Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. постановка задачи 12
1.1. Классификация активных систем сейсмозащиты 12
1.2. Конструктивное воплощение и особенности работы активных систем сейсмозащиты 13
1.3. Состояние вопроса исследования систем с сейсмоизолирующими резинометаллическими опорами
1.3.1. Конструктивное воплощение и особенности расчета резинометаллических опор 35
1.3.2. Особенности расчета и проектирования зданий с сейсмоизолирующими резинометаллическими опорами 38
ГЛАВА 2. Разработка алгоритма и программы расчета сейсмической реакции зданий с сейсмоизолирующими резинометаллическими опорами 44
2.1. Блок-схема динамического расчета зданий с резинометаллическими опорами 44
2.2. Представление сейсмического воздействия в виде нестационарного случайного процесса
2.3. Разработка динамической и математической моделей зданий с сейсмозолирующими резинометаллическими опорами 60
2.3.1. Конструктивные системы и динамические характеристики исследуемых зданий 60
2.3.2. Динамические модели зданий 69
2.3.3. Диаграммы «Восстанавливающая сила - перемещение» для сейсмоизолирующих резинометаллических опор и их математическое описание 72
2.3.4. Расчетная и математическая модели здания с
сейсмоизолирующими резинометаллическими опорами 78
ГЛАВА 3. Оценка оптимальных параметров и области рационального применения систем сейсмоизоляции с резинометаллическими опорами . 80
3.1. Исследование влияния эффективной жесткости резинометаллических сейсмоизолирующих опор на значения горизонтальных сдвигающих сейсмических сил в сейсмоизолированных зданиях различных конструктивных схем и этажности 80
3.2. Исследование влияния жесткости резинометаллических фундаментных опор на перемещения зданий различных конструктивных схем и этажности 95
3.3. Оценка эффективности применения резинометаллических опор путем
сравнения перекосов этажей сеймоизолированных зданий и зданий без
сейсмоизоляции 99
3.4. Анализ максимальных перемещений резинометаллических опор при различных преобладающих периодах сейсмических колебаний грунтов 103
3.5. Анализ остаточных деформаций в резинометаллических опорах со свинцовым сердечником при различных преобладающих периодах сейсмических колебаний грунтов 111
3.6. Области рационального применения резинометаллических опор в зависимости от спектральных характеристик ожидаемых землетрясений 116
ГЛАВА 4. Повышение эффективности системы сейсмоизоляции с резинометаллическими опорами, путем комбинирования с элементами сухого трения и выключающимися связями 120
4.1. Динамическая и математическая модели зданий с комбинированной системой сейсмоизоляции, состоящей из сейсмоизолирующих резинометаллических опор и элементов сухого трения 120
4.2. Анализ влияния параметров комбинированной системы сейсмоизоляции на перемещения каркасных зданий различной этажности и сравнение их с перемещениями зданий без сейсмоизоляции 122
4.3. Анализ максимальных перемещений резинометаллических опор в сочетании с элементами сухого трения в каркасных зданиях различной этажности 129
4.4. Анализ остаточных деформаций в резинометаллических сейсмоизолирующих опорах со свинцовым сердечником при их комбинации с элементами сухого трения в каркасных зданиях различной этажности 135
4.5. Динамическая и математическая модели зданий с комбинированной системой сейсмоизоляции, состоящей из сейсмоизолирующих резинометаллических опор, элементов сухого трения и выключающихся связей 142
4.5.1. Оценка сейсмической реакции и эффективности систем сейсмоизоляции, состоящих из резинометаллических опор, элементов сухого трения и выключающихся связей 145
Заключение 151
Список литературы 153
- Состояние вопроса исследования систем с сейсмоизолирующими резинометаллическими опорами
- Представление сейсмического воздействия в виде нестационарного случайного процесса
- Исследование влияния жесткости резинометаллических фундаментных опор на перемещения зданий различных конструктивных схем и этажности
- Анализ влияния параметров комбинированной системы сейсмоизоляции на перемещения каркасных зданий различной этажности и сравнение их с перемещениями зданий без сейсмоизоляции
Состояние вопроса исследования систем с сейсмоизолирующими резинометаллическими опорами
Сейсмозащита зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом. По рекомендациям [79] использование в домах жесткой конструктивной схемы сейсмоизолирующего скользящего пояса допускается до 9 этажей включительно, а в кирпичных зданиях - до 5 этажей. Эти решения были получены в ЦНИИСК имени Кучеренко [72,73], где в качестве элементов сухого трения рассматривался фторопласт. Системы с элементами сухого трения разного типа рассмотрены в работах [20,63,65,68]. За пределами нашей страны в качестве элементов сухого трения широкое распространение получили неопрен и тефлон [101,110], в Армении – наирит [65]. Сейсмоизолирующий скользящий пояс выполняется в виде ряда опор, которые располагаются между фундаментом и надфундаментными конструкциями в местах пересечения поперечных и продольных стен. Опоры состоят из двух пластин - из нержавеющей стали и фторопласта [101]. На рис. 1.8 показана сейсмоизолирующая скользящая опора совмещенного типа. сейсмическими силами силы трения здание начинает проскальзывать относительно фундамента. С этого момента, действующие на здание инерционные нагрузки практически не изменяются как показано на рис.1.8. В системе предусмотрены упругие и жесткие ограничители горизонтальных перемещений. Фторопласт обладает следующими характеристиками: предел прочности на сжатие 12 МПа, плотность 2,12-2,28 г/см3, относительное удлинение при разрыве 250-500%, предел прочности на растяжение 14-25 МПа, модуль упругости при сжатии 700 Мпа [47]. Он водонепроницаем, работоспособен при температуре до 200 0С, не проводит тепло, химически стоек к действию кислот и щелочей, отлично обрабатывается, долговечен. Коэффициент трения по стали 0,04-0,08. Фторопласт в большом ассортименте выпускается промышленностью. На рис. 1.9 показан график зависимости «Восстанавливающая сила-перемещение» для систем сейсмоизоляции с сейсмоизолирующим скользящим поясом. Зависимость «Восстанавливающая сила - перемещение», для систем сейсмоизоляции с сейсмоизолирующим скользящим поясом, является билинейной и характеризуется значительными изменениями жесткости: с максимального на начальной стадии до минимального в момент времени, когда восстанавливающая сила превышает силу трения, возникающей между опорой и поверхностью скольжения [103].
График зависимости «Восстанавливающая сила-перемещение» для систем сейсмоизоляции с сейсмоизолирующим скользящим поясом Для строительства зданий рекомендуются опоры совмещенного типа, в которых размещаются упругие и жесткие ограничители перемещений.
Предназначение ограничителей горизонтальных перемещений - смягчение соударений опор и жестких упоров. Упругие ограничители выполнены из резины, на поперечные вертикальные грани которых наклеены стальные пластины. Такого типа опоры применяются в зданиях, количество этажей которых не превышает пяти. Построенные в городе Бишкек здания с сейсмоизолирующими поясами подтвердили свою работоспособность [76].
Система с аналогичными сейсмоизолирующими поясами была использована при строительстве атомных электростанций [94]. Применение данного типа опор способствует повышению надежности и снижению сметной стоимости строительства зданий на 4-7% [75]. Недостаток сейсмоизолирующего скользящего пояса – отсутствие сейсмозащиты от вертикальной составляющей сейсмического воздействия и низкая эффективность при длинопериодных сейсмических воздействиях.
Системы сейсмозащиты с гасителями колебаний. Гасители колебаний -это устройства, предназначенные для уменьшения вибраций защищаемой конструкции. Энергия колебаний защищаемой конструкции в процессе работы передается гасителю, который начинается колебаться с повышенной амплитудой. В конце XX века гасители колебаний начали применяться в строительстве для снижения колебаний сооружений, подверженных сейсмическим воздействиям [80].
Гасители колебаний делятся на два типа: активные и пассивные. Интенсивное развитие получили активные гасители колебаний [42,46]. Активный гаситель позволяет значительно снизить колебания, однако его конструкция сложна, дорога и ненадежна в эксплуатации.
Поэтому широкого применения в строительстве они не получают. Менее сложными в изготовлении являются гасители пассивного типа, автономные и безотказные в работе. По характеру взаимодействия гасителя с защищаемой конструкцией различают ударные и динамические гасители колебаний.
На рис. 1.10 показаны различные схемы ударных гасителей колебаний плавающего, маятникового и пружинного типа. Схемы ударных гасителей колебаний: а – плавающий тип; б – маятниковый тип; в – пружинный тип Для защиты зданий ударные гасители колебаний применялись давно. Результаты исследований ударных гасителей указаны в работах Ананьева И.В., Колбина Н.М. и Сысоева В.Л. [16,17,18,19,89,108], а примеры конструктивных решений в работах Дукарта А.В. и Глазырина В.С.[35,41,80]. Благодаря простоте устройства эти гасители получили широкое применение в высотных сооружениях.
Динамические гасители колебаний Динамический гаситель состоит из массы на пружине, с помощью которой он крепится к защищаемой конструкции. Динамический гаситель изобрели в начале XX века. Они эффективно подавляют установившиеся вынужденные колебания конструкций при сейсмическом воздействии.
Исследования, проведенные Пикулевым Н.А., Резниковым Л.М., Волоцким М.Я., привели к созданию гасителей и методов их расчета [53,66,80], что позволило их применять для промышленных и гражданских зданий и сооружений. Примеры конструктивных решений динамических гасителей колебаний указаны в работах Абрамова Б.М. [1], Алексеева А.М.[13,14], а исследование оптимальных параметров в работах Бартела [21], Бурденко А.Ф. [29], Генкина Б.И. [33], Глазырина В.С. [36], Коромышкина В.В. [48], Коренева Б.Г. [54]. На рис. 1.11 показаны различные схемы динамических гасителей колебаний плавающего, маятникового и пружинного типа.
Представление сейсмического воздействия в виде нестационарного случайного процесса
При проектировании сейсмоизолирующих резинометаллических опор, исходя из ответственности здания или сооружения, в котором они будут установлены, определяют несущую способность и деформативность при сейсмических воздействиях. Резинометаллические сейсмоизолирующие опоры проектируют таким образом, чтобы во время эксплуатации, подвергаясь одновременному действию вертикальной сжимающей силы и силам сейсмического воздействия, сохраняли эксплуатационную надежность. При конструировании резинометаллических сейсмоизолирующих опор важное значение имеют элементы, при помощи которых осуществляется их крепление к фундаментам и к надфундаментным конструкциям. Для этой цели предусматриваются стальные и фланцевые пластины, а также болтовые соединения [3]. В случае наличия в опорах свинцовых сердечников, в фланцевых пластинах предусматривают отверстия. Для защиты от атмосферных осадков опоры имеют снаружи резиновый защитный слой. Чаще всего опоры изготавливают круглой формы в плане. Размеры резинометаллических опор, учитываемые при проектировании, приведены на рисунке 1.25. После вычисления веса надфундаментной части здания, предварительно определив вид сейсмоизолирующих резинометаллических опор, их несущую способность и места установки, определяют их количество. Несущую способность и другие необходимые характеристики резинометаллических сейсмоизолирующих опор определяют, пользуясь справочными данными заводов-изготовителей. Одним из крупнейших в Европе изготовителем систем активной сейсмозащиты является итальянская фирма «FIP INDUSTRIAL», которая на протяжении почти 40 лет занимается созданием систем сейсмоизоляции и демпфирующих изделий. d
Данная фирма выпускает широкий ассортимент резинометаллических опор. Выпускаемые фирмой «FIP INDUSTRIAL» резинометаллические опоры имеют свое обозначение. Например, сейсмоизолирующие резинометаллические опоры со свинцовым сердечником обозначаются LRB, а резинометаллические опоры без свинцового сердечника -SI. Аббревиатура «LRB» расшифровывается как Lead rubber bearings, что в переводе означает резинометаллические опоры, а «SI» – Seismic isolators, что переводится как сейсмоизоляторы [101].
Продукция данной фирмы имеет свою маркировку. Резинометаллические опоры обозначаются буквами с последующим указанием одной или сочетания букв S (soft-мягкая), N (normal-нормальная) или H (hard-жесткая), что означает тип резины, и тремя (или двумя в случае опоры без сердечника) числами, первое из которых означает диаметр опоры, второе - общую толщину слоев резины, а третье – диаметр свинцового сердечника. Рассмотрим для примера маркировку двух опор разного вида и дадим расшифровку. LRB-SN 500/100-110 – резинометаллическая опора диаметром 500 мм, выполненная из полужесткой резины, с общей толщиной слоев резины 100 мм и диаметром свинцового сердечника 110 мм. SI-H 300/100 – резинометаллическая опора диаметром 300 мм, выполненная из жесткой резины, с общей толщиной слоев резины 100 мм. Для опор типов LRB-SN 500/100-110 и SI-H 300/100 [103] технические характеристики приведены в таблице 1.1.
Горизонтальная сила, соответствующая максимальному перемещению опоры, кН 287 12 Горизонтальная сила, соответствующая пределу упругости опоры, кН 109 13 Перемещение, соответствующее пределу упругости, см 0,8 14 Диаметр свинцового сердечника, см 11 Следующим шагом после определения несущей способности и количества резинометаллических опор идет определение их глобальных размеров: общей высоты, включая внешние стальные пластины (для опор марки SI-H 300/100, например, она составляет 23,8 см) и длины внешней стальной пластины (для опор марки LRB-SN 500/100-110, например, он составляет 55 см). Для крепления фланцевых пластин к стальным пластинам, соединяющие опоры к фундаментам и к над фундаментным конструкциям, не допускается использование шпоночных соединений. Исходя из общей высоты опор и дополнительных параметров, определяется расстояние между фундаментной и надфундаментной частями здания, минимальное значение которой не должно быть меньше 50 мм. После этого осуществляется расстановка опор.
Расчет системы сейсмоизоляции с резинометаллическими опорами осуществляется путем выполнения прямого динамического расчета.
Несмотря, казалось бы, на достаточно большое количество исследований систем сейсмоизоляции с резинометаллическими опорами, остаются еще много вопросов по разработке методики расчета, выбору рациональных параметров и определению области их рационального применения. На некоторые из них мы попытались ответить в данной работе.
Исследование влияния жесткости резинометаллических фундаментных опор на перемещения зданий различных конструктивных схем и этажности
Динамические расчеты зданий с резинометаллическими сейсмоизолирующими опорами, моделируемых в виде линейно-упругих систем с неупругими вставками типа свинцовых сердечников, осуществляется при помощи, разработанной нами программы «My model», реализованной на языке «Object Pascal» или «Delphi» (см. Приложение 1). Определение перемещений, скоростей, ускорений, перекосов этажей и инерционных сдвигающих сил осуществляется решением системы дифференциальных уравнений колебаний (2.59) численным методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности. Программа позволяет рассчитывать здания различной конструктивной системы и с большим количеством этажей. На печать выводится полная информация по сейсмической реакции здания, как в численном, так и в графическом виде. Для увеличения точности результатов проводимых расчетов, программа предусматривает возможность изменения шага интегрирования. В настоящей работе при помощи программы «My model» проведены исследования сейсмической реакции каркасных, стеновых и каркасно-стеновых 5-ти, 9-ти и 12-тиэтажных зданий. При этом рассматривались варианты зданий с резинометаллическими сейсмозолирующими опорами (РМСО с сердечником и без сердечника) и без сейсмоизоляции. В качестве основного критерия, характеризующего вид РМСО, была выбрана величина эффективной жесткости, равная отношению максимальной восстанавливающей силы к соответствующему ей перемещению. Эти соотношения, полученные в результате испытаний резинометаллических опор, располагаются в каталоге завода-изготовителя[103]. По этому критерию, с целью выявления наиболее оптимальной работы при разных параметрах сейсмического воздействия и жесткостей, резинометаллические опоры были подразделены на три вида: жесткие, полужесткие и гибкие. Сейсмические колебания грунтов задавались в виде искусственных акселерограмм с разными преобладающими периодами колебаний с максимальным ускорением угр = 400 см/с2, что соответствует 9-тибалльному сейсмическому воздействию.
Обращая внимание на то, что при выводе на печать полной информации по расчету она занимает много места и требует больше времени на ее обработку, программа «My model» предусматривает возможность вывода неполной информации: максимальных сил инерции и величин упругих реакций в моменты времени, при котором достигается максимальное перемещение верха резинометаллических опор. Имеется возможность выдачи на печать величины перемещения на последнем шаге интегрирования, что позволяет определить остаточные деформации резинометаллических сейсмоизолирующих опор со свинцовым сердечником. Коме того в программе предусмотрен блок, который позволяет получить в графическом виде спектры поэтажных суммарных максимальных горизонтальных сдвигающих сейсмических сил в момент времени соответствующий максимальному перемещению верха резинометаллических опор, максимума суммы сейсмических сил относительно нижнего этажа, максимальных перемещений масс, РМСО, перекосов этажей и остаточных деформаций для зданий с резинометаллическими опорами со свинцовым сердечником. На рисунке 3.1 приведены графики перемещений верхней массы во времени.
Графики зависимости перемещений верхней массы зданий от продолжительности сейсмического воздействия: а – для 5-тиэтажных каркасных зданий; б – для 9-тиэтажных стеновых зданий; в - для 12-тиэтажных каркасно-стеновых зданий Из графиков видно, что по сравнению со зданием без сейсмоизоляции в зданиях с резинометаллическими опорами наблюдается значительное снижение перемещений. В каркасных зданиях перемещения снижаются в 45 раз, в стеновых – 56,6 раз, а в каркасно-стеновых – 40,2 раза.
Графики распределения поэтажных сил инерции: а - каркасное здание; б - стеновое здание; в - каркасно-стеновое здание Они показывают, что суммы сил инерции в зданиях с системой сейсмоизоляции на порядок меньше чем в этих же зданиях без сейсмоизоляции.
Графики максимальных поперечных поэтажных сдвигающих сейсмических сил показаны на рисунке 3.4. а) Графики зависимости поэтажных сил инерции от для 5-тиэтажных каркасных зданий: а – с РМСО со свинцовым сердечником; б – без сейсмоизоляции; в - с РМСО без свинцового сердечника Кривые показывают, что в каркасных зданиях с жесткими опорами со свинцовым сердечником возникающие максимальные сдвигающие сейсмические силы минимальны и не превышают 1200 кН при низкочастотных землетрясениях, что меньше аналогичных значений в здании без сейсмоизоляции почти 25 раз. Что касается зданий с гибкими опорами, то возникающие в них сейсмические силы незначительно превышают силы, возникающие в зданиях с жесткими опорами со свинцовым сердечником и достигают своего максимума при достижении преобладающим периодом колебаний 0,8 с. Использование полужестких опор со свинцовым сердечником приводит к возрастанию сейсмических сил при высокочастотных сейсмических воздействиях. При низкочастотных землетрясениях сейсмические силы незначительно превосходя силы, возникающие в зданиях с гибкими опорами, остаются меньше чем в зданиях с жесткими опорами. В каркасных зданиях, где используются резинометаллические опоры без свинцового сердечника, возникают сейсмические силы, превосходящие аналогичные силы в зданиях с опорами со свинцовым сердечником в пределах от 1,2 до 4 раз. а)
Анализ влияния параметров комбинированной системы сейсмоизоляции на перемещения каркасных зданий различной этажности и сравнение их с перемещениями зданий без сейсмоизоляции
Проведены исследования влияния элементов сухого трения на остаточные перемещения в РМСО со свинцовым сердечником. Графики остаточных перемещений РМСО в комбинированной системе сейсмоизоляции в 5-тиэтажных каркасных зданиях показаны на рисунке 4.11. а) Применение резинометаллических опор со свинцовым сердечником в сочетании с элементами сухого трения в каркасных зданиях приводят к снижению величины остаточных перемещений в самих опорах. Судя по графикам величина остаточных перемещений опор в 5-тиэтажных каркасных здания снижается в 1,2-1,3 раза. Минимальные остаточные перемещения наблюдаются в гибких опорах при сочетании их с коэффициентом сухого трения 0,2.
Графики остаточных перемещений РМСО в комбинированной системе сейсмоизоляции в 9-тиэтажных зданиях показаны на рисунке 4.12.
В 9-тиэтажных каркасных зданиях без ядер жесткости наблюдается почти четырехкратное снижение величины остаточных перемещений опор, а в зданиях с ядрами жесткости – пятикратное. Исходя из минимума остаточных перемещений наиболее оптимальными выступают жесткие опоры в сочетании с коэффициентом трения 0,4. Полужесткие опоры занимают промежуточную позицию между жесткими и гибкими опорами в комбинации с элементами сухого трения.
Графики остаточных деформаций РМСО в комбинированной системе сейсмоизоляции в 9-тиэтажных зданиях показаны на рисунке 4.13.
В 12-тиэтажных каркасных зданиях с комбинированной системой сейсмоизоляции по сравнению со зданиями только с резинометаллическими опорами наблюдается снижение величины остаточных перемещений в 8 раз, а в 12-тиэтажных каркасных зданиях с ядрами жесткости – в 10 раз. Минимальные остаточные перемещения наблюдаются в полужестких опорах в сочетании с коэффициентом трения 0,4.
Значения максимальных остаточных перемещений РМСО в комбинированной системе в диапазоне преобладающих периодов сейсмических воздействий от
В комбинированных системах наблюдается уменьшение значений остаточных деформаций РМСО со свинцовым сердечником в пределах 4-10 раз. В таблицах 4.4 и 4.5 приведены области рационального применения РМСО со свинцовым сердечником и без свинцового сердечника в сочетании с элементами сухого трения в диапазоне преобладающих периодов сейсмического воздействия от 0,1 с до 1,0 с.
Области рационального применения РМСО со свинцовым сердечником в сочетании с элементами сухого трения в зависимости от преобладающего периода сейсмических воздействий
Обозначает тип РМСО, в котором возникают максимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя » - Обозначает тип РМСО, в котором возникают минимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя » - Обозначает тип РМСО, в котором возникают средние значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя« - » - Обозначает недопустимость использования РМСО - Обозначает коэф. трения, при котором возникают максимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя - Обозначает коэф. трения, при котором возникают средние значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя - Обозначает коэф. трения, при котором возникают минимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя
Обозначает тип РМСО, в котором возникают максимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя » - Обозначает тип РМСО, в котором возникают минимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя» - Обозначает тип РМСО, в котором возникают средние значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя - Обозначает коэф. трения, при котором возникают максимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя - Обозначает коэф. трения, при котором возникают средние значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя - Обозначает коэф. трения, при котором возникают минимальные значения перемещений РМСО по сравнению с остальными двумя
Динамическая и математическая модели зданий с комбинированной системой сейсмоизоляции, состоящей из сейсмоизолирующих резинометаллических опор, элементов сухого трения и выключающихся связей С целью снижения перемещений жестких резинометаллических опор в каркасных зданиях, которые, несмотря на введение элементов сухого трения, все-таки превысили предельно допустимые значения было принято решение рассмотреть комбинированную систему сейсмоизоляции, состоящую из резинометаллических опор, элементов сухого трения и выключающихся связей.