автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение сейсмостойкости каркасных зданий с помощью энергопоглотителей торсионного типа

Амурский государственный университет

На'правах рукописи

Захаров Эдуард Григорьева

ПОВЫШЕНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ ТОРСИОННОГО ТИПА

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель Канд.техн.наук, доцент

Такмаков А.Ф.

Благовещенск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ........................9

1.1. Конструктивные схемы многоэтажных каркасных зданий

для сейсмических районов......................................9

1.2. Анализ повреждений многоэтажных каркасных зданий при землетрясениях................................................11

1.3. Обзор активных способов сейсмической защиты..............18

1.3.1. Системы о сейсмоиволяцией.............................. 18

•1.3,2. Адаптивные системы.....................................29

1.3.3. Системы с гасителями колебаний.........................35

1.3.4. Системы с повышенным демпфированием....................36

1.4. Использование упругопластической работы стали для повышения сейсмостойкости каркасных зданий....................40

1.5. Цель и задачи исследования...............................59

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ, ОБОРУДОВАННЫХ ЗНЕРГОПОГЛОТЙТЮШЙ ТОРСИОННОГО (ЭПТ) ТИПА,

НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ..............................................53

2.1. Работа торсионного энергопоглотителя при

циклических нагрузках..........................................................63

2.2. Расчетная схема, здания, оснал!енного энергопоглотителями торсионного типа............................................. .77

2.3. Исследование сейсмостойкости зданий с торсионными энергопоглотителями на основе энергетического подхода.........79

2.4. Исследование реакции зданий с торсионными

энергопоглотителями при сейсмических колебаниях основания.....89

2.4.1-. Определение мгновенной жесткости системы

каркас - торсионный энергопоглотитель......................... 95

- з -

2.4.2. Алгоритм расчета реакции здания........................99

2.4.3. Результаты расчета по программе TORSION................118

2.5. Краткие выводы по главе..................................136

В. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЗДАНИЯ, ОСНАЩЕННОГО ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕМ ТОРСИОННОГО ТИПА, ПРИ НАГРУЗКАХ ТИПА СЕЙСМИЧЕСКИХ..................................................137

3.1. Цель, задачи эксперимента и моделирование................137

3.2. Конструкция модели торсионного знергопоглотителя и экспериментальные образцы торсионов...........................142

3.3. Статические испытания торсионного знергопоглотителя.....150 '3.4. Динамические испытания модели каркаса, оснащенной

торсионным энергопоглотителем.................................161

3.4.1. Виброплатформа и модель связевого каркаса..............15j

3.4.2. Измерительное оборудование и методика

динамических испытаний........................................165

3.4.3. Результаты динамических испытаний......................177

3.5. Сопоставление результатов эксперимента с расчетными

параметрами реакции модели....................................203

3.5. Краткие выводы по главе..................................210

4. КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ И МЕТОДИКА ПОДБОРА ПАРАМЕТРОВ.......214

4.1. Конструктивные решения энергопоглотителя

торсионного типа и связевого каркаса здания...................214

4.2. Методика подбора параметров торсионных

энергопоглотителей............................................222

4.3. Краткие выводы по главе..................................227

5. ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ ТОРСИОННОГО ТИПА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ СО СТАЛЬНЫМ СВЯВЕВЬМ

- КАРКАСОМ......................................................228

5.3. Примеры расчета стальных связевых каркасов традиционной

и предлагаемой конструктивных форм............................229

5.2. Определение технико-экономических показателей............231

5.3. Краткие выводы по главе................................. .234

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ...................................................23Ь

СЛИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. .............................238

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (Подбор параметров ЭПТ)..........................253

ПРР1Л0ЖЕНИЕ 2 (Тексты программ)................................ 256

ВВЕДЕНИЕ

Значительная доля территории Российской Федерации и стран Содружества находится в зонах о повышенной сейсмической активностью. Целый ряд сильных землетрясений, произошедших в последнее время ( Армения 1968, Иран 1990, Курилы 1994, Кобэ 1995, Сахалин 1996) /51,59/' явился жестоким напоминанием того, что недостаточный учет сейсмических воздействий при проектировании и строительстве зданий и сооружений может привести к катастрофическим разрушениям, влекущим за, собой человеческие жертвы и значительный материальный ущерб.

Потребность освоения районов Дальнего Востока, Восточной Сибири и Забайкалья, а также повышение плотности застройки в уже освоенных районах Северного Кавказа, Закавказья, Молдовы, Казахстана, республик Средней Азии предопределяет необходимость разработки новых конструктивных форм зданий и сооружений, отличающихся повышенной сейсмостойкостью.

Это касается и многоэтажных зданий каркасной конструктивной системы, которая_широко используется при возведении большинства объектов промышленного и общественного назначения. Опыт эксплуатации таких зданий в районах с повышенной сейсмической опасностью в целом свидетельствует о их достаточно высокой сейсмостойкости. Тем не.менее, анализ последствий ряда сильных землетрясений показывает, что каркасные здания не всегда удовлетворительно, 'перенооят сейсмические воздействия /45,136,100,145/ и получают разного рода повреждения и даже разрушения. -Поэтому исследования, связанные с проблемой повышения их сейсмостойкости, являются актуальными и имеют большое народнохозяйственное значение.

Основные повреждения многоэтажных каркасных зданий связаны как правило о ошибками при выборе объемно-планировочного и коне-

труктивного решений; недостаточной способностью элементов и их соединений к безопасному развитию неупругих деформаций. В этой связи необходимо отметить, что применение металлических конструкций дает более широкие возможности по использованию резервов неупругой работы материала и тем самым позволяет повысить надежность каркасов.

К настоящему времени в строительной практике сформировалось два основных подхода к сейсмозащите зданий: пассивный, связанный с увеличением сечений элементов и использованием более высокопрочных материалов, и активный , реализующий мероприятия по снижению сейсмических нагрузок. С экономической точки зрения активный подход является более предпочтительным, так как позволяет снизить объем■антисейсмических мероприятий.

Снижение сейсмических нагрузок может быть достигнуто за счет регулирования динамических характеристик каркасных зданий как колебательных систем. К настоящему времени предложено большое число способов активной сейсмоза.щиты , реализующих различные конструктивные принципы: сейсмоизоляции, адаптации, повышенного демпфирования, применения гасителей колебаний. Благодаря использованию активных сейсмозаш.итных мероприятий удается снизить значения расчетных сейсмических нагрузок на 0.5 - 2 баяла.

Имея довольно высокую эффективность, большинство систем активной сейсмозашиты (САС) обладают и рядом недостатков, одним из которых'' является сложность их устройства и эксплуатации. В этой связи, в качестве метода повышения сейсмостойкости каркасных зданий, достаточно перспективным может быть признано применение энергопоглотителей , использующих упругопластичеокую работу стали. Среди большого числа конструкций стальных энергопоглотителей (стержневых, кольцевых, сдвиговых и т.д.) в наибольшей мере требованиям, предъявляемым к данному виду САС, отвечают энергопог-

- г -

лотители торсионного (ЗБТ) типа.

Используя упругопластическое кручение стальных цилиндрических элементов (торсионов), ЭПТ обладают высокой энергопоглощаю-щей способностью , малоцикловой выносливостью, простотой конструкции. При оснащении многоэтажных каркасных зданий, энергопоглотители наиболее . рационально устанавливать в месте крепления подкосов вертикальных связей к фундаменту. При таком решении будут сведены к минимуму изменения, вносимые в конструкцию вышележащих этажей и обеспечена возможность оперативной замены торсио-нов в случае их выхода из строя.

Как показывают результаты исследований, в процессе развития неупругих деформаций, значительно изменяются динамические характеристики здания, оснащенного ЭПТ, что наделяет его адаптационными свойствами.

На основании сказанного выше торсионные 'энергопоглотители были приняты'за основу для дальнейшей разработки и исследования в качестве средства повышения сейсмостойкости зданий со стальными каркасами.

В связи с этим, в диссертации поставлена комплексная задача изучения работы при сейсмических воздействиях зданий со стальными каркасами, оснащенными ЭПТ.

Научную новизну составляют следующие основные результаты, защищаемые автором:

Обоснована целесообразность применения энергопоглотителей торсионного (ЭПТ) типа для сейсмозащиты каркасных зданий.

2. На основании энергетического подхода получены зависимости между интенсивностью сейсмического воздействия и параметрами ЭПТ, обеспечивающими необходимую степень сейсмозащиты. При этом учитываются динамические характеристики самого здания, а также допустимые уровни упругопластической работы и деформаций энерго-

поглотителя.

3. Предложены теоретическое обоснование, алгоритм и комплекс программ расчета сейсмической реакции здания с ЭПТ, разработанные с учетом изменения динамических параметров системы за счет упругопластической работы торсионных энергопоглотителей.

4. Представлены методика экспериментальных исследований и опытные данные о характере реакции здания, оснащенного ЭПТ, полученные при испытании модели каркаса нагрузками типа сейсмических с учетом критериев подобия.

5. Предложены методика подбора параметров и конструктивное решение знергопоглотителя торсионного типа применительно к зданиям со стальным связевым каркасом.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Конструктивные схемы многоэтажных каркасных зданий для сейсмических районов

Каркасная конструктивная система нашла широкое применение в строительной практике. Она используется при возведении подавляющего числа производственных зданий и инженерных сооружений промышленности и сельского хозяйства, общественных, административных и части жилых зданий. Опыт эксплуатации таких зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмической опасностью в целом свидетельствует о достаточно высокой способности железобетонных и стальных каркасов сопротивляться интенсивным сейсмическим воздействиям и обеспечивать безопасность людей и сохранность материальных ценностей.

Каркасы промышленных, жилых и общественных многоэтажных зданий, проектируемых для строительства в сейсмических районах, по способу восприятия горизонтальных нагрузок могут быть решены по одной из следующих схем:

Рамная схема, с жесткими узлами соединения колонн и ригелей. Горизонтальные сейсмические нагрузки воспринимаются в основном элементами каркаса. Таким зданиям свойственна повышенная деформа-тивностъ, а также неравномерность распределения по высоте изгибающих моментов от горизонтальных нагрузок.

Рамно-с-вязевая схема. При этом подавляющая часть горизонтальных нагрузок передается на вертикальные элементы жесткости (диафрагмы, связевые блоки, торцевые стены, стены лестничных клеток, лифтовых шахт и т.п.), а некоторая часть горизонтальных нагрузок воспринимается рамами. Применение этой схемы приводит к

снижению деформативности и выравниванию изгибающих моментов в элементах рамы от горизонтальных нагрузок.

Связевая схема. При ее использовании четко разделяются функции каркаса и вертикальных связей. Каркас, имеющий шарнирные узлы, воспринимает только вертикальные нагрузки, а все горизонтальные нагрузки, включая сейсмические, через диски перекрытия передаются на систему вертикальных связей. Связевая схема отличается конструктивной простотой и наиболее предпочтительна о точки зрения унификации элементов каркаса.

Пространственная схема предполагает, что горизонтальные нагрузки воспринимаются плоскими рамами совместно с ядром жесткости; наружной оболочкой ( самостоятельно или совместно с ядром жесткости); связевым или рамным каркасом, образующим пространственную структуру и т.д. Использование ядер жесткости и в особенности наружных .оболочек позволяет повысить концентрацию материала и тем самым снижает'материалоемкость и стоимость каркасов /91/.

Рассмотренные конструктивные схемы каркасных зданий могут быть реализованы как в железобетонных так и в стальных конструкциях. При этом сейсмостойкость зданий во многом зависти от прочности отдельных элементов и их соединений и кроме этого от способности сопротивляться значительным неупругим деформациям. В этой связи использование стали в качестве конструкционного материала является более предпочтительным в силу ярко выраженных пластических свойств. Тем не менее для железобетонных конструкции необходимая степень податливости может быть достигнута путем использования соответствующих марок бетона и арматуры, степени продольного и поперечного армирования, а также соответствующей компоновкой и конструированием элементов.

1.2. Анализ повреждений многоэтажных каркасных зданий при землетрясениях

Колебания поверхности земли при сейсмическом воздействии по частоте, направлению и амплитуде носят случайный и нестационарный характер, зависящий от магнитуды, глубины фокуса, геологического строения и ряда других факторов. Однако для многих землетрясений по записям акселлерограмм можно построить спектральные кривые -зависимости между ускорением поверхности земли и периодом колебаний. Анализ спектральных кривых позволяет разделить землетрясения на несколько типов.

1.Землетрясения типа толчок (Агадир 1960, Джамбул 1971). Они происходят только на небольших расстояниях от эпицентра , только на твердых грунтах и только при неглубоком фокусе. Преобладающими являются колебания с короткими периодами (Т<0.2с).

2.Крайне нерегулярные движения умеренной интенсивности (Зль-Центро 1940). Для землетрясений такого типа характерны небольшое расстояние от фокуса и обязательно наличие твердых грунтов. Распределение энергии между широким диапазоном периодов колебаний (от 0.05 до 6с) в среднем равномерное.

3.Движение грунта большой продолжительности с резко выраженным преобладанием определенных, как правило длинных, периодов колебаний' (Мехико 1964 и 1985, Баканас 1979} , возникающее в следствии прохождения колебаний через пласты слабого грунта.

4.Землетрясения, записи которых характеризуются большими ускорениями как в области коротких (0.2 - 0.4с) так и в области длинных периодов /33/

5.Движение, сопровождающееся значительными остаточными деформациями грунтов основания (Вальдивия и Пуэрто-Монт 1960, Анкоридж

1954, Ниигата 1964), что делает невозможным выделение каких либо преобладающих периодов колебаний.

Анализ последствий сильных землетрясений, относящихся к первым четырем группам, указывает на то, что реакции зданий и сооружений и их повреждения связаны с резонансными явлениями. Наступление резонанса зависит от соотношения частот преобладающих сейсмических колебаний и собственных частот сооружения /83,41/.

Наглядным примером резонансных явлений служат повреждения 3-этажного здания инженерной школы Университета в г. Консепсьоне (Чили), полученные при землетрясении 1960 года интенсивностью 8 -10 баллов /100/. Во время первого сейсмического толчка £1 мая были разрушены все вертикальные связи, находившиеся в уровне первого этажа, из-за чего собственная частота по основному тону снизилась с 1.25 до 0.94 Гц. Второе землетрясение 22 мая здание встретило без связей и в результате того, что имело собственную частоту ниже доминантной частоты сейсмических колебаний, не получило серьезных повреждений. Хотя амплитуда колебаний первого этажа относительно фундамента составила около 6 см.

Землетрясение в Анкоридже (Аляска) 1964 года (магнитуда 8.2 - 8.6) /99/ характеризовалось длинными периодами (более 0.5 с) и большой продолжительностью. Поэтому многие гибкие, в том числе высотные, здания оказались в режиме резонансных колебаний. Тем не менее здания со стальными каркасами, построенные в соответствии с сейсмозкщитными нормами, удовлетворительно перенесли землетрясение. Например 8-этажный жилой дом "Хил Еилдинг" со стальным каркасом, центральным железобетонным ядром жесткости и монолитными перекрытиями получил умеренные повреждения, которые в основном концентрировались в уровне первого этажа: в стенах лестничной клетки образовались волосяные и крупные Х-образные трещины со сдвигами. В отличие от стальных, железобетонные здания в Анкорид-

же пострадали особенно сильно, что было связано с- расстройством стыков, не о