автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Натурные исследования сейсмостойкости и особенностей динамических явлений в строительных конструкциях гражданских и энергетических объектов

ООЬОЬО*'«

На правах рукописи

РУМЯНЦЕВ АНТОН АНДРЕЕВИЧ

НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ И ОСОБЕННОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ГРАЖДАНСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005058270

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шаблинский Георгий Эдуардович

Официальные оппоненты: Жарницкий Виталий Иосифович, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры Железобетонных и каменных конструкций

Старчевский Александр Васильевич

кандидат технических наук, главный инженер ООО «Инжсстройсервис-1»

Ведущая организация: Центр службы геодинамических

наблюдений в электроэнергетической области (ЦСГНЭО) - филиал ОАО «Институт Гидропроект»

Защита диссертации состоится 31 мая 2013 года в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.138.12 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «_»_2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Анохин Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Развитие научно-технического прогресса во всем мире способствует, в частности, росту нагрузок на строительные конструкции от оборудования различного рода технологических процессов. В числе этих нагрузок значительную роль играют динамические нагрузки. Динамические нагрузки на строительные конструкции могут создавать движение транспорта, технологические процессы, землетрясения и др.

Современные компьютерные расчетные комплексы позволяют решать задачи практически любой сложности. Однако при расчетах сооружений на динамические нагрузки зачастую возникает вопрос адекватности расчетной модели реальному сооружению. Зачастую остаются идеализированными множество факторов, влияющих на динамические характеристики системы такие, например, как, жесткости узлов сопряжений конструкций, жесткости номинально ненесущих элементов, или многослойных несущих элементов, различные интегральные характеристики основания и т.п.

Динамические характеристики зданий и сооружений (частоты и формы собственных колебаний, декременты колебаний) являются интегральными характеристиками всего сооружения в целом.

В свете множества произошедших за последнее время в мире разрушительных землетрясений, а также масштабного строительства сооружений на территории Российской Федерации в регионах с высокой сейсмической активностью (например, в г. Сочи) актуальной является также задача оценки сейсмостойкости сооружений посредствам их натурных динамических исследований.

Таким образом, натурные динамические исследования различных сооружений совместно с построением компьютерных расчетных моделей и последующей верификацией этих моделей по результатам натурных экспериментов является одной из важнейших задач современной строительной науки.

Цели диссеитационпой работы:

• Разработать методики натурных динамических исследований сооружений с различными методами возбуждения колебаний (резонансным, импульсным, фоновым) и применением современных виброизмерительных комплексов с последующей апробацией методик на гражданских и энергетических объектах.

• Разработать методику моделирования сейсмического эффекта посредствам поверхностных волн создаваемых мощной вибромашиной, устанавливаемой на грунт.

• Разработать экспериментально-расчетную методику оценки сейсмостойкости сооружений на основе натурных динамических исследований резонансным методом с использованием мощной вибромашины, установленной на грунте.

• Исследовать задачу оценки адекватности расчетной компьютерной модели реально возведенному сооружению посредствам исследования его колебаний от импульсных воздействий.

• Исследовать задачу уточнения и корректировки компьютерной расчетной модели с помощью натурных измерений колебаний строительных конструкций главного корпуса АЭС от фонового вибрационного воздействия.

• Провести анализ эффективности различных методов исследования динамических характеристик (резонансного, импульсного и фонового).

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Проведена динамическая верификация специально оборудованного полигона на территории филиала МГСУ для исследования поверхностных волн, создаваемых мощной вибромашиной, устанавливаемой на грунте с целью моделирования создаваемого сейсмического эффекта.

• Разработана экспериментально-расчетная методика натурных исследований сейсмостойкости зданий, возведенных в сейсмически активных районах с моделированием сейсмических эффектов специальной мощной вибромашиной установленной на грунте и последующими основанными на эксперименте расчетами.

• Решена задача оценки адекватности расчетной компьютерной модели реально возведенному сооружению посредствам исследования его колебаний от импульсных воздействий.

• Решена задача уточнения и корректировки компьютерной расчетной модели с помощью натурных измерений колебаний строительных конструкций главного корпуса АЭС от фонового вибрационного воздействия.

• Проведен анализ эффективности различных методов динамических исследований зданий и сооружений (резонансного, импульсного и фонового).

Достоверность результатов обеспечена системой калибровки измерительного оборудования гарантированной фирмами изготовителями и институтом экспериментальной механики (НИИЭМ МГСУ), а также строгостью постановки задачи и использованием лицензионных программных комплексов при выполнении расчетов.

Практическая значимость.

• Создана современная комплексная экспериментальная база для натурных динамических исследований зданий и сооружений различными методами искусственного возбуждения колебаний.

• По результатам проведенных в работе исследований:

подтверждена сейсмостойкость здания объемно-блочной конструкции в г. Краснодар;

верифицирована расчетная компьютерная модель большепролетного купола общественного здания в г. Волжский, тем самым обоснован компьютерный расчет;

- откорректирована расчетная модель главного корпуса АЭС, выполненная по первоначальным проектным чертежам, что стало

одним из важных факторов при принятии решения о продлении сроков эксплуатации этого объекта.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Инженерные системы 2009» г. Москва, РУДН, 2009 г, на конференции «Предотвращение аварий зданий и сооружений», г. Москва, ИМЭМО РАН, 2009 г, а также на Международной научно-практической конференции «Теория и практика расчета зданий и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» г. Москва, МГСУ 2008 г.

Публикации.

Опубликовано 11 научных статей по теме диссертации; из них 6 в изданиях рекомендуемых ВАК России: 3 - в журнале «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений», 3 - в журнале «Вестник МГСУ». 5 статей опубликовано в сборниках трудов различных конференций.

На защиту выносятся:

• Результаты исследования распространения упругих колебаний в грунте, создаваемых вибромашиной.

• Методика расчетно-экспериментального исследования сейсмостойкости здания повышенной этажности при воздействии на него сейсмического вида нагрузки создаваемой вибромашиной установленной на грунте основания.

• Результаты натурного динамического исследования купольной части здания из стальных конструкций для сравнения с результатами расчета на математической модели этого купола.

• Результаты натурных динамических исследований строительных конструкций главного корпуса АЭС и использования их для построения и корректировки его математической модели. Результаты исследования влияния номинально ненесущих элементов на модель главного корпуса АЭС.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов и библиографического списка. Объем работы 196 стр., включая 127 графиков и рисунков, 19 таблиц, библиографический список из 134 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель исследований и основные направления диссертационной работы.

Первая глава содержит обзор основных методов и результатов натурных динамических исследований зданий и сооружений.

Экспериментальные методы динамических исследований зданий и сооружений можно разделить на модельные и натурные.

В первом случае исследования проводятся на моделях сооружений, геометрически подобных натуре, выполненных в определенном масштабе из специальных материалов. При этом задание сейсмической нагрузки

(масштабы по времени, амплитудам ускорений и смещений) и пересчет результатов испытаний на натуру осуществляются на основе законов подобия. В настоящее время в связи с развитием вычислительной техники он редко применяется ввиду большой трудоемкости.

Во втором случае исследования проводятся на уже построенных сооружениях в натуре. Необходимость таких исследований определяется тем, что и теоретические расчеты, и модельные исследования предполагают определенную идеализацию реального сооружения. И в том, и в другом случае приходится обычно прибегать к конструктивным упрощениям, идеализации связей между элементами и свойствами материала сооружения. В результате, предполагаемые динамические характеристики сооружения и его поведение при динамических воздействиях по данным указанных исследований могут как-то отличаться от реальных динамических характеристик. Реальные же характеристики сооружения могут быть определены только на основании его натурных исследований.

Далее представлен обзор результатов натурных динамических исследований гражданских и энергетических зданий и сооружений различных конструктивных схем. Возбуждение колебаний при испытаниях производилось различными вибраторами, а также импульсами. .Приведены результаты в виде таблиц с собственными частотами, формами и декрементами колебаний.

В заключении главы сформированы цели этой диссертационной работы.

Вторая глава описывает методику проведения натурных динамических испытаний.

Для регистрации колебаний конструкций их необходимо возбудить. Далее даны примеры и описание основных естественных и искусственных возбудителей колебаний.

Основными естественными возбудителями колебаний сооружений являются микросейсмы, фоновые техногенные воздействия, динамическая составляющая ветровой нагрузки.

В случае неэффективности воздействия этих возбудителей колебаний на сооружение применяются искусственные возбудители - импульсные воздействия или специальные вибраторы.

Импульсный метод возбуждения колебаний подразумевает приложение единовременной импульсной нагрузки в ключевой точке отдельной несущей конструкции здания, например, в точке, где предполагаются максимальные амплитуды колебаний. Тем самым импульс возбуждает искомые колебания частот и форм, с максимумом амплитуд, находящимся в точке приложения импульса.

Например, в пролетных конструкциях для определения первой формы вертикальных колебаний необходимо прикладывать импульсное воздействие в середине пролета конструкции. Для получения кососимметричной формы колебаний пролетной конструкции импульсную нагрузку необходимо прикладывать уже на расстоянии примерно четверти пролета от опоры.

При исследовании динамических характеристик отдельной конструкции или какой-либо части сооружения (отдельно взятой группы конструкций, выделенной из общего объема сооружения) в качестве импульса может быть использован сброс небольшого груза (до 50 кг) с небольшой высоты (с высоты роста человека или строительной туры). Например, сброс мешка с песком на плиты перекрытия в середине пролета ригеля перекрытия. Также в качестве импульса могут быть использованы различные ударные нагрузки. Пример применения импульсной нагрузки представлен в 4-й главе диссертации.

В отдельных случаях требуется возбуждения колебаний не отдельной конструкции, а всего сооружения в целом. В этом случае импульсную нагрузку необходимо прикладывать в ключевых точках конструкций здания: узлах опирания ригелей на колонны, узлах опирания второстепенных балок на главные балки и т.п. При таких исследованиях также важна величина импульсной нагрузки, которая должна быть достаточной для возбуждения колебаний всего сооружения в целом.

Резонансный метод возбуждения колебаний является наиболее эффективным и в тоже время является намного более трудоемким. Он подразумевает создание и использование в качестве возбудителей колебаний специальных вибраторов, устанавливаемых непосредственно на само сооружение или вблизи него на фунте. Вибратор создает гармонические колебания и может плавно изменять частоты этих колебаний и, следовательно, частоты воздействия на сооружение. Таким образом, происходит плавное' и полностью подконтрольное «сканирование» частот колебаний вибратора и вынужденных колебаний сооружения. В момент, когда частота вибратора совпадает с одной из собственных частот конструкций здания или сооружения, в ней (конструкции) возникает резонансный эффект, который фиксируется регистрирующими приборами.

Далее описывается принцип действия и результаты полигонных испытаний специальной мощной вибромашины дебалансного типа направленного действия, создающей нагрузку с помощью грузов, вращающихся на горизонтальных параллельных валах.

Армювффе

толщиной 100 *еп

Рисунок 1. Схема установки вибромашины на грунт

' Более ранние исследования проводились с установкой вибромашин на покрытия сооружений, что приводило зачастую к разрушению конструкций. Совместно с Зубковым Д.А. и Головановым P.O. были проведены полигонные испытания вибромашины, устанавливаемой на грунт, для моделирования сейсмического эффекта. Полигон располагался на территории филиала МГСУ в г. Мытищи.

Колебания фиксировались на грунте в двух перпендикулярных направлениях на расстоянии до 164 м по направлению X, и до 100 м по направлению Y. Далее приведены графики распределения амплитуд скоростей колебаний по трем компонентам на различных частотах в зависимости от удаления от вибромашины.

-юга

-9П< 8П* -ЛЬ -б ГЦ -5Г1! -41*

20м 40м 60м 80 к 100« 120м 140а 164 ж Уд«л«юм от якбрсмиам^ м

Рисунок 2. Амплитуды скоростей горизонтальных колебаний грунта по направлению X (компонента Y)

я

'I

k ° i

о.эт»

fTf

. «Ow tiOy 40» 20м Зм

Рисуиок 3. График распределения амплитуд колебаний по направлению X (компонента X), создаваемых вибромашиной на частоте 10 Гц

По результатам исследования были сделаны следующие выводы:

1. Быстрое уменьшение амплитуд продольных колебаний на первых 20-ти метрах от вибромашины.

2. На расстоянии до 3-х метров от вибромашины возникают неупругие деформации грунта.

3. Упругие колебания грунта, вызванные вибромашиной, имеют сложный волновой характер и относительно медленно затухают с расстоянием.

4. Несмотря на направляемый характер вибраций, создаваемых вибромашиной, колебания от нее распространяются во все стороны, образуя волновое поле с относительно слабым затуханием в данном грунте, и в каждой точке проявляются колебания по двум горизонтальным и вертикальной компонентам.

5. Исследования показали возможность эффективного использования вибромашины, установленной на грунте основания, для изучения динамических характеристик здания или группы зданий, находящихся на значительном расстоянии от нее, что обеспечивает большую маневренность при организации таких работ при полной безопасности испытуемых объектов.

6. При исследованиях сейсмостойкости зданий, для получения наибольшего сейсмического эффекта от вибромашины, ее следует устанавливать на грунт основания на расстоянии примерно 4-5 метров от фундаментной части здания.

Также в заключительной чаети главы приведен краткий обзор современных приборов, регистрирующих колебания. В экспериментах мы применялись: модернизированные виброметры СМ-Зм совместно с аналогово-цифровым преобразователем; широкополосные цифровые сейсмометры СМС-бТО фирмы Оига1р, акселерометры фирмы ОеоБЮ, акселерометр, разработанный МНИИТЭП, трехкомпонентный сейсмоприемник 8Р-400 фирмы ЕЕЫТЕС. По результатам множества сравнительных тестов и проведенных экспериментов на различных объектах основным регистратором был рекомендован велосиметр фирмы ЕЕОТЕС.

Третья глава посвящена разработке методики исследований сейсмостойкости зданий в натурных условиях с использованием специальной вибромашины. Предыдущие исследования такого рода с установкой вибраторов на покрытиях позволяли создавать большие инерционные нагрузки, однако эти нагрузки по характеру существенно отличались от сейсмических.

В качестве объекта исследований и для разработки методики было использовано 16-ти этажное здание объемно-блочной конструкции возведенное в г. Краснодаре. Задача исследования состояла в разработке методики и оценке сейсмостойкости данного типа здания применительно к сейсмичности района строительства на основе его натурных испытаний. Подразумевалось применение резонансного метода возбуждения колебаний установленной на грунте основания здания вибромашиной направленного действия.

Рисунок 4. Общий вид здания в период испытании

В разделе посвященном методике проведения эксперимента описаны местоположение и условия установки вибромашины относительно исследуемого здания, а также схема расстановки регистрирующих колебания приборов. Согласно результатам полигонных испытаний, описанных во второй главе, вибромашина устанавливалась на специальный железобетонный фундамент на расстоянии 5 м от продольной стены здания.

Рисунок 5. Схема установки вибромашины относительно здания

г

Рисунок 6. Общий вид вибромашины, подготовленной к испытаниям здания

Такая схема установки позволяла создавать гармонического вида нагрузку, направленную в поперечном направлении к зданию. Регистрирующие приборы устанавливались в 4-х точках по высоте здания, а также в 4-х точках по длине здания на покрытии. Такая схема размещения сейсмометров по высоте здания определялась из условия зафиксировать до 3-х консольных форм колебаний. Схема размещения сейсмометров на верхней отметке по длине здания имела целью зафиксировать во время испытаний возможные крутильные колебания здания.

Воздействие вибромашиной производилось на разных частотах и с различной интенсивностью (регулировалось количеством грузов на валах машины). Валы вибромашины плавно раскручивались до частоты в несколько герц с последующим сбросом оборотов до нуля, выполнялось своеобразное «частотное сканирование».

В качестве результатов эксперимента получены низшие собственные частоты и соответствующие им формы продольных и поперечных колебаний здания, величины ускорений и смещений в основании и по высоте здания.

Рисунок 7. Запись ускорений и энергетический спектр поперечных колебаний здания по высоте при режиме работы вибромашины 0-1 Гц

а) поперечные колебания

б) продольные колебания

Рисунок 8. Нормированные формы колебаний здания по высоте

Затем по результатам натурных исследований был проведен расчет конструкций здания на нагрузку, вычисляемую по спектрам ускорений максимальных расчетных землетрясений для Краснодара по данным ЦСГНЭО (спектральный метод), а также расчет конечноэлементной модели здания на сейсмическую нагрузку, заданную акселерограммами расчетных землетрясений для г. Краснодара (методом конечных элементов).

г

/

Ґ

—Л»

ч .

//

Акселерограммарасчетных сейсмичесхих воздействий на глубине 10.0 м для инженерно-геологических условий площадки строительства по г. Краснодар (Т=500 лет! Компонента У

0.000 2.0004.000 6.000 й 00010.0002.0004 ооав.ооав.оосю.оосег 0014 ООНб.ОС Время в секундах

а) спектры ускорений расчетных 6) акселерограмма расчетного

землетрясений по данным ЦСГНЭО сейсмического воздействия

Рисунок 9. Задаваемые сейсмические нагрузки

а) спектральный метод расчета 6) МКЭ расчет

Рисунок 10. График распределения ускорений по высоте здания для типовой секции (слева), крутильная форма колебаний КЭ модели (справа)

И'ЛНИИЧВИШИН Ліні.

т.*. ел™-.-..-:

тот

М* дотк

В первом случае спектрального метода максимальные смещения здания на верхней отметке составили 3,5+4,0 см на частоте 1,0 Гц, что значительно меньше допустимых перемещений по СНиП. Максимальные напряжения в сварных швах, соединяющих объемные блоки, составили: ег^ = 4505т/м2 = 450,5кг/см2 = 4,5кН/см2 «Л =10кН/см2 Максимальные нормальные напряжения в железобетоне:

<тт = 645,4 ет/л<2 =64,5 кг/см2 =0,65 кН 1см2 «Д = 2кЯ/см2 Напряжения также значительно меньше расчетных сопротивлений материалов конструкций.

В случае расчета конечноэлементной модели на акселерограмму на этапе построения модели в программном комплексе Ansys модель несколько раз корректировалась согласно динамическим характеристикам здания, полученным в натурном эксперименте. В результате расчета максимальные напряжения от сейсмического воздействия в железобетонных стенках элементов 1-го этажа также оказались значительно меньше расчетного сопротивления.

= 9,9\МПа = 0,99кН/см2 <<R = 2kH/см2 Оба метода расчета сейсмостойкости здания, проведенные на основе экспериментальных данных, показали, что сейсмостойкость его обеспечена как по относительным смещениям, так и по максимальным нормальным напряжениям.

Таким образом была разработана и апробирована расчетно-экспериментальная методика исследования сейсмостойкости зданий и сооружений, а использование мощной вибромашины, установленной на грунте, показало свою эффективность. Натурные исследования позволили экстраполировать результаты на воздействие максимальных расчетных землетрясений по спектрам ускорений ЦСГНЭО, а также скорректировать конечно-элементную модель и рассчитать ее на сейсмическую нагрузку, заданную акселерограммами расчетных землетрясений.

Четвертая глава посвящена натурным динамическим исследованиям большепролетного купола общественного здания и проверке его расчетным показателям, то есть оценить адекватность компьютерной КЭ модели с помощью натурных динамических исследований. Объект обследования фрагмент здания гипермаркета, включающий в себя стальной купол и железобетонные конструкции каркаса. Купол пролетом 49 м, образованный 18-ю радиальными решетчатыми фермами арочного очертания, опирающимися на железобетонный каркас по внешнему радиусу и соединены кольцевыми поясами по внутреннему радиусу.

В ПК СТАДиО совместно с Белостоцким A.M. и сотрудниками НИЦ «СТАДиО» был выполнен статический и динамический расчеты объекта. Задачей эксперимента являлась фиксация колебаний купольной части здания от микросейсмических воздействий и динамических воздействий техногенного характера, а также от импульсных воздействий с последующим определением самых низких частот колебаний и соответствующих им первых форм колебаний купола для последующей верификации расчетной модели.

Рисунок 11. Фрагмент МКЭ модели купола и части каркаса

Колебания фиксировались в 12-ти точках купола: на самих фермах, опорных кольцах и бетонном основании металлоконструкций купола. В каждой точке фиксировались три компоненты колебаний: вертикальной, тангенциальной и радиальной. Поскольку виброметры требовали установки на горизонтальную плоскость, нами были спроектированы специальные опорные столики, которые крепились к поясам ферм. В результате был получен спектр частот собственных колебаний конструкций купола и фрагмента каркаса, а также соответствующие им формы колебаний.

Эксперименты показали, что при колебаниях перемещения опор купола примерно на два порядка меньше перемещений самих ферм. Исходя из этого, был рассмотрен вариант расчетной модели купола, как отдельной конструкции с жестко закрепленными опорами. При этом сама расчетная модель купольной части здания осталась точно такой же, какая использовалась при обосновании прочности купола на заданные нагрузки. После такого «выделения» купола из общей части здания был произведен его расчет на собственные колебания.

Этот расчет показал, что купольная часть здания имеет тоже очень густой спектр собственных колебаний. Поэтому для дальнейшего анализа ограничились получением первых 80-ти частот собственных колебаний купола, так чтобы высшая частота превосходила по своему значению наибольшую преобладающую частоту, полученную в эксперименте. Кроме этого, для лучшего понимания полученных результатов экспериментов и расчетов, для аналогичной модели в программном комплексе Лира был проведен расчет на энергетический вклад форм колебаний с приложением к модели вибрационной нагрузки в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Сравнивая расчет отдельного купола с результатами эксперимента, получено большое количество форм, в достаточной степени согласовывающихся с полученными в эксперименте. На рисунках 12 и 13 представлены примеры форм колебаний, полученных расчетом, согласовавшихся с экспериментом, в скобках даны частоты, полученный натурными исследованиями.

Рисунок 12. Форма колебаний №1 частота 2.2904 Гц (2,9 Гц)

Рисунок 13. Форма колебаний №6 частота 5.6720 Гц (5,7 Гц)

Сравнительный анализ расчетов собственных колебаний купола, выполненных по расчетной модели, использованной в НИЦ СтаДиО, и результатов экспериментов в натурных условиях показал, что расчетная модель купола соответствует реальной работе этой конструкции при динамических нагрузках.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию динамических характеристик главного корпуса действующей АЭС на основе натурных исследований и расчетов.

Главный корпус по техническому оснащению и компоновочной схеме является многофункциональным зданием, технологически объединяющим машинное отделение, этажерки электротехнических устройств, аппаратное отделение с двумя реакторами, вытяжной вентиляционный центр и борный узел. Несущей системой основных частей здания: машинного и аппаратного отделений является каркас смешанного типа. Несущие поперечные рамы, выполненные из сборных железобетонных колонн и стальных ферм пролетом 39,0 м.

Рисунок 14. Схема главного корпуса НВАЭС: а - план; б - поперечный разрез.

1 - Аппаратное отделение; 2 - Вентиляционный центр;

3,4 - Поперечная и Продольная этажерки электротехнических устройств^ -Машинное отделение

Так как применение импульсного и резонансного методов возбуждения колебаний в условиях действующей АЭС неприемлемо, было принято решение проводить исследования фоновых колебаний.

В разделе, посвященному методике проведения натурного исследования, дана схема размещения приборов, регистрирующих колебания. 12 точек установки приборов по высоте этажерки между двумя основными частями здания, а также на конструкциях покрытия в поперечном и продольном направлениях. Такая схема позволяла зарегистрировать частоты и формы колебаний отдельных несущих поперечных рам, а также всего здания в целом.

По результатам записи колебаний были получены первые собственные частоты здания и соответствующие им формы колебаний по высоте здания в поперечном и продольном направлениях и конструкций покрытий здания.

После проведения и анализа результатов эксперимента был проведен компьютерный динамический расчет конструкций здания в программном комплексе «Лира» по схеме плоской рамы (рассчитывались фермы покрытия, поперечные и продольные несущие рамы), а также расчет всего здания как пространственной системы.

а) натурные исследования б) расчет в ПК «Лира»

Рисунок 15. Форма колебаний поперечной рамы здания

По результатам расчета здания по схеме плоской рамы были получены собственные частоты, существенно отличающиеся от полученных в натуре. Была произведена корректировка модели - узлы опирания ригелей этажерки были заменены с шарнирных на жесткие, тем самым повысив жесткость всей системы.

Таблица 1. Сводная таблица собственных частот главного корпуса,

определенных расчетом и по измерениям в натурных условиях

№ п/п Направление колебаний Расчетные значения собственной частоты, Гц Натурные значения собственной частоты, Гц

1. Поперечные колебания Шарнирное опирание ригелей Жесткое опирание ригелей

ь. и 0,ё8 1,91 2,25 2,84 1,49 2,00 2,45 3,01 1,5; 2,0 2,6 2,8 2,9

2. Вертикальные колебания шпренгельных ферм в осях А-Б й & ь 1,98 5,63 8,34 2,6 8,6

3. Вертикальные колебания шпренгельных ферм в осях В-Г г, й 1,99 5,96 9,46 2,8 9,8

4. Продольные колебания ь *> - 2,7

5. Крутильные колебания - 1,3 3,6-3,8

При последующем расчете здания как пространственной системы большинство полученных в эксперименте частот и форм поперечных колебаний в значительной мере согласовались с данными, полученными в натуре. Однако, продольная форма колебаний, полученная в расчетном комплексе, не согласовывалась с экспериментальными данными. Из дальнейшего анализа принятой расчетной модели было установлено, что

она не учитывает жесткости крепления навесных панелей. Было принято решение провести исследование влияния номинально ненесущих элементов здания (в данном случае навесных панелей) на частоты продольных колебаний здания. На плоской продольной раме здания были рассмотрены варианты шарнирного крепления и частично шарнирного, частично жесткого крепления навесных панелей. По результатам расчетов построен график зависимости частоты колебаний продольной рамы от количества, жестко закрепленных панелей, из которого следует, что закрепление панелей имеет упругий характер.

Рисунок 16. КЭ модель, загруженная постоянными нагрузками

Количество пролетов с жестким закрепление»

11

7

5 3 1

1.18 1.96 2.47 2.833.36

Рисунок 17. График зависимости продольной частоты колебаний от жесткости закрепления панелей

На основании результатов экспериментов был произведен анализ реальной работы конструкции и произведено уточнение компьютерных расчетных схем. В результате расчетов были получены динамические характеристики, близкие к экспериментальным характеристикам, и показано, какие факторы оказывают определяющее влияние на реальную динамическую работу конструкции.

/ /

1

Общие выводы.

1. Произведена динамическая верификация специально оборудованного испытательного полигона на территории филиала МГСУ. Испытание вибромашины разработки МГСУ установленной на грунте показало, что колебания от нее, наряду с основным горизонтальным направлением, распространяются во все стороны на расстояние свыше 150 метров, что позволяет с одной её стоянки определять динамические характеристики нескольких зданий.

2. При исследованиях сейсмостойкости зданий с использованием вибромашины направленного действия разработки МГСУ установленной на грунте оптимальное расстояние от неё до фундаментной части здания для получения максимального сейсмического эффекта должно составлять 4 — 5 метров.

3. Разработана и апробирована методика применения современных виброизмерительных комплексов. Анализ и проверка различных типов сейсмометров показали, что для натурных динамических исследований строительных конструкций различных зданий и сооружений наилучшим образом подходят сейсмометры - велосиметры и среди них особенно хорошо зарекомендовали себя сейсмометры SP-400 фирмы EENTEC.

4. На примере 16-ти этажного здания объемно-блочной конструкции разработана методика натурных исследований сейсмостойкости зданий с использованием сейсмического эффекта от вибромашины установленной на грунте основания.

5. Поверочные расчеты сейсмостойкости здания с использованием экспериментально полученных в натурных условиях динамических характеристик по спектральной теории и на акселерограмму расчетного землетрясения подтвердили эффективность применения вибромашины МГСУ установленной на грунте основания.

6. Произведена апробация разработанной методики по изучению динамических характеристик строительных конструкций в натурных условиях. При этом были апробированы три типа динамических воздействий:

6.1. Вибрационные воздействия от специальной вибромашины через грунт основания (резонансный метод).

6.2. Импульсные воздействия на- элементы конструкций с записью возникающих при этом свободных колебаний объекта (импульсный метод).

6.3. Анализ записей колебаний строительных конструкций вызванных случайными внешними воздействиями: вибрации вызванные проездом различного вида транспорта, вибрации вызванные работой какого-либо оборудования внутри здания или рядом с ним, динамическая составляющая ветровых нагрузок (фоновый метод). Исследования показали, что наилучшие результаты дает резонансный метод. Однако практика показала, что ввиду трудоемкости и специфики его (опасность повреждения подземных коммуникаций, особенно на АЭС) могут

быть успешно использованы как импульсный метод, так и фоновый метод.

7. С использованием указанных в п.6 динамических воздействий различных типов были изучены следующие вопросы:

7.1. Определение сейсмостойкости многоэтажного здания объемно-блочной конструкции.

7.2. Определение динамических характеристик большепролетной купольной конструкции в здании высокой степени ответственности.

7.3. Определение динамических характеристик строительных конструкций многофункционального здания объекта энергетики (главного корпуса АЭС).

8. На основании натурных динамических исследований произведена верификация расчетной компьютерной модели реально возведенного металлического большепролетного купола в общественном здании.

9. По результатам натурных экспериментов произведены уточнения компьютерных моделей главного корпуса АЭС.

Список публикаций по теме диссертации.

Публикации в научных изданиях. рекомендуемых ВАК России

1.Г.Э. Шаблинский, Д.А Зубков, А.А Румянцев. Экспериментальные натурные исследования сейсмостойкости 6-ти этажного объемно-блочного здания и идентификация его расчетной схемы. //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений №1/2010.

2. Г.Э. Шаблинский, A.C. Исайкин, Д.А Зубков, А.А Румянцев. Сравнительный анализ собственных колебаний главного корпуса Нововоронежской АЭС по результатам расчетов и экспериментальных исследований в натурных условиях //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений №2/2010.

Ъ.Д.А. Зубков, Е.Ю. Сергеевцев, A.A. Румянцев. Изучение микроколебаний защитной оболочки реактора ВВЭР-1000 //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений №2/2011.

4. Е.Ю. Сергеевцев, Д.А. Зубков, A.A. Румянцев. Изучение динамических характеристик высотного здания. // Вестник МГСУ №4/2011.

5. Е.Ю. Сергеевцев, A.A. Румянцев. Натурные исследования динамических характеристик частично возведенного здания универсального бассейна в г. Анапе. //Вестник МГСУ №5/2012.

6. Е.Ю. Сергеевцев, A.A. Румянцев. Вибрационные испытания 16-этажного жилого дома объемно-блочной конструкции. //Вестник МГСУ №5/2012.

Публикации в других научных изданиях:

7. A.M. Белостоцкий, Д.А. Зубков, A.A. Румянцев. Экспериментальная проверка в натурных условиях расчетной конечно-элементной модели купола здания торгового центра. // Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» сборник трудов, Москва, МГСУ, 2008 г.

8. Г.Э. Шаблинский, Д.А Зубков, Г. А. Джинчвелашвили, А.А Румянцев. Идентификация расчетной схемы 16-ти этажного здания на основе натурных динамических исследований при ретроспективной проверке его сейсмостойкости. // Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» сборник трудов, Москва, МГСУ, 2008 г.

9. Д.А Зубков, А.А Румянцев. Натурные исследования динамических характеристик купольной части здания торгового центра.// Труды международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2009», Москва, РУДН, 2009 г

10. Г.Э. Шаблинский, Д.А Зубков, А.А Румянцев. Натурные исследования сейсмостойкости здания объемно-блочной конструкции.// Труды международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2009», Москва, РУДН, 2009 г

11. Г.Э. Шаблинский, С.И. Завалишин, Д.А Зубков, А.А Румянцев. Динамический мониторинг зданий и сооружений для контроля их сейсмостойкости.// Сборник научных трудов, выпуск №8 «Предотвращение аварий зданий и сооружений», ИМЭМО РАН, Москва, 2009 г.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 п Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru