .8 и 9 баллов при наличии технических и финансовых возможностей для быстровозводимых зданий, особенно социального назначения (больницы, школы, детские сады и дошкольные учреждения и др.) было весьма целесообразным.
В зданиях массовой застройки в качестве сейсмоамортизатора возможно использование дешевых резиновых прокладок или пружинных элементов различного типа, отвечающих требованиям, указанным выше.
Демпферы сухого трения. Обязательным элементом специальной сейсмозащиты в виде сейсмоизоляции помимо опорных устройств являются демпферы сухого трения. В качестве фрикционной пары предлагается использовать обжатые металлические пластины, которые располагаются по всему периметру здания, принятое конструктивное решение рассмотрено в разделе 1. На основании исследований выполненных в четверном разделе диссертации установлено, что для обеспечения периода собственных колебаний быстровозводимого здания на упругих опорах в пределах от 1 с до 2 с, значение параметра трения должно находиться в пределах от 3% до 15% от веса здания. При таких значениях трения удается обеспечить значения максимальных упругих смещений концевых сечений опорных стоек от 2 см до 8 см (при интенсивности от 8 до 9 баллов).
В предлагаемой конструкции демпфера значительные силы трения могут быть обеспечены за счет большой силы обжатия трущихся листов (натяжением болтов). Исследования, представленные во втором разделе диссертации показали достаточную стабильность сил трения. Однако, в процессе многочисленных подвижек, возможных при землетрясениях с течением времени, может произойти некоторый износ листов фрикционной пары, падение напряжения болтов и снижение сил трения.
