автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Поэтажное применение энергопоглотителей сухого трения в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений

;Б ОД - 8 АЬН

На правах рукописи

Мсаллам Маджсд СулсГшан Дссб

ПОЭТАЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ СЕЙСМОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и

сооружения.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре "Здания" Петербургского государственного университета путей сообщения

Научный руководитель - доктор технических наук Т.А.Белаш

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

О.Д.Тананайко; кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Ф.Шнитковский.

Ведущее предприятие - Санкт-Петербургский Зональный научно-исследовательский и проектный институт жилшцно-гражданских зданий

Защита состоится 'Ф." г.

в /.3...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 "Ш.Г//РА&>.$. 1998 г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Вопросы обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений продолжают оставаться весьма актуальными несмотря на значительные достижения в этой области. Подтверждением этого являются многочисленные разрушения и человеческие жертвы, имеющие место после сильных землетрясений, произошедших в Афганистане, Японии, России, Италии, Турции, Иране.

■ ' Для повышения надежности зданий и сооружений во время землетрясений, кроме традиционных способов в последние годы большое внимание уделяется применению специальных средств, к числу которых относятся сейсмоизоляция и сейсмогашение. Такие системы сейсмозащиты реализованы в практике строительства гражданских и промышленных здании многих стран. Наиболее распространенными из специальных средств являются системы сейсмоизоляции. На сейсмостойкость сейсмоизолированных зданий решающее влияние оказывают, как известно, низкочастотные сейсмические воздействия с большими амплитудами колебаний основания. Это приводит к необходимости применения в них кроме элементов, обеспечивающих снижение уровня сейсмической энергии, передаваемой зданию со стороны основания, элементов энергопоглощения, ограничивающих опасные смешения изолируемого объекта. Установлено, что устройство сейс-моизолируюших конструкций целесообразно применять в зданиях с жесткой конструктивной схемой и периодом собственных колебаний не превышающих 0,5 с. Однако в практике строительства многие конструктивные решения сочетают в себе как жесткие, так и гибкие несущие элементы. Значительная податливость надземных конструкций в горизонтальном направлении может стать причиной снижения сейсмостойкости зданий при сейсмических воздействиях. В этом случае необходима установка дополнительных демпфирующих элементов не только в уровне фундамента, но и в уровнях этажей. Ограничение опасных смещений в таких зданиях может осуществляться с помощью использования поэтажно установленных демпфирующих устройств, среди которых наиболее распространенными являются 'знергопоглотители сухого трения (ЭСТ). До настоящего времени отсутствует научное обоснование применения поэтажных ЭСТ в зданиях указанного типа, не разработаны рекомендации по их расстановке, выбору параметров демпфирования и возможным диапазонам их варьирования.

Целью диссертационной работы является расчетно-теоретичсское обоснование целесообразности поэтажного применения ЭСТ в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений, разработка практических рекомендаций по выбору параметров демпфирования и их проектированию. Для этого потребовалось решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов повышения сейсмостойкости зданий и сооружений различных конструктивных решений с

3

использованием сейсмоизолирующих систем сейсмозащиты и сейс-могашения, на основании которого выбрать тип энергопоглотителя для поэтажного демпфирования;

- разработать технические предложения по реализации поэтажного демпфирования сейсмических колебаний в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений;

- провести оценку эффективности предлагаемых решений на простейших расчетных моделях с учетом фактического распределения масс и жесткостей сооружения, исходя ш его реальных конструктивных особенностей;

- разработать рекомендации и практические предложения по реализации предлагаемых энергопоглотителей в практике сейсмостойкого строительства.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялся математический аппарат динамики сооружений, метод математического моделирования с использованием ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В диссертации получили дальнейшее, развитие вопросы, связанные с изучением эффективности поэтажного демпфирования в конструкциях сейсмозащиты и на этой основе дана оценка возможности использования ЭСТ в качестве средств гашения энергии сейсмических колебаний.

2. Предложены технические решения по реализации поэтажного расположения ЭСТ.

3. Доказана эффективность поэтажного расположения ЭСТ предложенного типа в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров демпфирования и даны конструктивные решения по реализации принятой системы сейсмозащиты.

На защиту выносятся:

- предлагаемые технические решения по реализации поэтажного расположения ЭСТ;

- методика и результаты расчетной оценки эффективности ЭСТ предлагаемого типа, рекомендации по выбору параметров демпфирования;

- практические рекомендации по проектированию и расчету системы поэтажного демпфирования сейсмических колебаний в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений.

Достоверность основных положений диссертации подтверждается тем, что они согласуются с имеющимися результатами экспериментальных исследований, сопоставлением некоторых полученных в диссертации численных результатов с данными, представленными другими авторами в технической литературе, а также использованием надежных и аппробирован-ных методов математического моделирования.

4

Практическая ценность диссертации заключается в обосновании возможности использования ЭСТ в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений. в разработке основных положений по их расчету и конструированию, что позволит обеспечить сейсмостойкость зданий и сооружений, повысить надежность их работы в районах высокой сейсмической активности.

Предложены технические решения ЭСТ , на которые получены патентные документы.

Реализация работы. Выполненные исследования использованы в опытном проектировании зданий, строящихся в сейсмически опасных районах арабских стран.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены:

1. На научно-технической конференции кафедры "Железнодорожный транспорт и город" Петербургского государственного университета путей сообщения 7-8 октября ] 996 г.

2. На научно-методической конференции "Проблемы строительства, ре-конструкщш и капитального ремонта зданий и сооружений на железнодорожном транспорте" 11-12 ноября 1997г.

3. На Вторых Савиновских чтениях, Санкт-Петербург, 23-26 июня 1997г.

4. На научной конференции "Средства математического моделирования" Санкт-Петербургского государственного технического университета 3-6 декабря 1997г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 11 работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит М. стр. машинописного текста, рисунков, ..<? таблиц, а также списка литературы, содержащего 105 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи исследования, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор существующих способов повышения сейсмостойкости зданий и сооружений с использованием систем сейс-моизоляции и сейсмогашения, анализируются методы оценки их эффективности; производится выбор и обоснование ЭСТ для поэтажного демпфировать сейсмических колебаний.

Вопросы специальной сейсмозащиты нашли отражение в исследованиях Я.М.Айзенберга, А.Т.Аубакирова, Т.Ж.Жунусова, И.Л.Корчинского, Л.Ш.Килимника, Б.Г.Коренева, В.В.Назина, С.В.Полякова, О.А.Савипова, А.М.Уздина. Ю.Д.Черепинского и других ученых, а также в работах М.Био, Р.Клафа, Дж.Келли, Д.Смита, Б.Паво, А.Равара, Э.Розенблюта, Ж.Ренальта, М.Уишли и других.

Принцип работы сейсмоизолироваанных систем основан на отстройке Собственных частот колебаний здания от преобладающих частот воздействия.1 Конструктивная реализация этого принципа возможна различными способами, одним из которых является устройство различного рода сейс-моизолирующих фундаментов, например, здания с "гибким нижним этажом". Особенности работы таких зданий с учетом различных конструктивных решений : надземных частей отражены в исследованиях И.Л.Корчинского, К.С.Завриева, С.В.Полякова, В.Т.Рассказовского, Ю.А.Гамбурга, А.Л.Чураяна и других. При этом отмечается, что верхняя часть здания конструктивно может быть выполнена крупнопанельной, кирпичной, крупноблочной, из монолитного железобетона. Роль гибкого нижнего этажа могут выполнять рамы, стойки каркаса, высокий свайный ростверк и т.п. В другом способе, сейсмоизоляция может быть осуществлена в зданиях подвесного типа. Одна из первых таких конструкций , была разработана Ф.Д.Зеленьковым и реализована в фундаменте жилого дома в г.Ашхабаде. Кроме того, существует ряд конструктивных решений, в которых гибкость самого здания увеличивается за счет использования амортизаторов рессорного типа, спиральных пружин, резиновых прокладок и т.п., устанавливаемых в различные места опирания опорных элементов надземной части здания. Серьезной проблемрйлтаких объектов является обеспечение их прочности при значительных смещениях, обусловленных низкочастотным характером сейсмических колебаний основания. Это послужило причиной поиска новых решений, в частности, кинематических фундаментов. Исследования этого типа сейсмоизоляции проводились многими авторами и представлены в работах В.В.Назина, Г.А.Зеленского, А.С.Катен-Ярцева, В.Г.Яременко, Ю.Д.Черепинского и других. Здания на кинематических фундаментах построены в Алма-Ате, Ташкенте, Севастополе, Навои и других городах. Теоретическое обоснование этой сейсмоизоляции выполнено в работах С.Коузаха, А.М.Уздина и других авторов. Эти фундаменты, как показали исследования, могут быть применены только в сочетании с демпфирующими устройствами.

В другой группе сейсмоизолировнных конструкций эффект сейсмоизоляции достигается путем устройства скользящего пояса в фундаментах сооружения. Одним из наиболее известных решений является фундамент реакторного отделения АЭС конструкции фирмы Spie Batignolle и Electricite de France в г.Круа (Франция). В гражданском строительстве сейсмоизоли-рующий скользящий пояс был разработан группой специалистов -В.П.Чуднецовым, Л.Л.Солдатовой, Л.Ш.Килимником, С.В.Поляковым.

Особую группу систем сейсмоизоляции представляют конструкции с выключающимися связями. Особенности этих систем исследованы в ЦНИИСКе им. В ..А.Кучеренко под руководством Я.М.Айзенберга.

Анализ рассмотренных систем сейсмоизоляции показал, что некотот рые из них не обладают необходимой сейсмостойкостью, что подтверждается" известными фактами обрушения зданий во время землетрясений. В исследованиях О.А.Савинова и его учеников было показано, что причина этого объясняется особенностями работы систем сейсмоизоляции, для которых наиболее: опасными являются низкочастотные составляющие сильных землетрясений, приводящих к большим относительным смещениям надземной части здания относительно основания. - Рост относительных смещений может происходить,если в самом здании по тем или иным причинам произошли изменения его жесткостных характеристик в сторону увеличения податливости. Поэтому было рекомендовано включать в сейс-моизолированные системы устройства, ограничивающие такие смещения. Аналогичный эффект имеет место в зданиях каркасного типа, которые в силу своих конструктивных особенностей, обладают так же значительной податливостью.

' Повышение сейсмостойкости этих зданий обеспечивается за счет введения специальных энергопоглотителей, существенно повышающих диссйЬативную способность всей системы сейсмозащиты. В такие системы сейсмЬзащиты предлагалось включать энергопоглотители вязкого трения, использующие в качестве рабочего тела либо пластические материалы, либо жидкости.

В настоящее время известно значительное число предложений по созданию устройств с использованием фрикционных связей а также пластического деформирования металла. Исследования фрикционных связей были выполнены ['.М.Михайловым, В.В.Жуковым. Целесообразность применения дополнительных конструктивных элементов - пластических ограничителей в каркасных зданиях изучалась в ЦНИИпроектстальконструк-ции. Исследования были проведены И.Л.Корчинским, Л.А.Бородиным, Г.М.Остриковым, В.Л.Новиковым и другими.

В ЛенЗНИИЭП'е совместно с ЦНИИСК было разработано принципиально новое конструктивное решение крупнопанельного здания с сухими стыками, обладающее повышенными диссипативными свойствами. В практике сейсмостойкого строительства получили распространение здания, выполненные по схеме "ядро жесткости-каркас", разработанные под руководством А.О.Саакяна.

Одним из вариантов повышения сейсмостойкости являются динамические гасители колебаний, исследованные в работах многих авторов, в частности, Б.Г.Коренева, О.А.Савинова, А.М.Уздина и др.

Анализ существующих средств повышения диссипативных свойств зданий показывает, что наиболее перспективными следует признать энергопоглотители сухого трения (ЭСТ), состоящие из фрикционных пар с сыпучим слоем, отличающиеся низкой стоимостью, простотой устройства и

7

изготовления, стабильностью характеристик и высокой поглощающей способностью. Эти устройства достаточно подробно исследованы и в основном применяются в конструкциях сейсмоизолирующих фундаментов. Применение их в надземных конструкциях ограничено вследствие: отсутствия рекомендаций по расстановке и выбору параметров ЭСТ, а также методики оценки эффективности системы демпфирования в надземных конструкциях здания с низкочастотной настройкой. Все это послужило основанием для выбора темы диссертации.

Во второй главе представлены предлагаемые технические решения по поэтажной компоновке ЭСТ в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений и выполнена предварительная оценка их эффективности на простейших расчетных моделях. Для разработки технических решений по поэтажному расположению ЭСТ в надземных конструкциях, в качестве материала трущихся пар был • выбран слои сыпучего материала. Основными преимуществами таких ЭСТ являются возможность регулирования предельного сопротивления сдвигу, стабильность характеристик, обеспечиваемая неизменностью свойств материалов трущихся пар, высокая интенсивность сил трения, плавность включения и выключения. С учетом принятого типа ЭСТ разработаны различные варианты его поэтажного размещения, некоторые из них представлены на рис.1. Сооружение состоит из отдельных секций с гибкими каркасами, расположенными вдоль взаимно-перпендикулярных осей. В зазорах между секциями устроены деформационные швы, которые заполняются по высоте сыпучим материалом. По высоте секции соединены между собой на уровне междуэтажных перекрытий шарнирными связями. При этом по боковым сторонам деформационного шва и по контуру технологических проемов устроен стык в виде симметрично расположенных навстречу друг другу одинаковой высоты ребер с полками. При сейсмических воздействиях происходят деформации изгиба или сдвига отдельных объемных секций с относительным перемещением по высоте противоположных боковых граней. Одновременно с этим, происходит перемещение сыпучего материала, заполняющего деформационный шов, в результате чего возникают силы сухого трения, обеспечивающие диссипацию колебаний.

В другом варианте конструкции ЭСТ снижение интенсивности колебаний происходит за счет сил сопротивления, возникающих при перемещении штока в цилиндре, заполненном сыпучим материалом.

Для обоснования возможности применения ЭСТ с поэтажным их размещением в конструкциях сейсмостойких зданий были выполнены рас-четно-теоретические исследования. Первоначально исследования проводились на простейшей расчетной схеме, состоящей из двух осцилляторов, связанных между собой ЭСТ. Один осциллятор моделировал собствен-8

Предлагаемые варианты размещения энергопоглотителей

а) сейсмостойкое многоэтажное здание «ЛАСАМ» (патент №20083784) 1-сооружение из объемных секций; 2-гибкий каркас; 3-деформационный

шов; 4-песчаный грунт; 5-шарнирные связи.

б) устройство уменьшения колебаний сооружения «ЛАСАМ» (полезная

модель Ки (11) 5418) 1 - сооружение; 2 - отдельные конструктивные части сооружения; 3 - составная опора; 4 - жесткое основание; 5 - энергопоглотитель; 6 - корпус энергопоглотителя; 7 - шток; 8 - канавки; 9 - сыпучий фрикционный материал; 10- подвижная шайба с прижимным устройством. 11.

Рис. 1

9

но здание с низкочастотной настройкой (период собственных колебаний варьировался от 0,5 до 3 сек), другой - моделировал более жесткое сооружение с периодом 0,2 сек. Для учета влияния сил сухого трения на движение системы необходимо было определить аналитическое выражение для диаграммы сдвига ЭСТ. С этой целью были использованы и проанализированы результаты экспериментальных исследований, представленных в работах И.У Альберта и Т.А.Белаш. Идеализированная диаграмма сдвига ЭСТ представлена на рис.2 и состоит из следующих участков:

- участка квазиупругого деформирования при нагружении и разгрузке (на диаграмме точки 0-1, 3-4, 6-7, 2' -3', 2-3, 5-6), которые можно охарактеризовать углами наклона диаграммы а„, «р п величиной предельного

квазиупруг ого сдвига Д, при превышении которого в материале сыпучего слоя начинают развиваться необратимые сдвиговые деформации;

- участка развития преимущественно необратимых (пластических) деформаций сдвига (участки диаграммы 1-2, 4-5), характеризуемых величиной предельного сопротивления сдвигу () и углом наклона диаграммы, характеризующей упрочнение материала («.,);

Непосредственное использование представленной диаграммы деформирования приводит к значительному усложнению совокупности условий переключения при переходе с одного участка диаграммы на другой. В первом приближении для подбора параметров системы поэтажного демпфирования вместо данной диаграммы использован ее упрощенный (идеализированный) вариант, известный как диаграмма Прандтля. При такой замене сделаны следующие допущения:

1) углы наклона на этапе нагружения и разгрузки равны:

а„ = «р = Consi(x,.x)= а (1)

2) упрочнение отсутствует: ах = 0

Аналитическое представление диаграммы Прандтля с учетом возникновения необратимых (остаточных) сдвигов можно представить в виде:

тр j- K„w. • Д • SignX ирфг - Х„\ = Д,SignX = Const '

где Ктр - коэффициент, характеризующий "жесткость" энергопоглотителей; учитывая (1), Ктр = tga„= tga/; = Const(X,X); Х,Х„ - величина общей и необратимой части сдвига энергопоглотителей; последняя определяется выражением:

]рмпятая диаграмма сдвига энергопоглотителя сухого трения

Рис. 2

Расчетные модели здания

прилегающий массив

Рис. 3

А IV

где I¡„.¡ц, - начальный и конечный моменты времени выхода на участок необратимого деформирования в $ - м цикле нагружения.

Параметр ¿=К„,р-д/ Мг%, характеризующий интенсивность сил трения, развиваемых в ЭСТ, варьировался от 0,1 до 1,5 м/с2, отношение масс М1/М2 - от 0,2 до 3. Воздействие задавалось коротким временным процессом. Исследование выполнялось численным интегрированием по методу Рунге-Кутга 4-го порядка на ПЭВМ.

В результате предварительной оценки эффективности ЭСТ показано, что сейсмостойкость здания рассматриваемого типа в целом может быть обеспечена только при условии использования энергопоглощающих элементов, при этом установлено, что их введение обеспечивает снижение как относительных смещений, так и абсолютных ускорений при назначении определенного диапазона сил сухого трения.

Для выбора окончательных значений параметров поэтажного демпфирования и оценки их эффективности в конструкциях сейсмозащиты зданий требуется обоснованный выбор расчетных схем, учитывающих реальное распределение масс и жесткостей сооружения, а следовательно и его частотные характеристики.

Третья глава посвящена обоснованию выбора расчетных схем здания, основания,фундамента и воздействия.

Принятые варианты расчетных моделей системы "здание - фундамент - основание" приведены для здания с жестким ядром - на рис.3.а, для здания с опиранием демпфирующих элементов на прилегающий массив - на рис.З.б.

Характерными особенностями рассматриваемого типа здания являются: симметрия в плане здания относительно взаимно-перпендикулярных осей ОХ, О У, значительная податливость строительных конструкций в горизонтальном направлении и наличие жесткого ядра с податливостью, существенно меньшей по сравнению с податливостью каркаса здания.

Каждый этаж рассматривается как сосредоточенная масса М(0, связанная со смежными массами М(1-1), М0+]) невесомыми линейно-упругими связями, работающими при взаимном поступательном смещении масс. Связи характеризуются коэффициентами жесткости СО-1), С(1+1) и коэффициентами вязкого трения В(1-1), В(1+1). Предполагается, что коэффициенты С(0 одинаковы при взаимном смещении в направлении осей ОХ, О У. В конструкцию здания и соответствующую расчетную модель для обеспечения необходимой настройки всей системы в целом (т.е., для обес-*9

печения необходимой частоты первого тона колебаний), введены элементы сейсмоизоляции, моделируемые упруго-диссипативными связями С(1), В(1), работающими на сдвиг при относительных горизонтальных смещениях всего здания относительно нижней фундаментной плиты.

Для сопоставления результатов расчета и оценки эффективности предлагаемой системыусёйсмоизолирующем фундаменте с поэтажным размещением демпфирующих элементов в качестве варианта для сравнения использовалась та же расчетная схема здания с фундаментом обычного типа. Сейсмоизолирующий фундамент содержит систему упругих опор с суммарным коэффициентом жесткости С(1) и дополнительную нижнюю опорную часть, необходимую для их раскрепления. Опоры работают при горизонтальных смещениях здания относительно нижней фундаментной плиты и обеспечивают низкочастотную настройку системы "здание - фундамент". Принципиальное различие для этих двух вариантов расчетной модели заключается в том, что демпфирующие элементы для варианта с жестким ядром, имеющим общий со зданием фундамент, работают только на поступательных смещениях этажа относительно ядра, в то время как для модели с опиранием на прилегающий массив грунта демпфирующие элементы работают на перемещениях, включающих и составляющую, обусловленную поворотом здания в плоскости колебаний. В качестве демпфирующих элементов используются ЭСТ, рассмотренные в главе 2.

Демпфирование колебаний, обусловленное внутренним трением, учитывалось в соответствии с гипотезой Фойгта-Цейтлина.

Для оценки спектра собственных частот здания и определения параметров сейсмической реакции здания без системы сейсмоизоляции и поэтажного демпфирования вначале рассматривалась расчетная модель при отсутствии нелинейных ЭСТ (базовый вариант).

На втором этапе исследований выполнялись расчеты по оценке эффективности системы поэтажного демпфирования для различных вариантов раскрепления системы поэтажных демпферов.

Система дифференциальных уравнений движения для расчетных моделей в матричной форме может быть записана в виде:

[Л/].{й}+ [й]-{й} + [с-].{»|} + {/--„р. } = -[*/].{/}• {*„(/)} (4) где [М],[В],[С] - соответственно, матрицы инерционных коэффициентов, диссипации и жесткости системы:

|/„,р } - вектор сил сопротивления ЭСТ;

{г?} - вектор с компонентами, равными смещениям масс М(0 относительно основания; и

{/}- вектор направляющих косинусов углов между компонентами вектора ускорений основания {Л"0С/)} и направлениями смещений масс ML Для учета податливое! н основания, обуславливающей возможность возникновения враща1ельных колебаний здания, использовалась методика и расчетные формулы O.A.Савинова.

Величина взаимного смещения Z, обрамляющих элементов ЭСТ для Bapnairra конструкции здания с жестким ядром равна:

Z(i)=XV)-X{\)-h{0<P- (5)

для варианта с опиранием. энергопоглотптелсй на прилегающий к зданию массив грунта:

7Л0 = т (6)

где X(i), Х(1) - соответственно, поступательное смещение i-ro этажа и фундаментной части, <р - угол поворота здания, h(i) - отметка этажа.

При постоянном значении параметра диаграммы деформирования Д(/) = 0,01 м (предельная упругая деформация энергопоглотителя), интенсивность демпфирующего элемента полностью определяется параметром L(i)=Kmp/M(i), который в расчетах варьировался от 0 до 175 1/с".

Воздействие задавалось пакетом акселерограмм, в качестве которых были отобраны записи известных землетрясений с различным частотным составом. Расчетные воздействия масштабировались по методике, разработанной в ПГУПС Т. А.Белаш, А.М.Уздиным и А.А.Долгой.

Четвертая глава посвящена оценке эффективности поэтажно расположенных ЭСТ в конструкциях сейсмостойких зданий с учетом выбранных расчетных моделей. Исследование включало:

1. Определение спектров собственных частот колебаний зданий на . фундаментах (обычного типа и сейсмоизолирующих);

2. Оценку параметров сейсмической реакции базового варианта расчетной модели здания.

3. То же, по с учетом сейсмоизолирующего фундамента и системы поэтажно расположенных энергопоглотнтелей сухого трения.

4. Разработку рекомендаций по выбору параметров поэтажного демпфирования в конструкциях сейсмозащигы зданий и сооружений.

Для определения спектра собственных частот была использована программа расчета на ПЭВМ, разработанная во ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. Численное решение систем дифференциальных уравнений движения осуществлялось по разработанной автором программе методом Рунге-Ку гта 4-го порядка.

Оценка эффективности системы сейсмоизоляции и поэтажного демпфирования выполнялась путем вычисления коэффициентов снижения абсолютных ускорений масс-этажей по отношению к базовой модели Kli'(i) 14

и максимальных смещений массы первого этажа относительно массы фундамента 5/2, характеризующих деформацию сейсмоизолирующих опор; сейсмоизоляция считалась эффективной при одновременном выполнении двух условий:

К1У(1) < I при 1>2 (1)

|^|2(шах<5(,р(.() (8)

где 8т;>: - максимальное взаимное поперечное смещение опорных сечений сейсмоизолирующих опор, допускаемое по условиям их эксплуатации.

Поиск областей рациональных значений параметров системы сейс-моизоляции полагался достигнутым при минимизации значений плрамет-ров К1У(!) и выполнении услов1!я (8). Минимизация осуществлялась в два этапа. На первом этапе поэтажное распределение демпфероы принималось равномерным, т.е., предполагалось, что ЭСТ установлены на каждом этаже и предельное сопротивление их сдвигу принималось постоянным:

Л(0 = Сонхф')

На втором этапе выполнялась коррекция распределения поэтажного демпфирования, для чего значения параметров ЦО варьировались таким образом, чтобы во-первых, получить дальнейшее снижение коэффициентов (при сохранении выполнения условия (8))н во-вторых, уменьшить в определенной степени неравномерность их распределения по этажам.

Анализ результатов оценки эффективности поэтажного демпфирования для базовой модели позволил установить, что в этом случае применение системы поэтажного демпфирования дает сравнительно небольшое снижение абсолютных ускорений масс-этажей, а для высокочастотных сейсмических воздействий даже является нецелесообразным., ток как приводит к росту этих ускорений, а следовательно, и инерционных нагрузок на строительные конструкции). Такой результат объясняется сравнительно небольшой величиной смещений масс-этзжей (особенно для первых этажей здания), отсюда следует и сравнительно небольшая эффективность системы поэтажного демпфирования, поскольку интенсивность рассеяния энергии сейсмических колебаний зависит от величины этих относительных смещений. Кроме того, на эффективность работы энергопоглотетелей сухого трения влияет также и то обстоятельство, что при движении по начальному наклонному участку диаграммы деформирования эмергопоглотн-тели работают как упругие связи и рассеяния энергии колебаний практически не происходит. Для более эффективной работы демпферов необходимо обеспечить более интенсивное развитие таких смещений, особенно в первых этажах, для чего следует использовать принцип сеисмсизоляции.

15

На следующем этапе исследования рассматривалось здание, установленное на сейсмоизолирующем фундаменте, в качестве которого использо-ващкь гибкие опоры, работающие на сдвиг в горизонтальном направлении и обеспечивающие снижение первой собственной частоты колебаний. Диапазон изменения суммарного коэффициента жесткости опор выбран от С(1)=15 Мн/м (1500 тс/м) до С(1)=60 Ми!м (6000 тс/м), при этом период собственных колебаний первого тона составлял от 1,963 до 3,22 с. Выполнялись расчеты для ряда вариантов, учитывающих различные значения коэффициентов жесткости сейсмоизолирующих опор, ориентацию плоскости колебаний здания, податливость основания и изменение параметра демпфирования. При этом опирание энергопоглотителей осуществлялось на жесткое ядро. Некоторые результаты расчетов представлены на рис.4. На основании выполненных исследований установлено, что введение сейсмоизо-лирующего фундамента позволяет снизить уровень абсолютных ускорений масс-этажей примерно в два раза по сравнению с зданием на обычном фундаменте, а использование системы поэтажного демпфирования позволяет ограничить величину смещений опорных элементов при сейсмических колебаниях до уровня допустимых значений. Установлено, что для высокочастотных воздействий применение поэтажно устанавливаемых ЭСТ не является необходимым вследствие небольших значений относительных смещений Su, однако в силу неопределенности прогноза частотного состава сейсмического воздействия, введение системы поэтажного демпфирования может оказаться полезным и в этом случае и не приводит к существенному ухудшению качества сейсмоизоляции. Влияние ориентации плоскости колебаний на параметры движения масс-этажей для симметричной в плане конфигурации здания незначительно ввиду значительной податливости опор сейсмоизолирующего фундамента в сравнении с податливостью основания. При неравномерном распределении интенсивности ЭСТ по этажам имеется возможность повышения эффективности системы сейсмозащиты. Неравномерное распределение демпфирования может достигаться, например, снижением интенсивности демпфирования в пучностях преобладающей формы колебаний здания, найденных для случая равномерного распределения и, соответственно, увеличением интенсивности в узловых сечениях формы колебаний. В результате выполненных пробных расчетов величины KW(i) снижаются не менее, чем на 10-15%.

На следующем этапе исследования рассматривалась система поэтажного расположения энергопоглотителей, раскрепление которых осуществлялось на отдельно расположенный массив, более жесткое сооружение, элемент окружающего рельефа и т.п. (рис.3,б). В этом случае предполагалось, что опорный массив при сейсмическом воздействии движется по тому же закону, что и основание здания, при этом сдвиг фазы сейсмического пе-

Результаты расчета для I расчетной схемы

Зависимость коэффициента снижения абсолютных ускорений К\У(1) от номер» этажа для различных значений параметра демпфирования Ь. Несейсмоюолирован-ный фундамент, вариант основали« - 1, ось вращения ОУ, акселерограмма ЕЬ-С««1го. Ст,=4^5 м/с1

——

п

N

1 1 I

-1-1» -1-150

Зависимость коэффициента сиижеиня абсолютных ускорений К\У(1) от номера 1таш для различных значений параметра демпфирован»» Ь. Сейсмоюолирован-кый фундамент. вариант основании - I, ось »ращения О У, акселерограмма ЕЬ-СеШго. С «.,=4,55 м/с1 С(1)=1500 тс/м

Осреднении* зависимости коэффициентов снижения ускорений для здания с сейсмоюолироыниым фундаментом. Акселерограшча ЕЬ-Ссв(г«, аарнант основания - 1, ось вращенна ОУ.

Зависимости смещения первого этажа Здания Бп отноенте.зьно основания для различных коэффициентов жеспсоспа С(1)

сенсмоизолирующего фундамента. Акселерограмма ЕЬ-Сса(го, С«^; м/с', вариигт основакна - I, ось арашенна О У.

Рис.4

0.«вО о.«» омо V- -к-Ш»««« .... ! ' " 1

р эи зо тотп >■— — —И --

0.250 гЧ ——1 . -1

0.1» 0.100 -— —н _ 1 »

г

100 130 1«

ремещения между опорным, массивом и основанием зданий отсутствует. Для оценки эффективности системы поэтажного демпфирования была выполнена серия расчетов, некоторые результаты представлены на рис.5. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы о достаточно высокой эффективности рассматриваемой системы поэтажного демпфирования. В этом случае снижение абсолютных ускорений на строительные конструкции составляет от 0,4 до 0,67, а величина смешения Б/2 при Ь=50...1001/с7 не превышает 0,08....0,14 м. В целом, эффективность системы для рассматриваемого варианта практически мало отличается от варианта раскрепления ЭСТ на жесткое ядро.

В пятой главе освещаются вопросы использования результатов, полученных в диссертационной работе и даются практические рекомендации по конструктивному исполнению предлагаемого способа сейсмозащиты здшшй. Для одного из предлагаемых вариантов поэтажного расположения энергопоглотителей был выполнен расчет строительных конструкций и эскизная проработка на примере гражданского здания, строящегося на территории Иордании.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1.Комплекс выполненных исследований отражает вопросы, связанные с дальнейшим изучением эффективности систем специальной сейсмозащиты и расширяет область их применения. На основе этих исследований подтверждается, что сейсмостойкость зданий и сооружений с такими системами обеспечивается сочетанием свойств значительной податливости объекта с включением в них энергопоглощающих элементов.

2. Результаты анализа привели к выводу, что наиболее эффективными из используемых в настоящее время устройств являются энергопоглотители сухого трения, устанавливаемые не только в сейсмоизолирующих фундаментах, но и в надземных конструкциях здания. Исходя из условий реализации энергопоглощающих устройств, простоты их исполнения и низкой стоимости рациональным является использование энергопоглотителей сухого трения, состоящих из трущихся поверхностей железобетона и слоя сыпучего материала, размещаемого между ними.

3. Предложены технические решения поэтажно расположенных энергопоглотителей в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений, защищенные патентами.

4. Разработана и реализована методика оценки рффективности поэтажно расположенных энергопоглотителей сухого трения и исследованы особенности их поведения в зависимости от спектрального состава сейсмического воздействия, динамических характеристик самого здания, упругих характеристик основания. ' •• ; -- к ..

18 '' Г - Е --

Результаты расчета для II расчетной схемы

Коэффициенты снижайся Абсолютных ускорений для сооружения с опирянием системы демпфирующих шмснго» на неяращаюшнйся массив. Акселерограмма ЕЬ-СеШго, ось »ращения ОУ, С(1)=6000 тс/м С«,=4,55 м/с1

Коэффициенты снижения абсолютных ускорений для вооружения с олкраиием системы демпфирующих элементов на неврашаклднйся массив. Акселерограмма ЕЬ-СеМго, ось арашения ОУ, С(1)=и00 тсУм С_,=4,55 м/с1

Осредлешше эависжмостн коэффициентов снижения ускорений Кя^., для здания с сейсмоюолироаакным фундаментом. Акселерограмма ЕЬ-Сеа1го, ось вращения ОУ, аарнант основания - 1.

Зависимости смещения иераого этажа здания 5и относительно основания дла различных коэффициентов жесткости С(1) сейсмоюолнрующего фундамента. Опир»-ннем демпферов на неврящяюшнмся массив. Акселерограммя ЕЮеЫго.оси вращения ОУ.

Рис. 5

5. Установлено, "что поэтажно расположенные энергопоглотители сухого трения, реализованные с учетом предлагаемых рекомендаций, обеспечивают надежную работу здания при сейсмических воздействиях. Определена область интенсивности сил сухого трения в энергопоглотителях, которая должна варьироваться в пределах от 75 до 100 1/с2.

6. В результате выполненного расчетно-теоретического анализа показано, что наиболее простым и достаточно эффективным вариантом размещения энергопоглотителей является равномерное распределение интенсивности демпфирования по этажам.

7. Показано, что при наличии достоверной информации о высокочастотном характере прогнозируемого сейсмического воздействия, сейсмостойкость здания может быть обеспечена только за счет податливости сейсмоизолирующего фундамента, в этом случае необходимый уровень диссипации энергии сейсмических колебаний обеспечивается за счет конструкционного демпфирования.

Основные положения диссертации освещены в следующих работах:

1. Мсаллам Маджед. О возможности использования энергопоглотителей сухого трения в надземных конструкциях реконструируемых зданий для районов высокой сейсмической активности. //Программа и тезисы докладов научно-методической конференции. 7-8 октября 1996г., ПГУПС, г.Санкт-Петербург., с. 17.

2. Т.А.Белаш, Мсаллам Маджед. Оценка эффективности энергопоглотителей сухого трения, расположенных в надземных конструкциях сейсмоизо-лированных сооружений. //Тезисы докладов научно-методической конференции "Проблемы строительства, реконструкции и капитального ремонта зданий и сооружений на железнодорожном транспорте",) 1-12ноября 1997г., ПГУПС, Санкт-Петербург., с.21.

3. Т.А.Белаш, И.У.Альберт, Мсаллам Маджед. Эффективные энергопоглотители сухого трения в конструкциях гибких зданий и сооружений. //Сборник тезисов докладов Вторых' Савиновских чтений, г.Санкт-Петербург, 23-26 июня 1997г., с.37.

4. T.A.Belach, M.Msallam, I.U.Albert. "Damping system in earthquake-resistant structures". Eleven European Conference on Earthquake Engineering, September 6-11, 1998, CNIT,Paris La D efence, France.

5. И.У.Альберт, Т.А.Белаш, М.Маджед. Математическое моделирование системы сейсмоизоляции зданий с поэтажным размещением демпфирующих элементов.//Тезисы докладов научной конференции "Средства математического моделирования" Санкт-Петербургского государственного технического университета, 3-6 декабря, 1997г., с.62.

6. Т.А.Белаш, И.У.Альберт, М.Мсаллам. Сейсмозащита зданий и сооружений с учетом деформативности строительных конструкций и использова-

нием системы демпферов. //Экспресс-информация "Сейсмостойкое строительство", вып.З, 1998, с.33-35.

7. Т.А.Белаш. И.У.Альберт, Мсаллам Маджед. Эффективные энергопоглотители сухого трения в конструкциях гибких зданий и сооружений.// Экспресс-информация "Сейсмостойкое строительство", №1, 1998, с.33-35.

8. Т.А.Белаш, И.У.Альберт, Мсаллам Маджед. Оптимизация систем энергопоглощения в конструкциях сейсмозащиты многоэтажных зданий гражданского строительства.// Межвузовский сборник научных трудов "Молодые ученые, аспиранты и докторанты Петербургского университета путей сообщения" , г.Санкт-Петербург, 1996, с.32-35.

9. Лапин С.К., Сандович Т.А., Мсаллам Маджед. Многоэтажное сейсмостойкое здание "ЛАСАМ". Патент на изобретение №2097516 (Россия), за-яв. 31.07.1995, №95113660; опубл.27 ноября 1997г., БИ №33, МКИ 6Е04Н9/02.

10. Лапин С.К., Сандович Т.А., Мсаллам Маджед. Высотное сейсмостойкое многоэтажное здание "ЛАСАМ". Патент на изобретение №2083784 (Россия), заяв. 11.09.1995, №95115841; опубл. 10.07. 1997г., БИ №19, МКИ 6Е04Н9/02, Е04В1/348

11. Лапин С.К., Сандович Т.А., Мсаллам Маджед. Устройство уменьшения колебаний сооружений "ЛАСАМ". Свидетельство на полезную мо-дель№5418 (Россия), заяв. 27.11.1995, №95119865; опубл.16.11. 1997г., БИ №11, МКИ 6Е04С 23/04.

Подписано к печати 26.11.98г. Усл.-печ.л.-1,3

Печать офсетная. Бумага для множит.апп. Формат 60x84 1/16

Заказ Э'16. Тираж 100 экз.

Тип. ПГУЛС 190031,С-Петербург,Московский пр.,д.9



ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи Мсаллам Маджед Сулейман Дееб

Поэтажное применение энергопоглотителей сухого трения в конструкциях сейсмозащиты зданий

и сооружений.

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, Т.А.Белаш

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................

1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА............................................19...

1.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ

СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.......................4CL

1.2. УСТРОЙСТВА СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ

КОНСТРУКЦИЯХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ...............................В...

1.3. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ СЕЙСМОГАШЕНИЯ.....3.0..

1.4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ И СЕЙСМОГАШЕНИЯ. ЪЪ

1.5. ВЫВОДЫ. ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ......................................56..

2. ПРЕДЛАГАЕМЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПОЭТАЖНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ СЕЙСМО-ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ РАБОТЫ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ РАЗЛИЧНОГО ЧАСТОТНОГО СОСТАВА........................................................................................................J53..

2.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ.......................................................................5.9..

2.2. ВАРИАНТЫ ПОЭТАЖНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ СЕЙСМОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ..........................................................................................Ы...

2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ НА ПРОСТЕЙШЕЙ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ...........................................................................&L

2.3.1. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................61...

2.3.2. АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ С ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕМ СУХОГО ТРЕНИЯ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ.......7.9..

2.4. ВЫВОДЫ........................................................................................S.S.

3. ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ "ЗДАНИЕ - ФУНДАМЕНТ -ОСНОВАНИЕ"..........................................................................................................El.

3.1. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ ЗДАНИЯ..........................................................8k.

3.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ СЛУЧАЯ ЛИНЕЙНОЙ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ (БАЗОВЫЙ ВАРИАНТ)...........8.9..

3.3. УЧЕТ УПРУГО-ДИССИПАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОСНОВАНИЯ............................................................................................95...

3.4. СИСТЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ ДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ...........................9.9. ..

3.5. ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ИХ МАСШТАБИРОВАНИЕ...........................................................................4Q.Q.

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЭТАЖНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ СЕЙСМОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С УЧЕТОМ ВЫБРАННЫХ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ.......................................................1Q6.

4.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАСЧЕТАХ НА ЭВМ.......................................................................................................Ш.

4.2. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАССМАТРИВАЕМОЙ СИСТЕМЫ СЕЙСМОЗАЩИТЫ................................................................

^

4.3.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЭТАЖНОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ В ЗДАНИИ НА ФУНДАМЕНТЕ ОБЫЧНОГО ТИПА (НЕСЕЙСМОИЗОЛИРОВАННЫЙ ВАРИАНТ)...................И £>...

4.4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЙСМОЗАЩИТЫ ЗДАНИЯ НА СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩЕМ ФУНДАМЕНТЕ И ОПИРАНИЕМ ПОЭТАЖНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ НА ЖЕСТКОЕ ЯДРО.......................................Ш..

4.5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЙСМОЗАЩИТЫ ЗДАНИЯ НА СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩЕМ ФУНДАМЕНТЕ И ОПИРАНИЕМ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ НА НЕВРАЩАЮ-ЩИЙСЯ МАССИВ...........................................................................Ш.?..

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ВНЕДРЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ..............................................................................................¿6.0...

5.1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В СИСТЕМАХ СЕЙСМОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.............................................................Ш)..

ЛИТЕРАТУРА... ПРИЛОЖЕНИЯ,

т

ВВЕДЕНИЕ

Последние землетрясения на Курилах, Сахалине, Японских островах, приведшие к гибели тысяч людей и громадному экономическому ущербу, еще раз подтвердили, что это стихийное бедствие является одним из самых катастрофических явлений на Земле. 28 мая 1995 г. на Сахалине в течении нескольких секунд был стерт с лица земли город Нефтегорск. В его руинах погибло более 2 тысяч человек. Это было самое сильное в мире землетрясение за последние пятьдесят лет. За период 1997-1998г. серия крупных разрушительных землетрясений прошла на территории Ближнего Востока - в Египте, Турции, Афганистане, Иране. По данным [ 1 ] землетрясение в Иране 10 мая 1997г.

■л

охватило площадь 500000 км пострадало 128 деревень и около 11800 зданий. При этом погибли 1700 человек и более 5000 пострадали. Общий ущерб составил более $500 млн. Причина высокой сейсмической активности этого региона определяется наличием двух пересекающихся крупнейших зон разломов [ 2 ], вдоль которых и возникают очаги сильных сейсмических воздействий.

В настоящее время во всех странах, подверженных землетрясениям, разработан комплекс различных способов повышения сейсмостойкости зданий и сооружений, проводятся многочисленные исследования и поиски оптимальных решений. Однако несмотря на значительные успехи и достижения в этом направлении, вопросы обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений продолжают оставаться весьма актуальными.

В практике современного строительства сформировалось два основных направления повышения сейсмостойкости сооружений -традиционные и специальные мероприятия. Традиционные меры пре-

дусматривают возможность восприятия сейсмической нагрузки за счет увеличения сечений, армирования, выбора высокопрочных материалов и т.п.

Они изложены в нормах многих стран являются общепризнанными. Наряду с традиционными мерами широкое распространение получили специальные способы повышения сейсмостойкости зданий и сооружений, которые позволяют снизить уровень сейсмических нагрузок за счет выбора рациональной динамической схемы сооружения.

В последние десятилетия в Японии, США, странах СНГ, бывших республик СССР и других странах разработаны десятки различных предложений по специальным системам сейсмозащиты, многие из которых реализованы в практике строительства.

Согласно [ 3 ] и [ 4 ], специальные системы сейсмозащиты подразделяются на сейсмоизоляцию и сейсмогашение. Сейсмоизоляция обеспечивает снижение уровня сейсмической энергии, передаваемой сооружению со стороны основания путем отстройки собственных частот колебаний сооружения от преобладающих частот воздействия. Сейсмогашение предусматривает перераспределение сейсмической энергии между частями конструкции и ее переход в другие виды энергии, что приводит к демпфированию колебаний. Наибольшее распространение в сейсмостойком строительстве среди специальных средств сейсмозащиты получили системы сейсмоизоляции.

В настоящее время для этих систем сформулированы общие основные принципы сейсмостойкого строительства [5], которые исходят из решающего влияния на сейсмостойкость сооружения низкочастотных сейсмических воздействий с большими амплитудами колебаний основания. Это приводит к необходимости применения в системах сейсмоизоляции кроме податливых опорных элементов энергопогло-

и

тающих устройств. Установлено, что устройства сейсмоизолирую-щих конструкций целесообразно применять в зданиях и сооружениях, имеющих низшую собственную частоту колебаний объекта в 5 и более раз превышающих преобладающую частоту спектра ускорений сейсмических колебаний. Конструктивным примером таких объектов являются здания с жесткой конструктивной схемой и периодом собственных колебаний не превышающих значений Т<0,5 сек. К таким зданиям, в частности, относятся пятиэтажные крупнопанельные здания различных типовых серий (122, 121 и т.п.), разработанных для сейсмических регионов. Однако на практике не всегда представляется возможным отнести то или иное здание к разряду жестких или гибких систем. Многие конструктивные решения сочетают в себе и жесткие и гибкие несущие элементы, при этом этажность может быть значительной (до 10 этажей и выше). В этом случае формы и частоты собственных колебаний определяются как результат сдвиговых и изгибных деформаций конструкции. Наличие таких факторов как многоэтажность и значительная податливость надземных конструкций в горизонтальном направлении является причиной снижения сейсмостойкости сейсмоизолированных объектов при сейсмических воздействиях. В этом случае установка демпфирующих элементов не только в конструкции сейсмоизоляции, но и в уровне этажей, может оказать свою существенную положительную роль. Следует также отметить, что кроме сейсмоизолированных объектов в практике сейсмостойкого строительства имеется целая разновидность конструктивных решений зданий и сооружений, которая условно считается "гибкой системой"[6]. К разряду таких систем относятся, в частности, каркасные здания, для которых наибольшую опасность, как и для сейсмоизолированных зданий представляют низкочастотные составляющие

воздействия. В этом случае конструкции надземной части здания должны обладать либо высокими диссипативными свойствами, чтобы препятствовать опасным сейсмических колебаниям, либо иметь дополнительные демпфирующие элементы, причем, их использование является более предпочтительным с точки зрения эффективности работы всей системы в целом при сейсмических воздействиях [ 7 ]. Среди демпфирующих элементов наибольшее распространение получили энергопоглотители с использованием сил сухого трения - различного рода пластические, упруго-пластические, фрикционные и другие энер-гопоглощающие устройства, несмотря на большое количество различных предложений по их практической реализации, до настоящего времени отсутствует научное обоснование применения поэтажных демпфирующих элементов, не разработаны обоснованные рекомендации по выбору параметров демпфирования, возможности их регулировки, ремонта и замены. Многие существующие решения отличаются сложностью конструктивного исполнения.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является расчетно-теоретическое обоснование целесообразности поэтажного применения энергопоглотителей сухого трения в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений, разработка практических рекомендаций по выбору параметров демпфирования и их проектированию.

Для этого потребовалось решить следующие основные задачи: - провести анализ существующих методов повышения сейсмостойкости зданий и сооружений различных конструктивных решений с использованием сейсмоизолирующих систем сейсмозащиты и сейсмогашения, на основании которого выбрать тип энергопоглотителя для поэтажного демпфирования;

- разработать технические предложения по реализации поэтажного демпфирования сейсмических колебаний в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений;

- провести оценку эффективности предлагаемых решений на простейших расчетных моделях с учетом фактического распределения масс и жесткостей сооружения, исходя из его реальных конструктивных особенностей;

- разработать рекомендации и практические предложения по реализации предлагаемых энергопоглотителей в практике сейсмостойкого строительства.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялся математический аппарат динамики сооружений, метод математического моделирования с использованием ЭВМ.

Диссертационная работа состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

В первой главе приводится обзор существующих способов повышения сейсмостойкости зданий и сооружений с использованием систем сейсмоизоляции и сейсмогашения, анализируются методы оценки их эффективности; производится выбор и обоснование энерго-поглотигелей сухого трения для поэтажного демпфирования сейсмических колебаний, формулируются задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются предлагаемые технические решения по поэтажной компоновке энергопоглотителей сухого трения в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений и дается предварительная оценка их эффективности на простейших расчетных моделях.

В третьей главе освещаются вопросы, связанные с выбором расчетных моделей системы "здание - фундамент - основание", выводом

дифференциальных уравнений движения, описывается методика расчета их эффективности на сейсмические воздействия, задаваемые в виде инструментальной записи акселерограмм известных землетрясений.

В четвертой главе приводятся результаты расчетной оценки эффективности предлагаемой системы сейсмозащиты, даются рекомендации по выбору параметров поэтажного демпфирования.

В пятой главе рассматривается практическое использование полученных в диссертационной работе результатов, даются рекомендации по конструктивному исполнению предлагаемого способа защиты.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В диссертации получили дальнейшее развитие вопросы, связанные с изучением эффективности поэтажного демпфирования в конструкциях сейсмозащиты и на этой основе дана оценка возможности использования энергопоглотителей сухого трения в качестве средств гашения энергии сейсмических колебаний.

2. Предложены технические решения по реализации поэтажного расположения энергопоглотителей сухого трения.

3. Доказана эффективность поэтажного расположения энергопоглотителей сухого трения предложенного типа в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров демпфирования и даны конструктивные решения по реализации принятой системы сейсмозащиты.

На защиту выносятся:

- предлагаемые технические решения по реализации поэтажного расположения энергопоглотителей сухого трения;

- методика и результаты расчетной оценки эффективности энергопоглотителей сухого трения предлагаемого типа, рекомендации по выбору параметров демпфирования;

- практические рекомендации по проектированию и расчету системы поэтажного демпфирования сейсмических колебаний в конструкциях сейсмозащиты зданий и сооружений.

Работа выполнена на кафедре "Здания" ПГУПСа.

1. ГЛАВА1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА И ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ

1.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

В практике сейсмостойкого строительства накоплен огромный опыт проектирования и строительства зданий и сооружений различного назначения. Как отмечалось выше, для защиты объектов от сейсмических воздействий могут применяться различные методы и средства, которые условно подразделяются на традиционные и специальные. Соблюдение традиционных методов является важным и необходимым моментом в обеспечении сейсмостойкости сооружений. Комплекс мероприятий, составляющих основу этих методов, изложен в нормативных документах и кодах всех стран, подверженных сейсмическим воздействиям. Они направлены на повышение несущей способности строительных конструкций и гарантируют сейсмостойкость зданий и сооружений в районах с сейсмичностью 7,8 и 9 баллов.

Проектирование любого объекта в сейсмическом районе с учетом традиционных мер начинается с выполнения общепринятых принципов [ 8 ], в соответствии с которыми все используемые строительные материалы, конструкции и конструктивные схемы должны обеспечивать наименьшее значение сейсмических нагрузок. Рекомендуется применять симметричные конструктивные схемы, равномерное распределение жесткостей конструкции и равномерное распределение масс. В зданиях и сооружениях из сборных элементов следует соблюдать требование равнопрочности элементов несущих

конструкций, не должны допускаться слабые узлы и элементы; должна обеспечиваться монолитность и однородность конструкций. Необходимо предусматривать условия, облегчающие развитие в элементах конструкций и их соединениях пластических деформаций, обеспечивающие при сохранении общей устойчивости сооружения. Все перечисленные принципы являются главным условием, с которого начинается проектирование любого объекта.

Вопросам разработки и применения традиционных методов и средств защиты посвящена обширная литература, представленная в трудах Я.М.Айзенберга, В.А.Быховского, И.И.ГольденблатаД.Ж.Жунусова, К.С.Завриева, Б.К.Карапе-тяна, Г.Н.Карцивадзе, И.Л.Корчинского, С.В.Медведева, А.Г.Назарова, Ш.Г.Напетваридзе, С.В.Полякова, В.Т.Рассказовского, О.А.Савинова, в трудах зарубежных специалистов М.Био, Дж.Блюма, Дж.Борджеса, Р.Клафа, Н.Ньюмарка, Ш.Окамото, Дж.Пензиена, Э.Розенблюэта, Дж.Хаузнера и др. Наряду с обширной литературой, посвященной традиционным методам, появилось большое количество работ и по специальным средствам защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий.

В связи со спецификой темы диссертации в настоящем обзоре основное внимание �