Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы 19
1.1 Материалы для сейсмостойких зданий и сооружений 19
1.1.1 Основные показатели силы землетрясений 19
1.1.2 Сейсмические районы России и стран СНГ 22
1.1.3 Прочность материалов при немногочисленных повторных нагружениях 23
1.1.4 Особенности поведения различных строительных материалов при сейсмических воздействиях 29
1.2 Системы сейсмической защиты сооружений с перестраивающимися динамическими характеристиками 34
1.3 Особенности спектральных характеристик сейсмического движения грунта и флуктуации ветра и их влияние на динамическую реакцию зданий... 41
1.4 О статистическом сочетании сейсмической и ветровой нагрузки на здания обычные и с выключающимися связями 48
1.5 Исследование динамической реакции зданий с выключающимися связями 49
1.6 Задачи снижения сейсмического риска с учетом повреждений в результате военных действий и других специфических воздействий 52
1.7 Цель и задачи исследования 60
Глава 2. Мелкозернистые бетоны для сейсмостойких конструкций 63
2.1 Разработка экспериментального комплекса для исследований материалов, конструкций и фрагментов зданий и сооружений на однократные и повторные импульсные и ударные воздействия 64
2.2 Исследование динамической прочности мелкозернистых бетонов при однократных импульсных воздействиях 70
2.3 Сопротивление мелкозернистого бетона немногократно повторным нагрузкам типа сейсмических 74
2.3.1 Влияние свойств мелкозернистого бетона на сопротивление кратковременным динамическим нагрузкам 74
2.3.2 Диаграммы деформирования мелкозернистого бетона при растяжении -разгрузке - сжатии 78
2.3.3 Влияние немногократно повторных нагружений на изменение свойств мелкозернистого бетона 82
2.4 Исследование выносливости мелкозернистых бетоновпри многократно повторных динамических воздействиях 98
2.4.1 Влияние технологических факторов на выносливость мелкозернистого бетона 102
2.4.2 Исследование выносливости мелкозернистых бетонов 105
2.5 Особенности сопротивления мелкозернистых бетонов с суперпластификаторами 112
2.6 Структурообразование мелкозернистого бетона и влияние на него различных добавок 118
2.7 Обеспечение сцепления старого бетона с новым при омоноличивании контактной зоны 126
2.8 Выводы по главе 2 133
Глава 3. Исследование и разработка составов специальных мелкозернистых бетонов для сейсмостойких конструкций 134
3.1 Безусадочные расширяющиеся мелкозернистые бетоны 134
3.2 Мелкозернистый бетон с дисперсным армированием 143
3.3 Пропитанные бетоны 152
3.4 Применение золошлаковых строительных растворов и бетонов для сейсмостойких конструкций 165
3.4.1 Разработка органоминеральной добавки на основе золошлаковых смесей 171
3.4.2 Оптимизация составов органоминеральных добавок 176
3.4.3 Оптимизация состава и свойств строительных растворов с органоминеральными добавками 186
3.4.4 Мелкозернистый шлакозолобетон 189
3.4.5 О возможности использования диаграмм "а - є " мелкозернистого бетона при расчете элементов зданий и сооружений на сейсмические воздействия 197
3.4.6 Разработка способа выработки тепловой энергии и конструкции универсального котлоагрегата для тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий 201
Выводы по главе 3 206
Глава 4. Экспериментальные исследования динамической жесткости элементов системы сейсмозащиты с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями 208
4.1 Цели экспериментального исследования 208
4.2 Объекты исследования 210
4.3 Методика исследования. Измерительная аппаратура 218
4.4 Анализ результатов исследования. Сравнение экспериментальных и теоретических данных 225
4.5 Натурные исследования динамической жесткости конструктивных элементов зданий с тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями 233
4.6 Результаты исследования и рекомендации по корректировке проекта 235
4.7 Основы расчета сейсмоизолирующего тарельчатого фундамента 241
4.7.1 Общие принципы расчета 241
4.7.2 Расчет стенки сферической части сейсмоизолирующего тарельчатого фундамента 244
4.7.3 Расчет площади поверхности и потребного количества шариков сферической части сейсмоизолирующего тарельчатого фундамента 246
Выводы по главе 4 248
Глава 5. Теоретические исследования статистического сочетания сейсмических и ветровьгх нагрузок для зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями 250
5.1 Статистические данные о повторяемости землетрясений 250
5.2 Статистические распределения ветровых нагрузок 254
5.3 Статистическая комбинация сейсмических и ветровых нагрузок 257
5.4 Практические рекомендации по учету статистического сочетания сейсмики и ветра 266
Выводы по главе 5 269
Глава 6. Исследование динамической реакции зданий повышенной этажности с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями 270
6.1 Вводные замечания 270
6.2 Методика исследований 271
6.2.1 Модель сооружения. Уравнения движения 271
6.2.2 Модели внешнего воздействия 274
6.2.3 Модель расчета зданий с СТФ и ВС 276
6.3 Моделирование на ЭВМ 293
6.3.1 Определение периодов свободных колебаний систем с выключающимися связями до и после выключения связей 293
6.3.2 Анализ колебаний сооружений с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями в состояниях при частично или полностью выключенных связях 295
6.3.3 Сейсмическая реакция сооружений с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями, расположенными в уровне нижней массы 297
6.3.4 Сейсмическая реакция систем с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями в уровне средней массы 301
6.3.5 Оценка динамической реакции зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями (СТФ и ВС) на ветровые воздействия 304
6.4 Алгоритм программы расчета на ЭВМ 308
6.5 Результаты расчетов 5-этажного каркасного здания с сейсмоизолирующим тарельчатым фундаментом на реальные акселерограммы землетрясений 308
Выводы по главе 6 320
Глава 7. Определение рациональных динамических характеристик высоких зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями 321
7.1 Общая постановка задачи 321
7.2 Оценки зависимостей сейсмических и ветровых нагрузок на высокие здания от динамических характеристик зданий 322
7.3 Выбор рациональных динамических характеристик высоких зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями при учете сейсмических и ветровых нагрузок 339
Выводы по главе 7 343
Глава 8. Восстановление поврежденных, в результате землетрясений, зданий и сооружений 344
8.1 Макросейсмический эффект землетрясений на урбанизированной территории 344
8.2 Оценка степени повреждения зданий и сооружений 349
8.3 Определение действительного состояния здания, сооружения и строительных конструкций 355
8.4 Оценка состояния бетонных и железобетонных конструкций 358
8.5 Особенности инженерно-геологических условий (грунтовые условия) территорий 363
8.5.1 Краткое описание инженерно-геологических условий территорий 363
8.5.2 Инженерно-геологические условия, определенные с помощью георадара «ОКО» 367
8.6 Сейсмическое микрорайонирование территорий 374
8.7 Методологические принципы выполнения работ по восстановлению первоочередных объектов жизнеобеспечения населения 380
Выводы по главе 8 385
Глава 9. Технико-экономическое обоснование внедрения результатов исследования 386
9.1 Внедрение результатов работы 386
9.2 Технология производства мелкозернистого бетона на основе золошлаковых смесей 390
9.3 Расчет эффективности использования бетонов и растворов на основе техногенного сырья 393
9.3.1 Общие сведения 393
9.3.2 Расчет народно-хозяйственного эффекта 394
9.4. Технико-экономические обоснование значимости разработанных объектов интеллектуальной собственности 398
Основные выводы 401
Список литературы 405
Приложение А 454
Приложение Б 524
Приложение В 530
Приложение Г 532
Приложение Д 533
Приложение Ж 537
Приложение И 538
Приложение К 546
- Системы сейсмической защиты сооружений с перестраивающимися динамическими характеристиками
- Влияние немногократно повторных нагружений на изменение свойств мелкозернистого бетона
- Оптимизация составов органоминеральных добавок
- Анализ результатов исследования. Сравнение экспериментальных и теоретических данных
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие методов, способов и средств обеспечения надежности зданий и сооружений в сейсмических районах и снижение затрат, связанных с сейсмической опасностью, является глобальной проблемой, решение которой имеет важное научно-прикладное значение.
Важным компонентом, обеспечивающим надежность зданий и сооружений при сейсмических воздействиях является, как известно, материал конструкций. Основными свойствами, обеспечивающими сейсмостойкость конструкций зданий и сооружений, являются прочность при повторных нагружениях, ударная и динамическая прочность, выносливость, деформативность, энергопоглощаемость и пр.
В сейсмически опасных районах эффективным для строительства материалом может быть мелкозернистый бетон, полученный из техногенного сырья, который обладает рядом свойств, обеспечивающих сейсмостойкость конструкций.
Традиционные методы повышения сейсмостойкости бетонных и железобетонных конструкций сводятся, в основном, к наращиванию новых армированных слоев бетона, созданию стальных обойм или полной замене конструкций, что достаточно трудоемко и приводит к дополнительным материальным затратам.
Рассматриваемые в работе методы повышения сейсмостойкости зданий и сооружений с применением мелкозернистых пропитанных бетонов, многокомпонентных бетонов, фибробетонов, шлакозолобетонов, безусадочных и расширяющихся бетонов являются более эффективными и способствуют повышению качества и производительности труда.
Очевидно, что разработка и широкое применение сейсмостойких мелкозернистых бетонов, в том числе на основе использования техногенного сырья, является задачей весьма важной и актуальной.
Оценить в целом поведение зданий и сооружений при сейсмических воздействиях невозможно без анализа реального характера разрушения, сведений о свойствах материала конструкций и расчетных схемах. Исследования по дальнейшему развитию методов расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия с учетом антисейсмических свойств материалов несущих конструкций актуальны как для теории, так и для практики строительства. Другое важное направление оптимизации объемов антисейсмических мероприятий - снижение сейсмических нагрузок на сооружение за счет рационального выбора его динамических характеристик.
В условиях неопределенности характеристик сейсмического воздействия эффективными оказываются сейсмостойкие строительные материалы, конструкции и системы сейсмозащиты, параметры которых могут меняться в процессе землетрясения, приспосабливаясь к сейсмическим воздействиям. Речь идет в частности о системах с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами (СТФ) и выключающимися связями (ВС), применение которых обеспечивает дополнительные резервы несущей способности конструкций и значительно повышает сейсмостойкость зданий и сооружений.
При использовании в городской застройке зданий повышенной этажности в случаях, когда они строятся в районах, подверженных не только высоким сейсмическим, но и значительным ветровым воздействиям, возникает необходимость статистического сочетания этих двух видов нагрузок. Поскольку спектры сейсмических колебаний грунта и флуктуации ветра существенно различны, эффективной защитой зданий от сейсмических и ветровых воздействий является использование систем с СТФ и ВС с перестраивающимися динамическими характеристиками.
Таким образом, в диссертационной работе проблема повышения сейсмостойкости зданий и сооружений решается на основе единого комплексного подхода к системе «сейсмостойкие строительные материалы – строительные конструкции – грунтовое основание – сейсмические, ветровые и другие воздействия» и является актуальной, имеющей важное хозяйственное значение.
Степень изученности проблемы. Проведенный анализ позволил сделать вывод, что методы ремонта и усиления железобетонных конструкций с применением мелкозернистых составов пропитанных бетонов, фибробетонов, шлакозолобетонов, композиционных бетонов, а также расширяющих и напрягающих составов не достаточно отработаны и свидетельствует об актуальности проблемы разработки сейсмостойких строительных материалов и поиска рациональных динамических характеристик высоких зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями (СТФ и ВС) в условиях вероятности возникновения воздействий с существенно различающимися характеристиками (сейсмические и ветровые воздействия).
Целью диссертационного исследования является разработка и исследование материалов, конструкций и устройств для обеспечения и повышения сейсмостойкости зданий и сооружений в системе «сейсмостойкие строительные материалы – строительные конструкции – грунтовое основание – сейсмические, ветровые и другие воздействия».
В диссертации ставятся и решаются следующие задачи:
- теоретические и экспериментальные исследования стойкости и структурообразования, физических и физико-механических свойств мелкозернистых бетонов для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;
- разработка и исследование безусадочных и расширяющихся мелкозернистых бетонов, пропитанных бетонов, а также мелкозернистого бетона с дисперсным армированием и мелкозернистого шлакозолобетона;
- теоретические и экспериментальные исследования механизма обеспечения связи старого бетона с новым и омоноличивания контактной зоны;
- исследования реальных зданий с СТФ и ВС;
- построение расчетных моделей для определения динамической реакции высоких зданий с СТФ и ВС, в том числе с учетом результатов экспериментальных исследований для случая расположения СТФ и ВС в нижнем этаже;
- анализ динамической реакции высоких зданий с СТФ и ВС при действии сейсмической и ветровой нагрузок;
- анализ статистического сочетания сейсмической и ветровой нагрузки для зданий с СТФ и ВС;
- исследование задачи выбора рациональных динамических характеристик зданий с СТФ и ВС в зависимости от конструктивного решения и высоты здания, а также от интенсивности ветровой и сейсмической нагрузки и составление практических рекомендаций;
- разработка методики оценки степени повреждений зданий и сооружений;
- исследование грунтового основания разрушенных зданий и сооружений с помощью современных геофизических методов.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений и сопоставлением с данными других авторов.
Достоверность положений и выводов диссертационной работы подтверждена также патентами РФ и положительными результатами их внедрения на ряде строительных предприятий.
Научная новизна:
- разработаны теоретические положения повышения сейсмостойкости зданий и сооружений за счет использования мелкозернистых пропитанных бетонов, фибробетонов, шлакозолобетонов и безусадочных и расширяющихся бетонов на основе комплексного использования вторичного сырья;
- разработаны положения целенаправленного управления техническими, технологическими и эксплуатационными свойствами мелкозернистых бетонов для ремонта и восстановления конструкций с применением эффективных модификаторов;
- разработаны теоретические положения повышения сейсмостойкости мелкозернистых бетонов;
- установлены закономерности структурообразования мелкозернистых бетонов;
- установлены закономерности сцепления старого бетона с новым и омоноличивания контактной зоны;
- установлены многофакторные математические зависимости кинетики пропитки материалов;
- установлен механизм разрушения слоистых систем при механическом воздействии и действии окружающей среды;
- разработана методология оценки степени повреждений и состояния зданий и сооружений;
- впервые осуществлены экспериментальные исследования на реальных объектах с выключающимися связями, исследована динамическая жесткость конструктивных элементов системы сейсмической защиты;
- на основании экспериментальных исследований сформулированы рекомендации по усовершенствованию конструктивных решений системы сейсмозащиты;
- предложены теоретические расчетные модели и исследована задача определения сейсмической реакции зданий типа исследовавшихся в эксперименте, а также высоких зданий с выключающимися связями;
- выполнен параметрический анализ динамической реакции зданий с СТФ и ВС на сейсмические и ветровые воздействия;
- разработан алгоритм расчета, с учетом реальных акселерограмм, сооружений с выключающимися связями, расположенными в нижней части и по высоте здания;
- выполнен анализ статистического сочетания сейсмических и ветровых нагрузок применительно к зданиям с СТФ и ВС;
- разработана методика и выполнен расчет высокого здания с выключающимися связями, проектируемого с учетом сейсмических и ветровых воздействий.
Практическая значимость диссертационного исследования:
- получены мелкозернистые безусадочные и расширяющиеся бетоны, пропитанные бетоны, бетоны с дисперсным армированием и шлакозолобетоны для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;
- разработаны конструкции СТФ и ВС для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;
- предложена методика оценки степени повреждения зданий и сооружений;
- разработаны технические условия ТУ 5745-001-45267841-10 «Мелкозернистый ремонтный бетон класса В20 на основе портландцемента, кварцевого песка и органической добавки»;
- разработаны технические условия ТУ 5711-001-02066501-08 «Мелкозернистый бетон класса по прочности до В30-В45 на золошлаковых смесях, портландцементе и органоминеральной добавке»;
- разработана инструкция РДС РК-01-07-10 «Инструкция по проектированию зданий с использованием сейсмоизолирующих кинематических фундаментов»;
- получены патенты на сейсмоизолирующий тарельчатый фундамент (RU 2007146296 А), универсальный сейсмоизолирующий фундамент (RU 2406804 А) и др.
Апробация результатов исследования.
Разработанные составы, технологии и технические средства нашли применение при ремонте, восстановлении и реконструкции зданий и сооружений Чеченской Республики (ГУП «Чеченское управление строительства», ГУП «Чеченгражданстрой», ООО «Модернпроект» (генеральная проектная организация выполнения ФЦП «Социально-экономическое развитие ЧР на 2008-2012 гг.»), ПРСК «Лам», Сейсмофонд, ООО «СК «Чеченстрой», ООО «Интерстройхолдинг», ЗАО «Внешторгсервис», ООО «Импексстрой»).
Результаты диссертационной работы внедрены и используются на объектах Министерства строительства ЧР, Министерства жилищно-коммунального хозяйства ЧР и УНР 328 Минобороны РФ.
Работа выполнялась в соответствии с федеральными целевыми программами «Сейсмобезопасность территории России» (2002-2010 гг.), «Восстановление экономики и социальной сферы Чеченской Республики на 2002 и последующие годы», «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2011 гг.» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».
Ориентировочные расчеты показали, что экономический эффект за десять лет составит 240-250 млн. руб. Получен также социальный эффект – экологическое оздоровление окружающей среды за счет утилизации отходов.
Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались с 1982 по 2010 гг. на всемирных, европейских, международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах по проблемам сейсмостойкого строительства и сейсмостойких материалов, в том числе:
- на Всесоюзных, Всероссийских, региональных и республиканских конференциях (Алма-Ата – 1989 г., Москва – 1985 г., Махачкала – 1987, 2006, 2009 г., Симферополь – 1988 г., Ташкент – 1988 г., Владикавказ – 1992, 2005, 2007, 2009 г., Ростов-на-Дону – 2006 г., Сочи – 1997, 2001, 2005, 2007, 2008 г., Ялта – 2005 г.);
- на европейских конференциях по сейсмостойкому строительству (Москва – 1990 г., Париж – 1998 г., Лондон – 2002 г.);
- на всемирных конференциях по сейсмостойкому строительству (Мадрид – 1992 г., Акапулько – 1996 г., Ванкувер – 2004 г.);
- на международных конференциях (Анкара – 1997 г., Стамбул – 2006 г., Москва – 2008, 2009 г., Сочи – 2009 г., Владикавказ – 2009, 2010 г., Санкт-Петербург – 2010 г.).
Материалы диссертации опубликованы в 74 работах, в том числе 9 статьях в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационного исследования на соискание ученой степени доктора наук, 6 монографиях, 9 описаниях изобретений к патентам и учебном пособии с грифом УМО.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Объем работы – 452 стр. машинописного текста, содержит 68 таблиц, 144 рисунка, список литературы включает 441 наименование.
Системы сейсмической защиты сооружений с перестраивающимися динамическими характеристиками
Поиск рациональных конструктивных решений сооружений для районов, где сейсмологическая информация отсутствует вообще или не имеются предположения о том, что возможны землетрясения с существенным отличием по частотному составу, привел к созданию адаптивных систем сейсмической защиты. К их числу относятся системы, которые в процессе землетрясения могут перестраивать свою динамическую структуру, адаптируясь (приспосабливаясь) к землетрясению.
Адаптивные динамические системы сейсмической защиты (АСС) сооружений получили практическое применение в последние годы.
В работе отмечается большой вклад в области исследования сейсмостойкости зданий и сооружений советских и российских ученых К.С. Завриева, А.Г. Назарова, В.А. Быховского, И.И. Гольденблата, И.Л. Корчинского, Ш.Г. Напетваридзе, Б.К. Карапетяна, Н.А. Николаенко, СВ. Полякова, В.Т. Рассказовского, О.О. Савинова, А.П. Синицина, Я.М. Айзенберга, Т.Ж. Жунусова, В.А. Ильичева, Ю.В. Измайлова, Э.Е. Хачияна, В.Д. Райзера, Г.Л. Коффа, А.Д. Абакарова, Т.А. Абаканова, К.С. Абдурашидова, Ф.Ф. Аптикаева, М.У. Ашимбаева, В.А. Бабешко, B.C. Беляева, Т.А. Белаш, К.В. Егупова, В.Б. Заалишвили, М.А. Клячко, П.А. Коновалова, Ю.П. Назарова, Ю.И. Немчинова, С.Х. Нигматуллаева, Т.Р. Рашидова, В.А. Ржевского, A.M. Уздина, A.M. Жарова, Г.В. Мамаевой, A.M. Мелентьева, В.И. Смирнова, И.Е. Ицкова, А.В. Перельмутера, В.И. Римшина, Л.Р. Ставницера, А.Г. Тяпина, В.И. Уломова, Ш.А. Хакимова, К.Ш. Шадунца, А.К. Юсупова, М. Био, Д. Кел-ли, Л. Эстева, Д. Полэй, Т. Нишики, В. Робинсон, Р. Скиннер и др.
Значительные по объему экспериментальные и теоретические исследования различных видов сейсмоизоляции выполнялись в последние десятилетия В.В. Назиным, Ю.Д. Черепинским, СВ. Поляковым, Л.Ш. Килимником, Л.А. Солдатовой, А.Г. Яременко, A.M. Кургановым СЮ. Семеновым и др.
Проведенный анализ состояния исследования вопроса свидетельствует об актуальности проблемы разработки сейсмостойких строительных материалов и поиска рациональных динамических характеристик высоких зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями (СТФ и ВС) в условиях вероятности возникновения воздействий с существенно различающимися характеристиками (сейсмические и ветровые воздействия).
Следует отметить в данной области работы А.В. Александрова, М.Г. Алишаева, В.О. Алмазова, В.М. Бондаренко, Ю.М. Баженова, Д.К-С Батаева, М.М. Батдалова, В.В. Болотина, Г.В. Василькова, Г.А. Гениева, Н.И. Карпенко, Б.А. Крылова, И.А. Иванова, В.А. Ивовича, Р.Л. Маиляна, Л.Р. Маиляна, СИ. Меркулова, С-А.Ю. Муртазаева, И.Е. Путляева, М.З. Симонова, А.Ф. Смирнова, Н.Н. Стрелецкого, Н.Н. Складнева, Б.С. Расторгуева, П.А. Реквава, В.В. Ремнева, А.Г. Тамразяна, В.И. Травуша, В.П. Чиркова, Г.И. Шапиро, А.И. Цейтлина, М.А. Ахматова, П.Н. Курочки, Г.В. Несветаева, Л.В. Моргун, С.Х. Байрамукова, М.Ю. Беккиева, М.Н. Кокоева, Е.Н. Пересыпкина, Б.Г. Печеного, СИ. Полтавцева, В.А. Пшеничкиной, Ш.М. Рахимбаева, Т.А. Хежева, О.М. Устарханова, Г.Н. Хаджишалапова и др.
Задачи сейсмоизоляции ядерных и других объектов на весьма высоком научном уровне исследованы в работах B.C. Беляева и его сотрудников. Выполнены экспериментальные исследования с использованием уникального сейсмостенда.
Адаптация используется в системах сейсмозашиты, как и в системах виброзащиты, для улучшения критерия качества или предотвращения его ухудшения. В случае сейсмозащитных систем речь идет по существу о снижении величин параметров сейсмической реакции (смешений, ускорений и т.п.) в сравнении без перестройки структуры, без адаптации. Следовательно, поскольку сейсмозащита достигается за счет снижения величин сейсмических воздействий, такие системы являются системами сейсмоизоляции. Заметим, что обычные здания и сооружения могут в определенных ситуациях проявлять адаптивные свойства. Например, жесткое железобетонное или кирпичное здание при интенсивном сейсмическом воздействии с преобладанием высокочастотных составляющих в спектре, в результате трещинообразования может существенно перестроить свои динамические характеристики. Жесткость и частоты собственных колебаний такого здания могут заметно уменьшиться, и конструкция самоприспосабливается к воздействию [1, 6, 7, 9, 12, 16, 20, 122, 368]. В настоящее время наибольшее распространение получили две системы сейсмической защиты.
1. Нестационарные системы, в таких системах предусматриваются специальные элементы, которые могут отключаться при некоторых разновидностях сейсмических воздействий и вызывать этим перестройку (самонастройку) динамических характеристик в желательном направлении.
Изменение жесткости и собственной частоты колебаний в этом случае носит необратимый характер [13, 21, 286].
2. Нелинейные системы различного вида, например, включающиеся связи [291-296], упоры ограничители [7] и т.д. Каждая из этих подсистем может быть отнесена к классу адаптивных систем сейсмической защиты.
Нестационарные адаптивные системы перестраивают свои динамические характеристики за счет выключения из работы сооружения специально предусмотренных связей. Ими могут быть резервные элементы или же отдельные элементы несущих конструкций: перегородки, перемычки и т.д. Кроме того, может быть предусмотрено появление шарниров в определенных местах конструкции при определенной интенсивности сейсмической нагрузки. Устройство выключающихся связей не требует создания принципиально новых материалов из дорогостоящих материалов.
Исследованию работы нестационарных адаптивных систем сейсмозащиты посвящена монография [7]. Результаты теоретических экспериментальных исследований показывают, что применение систем с выключающимися связями рационально в сейсмических районах, где возможны землетрясении с существенным различием в доминантных частотах, и где нет достаточно полной информации о возможном специальном составе землетрясений.
Для анализа нестационарных систем при случайных воздействиях применяются уравнения Фоккера-Планка Колмогорова, численные методы решения дифференциальных уравнений с реализацией на ЭВМ, моделирование таких систем на аналоговых машинах. Отмечается, что лишь в некоторых случаях удается получить аналитическое решение в замкнутом виде. При решении оптимизационных задач считается рациональным применением аналоговых машин [1,7, 125, 142-143].
Дальнейшее развитие задача исследований нестационарных систем получила в работах [1-3, 12, 207, 208, 286].
Исследования нелинейных систем проводились в работах [32, 155, 156, 168, 313]. В работе [177] рассматривались колебания системы с симметричной нелинейной динамической характеристикой при узкополосном стационарном случайном воздействии. При этом использовался метод статистической линеаризации. Работы [291-296] посвящены исследованию систем с жесткой билинейной динамической характеристикой. К ним относятся системы с включающимися связями. Конструктивное решение их представлено как гибкий каркас с заполнением, которое с помощью специальных упругих прокладок мягко включается в работу каркаса при амплитудах колебаний, превышающих величину зазора. Системы рассчитываются таким образом, что это включение происходят при низкочастотном интенсивном воздействии.
Экспериментальное исследование таких систем показывает их преимущество по сравнению с обычными жесткими и гибкими системами.
Системы с включающимися связями могут быть эффективными при использовании динамических гасителей колебаний.
Результаты сейсмической реакции нелинейного осциллятора с билинейной жесткой характеристикой с одной и двумя степенями свободы приведены в [440]. Такие системы рассматривались как математические модели рам с провисающими диагональными растяжками. Исследования проводились численным методом на ЭВМ. В качестве внешнего воздействия были использованы стационарные синусоиды и акселерограммы двух сильных землетрясений (Эльцентро и Тафт). Показано, что величина сейсмического перемещения зависит от положения точки перелома билинейной характеристики. Максимальные смешения систем с одной и двумя степенями свободы, с билинейной характеристикой значительно меньше, чем линейных систем с квазиупругими коэффициентами, соответствующими первому и второму участкам.
Влияние немногократно повторных нагружений на изменение свойств мелкозернистого бетона
Механизм изменения прочностных и деформативных свойств мелкозернистого бетона при повторных нагружениях можно представить следующим образом. При первичном нагружений в растворной части бетона происходят значительные пластические деформации. При этом заполнители, имеющие по сравнению с растворной частью более высокие физико-механические характеристики, работают практически в упругой стадии. При последующей после первичного нагружения разгрузке деформации заполнителей восстанавливаются не полностью вследствие необратимости значительной доли деформаций ползучести растворной части.
Таким образом, после первого цикла загружения "нагрузка-разгрузка" в сжатом бетоне появляется остаточное самоуравновешенное напряжённо-деформированное состояние, характеризующееся наличием сжимающих напряжений в заполнителе и растягивающих - в растворной части.
При вторичном и последующих циклах загружения происходит накапливание остаточных деформаций. Вместе с тем, при каждом последующем загружении отжатой оказывается все большая часть пластических деформаций бетона и при уровнях повторных, нагружений, не превышающих длительной прочности бетона, накопление остаточных напряжений и деформаций постепенно затухает, приближаясь к некоторой конечной величине.
Изменение свойств сжатого мелкозернистого бетона необходимо учитывать в расчётах железобетонных элементов.
Методика экспериментальных исследований включала испытания на центральное сжатие бетонных призм в количестве 54 (18 групп), размерами 15x15x60 см, из которых 45 (15 групп) были предварительно загружены немногократно повторной нагрузкой.
Требуемое количество опытных образцов определялось методами математического планирования эксперимента.
В качестве основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на изменение прочностных и деформативных характеристик бетона и варьируемых в исследовании, приняты (таблица 2.6).
Испытание призм производилось через 18...28 суток со дня бетонирования ступенями, равными 1/15... 1/20 от ожидаемой разрушающей статической нагрузки до достижения необходимого уровня повторных нагружений, потом также ступенями производилась разгрузка призм. После выполнении повторных нагружений призмы испытывались до разрушения. Последнее нагружение осуществлялось с постоянной скоростью деформирования, равной в опытах 0,2. 0,3%/мин.
В отличие от известных экспериментальных исследований, где уровень повторных нагружений на каждом цикле возрастал (рисунок 2.8, а), в [63] он был принят постоянным на всех циклах нагружения (рисунок 2.8, б).
Проведённые опыты показали, что при немногократно повторных нагружениях диаграммы деформирования бетона " аь - гь" имеющие первоначально выпуклости в сторону оси напряжений, с ростом количества циклов становятся всё более пологими, приближаются к прямой, а затем (на 4-5 циклах) при достаточно высоких уровнях напряжений приобретают выпуклости в сторону оси деформаций (рисунок 2.9). Таким образом, на диаграммах " аь - sb" бетона в результате немногократно повторных нагружений при Jb 0,5Rb, появляются, как правило, у точки перегиба на уровне повторных нагружений зь гер - до них кривые обращены выпуклостями в сторону оси деформаций, после них - в сторону оси напряжений.
Причиной этого является наличие и развитие микротрещинообразования, с которым связано также и другое, отмеченное в опытах, явление - увеличение выпуклости в сторону оси деформаций кривых разгрузки, возрастающее с ростом количества циклов нагружения.
Немногократно повторные нагружения оказывают также влияние и на изменение очертания диаграммы " оь - гь" бетона в закритической стадии.
Нисходящая ветвь диаграммы сжатия бетона становится более крутой, направленной к оси деформаций под большим углом.
Причиной указанного отличия опытных и теоретических параметрических уровней микротрещинообразования является использование в опытных призмах тщательно очищенного заполнителя, что увеличило сцепление цементного камня и заполнителя. Ранее подобное отличие по той же причине отмечалось и другими авторами [63].
К числу изменившихся в результате повторных нагружений характеристик мелкозернистого бетона относятся:
- деформации zbR при повторных нагружениях вследствие отжатия части пластических деформаций снижаются; - модуль упругости мелкозернистого бетона Еь при повторных нагружениях может возрастать или снижаться в зависимости от параметров повторных нагружений; прочность мелкозернистого бетона Rb также зависит от параметров повторного нагруже ния.
Изменение деформативных и прочностных характеристик бетона средней прочности в наибольшей степени зависит от уровня повторных нагружений т) С увеличением г\гер от 0,5 до 0,9 наблюдается снижение предельных деформаций до 17% (рисунок 2.30, а). Не столь однозначно влияние уровня повторных нагружении на модуль упругости Еь и призменную прочность Rb бетона. При увеличении Т) от 0,5 до 0,7 Еъ и Rb возрастают соответственно на 4...9% и 8... 18%. При дальнейшем увеличении т) 0,7 этот эффект ослабевает и при тгер - 0,9 наблюдается даже снижение модуля упругости и призменной прочности по сравнению с их первоначальными (без повторных нагружении) значениями (рисунок 2.10 б, в).
Меньшее влияние на изменение свойств бетона оказывает относительная прочность р к моменту нагружении - с её увеличением интенсивность изменения свойств бетона снижается. Так, при р = 0,8 призменная прочность после немногократно повторных нагружении с уровнем г\гер = 0,5 возросла на 16... 17%, а при р = 1 - на 8...9% (таблица 2.11).
При увеличении количества циклов нагружения и от 1 до 5 изменение модуля Еь и предельных, деформаций zbR происходит интенсивнее. При дальнейшем увеличении п - от 5 до 9 процесс изменения деформативных свойств бетона стабилизируется. При этом изменение Еъ и zbR всегда однозначно при любом варьировании п. Несколько иное влияние оказывает количество циклов нагружения на призменную прочность бетона Rb. При невысоких уровнях повторных нагружении г\гер = 0,5 увеличение п приводит к росту Rb, при более высоких уровнях г\гер = 0,7...0,9 увеличение п приводит, наоборот, к снижению призменной прочности. Отметим, что и в этом случае при количестве циклов нагруженная, превышающем 5...6, изменение Rb стабилизируется.
Рассмотрим теперь изменение каждой из перечисленных характеристик бетона в зависимости от величины параметров повторных нагружении.
Оптимизация составов органоминеральных добавок
Оптимизация составов органоминеральных добавок необходима для получения искомых свойств растворов и бетонов для сейсмостойких конструкций. Способ приготовления органоминеральной добавки для строительных растворов нами реализован следующим образом.
Предварительно размолотый минеральный компонент затворялся водным раствором С-3 в количестве 0,2% от массы золошлаковой смеси. Продолжительность перемешивания составляла 3-5 минут из условия полного увлажнения минерального компонента и получения однородной массы. Полученная смесь подвергалась высушиванию при Т=150-170С до остаточной влажности не более 1-1,5%. Приготовленная ОМД представляла собой порошкообразную массу, хорошо распускающуюся в воде.
Технологическая схема приготовления ОМД показана на рисунке 3.20. Измельчение ОМД осуществлялось в лабораторной вибромельнице СВМ-2. Объём загрузки камеры составлял 3 кг. Помол осуществляли до различной удельной поверхности.
Для определения удельной поверхности применялась следующая аппаратура: прибор для определения внешней удельной поверхности порошков УПВ-1, электрические весы, мерный цилиндр, стеклянный бюкс, секундомер.
Испытания проводились следующим образом:
- устанавливается герметичность системы прибора УПВ-1 (рис. 3.21);
-пробу, подготовленную по ГОСТ 310.1-76, высушивают в сушильном шкафу при температуре 105-110С в течение 2-х часов и охлаждают в эксикаторе;
- на перфорированное дно кюветы с плотно прижатой прокладкой из фильтровальной бумаги помещается навеска массой 10 г, отмеренная на весах с точностью до 0,1 г.
Поверхность пробы закрывается второй прокладкой с подпрессовкой введённым кюветом плунжером. По положению относительно шкалы определяется высота зернового слоя порошка в кювете:
- удаляется плунжер;
- под кран устанавливается стеклянный бюкс.
При открытом кране из трубки колбы вытесняется воздух и в правом колене манометра стабилизируется высота водяного столба. При установившемся значении разряжения Ар на пробе, определяемого по линейке вместо стеклянного бюкса, устанавливается мерный цилиндр и одновременно включается секундомер. За фиксированное время определяется истёкший из крана объём дистиллированной воды.
Исследование свойств цементных паст, разбавленных полученными органоминеральными добавками, показало, что их водопотребность находится в зависимости от удельной поверхности ОМД. Введение ОМД с удельной поверхностью 100 м /кг значительно понижает водопотребность цементных паст. При 80%-ном содержании ОМД только за счёт изменения дисперсности 9 9 ОМД от 100 м /кг до 900 м /кг водопотребность увеличилась с 16,4% до 23,1%. Однако, увеличение удельной поверхности ОМД с 500 м2/кг до 900 м /кг незначительно влияет на водопотребность равноподвижных цементных паст, равноразбавленных ОМД, в то время, как увеличение дисперсности ОМД от 100 м /кг до 500 м /кг значительно сказывается на водо-потребности паст.
На рисунке 3.22 приведена зависимость удельной поверхности ОМД от времени помола.
Для установления зависимости водопотребности цементных паст, разбавленных ОМД различного состава и содержания, а также влияния суперпластификатора на прочность стандартного раствора, был применен метод математического планирования. Факторы и уровни их варьирования и матрица планирования представлены в таблицах 3.19, 3.20.
Анализ уравнения показывает, что в соответствии с абсолютными значениями коэффициентов и знаком перед факторами основное влияние на водопотребность цементных паст ОМД оказывает удельная поверхность. С увеличением содержания ОМД водопотребность цементных паст снижается.
Средняя плотность равноподвижных цементных паст, разбавленных ОМД, с увеличением степени разбавления снижается, так как плотность наполнителя ниже плотности портландцемента.
Прочность стандартного раствора, главным образом, зависит от количества органоминеральной добавки.
Введение в состав портландцемента химических и минеральных добавок приводит к изменению механизма и скорости протекания реакций взаимодействия клинкерных минералов цемента с водой. Минеральные добавки могут вступать во взаимодействие с новообразованиями цементного камня с последующим образованием новых фаз, которые оказывают различное влияние на свойства затвердевшего цементного камня. В связи с этим была проведена проверка влияния минеральных добавок золы на процессы гидратации цементного камня и через его свойства на сейсмостойкость конструкций.
Исследовались образцы, изготовленные из теста композиционного вяжущего нормальной густоты, приготовленного из цемента и минеральной добавки, и твердевшие в нормальных условиях.
На термограмме экспериментального образца (рисунок 3.23) наблюдается большой эндотермический эффект с максимумом при 120С, обусловленный удалением слабосвязанной (гигроскопической и адсорбционной) воды гелевидных продуктов гидролиза стеклофазы, которому соответствует потеря массы 6,9%. Начиная с 380С наблюдается потеря межслойной воды аморфными продуктами твердения. Этот эндотермический эффект совмещается с экзотермией (максимум при 460С) - выгорание ококсованной органки. При последующем нагревании происходит ступенчатое удаление межслойной и, вероятно, конструкционной воды, выраженное в появлении на кривой ДТА двух небольших эндотермических эффектов с максимумами при 400С и 500С. О разложении MgCCb свидетельствует слабый эндоэффект при 700С на термической кривой. Более определённый эндоэффект с максимумом при 770С обусловлен разложением кальцита СаСОэ.
Два наиболее выраженных эндотермических эффектов с максимумами при 340С и 860С, не сопровождаются изменениями массы образца, так как отражают процессы кристаллизации. Экзотермический пик 340С характеризует переход аморфного железа в кристаллическую фазу. Экзотермический эффект при 860С принадлежит кристаллизации волластонита из аморфной фазы.
Сопоставление термограмм золы с термограммой цементного камня свидетельствует о резком уменьшении интенсивности (площади) экзотермического эффекта кристаллизации стеклофазы в затвердевшем образце. Этот факт подтверждает высокую степень гидратации стеклофазы при твердении.
Идентификация минералов, образовавшихся при термоэффектах, выполнена рентгенофазовым анализом. Рентгенограмма образца подтверждает преимущественно аморфный характер фаз затвердевшего образца (рисунок 3.24). Линии кристаллопродуктов имеют малую интенсивность. Просматриваются непрореагировавшие кристаллические фазы исходных компонентов золошлаковой смеси: куспидина (d=3,228; 1,911) псевдоволластонита (d=2,987; 1,833А). Интенсивная линия (d=7,255; 2,787; 2,744; 2,185А) отражает значительное содержание негидратированной ферритной фазы C4AF.
Анализ результатов исследования. Сравнение экспериментальных и теоретических данных
Результаты исследования свободных колебаний показывают, что периоды различных блок-секций в начальном состоянии (когда связи включены) находятся в пределах Т=0,22-0,23 сек. Периоды колебаний зданий (блок-секций) в конечном состоянии (когда все связи включены) оказались ниже расчетных. Это объясняется тем, что на жесткость зданий в условиях относительно малого нагружения и при малых амплитудах оказывают влияние нерасчетные элементы - панели наружных стен, кирпичные перегородки, примыкающий в колонне (ЛСК) ригель лестничной площадки, значительно повышающий жесткость колонны и др.
В связи с вышеприведенным, периоды свободных колебаний блок-секций в конечном состоянии (связи выключены) получим следующим путем. Используем результаты проведенных динамических испытаний отдельных колонн и контрфорсов (п. 4.2), пересчитанные с учетом фактического веса здания.
Период свободных колебаний для системы с одной степенью свободы может определяться по формуле [342].
Величина вертикальной нагрузки принята приближенно равной q0=l,5 т/м В случае отклонения фактической величины нагрузки q от расчетной q0=l,5 т/м период собственных колебаний может быть уточнен введением множителя (4.3)
Можно считать, что величины q=l,2 и 1,8 m/м являются нижней и верхней оценками вертикальной нагрузки и, поэтому, границы 0,66 Тф 0,8 сек отвечают наиболее достоверному интервалу возможных величин периодов основного тона собственных колебаний торцевой секции при наиболее вероятном значении Т=0,73 сек. Аналогично получим интервалы значений оценок для рядовой и поворотной блок-секций.
Полученные таким образом значения периодов колебаний блок-секций в предельном состоянии, наряду со значениями периодов колебаний блок-секций в начальном состоянии, полученные экспериментальным путем, приведены в таблицах 4.1 и 4.3.
Анализ данных этой таблицы показывает, что если бы указанные выше нерасчетные элементы отсутствовали, то периоды колебаний зданий в состояниях до и после отключения связей были бы близки к расчетным.
Используя экспериментальные данные, полученные при динамических испытаниях, исследуем влияние жесткости нижнего этажа, снабженного адаптивной системой сейсмозащиты (выключающимися связями), на частоту и форму свободных колебаний блок-секции (здания).
Собственные колебания системы с степенями свободы без учета затухания описываются системой линейных дифференциальных уравнений [342].
Форма колебаний блок-секции при включенных связях, как видно, больше соответствует изгибно-сдвиговым колебаниям. При выключенных же связях, когда на уровне первого этажа обеспечивается относительная свобода перемещения за счет деградации жесткости, вследствие выключения связей, форма колебаний в большей мере соответствует сдвиговой. Чем больше изменяется жесткость нижнего этажа, те существеннее становится разница ординат форм колебаний до и после выключения связей. Следовательно, имея экспериментальные значения ординат форм колебаний здания с выключающимися связями в начальном и предельном состояниях (до и после выключения связей) можно оценить степень влияния на жесткость нижнего этажа включения-выключения контрфорсов. Зная фактическое влияние жесткости контрфорсов на жесткость нижнего этажа можно заранее подобрать такие жесткостные характеристики адаптивной системы сейсмозащиты, при которых динамические характеристики системы окажутся наиболее рациональными при интенсивном сейсмическом воздействии на входе.
Существенные различия между вычисленными и экспериментально найденными значениями периодов свидетельствует о том, что период собственных колебаний здания до включения контрфорсов не полностью определялся жесткостью контрфорсов. На этом основании, а также учитывая результаты визуального осмотра, можно сделать следующие выводы:
1. В состоянии до включения контрфорсов величина жесткости нижнего этажа определялась главным образом, «нерасчетными» элементами, включающимися в работу здания, именно: - панелями наружных стен, кирпичными перегородками, двумя колоннами лестничной клетки, имеющими высоту, примерно вдвое меньше высоты остальных колонн.
2. Как показали экспериментальные исследования отдельно стоящих колонн как при статической, так и при динамической нагрузках (см. п. 4.2), параметры колебаний колонн соответствуют проектным и, если бы указанные «нерасчетные» элементы не включились в работу зданий при их колебаниях, периоды колебаний находились бы в пределах 0,66-0,8 сек, т.е. отвечали бы расчетным значениям.
3. Величины периодов колебаний зданий после включения контрфорсов также определялись, в основном, указанными выше в выводе 1 нерасчетными элементами. Эти выводы послужили основанием для составления рекомендаций по корректировке проекта.
