автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Сейсмостойкость каркасных зданий с выключающимися элементами в нижних гибких этажах

ордена трудового красного знамени государственный

центральный научно-исследовательский и проектно-эксперимен-тальный институт комплексных проблем строительных конструкций ги$оору^шй имени в. а. кучеренко

(цнкиск и. кучеренко)

На правах рукописи

1'алгал Фатах

сейсмостойкость каркасных зданий с вышнахвдмися элементами в ншних шеких этажах

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация ла соискание ученой степени кандидата технических наук

Мосана - 1993

Работа выполнена в Ордена Трудового ¡фасного Знамени Государственном научно-исследовательском и проектно-экспери-ментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им. Кучеренко).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор, Я.М. АЙЗЕНБЕРГ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор, Ю.Т.ЧЕРНОВ

кандидат технических наук, доцент, А.А.ПЕТРОВ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - ЦНИИпромзданий г. Москва

Защита состоится " 1993 года в > часов

на заседании специализированного совета Д.033.04.01 по защите диссертациЁ на соискание ученой степени кандидата технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Государственном научно-исследовательском и проектно-эксперименталь-ном институте комплексный пррблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко по адресу: Москва, 109428, 2-ая Институтская ул., д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " _* 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

С.А.Воробьева

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ,

Актуальность провлемы. Территория Афганистана подвержена частым и разрушительным землетрясениям. В 80-х годах Академия наук Афганистана проводила исследования в сейсмических районах. Но они были прерваны разрушительной войной. В настоящее время для строительства и восстановления зданий и сооружений необходимы конкретные решений для обеспечения надежности сооружений цри сейсмических воздействиях, в частности, необходимы разработки конструктивных решений.зданий с использованием местных строительных материалов.

Задачи, решаемые в диссертационной работе, имеют практическое значение для проектирования зданий в республике Афганистан. Работа носит в большой мере прикладной характер.

Одна из систем сейсмозащиты, разработанная в последние годы в ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко - это адаптивная система с динамическими характеристиками, изменяющимися за счет выключения во время землетрясения внутренних связей. Используются специальные резервные конструктивные элементы или разрушающиеся элементы конструкций. Эти системы в большой степени разработаны, изучены и уже нашли определенное црименение в практике.

Одна из разновидностей систем с выключающимися связями использована в проекте каркасных зданий со специальными диафрагмами жесткости в нижних этажах с применением кирпичной кладки с железобетонным обрамлением в качестве диафрагм жесткости. Эти здания применяются в застройке г.Кабула (сейсмичность 8 баллов).

Настоящая работа примыкает к направлению исследований адаптивных систем сейсмической защиты зданий. В ней осущес-

твляются дальнейшие исследования отдельных малоизученных факторов поведения таких систем при сейсмических воздействиях применительно к одной из разновидностей систем подобного рода - выключающиеся (разрушающиеся) панели-связи, использующиеся в каркасных зданиях с гибким шгшим этажом.

В связи с этим, возникла необходимость проведения исследований по изучению динамической реакции каркасных зданий оо специальными диафрагмами жесткости при работе основных элементов и системы сейсмозащиты за пределами упругости. Решение поставленных вопросов необходимо проводить в условиях неполноты информации как о существенных параметрах сейсмического воздействия, так и работы самого сооружения.

В данной ситуации целесообразно разрабатывать, с одной стороны, приближенные, достаточно простые методы расчета, с другой, такие конструктивные мероприятия, которые позволили бы быть уверенными, что здание при воздействии сильных землетрясений будет иметь предусмотренный механизм перехода в предельное состояние. Очевидно, что научное обоснование этого возможно только на основе детального анализа работы конструкций здания от начала землетрясения вплоть до полного разру-иения.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по рациональному конструированию и расчету каркасных зданий с диафрагмами жесткости комплексной конструкции в нижнем этаже на основе исследования возможностей управления неупругими деформациями при интенсивных сейсмических воздействиях.

Для достижения указанной цели были решены следующие за-

дачи:

1. Проведены экспериментальные исследования статической нагрузкой на крупномасштабных моделях каркасных зданий с системой сейсмозащиты в виде диафрагм жесткости специальной конструкции и отдельных элементов диафрагм жесткости с доведением их до разрушения и построены диаграммы деформирования по ре-

«

зультатам испытаний.

2. Проведены динамические экспериментальные исследования модели здания в различных состояниях (с системой сейсмозащиты и без нее).

3. Разработаны расчетные модели и исследована сейсмическая реакция сооружения, представляемая нестационарной нелинейной системой со специальными диафрагмами жесткости с учетом их работы в области упругопластического деформирования.

4. На основе проведенного параметрического анализа сейсмической реакции сооружения,разработаны рекомендации по совершенствовании конструктивных решений каркасных зданий с диафрагмами жесткости в нижнем этаже с различными жесткостными параметрами для районов повышенной сейсмической опасности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- осуществлен комплекс экспериментальных исследований деформирования конструкций, цри -горизонтальном нагружении статическими повторными нагрузками, исследованы динамические характеристики зданий (жесткости и периоды собственных колебаний, диссипация энергии) в различных состояниях, с выключенными и включенными связями, в результате статических испытаний получены экспериментальные данные о прочности и де-формативности основных элементов системы сейсмозащиты; на ос-

нове экспериментальных исследований сформулщэованы и реализованы рекомендации по усовершенствованию-конструктивного решения системы сейсмозащиты;

- предложена упрощенная расчетная модель исследуемой конструктивной системы с диафрагмами жесткости комплексной конструкции в нижнем этаже, учитывающая гястерезясное поглощение энергии и другие существенные факторы;

- разработан программный блок для ПЭВМ, позволяющий производить расчеты каркасных зданий с адаптивной системой сейсмозащиты на акселермраммы реальных землетрясений или искусственные акселерограммы.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

- экспериментальные испытания крупномасштабного фрагмента каркасного здания со специальными диафрагмами жесткости показали физическую реализуемость, нелинейность неупругого деформирования и энергопоглощающую способность конструкции, что обеспечивает их надежность при интенсивных землетрясениях:

- уточнены диссипативные характеристики зданий со специальными диафрагмами жесткости, частоты и формы их собственных колебаний, являющиеся исходными данными при проектирована»

- разработаны методика, алгоритм и црограмма расчета каркасных зданий с предложенной системой сейсмозащиты на сейсмические воздействия с учетом нелинейного неуцругого деформирования элементов сейсмозащиты;

- применение предложенной методики регулирования сейсмической реакцией сооружения с диафрагмами комплексной конструкции в нижнем этаже, путем варьирования параметров сис-

теш сейсмозащиты, позволяет заметно снизить сейсмическую нагрузку и, следовательно, повысить технико-экономические характеристики зданий. Дри этом перемещения остаются в безопасных границах.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, предложены для внедрения в Центральный проектный институт г.Кабула для проектов 6-12 этажных каркасных домов в г.Кабуле и других сейсмических районах республики Афганистан.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на конференции "Проектирование и строительство в сложных геологических условиях" (г.Севастополь, 1992г.), и научно-технических совещаниях в центре сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы ( 36 наименования), приложений и изложена на 138 страницах машинописного текста, Содержит 44 рисунков и 3 таблиц.

Экспериментальные исследования, описанные в работе, выполнены в работе автором на научно-экспериментальной базе института сейсмостойкого строительства и сейсмологии Таджикистана при научном консультировании к.т.н. В.И.Смирнова.

содержание работы

Задачам сейсмостойкости каркасных зданий с учетом пластических деформаций, трещинообразовання, а также изменения жесткости, эксперимеитально-тейретнческим- исследованиям их конструктивных элементов посвящены работы Я.М.Айзенберга, В.А.Ржевского, Э.Е.Хачяяжа, Д.Ш.Кмимиика, О.В.Полякова, Н.Н.Складнева, В.И.Смирнова, Т.Хисады и многих других спе-

циалистов.

Одним из результатов этих исследований было то, что в цроцессе развития повреждений происходит существенное падение жесткости, и, следовательно, увеличение периодов собственных колебаний сооружений. Величины этих изменений зависели от конструктивного решения сооружения, вида строительных материалов, а та юсе от степени развития повреждений.

Развитие исследований по сейсмостойкости сооружений с учетом повреждений конструкций и сейсмических колебаний нестационарных систем привело к разработке специальных систем сейсмозащиты сооружений С выключающимися или разрушающимися элементами.

В результате исследований таких систем, которые разви-валтся в последние 25 лет в ЦНИИСК (проф. Я.М.Айзенберг), выяснилось, что при правильном динамическом расчете и проектировании, снижение жесткости может приводить к весьма значительному снижению сейсмической нагрузки, а использование специальных резервных элементов для регулирования жесткости может в ряде случаев иметь серьезные преимущества в сравнении с обычными сооружениями в процессе их разрушения.

Принцип работы таких систем сейсмозащиты основывается на перестройке внутренней динамической структуры в результате выключения специально запроектированных резервных элементов,-в роли которых могут выступать и некоторые несущие конструкции сооружений, временное выключение которых не влечет за собой потери несущей способности сооружений от вертикальных нагрузок.

В настоящее время разрабатываются и другие типы актив-

ных систем сейсмозащиты, например, системы с включающимися связями, с кинематическими опорами, со скользящими поясами и др. (работы В.И.Смирнова, С.В.Полякова, Ю.Д.Черепикского, В.С.Полякова, В.В.Назина, А.М.Курзанова, Т.Д.Чачуа, М.М.Дег-линой, Л.Л.Солдатовой, Л.Ш.Килимника, В.Г.Яременко, В.В.Ти-щенко, Ю.И.Безрукова и др.).

«

Задачи настоящих исследований сформулированы применительно к одной из разновидностей конструктивного решения каркасных зданий жилых домов со специальными диафрагмами жесткости и адаптивной системой сейсмозащиты; особое внимание уделено и работе изучению сейсмической реакции сооружений при учете несущей работы основных элементов системы сейсмозащиты.

Практической целью работы являлось изучение сейсмостойкости и дальнейшее совершенствование системы сейсмозащиты каркасных зданий.

В задачи экспериментальных исследований входили статические испытания крупномасштабного фрагмента модели и конструкций системы сейсмозащиты с доведением их до разрушения и динамические испытания модели в различных стадиях при включенных и выключенных связях.

В задачу теоретического исследования входил параметрический анализ сейсмической реакции каркасных зданий со специальными диафрагмами жесткости с существенно нелинейной характеристикой восстанавливающей силы. В расчетах использовались диагретмы деформирования, полученные в работе экспериментальным путем. Исследованы нбкоторые задачи оценки сейсмической реакции сооружений со специальными диафрагмами жесткости, а также возможность регулирования сейсмической реак-

ции сооружения при воздействиях с различными частотными характеристиками.

ЭКСПЙРИМЕЖАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАРКАСНОГО ЗДАНИЯ С ВЫКЛЮЧАЮЩИМИСЯ ДИАФРАГМАМ ЖЕСТКОСТИ КОМПЛЕКСНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Статические и динамические испытания проводились на модели и элементах каркасного здания, построенного в 1/4 натуральной величины на испытательном полигоне института сейсмостойкого строительства и сейсмологии Таджикистана в г.Душанбе.

Для изучения возможностей регулируемого снижения сейсш-' ческих нагрузок на элементы конструкций и путей управления развитием неуцругих деформаций в зданиях с диафрагмами жесткости комплексной конструкции осуществлены статические и динамические испытания крупномасштабной модели 3-этажного дома. В нижнем этаже были расположены диафрагмы жесткости. Между железобетонными колоннами каркаса и между диафрагмами жесткости предусмотрены зазрры. Эти диафрагмы жесткости должны выполнять функцию выключающихся демпфирующих элементов.

Цель испытаний заключалась в изучении возможностей регулируемого снижения сейсмических нагрузок на сооружение, характера изменения жесткости и динамических характеристик для построения петель гистерезиса и расчетных моделей каркасных зданий с диафрагмами жёсткости комплексной конструкции при землетрясениях. Поставленные задачи оцределили методику экспериментальных исследований, которая соответствовала традиционной последовательности проведения работ.

Считалось, что диафрагмы каркасных зданий должны проектироваться таким образом, чтобы поглощение энергии в пластической стадии происходило при изгибе с образованием трещин в диафрагмах.

Динамические испытания проводились до и после статических и включали исследования свободных (путем разрыва калиброванных встааок) колебаний фрагмента. Определение параметров колебаний модели осуществлялось осциллографом Н-700 с последующей записью на фотобумагу.

В результате проведенных испытаний модели, без диафрагм жесткости, период собственных колебаний в продольном направлении при калиброванной вставке с пределом временного сопротивлений разрыву РКОНТр. = 3 кН соответствовал Гнач = 0,27 с, при значении нагрузки РКОНТр = I? кН,период собственных колебаний Т = 0,39 с, логарифмический декремент колебаний в начале испытаний в продольном направлении цри РКОНТр =•= 3 кН, получился 5 = 0,15, а цри РК0НТр =» 17 кН, 5 = 0,20. Период собственных колебаний по продольному направлению при Рнач = 9 кН, Т = 0,24 с. Цри горизонтальной нагрузко Р = 25кН период собственных колебаний увеличился до Т ж 0,48 с.

Проведенный сопоставительный анализ сейсмостойкости существующего проектного реиения показал физическую реализуемость нелинейного кеупругого деформирования, высокую энерго-поглащающую способность зданий с системой сейсмозащиты, что обеспечивает их адаптационные свойства цри высокой интенсивности, и при некоторой корректировке, донная конструктивная система может быть применена в районах повышенной сейсмической опасности.

- 10 -

РАСЧЕТНЫЕ ЮДЕДИ СЕЙСЖЧЕСК0Г0 ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЗДАНИЯ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ДИАФРАГМАМИ ЖЕСТКОСТИ

Модель сейсмического воздействия. В работе црнняты ин-струыенталыше зарегистрированные акселерограммы сильных землетрясений. Для выбора расчетных «кселерограмм проведен анализ спектров реакции записей сильных землетрясений. Записи представляют собой горизонтальные составляющие по наиболее характерным кошонэнтаы землетрясений.

Численное интегрирование уровня движения осциллятора выполнялось на ЭЦВМ методом Рунге-Кутта по специально составленной программе.

Периоды собственных колебаний осцилляторов приняты в диапазоне от Т = 0,02с. до Т = 3,0с. с шагом 0,02с. Затухания принимались по гипотезе Фойгхта, Ь% от критического.

На основании проведенного анализа полученные спектров реакции 9 акселерограмм н учитывая особенности очагов возможных землетрясений в Афганистане, выбраны следующие акселерограммы: Гукасян С-Ю; Бухарест С-Ю и Сан-Фернаццо Ю-3.

Решая вопрос о выборе способа нормирования реальных и искусственных акселерограмм землетрясений необходимо было ориентироваться на наиболее простую и эффективную методику.

Было решено нормировать акселерограммы по интенсивности. В нормах по сейсмостойкому строительству СНеП П-7-81 предусмотрены для районов с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов, в соответствия с оейс&ачбСЕОЙ шкалой, расчетные величины ускорений оснований принимать равными, соответственно ^ = 0,1^ , 0,2^ , 0,4^ при расчете по акселерограммам землетрясений.

Предполагаемые площадки строительства в Афганистане имеют неблагоприятные грунтовые условия по сейсмическим своЁсгвом

и при фоновой сейсмичности в 8 баллов расчетная балльность увеличивалась на I балл и пршжалася равной 9 баллам.

В соответствии с рекомендациями СНяП, нормирование максимальных значений ускорений записей землетрясений производилось к величине 0,4^ при расчете рассматриваемых систем на 9 баллов.

Расчетная модель сооружения

Опыт применения моделей упруго пла с т ич е с к их систем с изменяющейся жесткостью для анализа сейсмической реакции каркасных зданий показывает, что при использовании ЭВМ вычисленные реакции одного варианта (модель с фиксированным набором пара-метров) требует значительных затрат времени. Для исследования поведения модели, снабженной системой сейсмозапшты, применяются соответствующий расчетные динамические моделя сооружений, с той или иной точностью описывающие поведение реальной конструкции.

Расчетная динамическая модель здания с диафрагмами жесткости принята в виде одномерной модели-системы материальных точек движущихся по параллел ьным прямым, или системы тел, движущихся поступательно , центры масс которых перемещаются по параллельным прямым.

Рассматривалось поведение двух элементов несущих конструкций: диафрагм жесткости стоек. Было принято, что диафрагма работает в упругопластической стадии, а колонны в упругой.

Для описания нелинейной характеристики Я(У>1) использовалась экспоненциальная зависимость Я.М.Айзенберга, благодаря которой можно в удобной форме учесть основные факторы, характерные для системы на стадии накопления повреждений.

Для учета внутреннего и внешнего сопротивления принималось частотно-независимое демпфирование. При этом коэффициенты разложения матрицы демпфирования подбираются из условия, что декременты колебаний, отвечающие затухающим свободным колебаниям, совершаемым по двум формам собственных колебаний были частотно-независимыми.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 9 ЭТАЖНОГО ЗДАНИЯ С ГИБКИМ

ШШНИМ ЭТАЖОМ И СПЕЦИАЛЬНЫМИ ДИАФРАГМАМИ 2ЕСШ0СТИ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Основной задачей анализа была оценка сейсмической реакции сооружений с системой сейсмозащиты в условиях неполноты исходной информации и определение оптимальных параметров системы сейсмозащиты и границ ее регулируемого изменения.

В качестве приближенного критерия оптимальности принимали максимальную сейсмичоскую реакцию системы (момент и поперечная сила в колошах).

В число ограничений входили: ограничение конструктивного характера (ширина диафрагмы жесткости) и ограничение по реакции (не цревнаание предельных упругих момента и поперечной силы в колонне).

Варьируемыми параметрами являлись тип диафрагмы (железобетонная, кирпичная и кирпичная кладка с железобетонным обрамлением) и её геометрические размеры.

Для численного моделирования колебаний многоструктурных систем цри сейсмических воздействиях использовалась специально разработанная программа «САМА*.

Анализ влияния параметров системы сейсмозащиты на сейсмическую реакцию здания проводился с целью оптимизации па-

раметров и совершенствования существующего конструктивного реыения системы выключающихся связей, а также выявления некоторых общих закономерностей поведения систем сейсмоэащиты рассматриваемого типа. Оптимизация осуществлялась путем минимизации максимальных значений сейсмической реакции.

В качестве варьируемых параметров использовались:

- ширина диафрагмы;

- материал, из которого состоит диафрагма жесткости;

• - зазор между диафрагмами жесткости и основными несущими конструкциями.

В результате проведенного параметрического анализа можно сделать следующие выводы:

- а случае, если на здание могут действовать сейсмические нагрузки низкочастотного типа, с точки зрения максимального снижения сейсмической нагрузки, диафрагмы жесткости должны иметь следующие параметры: железобетонная диафрагма (3x5x0,Зм):

В случае, если на здание могут действовать сейсмические нагрузки, высокочастотного типа, с точки зрения максимального снижения сейсмической нагрузки, диафрагмы жесткости должны иметь следующие параметры: кирпичная диафрагма с железобетонным обрамлением с размерами (высота -5 м, длина - 3 м и ширина - 0,38 м). Данные рекомендации справедливы для принятого конструктивного решения здания;

- если мы не располагаем данными о характеристике предполагаемого землетрясения, то в этом сл$[чае .рекомендуются железобетонные диафрагмы;

- диафрагмы жесткости должны иметь определенные соотношения между высотой и шириной, например, в нашем исследовании

для 9-ти этажного здания оптимальным с точки зрения снижения сейсмической нагрузки оказалось Н/В = 1,7.

заключение

В работе осуществлен комплекс экспериментальных и теоретических исследований, а также конструктивных разработок, направленных на изучение сейсмостойкости одной специфической разновидности системы сейсмической защиты сооружений с применением специальных диафрагм жесткости и на совершенствование конструктивных решений элементов этой системы.

Исследованы задачи динамического деформирования конструкций, диссипации энергии и изменения динамических характеристик сооружений. Выполнен анализ сейсмической реакции с учетом гистерезисного поглощения энергии и других существенных фак-' торов.

Проблема, исследованная в диссертационной работе, имеет практическое значение для цроектирования сейсмостойких зданий в сейсмических районах республики Афганистан. Работа носит прикладной характер.

Предложены рекомендации по сйазршенствованию конструктивных решений каркасных зданий с нижним гибким этажом для сейсмических районов.

Ниже приведены основные результаты работы и выводы.

I. Статические испытания модели со специальными диафрагмами жесткости и отдельных элементов диафрагу на одностороннее и знакомеренное действие горизонтальной нагрузки с доведением диафрагм жесткости до.разрушения:

а) позволили построить петли гистерезиса

б) характер образования трещин и разрушения диафрагм

показал, что в углах железобетонного обрамления необходимо производить дополнительное армирование с расположением стержней под 45°. Кирпичную кладку армировать вертикальными стержнями и усиливать ригель в местах соединения диафрагм жесткости и ригелей;

При динамических испытаниях были инструментально измерены фактические динамические характеристики здания, а также изучено' изменение жесткостных параметров при постепенном разрушении диафрагм жесткости. В результате динамических испытаний было выявлено, что периоды основного тона собственных колебаний соответствует проектной величине. Период основного тона составлял около 0,25 с. В предельном состоянии период основного тоыа собственных колебаний увеличивался более чем в 2 раза.

3. По результатам проведенных испытаний на моделях, а также обобщения данных натурных исследований, выполнявшихся ранее в ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко, уточнены диссипативные характеристики зданий с предлагаемыми диафрагмами, частоты и .формы их собственных колебаний, проведена оценка изменения указанных характеристик по мере увеличения амплитуд нагру-жений.

4. Для расчета каркасных зданий с элементами сейсмоза-щиты на воздействие акселерограмм землетрясений разработан алгоритм численного решения системы дифференциальных уравнений сейсмического движения многомассовой расчетной динамической модели.. В соответствии с указанным алгоритмом в работе реализован программный блок для ПЭВМ, позволяющий производить нелинейные расчеты конструкций со всеми указанными

выше сложностями неупругого деформирования и характера внешнего воздействия.

5. По результатам анализа установлено, что наличие диафрагм жесткости в первом гибком этаже, запроектированной специальным образом, цриведет к существенному снижению сейсмической реакции сооружения. В зависимости от конструктивного решения сооружения, это снижение может быть до 50%.

6. Анализ показал, что при действии землетрясения низкочастотного типа, перемещение, которое являлось ограничением по надежности, снижается в 2 раза по сравнению с эталонным вариантом, а цри землетрясении высокочастотного типа перемещение снижается в 2-5 раз.

7. На цримере расчета конкретного здания с различными характеристиками материалов и разными геометрическими размерами показано, что предлагаемая система сейсмозащиты в условиях (Афганистана может значительно повысить сейсмостойкость зданий рассматриваемого типа. Независимо от спзктрального состава землетрясения для такого конструктивного решения деформирование в уцругосшастической области и самонастройка частот позволяет зданию уходить из резонансного режима колебаний, в результате снижаются одновременно максимальные сейсмические нагрузки и горизонтальные перемещения.

8. Результат диссертационной работы предполагается внедрить при проектировании зданий в Республике Афганистан.