CC BY
23
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1 (10)
строительство и архитектура
УДК 699.841 И.В. Захарченко
ЗАХАРЧЕНКО ИВАН ВАЛЕНТИНОВИЧ - магистрант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Е-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЙСМОИЗОЛЯТОРА
Исследуется модель нового, предложенного автором сейсмоизолятора с целью выявления его качественных и количественных характеристик. Для определения эффективности сейсмоизолятора модель была испытана на импульсные и периодические воздействия; приводятся схемы и результаты испытаний. По результатам испытания модели сейсмоизолятор признан эффективным: он способен в течение длительного времени эффективно гасить колебания основания, а также смягчать резкие скачки ускорений в случае импульсных воздействий. Для анализа влияния сейсмоизоляторов на работу здания в условиях повышенной сейсмичности было рассчитано с помощью проектно-вы-числительного комплекса SCAD тридцатипятиэтажное здание, находящееся в девятибалльной зоне. Анализ результатов расчета двух моделей здания (с учетом и без учета сейсмоизоляторов) показал, что применение сейсмоизоляторов позволяет снизить внутренние усилия в конструктивных элементах здания в среднем в 3 раза, а горизонтальные смещения узлов - в 3-4 раза. Ключевые слова: модель сейсмоизолятора, импульсные воздействия, высотное здание, расчет на сейсмичность.
Developing a Stationary Seismic Insulation System. Ivan V. Zakharchenko (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Physical model of new seismic insulator is researched in the paper. The physical model has been tested for pulse and periodic actions. Schemes and results of the tests are given. Analytical model (with and without seismic insulators) of 13 story building is calculated using Structure CAD in order to analyze seismic insulators' impact on structural performance under seismic loads. It is established, that application of tested seismic insulator could reduce horizontal displacements of knots in 3-4 times and reduce stress in supporting structures during seismic loads.
Key words: model, new seismic insulator's, tested, pulse and periodic actions, tower building, calculation of seismic action.
В современных условиях применение экспериментальных систем сейсмозащиты возможно только после проведения комплексного исследования их характеристик, а также изучения влияния работы этих систем на поведение зданий при сейсмическом воздействии. Нами предложена новая конструкция сейсмоизолятора [3], в основе действия которой лежат магнитные силы.
Первым этапом исследования электромагнитного сейсмоизолятора стало создание его модели (рис. 1). Она обладает свойствами расширенного подобия (согласно рекомендациям
© Захарченко И.В., 2012
Рис. 1. Общий вид модели сейсмоизолятора
НИИСК Госстроя СССР), что позволяет учитывать качественные, а не количественные характеристики нагрузок.
При помощи подшипниковых шаров обеспечивается свободное перемещение надфундаментных конструкций относительно фундамента, а ограничение этих перемещений осуществляется электромагнитами, находящимися на специальных полках ограничительных бортов. Магнитные поля электромагнитов направлены навстречу другу, как следствие, между ними возникают отталкивающие силы. Силы отталкивания плавно возрастают по мере приближения надфундаментной конструкции к борту фундамента, при этом обеспечивается плавное снижение ускорения надфундаментных конструкций.
Одной из важнейших характеристик сейсмоизоляции зданий является снижение ускорения, передаваемого надфундаментным конструкциям от основания. Для определения эффективности сейсмоизолятора модель была испытана на импульсные и периодические воздействия.
Проверка модели на импульсное (ударное) воздействие
Испытания модели сейсмоизолятора на ударное воздействие производились по схеме, отображенной на рис. 2.
Груз массой 2 кг, подвешенный на высоте 0,8 м над бортом модели на невесомой нити, отведен от вертикального положения на 45°. При отпускании груза и его свободном движении к точке равновесия происходит удар о нижнюю часть борта модели. При этом осциллографами замеряются характеристики движения нижней части модели (с учетом поворота), верхней ее части, а также поверхности, на которой она установлена.
В результате проведения эксперимента были получены осциллограммы движения верхней и нижней частей модели. Их оцифровка и обработка выполнялись в специализированных программах; были построены осциллограммы, велосиграммы, акселерограммы и спектры для каждого датчика. После обработки данных построены акселерограммы для верхней (изолированной) части модели и для ее основания (рис. 3).
Рис. 2. Схема первого эксперимента
Рис. 3. Акселерограммы к испытанию на импульсное воздействие
В ходе эксперимента было определено, что максимальное ускорение, получаемое основанием при ударе груза, составляет почти 1400 мм/с2, а максимальное ускорение колонны - 163,7 мм/с2.
Задание периодических вынуждающих колебаний
Схема второго эксперимента отображена на рис. 4.
Модель была установлена на цилиндрические ролики, позволяющие линейно перемещаться в направлении прилагаемого воздействия. Расположение осциллографов не изменялось. К основанию модели была приложена периодическая знакопеременная нагрузка, имитирующая сейсмическое воздействие. Воздействие моделировалось вручную, причем за короткий промежуток времени использовалось воздействие различной частоты, что можно увидеть на спектрах, приведенных ниже.
Обработка полученных результатов проводилась аналогично испытаниям на импульсное воздействие: получены оцифрованные осциллограммы, велосиграммы и акселерограммы движения каждого датчика, затем были вычислены характеристики движения основания и колонны, далее при помощи анализа Фурье построены спектры процессов. Эксперимент показал, что сейсмоизолятор на изменяет (или изменяет незначительно) частотный характер
Рис. 4. Схема второго эксперимента
воздействия, при этом он одинаково эффективен при сейсмическом воздействии с любыми энергонесущими частотами. Акселерограммы представлены на рис. 5, спектр - на рис. 6.
Энергонесущие частоты составили 0,79 и 3,17 Гц, что сопоставимо с частотами реальных землетрясений.
Эксперимент показал, что максимальное ускорение основания модели составило 425 мм/с2, а ускорение верхней части - 67,8 мм/с2.
По результатам испытания модели в первом приближении сейсмоизолятор признан эффективным, так как способен в течение длительного времени эффективно гасить колебания основания, а также смягчать резкие скачки ускорений в случае импульсных воздействий.
Для анализа влияния сейсмоизоляторов на работу здания в условиях повышенной сейсмичности [1, 2, 4] было смоделировано тридцатипятиэтажное здание, находящееся в девятибалльной зоне, в проектно-вычислительном комплексе SCAD [7].
Рис. 5. Акселерограммы ко второй части эксперимента. Испытание на периодическое воздействие
Параметры сейсмического воздействия задавались в соответствии с работами [5, 6]. Учет работы сейсмоизоляторов производился вручную путем снижения интенсивности сейсмического воздействия. Анализ результатов эксперимента 2 позволяет сделать вывод, что при использовании сейсмоизоляторов ускорение надфундаментных конструкций снижается в среднем в 6 раз относительно ускорений фундамента. За расчетную величину принято гашение ускорения в 4 раза, что соответствует снижению интенсивности сейсмического воздействия на 2 балла по шкале MSK-64. Это означает, что при девятибалльном землетрясении в конструкциях здания будут возникать напряжения и деформации, соответствующие семибалльному землетрясению.
Так как за основную расчетную схему принята схема с заданием рИс. 6. Спектр процесса
сейсмического воздействия тремя акселерограммами, учет работы сейсмоизоляторов можно осуществить при помощи понижающих коэффициентов, которые включаются в масштабные множители акселерограмм.
Сравнение результатов расчетов двух моделей (с учетом и без учета сейсмоизоляторов) производилось по напряжениям и внутренним усилиям в характерных элементах здания, а также по горизонтальным перемещениям узлов, находящихся на разных отметках. Анализ полученных результатов показывает, что применение сейсмоизоляторов позволяет снизить внутренние усилия в конструктивных элементах здания в среднем в 3 раза, а также снизить горизонтальные смещения узлов в 3-4 раза. При этом в предлагаемом здании существует возможность снизить расход арматуры на 40-50%.
На основе проведенных изысканий сейсмоизолятор предложенной конструкции признан эффективным, однако его практическое применение возможно лишь после более глубоких исследований в данной области. В ближайшее время планируется построить модель большего масштаба для уточнения динамических характеристик сейсмоизолятора, а также проанализировать работу зданий с учетом сейсмоизоляторов в более мощных вычислительных комплексах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амосов, А.А., Синицын С.Б. Основы теории сейсмостойкости сооружений. М.: АСВ, 2001. 96 с.
2. Городецкий А.С., Батрак Л.Г. Расчет и проектирование высотных зданий из монолитного железобетона. Киев: Факт, 2004. 106 с.
3. Захарченко И.В. Сейсмоизолирующий фундамент. Патент на полезную модель №109474. 2011 г. (RU 109474 U1).
4. Солдатова Л.Л. Жумуков С.Ж. Динамическая реакция жесткой модели здания больницы с сейсмо-изолирующими скользящими опорами // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2006. № 1. С.28-31.
5. Федякова С.Н. Спектральный анализ колебаний жестких зданий по записям землетрясений в Пет-ропавловске-Камчатском // Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. М.: ЦИНИС. С. 37-40.
6. Федякова С.Н., Федяков М.В. Рекомендации по выбору параметров входного воздействия для определения сейсмических нагрузок на здания массовой застройки Камчатского региона / Госстой ССР; Дальневосточный науч.-исслед. ин-т по строительству. Владивосток, 1987. 150 с.
7. SCADOffice. Вычислительный комплекс SCAD. М.: Изд-во АСВ, 2008. 590 с.
