автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование сейсмостойкости каркасных деревянных зданий с учетом нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала элементов

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие положения.

1.2. Анализ поведения деревянных зданий во время землетрясений.

1.3. Существующие конструктивные решения деревянных зданий и методы повышения их сейсмостойкости.

1.4. Общая характеристика теоретических и экспериментальных исследований деревянных конструкций при сейсмическом воздействии.

1.5. Выводы по главе.

2. ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ МАЛОЭТАЖНОГО ДЕРЕВЯННОГО ЗДАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА.

2.1 .Общие положения.

2.2. Описание выбранной конструкции малоэтажного деревянного здания каркасного типа.

2.3. Конечно-элементная модель рассматриваемого здания.

2.4. Определение динамических характеристик объекта исследования

2.5. Исследование сейсмостойкости принятой конструкции деревянного здания с использованием норм России и ряда зарубежных стран.

2.5.1. Определение сейсмических нагрузок по нормам России

2.5.2. Определение сейсмических сил по нормам США.

2.5.3. Определение сейсмических сил по нормам Японии.

2.5.4. Оценка усилий и напряжений в элементах рассматриваемой конструкции.

2.6. Динамический расчет рассматриваемого здания.

2.7. Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ В ЛИНЯНИЯ НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИХ И ДИССИПАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЯ НА ЕГО СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ.

3.1. Общие положения.

3.2. Описание принятой расчетной схемы, нелинейных моделей деформирования и разработка методики исследования

3.3. Анализ особенностей работы исследуемого объекта с использованием принятых нелинейно-упругих и диссипаных характеристик.

3.4. Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ДЕРЕВЯННОГО ЗДАНИЯ.

4.1. Общие положения.

4.2. Описание экспериментальных установок и контрольно-измерительной аппаратуры.

4.3. Испытания узла "колонна - балка".

4.3.1. Исследование фрикционных свойств различных пар трения. Методика и постановка эксперимента.

4.3.2. Статическое загружение узла знакопеременной нагрузкой.

4.4. Испытание фрагмента ограждающей конструкции.

4.4.1. Исследование демпфирующих свойств. Методика проведения эксперимента.

4.4.2. Квазистатические испытания фрагмента ограждающей конструкции на изгиб. Методика проведения эксперимента.

4.5. Динамические испытания нагельных соединений.

4.5.1. Методика проведения эксперимента.

4.5.2. Анализ полученных результатов экспериментальных 126 исследований.

4.6. Выводы по главе.

5. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ДЕРЕВЯННЫХ ЗДАНИЙ КАРКАС

НОГО ТИПА.

5.1. Анализ работы нагельного узла крепления балки и стойки каркаса с нелинейной характеристикой деформирования, полученной при испытаниях натурного фрагмента.

5.2. Выбор расчетных моделей здания, определяющих характеристик и системы дифференциальных уравнений сейсмических колебаний.

5.3. Методика оценки эффективности конструктивных решений

5.3.1. Оценка численных значений параметров расчетных моделей.

5.3.2. Параметры оценки конструктивных решений для повышения сейсмостойкости здания.

5.4. Анализ результатов выполненных расчетов.

5.4.1. Расчетная модель здания как линейная система с 3 степенями свободы (базовая модель).

5.4.2. Расчетная модель как система с 3 степенями свободы и сухим трением в креплении опор.

5.4.3. Расчетная модель как система с 3 степенями свободы и вязким трением в креплении опор.

5.4.4. Расчетная модель как система с 6 степенями свободы и дополнительной податливостью в креплении перекрытий этажей к опорным элементам каркаса.

5.5. Выводы по главе.

Древесина является одним из древнейших материалов применяемых в строительстве, достаточно легко обрабатывается, обладает ценными эксплуатационными качествами. Деревянные дома комфортабельны, энерго-экономичны, экологически безопасны, и в значительных объемах возводятся в США, Японии, Канаде, Франции, Скандинавских и многих других странах мира [16]. В России в настоящее время объем строительства деревянных домов составляет примерно 10-15% от общих объемов жилищного строительства. Кроме того, разработана и реализуется Федеральная целевая программа "Свой дом" ориентированная на развитие строительства недорогих, высококачественных и комфортабельных жилых малоэтажных деревянных домов.

Экономическое развитие богатых лесом восточных регионов России (Бурятия, Якутия, Приморский край и др.) непрерывно связано с решением ряда проблем жизнеобеспечения, в том числе и решением жилищной проблемы. Удаленность большинства районов Приморского Края, Западной и Восточной Сибири, районов БАМа от промышленных центров, существующих заводов ЖБК и других строительных инфраструктур, приводит к тому, что строительство зданий и сооружений из железобетонных конструкций становится в ряде случаев нерентабельным. Поэтому сегодня внимание строителей в этих регионах чаще обращено в сторону местных материалов, среди которых наиболее распространенным является древесина.

Строительство деревянных зданий приходится вести в сейсмически активных районах при сложных инженерно-геологических условиях. Анализ последствий сильных землетрясений показывает, что далеко не все деревянные здания являются сейсмостойкими. Примерами являются разрушения деревянных зданий в Бурятии (1963г., 1995 г.), Японии (1923 г., 1948 г., 1995 г.) и др. До настоящего времени практически отсутствуют рекомендации по проектированию и расчету деревянных зданий (за исключением п. 3.7 СНиП П-7-81* [53] и п.2.14 СНиП П-25-80 [54]).

В связи с этим вопросы обеспечения сейсмостойкости деревянных зданий в районах высокой сейсмической активности при одновременном снижении стоимости их строительства приобретают важное народнохозяйственное значение.

Анализ конструктивных решений зданий выполненных из древесины показывает, что, несмотря на их большое многообразие в современном малоэтажном строительстве можно выделить определенные группы деревянных зданий, несущий остов которых выполнен из бревен, брусьев, панелей и т. п. [66], [30], [15]. Выбор конструктивного решения зависит от многих факторов: климатических, геологических, технологических и др.

Среди существующих конструктивных решений особую группу представляют каркасно-обшивные здания, отвечающие современным требованиям строительства в различных климатических и сейсмических районах. В пользу этого типа конструкций говорят следующие обстоятельства. Согласно СНиП Н-3-79 "Строительная теплотехника" по теплотехническим характеристикам наружных ограждений наиболее целесообразным является применение слоистых ограждающих конструкций, которые наилучшим образом реализуются в каркасных зданиях. Эти здания легко возводятся, отличаются высокими технологическими свойствами, экономичны. По прогнозам специалистов использование легких каркасных конструкций в России к 2005 году увеличится в 3-4 раза [39]. Широкое распространение получили эти конструкции и зарубежом. Так, в США 75% строящихся деревянных домов являются каркасными.

Однако, несмотря на преимущества деревянных зданий каркасного типа, анализ последствий землетрясений показывает, что в них могут возникнуть серьезные повреждения (значительные смещения основания сопровождаются существенным перекосом несущих элементов конструкций, повреждение узловых соединений и т. д.) [Япония -1923 г., 1948 г., Ашхабад-1948 г., Итуруп - 1958 г. и др.].

Недостаточно изученными являются вопросы работы узловых соединений, в которых не учитываются нелинейно-упругие и диссипативные свойства материала элементов при сейсмических нагрузках. Поэтому создание новых конструктивных решений, анализ реальной картины напряженно-деформированного состояния деревянных элементов, достоверная оценка уязвимости конструкции здания в целом связаны с совершенствованием методов расчета деревянных элементов с учетом физической нелинейности их свойств.

Все выше изложенное и определило цель настоящей диссертационной работы: расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование возможности использования деревянных зданий каркасного типа в районах повышенной сейсмической активности с учетом нелинейно-упругих и дис-сипативных свойств материала элементов.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ поведения деревянных зданий, в том числе и каркасного типа, во время землетрясений по данным, имеющимся в литературных источниках;

- выполнить оценку сейсмостойкости деревянных зданий каркасного типа с учетом существующих подходов и рекомендаций;

- исследовать влияние нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала отдельных элементов и узлов рассматриваемой конструкции на динамическую реакцию здания;

- выполнить экспериментальную оценку механических и диссипативных свойств основных элементов и узлов каркасного здания на статическую и динамическую нагрузки;

- выполнить расчетно-теоретические исследования сейсмостойкости с учетом нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала элементов деревянного здания каркасного типа при сейсмических воздействиях различного частотного состава;

- разработать практические рекомендации по применению деревянных конструкций в сейсмоактивных районах.

Диссертация состоит из введения и пяти глав.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В настоящее время в современном малоэтажном строительстве в сейсмических районах богатых лесом широкое распространение получают деревянные здания каркасного типа, преимуществами которых являются высокие технологические свойства, экономичность, экологическая безопасность и легкость возведения. Последствия сильных землетрясений показали, что эти здания, во время сильных землетрясений получают серьезные повреждения, которые сосредоточены в основном в узловых соединениях этих зданий.

2. Установлено, что использование существующих подходов и рекомендаций в оценке сейсмостойкости деревянных зданий каркасного типа не в полной мере отражают их реальный характер работы при землетрясениях, они не позволяют учитывать податливость узловых соединений, нелинейно-упругие и диссипатив-ные свойства материала элементов здания.

3. Результаты предварительного расчетно-теоретического анализа влияния нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала элементов на напряжено-деформированное состояние деревянных конструкций при сейсмических воздействиях различного частотного состава показали, что сейсмостойкость деревянных каркасных зданий может быть существенно повышена, для этого необходимо обеспечить рациональное соотношение между периодом колебаний самого здания и преобладающим периодом землетрясения при соответствующем демпфировании сейсмических колебаний в конструкциях здания.

4. Экспериментально получены диаграммы деформирования узловых соединений каркасного здания на примере нагельного узла: "колонна-балка" для различных конструктивных вариантов соединения. Экспериментальные исследования позволили выявить нелинейный характер работы узловых соединений каркасного здания.

5. Разработана методика оценки сейсмостойкости и выполнены исследования особенностей поведения деревянного здания каркасного типа с учетом нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала его элементов для широкого класса сейсмических воздействий.

6. Установлено, что для снижения сейсмических инерционных нагрузок при сейсмических воздействиях на деревянные конструкции здания каркасного типа необходимо учитывать одновременное снижение общей жесткости его несущих конструкций при обеспечении их деформативности. Показано, что удовлетворение этим требованиям не возможно только за счет использования различных вариантов крепления перекрытий здания к стойкам каркаса. Предлагается предусматривать одновременное использование упругого раскрепления опорных стоек с элементами гашения колебаний, ограничивающими их смещение относительно фундамента (например, элементами сухого трения) и включение упругих элементов в конструкцию перекрытий здания.

7. Для снижения сейсмических нагрузок в два и более раз рекомендуется параметры упругих элементов принимать следующими:

- податливость опорных закреплений и податливость узлов крепления перекрытий к стойкам каркаса должна обеспечивать период собственных колебаний здания в пределах 0,5 с .0.8 с, при

1. Арленинов Д. К. Эффективные деревянные конструкции и методы их расчета с учетом нелинейных зависимостей. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М. -1995.-с. 43.

2. Баранников В.Г., Татьков Г.И. и др. Последствия землетрясений 30 июня 1995 г. в Тункинской долине./Тезисы докладов, Владивосток, Россия, 8-12 сентября 1997 г. с. 37-38.

3. Белинская Т. И., Турков А. В., Хапин А. В. Обоснование целесообразности применения деревянных конструкций в сейсмостойком строительстве. / Сейсмостойкие конструкции зданий и сооружений в Киргизии. Сб. н. тр., Фрунзе, 1990. с. 32-35.

4. Бенин А. В., Иванова Ж. В. Экспериментальные исследования механических свойств узлов деревянного здания при сейсмических воздействиях.// Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2000, №2, с. 19-21.

5. Берестнева Г. Э. Нагельные соединения деревянных элементов с впрессованными стеклопластиковыми втулками. // Автореферат диссретации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 1993 г. -с. 21.

6. Берестнева Г. Э. Исследование нагельных соединений. // Жилищное строительство, 1993, № 35 с.23-25.

7. Болотин В. В., Радин В. П., Чирков В. П. Моделирование динамических процессов в элементах строительных конструкций при землетрясениях//Изв. вузов. Строительство. 1999. № 5. с. 17-21.

8. Быховский В. А. Инженерный анализ последствий землетрясений в Японии и США. М., 1961, 194 е.: ил.

9. Greg С. Foliente, Mahendra P. Singh, J. Daniel Dolan. Response analysis of wood structures under natural hazard dynamic loads // Wood and Fiber Science, vol. 26, № 1, 1999, pp. 110-127.

10. Демин Э. В. Антисейсмические советы самодеятельным строителям. Улан-Удэ, 1995.

11. Демин Э.В. Свод сведений о землетрясениях Удинска-Верхнеудинска-Улан-Удэ. "ДиалогСибирь", 1997. - 75 с.

12. Демин Э.В., Татьков Г.И. Последствия землетрясений на территории Республики Бурятия (1957-1995 г.г.) ТОО "ОЛЗОН" при БНЦ СО РАН, 1996. - 120 с.

13. Деревянные конструкции и детали. Справочник строителя. / Под ред. В. М. Хрулева. М.: Стройиздат, 1983. - 284 с.

14. Деревянные конструкции заводского изготовления. Воронель Д. А. //Обзорная информация. М.: ВНИИНТПИ, 1992.-57 с.

15. Динамические свойства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1940. - 182 с.

16. Dinehart D. W., Shenton Н. W. Ill, Elliot Т.Е. The dynamic response of wood frame shear walls with viscoelastic dampers // Earthquake Spectra, 1999, vol.15, №1, p. 67-86.

17. Дмитриев П. А., Стрижаков Ю. Д., Шведов В. Н. О расчете несимметричных нагельных соединений деревянных элементов со стальными накладками и прокладками. // Изв. вузов. Строительство. 1999. №4. -с. 10-15.

18. Елисеев О. Н., Уздин А. М. Сейсмостойкое строительство. Учебник: в 2-х кн. -СПб.: Изд. ПВВИСУ, 1997. 321 с.

19. Жилые дома панельные и каркасно-панельные. / Каталог типовых проектов жилых домов и хозяйственных построек для индивидуальных застройщиков. Сборник каталожных листов 2.01 ис-84 в трех томах. Том 1. - Ч. 2. - М.: Госстрой СССР ЦИТП, 1984.

20. Казина Г. А., Килимник Л. Ш. Конструкции сейсмостойких зданий в зарубежном строительстве (Обзор). М., 1974.

21. Кириков Б. Н. Сейсмостойкость древних сооружений. М.: Наука, 1992. - 136 с.

22. Кириков Б. А. Особенности обеспечения сейсмостойкости древних сооружений. // Сейсмостойкое строительство, Экспресс-информация, № 2, 1993 с. 7-12.

23. Кириков Б. А. Проектирование сейсмостойких зданий с учетом изучения исследований сильных землетрясений. // Строительство и архитектура. Серия «Строительные конструкции и материала». Обзорная информация. М., ВНИИНТПИ, вып. 2, 1995. - 33 с.

24. Кириков Б. А. О сейсмостойкости деревянных рубленых домов // Сейсмостойкое строительство, 1998, № 1. с.43.

25. Клячко М. А. Землетрясение и мы. Санкт-Петербург. - РИФ "Интеграф", 1999, с. 234.

26. Клячко М.А. Влияние грунтовых условий на последствия Нефтегорского землетрясения. //Промышленное и гражданское строительство, № 2, 1999. С. 38-39.

27. Константинов С. Г., Соколов J1. А. Испытания модульного здания на воздействия природной сейсмики. // Строительство и архитектура. Серия «Сейсмостойкое строительство». Экспресс-информация. М., вып. 6, 1995.-с. 30-35.

28. Конструкции гражданских зданий./Под общ. ред. М. С. Туполева. М.: Стройиздат, 1973.

29. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1968.

30. Корчинский И.Л. Расчет сооружений на сейсмические воздействия, научное сообщение ЦНИИПСа, вып. 14. М.: Госстройиздат, 1962.-с. 161-170.

31. Мартемьянов А. И. Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1985. - 255 с.

32. Helmut G. L., Prion and Andre Filiatrault. Performance of timber structures during the Hyogo-ken Nanbu earthquake of 17 January 1995 // Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 23, № 3, June 1996, p. 652-664.

33. Оразымбетов H. О., Сердюков M. M., Шанин С. А. Ашхабадское землетрясение 1948 г. (Инженерный анализ последствий землетрясения) -М, 1960, 307 е.: ил.

34. Оразымбетов О. Н., Махонин В. В., Лукманов Н. Л. Справочник по местным строительным материалам и их применение. Казахское гос-ное изд-во, Алма-Ата, 1959. - 511 с.

35. Перич А. И. Из чего построить дом. // Строительный экспресс, № 7 (50)/99 апрель, с. 28-29.

36. Поляков С. В. Сейсмостойкие конструкции зданий (Основы теории сейсмостойкости). М.: Выш. шк., 1983. - 304 е.: ил.

37. Поляков С. В. Газлийские землетрясения 1976 г. (Инженерный анализ последствий) М.: Наука, 1982.

38. Поляков С. В. Последствия сильных землетрясений. М.: Стройиздат, 1978, 311 с.

39. Проектирование сейсмостойких зданий. Под общ. ред. С. В. Полякова. М.: Изд. лит-ры по стр-ву, 1971, 256 с.

40. Прогрессивные древесные материалы в строительстве односемейных жилых домов. Гуськов И. М. Обзорная информация. М. -ВНИИНТПИ, 1997, с.45.

41. Проневич В. П. Деревянное домостроение для БАМ. М., Лесная пром-ть, 1977, 69 с.

42. Проневич В. П. Деревянное панельное домостроение. М., Лесная пром-ть, 1984.

43. Parisi М.А. Seismic behavior and modeling of traditional timber roof structures //11th European Conference on Earthquake Engineering, 1998 Balkema, Rotterdam.

44. Paz M. International Handbook of Earthquake Engineering: Codes, Programs and Examples / Mario Paz, 1994. -545 p.

45. Polensak Anton, Kenneth M. Bastendorff. Damping in nailed joints of light-frame wood buildings. // Wood and Fiber Science, vol. 19, № 2, 1987, pp.110-125.

46. Preliminary Reconnaissance Report of the 1995 Hyogoken-Nanbu Earthquake (English ed.) / The Architectural Institute of Japan, April 1995, pp. 53-56.

47. Рустанович Д. H. Изучение разрушительных последствий Байкальского землетрясения 29 августа 1959 г. // "Вопросы инженерной сейсмологии", вып. 5. Труды Института Физики Земли АН СССР, № 17 (184), 1961.

48. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах.-М.: Минстрой России, 1996.- с.

49. СНиП И-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования /Минстрой России М.: ГП ЦПП, 1996. -30с.

50. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. /Минстрой России. -М.: ГП ЦПП. 1996.-44 с.

51. Y. Tomioka, J. Kawaguchi, S. Morino and H. Fukao. Damages to timber houses caused by South-Hyogo Earthquake and feasibility of structural design criteria // Eleventh World Conference on Earthquake Engineering, 1996, p. 613.

52. Турков А. В. Разработка и исследование ребристого купола из деревянных клееных элементов при статических и сейсмическихнагрузках. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., МИСИ им. Куйбашева 1989. - с. 19.

53. Уздин А. М., Сандович Т. А., Аль-Насер-Мохомад Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. -СПб.: Изд-во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 1993. -С. 176.

54. Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений ./Информационно-аналитический бюллетень. Экстренный выпуск, октябрь, 1995 г.

55. Федотов С. А. Макросейсмическое описание Иркутского землетрясений 7 ноября 1958 г. // "Вопросы инженерной сейсмологии", вып. 5. Труды Института Физики Земли АН СССР, № 17 (184), 1961.

56. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. -279 с.

57. Fumiaki Uehan and Yutaka Nakamura. Ground motion characteristics around Kobe city detected by microtremor measurement The great hanshin earthquake disaster // Eleventh World Conference on Earthquake Engineering, 1996, p. 714.

58. Хорнер Г. Сейсмостойкость деревянных междуэтажных перекрытий. // «Строительная индустрия», 1934, № 3.

59. Хрулев В. М., Дудник В. Т., Скрипкин Б. К., Кондрашов С. М. Строительные материалы в малоэтажном домостроении Севера и Сибири. -Л.: Стройиздат, JI-кое отд., 1989. 153 е.: ил.186

60. Цшохер В. О., Быховский В. А. Антисейсмическое строительство. М., 1937, 103 с.

61. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. Учебное пособие. /Под. ред. Б. П. Демидовича/ Б. П. Демидович, И. А. Марон, Э. 3. Шувалова М., Издательство "Наука", 1967.

62. Шаблинский Г. Э., Завалишин С. И., Жаворонок И. В., Швей Е. М., Грошев М. Е. Исследование сейсмостойкости деревянных полносборных домов // Сейсмостойкое строительство, 1999, № 4, с.25-28.

63. Шевцов К. К. Проектирование зданий для районов с особыми природно-климатическими условиями. М.: "Высшая школа", 1986. -с.232.а)1. Период осциллятора Т, сб)1. Период осциллятора Т, с