автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование и определение упругодемпфирующих параметров сейсмозащитных устройств различного типа для сейсмоизолированных зданий и сооружений

pro од

На правах рукописи

у. 3 № iqq?

ГОРДЕЕВ Юрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ СЕЙСМОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ РАЗЛИЧНОГО ТИПА ДЛЯ СЕЙСМОИЗОЛИРОВАННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических наук А. М. УЗДИН

Научный консультант —

доктор технических наук А. В. ИНДЕЙКИН

Официальные оппоненты:

доктор технических паук

О. Д. ТАНАНАЙКО; кандидат технических наук И. В. ДБОРКИН

Ведущее предприятие —НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ.

Защита состоится » . . . 1998 г.

в . /чл . часов . . минут на заседании диссертационного совета К 114.03.02 в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 2-303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан « . . . » декабря 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

М. П. ЗАБРОДИН

О Г,1ЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время сейсмоизоляции признана одной из высокоэффективных средств сейсмозащиты сооружении. Только в странах бывшего СССР построено более 300 сейсмоизолированных зданий. Они получили применение и зарубежом, например, в Новой Зеландии, Японии, США. Исследования и имеющийся опыт эксплуатации систем сейсмоизоляции показал, что для достижения необходимой работоспособности они должны включать демпфирующие элементы. Но как показала практика, простые демпферы вязкого и сухого трения не всегда обеспечивают сейсмостойкость сейсмоизолированного здания. Поэтому большинство авторов рекомендуют включать в системы сейсмоизоляции дополнительные элементы сейсмозашиты - различного рода ограничители перемещений, выключающиеся связи, многокаскадные демпфирующие устройства с сухим трением. Однако эти рекомендации до настоящего времени не подтверждены исследованиями работы указанных систем, а данные различных авторов по настройке параметров сейсмоизоляции с дополнительными упруго-демпфирующими элементами во многом противоречивы.

Вопросы совершенствования систем сейсмозащиты зданий и сооружений входили в план важнейших научно-технических проблем утвержденный в свое время президиумом Академии Наук СССР, а в последующем - в планы работ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (г. Москва) и Центра по сейсмостойкому строительству и инженерной защите от стихийных бедствий (г. Петропавловск-Камчатский).

Изложенное определяет актуальность темы диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является совершенствование систем сейсмоизоляции зданий и сооружений за счет включения в нее дополнительных упругодемпфнрующих устройств и оптимизация их параметров.

Для этого потребовалось решить следующие задачи:

- проанализировать существующие системы сейсмозащиты с точки зрения эффективности, с целью выбора наиболее рационального из них для дальнейшего исследования и совершенствования;

- разработать методику расчета и программное обеспечение для оценки сейсмостойкости сейсмоизолированных сооружений с учетом особенностей работы дополнительных сейсмозащитных элементов;

- проанализировать работу сейсмоизоляции с дополнительными сейсмо-защитными устройствами и оптимизировать параметры этих устройств;

- разработать практические рекомендации по подбору параметров и технические решения сейсмозащитных устройств различных типов.

Методика исследований базировалась на численном моделировании процесса сейсмических колебаний систем с сейсмозащитными устройствами, анализе полученных результатов и сопоставления их с имеющимися данными других исследователей и опытом прошлых землетрясений.

Научная новизна работы заключается в следующем: . усовершенствована методика численного интегрирования кусочно-линейных систем с использованием интеграла Дюамеля; дано обобщение известных рекуррентных соотношений применительно к системам с отрицательной жесткостью;

. получены рекомендации по настройке параметров рассматриваемых систем сейсмоизоляции с дополнительными элементами сейсмозащиты; обоснована возможность снижения сил трения в демпфирующих элементах; . впервые исследована работа односторонних ограничителей перемещений в

системах сейсмоизоляции зданий и сооружений; . рассмотрена задача повышения эффективности адаптивных систем сейсмоизоляции за счет введения в систему демпферов сухого трения; . предложены новые технические решения демпферов сухого трения с регулируемыми параметрами.

На защиту выносятся:

- методика и программное обеспечение математического моделирования сейсмоизолированных систем с дополнительными элементами сейсмозащиты;

- результаты оптимизации сейсмоизолирующих фундаментов с многокаскадным демпфированием;

- результаты исследований и рекомендации по назначению параметров односторонних и двухсторонних ограничителей перемещений сейсмоизолированных зданий и сооружений;

- результаты исследований и оптимизации параметров адаптивных систем сейсмоизоляции с демпферами сухого трения;

- техническое решение демпфера сухого трения с регулируемыми упругопла-стическими параметрами, обеспечивающего при своей простоте высокую эффективность применения сейсмоизоляции.

Достоверность основных положений диссертации подтверждается тем, что они согласуются с имеющимися результатами экспериментальных исследований и опытом прошлых землетрясений, а также их соответствием данным, полученным другими авторами по отдельным вопросам, рассмотренным в диссертации.

Практическая ценность диссертации. Основная практическая ценность диссертационной работы заключается в обосновании и подборе параметров систем сейсмозащиты повышающих эффективность и надежность сейсмоизоляции зданий и сооружений.

Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить расчеты по оптимизации параметров различных сейсмозащитных устройств сейсмоизо-лированных объектов.

Предложено техническое решение демпфера сухого трения с регулируемыми параметрами.

Реализация работы. Выполненные исследования использованы: при разработке "Руководства по оценке сейсмостойкости и антисейсмическому усилению железнодорожных и автомобильных мостов", утвержденного Минстроем России в 1996г.; при выполнении научно-исследовательских работ в НТЦ по сейсмостойкому строительству и инженерной защите от стихийных бедствий по анализу сейсмостойкости сейсмоизолированных зданий в г.Петропавловске-Камчатском; при оценке эффективности применения кинематических опор А.В.Курганова в качестве сейсмоизоляции для шестнадцати этажного здания в г. Сочи.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены: . на 1 Международной конференции "Сейсмическая безопасность урбанизированных территорий", г. Петропавловск-Камчатский, 14-16 февраля 1996г.; . на научно-техническом семинаре кафедры "Теоретическая механика" Петербургского государственного университета путей сообщения (1997г.);

. на вторых Савиповских Чтениях, г.С.-Петербург, 1997г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в ... работах.

Объем работы. Диссертации состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 148 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 3 таблиц, а также списка литературы из 167 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во в веде н im дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен обзор применяемых методов сейсмозащиты зданий и сооружений, включая их сейсмоизоляцию. Рассмотрены исследования в этой области Я.М.Айзенберга, А.Т.Аубакирова, Л.Ш.Килимника, Б.Г.Коренева, С.В.Полякова, O.A.Савинова, Ю.Д.Черепинского, А.М.Уздина, В.Г.Яремепко и других ученых, а также зарубежных специалистов М.Био, Р.Клафа, Д.Келлп, Д.Смита, Б.Паво, В. Робинсона, Ж.Ренальта, М.Уишлии. На основе обобщения этих исследований сформулирована современная концепция сейсмоизоляции зданий и сооружений. Эта концепция базируется на двух основных положениях:

1. Причиной разрушения рассматриваемых объектов являются большие перемещения, возникающие между сейсмоизолированными частями, что приводит к разрушению сейсмоизолирующих опор или к падению с них изолированной части здания или сооружения.

2. Для уменьшения взаимных смещений частей сооружения необходимо параллельно с сейсмоизолирующими опорами устанавливать дополнительные демпфирующие устройства или другие сейсмозащитные элементы. К их числу относятся ограничители перемещений, а также резервные элементы с ограниченной несущей способностью.

Поскольку демпфирующие устройства являются необходимой составной частью сейсмоизоляции, в работе проведен анализ этих устройств, применяемых в нашей стране и за рубежом для снижения сейсмических нагрузок.

В диссертации предложена классификация существующих демпфирующих устройств(Рис.1).

Рис. 1. Классификация демпфирующих устройств для сейсмозащиты зданий и сооружений.

Эти устройства можно подразделить по принципу работы на гидравлические (частотно-зависимые) и механические (частотно-независимые). К первому типу относятся демпферы, в которых гашение энергии колебаний происходит за счет сил сопротивления перетеканию жидкости или вязкого вещества под давлением. К этому типу демпферов относятся: свинцовые (системы В.Робинсона, Р.И. Скиннера - Новая Зеландия) и жидкостные демпферы (системы В.А. Ветошкина и фирмы Gerb).

К механическим относятся демпфирующие устройства гасящие энергию колебаний за счет пластических деформаций материала: стальные и вязкоэла-стичные демпферы (исследованные ранее Дж. Келли, В.Робинсоном, Р.И. Скин-нером, Р.Г. Тайлером, П. Махмуди). К механическим также можно отнести демпферы сухого и гистерезисного трения, например, демпферы системы А.Т.Аубакирова, В.В.Назина, О.А.Савинова и фрикционно-подвижные соединения на высокопрочных болтах разработанные специалистами ЛИИЖТа (А.Самих Амин, А.М.Уздин, Р.Г.Хусид).

Большинство указанных демпферов сложны в эксплуатации, но весьма надежны вследствие стабильности их работы. Поэтому они обычно применяются для снижения колебаний дорогостоящего оборудования или сооружений повышенной степени ответственности.

Для сейсмоизоляции здании и сооружений наиболее простыми и эффективными являются демпферы сухого трения (ДСТ), над исследованием которых работали специалисты ряда организаций (ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, ПГУПС, "Лснгипротрансмост" и др.).

Основной особенностью ДСТ является их нелинейность. В системах сейс-моизоляции с применением этих устройств приходится учитывать различного рода потери энергии как в самих демпфирующих устройствах, так и в конструкции, и в грунтах основания. Для разработки методов расчета анализируемых систем в диссертации был проведеп анализ существующих способов учета сил сопротивления при числотом моделировании сейсмических колебаний. На основе обобщения исследований В.Т.Расказовского, Л.М.Резникова, А.М.Уздина, А.И.Цейтлина и других специалистов, показано, что гистсрезисные потери в материале сооружения, демпфирующих устройствах и в грунтах основания, а также потери энергии вследствие геометрического излучения в грунт упругими волнами могут быть описаны с использованием модели вязкого трения.

Для учета нелинейных эффектов используются различные численные методы, одним из которых является достаточно распространенный метод Рунге-Кутта. Однако для оптимизационной задачи сейсмоизоляции использование этого метода не эффективно, поскольку он требует слишком мелкого шага интегрирования, и следовательно больших затрат машинного времени. В связи с этим, более приемлемым оказался метод интегрирования основанный на представлении решения в форме интеграла Дюамеля. Данный метод применительно к задачам оптимизации параметров сейсмоизоляции получил развитие в работах специалистов ВНИИГа им. Б.Е.Веденеева и ПГУПСа.

В работе отмечен крайне недостаточный объем имеющихся экспериментальных исследований работы сейсмоизоляции и они носят в основном лишь качественный характер. До настоящего времени, еще мало изучена совместная работа систем сейсмоизоляции с дополнительными упругодемпфирующими элементами. Отсутствует апробированные методы расчета таких систем. В связи с этим, возникла необходимость дальнейшего исследований систем сейсмоизоляции с дополнительными элементами сейсмозащиты, с целью оптимизации их параметров и разработки конкретных рекомендаций по их назначению. Это явилось основной задачей диссертации.

Для рсшсння поставленной задачи был принят метод численного моделирования базирующегося на использовании представления решения в виде интеграла Дюамеля.

Вторая глава посвящена совершенствованию методики и алгоритма расчета систем сейсмоизоляции с демпферами сухого трения и другими сейсмо-защитными устройствами. На базе ранее выполненных исследований, автором разработана методика кусочно-линейного моделирования адаптивных систем сейсмозащиты, односторонних ограничителей перемещений, а также сенсмонзо-лирующих фундаментов на кинематических опорах с отрицательной жесткостью.

При рассмотрении системы с отрицательной жесткостью, в частности зданий на кинематических опорах А.В.Курзанова (Рис.2), поведение системы на линейных участках с уменьшением восстанавливающей силы описывается уравнением теории катастроф, имеющим для систем с одной степенью свободы следующий вид:

^ + ук4-к2^ = -у0, (1)

где у - коэффициент неупругого сопротивления; к - частота колебаний; у0 - расчетная акселерограмма воздействия.

Устойчивость движения сооружения достигается за счет смены знака опорной реакции при переходе опоры через нейтральное положение.

К сооружениям на рассматриваемых опорах имеющееся программное

а) внешний вид; б) диаграмма восстанавливающей силы (Н). buh- соответственно ширина и высота опоры; а- угол наклона опоры.

обеспечение для нахождения частот и форм колебаний и известное представление интеграла Дюамеля для расчета кусочно-линейных систем оказывается неприемлемым, поскольку не учитывает особенности теории катастроф. В диссертации получено представление этого интеграла применительно к системам с отрицательной жесткостью. При этом появляются формы колебаний, которым соответствует комплексное собственное число с положительной вещественной частью и решение представляется в виде:

где К - состояние системы.

В работе показано, что как и для других систем сейсмоизоляции изолирующие опоры А.В.Курзанова должны сочетаться с дополнительными демпфирующими элементами.

Для обеспечения эффективности сейсмоизоляции необходим специальный подбор упругодемпфирующих параметров дополнительных сейсмозащитных приспособлений. Однако выбор той или иной оптимальной величины должен быть обоснован в соответствии с принятыми критериями, по которым ведется оптимизация. В качестве целевой функции в работе были приняты максимальные ускорения системы при установлении ограничений на взаимные смещения изолированных частей здания. Такая постановка согласуется с общепринятыми (как в России, так и в ряде зарубежных стран) нормами расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия. В этих нормах в качестве основной количественной характеристики выступает сила сейсмического воздействия. Однако для систем сейсмоизоляции, эффект применения которых направлен на снижение максимальных ускорений, определяющими становятся взаимные смещения изолированных частей здания. Такие смещения не должны превышать предельно допустимых, для данного типа опорных элементов, и исключать как повреждение самих опор, так и падение с них сейсмоизолированной конструкции при максимальной расчетной балльности воздействия.

На основе разработанной методики было создано программное обеспечение на языке С++, который содержал один основной расчетный модуль для моделирования сейсмических колебаний рассматриваемых кусочно-линейных сис-

бЬ 1й + А1 + В

\

(2)

\

тем и два вспомогательных программных модуля, позволяющих производить оптимизацию упругодсмпфирующих параметров, путем прямого перебора некоторых из них на задаваемой сегкс значений с определенным шагом.

В третьей главе проведен анализ эффективности ссйсмоизо.тирующнх фундаментов с многокаскадным демпфированием и разработаны рекомендации по назначению их параметров.

Выполненные в 80-85гг. исследования в этой области базировались па упрощенном представлении задания сейсмического воздействия (ускорения всех расчетных акселерограмм были нормированы на верхнюю шкалу балльности) и объем выполненных расчетов ограничивался возможностями вычислительной техники, что не позволило тогда провести доскональное изучение рассматриваемых систем.

В связи с этим потребовалось дальнейшее развитие этих исследовании с целью получения боле достоверных результатов. В диссертации: . ускорения расчетных сейсмических воздействий нормировались в зависимости от их преобладающего периода по регрессионной кривой рекомендованной Минстроем России для расчета сооружений по акселерограммам землетрясений;

. шаг варьирования параметров многокаскадного демпфера при решении оптимизационной задачи был принят значительно меньшим, чем в упомянутом исследовании; в частности, в диссертации рассматривалось более 500 значений коэффициента трения в сравнении с 5 значениями используемых в ранее выполненных работах.

Проведению численного моделирования предшествовал качественный анализ рассматриваемых систем по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ). Характеристики строились стандартным методом гармонической липсарнзации; уравнение движения было представлено в безразмерных ускорениях и имело вид:

~ . 9

т] + f sign т] + кэт| = —cosco t (3)

где fsign f) и к,т) - соответственно демпфирующая и упругая характеристики системы.

Как показано в работе, вид АЧХ существенно зависит от трения в каскадах. Так, при суммарном трении менее чем АЧХ характеризуется неограниченным ростом амплитуд при резонансе колебаний, что соответствует результатам ранее выполненных исследований слабо демпфированных систем, для которых характерно наличие больших смещений.

Для оценки необходимой жесткости демпферов каскадов в главе использовано понятие коэффициента нелинейности системы е, равного отношению максимальной частоты колебаний системы к минимальной. Анализ АЧХ показал, что с увеличением жесткости демпфера снижаются взаимные смещения сейсмои-золированных частей сооружения (т)). Однако это снижение существенно при коэффициенте нелинейности е < 10 (Рис.3). При е>10 система становится практически не чувствительна к жесткости демпфера.

АЧХ многокаскадных систем в силу их нелинейности характеризуется наличием многозначных решений в некоторых диапазонах частот воздействия, причем максимальное количество возможных устойчивых режимов колебаний на единицу больше числа применяемых каскадов демпфирования. Эффект многозначности может приводить к неустойчивой работе сейсмоизоляции, сопровождающийся значительным возрастанием пиковых ускорений и смещений системы при небольших изменениях сил трения или частот воздействия. Несмотря на то, что этот эффект хорошо известен в теории виброзащиты, возможность негативного влияния его применительно к системам сейсмоизоляции ранее не рассмат-

0,25

0.20

0.15

0 10

0 05-

о

5

10

15

20

£

Рис.З. Зависимость

от е

рпвалась.

В работе показано, что уменьшить влияние негативного эффекта многозначности можно за счет увеличения силы трения или числа каскадов демпфирования. Второй путь является более перспективным, поскольку увеличение силы трения в каскадах неизбежно ведет росту ускорений системы и уменьшению эффективности сейсмоизоляции. При применении большего числа каскадов происходит сужение диапазона опасных частот, что проиллюстрировано на рисунке 4.

Анализ АЧХ позволил также уточнить выводы сделанные в работе О.А.Савинова и В.В. Сахаравой о влиянии многокаскадпости па ускорения и смещения сейсмоизолированных систем. В этой работе отмечалось, что применение многокаскадпости не влияет па ускорения системы, а значительно сказывается на снижение смещений. Этот вывод можно считать справедливым в отношении длинопериодпых воздействий. Для высокочастотных же колебаний, как показано в диссертации, использование многокаскадного демпфирования позволяет добиться существенного снижения максимальных ускорений системы.

Проведенный анализ дал возможность сузить диапазон для численной оптимизации параметров демпфирования. В качестве целевой функции в диссертации были приняты максимальные ускорения рассматриваемых систем при установлении ограничений на взаимные смещения изолированных частей здания. Оптимизируемыми параметрами в работе явились упругие (жесткость каскадов)

Рис. 4. А ЧХ для сейсмоизолировашюй системы с одиокаскадиым и двухкаскадпым ДСТ

п демпфирующие (сила трепня в каскадах) характеристики системы сеисмозащи-ты. Процедура оптимизации осуществлялась путем прямого перебора указанных параметров па сетке их возможных значении.

Некоторые результаты численного анализа систем с двухкаскадпым демпфированием на сейсмическое воздействия Melena приведены на рисунке 5, на котором показаны зависимости максимальных ускорений системы от распределения относительного коэффициента трения (Г, и (\) между каскадами при соотношении их жесткостсй Сз:С) = 1:5 (Рис.5-а) и C2:Ci = l :3 (Рис.5-6).

В работе показано, что суммарная сила трения в каскадах может быть снижена по сравнению с существующими рекомендациями с 20% до 12-14% ог веса здания, что позволяет значительно повысить эффект ссйсмозащиты и уменьшить износ и стоимость дополнительных демпфирующих устройств. За счеi использования уточненного пакета акселерограмм и более мелкого, чем в рапсе выполненных работах, шага варьирования параметров в работе удалось установить оптимальное соотношение жесткостсй и сил трения демпферов каскадов. Оказалось, что для двухкаскадного демпфирования минимум ускорений системы достигается в случае, когда суммарная жесткость каскадов обеспечивает период колебаний заклиненной системы не более 0.25 секунды, а распределение жесткости между каскадами обеспечивает промежуточный период колебаний (когда более жесткий демпфер открыт) - 0.4-0.5 секунд.

Для рекомендованных значений параметров двухкаскадиых демпферов максимальное ускорение системы при воздействии в 9 баллов составляет 1-1.5 м/с2, а для смещений - 8-10см.

В связи с тем, что система сейсмоизолящш оказывается весьма чувствительной к параметрам вспомогательных демпфирующих устройств возникла необходимость регулирования в них сил трения. С этой целью автором совместно с А.А.Долгой разработано новое техническое решение демпфера допускающего регулировку сил трения в процессе монтажа и эксплуатации. Предлагаемый демпфер включает фрикционные элементы расположенные в коробчатом корпусе и обжатые подпружиненными упорами. Благодаря этому в отличие от обычных ДСТ, он не воспринимает и не передает вертикальных нагрузок и тем самым обеспечивается стабильность сил трения в процессе сейсмического воздействия. Данное техническое решение предусматривает настройку упругодемпфирующих

И)

Г:

б)

Ъ

Рис. 5. Графики минимизации ускорения Оля двухкаскадиого демпфирования в зависимости от распределения относительного коэффициента трепня между каскадами па воздействие Helena нормированного па 1: а) для распределении жесткости между каскадами С.:С,= 1:5: б) дли распределения жесткости между каскадами С\:С,= 1:3.

параметров как до монтажа, так и вовремя эксплуатации, что по сравнению с обычными ДСТ, позволяет применять его не только во вновь строящихся, по и эксплуатируемых сооружениях.

Четвертая глава диссертационной работы содержит исследования работы ограничителей перемещений сейсмоизолироваиных зданий и сооружений.

Такого рода устройства применяются, как правило, во всех сейсмостойких конструкциях на сейсмоизолирующих опорах. Однако их работа до настоящего времени мало изучена. В имеющихся исследованиях авторами указывается, что включение ограничителей в работу приводит к перегрузкам конструкций, превышающим сейсмические нагрузки для пессйсмоизолированных зданий. Несмотря на это ограничитель перемещений продолжают применять при строительстве сейсмоизолироваиных зданий. Например, в г.г. Петропавловске-Камчатском и Фрунзе сооружены сейсмоизолировапные здания с размещением в них ограничителей перемещений, причем зазор в ограничителях составляет 5-8 см, что при землетрясениях силон более 8 баллов, неизбежно приведет к ударам об ограничитель. Авторы проектов, сейсмоизолироваиных зданий и сооружений с малым зазором в ограничителе полагают, что за счет упругопластических свойств в ограничителях негативный эффект удара будет исключен или существенно снижен. Однако это предположение требует дополнительного изучения и уточнения.

По конструктивной реализации можно выделить два вида ограничителей перемещений: одно- и двухсторонние. При этом необходимо отметить их принципиальное различие. Двухсторонние ограничители устанавливаются внутри специального проема сейсмоизолироваиных частей конструкции и препятствуют взаимным смещениям изолированных частей, как минимум в двух направлениях. (Рис.ба). Односторонние ограничители располагаются, обычно, попарно снаружи сейсмоизолироваиных частей и препятствуют их смещениям только в одном направлении (Рис.бб).

В процессе колебаний зазор двухсторонних ограничителей остается неизменным, что допускает стационарность колебаний системы. Зазор же односторонних ограничителей с ростом предельных нагрузок при ударе постоянно увеличивается, что делает систему не стационарной.

В литературе приводятся данные о работе лишь двухсторонних ограничителей, хотя на практике применяются ограничители обоих типов. В связи с этим в

а)

б)

Сг я,

Нг

с

Рис.6. Расчетные схемы сейсмоизолированных систем супругопластическим ограничителем перемещений: а) двухсторонним; б) односторонним. Си- жесткость изоляции, С,, #,■, А, - жесткость, сила трения и величина зазора

диссертации рассмотрены как односторонние, так двухсторонние упругопласти-ческие ограничители перемещений. Также как и для задач оптимизации многокаскадного демпфирования, численной процедуре предшествовал качественный предварительный анализ системы с двухсторонним ограничителем. АЧХ такой системы характеризуется многозначностью решений и жесткой характеристикой нелинейности. Как показал анализ, возникают опасные удары об ограничитель, о чем свидетельствуют большие пиковые ускорения на АЧХ и появляется возможностью эффекта затягивания системы, т.е. движение ее вслед за ограничителем. Придание им упругопластических свойств может снизить негативные ударные эффекты, но не исключает их.

Изучение двухстороннего ограничителя при уточненном подходе к заданию сейсмического воздействия и к процедуре численной оптимизации подтверждают рекомендации O.A. Савинова и В.В. Сахаровой о размещении упругопластических ограничителей за пределами расчетных смещений сейсмоизоли-рованных систем, рассматривая их как резервные элементы. Добиться же минимизации ускорений при ограничении смещений удалось лишь при нулевом зазоре в ограничителе, что превращает его в демпфер сухого трения, рекомендации, к подбору параметров которого были рассмотрены выше

i-го ограничителя соответственно.

Что касается односторонних ограничителей, то использование их, в отличие от двухсторонних, приводит к изменению динамических характеристик системы в процессе сейсмических колебаний. В связи с этим исследования данной системы проводились в диссертации па основе численного моделирования сейсмических колебаний.

Исследование работы односторонних ограничителей выполнено в диссертации впервые. При этом численный анализ показал, что при установке пар односторонних ограничителей с пулевым зазором между ограничителем и ссйсмои-золированпой часгыо удастся снизить как максимальные ускорения сооружения (по сравнению с песейсмоизолировапным сооружением), так и максимальные взаимные смещения изолированных частей (по сравнению с системами ссйсмои-золяции без дополнительных элементов сейсмозащнты).

Удар об ограничитель вызывает высшие формы колебаний конструкции, но засчет соответствующего подбора демпфирующих характеристик ограничителя и изменение величины зазора в процессе колебаний, ускорения не достигают предельных величин. При этом суммарное трение в упругопластических ограничителях на 30+35% выше чем суммарное трение при многокаскадном демпфировании и составляет 20-25% от веса здания.

Изложенное позволяет рекомендовать использование односторонних ограничителей в качестве возможного антисейсмического мероприятия, повышающего сейсмостойкость сейсмоизолированных зданий и сооружений.

Пятая глава посвящена исследованию демпфирующих устройств в адаптивных системах сейсмоизоляции.

Такие системы характеризуются необратимыми изменениями динамических параметров в процессе сейсмических колебаний, что приводит в конечном итоге к тому, что конструкция "приспосабливается" к сейсмическим нагрузкам и воспринимает их. Такие изменения динамических характеристик системы реализуются, как правило, путем введения в нее специальных элементов, выключение которых происходит при опасных для защищаемых конструкций динамических нагрузках.

Выполненные в диссертации анализ адаптивных систем подтвердил выводы профессора Л.М.Айзенберга о том, что при надлежащем выборе момента выключения связей можно добиться "приспосабливания" работы конструкции к за-

данной программе иагружения, и обеспечить таким образом, сейсмостойкость здания.

В главе рассматривается вопрос о повышении эффективности адаптивных систем сейсмоизоляции. Сложность его решения, как показано в работе, заключается в том, что момент выключения связей существенно зависит от вида воз-дснствий. Кроме того, при выключении связей возникают колебания системы по высшим формам, что приводит к росту максимальных ускорений. Все это снижает эффективность адаптивных систем. Однако, как показал анализ, выполненный в диссертационной работе, введение в адаптивную систему сейсмоизоляции дополнительных демпфирующих устройств позволяет обеспечить сейсмостойкость сооружения.

Для подбора параметров демпфирования рассмотрена система с выключающимися связями и демпфером сухого трения. В работе показана целесообразность использования эффекта многокаскадности демпфирования как с обычными. так и с адаптивными системами сейсмозащиты. Это связано с тем, что однокаскадный демпфер при большой силе трения может усиливать вызванные разрывом связей колебания по высшим формам в сейсмоизолируемой части конструкции. При попытке же уменьшения влияния высших форм за счет снижения силы трения, ДСТ не осуществляет должного демпфирования длиннопериодных колебаний, возникающих после снижения жесткости системы.

Было установлено, что оптимальное суммарное трение в адаптивных системах с ДСТ составляет 60-70% от оптимального трения в обычных системах сейсмоизоляции с ДСТ. Рекомендации по распределению жесткостей и сил трения между каскадами принимаются аналогично как для многокаскадного демпфирования сейсмоизолированных систем.

С учетом изложенного можно заключить, что в целом, несмотря на более эффективное снижение взаимных смещений, по сравнению с обычными системами сейсмоизоляции (например, при сейсмоизоляции на кинематических опорах), уменьшение ускорений в адаптивных системах несколько ниже, но с помощью соответствующего подбора параметров демпфирования дополнительных сейсмо-защитных устройствах введенных в систему можно добиться их не чувствительности к типу воздействия и тем самым повысить стабильность работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Надежность н эффективность систем сейсмоизоляции обеспечивается за счет применения демпфирующих устройств, простейшими из которых являются демпферы сухого трения. Однако они не всегда обеспечивают необходимую сейсмостойкость. Для се достижения в систему сейсмоизоляции включаются дополнительные сейсмозащитные устройства - различного рода ограничители перемещений, многокаскадные демпферы и адаптивные системы с выключающимися связями. Указанные устройства характеризуются существенной нелинейностью и их эффективность в значительной мере зависит от их упругодемпфиругощих параметров.

2. Для исследования нелинейных колебаний систем с сейсмоизоляцией рекомендуется применение численных методов, основанных на представлении решения в форме интеграла Дюамеля. В диссертации развита методика численного интегрирования кусочно-линейных систем с представлением решения в форме интеграла Дюамеля. При этом разработаны математические модели многокаскадных демпферов, двухсторонних и односторонних ограничителей перемещений и адаптивных систем сейсмоизоляции с демпферами сухого трения. Дано обобщение расчетных формул интегрирования для систем с отрицательной жесткостью. Для реализации разработанных предложений автором подготовлено необходимое программное обеспечение на языке С++.

3. Многокаскадное демпфирование позволяет улучшить работу систем сейсмоизоляции, существенно уменьшить взаимные перемещения сейсмоизоли-рованных частей сооружения и снизить их ускорения при высокочастотных сейсмических воздействиях по сравнению с однокаскадным демпфированием. При этом распределение трения между каскадами не влияет на величину максимальных ускорений системы, но существенно влияет на величину взаимных смещений изолированного сооружения.

4. Как показал анализ колебаний систем с многокаскадными демпферами сухого трения, для минимизации ускорений системы суммарное трение в каскадах должно составлять 12-14% от веса сейсмоизолированной части сооружения, что несколько меньше значения сил трения, составляющего 20% от веса сооруже-

пия, рекомендованного ранее в работе О.Л.Савинова и В.В.Сахаровой. Указанное снижение связано с тем, что в диссертационной работе использован уточненный пакет акселерограмм, учитывающий уменьшение амплитуды сейсмических ускорений с увеличением преобладающего периода воздействия.

5. По результатам оптимизация упругодемпфирующих параметров многокаскадного демпфирования установлено, что в рамках одного балла суммарное трение не зависит от спектрального состава воздействия и его распределения между каскадами и возрастает прямо пропорционально амплитуде расчетного ускорения.

Для минимизации ускорений сооружения при допустимых взаимных смещениях фундаментных плит упругодемпфирующие параметры двухкаскадпого демпфирования должны обеспечивать следующие динамические характеристики сепсмоизолироваиных систем:

- период колебаний сейсмоизолированной системы (оба демпфера открыты) Ти = 2 е.;

- период колебаний системы при одном закрытом (более гибком) каскаде Т2=0.4-0.5с.;

- период колебаний системы с двумя закрытыми каскадами Т1=0.2-0.25с. При этом трение в первом каскаде должно быть как минимум в 3 раза больше чем трение во втором каскаде. По сравнению с однокаскадпым демпфированием применение многокаскадного позволило на 30-40% уменьшить максимальные ускорения системы за счет снижения ускорения по высшим формам колебаний.

6. Выполненные в диссертации исследования подтвердили опасность удара сейсмоизолированного сооружения об ограничитель перемещений. При этом указывается на существенное различие между двухсторонними и односторонними ограничителями. Двухсторонние - препятствуют взаимным смещениям изолированных частей сооружения, как минимум в двух направлениях и характеризуются постоянством динамических характеристик. При этом минимизация ускорений достигается при нулевом зазоре, т.е. когда система превращается в демпфер сухого трения. При зазоре отличном от нуля, пиковые ускорения превосходят максимально допустимые ускорения конструкции, во избежание чего следует устанавливать двухсторонние ограничители за пределами расчетных смещений сооружения.

Исследование работы односторонних ограничителей выполнено в диссертации в первые. Они относятся к нестационарным системам, за счет меняющихся в процессе колебаний параметров (величины зазора), гашение колебаний при этом происходит только в одном направлении движения. При практическом применении рекомендуется устанавливать ограничители с начальным нулевым зазором, а суммарную силу трения назначать в пределах 20-25% от веса здания. Жесткостные параметры одностороннего ограничителя перемещений должны обеспечивать парциальный период колебаний заклиненной системы в пределах 0.2-0.3с. При рекомендуемых упругодемпфирующих параметрах система сейс-моизоляции с таким ограничителем позволяет снизить максимальные ускорения конструкции до 1.5-2м/с2, а взаимных смещений - до 8-10 см.

Изложенное позволяет рекомендовать использование односторонних ограничителей в качестве возможного антисейсмического мероприятия, повышающего сейсмотойкость сейсмоизолированных зданий и сооружений.

7. Как показал анализ, адаптивные системы сейсмоизоляции по эффекту снижения ускорений несколько уступают системам сейсмоизоляции с демпферами сухого трения, однако позволяют обеспечить меньшие взаимные смещения сейсмоизолированных частей сооружения, особенно в сочетании с демпфирующими элементами. Кроме того, за счет выключения связей, исключающих режим резонансных колебаний, оптимальные силы трения в каскадах демпфирования снижаются на 30-40% по сравнению с сейсмоизолированными системами с многокаскадным демпфированием без адаптивных элементов. Оптимально-предельные смещения каскадов выключающихся связей зависят от типа расчетного воздействия и линейно возрастают с увеличением его ускорения.

8.Сопоставительный анализ рассматриваемых систем показал, что наибольшего эффекта по снижению ускорений при ограничении смещений удается добиться при использовании многокаскадного демпфирования.

9. Предложено техническое решение позволяющее реализовать многокас-кадность демпфирования не только в строящихся, но и в эксплуатируемых сейсмоизолированных зданиях и сооружениях.

Основные положении диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гордеев Ю.В., Кузнецова И.О. Моделирование устройств специальной сейс-мозащиты кусочно-линейными системами// Э-И. "Сейсмостойкое строительство", Вып.4, 1996, с. 37-41.

2. Гордеев Ю.В., Уздип Л.М. Динамический гаситель колебаний для защиты сооружений. Зарубежный опыт. II Э-И. "Сейсмостойкое строительство". Вып.4, 1996, с. 60-64.

3. Гордеев Ю.В., Долгая A.A., Уздин A.M. Оптимизация трения в задачах проектирования специальных систем сейсмозащиты зданий и сооружений// Сборник тезисов докладов. 1-я Международная конференция "Сейсмическая безопасность урбанизированных территорий", г. Петропавловск-Камчатский, 1216.02.1996г. с.70-71.

4. Гордеев Ю.В., Уздин A.M. Особенности расчета сейсмоизолированных сейсмоизолированных систем на кинематических фундаментах с отрицательной жесткостью // Э-И. "Сейсмостойкое строительство", Вып.4, 1997, с. 39-44.

5. Гордеев Ю.В., Долгая A.A., Уздин A.M. Оптимизация параметров сейсмоизо-лирующих фундаментов с учетом многозначности решений уравнений сейсмических колебаний сейсмоизолированных сооружений// Э-И. "Сейсмостойкое строительство", Вып.4, 1997, с. 44-47.

6. Гордеев Ю.В., Уздин A.M. Применение специальных демпфирующих устройств в системах сейсмоизоляции. Зарубежный опыт. // Э-И. "Сейсмостойкое строительство", Вып.4, 1997, с. 56-63.

7. Гордеев Ю.В. Исследование и оптимизация систем многокаскадного демпфирования сейсмизолированных фундаментов.// Сборник тезисов докладов. Вторые Савиновские Чтения. г.Санкт-Петербург, 23-26.06.1997г., с.38^

Подписано к печати II.I¿.97 г. Усл. п.л. 1,3

Лечагь обсегяая. Букага для аконит, аяп. Формат 60x84 1/16

Тиран 100 экз. Заказ_!:=_-/А'^____________

" Тш.НШГО ШОПЗГ Ч-нетепбург, йоскозсклП пр.,3