Эффективность использования энергопоглотителя кольцевого типа в стальных каркасах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАЗДЕЛ 4.

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, МЕХАНИКА И СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

УДК 624.016.7:699.841

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЯ КОЛЬЦЕВОГО ТИПА В СТАЛЬНЫХ КАРКАСАХ

Абдурахманов А. З., ст. преподаватель

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

На примере 15-этажного здания определяется эффективность применения энергопоглотителя кольцевого типа, геометрические параметры которого рассчитаны при помощи предложенной формулы. В качестве критерия эффективности приняты расход металла и трудоемкость изготовления и возведения. энергопоглотитель, стальные каркасы, энергоемкость, сейсмическая нагрузка, пластические деформации, расход стали, колебания

Введение

Существует большое количество способов повышения сейсмостойкости зданий: резинометаллические опоры, кинематические фундаменты, динамические гасители колебаний и другие. Однако эти и другие системы обладают рядом существенных недостатков, одним из которых является количественная оценка эффекта применения.

Анализ публикаций

Наиболее полно над расчетом стальных каркасов с учетом развития пластических деформаций работал Л. А. Бородин [1, 2], который опирался на энергетический принцип расчета таких систем, предложенный И. А. Корчинским [3, 4]. Так же существует методика расчета кольцевых сейсмопоглотителей предложенная Г. М. Остриковым и Ю. С. Максимовым [5]. Эта методика позволяет определить размеры сечения кольца, однако не учитывает упругопластическую работу кольца и степень её развития в сечении. Также при подборе сечения следует указывать необходимый уровень снижения сейсмической нагрузки на каркас здания, оснащенного ЭПК.

Цель и постановка задач Кольцевые энергопоглотители (ЭПК) просты в изготовлении и хорошо работают в пластической стадии на знакопеременные малоцикловые нагрузки и благодаря этому обладают высокими энергопоглощающими свойствами. Обладая вышеперечисленными положительными свойствами, кольцевой сейсмопоглотитель должен применяться при строительстве сейсмостойких многоэтажных каркасных зданий. Для этого должна быть методика расчета позволяющая определить геометрические параметры ЭПК с учетом неупругих деформаций в кольце и динамических характеристик здания. В связи с этим целью данной работы является изучить эффективность кольцевых сейсмопоглотителей на основе предложенной методике расчета каркасов многоэтажных зданий оснащенных ЭПК.

Результаты и их анализ

Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований, оснащение связевых каркасов зданий энергопоглотителями кольцевого типа позволяет повысить надежность работы каркасов [5, 6, 7, 8] при сейсмических воздействиях. При этом за счет интенсивного развития упругопластической работы энергопоглотителя значительно увеличивается рассеивание энергии колебаний.

В качестве критериев эффективности конструктивного решения приняты: расход металла и трудоемкость изготовления и возведения (табл. 2) [9]. Сравнение технико-экономических показателей осуществлялось для металлических связевых каркасов, один из которых выполнен по традиционной схеме, а второй - с применением энергопоглотителей кольцевого типа.

Сравнение вариантов конструктивных решений производилось на примере 15-этажного гражданского здания (рис. 1) с размерами в плане ЬхБ 30х18 м и высотой Н=50 м. Каркас здания имеет сетку колонн 6х6 м и высоту этажа 3.3 м. Горизонтальная жесткость обеспечивается вертикальными связями. Связи размещены в центральной части каркаса. Место строительства расположено в районе с 9-балльной сейсмичностью.

Подбор параметров ЭПК производился в соответствии со следующей методикой:

1. По формуле, выведенной автором на основе энергетического принципа, определяются основные параметры кольца:

т ап ■ К ■ и ■ кг ■ к* ■ ътю I ! 2

I 0 I о \ п '-у

-=--л Г ■ ск--2-2 (1)

г ■Ч 16ж ■ат ■ Мк К к (г V)■у2

где

I - момент инерции сечения кольца;

П - расстояние срединной поверхности нижнего или верхнего пояса от нейтральной

оси;

г - радиус кольца;

а0 - ускорение колебаний основания;

К - коэффициент, равный произведению коэффициентов к1, к2, к3; и - коэффициент, принимаемый в зависимости от категории и мощности слоя грунта основания;

кп - коэффициент перегрузки;

кф - коэффициент, учитывающий влияние высших форм колебаний; т и Ск - инерционная масса и жесткость каркаса;

г и /л - коэффициенты, зависящие от интенсивности неупругих деформаций; у - коэффициент, определяемый по формуле: У = М, £ - задаваемый коэффициент снижения сейсмической нагрузки.

Ык - число колец в одном направлении;

2. Приближенно определяется энергия внешних сейсмических воздействий, полученная каркасом за один полуцикл собственных колебаний основного тона [5]:

п

V = 0,51 (2)

]=1

где и у - горизонтальная сейсмическая нагрузка и прогиб каркаса в уровне _]-того этажа.

3. Определяется суммарная одноцикловая энергоемкость всех энергопоглотителей

[5]: _

Ж = Ж, ■О,, (3)

где Ж о = 4Рт ■ /п / g - удельная одноцикловая энергоемкость энергопоглотителя. Нагрузка, при которой в поясах кольца начнут развиваться пластические деформации [5]: ¥т = 2Л/ ■ Н1 ■ / г;

Изменение диметра кольца вдоль действующих сил за счет пластических деформаций [5]: /п = /т ■(ап -1);

При этом коэффициент податливости энергопоглотителя должен находиться в пределах ап=6-10.

g - вес элемента;

ОЭ - суммарная масса энергопоглотителей.

4. Проверяется условие надежности работы стального каркаса при землетрясении расчетной интенсивности [5]:

ЖоО, > 2 ■ 0,95^ = 1,9^, (4)

где 0,95 - коэффициент, учитывающий поглощение энергии при упругих колебаниях каркаса.

Проверочный расчет, проводившийся на основное сочетание, показал, что под

V/ ЧУ

действием ветровой нагрузки, принятой для 3 климатического района, кольцевые энергопоглотители работают в упругой стадии.

В соответствии с [10] вертикальная составляющая сейсмической нагрузки и крутящий момент относительно вертикальной оси не учитывались. Размеры сечений приведены в табл. 1.

При подборе параметров ЭПК уровни снижения сейсмической нагрузки £ и интенсивности упругопластической работы q установлены равными соответственно 1,5 и 1/20.

На основании выполненных расчетов проведено технико-экономическое сравнение традиционной и предлагаемой конструктивных форм.

а) б) в)

тооо

Л-А

I- 100 }

1 "I

Рис. 1. Схемы здания и ЭПК: а — здание без ЭПК; б — здание с применением ЭПК; в — геометрическая схема ЭПК

Таблица 1

Этаж Здание без ЭПК Здание с ЭПК

Ригели Колонны, входящие в вертикальные связи Вертикал ьные связи Ригели Колонны, входящие в вертикальные связи Вертикал ьные связи

1 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 800х25 пояс 500х22 швеллер 2№33 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 630х18 пояс 480х10 швеллер 2№16

2-3 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 630х20 пояс 560х18 швеллер 2№33 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 530х16 пояс 500х14 швеллер 2№18

4-6 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 560х20 пояс 500х14 швеллер 2№33 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 450х18 пояс 450х16 швеллер 2№16

7-9 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 450х14 пояс 450х12 швеллер 2№30 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 450х12 пояс 320х14 швеллер 2№14

10-12 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 400х12 пояс 320х14 швеллер 2№27 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 300х12 пояс 280х10 швеллер 2№14

13-15 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 260х6 пояс 200х6 швеллер 2№20 двутавр пояс 280х12 стенка 500х6 короб стенка 210х5 пояс 200х6 швеллер 2№10

Расчеты каркасов зданий производились на программном комплексе ЛК8У8. Как показывают графики, приведенные на рис. 2-6, характер изменения напряжений в колоннах и диагональных связях практически аналогичен друг другу. Напряжения в колоннах и связях совпадают до середины воздействия, даже в некоторых случаях в

здании без ЭПК напряжения в колоннах меньше чем в здании с ЭПК. Начиная со второй половины воздействия, когда в кольцах стали развиваться упругопластические деформации, напряжения в колоннах и связях здания оснащенного ЭПК уменьшаются, а при подходе к резонансному участку колебаний происходит заметное снижение усилий в элементах каркаса. Так, напряжения в колоннах, примыкающих к связям с ЭПК, уменьшаются от 1,5 до 2 раз, а напряжения в диагональных связях от 2,5 до 3 раз. - - о, МПа

400

-400

-600

1, с

Рис. 2. Изменение напряженного состояния в колонне 1-го этажа 6 0 0 о, МПа

400

200

-200

-400

1, с

здание с ЭПК

Рис. 3. Изменение напряженного состояния в колонне 2-го этажа

400

200

-200

1, с

Рис." 4 . Изменение напряженного состояния в колонне 3-го этажа

о, МПа Зии

здание без ЭПК

V Шг 4 5 ^1 6

здание с ЭПК

Рис. 5. Изменение напряженного состояния в диагональной связи 1-го этажа

300

200

1, с

-200

здание с ЭПК

Рис. 6. Изменение напряженного состояния в диагональной связи 2-го этажа

Таблица 2

Технико-экономическое сравнение каркасов с ЭПК и без ЭПК

Наименование конструкции Масса конструкций, т Общий расход металла, т Трудоемкость изготовления, ч-ч Трудоемкос ть монтажа, ч-ч Общая трудоемкость, ч-ч

Ригели (1—6 м,540 шт) 246,7* 566,5 33,8 4109 4225

246,7 33,8

Колонны рядовые (1—45 м, 12 шт) 102,3 20,0

81,6 19,5

Колонны фасадные (1—45 м, 20 шт) 141,3 498,8 12,0 3966 4075

130,4 10,8

Вертикальные связи (1—6,7 м, 180 шт) 76,2 50,0

40,1 45,0

* над чертой приведены данные для каркаса без ЭПК; под чертой - с ЭПК

Вы1воды

1. Результаты расчета 15-этажного каркасного здания показали, что для обеспечения полуторократного уровня снижения сейсмической нагрузки, связевой каркас должен быть оборудован 12-ю энергопоглотителями кольцевого типа. Это дает возможность снизить

сечения колонн, примыкающих к вертикальным связям, на 27%, а сечения подкосов - на 48%.

2. Расход стали по каркасу предлагаемой конструктивной формы снижается на 11%, а трудоемкость изготовления и монтажа - на 3%.

Список литературы

1. Бородин Л. А. О расчете упругопластических систем при сейсмическом воздействии / Л. А. Бородин // Строительная механика и расчет сооружений. - 1982. - №1. - С. 6872.

2. Бородин Л. А. Оценка энергии, сообщаемой упругопластическим системам при сейсмическом воздействии / Л. А. Бородин // С-во и арх.-ра. Сер. 14. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. Э.-И. - 1979. - Вып. 10. - С. 20-25.

3. Корчинский И. Л. Оценка несущей способности конструкций при сейсмическом воздействии с энергетических позиций / И. Л. Корчинский // Бетон и железобетон. - М. : 1967.

4. Корчинский И. Л. Конструктивные мероприятия, обеспечивающие повышение сохранности каркасов зданий во время землетрясений / И. Л. Корчинский, Л. А. Бородин, Г. М. Остриков // Строительство и архитектура Узбекистана. - 1977. - №3. -С.39-42.

5. Остриков Г. М., Максимов Ю. С. Стальные сейсмостойкие каркасы многоэтажных зданий. - Алма-Ата: Казахстан, 1985. - 120 с.

6. Новиков В. Л. Экспериментальное исследование на модели динамических характеристик стального каркаса здания, оснащенного энергопоглотителями / В. Л. Новиков, Г. М. Остриков // Реф. сб. Строительство и арх-ра. Сер. 14. Сейсмостойкое строительство. - 1979. - Вып. 10. - С. 14-18.

7. Ажермачов Г. А. Експериментальш дослщження енергопоглинача кшьцевого типа на знакозмшш навантаження / Г. А. Ажермачов, А. З. Абдурахманов, Е. М. Меннанов // Motrol. Motorization and power industry in agriculture. - Simferopol - Lublin 2012. -Volume 14-1. - P. 28-34.

8. Пат. 35850 Украша, МПК (2006) Е04Н 9/02 Е04В 1/24. Каркас сейсмостшко'1 багатоповерхово'1 будiвлi / Г. А. Ажермачов, С. Г. Ажермачов, А. З. Абдурахманов; заявник та патентовласник Нащональна академiя природоохоронного та курортного будiвництва. - № u200804782; заявл. 14.04.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. №19. - 4 с.

9. Лихтарников Я. М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций / Лихтарников Я. М. - М. : Стройиздат, 1979. - 319 с.

10. ДБН В.1.1-12-2006 Строительство в сейсмических районах Украины / Минстрой, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства Украины. - К.: ИСС «ЗОДЧИЙ», 2006. - 50 с.

УДК 624.137

ЖИВУЧЕСТЬ ФУНДАМЕНТОВ И ЕЕ РОЛЬ В ПРОГРЕССИРУЮЩЕМ РАЗРУШЕНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Дьяков И.М., к.т.н., доцент

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

На основании теоретических и экспериментальных исследований в области работы отдельно стоящих фундаментов рассмотрены вопросы живучести фундаментов и ее места в системе расчета конструкций и зданий. Оценена роль живучести фундаментов в стойкости здания к прогрессирующему разрушению. Выявлены этапы разрушения отдельно стоящих фундаментов. Определены факторы, влияющие