автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Сейсмоизолирующие опорные устройства зданий, сооружений и практические методы их расчета

КЫРГЫЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА, ТРАНСПОРТА И АРХИТЕКТУРЫ им. Н.ИСАНОВА

Диссертационный совет Д.05.14.495

Андашев Акылбек Жээнбекович

На правах рукописи УДК 699.841

СЕЙСМОИЗОЛИРУЮШИЕ ОПОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БИШКЕК-2014

13 НОЯ 2014

005554776

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории сейсмостойкого строительства кафедры «Проектирование, возведение зданий и сейсмостойкое строительство» Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры имени Н. Исанова.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент, М.Ч. Апсеметов

доктор технических наук, профессор B.C. Семенов г. Бишкек кандидат технических наук, с.н.с. М.П. Камчыбеков г. Бишкек

ОАО «Кыргызпромпроект»

Защита состоится «_»_ 2014 г. в «_» часов на заседании

диссертационного совета Д 05.14.495 Кыргызско - Российского Славянского Университета им. Б. Ельцина, Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектур^ им. Н.Исанова по адресу: 720020, г.Бишкек, ул.Малдыбаева, 34, б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н.Исанова.

Автореферат разослан «27» ноября 2014 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

к.т.н., доцент Л.В. Ильченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации, каноны с сейсмической активностью от шести до девяти баллов составляют одну пятую часть территории СНГ, что равно площади почти всех стран Европы. Сейсмоопасные районы имеются в 11 бывших союзных республиках, в том числе и в Кыргызской Республике. Вся территория Кыргызской Республики относится к сейсмически опасным районам.

На территории с сейсмичностью 7...9 и более баллов расположены крупные культурные и промышленные центры, многочисленные города и населенные пункты. Вся эта сравнительно густонаселенная часть мира подвержена землетрясениям, которые сопровождаются разрушениями несейсмостойких зданий и сооружений, гибелью людей и уничтожением материальных и культурных ценностей, накопленных трудом многих поколений. В эпицентральных зонах таких землетрясений нередко нарушается нормальное функционирование промышленности, транспорта, электроснабжения и др., что ведет к значительному материальному ущербу.

Общеизвестно, что в сейсмоопасных регионах повышение сейсмостойкости зданий и сооружений является актуальной проблемой.

Связь темы диссертации с крупными научными программами. Работа выполнялась в рамках Государственной комплексной программы развития науки и техники, новых технологий в КР до 2011 г. (раздел «Строительство и стройиндустрия») и по плановой научно-исследовательской тематике ПНИЛСС КГУСТА: «Разработать и внедрить в практику сейсмостойкого строительства новые экономичные и надежные системы сейсмозащиты».

Целью диссертационной работы является повышение сейсмостойкости зданий и сооружений снижением сейсмических сил путем сейсмоизоляции их уровне фундамента и опор.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- провести ретроспективный анализ научно-технических отчетов и литератур по сейсмоизоляции зданий и сооружений;

- разработать конструкцию сейсмоизолирующего опорного устройства из упругого материала;

- разработать конструкцию сейсмоизолирующего опорного устройства из пластичного материала;

- разработать конструкцию сейсмоизолирующего опорного устройства из антифрикционного материала;

провести экспериментальные исследования модели здания с сейсмоизолирующими скользящими опорными устройствами и натурный эксперимент моста при взрыве;

разработать практические методы расчета сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены методами строительной механики, экспериментальные исследования проведены на сейсмоплатформе кафедры «Проектирование, возведение зданий и сейсмостойкое строительство» КГУСТА и при взрыве с использованием измерительно-регистрирующей аппаратуры.

Научная новизна полученных результатов:

-разработана конструкция сейсмоизолирующей опоры из резины и металла;

- разработана конструкция сейсмоизолирующей опоры из свинца и стали;

- разработана конструкция сейсмоизолирующей опоры из фторополимера и стали;

-разработана методика расчета, позволяющая определить оптимальные параметры сейсмоизолирующих опор;

- получена эмпирическая формула для практического расчета сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость.

Практическая значимость полученных результатов:

- разработаны надежные и технологичные конструкции сейсмоизолирующих опор из упругого, пластичного и антифрикционного материалов, снижающие сейсмическую нагрузку на надземную часть здания и сооружения;

получена эмпирическая формула для практического расчета сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость, которая использована при проектировании производственных зданий и мостов для сейсмических районов, результаты исследований внедрены на следующих предприятиях: проектный институт «Кыргыздортранспроект» министерства транспорта и коммуникаций, ОАО «Промпроект» и в учебный процесс КГУСТА;

применение разработанных конструкций снижает сейсмическую нагрузку на 2-4 раза;

- предложены формулы для определения оптимальных параметров сейсмоизолирующих опорных устройств;

- экономический эффект при снижении сейсмического воздействия составляет 25-30 % за счет уменьшения расходов на ремонт и восстановление зданий, мостов после землетрясения.

Основные положения диссертации, вносимые на защиту:

-разработанная конструкция сейсмоизолирующей опоры из резины и металла;

-разработанная конструкция сейсмоизолирующей опоры из свинца и стали;

-разработанная конструкция сейсмоизолирующей опоры из фторополимера и стали;

-результаты экспериментальных исследований моделей зданий с сейсмоизолирующими опорными устройствами из скользящего и упругого

материалов на сейсмоплатформе КГУСТА и натурных испытаний моста при взрыве на ГЭС Камбар-Ата-2;

-методика расчета, позволяющая определить оптимальные параметры сейсмоизолирующих опор;

-полученная эмпирическая формула для практического расчета сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость.

Личный вклад соискателя:

- теоретическое исследование работы конструкций с сейсмоизолирующими опорными устройствами выполнено автором;

-экспериментальное исследование работы модели сооружения выполнено соавторами;

-конструкции сейсмоизолирующих опорных устройств разработаны с соавторами;

-методика расчета, позволяющая определить оптимальные параметры сейсмоизолирующих опор разработана автором;

-эмпирическая формула для практического расчета сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость получена с соавторами.

Результаты диссертаций доложены на: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов КГУСТА, 2008-2013 гг.; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов КРСУ, 2008-2013 гг.; научно-практической конференции «Сейсмостойкость зданий и сооружений», Алматы, КазНИИССА, 2007 г.; 7-м казахстанско-китайском Международном симпозиуме «Прогноз землетрясений, оценка сейсмической опасности и сейсмического риска в Центральной Азии», Алматы, 2010 г.; на семинарах кафедр «Проектирование, возведение зданий и сейсмостойкое строительство», «Автомобильные дороги, мосты и тоннели» КГУСТА.

Опубликованные результаты. Материалы диссертации опубликованы в 16 работах, получены 6 патентов на изобретение, из них 13 публикаций в изданиях, рекомендованных НАК КР, а также в 2 научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и приложения. Текстовая часть изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 11 таблиц и включает список литературы из 140 наименования.

Автор выражает благодарность Х.М. Токтонасарову, к.[г.н., доценту М.Ч

Апсеметову, коллективу кафедры «Проектирование, возведение зданий и сейсмостойкое строительство» за оказание помощи при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и дается ее краткая характеристика.

В первой главе приведен анализ состояния сейсмоизоляции зданий и сооружений и сформулированы задачи исследования.

Вопросами сейсмостойкости зданий и сооружений получили широкое развитие в работах А.Х.Абдужабарова, М.К.Абдыбалиева, Я.М.Айзенберга, М.Ч.Апсеметова, У.Т. Бегалиева, В.А.Быховского, В.В.Болотина,

А.Б.Гроссмана, Т.Ж.Жунусова, К.С.Завриева, М.Д.Кутуева, В.А.Киселева, Ю.Г.Козмина, А.Д.Коновалова, Г.Н.Карцивадзе, ИЛ.Корчинского, А.Ш.Килимника, А.Г.Назарова, А.А.Никитина, Ш.Г.Напетваридзе, Т.Ормонбекова, С.В.Полякова, Т.Р.Рашидова, ЛЛ.Солдатовой, Ж.М.Токтонасарова, Ю.Д.Черепинского, В.П.Чуднецова, и др. за рубежом эти вопросы рассмотрены в работах М. Био, Н.Ньюмарка, Ж.Окомото, Э.Розенблюта, Дж.Хаузнера и др.

Идея сейсмоизоляции зданий от разрушительных последствий сильных землетрясений восходит к древним и средним векам.

История свидетельствует, что в VI веке до нашей эры в Эфесе для строительства одного из семи чудес света, храма Артемиды, Херсифрон выбрал болотистое место, устроив искусственное основание из древесного угля и армировав его шерстью, обеспечил сейсмостойкость храма. С целью снижения сейсмического воздействия на здания в III-VII вв. некоторые монументальные сооружения Средней Азии строились на песчаных подушках, в X-XII вв. - на подушках из чистой глины, в цокольной части стен прокладывались мягкие камышовые прослойки. Работоспособность их использования проверялась на основе результатов инженерного анализа последствий землетрясений. Так, при землетрясении в Ассане (Индия) сооружения, у которых надземная часть конструкций в целом свободно перемещалась по основанию, пострадали незначительно по сравнению с сооружениями, у которых надземная часть была жестко закреплена в основании.

Одним из направлений сейсмоизоляции, получившим довольно широкое распространение в Японии, Англии, Франции, США и Новой Зеландии, является использование упругих материалов, т.е. резинометаллических опор, устанавливаемых между несущими конструкциями здания и фундаментом. Для предотвращения чрезмерной осадки зданий под нагрузкой от собственного веса опоры выполняют жесткими в вертикальной плоскости. Испытания экспериментальных зданий с такими опорами на вибрационные нагрузки и зданий, подвергавшихся воздействию землетрясения, при котором амплитуда колебаний грунта достигала 20 мм, показали, что внутри здания не было обнаружено никаких повреждений, предметы и инженерное оборудование не перемещались, хотя при этом зарегистрированы значительные деформации сейсмоизолирующих опор.

Применение материалов, обладающих свойством низкого коэффициента трения, в качестве элемента сейсмоизолирующих устройств исследовано в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, Казахском Промстрой НИИ проекте совместно с Фрунзенским политехническим институтом. В результате в г.Бишкек было построено несколько зданий и проведены их комплексные натурные

статические и вибрационные испытания, которые показали эффективность

применения таких материалов.

В нашей республике широко используются сейсмоизолирующие скользящие пояса. Например, в г. Бишкек построен 12-й микрорайон из девятиэтажных крупнопанельных зданий с сейсмоизолирующими скользящими поясами. Построены мосты с резинометаллическими опорными частями и скользящими поясами на уровне фундамента и подферменной плиты.

Повышение надежности сейсмоизолирующих опорных устройств для сооружений требует совершенствование их конструкций. Необходимо разработать новые комбинированные конструкции сейсмоизолирующих опор, а именно из резины и стали, из свинца и стали, фторополимера и стали, а также методики их расчета, устанавливающие оптимальные параметры этих опор, позволяющие снизить сейсмическую силу, передаваемую на надземную часть сооружения.

Эти вопросы и явились предметом исследования настоящей диссертации.

Во второй главе представлены разработанные конструкции сейсмоизолирующих опор из скользящего, упругого и пластичного материалов.

В настоящее время прошли стадию опытной проверки сейсмоизолирующие опоры из антифрикционного материала фторопласта-4, имеющего низкий коэффициент трения скольжения (0,05...0,1) по пластине из нержавеющей стали, выпускаемой по ГОСТ 10007-80Е.

При превышении сейсмической нагрузки на верхней части здания, т.е. при ускорении основания 0,05 % здание начинает проскальзывать относительно фундамента в пределах амплитуды основания 8< Аосн. Существенными недостатками существующих сейсмоизолирующих скользящих опор являются требование большой точности при монтаже и необходимость проведения профилактического ремонта, предотвращающего «залипание» при адгезии материалов.

При натурных испытаниях пятиэтажного крупнопанельного дома № 78 в микрорайоне Аламедин (г.Бишкек) в связи с обнаружением отклонений от проектного решения (касания элементов железобетонного ростверка и обвязки)

подвижка недостигнута.

Разработанная автором сейсмоизолирующая опора (патент КР №91 рис. 1), выполненная из эластичного материала, например, из фторополимера. Согласно техническому решению, эта подушка выполнена в виде толстостенной полой сферы, внутренняя поверхность которой заполнена антифрикционным материалом, например, порошкообразным графитом, полибденитом, динолитом, тефлоном. Сейсмоизолирующая подушка работает следующим образом. Под действием силы тяжести здания сейсмоизолирующая подушка, размешенная между надземной и подземной частями здания, деформируется, принимая сплюснутую форму.

2. Работа сейсмоизолирующей опоры на сейсмическую силу

В процессе воздействия сейсмической силы 8 наружная поверхность сейсмоизолирующей подушки благодаря эластичности и трению перемещается, как гусеницы трактора, по поверхности надземной и подземной частей здания в пределах амплитуды колебания основания Аосн, а верхняя часть внутренней поверхности подушки благодаря свойству антифрикционного материала скользит по нижней части (рис. 2). Согласно разработанному изобретению, свойства упругости, пластичности и малого коэффициента трения скольжения материала одновременно работают на вертикальную и горизонтальную составляющие сейсмической нагрузки.

Рис. 3. Сейсмоизолирующая опора Рис. 4. Работа сейсмоизолирующей опоры

(патент КР № 81) на сейсмическую силу

На рис, 3 представлена конструкция скользящей сейсмоизолирующей опоры при статистическом действии нагрузки <3 (патент КР №81), а на рис. 4 показан вид этой опоры при воздействии сейсмической нагрузки. Скользящая сейсмоизолирующйя опора состоит из размещенных между фундаментом и зданием верхней, нижней и промежуточных стальных пластин, между ними размещены листы из фторополимера. Сейсмоизолирующая опора работает следующим образом. В исходном состоянии до воздействия сейсмической нагрузки расположение ее элементов соответствует рис. 3. Действие сейсмической силы 5 воспринимается непосредственно нижней опорной частью фундамента за счет ее контакта с основанием и передается через нижнюю пластину промежуточным пластинам из стали и фторополимера, которые скользят относительно друг друга и совместно с кожухом упругого основания деформируются в пределах колебаний основания, ограничивая сейсмическую нагрузку.

На рис. 5 показано сейсмостойкое здание, включающее пространственные жесткие этажи, образованные колонами, ригелями, стенами, перекрытиями, покрытиями, фундаментом, в котором в качестве сейсмоизолирующего устройства под фундаментом размещен торф (патент КР №92).

S9Í

Рис. 6. Работа сейсмоизолирующего устройства из торфа на сейсмическую силу

Рис. 5. Сейсмоизолирующее устройство из торфа (патент КР № 92).

При землетрясении сейсмоизолируюшая прокладка из торфа работает следующим образом. Под действием сейсмической силы Б {рис.6) здание перемещается в пределах колебания основания, гася энергию вертикальной и горизонтальной составляющих сейсмической силы. Недостатком этой конструкции является большие осадки фундамента после землетрясения.

Разработанное техническое решение усовершенствовано следующим образом.

Рис. 7. Сейсмоизолирующее устройство из стали и свинца (патент КР №80)

Рис. 8. Работа сейсмоизолирующего устройства из стали и свинца на сейсмическую силу

На рис. 7 изображен вид опоры при статистическом действии и нагрузки, а на рис.8 - ее вид при воздействии сейсмической нагрузки (патент КР №80). При этом сейсмоизолирующая опора состоит из соединенных с надземной и подземной опорными частями здания горизонтально расположенных жестких пластин, между которыми размещен кожух, выполненный из пластичного металла, прикрепленный к пластинам вертикальными металлическими стержнями, пропущенными сквозь его тело. Сейсмоизолирующая опора работает следующим образом. В исходном состоянии до воздействия сейсмической нагрузки расположение ее элементов соответствует рис. 7. Под действием сейсмической силы Sor вертикальные металлические стержни и амортизатор из пластичного металла деформируются в пределах колебаний

основания Аосн, гася горизонтальную и вертикальную составляющие сейсмические силы (рис. 8).

При этом разработанное техническое решение; во-первых, долговечно, т.е. не окисляется, во-вторых, стальные стержни защищены от коррозии по сравнению с известными техническими решениями имеют очевидное преимущество, т.е. надежны, долговечны и технологичны. Не происходит большие осадки фундамента после землетрясения.

В третьей главе рассматриваются экспериментальные исследования работы сооружения сейсмоизолирующими опорными устройствами при сейсмическом воздействии.

Проведены три эксперимента:

1. Экспериментальное исследование модели сооружения с сейсмоизоляцией сухим трением антифрикционной прокладки на сейсмоплатформе КГУСТА.

2. Экспериментальное исследование работы модели сооружения с сейсмоизоляцией резинометаллической опорой на мини-сейсмоплатформе КГУСТА, разработанной Н. А. Руденко.

3. Натурное экспериментальное исследование работы пролетного строения моста с сейсмоизоляцией валковой опорной частью при взрыве на ГЭС Камбар-Ата-2.

Разработанные автором конструкции сейсмоизолирующих опор входят в вышеперечисленные виды сейсмоизоляции (патенты КР №81, №92, №80, №90).

Основной целью экспериментальных исследований являлись установление общих закономерностей сейсмических колебаний сооружений, имеющих сейсмоизолирующие опоры (скользящие пояса, упругие опоры, валковые опоры) и изучение перспективности разработанных конструкций в зависимости от их конструктивных особенностей, характера и интенсивности колебаний основания. Эффективность сейсмоизолирующих опорных устройств оценивалось по величине уменьшения ускорений, возникающих в изолированной части сооружения.

Для измерения перемещений использовались сейсмометры ВБП-3, СМ-3, а для измерения ускорений - ОСП. Регистрация сигналов осуществлялось осциллографами Н041У4.2.

Основные параметры модели: период собственных колебаний модели То, коэффициент трения скользящих опор/тр и период вынужденных колебаний Т характеризующих подобие, приняты в диапазоне их измерения в реальных сооружениях (зданиях и мостах).

При первом эксперименте экспериментального исследования работы сооружения сейсмоизоляцией сухим трением антифрикционной прокладкой на сейсмоплатформы КГУСТА, сейсмическое воздействие моделировалось гармоническим воздействием сейсмоплатформы с частотой до 10гц и ускорением до 1000 см/с2. Ускорение 1000 см/с2 соответствует землетрясению силой 10 баллов по шкале М5К-64. В процессе эксперимента определялись ускорения колебания и уменьшение ускорения сооружения. Конечным

результатом исследования является определение коэффициента сейсмоизоляции Ка, который равен отношению ускорения сооружения А к ускорению сейсмического воздействия Ао

ло

В результате обработки экспериментальных данных построен экспериментальный усредненный график коэффициента сейсмоизоляции (кривая 2 на рис. 9). Методом наименьших квадратов по данным экспериментальных исследований получена эмпирическая формула коэффициента сейсмоизоляции Кси для сооружений сейсмоизолирующим скользящим поясом из стали и фторопласта с коэффициентом трения /р=0,04 (кривая 1 на рис. 9).

Из рис. 9 видно, что чем больше воздействия Ао, тем эффективнее снижается сейсмическое воздействие на сооружения. По нашему мнению, это объясняется тем, что при увеличении ускорения Ао уменьшается динамический коэффициент трения фторопласта по металлу. Поэтому снижается коэффициент сейсмоизоляции , а значит и ускорение сооружения

Л = Ка1-Ла (2)

Эмпирическую формулу кривой 1 на рис. 9 ищем в виде:

Кси = а-е^А° (3)

Рис. 9. График коэффициента сейсмоизоляции сооружений. 1 — эмпирическая кривая по формуле (3); 2 — экспериментальная кривая.

причем Кш = 1 при 05 А« <90см/с2, Кш = 0,1 при Ао > 1100слг/с\ а в

промежуточных значениях А0, Кси определяется по предложенной формуле. Коэффициенты а и Ь зависят от конструкции скользящего пояса. Например, для фторопласта с металлом они равны: а= 1,2277, Ь=0,0023 соответственно.

Второе экспериментальное исследование работы модели четырехэтажного каркасного здания, которое состоит из металлических стержней с сейсмоизоляцией резинометаллической опорой проведено на мини-сейсмоплатформе КГУСТА. Сейсмическое воздействие моделировалось гармоническим воздействием мини-сейсмоплатформы с частотой до 10 Гц и ускорением до 800 см/с2, которое соответствует землетрясениям с силой 9 баллов по шкале М5К-64. Максимальное перемещение мини-сейсмоплатформы Ао=0,2см, тогда максимальное ускорение мини-сейсмоплатформы при гармоническом колебании будет

Д, = ®г - 4 = (2я/Т ■ 4, =(2- 3.14 10)2 -0,2 = 788,8 см/с2. -Собственный период модели То=0,7с, что соответствует собственному периоду реальных каркасных зданий. Амплитуда перемещений мини-сейсмоплатформы и модели записывались самописцами и сейсмометром СМ-3 соответственно, а ускорения - сейсмометрами ОСП.

В результате экспериментальных исследований установлено, что при частоте колебания сейсмоплатформы 1,5 Гц ускорение модели увеличилось на 1,05 раза. При остальных частотах ускорение модели уменьшилось от 1,5 до 2 раз. Эти результаты показывают, что при частоте мини-сейсмоплатформы 1,5 Гц произошло резонансное явление, а в остальных частотах коэффициент сейсмоизоляции Кси изменяется от 0,5 до 0,65. Отсюда следует, резинометаллическая опора уменьшает сейсмические воздействия на сооружения 2 раза и пиковые значения резонансных колебаний.

На рис. 10 показан экспериментальный график коэффициента сейсмоизоляции Кс„ сооружения с резинометаллической опорой.

сооружения с резинометаллической опорой.

При третьем эксперименте натурного экспериментального исследования пролетного строения моста с сейсмоизоляцией валковой опорной частью,

сейсмическое воздействие моделировалось взрывом на ГЭС Камбар-Ата 2. Для изучения взрыва использована переносная сейсмометрическая станция КГУСТА.

Целью натурного эксперимента является определение влияния валковой опорной части на колебание пролетного строения моста при взрыве.

Мост расположен на 318 км автодороги Бишкек — Ош. Расстояние от места взрыва до моста составляет 3,5 км. Мост шестипролетный, разрезные пролетные строения из железобетона, длина моста 206,8 м.

Береговые пролеты длиной 16,76 м - балки таврового сечення из обычного железобетона.

Промежуточные пролетные строения длиной 43,2 м - балки таврового сечения из составных блоков, натянутые из предварительно напряженной арматуры В-И.

Габарит моста - 9 м с двумя тротуарными полосами по 1,0 м.

Фундаменты береговых опор монолитные на естественном основании, промежуточные опоры - на опускных колодцах. Тело опор сборное, железобетонное, армированное преднапряженной арматурой - пучками высокопрочной проволоки В-И.

Насыпь к подходу моста с обеих сторон песчано-галечниковая высотой 17

м.

Для нашей работы интересует колебание пролетного строения над подвижной валковой опорной части. Пролетное строение из предварительно напряженного железобетона длиной 43,2 м опирается одним концом на неподвижную опорную часть а другим концом на подвижную валковую опорную часть.

Подвижная опорная часть представляет собой железобетонный валок, обеспечивающий подвижность пролетного строения в продольном направлении. Это подвижная опорная часть играет роль катка и при землетрясении изолирует пролетного строения в продольном направлении от сейсмического воздействия. Разновидностью такой опорной части является в зданиях кинематический фундамент Ю.Ф. Черепинского. Максимальное ускорение пролетного строения над опорой в продольном направлении при взрыве равно 6,21 см/с2, а максимальное ускорение верхний части опоры того же направления — 10,12 см/с2. В пролетном строении ускорение снижается 1,64 раза, что показывает эффективность сейсмоизоляции валковой опорной частью.

Натурный эксперимент при взрыве показал эффективность сейсмоизолирующей опоры (патент KP №90) разработанной автором этой работы, т.к. это конструкция при сейсмическом воздействии работает как валковая опорная часть.

По результатам записи колебания грунта интенсивность взрыва в эпицентре составила 10 баллов, а вблизи моста - 4 балла по шкале MSK-64.

В четвертой главе рассмотрены практические методы расчета зданий и сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость, определение оптимальных параметров сейсмоизолирующнх

опорных устройств, показано влияние коэффициента затухания на пиковые значения коэффициента динамичности, предложен сравнительный расчет сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмическую нагрузку по СНиГГ 20:02-2009 и Еврокоду.

Методика определения сейсмической нагрузки на здание со скользящим поясом, ставшая классической, производится от силы сухого трения, т.е. по закону Кулона (патент КР №91, рис. 1).

8 = <5^,- (4)

где 8 — сейсмическая нагрузка, передаваемая на здание через сейсмоизолирующий пояс; <3 — вес надземной конструкции; - коэффициент трения фторопласта-4 по стали, установленный при статических испытаниях здания.

Методика расчетов состоит в составлении уравнения равновесия сейсмоизолирующей подушки по принципу Даламбера Бог^Кп где 50Г=та0г -ограниченная сейсмическая нагрузка, передаваемая на здание, т - масса здания, ссог - ограниченное ускорение, К^ГС^Гпш, Кп - реакция сейсмоизолирующей подушки, Г- коэффициент трения антифрикционного материала, g —ускорение силы тяжести.

ша0г= йт^. (5)

Отсюда определяем необходимый коэффициент трения антифрикционного материала:

(6)

Ё

Для патента КР № 81, рис. 3, составляя уравнение равновесия скользящей сейсмоизолирующей опоры имеем:

^„-Кск-Нуп, (7)

где 50Г= '"по'.11Г - ограниченная сейсмическая нагрузка, передаваемая на

здание; аог - ограниченное ускорение; К„ = Лр/2п = —— - реакция скользящего

2п

листа из фторополимера; 1" - коэффициент трения фторополимера; О - вес здания; £ — ускорение силы тяжести; п — количество листов из фторополимера; 12Е .! 5

Р-у„ =-—у—- реакция цилиндрического кожуха из фторополимера; ЕЛ -

жесткость цилиндрического кожуха; 11к — высота кожуха; 5ол- перемещение

скользящей опоры при 9-балльном землетрясении. Теперь уравнение (7) имеет вид:

12Е I 5

+ —(8)

Из этого уравнения определяем необходимую жесткость цилиндрического кожуха, точнее установим толщину стенки кожуха, в котором размещаются скользящие пластины. Иначе говоря, разработанное техническое

решение надежнее, технологичнее по сравнению с известными техническими решениями.

Для рис. 5 патент КР № 92, составляя уравнение равновесия сейсмоизолирующей прокладки по принципу Даламбера имеем:

S„ = *„, (9)

где Sor=maüt- ограниченная сейсмическая нагрузка; Rm = Fa" - реакция

прокладки из торфа; F - площадь опирания торфа на основание; а" - предел пластичного сопротивления торфа. При этом уравнение равновесие имеет вид:

та„ = Fa" , (10)

отсюда определяем необходимую площадь фундамента, опирающуюся на

торфяную подушку: F = —f-. (11)

а

Для рис. 7 патент КР № 80, основываясь на изложенном, составляя уравнение равновесия сейсмоизолирующей опоры имеем:

Sor = Rn+Rcr, (12)

где Sor = maor - ограниченная сейсмическая нагрузка; ш - масса зданий; «„ -ограниченное ускорение. При этом Rn=Fanp - реакция пластичного металла; F -поперечное сечение пластичного металла; опр - предел пластичности;

К т = 12EJ5 . реакция стального стержня; hcr - высота стержня; EJ - жесткость

h ст

стержня; 5- деформация опоры, соответствующая 9-балльному землетрясению. Теперь основополагающее уравнение имеет вид:

та = Fcnp + > (13)

ho

отсюда определяем площадь опирания фундамента либо hCT - рабочую высоту стержня, т.е. если известна площадь, то определяем высоту стержня, если же известна рабочая высота стержня, то определяем площадь сечения пластичного металла.

Коэффициент сейсмоизоляции Кс„ для конструкции с сейсмоизоляцией сухим трением определяется по предложенной формуле главы 3

Кс„ = а-е~ЬАо, здесь Ао принимается в см/с2. Эту формулу можно использовать при расчете сооружений на сейсмическую нагрузку. Рассмотрим применение этой формулы. Пусть, например, сооружение проектируется на участке сейсмичностью площадки строительства 9 баллов, тогда по шкале MSK-64

А» = 400см/с2. Из формулы (3) по 400 см/с2 находим tf„=0,3 для фторопласта

и стали, тогда по формуле (2) А = А» Кси = 400 0,3 = 120 см/с2. Значит, сооружение со скользящим поясом воспринимает ускорение, равное 120 см/с1, а это равно ускорению 7 балльного землетрясения. Следовательно, проектировщик рассчитывает сооружение на 7 балльное воздействие и подбирает сечение конструкций сооружения.

При использовании формулы (3), сооружение над скользящим поясом рассчитывается по обычной расчетной схеме в виде жестко защемленной консоли, а воздействие сейсмических сил задается в виде (2) на надземную часть сооружения.

Сейсмическая сила для сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами из антифрикционного материала (фторопласт и сталь) по СНиП 20.02-2009 можно определить по формуле

= (14)

где ^„-коэффициент сейсмоизоляции; JA - коэффициент сейсмичности приминаемый 0,1;0,2;0,4 для 7,8,9 баллов соответственно; /?- коэффициент динамичности; g-вес здания или сооружения.

Результаты расчета по СНиП 20:02-2009 согласовываются с расчетами Еврокода.

Основные выводы

1. Анализ существующих контрукций сейсмоизолируюших опор покозали, что они не соответствуют современным требованием сейсмостойкого строительства с активной сейсмозащитой.

2. Разработанная сейсмоизолируюшая опора из фторополимера и стали (патент КР №1011) снижает сейсмическое воздействие на 2 балла.

3. Методика расчета сейсмоизолируюшей опоры из фторополимера и стали, снижает сейсмическую нагрузку, передаваемая на надземную часть здания.

4. Разработаная сейсмоизолирующая опора из свинца и стали (патент КР №81) способствует быстрому затуханию колебания.

5 Методика расчета сейсмоизолирующей опоры из свинца и стали, ограничивает передаваемую сейсмическую нагрузку на надземную часть здания позволяющая ограничить в заданных пределах.

6. Конструкция сейсмоизолирующей опоры из резины и стали (патент КР №80) снижает пиковые значения резонансных колебаний сооружения.

7. Экспериментальные исследования модели сейсмоизолирующих опор и натурный эксперимент пролетного строения моста показали, что они повышают сейсмостойкость сооружения снижением сейсмических сил.

8. Предложенная формула коэффициента сейсмоизоляции для расчета сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами на сейсмостойкость упрощает расчеты проектировщикам.

9. Предложено дополнение к СНиП КР 20:02-2009 «Сейсмостойкое строительство» по определению сейсмической силы для сооружений с сейсмоизолирующими опорными устройствами.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Тентиев Ж.Т., Картанбаев Р.С., Маматов Ж.Ы., Матазимов B.C., Токтонасаров Ж.М., Андашев А.Ж. Экспериментальная проверка достоверности кинематико-вероятностного метода расчета на модели гибкого здания //Вестник КазАТК им. М.Тынышпаева. Вып.З(З). Алматы-Бишкек, 2005 С.71-75.

2. Картанбаев P.C., Токтонасаров Ж.М., Андашев А.Ж. Композитные конструкции сейсмоизолирующих опор и их инженерные методы расчета //Вестник КазАТК им. М.Тынышпаева. Вып 3(3). Алматы-Бишкек, 2005. С.42-48.

3. Андашев А.Ж. Кинематические методы сейсмоизоляции зданий //Вестник КГУСТА. Вып 4(14). Бишкек, 2006. С.73-77.

4. Андашев А.Ж., Матозимов Б.С. Результаты анализа современного состояния сейсмоизоляции зданий// Вестник КГУСТА. — Вып. 4(18). — Бишкек 2007.-С. 164- 169.

5. Токтонасаров Ж.М., Андашев А.Ж., Шамшиев Н.У., Патент КР №80 сейсмоизолирующая опора, 31.12.07. Бюл №12.

6. Андашев А.Ж. Анализ и современное состояние сейсмостойкого строительства в Кыргызстане// Вестник КГУСТА. - Вып. 3(21). - Бишкек, 2008. -С. 104-110.

7. Токтонасаров Ж.М, Андашев А.Ж., Шамшиев И.У., Патент КР №1011 сейсмоизолирующая опора, 31.01.2008 Бюл№1.

8. Токтонасаров Ж.М., Андашев А.Ж., Шамшиев Н.У., Патент КР №81 сейсмоизолирующая опора. 31.01.2008 №1.

9. Андашев А.Ж. Разработка конструкций сейсмоизолирующих опор из пластичных и антифрикционных материалов// Вестник КГУСТА. — Вып. 3(21). -Бишкек, 2008.-С. 110- 114.

10. Токтонасаров Ж.М., Маматов Ж.Ы., Матозимов Б.С., Андашев А.Ж., Патент КР №92 Сейсмостойкий дом.31.03.2009. Бюл. №92.

11. Токтонасаров Ж.М., Маматов Ж.Ы., Матозимов Б.С. Патент КР №91 сейсмоизолирующая опора. 31.03.2009. Бюл №3.

12. Маматов Ж.Ы., Токтонасаров Ж.М., Матазимов Б.С., Андашев А. Ж. Патент КР №90 Сейсмоизолирующая опора. 27.03.2009.

13. Апсеметов М.Ч., Айдаралиев А.Е., Шекербеков У.Т., Копобаев М.М., Курманбек уулу Н., Андашев А.Ж. Колебания моста через реку Нарын на 318 км автомобильной дороги Бишкек-Ош при взрыве в ГЭС Камбар-Ата — 2. Сб.науч.трудов 7-й Казахстанско-Китайский международный симпозиум «Прогноз землетрясений, оценка сейсмической опасности и сейсмического риска Центральной Азии». Алматы 2010. — С. 514 - 518.

14. Апсеметов М.Ч., Шекербеков У.Т., Айдаралиев А.Е., Копобаев М.М., Курманбек уулу Н., Андашев А.Ж. Колебания моста через реку Нарын на 318 км автомобильной дороги Бишкек-Ош при взрыве в ГЭС Камбар-Ата - 2.// Вестник КРСУ, Том 11, №9. - Бишкек 2011 - С. 75 - 79.

15. Апсеметов М.Ч., Андашев А.Ж. Разработка конструкции сейсмоизолирующих опор из упругих, пластичных и антифрикционных материалов. //Вестник КГУСТА 3(37) - Бишкек 2012. - С 82 - 89.

16. Апсеметов М.Ч., Андашев А.Ж., Айдаралиев А.Е. Практические методы расчета сооружений с сейсмоизолирующими скользящими опорными устройствами на сейсмобезопасность// Вестник КГУСТА 3(1), Бишкек 2013. -С. 191 -194.

КОРУТУНДУ

Андашев Акылбек Жээнбекович.

Жер титнреену азайтуучу тиревчтордун конструкциясы жана аларды эсептевнун методдору. Техникалык илимдердин кандидатынын илимдик даражасына изилденуу диссертиациясы.

05.23.01- курулуш конструкциялары, имараттар жана курулмалар.

Негизги сездер катуу жер титирвегв бекем уй, сейсмоазайтуучу тирввч жана сейсмоазайтуучу жабдык, Дадамбердин принциби, конструкциялоо, долборлоо термелуунун амплитудасы жылуу, сейсмоплатформа, эксперимент, теория модель. Бул иш жер титироену азайтуучу ийилгич, майышчаак жана жылмышчаак материалдардан жазалган тиревчтордун конструкциялоого жана аларды эсептевнун методдорун иштеп чыгууга арналган. Теориялык жана эксперементалдык жер титиреенун теориясы Даламбердин принцибине негизделген боюнча эсептелген сейсможуктуу 2-4 эсеге чейин азайтат.

РЕЗЮМЕ

Андашев Акылбек Жээнбекович

Сейсмоизолируюшне опорные устройства зданий, сооружений и практические методы их расчета. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.23.01 — строительные конструкции, здания и сооружения

Ключевые слова: жесткий сейсмостойкий дом, сейсмоизолирующая опора и сейсмоизолирующее устройство, коэффициент сейсмоизоляции, принцип Даламбера, конструирование, проектирование, амплитуда колебаний, перемещение сейсмоплатформы, эксперимент.

Работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям сейсмоизолирующих опор из комбинации упругих, пластичных и антифрикционных материалов.

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по теории сейсмостойкости, основанных на принципах Даламбера, которые позволяют сейсмическую нагрузку снизить на надземную часть здания в пределах 2-4 раза.

RESUME

Andashev Akylbek Jeenbekovich Composed constructions of seism isolated bearings and engineer methods of their calculation. Thesis submitted for confer the scholarly degree of "Candidate

of technical sciences" 05.23.01 - construction engineering, buildings and structures

Key words: hard seism proof house, seism isolating bearing, Dalamber's principles, construction, projecting, amplitude of vibration, transference of seism platform, experiment, theory of a model.

The work is dedicated to theoretical and experimental researches of seism isolating bearings from combinations of elastic, plastic and antifristic materials.

The results of theoretical and experimental researches on Cinematic theoiy of seism proof and the main principles of Dalamber are worked out, that allow seismic loadings of transferred to over ground part of a building within the limits of 2 - 4 points.

Андашев Акылбек Жээнбекович

СЕЙСМОИЗОЛИРУЮШИЕ ОПОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор С.Е. Аксененко

Подписано в печать 27.10.2014. Формат 60x84 1/16. Объем 1,25 уч.-изд.л. Печать офсетная. Бумага офсетная.

_Тираж 100 зкз. Заказ 306_

720020, г. Бишкек, ул. Малдыбаева, 34, б Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры