автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Экспериментальные исследования, расчетно-теоретический анализ и внедрение в строительстве сейсмоизолирующих конструктивных систем КФ

Р Г Б ОД

1 * ДП? ВЕС

на правах рукописи

ЧЕРЕПИНСКИЙ ЮРИЙ ДАВЫДОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ВНЕДРЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИХ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ КФ

05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1998

г

Работа выполнена в Казахском научно- исследовательском и проектно-эксперимеитальиом институте сейсмостойкого строительства и архитектуры

(КазНИИССА)

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

Айзенберг Я.М.;

- доктор технических наук, профессор Белаш Т. А.

- доктор технических наук, профессор Устинов В.П.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - НИИ оснований и подземных

сооружений

им. Н.М. Герсеванова (НИИОСП)

Защита состоится О £Г_1998 г . в_часов на заседании

диссертационного совета Д.064.04.01 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете по адресу; 630008, Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, ауд.306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАСУ. Автореферат разослан ' £ б1. О 3 " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.064.04.01,

кандидат технических наук, доцент к А.А.Кользеев

Ьт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Общая характеристика работы

Землетрясение - одно из самых грозных явлений природы, с которым связаны значительные разрушения и массовая гибель людей.

Около 15 тыс.жителей г.Агадир (Марокко) погибло в результате сейсмического толчка относительно небольшой интенсивности (магнитуда М=5,8). В г.Кизвана (Иран) землетрясение 1962 г. унесла более 11 тыс.жизней. По историческим данным, землетрясение в Шанси (Китай) 1556 г. привело к гибели более 800 тыс.человек. На этом же месте в 1920 г. погибло около 100 тыс.человек - столько же, сколько при сильном землетрясении 1923 г. в Токио. Катастрофический толчок в Таншане (КНР) 1976 г. в считанные секунды полностью разрушил город и похоронил под развалинами около четверти миллиона человек. Число погибших в Сан-Франциско (1906 г.) относительно невелико - около 700 человек, однако материальный ущерб составил более 480 млн.долларов, чему способствовали огромные пожары, возникшие в результате массовых разрушений зданий.

Землетрясения такой силы происходят не часто, но и менее сильные, случающиеся с периодичностью в десятки лет, вызывают большие разрушения и человеческие жертвы.. На V всемирной конференции по сейсмостойкому строительству в Риме, 1973г, приводились сведения о погибших в Иране от землетрясений средней силы: они составляли около 40 тыс. человек за предыдущие 12 лет.

Безопасность населения в современных зданиях, построенных с соблюдением норм и при надлежащем качестве строительства, выше, чем в старых постройках. Тем не менее, ежегодно в мире жертвами землетрясений становятся более 10 тыс.человек. Материальный ущерб от землетрясений во всем мире в среднегодовом исчислении превышает 400 млн.долларов и не имеет

тенденции к снижению. Наоборот, концентрация промышленности и населения в городах способствует увеличению потенциального ущерба, несмотря на рост затрат на антисейсмические мероприятия.

Сейсмически опасные районы составляют довольно значительную часть земного шара с населением в десятки миллионов человек.

В СНГ почти 20% территории подвержены землетрясениям с расчетной интенсивностью 7-9 баллов. Сюда относятся республики Средней Азии, Молдавия, южные районы Казахстана, Крым, Кавказ, обширные площади Сибири, Дальнего Востока, Камчатка, Сахалин, Курильские острова и т.д. Повышение сейсмостойкости зданий и сооружений приводит к их удорожанию в 7-балльной зоне на 4 - 5%, в 8-баллыюй на 7-8%, в 9-балльной - до 15%, что связано с повышенным расходом строительных материалов. Вместе с тем сложность процессов взаимодействия зданий с основаниием при землетрясении, неопределенность сейсмологической информации, отсутствие единой модели воздействия не позволяют обеспечить надежную сейсмозащиту сооружений, используя только традиционные меры усиления.

Разрушительные землетрясения последних лет (Лос-Анджелес, 1989, Кобе, 1995 и др) свидетельствуют о пробелах в теоретических подходах к проблеме, вследствие чего возникли разноречивые мнения относительно сейсмостойкости зданий вообще и методик ее оценок в частности.

По заявлению некоторых американских специалистов массивные каменные или железобетонные конструкции не в состоянии противостоять силам подземной стихии. Сложилось мнение, что повышение прочности связано, как правило, с увеличением размеров и, соответственно, массы конструкций, которое приводит к возрастанию сейсмических нагрузок. Этим объясняется обрушение многих зданий в Кобе, несмотря на высокое качество их исполнения, отличающее японских строителей.

В связи с этим в последнее время вновь отмечается повышенное внимание к так называемым сейсмоизолируюшим конструкциям, снижающим сейсмическую реакцию сооружения за счет изменения в процессе колебаний его динамических параметров.

К одним из первых решений такого рода, получивших распространение в сейсмостоГжом строительстве 30-х годов, относятся конструктивные системы с использованием гибких стоек в нижних уровнях зданий - так называемые "гибкие" этажи.

Их положительное влияние на снижение сейсмических нагрузок было отмечено после обследований последствий ряда землетрясений в Новой Зеландии, Италии, Японии и др.

По мере накопления информации о характере сейсмических движений эффект "гибкого" этажа был поставлен под сомнение. Стойки "гибкого" этажа при деформациях попадают в сложное напряженное состояние и сами становятся причиной пониженной сейсмостойкости здания. Сильные повреждения здания с первым "гибким" этажом получили при землетрясенииях в Лонг-Биче, 1933г, в Агадире, 1960г, в Скопле 1963г и др. В настоящее время системы с использованием гибких стоек признаны неперспективными.

Предложенная Н.Грином катковая опора в этом смысле представлялась более надежной по прочности и, по-видимому, послужила толчком к поиску аналогичных решений из индустриальных подвижных элементов.

В настоящее время имеется довольно много предложений специальных сейсмоизолирующих устройств, из которых воплощенных в реальные конструкции не более 7-10. Как правило, на стадии реализации эти предложения претерпевают значительные изменения, связанные с отработкой прочности и изменением динамических свойств отдельных элементов, что делает эти предложения нецелесообразными технически и невыгодными экономически.

Автором не ставилась задача выявить достоинства и недостатки тех или иных технических решений и тем более их систематизации в библиографической последовательности. Частично такая работа им выполнялась в объеме кандидатской диссертации, 1973г.

Настоящая работа явилась результатом многолетних экспериментально-теоретических исследований так называемых кинематических фундаментов -КФ, получивших распространение в сейсмических районах СНГ: Камчатке, районах БАМа, Иркутской области, Казахстане, Узбекистане, Бурятии и т.д.

Актуальность проблемы вызвана потребностью в повышении сейсмостойкости зданий - основной гарантии для жизни людей, проживающих в сейсмически опасных регионах земного шара. Для них проблема сейсмостойкости была и остается злободневной всегда. Поэтому новое направление, рожденное на основе инженерной интуиции, нуждается в детальном изучении, требующем системного подхода и научно-обоснованных выводов.

Цель работы.

С самого начала перед автором, оказавшимся у истоков нового направления в сейсмостойкости, стояла цель практической реализации предлагаемого им решения сейсмозащиты (сейсмоизоляции) зданий, связанная с научным обоснованием, конструктивной отработкой и внедрением в сейсмостойком строительстве.

В соответствии с целью автору пришлось изучать не только существующие в 60-х годах теоретические и экспериментальные методы исследований, но и в значительной мере переосмыслить их и скорректировать применительно к поставленным задачам. Отправным моментом исследований явились работы выдающихся ученых, заложивших фундамент науки о сейсмостойкости, как таковой, позволившей объяснять и прогнозировать характер разрушений большинства сооружений во время землетрясений. Среди них, в первую

очередь, следует отметить отечественных ученых В.А. Быховского, И.И.Гольденблата, К.С.Завриева, И.Л.Корчинского, C.B. Медведева, А.Г.Назарова, Ш.Г.Напетваридзе, С.В.Полякова, В.Т.Рассказовского, А.П.Сипицына, М.Т.Уразбаева, Я.М.Айзенберга, К.С.Абдурашидова, М.Ф.Барштейна, В.Г. Дарбиняна, Т.Ж.Жунусова, В.К.Кабулова, Б.К.Карапетяна, Г.Н.Карцивадзе, Л.С.Килимника, А.И.Мартемьянова, Н.А.Николаенко, Т.Р.Рашидова, В.А.Рже-вского, О.А.Савинова, Э.Е.Хачияна, Г.А.Шапиро, И.Ф.Ципенюк и др. Среди зарубежных специалистов необходимо отметить работы М.Био, Дж. Блюма, Дж.Борджерса, А.Велетсоса, Л.Джекобсона, Э.Розенблюта, Дж. Хауз-нера.

Вопросами динамики сейсмоизолиругощих и энергопоглощающих конструкций углубленно занимались Я.М.Айзенберг, А.Д.Абакаров, А.М.Уздин, Л.Ш.Килимник, А.Т. Аубакиров, Т.А.Белаш, Т.А.Абаканов, М.М.Деглина, Э.Ф.Пак, В.А.Лапин, Г.М.Остриков, В.Г.Яременко, С.К.Уранова и др.

Развитие теории сейсмостойкого строительства опиралось на фундаментальные исследования в области строительной механики и динамики сооружений А.Н.Крылова, С.П.Тимошенко, И.М.Рабиновича,

A.Ф.Смирнова, В.В.Болотина, А.А.Гвоздева, И.И.Гольденблата, Б.Г.Коренева, О.В .Лужина, Л.Г.Пановко, А.Р.Ржаницына, Н.К.Снитко, Е.С.Сорокнна, Н.С.Стрелецкого, А.П.Филиппова, в области общей и инженерной сейсмологии на работы Е.Ф.Саваренского, Е.М.Бутовской,

B.М.Буна, А.В.Каца, С.В.Медведева, Ю.В.Резниченко, В.В.Шебалина, Ф.Ф.Аптикаева.

По мере накопления экспериментально-теоретических результатов исследований сейсмоизолирующих конструктивных систем возникла необходимость в разработке основных принципиальных положений по сейсмоизоляции, позволяющих оценивать эффективность независимо от

конструктивного исполнения. В этом случае авторское предложение стало

предметом апробации основных положений.

Для достижения поставленных целей проведены:

• испытания натурных зданий (более 20) и моделей с использованием современных испытательных средств и измерительной аппаратуры;

• теоретический анализ динамической и сейсмической реакции объектов испытаний с учетом существующих представлений о работе конструкций и природе сейсмических нагрузок;

• проектирование и строительство более 100 зданий на КФ, различных по конструктивному исполнению и этажности;

• анализ поведения зданий на КФ в условиях землетрясений (до 7 баллов), учитывающий ошибки, допускаемые при проектировании;

• систематизация материалов, позволившая разработать общие принципы и рекомендации по оценке эффективности сейсмоизолирующих систем независимо от конструктивного исполнения и сейсмостойкости сейсмоизолируемых зданий.

В становлении автора как научного работника следует отметить

большую роль научно - исследовательских институтов, ставших для

автора школой образования и местом научно-технической деятельности.

Наиболее крупные из них:

• ЦНИИСК им.Кучеренко, в котором под руководством проф. Н.А.Ни-колаенко защищалась диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук;

• КазНИИССА, где под руководством директора акад. Т.Ж.Жунусова выполнялись все научно-исследовательские работы по проблеме сейсмоизоляции в объеме общесоюзных и республиканских программ;

• проектные институты многих городов России и Казахстана: Казгорстрой-проект, Казгипрогор, Камчатскгражданпроекг, Камчатрыбпром, Сахалин-

гражданпроект, Иркутскгражданпроект и другие, где отрабатывались конструктивные решения сейсмозащиты с использованием КФ.

С признательностью автор воспринимал в процессе исследований замечания известных специалистов в области сейсмостойкости проф. С.В.Полякова, проф. Т.Ж.Жунусова, проф. Я.М.Айзенберга, д.т.н. Л.Ш.Килимника, предостерегавших автора от самоуверенности и возможных ошибок, характерных для многих исследователей.

Ряд основных положений работы обсуждался с сотрудниками КазНИИССА к.т.н. Э.Ф.Паком и к.т.н. В.А.Лапиным, с которыми автор сотрудничал на протяжении многих лет, и оказавшими влияние на формирование его взглядов по некоторым теоретическим вопросам сейсмостойкости инженерных сооружений.

Нельзя не отметить деятельное и творческое участие специалистов в области проектирования и строительства таких как В.Н.Дроздюк, .Н.Усачев, ЛАЛатышев, П.С.Медников, В.Н.Мальцев, М.И.Кабаков, к.т.н. В.Я.Маркус, Ж.Сыздыков и др., чьи усилия были решающими при возведении зданий с использованием КФ.

Научная новизна:

• для сейсмоизолируюшей конструктивной системы КФ в составе зданий экспериментально получены диаграммы перемещений, представленные упруго-нелинейной зависимостью;

• исследованы физические свойства КФ и 1гх влияние на динамические параметры зданий;

• предложены расчетные модели сейсмоизолированных зданий на основе результатов статических и динамических испытаний;

• разработана методика проведения динамических испытаний и анализа динамического состояния экспериментального объекта с использованием измерительно-вычислительного комплекса "Сейсмика";

• на базе персонального компьютера РС/АТ разработан измерительно -вычислительный комплекс "Сейсмика" с программным обеспечением обработки результатов испытаний;

• результаты модельных и натурных испытаний зданий, позволившие сделать вывод о повышенных диссипативных свойствах сейсмоизолиро-ванных зданий в сравнении с традиционными;

• разработана вероятностная методика оценки сейсмостойкости сейсмоизо-лируемых зданий с использованием различных моделей сейсмического воздействия;

• на основе результатов натурных испытаний и оценки сейсмостойкости крупнопанельных, каркасно-кирпичных, мелко- и крупноблочных домов различной этажности (1-9 эт) получен высокий эффект сейсмоизоляции -снижение сейсмической нагрузки не менее чем в 2 раза в многоэтажных домах и не менее чем в 3 раза - в малоэтажных ( до 3-х этажей включительно);

• разработаны проектные решения сейсмозащиты зданий различной этажности с использованием сейсмоизолирующей конструктивной системы КФ для строительства на площадках с различной сейсмической интенсивностью, в том числе свыше 9 баллов;

• результаты обследования жилых домов на КФ, подвергавшихся воздействиям землетрясений, и анализ их сейсмостойкости;

• предложены основные принципы сейсмоизоляции и практические методы оценки ее эффективности и сейсмостойкости сейсмоизолированиых зданий.

Автор защищает:

• эффективность сейсмозащиты зданий и сооружений с использованием сейсмоизолирующих конструктивных систем КФ;

• методы и результаты экспериментально-теоретических оценок эффективности сейсмоизолируюшей системы КФ и сейсмостойкости экспериментальных зданий; •

• конструктивные решения сейсмозащиты зданий с использованием КФ.

Практическое значение работы.

Проведенные исследования направлены на повышение сейсмостойкости зданий в условиях сильных землетрясений, а также их надежности, обусловленной различной мерой повреждаемости.

В целом, результаты работы предназначены для практического использования в проектировании и строительстве.

Самостоятельное значение приобретают методы исследований количественных и качественных оценок динамического состояния экспериментальных объектов, необходимые для сравнения различных сейсмоизолнру-ющих конструктивных систем.

Внедрение результатов работы.

Основные результаты исследований использованы при разработке:

• рекомендаций по проектированию многоэтажных зданий на КФ;

• рекомендаций по проектированию малоэтажных зданий на КФ для сельской местности;

• рекомендаций по оценке эффективности сейсмоизолирующих конструктивных систем и сейсмостойкости сейсмоизолируемых зданий;

• пособий по проектированию зданий с использованием кинематических фундаментов конструкции КазНИИССА;

• а также при написании монографии: "Основы и приложение сейсмоизоляции в строительстве" (подготовлена к печати).

Результаты исследований использованы при расчете, разработке конструктивных решений и проектировании зданий различной этажности на КФ:

• крупнопанельного пятиэтажного дома серии 69 в г.Алматы;

• крупнопанельного 4-х этажного дома серии 1-464 УМ в г.Навои;

• крупнопанельного 9-и этажного дома серии 158 в г.Алматы;

• кирпичного 5-и этажного дома в г.Ташкенте;

• одноэтажных крупноблочных домов серии 47 и крупнопанельных серии 226 в г.Чимкенте;

• этажных крупнопанельных домов серии 226 в г.Алматы;

• саманных и кирпичных домов для сельской местности в Алматинской области;

• крупнопанельных 5-и и 9-и этажных домов серии 138 в г.Петропавловске-Камчатском;

• крупноблочных 5-и этажных домов серии 1-3060 в г.Петропавловске-Камчатском;

• крупноблочных 3-х и 5-и этажных домов серии 114-52-167 в г.Южно-Курильске и Южно-Сахалинске;

• крупнопанельных 5-и этажных домов серии 1-335 УМ и 97 в гг.Усолье-Сибирском, Иркутске;

• каркасно-кирпичных 9-и этажных домов в г.Иркугске;

• крупно-панельных 9-и этажных домов серии П-44 в г.Тынде;

• каркасно-кирпичных 9-и этажных домов в г.Тынде;

• крупнопанельных 5-и этажных домов серии 122 У в п.Токсимо;

• крупнопанельных 4-х этажных домов серии 97 в г.Северо-Байкальске;

• каркасно-кирпичных 4-х этажных домов серии ВП в г.Алматы;

• каркасно-кирпичных 5-и этажных домов сеии 70 в г.Алматы;

• каркасно-кирпичных 7-и этажных домов серии ВТ в г.Алматы;

• каменно-мошлитных 7-и этажных домов в г.Алматы и др.

Дома указанных серий возведены и находятся под техническим наблюдением КазНИИССА (г.Алматы), НТЦ "Сейсмо" (г.Иркутск), Иркугск-гражданпроект, Камчатскгражданпроект, Сахалингражданпроект и др.

Апробация работы. Отдельные разделы работы доложены: на всесоюзных совещаниях по сейсмостойкому строительству, Фрунзе, 1971; Кишинев, 1976, Алматы, 1982; на конференциях по сейсмоизоляции в г.Иркутск, 1990, Петропавловск-Камчатский, 1989; Севастополь, 1989; на 9-ой Европейской конференции по сейсмостойкому строительству, г.Москва, 1990; на международной конференции по основаниям и фундамешам г.Ташкент, 1995; координационных совещаниях в ЦНИИСК им. Кучеренко, 1988, Улан-Уде, 1991; международный симпозиум "Сейсмический риск на урбанизированных территориях централыюазиатских республик, Алматы, 22-25 окт. 1996; научно-практическая конференция по сейсмозащите, г. Новокузнец, 1997.

Публикации. Автором опубликовано свыше 40 научных работ, 3 авторских свидетельства и 2 патигга. Настоящая диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, изложена на 301 странице, включает 30 таблиц, 62 рисунка.

и

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено народнохозяйственное значение проблемы, цель и направленность работы с кратким описанием решаемых задач.

Использование сейсмоизолирующих конструкций позволяет уменьшать объем антисейсмических мероприятий, повышать этажность зданий, снижать требования к их конфигурации (возможна асимметрия надфундаментной части), использовать технические решения зданий и сооружений, рассчитываемых на меньшую сейсмическую нагрузку, а также уменьшать ущерб от землетрясений в сейсмостойких зданиях.

Такой вывод становится возможным на основании многолетних экспериментально-теоретических исследований и конструкторских проработок.

Теоретические модели динамики физических тел, рассмотренные на уровне кандидатской диссертации, во многих случаях оказались неработоспособными при анализе динамического состояния экспериментальных объектов. Поэтому процесс отработки методов исследований оказался длительным и, в какой-то степени, претерпевал изменения от эксперимента к эксперименту, что привело к разработке определенной методологии их проведения.

Точно также претерпевали изменения конструктивные решения с использованием сейсмоизолирующих фундаментов КФ, работоспособность которых проверялась не только экспериментально, но и в условиях реальных землетрясений.

Отдавая себе отчет в противоречивости существующих представлений о расчетных моделях реальных зданий и сейсмических воздействиях, автор все же счел необходимым изложить в главе 1 свои представления как основополагающие, единые для любых конструктивных систем. В этой

главе излагаются основы сейсмоизоляцин, учитывающие соображения практической ориентации.

В ней сформулированы исходные предпосылки и общие принципы оценки эффективности сейсмоизоляцин и сейсмостойкости сейсмоизолируе-мых зданий, которые явились определяющими при исследовании КФ. Случайный характер сейсмических явлений и нелинейности деформаций по мере накапливания повреждений в сооружении учитывались методами, доступными для существующих технологий эксперимента и увязанными с достижениями в области сейсмологии.

По-видимому, без таких основ эффективность конструктивных предложений будет оцениваться недостаточно объективно, что затрудняет сопоставление их с другими предложениями по сейсмоизоляцин.

Анализируя работу сооружения в целом, автор склоняется в пользу упрощенных расчетных схем, с помощью которых моделирование динамического состояния здания становится возможным за счет интегральных характеристик, принятых по результатам эксперимента.

Такими интегральными характеристиками являются: поэтажные диаграммы деформирования, условный декремент, частота и формы резонансных колебаний.

Расчетная динамическая модель сейсмоизолированного здания принципиально не отличается от расчетной модели традиционного здания. Ее отличительной особенностью является лишь форма диаграммы перемещений, отображающая упруго - нелинейную зависимость, а также пониженная жесткость в сравнении с жесткостью уровней вышерасположенных этажей.

Диаграмма перемещений в сейсмоизолирующем уровне оказывает основное влияние на динамическое состояние здания, что позволяет во многих случаях многоэтажные здания с жестким конструктивным решением представить одномассовой расчетной моделью. В общем случае расчетные

модели многоэтажных зданий классифицируется как нелинейные: упругие в сейсмоизолирующем уровне и пластические в уровне вышележащих этажей.

Для оценки сейсмостойкости сейсмоизолированных объектов и их аналогов в традиционном исполнении расчетные модели воздействий приняты в виде, максимально приближенном к прогнозируемым сейсмическим воздействиям.

Спектрально-временное представление сейсмического воздействия подразумевает применение реальных (при соответствующем наборе), синтетических или искусственных акселерограмм, моделируемых нестационарным случайным процессом. Корреляционная связь между параметрами сейсмического воздействия позволяет выполнить расчеты для землетрясений различной балльности и делает возможным учитывать региональные особенности землетрясений.

По результатам расчета определяются параметры реакции динамической модели здания и величины надежности IV. Для зданий предельным состоянием является максимальный перекос уровней Л (в том числе сейсмоизолирующего):

Д>[Д], , тогда Ш-/>{|д|<[Д]г),

где [Д]г - допустимый перекос.

Величина надежности IV является интегральной количественной мерой сейсмостойкости здания. Она удобна тем, что величина допустимого перекоса - "отказ" - позволяет учитывать допустимую меру повреждений конструкций - от самых легких до обрушений. Поэтому "отказ" назначается при проектировании, исходя из принятого конструктивного решения, ответственности здания, его расчетной долговечности и даже по соображениям, диктуемым здравым смыслом.

Глава 2 посвящена экспериментальным исследованиям сейсмоизоли-рующих свойств КФ и кх влиянию на динамическую реакцию сооружения.

Анализируя наиболее типичные сейсмоизолирующие устройства и отдавая предпочтение КФ, автор исходил из соображений максимальной технологичности конструктивного воплощения.

Схематично КФ изображен на рис.1 частью шара, шарнирно связанной с вышерасположенными конструкциями и свободно опирающейся сферической поверхностью на твердое основание. Соотношение радиуса кривизны К и высоты Н при Я > Н обеспечивает устойчивое равновесие здания по всем направлениям в горизонтальной плоскости.

Боковые поверхности КФ могут иметь различную конфигурацию, симметричную относительно вертикальной оси, (рис.2), что делает возможным использование КФ в зданиях с различными конструктивными решениями. Шарнирное соединение выполняется в виде плоской шайбы, насаженной на связующий анкер. Для изготовления КФ используется традиционный строительный материал - железобетон.

Привлекательность конструкции может оказаться необоснованной без надлежащей экспериментальной проверки ее работоспособности в условиях больших нагрузок, достигаемых с помощью испытательных средств.

Ограниченные технические возможности испытательных средств чаще всего не позволяют получить достаточно полные характеристики конструкций, особенно при испытании натурных объектов. Физические процессы в динамических задачах из-за их сложности, как правило, не вмещаются в рамки точных математических аналогий. Поэтому расчетное напряженно-деформируемое состояние объекта испытаний, полученное экстраполяцией состояний, достигаемых в эксперименте, имеет вероятностный разброс. В этих случаях, для повышения надежности результата, автору приходилось обращаться к модельным испытаниям.

В объеме исследований использовался практически весь арсенал средств, включая силовые оттяжки, гидродомкраты, взрывные устройства, вибра-

Рис. 1. Кинематическая опора КФ.

1)

Рис.2. Различные решения КФ. а - стойка; б - тумба; I - шайба-шарнир; 2 - связующий анкер.

торы, виброплатформы и др., характеристика которых с позиции их результативности приводится в отдельном разделе.

Вопросы формирования расчетных моделей, рассмотренные в главе 1, получили в главе 2 развитие в методах экспериментальных исследований по выявлению динамического эффекта КФ.

Для получения силовой характеристики - диаграммы перемещений сейс-моизолирующего уровня была изготовлена силовая установка, позволяющая сбрасывать нагрузку при достижении заданного смещения КФ и тем самым приводить объект в состояние свободных колебаний.

При испытании первого натурного дома серии 1-464 УМ в г.Навои проявились два свойства КФ:

• упруго-нелинейный характер диаграммы перемещений;

• повышенная диссипативная способность, отмеченная по декременту свободных колебаний.

Оба свойства нуждались в дополнительном и более обоснованном подтверждении, что в дальнейшем стало предметом проверки почти на всех экспериментальных объектах. В данной главе, помимо испытаний крупнопанельного дома в г.Южно-Сахалинске, приводятся результаты модельных испытаний.

Нелинейность диаграммы перемещений, являясь следствием обмятий узлов КФ, зависит от величины вертикальной нагрузки, твердости материала и геометрических параметров КФ.

Отмеченные факторы, по-видимому, влияют на диссипативную способность здания, представленную интегральным декрементом в зависимости от амплитуды. В среднем, диссипация сейсмоизолированного здания в сравнении со зданием в традиционном исполнении оказывается в 3 - 6 раз выше и проявляется, в основном, за счет больших перемещений в сейс-моизолирующем уровне.

В общепринятом математическом отображении колебаний многомассовой модели возникают затруднения в количественном выражении коэффициентов вязкого трения (по гипотезе Фойгта), принимаемых в каждом из уравнений движения масс. При неверном выборе коэффициентов нарушаются либо формы, либо декремент колебаний, достигаемый в эксперименте. Поэтому наиболее приемлемым является метод перебора коэффициентов в численном интегрировании уравнений.

Отдельный раздел главы посвящается методике виброиспытаний с использованием вибраторов повышенной мощности.

Приведем уравнения движения п - массовой расчетной модели, в которых воздействие вибратора представлено правой частью одного из уравнений:

т.х, +Д,(х,)-R¡(x, -х,) = 0;

mkxt +яА -г».,)" Ям(хм -*,) = °

тЛ+РА. + ~ = ~МгАш2 sin cot,

где:Л4(х, -xt_,) - восстанавливающая сила (диаграмма деформирования в уровне к) fit - коэффициент вязкого трения mk - величины сосредоточенных масс Aít,A,a - масса, амплитуда и частота вращения дебалансов вибратора.

Из уравнений следует очевидный вывод о том, что при большой массе дебалансов Мг месторасположение вибратора оказывает влияние на формы резонансных колебаний, которые могут отличаться от резонансных форм при сейсмическом воздействии. С другой стороны, вибраторы являются наиболее

доступным и часто используемым средством интенсивных динамических нагружений.

Изменяющаяся частота вибраций, взаимное влияние двигателя и объекта испытаний, а также нелинейный характер деформирования конструкций исключают, в строгом смысле, стационарные режимы колебаний. В этих условиях всякая методика проведения испытаний и интерпретация результатов в той или иной мере является компромиссной.

Как правило, виброграммы датчиков даже в резонансе отражают колебания с учетом наложения волновых процессов, трений или соударений конструктивных элементов, погрешностей измерительной аппаратуры и т.д., что случайным образом искажает частоту и форму резонансного состояния при испытании.

Специально созданный на базе ПЭВМ измерительно-вычислительный комплекс "Сейсмика" позволил сигналы датчиков во времени преобразовывать в цифровую информацию и анализировать ее с энергетических позиций спектрального метода.

Рассматривая виброграммы в пределах ограниченной длины как реализацию стационарного случайного процесса и допуская осреднение его характеристик по времени (эргодичность), анализ динамического состояния может выполняться с использованием статистических характеристик и терминов.

Средний квадрат случайной величины хг(1), пропорциональный средней мощности случайного процесса, выражается через спектральную плотность энергии

х2(1) = {ф^ифЛ*. о

Практическое определение Фв(н-) в ИВК "Сейсмика" сводится к определению корреляционной функции и выполнению преобразования Фурье.

Ожидаемая концентрация энергии на резонансной частоте наглядно проявляется на спектрограммах всех датчиков в виде пиковых значений. Пиковые значения, отмеченные лишь на одной спектрограмме, отражают локальные проявления энергии отдельных конструкций или погрешность измерений. Учет таких проявлений иногда диктуется задачами исследований, но они не увязываются с сейсмостойкостью объекта в целом.

Для получения резонансных форм колебаний многоэтажного здания датчики располагаются на уровне этажей. Фильтрация виброграмм с узкой полосой пропускания вокруг резонансной частоты позволяет отразить резонансную форму при выдаче виброграмм на единый график.

Программное обеспечение ИВК "Сейсмика" делает удобным и быстрым запись и обработку показаний датчиков с выдачей результатов в числовом или графическом виде. Разработанный в 1988г на базе ПК ДВК, а затем на базе PC/AT ШМ ИВК "Сейсмика" стал высокоэффективным средством, повлиявшим не только на методику испытаний, но и на их качество, ранее недоступное.

В главе 3 теоретически оценивался эффект сейсмоизоляции с использованием КФ от воздействий, заданных различными временными представлениями: произвольной функцией (акселерограммами землетрясений), неубывающей гармоникой, импульсом сил.

Реакция расчетной модели здания на воздействие, представленное множеством прогнозируемых сейсмических реализаций, дает ответы на вопросы об эффекте сейсмоизоляции и оценке сейсмостойкости зданий.

Между тем, для качественного анализа влияния отдельных параметров расчетной модели на сейсмическую реакцию и эффект сейсмоизоляции удобнее пользоваться условным представлением воздействия, позволяющим концентрировать влияние исследуемого качества.

В этом смысле, отдельно взятые акселерограммы реальных землетрясений рассматривались как условные воздействия, поскольку в отдельности они не несут всей необходимой информации о землетрясении, отражая лишь его частный случай.

Известно, что сейсмическая реакция зависит от спектрального состава акселерограммы, в котором могут пребладать какие-либо из гармоник. В зависимости от близости частоты преобладающих гармоник к резонансной частоте нелинейной расчетной модели ее реакция возрастает. Следовательно, принимая воздействие гармоническим с определенным диапазоном частот, можно упростить анализ эффективности сейсмоизоляции.

Представляя всякое функциональное временное выражение своим спектральным составом, гармоническое воздействие или их сумму следует отнести к наиболее универсальной аппроксимации сейсмического воздействия.

В настоящей главе приводятся результаты анализа (в основном численного) влияния свойств расчетной модели на динамический эффект сейсмоизоляции, который выражается безразмерной величиной К3:

Кг =хс !х*,

где хА - реакция расчетной модели А, моделирующей сейсмоизолируемое здание хе - реакция расчетной модели Б здания-аналога.

Очевидно, АГ, > 1, показывает во сколько раз снижается динамическая реакция здания при заданном воздействии.

В качестве произвольных воздействий приняты из мирового банка данных семь акселерограмм с различным спектральным составом по частоте и длительности. Показано, что преобладание низкочастотных гармоник снижает эффект сейсмоизоляции и вызывает необходимость в повышенной диссипации А. Тот же эффект проявляется при широкополосных спектрах. Наоборот,

при узкополосных спектрах К, существенно больше 1 на всех частотах, кроме резонансной, которая представляется маловероятным совпадением для нелинейной системы.

Анализ динамической реакции на гармоническое воздействие с очевидностью свидетельствует об амортизирующих свойствах КФ, особенно в зданиях с жестким конструктивным решением, для которых К, значительно больше, чем для зданий нежестких решений (каркасных). Вследствие нелинейного характера перемещений КФ эффект сейсмоизоляции возрастает вместе с интенсивностью воздействия и проявляется больше при плотных грунтах основания.

Влияние нелинейной жесткости КФ на реакцию численно исследовалось при гармоническом воздействии. Показано, что при возрастании амшппуды воздействия резонансная частота сдвигается в сторону уменьшения, тем самым снижается вероятность резонанса при сейсмическом воздействии с преобладающей частотой.

При одинаковом коэффициенте вязкого трения в линейной и нелинейной системе (с той же начальной жесткостью, что и у линейной) реакция отличается более чем в 3 раза.

Аналогичный результат получен интегрированием уравнения:

х+2 да+F(x) = - A cos wt

при двух вариантах F(x):

I. F(w) = k*(x-fa3) - нелинейный вариант

II. F(w) = kfx - линейный вариант.

Поэтому влияние нелинейности отмечено как положительный фактор при сейсмических воздействиях.

Кратковременное воздействие также рассматривается как возможное при землетрясении и представляется в виде прямоугольного и треугольного импульса сил.

Силовой импульс в инерционной системе вызывает движение "последействия" с установившейся скоростью. В отличие от силового при кинематическом импульсе (смещение основания) происходит изменение скорости "последействия" по величине и направлению.

Поэтому наибольшую реакцию следует ожидать за время импульса при длительности г, равной полупериоду резонансных колебаний.

В связи с пониженной жесткостью модели А в сравнении с Б, высокий сейсмоизолирующий эффект КФ проявляется при импульсе с / < 0.4 сек (К ,« 10) и низкий при I > 1 сек. Рассматривая акселерограммы землетрясений как набор треугольных импульсов, вероятность продолжительности таких импульсов с I > 0.3 сек можно принять практически нулевой, что следует из гистограмм, построенных по 20 акселерограммам.

Эффект сейсмоизоляции связывается также с адаптирующими свойствами КФ. Под адаптирующими свойствами подразумевается изменение динамических параметров зданий под влиянием нагрузки.

При землетрясении такие изменения происходят во всех зданиях за счет накапливания повреждений конструкций. Несмотря на положительный эффект адаптации по снижению нагрузок, он рассматривается как потеря несущей способности здания в целом.

Способность адаптироваться в условиях возрастающего воздействия проявляется также в зданиях с КФ. Но в этом случае адаптация происходит за счет упруго-нелинейной зависимости перемещений от нагрузки, не исключающей способность самовосстанавливаться с уменьшением интенсивности нагружений.

Адаптирующие свойства КФ при гармонической нагрузке численно исследованы на двухмассовой расчетной модели, в которой работа КФ представлена как включение и выключение дополнительных связей при нарастании или снижении динамической реакции.

В главе 4 представлены результаты экспериментально-теоретических оценок сейсмостойкости крупнопанельных домов, возводимых на КФ в сейсмических регионах бывшего СССР.

Исходя из расчетных требований СНиП и с учетом большой статической неопределимости расчетной схемы создавалось впечатление о возможных резервах сейсмостойкости крупнопанельных домов.

Оценки, выполняемые с учетом пластических деформаций, несколько меняют представление о сейсмостойкости. Действующими СНиП не учитывается влияние длительности динамического нагружения. Между тем, результаты расчетов и испытаний крупнопанельных домов свидетельствуют о вредном влиянии длительности на прочность и деформативность конструктивных узлов, что делает отмеченный резерв весьма сомнительным.

Использование сейсмоизоляции приводит к резкому снижению деформаций этажей. Сейсмические колебания происходят главным образом за счет перемещений самих сейсмоизолирующих конструкций и, в случае КФ, перемещения выражаются нелинейно-упругой зависимостью. Очевидная польза упругой нелинейности состоит в способности КФ воспринимать нагрузки любой длительности.

В этой главе рассмотрены два экспериментальных объекта, наиболее значительных по объему исследований:

• 4-х этажный дом серии 1-464 УМ в г.Навои, год проведения 1978;

• 9-и этажный дом серии 158 в г.Алматы, год проведения 1985.

Для построения статической диаграммы перемещений в сейсмо-изолирующем уровне использовалось силовое устройство на базе 200-тонных

гидравлических домкратов, которое позволяло сбрасывать нагрузку по достижении заданного отклонения и приводить объект в состояние свободных колебаний. Устройство замечательно тем, что с достаточной точностью отражает силовую характеристику перемещений в зависимости от вертикального нагружения (по мере возведения этажей) и интегральный декремент колебаний. Максимальная величина смещений в первом объекте достигала 4 см., после сброса нагрузки начальный декремент равнялся 0.7 с уменьшением до 0.3 при микроколебаниях.

Построение диаграмм перемещений выполнялось также при динамических испытаниях с помощью вибратора повышенной мощности, установленного как на покрытии верхнего этажа, так и в основании на единой с домом плите. В динамических испытаниях, помимо построения диаграмм перемещений в уровне КФ, решались задачи:

• построение поэтажных диаграмм деформирования;

• установить условное соответствие между интенсивностью сейсмического и динамического воздействия при испытании;

• оценить сейсмостойкость здания в условиях расчетной сейсмичности площадки строительства;

• оценить величину снижения сейсмических нагрузок за счет использования КФ.

С целью экспериментальной оценки эффекта сейсмоизоляции в объекте А испытывался дом-аналог на ленточном фундаменте (объект Е), возведенный на единой площадке с объектом А.

Идентичность условий методов испытаний, а также принятых расчетных моделей сейсмических воздействий позволили получить эффект сейсмоизоляции сравнением их динамической (сейсмической) реакции по этажным деформациям и перерезывающим силам.

В качестве расчетных моделей сейсмического воздействия принимались:

• выборка из мирового банка данных акселерограмм, соответствующих 7-9 балльным землетрясениям;

• реализации нестационарного случайного процесса с косинус-эксло-ненциальной корреляционной функцией.

Значительное число реализаций в последнем случае дает основание для оценки сейсмостойкости по надежности, как наиболее осредненной величине сейсмической реакции. За отказ расчетной модели приняты перекосы этажей [Д,], допускаемые в практике расчета крупнопанельных домов, и перекос сейсмонзолируюшего уровня КФ [д,#]:

К] =//„,/400; [л.,}-10 см,

где Нзп - высота этажа. На основании результатов исследований обоих зданий допустимо распространить выводы на многоэтажные крупнопанельные здания вообще , тем более, что они не расходятся с испытаниями других крупнопанельных домов, проводимых автором.

1. Достигаемая в испытаниях интенсивность динамического воздействия эквивалентна сейсмическому 7-8 балльному воздействию.

Экспериментальный эффект сейсмоизоляции составляет К, > 2. Работоспособность КФ визуально подтверждается на всех этапах испытаний. Отмечаются значительные повреждения несущих стен в зданиях-аналогах Б и их отсутствие в сейсмоизолируемых зданиях А.

2. С использованием экспериментальных данных значения теоретического эффекта сейсмоизоляции К„ определяемого по деформациям и перерезывающим силам, несколько отличаются между собой, но в целом он может быть установлен в пределах К, = 2-4. Учитывая плотность заселяемости таких домов,

рекомендуемый эффект с целью повышения безопасности проживания следует ограничить величиной /С = 2.

3. Принятые конструктивные решения удовлетворяют условиям надежности при ожидаемой интенсивности сейсмических нагрузок.

Средняя величина надежности составляет 0.95.

Глава 5 затрагивает вопросы сейсмостойкости кирпичных зданий, усиленных железобетонным каркасом. По мнению многих специалистов каркасно-кирпичные здания относятся к конструктивно "неблагополучным", уязвимым при землетрясениях. Это объясняется недостаточной прочностью кирпичного заполнения стен, которое будучи несоизмеримо по жесткости с железобетонным каркасом, воспринимает всю сейсмическую нагрузку. Железобетонный каркас вступает в работу лишь после разрушения стен и предназначается для поддержания перекрытий от обрушений.

Методика нормативных расчетов учитывает кирпичное заполнение как дополнительную массу в расчете каркаса. Поэтому кирпичные стены в некоторых проектах предусматриваются отделенными от каркаса зазорами. При таком решении каркас оказывается перегруженным, что отражается на его чрезмерном армировании.

В других решениях отсутствие зазоров приводит к неопределенности распределения внешних сил между каркасом и кирпичным заполнением, прочность и деформативность которого изменяется в зависимости от степени повреждаемости. Не обладая достаточной несущей способностью, кирпичное заполнение повреждается при сейсмических нагрузках, меньших расчетных, а дальнейшая эксплуатация здания при этом может оказаться недопустимой.

Критерий сейсмостойкости во многом меняется при использовании сейсмоизолирующих систем, снижающих деформативность стен. Принимая предельное значение перекоса этажей равное Язт/500, можно исключить повреждаемость стен более II степени. Величина [Д,]= Н^500 принята за

"отказ" при оценке сейсмостойкости каркасно-кирпичных домов по надежности.

В данной главе приводятся результаты экспериментально- теоретических оценок динамического состояния и сейсмостойкости 3-х натурных объектов:

• 4-х этажного дома серии ВП-1;

• 4-х этажного дома серии 70;

• 7-и этажного дома серии ВТ.

Первые два объекта построены на площадках с расчетной сейсмичностью, превышающей 9 баллов, где допустимо строительство для этих серий только в 3-х этажном варианте. Дом серии ВТ построен на площадке с 9-балльной сейсмичностью, но с превышением допустимой этажности на 3 этажа. Такие отклонения от РСН приняты по предварительным расчетам на стадии проектирования.

По отработанной методологии определены статическая диаграмма перемещений в уровне КФ и динамические параметры с использованием вибратора повышенной мощности. Полученные характеристики использованы для описания расчетной модели, принятой в виде консольной системы с поэтажными диаграммами деформирования.

В испытаниях использовалась новая версия ИВК "Сейсмика", поэтому показания датчиков в испытаниях, для уточнения исходной информации , дублировались через осциллограф и показали достаточно близкое совпадение. Совмещенные во времени показания двух датчиков с помощью ИВК графически отображают поэтажные колебания в горизонтальной плоскости. Они представлены эллипсообразными петлями, по которым можно судить о существенной раскладке энергии колебаний по координатным осям. Направление большой оси эллипсов отличается от направления действия внешней нагрузки (вибратора) и несколько смещается на этажах по высоте здания.

Такие колебания отмечаются в результате перемещений в пространстве, в основном за счет КФ, и незначительных деформаций кручения в плане. Отсутствие количественных характеристик пространственных колебаний вынуждает расчетную модель принимать в виде консоли, у которой энергия колебаний концентрируется в одной плоскости, вызывая завышенные расчетные усилия и деформации в конструкциях.

Сейсмическая интенсивность более 9-и баллов на площадках строительства 4-х этажных домов принята по РСН в связи с грунтами III категории по сейсмическим свойствам. По данным В.В.Штейнберга (ИФЗ, г.Москва) интенсивность на таких грунтах ограничена по амплитуде. Увеличение интенсивности в зданиях происходит за счет нелинейности его физических свойств, которые проявляются с повышением длительности и расширением спектра действия при землетрясении на мягких грунтах. По прогнозам института сейсмологии АН РК максимальные ускорения на грунтах III категории для г.Алматы составляют 160 см/сек2 при эффективной длительности 25 сек, что в 5-6 раз превышает длительность на грунтах III категории.

Учет указанных параметров становится возможным при моделировании сейсмических воздействий случайным процессом.

Принималось от 8 до 22 сочетаний параметров случайного процесса, в каждом из которых генерировалось 50-100 искусственных акселерограмм, достаточны^ для оценки сейсмостойкости по надежности.

Приводим выводы, вытекающие из экспериментально-теоретических оценок дома серии 70:

1. 4-х этажные дома на ленточном фундаменте не обладают достаточной надежностью на площадках с расчетной сейсмичностью свыше 9 баллов;

2. применение КФ обеспечивает снижение сейсмических нагрузок более чем в 2 раза, что допускает строительство 4-5 этажных домов на площадках сейсмичностью свыше 9 баллов. С обеспеченностью 0.95 перемещения в уровне КФ не превысят 7 см и перекосы этажей составят 0.6 см. При отмеченных перекосах повреждения стен не ожидается.

В несколько большем объеме выполнялись оценки в 7-н этажном доме серии ВТ (шаг колонн 6x4), в котором по РСН допускается только 4 этажа. По проекту стены трех нижних этажей усилены железобетонной рубашкой 5 = 50 мм, но к началу виброиспытаний рубашка отсутствовала. Поэтому характеристика жесткости (диаграмма деформирования) усиленных этажей принята не подтвержденной экспериментально.

Основываясь на работах А.М.Жарова, Н.Н.Михайловой, связанных с определением центров распределения ускорений, эффективной длительности, преобладающего периода и вероятности землетрясения, сейсмическая нагрузка моделировалась нестационарным случайным процессом, получаемым из стационарного умножением на дробно-рациональную огибающую. Из наиболее сильных сейсмических событий сформулирована полная группа, наиболее вероятная для условий г.Алматы. Для каждого сочетания генерировалось по 50 искусственных акселерограмм, позволивших оценить сейсмостойкость по надежности.

В результате проведенного исследования установлено:

1. Сейсмостойкость 7-и этажного каркасно-кирпичного дома серии ВТ на КФ с тремя усиленными нижними этажами обеспечивается при расчетной сейсмичности 9 баллов. Расчетные перемещения в уровне КФ составляют 7 см, деформации этажей не превышают 0.6 см, и, следовательно, маловероятно повреждение стен более II степени.

2. По сейсмостойкости домов серии ВТ в традиционном исполнении (ленточный или столбчатый фундамент) установлено:

1) 4-х этажные дома серии ВТ по степени повреждаемости кирпичного заполнения стен выше III степени (поэтажные перекосы до 2 см) не обладают достаточной сейсмостойкостью. Повреждение стен III степени возможно и в трехэтажном варианте домов этой серии;

2) при допущении повреждаемости стен сейсмостойкость обеспечивается в 4-х этажном варианте.

3. Испытания на длительность нагружения свидетельствуют о значительных резервах сейсмостойкости в зданиях на КФ: 7-и этажный дом серии ВТ при максимальном загружении дебалансов вибратора (размах колебаний 7 см) испытывался 5 раз с длительностью воздействия 2-3 мин. Согласно расчетам такие воздействия эквивалентны сейсмическим 8-балльным. Несмотря на отсутствие усиливающей рубашки в нижних этажах, повреждений стен не отмечалось.

4. В указанных домах рекомендована организация сейсмостанций с целью получения сведений о работоспособности КФ при землетрясениях.

Глава 6 посвящена сейсмостойкости малоэтажных зданий, возводимых в пригородных районах или в сельской местности.

Большинство одно-двухэтажных домов частного владения строится из недостаточно прочных материалов, часто с нарушениями СНиП. Вследствие этого разрушения происходят при землетрясениях, даже не относящихся к катастрофическим.

Применение КФ многократно повышает сейсмостойкость малоэтажных зданий. Учитывая возможные отклонения от строительных норм, размеры КФ назначаются с таким расчетом, чтобы эффект снижения сейсмических нагрузок был несколько больше, чем в многоэтажных зданиях. В большинстве случаев надфундаментное строение представляет собой жесткую коробку,

которая в сочетании с податливыми КФ хорошо моделируется одномассовой или двухмассовой расчетной моделью.

Экспериментальный раздел исследований включает построение диаграмм перемещений в уровне КФ - основной характеристики модели, и диаграммы деформирования надфундаментных строений (при двухмассовой модели). Указанные характеристики получены с использованием силовых устройств либо вибраторов инерционного действия, располагаемых на перекрытии верхнего этажа. Во избежание возможных обрушений, в случае ослабленных стен, вибраторы монтируются на катучей платформе, присоединенной к зданию в уровне несущего ростверка.

В теоретический раздел включены оценки сейсмостойкости с учетом установленной меры сейсмостойкости, отмеченной на диаграммах точкой "отказа". В качестве сейсмических принимались воздействия, представленные реализациями случайного процесса.

Из шести исследованных малоэтажных объектов, включающих крупнопанельные, кирпичные и саманные (глинобитные) дома,в данной главе представлены результаты крупнопанельных одно- и двухэтажных домов с обобщающими выводами, касающимися малоэтажного домостроения.

Одноэтажные крупнопанельные дома серии 226 (несейсмический вариант) в г.Чимкенте проектировались для возведения на площадках с сейсмичностью 7-8 баллов. При этой интенсивности выполнялась оценка надежности с "отказом" в уровне КФ, заданным максимальным смещением [Д.ф] = 10 см. Динамическая нагрузка, достигаемая в виброиспытаниях, оказалась эквивалентна сейсмической в 7 баллов, но максимальная статическая нагрузка, приложенная в уровне покрытия, эквивалентна 8 баллам.

Выявлено, что при воздействии 7-8 баллов и указанной величине перекоса надежность дома равна 1. При этом генерируемые искусствен-

ные акселерограммы имел» равновероятные преобладающие периоды в диапазоне 0.3 - 1.3 сек., несмотря на прогнозируемые периоды 0.2 - 0.4 сек.

Виброиспытания домов той же серии, но в двухэтажном исполнении, проводились при значительно большей интенсивности. Дома этой серии, расчитанные на сейсмичность 8 баллов, предназначались для строительства на площадках с расчетной сейсмичностью, превышающей 9 баллов.

Динамические нагрузки при трех сопряженных вибраторах и полной навеске дебалансов исключают сомнения относительно эффективности КФ при высокоинтенсивном воздействии. Максимальные перемещения в уровне КФ достигали А = 3.5 - 3.8 см. Датчики, установленные на перекрытиях этажей, зафиксировали примерно одинаковые смещения, что свидетельствует об отсутствии заметных перекосов стен. При резонансной частоте 1.2-1.5 гц отмечались ускорения 2-3.5 м/сек2.

Из полученных соотношений экспериментальной и теоретической перерезывающих сил следует, что в испытаниях достигалась интенсивность, эквивалентная 9-и баллам.

Воздействия с преобладающими периодами 0.3-1.2 сек рассматривались как равновероятные. Если распределение вероятностей допустить по форме графика (СНиП 11-7-82), то сейсмическая реакция с увеличением преобладающего периода снижается в два - три раза.

Однако, такой корректив в количественных оценках не учитывался в апас надежности.

Из сравнения перерезывающих сил в объектах А, Б эффект сейсмо-изоляции выше, чем в многоэтажных зданиях. Результаты оценки эффективности приводятся в табличном виде для объектов с массой 50 и 200т при воздействии с интенсивностью 7,8,9 и более баллов. Как и ожидалось, в соответствии с формой нелинейности диаграммы перемещений КФ, эффект

возрастает с интенсивностью воздействия: от 2 при 7 баллах до 4.6 при 9 и более баллах.

Большая часть домов в сельской местности возводится из недостаточно прочного материала местного производства. Это не только глинобитный саман, но и мелкоштучные материалы: блоки, прессованный или некачественный керамический кирпич и др.

Разрушение домов из такого материала при высокой сейсмичности очевидно. Из результатов расчета с учетом нелинейно-пластического характера деформирования не меньшую опасность для них представляют землетрясения средней силы, а также, землетрясения с длительной активной фазой. Поэтому, КФ в этих условиях представляются наиболее эффективным средством сейсмозащиты.

В главе 7 представлены технические решения сейсмоизоляции, отражающие авторский опыт экспериментального проектирования. Разнообразие конструктивных решений зданий нуждается в индивидуальном подходе к проектированию сейсмоизоляции, учитывающем особенности этих решений и сейсмологическую ситуацию площадки строительства.

Использование КФ в экспериментальном строительстве на протяжении более чем двух десятков лет выработало определенный комплекс технических мероприятий, рекомендованных для малоэтажного и многоэтажного домостроения. По своему назначению применение КФ в обоих случаях равнозначно, поскольку значительный вес многоэтажных зданий компенсируется размерами и прочностью КФ (иногда количеством). Тем не менее, различие в весе конструктивных элементов все же оказывает некоторое влияние на конструктивное исполнение сейсмоизоляции в целом. Поэтому КФ в малоэтажном домостроении представлены отдельным разделом.

Простые конструктивные формы, технологичность изготовления и монтажа, а также совместимость с разнообразными конструкциями зданий позволили КФ выполнять в строительстве зданий многоцелевое назначение.

В многоэтажном домостроении - это повышение этажности, улучшение планировочных решений за счет свободных площадей, снижение расходов на антисейсмические мероприятия и, наконец, улучшение архитектурного облика зданий, что всегда являлось актуальной потребностью градостроителей.

Эти задачи решаются с помощью КФ за счет их способности снижать сейсмические нагрузки. Здания, в которых до сих пор использовались КФ, в основном относятся по конструктивному исполнению к типу жестких: крупнопанельные, кирпичные, блочные, каркасно-кирпичные.

В домах, строящихся на магистральных улицах, для создания городской микроструктуры возникает потребность в нижних этажах располагать помещения общественного пользования. Традиционные в этих случаях решения -каркас с ограждением - ослабляют сейсмостойкость зданий жестких конструктивных решений.

Использование сейсмоизолирующих фундаментов КФ, смонтированных в подвальной части либо на первом этаже, решает эту задачу достаточно простым способом без удорожания строительства. Такое решение было реализовано при строительстве семиэтажного каркасно-кирпичного дома серии ВТ в г.Алматы для организации в подвале автостоянок и гаражей.

Сейсмоизолирующая система с расположением КФ на первом этаже впервые использована при строительстве восьмиэтажного каменно - монолитного дома также в г.Алматы.

Большая часть строящихся домов возводится без гаражей в подвале. В этом случае КФ позволяют ограждающие стены заменить обетонирован-ными грунтовыми откосами и тем самым снизить трудоемкость и стоимость

конструкций ниже нулевой отметки. Такие решения имели место в г.Петропавловске-Камчатском при строительстве пятиэтажного крупноблочного дома серии 114 и при строительстве пятиэтажного крупнопанельного дома серии 70 в г.Алматы.

В первой редакции "Рекомендаций по проектированию зданий с сейсмоизолирующим кинематическим фундаментом", изданной КазНИИССА в 1986г, предлагалось два варианта конструктивных решений сейсмоизоляции:

1. "подведение" КФ под несущие конструкции нулевого цикла;

2. "замена" несущих конструкций нулевого цикла.

При способе 1 проектом предусматриваются минимальные изменения в подвальном уровне. К недостаткам способа, помимо излишнего расхода материала, следует отнести стесненную работу сейсмоизоляции, так как давление грунта на стены подвала ухудшает сейсмоизолирующие свойства КФ.

Способ 2 получил большее распространение в сейсмостойком строительстве. Он экономичнее по расходу материалов и трудоемкости исполнения не только в сравнении со способом 1, но, часто, и в сравнении с традиционными решениями.

Несмотря на повышенные сейсмоизолирующие свойства КФ, при способе 2 может возникнуть необходимость в устройстве энергопоглотителей. Чаще всего такая необходимость связана с КФ стоечного вида большой высоты.

В отечественных и зарубежных публикациях сейсмостойким конструкциям малоэтажных домов посвящено значительно меньше работ, чем многоэтажных. Принимая во внимание объемы разрушений при землетрясениях только средней силы, многие специалисты считают, что вопросы сейсмостойкости малоэтажных домов не должны оставаться без ответов.

Казахский Научно-Исследовательский и проектно-экспериментальный институт сейсмостойкого строительства и архитектуры (КазНИИССА)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ВНЕДРЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИХ КОНСТРУКТИВНЫХ

СИСТЕМ КФ

ЧЕРЕПИНСКИЙ ЮРИЙ ДАВЫДОВИЧ

на правах рукописи

05.23.01 строительные конструкции, здания и сооружения ,

Диссертация на соискание ученой степени ' доктора технических наук

Алма-Ата 1998

о

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...........17

1.1. Теоретические предпосылки..........................................................................17

1.2. Метод построения расчетной динамической модели сейсмоизолируе-мого здания..............................................................................................................19

1.3. Параметры ДП и их влияние на динамическое состояние здания.............26

1.4. Расчетные математические модели сейсмического воздействия................35

1.5. Методы нахождения оптимальных параметров сейсмоизоляции..............48

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИХ СВОЙСТВ КФ.........................................................................................................62

2.1. Конструктивное решение сейсмоизоляции с использованием КФ и других систем ........................................................................................................63

2.2. Средства и методы испытаний.......................................................................75

2.3. Исследование динамических параметров на моделях.................................78

2.4. Исследование динамических параметров на крупноблочном доме...........85

2.5. Диссипативные свойства сейсмоизолируемых зданий................................91

2.6. Сравнительная оценка эффекта сейсмоизоляции при динамических испытаниях натурных зданий..................................................................................98

2.7. Об учете взаимодействия исследуемого объекта и источника возбуждения колебаний при виброиспытаниях........................................................................103

2.8. Виброиспытания с использованием вибраторов повышенной мощности.................................................................................................................114

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОГО

ЭФФЕКТА СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КФ ................ 124

3.1. Сейсмоизолирующие свойства КФ при воздействии, заданном акселерограммами землетрясений .......................................................................... 125

3.2. Динамический эффект КФ при сейсмическом воздействии гармонического вида .......................................................................................................... 128

3.3. Анализ влияния нелинейной жесткости КФ на сейсмическую реакцию гармонического вида ....................................................................................... 136

3.4. Сейсмоизолирующие свойства КФ при кратковременном воздействии ..................................................................................................... 142

3.5. Адаптирующие свойства сейсмоизолируемых зданий на КФ ............ 148

3.6. Вероятностный расчет сейсмоизоляции с сухим трением .................. 156

ГЛАВА 4. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ ЗДАНИЙ НА КФ............................................................................................................... 165

4.1. Экспериментальная оценка сейсмостойкости дома серии 464 на КФ..... 166

4.2. Экспериментальная оценка сейсмостойкости 9-ти этажных домов

серии 158 на КФ ........................................................................................... 192

ГЛАВА 5. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ КАРКАСНО-КИРПИЧНЫХ ЗДАНИЙ НАКФ ............................................................................................................... 206

5.1. Экспериментальная оценка сейсмостойкости 4-х этажного дома

серии ВП-1 на КФ .......................................................................................... 207

5.2. Экспериментальная оценка сейсмостойкости 4-х этажного дома

серии 70 на КФ ............................................................................................. 219

5.3. Экспериментальная оценка сейсмостойкости 7-и этажного дома

серии ВТ на КФ .............................................................................................. 236

ГЛАВА 6. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ ............. 248

6.1. Экспериментальная оценка сейсмостойкости одноэтажных

крупноблочных домов серии 47 на КФ ...................................................... 248

6.1. Экспериментальная оценка сейсмостойкости двухэтажного крупнопанельного дома серии 226 на КФ .................................................. 253

ГЛАВА 7. ПРОЕКТНЫЕ РЕШЕНИЯ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КФ .......................................................................... 261

7.1. Конструктивные формы КФ .................................................................. 261

7.2. КФ в многоэтажном домостроении ....................................................... 262

7.3. КФ в малоэтажном домостроении ......................................................... 272

7.4. Анализ сейсмической реакции сейсмоизолируемых домов в условиях реальных землетрясений .................................................................................. 278

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 286

Литература ....................................................................................................... 292

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Землетрясение - одно из самых грозных явлений природы, с которыми связаны значительные разрушения и массовая гибель людей. Около 15 тыс. жителей г. Агадир (Марокко) погибло в результате сейсмического толчка относительно небольшой интенсивности (магнитуда М 5,8). В г. Кизвана (Иран) землетрясение 1962 г. унесло более 12 тыс. жизней. По историческим данным, землетрясение в Шанси (Китай) 1556 г. привело к гибели более 800 тыс.человек. На этом же месте в 1920 г. погибло около 100 тыс.человек -столько же, сколько при сильном землетрясении 1923 г. в Токио. Катастрофический толчок в Таншане (КНР) 1976 г. в считанные секунды полностью разрушил город и похоронил под развалинами около четверти миллиона человек. Число погибших в Сан-Франциско (1906 г.) относительно невелико -около 700 человек, однако материальный ущерб составил более 480 млн. долларов, чему способствовали огромные пожары, возникшие в результате массовых разрушений зданий.

Землетрясения такой силы происходят не часто, но и менее сильные, случающиеся с периодичностью в десятки лет, вызывают большие человеческие жертвы и разрушения.

Безопасность населения в современных зданиях, построенных с соблюдением норм и при надлежащем качестве строительства, выше, чем в старых постройках. Тем не менее, ежегодно в мире жертвами землетрясений становятся более 10 тыс. человек. Материальный ущерб от землетрясений во всем мире в среднегодовом исчислении превышает 400 млн. долларов и не имеет тенденции к снижению. Наоборот, концентрация промышленности и населения в городах способствует увеличению потенциального ущерба, несмотря на рост затрат на антисейсмические мероприятия.

зование таких конструкций позволяет уменьшать объем антисейсмических мероприятий, повышать этажность зданий, снижать требования к их конфигурации (возможна асимметрия надфундаментной части), использовать типовые решения зданий и сооружений, рассчитываемых на меньшую сейсмическую нагрузку, а также уменьшать ущерб от землетрясений в сейсмостойких зданиях.

К одним из первых решений такого рода, получивших распространение в сейсмостойком строительстве 30-х годов, относятся конструктивные системы с использованием гибких стоек в нижних уровнях зданий - так называемые "гибкие" этажи.

Их положительное влияние на снижение сейсмических нагрузок было отмечено при обследовании последствий ряда землетрясений в Новой Зеландии, Италии, Японии и др.

По мере накопления информации о характере сейсмических движений эффект "гибкого" этажа был поставлен под сомнение. Стойки "гибкого" этажа при деформациях попадают в сложное напряженное состояние и сами становятся причиной пониженной сейсмостойкости здания. Сильные повреждения здания с первым "гибким" этажом получили при землетрясениях в Лонг-Биче, 1933 г, в Агаджире, 1960 г, в Скопле, 1963 г и др. В настоящее время системы с использованием гибких стоек признаны неперспективными.

Предложенная Н.Грином [89] катковая опора в этом смысле представлялась более надежной по прочности и, по-видимому, послужила толчком к поиску аналогичных решений из индустриальных подвижных элементов.

В настоящее время имеется довольно много предложений специальных сейсмозащитных устройств, из которых воплощенных в реальные конструкции не более 7-10. Как, правило, на стадии реализации эти предложения

Сейсмически опасные районы составляют довольно значительную часть земного шара с населением в десятки миллионов человек.

В СНГ почти 20 % территории подвержены землетрясениям с расчетной интенсивностью 7-9 баллов. Сюда относятся республики Средней Азии, Молдавия, южные районы Казахстана, Крым, Кавказ, обширные площади Сибири, Дальнего Востока, Камчатка, Сахалин, Курильские острова и т.д. Повышение сейсмостойкости зданий и сооружений приводит к их удорожанию в 7-балльной зоне на 4...5 %, в 8-балльной на 7...8 %, в 9-балльной -до 15 %, что связано с повышенным расходом строительных материалов. Вместе с тем сложность процессов взаимодействия зданий с основаниием при землетрясении, неопределенность сейсмологической информации, отсутствие единой модели воздействия не позволяют обеспечить надежную сейсмозащиту сооружений, используя только традиционные меры усиления.

Разрушительные землетрясения последних лет (Лос-Анджелес, 1989, Кобэ, 1995 и др.) свидетельствуют о пробелах в теоретических подходах к проблеме, вследствие чего возникли разноречивые мнения относительно сейсмостойкости зданий вообще и методик ее оценки в частности.

По заявлению некоторых американских специалистов массивные каменные или железобетонные конструкции не в состоянии противостоять силам подземной стихии. Сложилось мнение, что повышение прочности связано, как правило, с увеличением размеров и, соответственно, массы конструкций, что приводит к возрастанию сейсмических нагрузок. Этим объясняется обрушение многих зданий в Кобе, несмотря на высокое качество их исполнения, отличающее японских строителей.

В связи с этим в последнее время отмечается повышенное внимание к специальным конструкциям, которые обеспечивают снижение реакции сооружения за счет изменения в процессе колебания его динамических параметров, определяющих величину инерционных сил в системе. Исполь-

претерпевают настолько значительные изменения, связанные с отработкой прочности и динамических свойств отдельных элементов, что в результате они становятся нецелесообразными технически и невыгодными экономически.

Автором не ставилась задача выявить недостатки тех или иных технических решений и тем более их систематизации в библиографической последовательности. Частично такая работа выполнялась в [92], 1973 г и в [16], 1983 г.

Настоящая работа явилась результатом многолетних экспериментально-теоретических исследований так называемых кинематических фундаментов -КФ, получивших распространение в сейсмических районах СНГ - Камчатке, районах БАМа, Иркутской области, Казахстане, Узбекистане, Бурятии и т.д.

Актуальность работы вызвана потребностью в повышении сейсмостойкости зданий - основной гарантии жизни людей, проживающих в сейсмически опасных регионах земного шара. Для них проблема сейсмостойкости была и остается злободневной всегда. Поэтому новое направление, рожденное на основе инженерной интуиции, не может оставаться без детального изучения, требующего системного подхода и научно обоснованных выводов.

Целью работы является практическая реализация предлагаемого автором решения сейсмозащиты (сейсмоизоляции) зданий, связанная с научным обоснованием, конструктивной отработкой и внедрением в сейсмостойком строительстве.

В соответствии с целью автору пришлось изучить не только существующие в 60-х годах теоретические и экспериментальные методы исследований, но и в значительной мере переосмыслить их и скорректировать применительно к поставленным задачам.

Теоретические модели динамики деформируемых тел, рассмотренные на уровне кандидатской диссертации [92], во многих случаях оказались неработоспособными при анализе динамического состояния эксперименталь-

ных объектов. Поэтому процесс отработки методов исследований оказался длительным и претерпевал изменения от эксперимента к эксперименту, что привело к определенной методологии их проведения.

По мере накопления экспериментально-теоретических результатов возникла необходимость в разработке основных принципиальных положений по сейсмоизоляции, позволяющих оценивать эффективность независимо от коструктивного исполнения. В этом случае авторское предложение стало предметом апробации основных положений. Для достижения поставленных целей проведены:

• испытания натурных зданий (болей 20) и моделей с использованием современных испытательных средств и измерительной аппаратуры;

• теоретический анализ динамической и сейсмической реакции объектов испытаний с учетом существующих представлений о работе конструкций и природе сейсмических нагрузок;

• проектирование и строительство зданий на КФ, различных по конструктивному исполнению и этажности;

• анализ поведения зданий на КФ в условиях землетрясений (до 7 баллов), учитывающий допускаемые при проектировании ошибки ;

• систематизация материалов, позволившая разработать общие принципы и рекомендации по оценке эффективности сейсмоизолирующих систем независимо от конструктивного исполнения и сейсмостойкости сейсмоизоли-руемых зданий.

В главе 1, исходя из соображений практической ориентации, представлены основные положения по методологии экспериментально-теоретических оценок эффективности сейсмоизолирующих конструктивных систем. По-видимому, без такой методологии эффективность конструктивных предложений может быть оценена недостаточно объективно, что затруднит сопоставление их с другими предложениями по сейсмоизоляции.

Существующие испытательные средства и измерительная аппаратура, используемые в динамических испытаниях экспериментальных зданий, как правило, не позволяют получить достаточные сведения для построения расчетных моделей натурных зданий. Это зависит не только от несовершенства испытательного оборудования, но и от сложности процессов, происходящих в многосложных физических объектах, каковыми являются реальные здания. Вопросы по формированию расчетных моделей, затронутые в главе 1, получили в главе 2 развитие в методах экспериментальных исследований по выявлению динамического эффекта КФ.

Неудовлетворительная точность и скорость измерений динамического состояния объектов испытаний вызвала потребность в создании измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) на базе персональных компьютеров. В состав ИВК, помимо измерительных датчиков, входят аналого-цифровой преобразователь их сигналов с программным обеспечением, позволяющим многократно ускорить анализ динамического состояния.

ИВК "Сейсмика", разработанный в 1988г на базе ПК ДВК, а затем на базе PC/AT IBM, явился новым высокоэффективным средством, повлиявшим не только на методику испытаний, но и на качество испытаний, ранее недоступное.

Динамический эффект сейсмоизоляции с использованием КФ теоретически оценивался от воздействий, заданных своими математическими представлениями: произвольной функцией (акселерограммы землетрясений), неубывающей гармоникой и импульсом сил. Результаты этих оценок представлены в главе 3 в зависимости от динамических параметров расчетных моделей и особенностей воздействия. Сейсмоизолирующие свойства КФ определялись по относительной величине динамической реакции в сравнении с динамической реакцией объектов в традиционном исполнении.

Сейсмостойкость зданий различных конструктивных решений на КФ исследовалась на экспериментальных объектах, возводимых в городах России и Казахстана. В главах 4,5,6 приводятся результаты наиболее типичных методик исследований крупно-панельных, каркасно- кирпичных многоэтажных домов и малоэтажных (1-2 этажа), возводимых в сельской местности. В основу оценок положено вероятностное представление сейсмических нагрузок, заданное реализациями случайного процесса.

В качестве иллюстрации применимости конструктивных систем на базе КФ в главе 7 отражены некоторые проектные решения, предназначенные для многоэтажного и малоэтажного домостроения. Проекты разрабатывались для применения в различных регионах б. СССР. Многие из таких зданий сейчас находятся под наблюдением соответствующих служб. Опыт проектирования, а также анализ поведения зданий в условиях землетрясений позволил выявить ошибки, допускаемые при проектировании. Одной из них в главе 7 отводится отдельный раздел.

В становлении автора как научного работника следует отметить большую роль научно-исследовательских институтов, ставших для автора школой образования и местом научно-технической деятельности. Наиболее крупные из них:

• 1ЩИИСК им.Кучеренко, в котором под руководством проф. Н.А.Николаенко защищалась диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук;

• КазНИИССА, где под руководством директора акад. Т.Ж.Жунусова по проблеме сейсмоизоляции выполнялись в�