Исследование влияния работы энергопоглотителя кольцевого типа на сейсмостойкость зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАЗДЕЛ 4.

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, МЕХАНИКА И СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

УДК 624.016.7:699.841

Абдурахманов А.З., к.т.н., ст. преподаватель

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАБОТЫ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЯ КОЛЬЦЕВОГО ТИПА НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ЗДАНИЙ

Рассматривается метод повышения сейсмостойкости каркасных зданий энергопоглотителями кольцевого типа. Данный метод основан на поглощении энергии колебания каркаса здания при сейсмическом воздействии кольцевыми энергопоглотителями, работающими упругопластически. Используя современные программные комплексы, основанные на методе конечных элементов, даётся количественная оценка изменения динамических характеристик зданий оснащенных энергопоглотителями.

Ключевые слова: энергопоглотитель, стальные каркасы, пластические деформации, частота колебаний, сейсмическая нагрузка, резонанс

Введение

В соответствии с картой сейсмического районирования Украины (ОСР-2004), около 15%-25% территории Украины являются опасными в сейсмическом отношении. Кроме того, современная урбанизированная Украина становится все более уязвимой по отношению к сильным землетрясениям из-за роста плотности застройки, усложнения инфраструктуры городов, ухудшения инженерно-геологических свойств грунтов, что привело к необходимости пересмотра существующих оценок сейсмичности. Все это заставляет разрабатывать новые способы повышения сейсмостойкости зданий и сооружений. Одним из таких способов является применение энергопоглотителей кольцевого типа (ЭПК) в каркасах зданий и сооружений.

Анализ публикаций

В работах [1, 2] отмечено о высокой эффективности работы кольцевых энергопоглотителей при их применении в стальных каркасах многоэтажных зданий. Одним из показателей эффективности является уровень снижения сейсмической нагрузки на каркас, однако в этих работах нет данных о влиянии энергопоглотителя кольцевого (ЭПК) типа на динамические характеристики здания.

Цель и постановка задач Целью данной работы является изучить влияние энергопоглотителя кольцевого типа на динамические характеристики здания. Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- определение нелинейных свойств материала кольца, которые как можно более точно соответствовали действительной работе металла ЭПК;

- определение внешнего воздействия, соответствующего реальным сейсмическим воздействиям.

Результаты и их анализ Для исследования влияния упруго пластической работы энергопоглотителей кольцевого типа на реакцию систем при нагрузках типа сейсмических, с использованием программного комплекса АМБУБ были проведены расчеты двух зданий.

Рассматриваемая в данной работе, связевая каркасная схема используется как правило в многоэтажных зданиях, на основании чего и делался выбор функционального назначения и этажности объектов. Расчеты производились для следующих вариантов зданий:

- 1-й вариант: 15-этажное здание, с размерами в плане 18x42 метра, высотой 45 м, шаг рам 6 м, высота этажа 3 м (рис. 1 а);

-2-й вариант: 10-этажное здание - 18x36 метров, высотой 30 м, шаг рам 6 м, высота этажа 3 м (рис. 1 б).

Исходя из 9-бальной расчетной сейсмичности и полуторократного уровня снижения сейсмической нагрузки для выбранных зданий были подобраны параметры энергопоглотителя кольцевого типа (см. табл. 1).

Рис. 1. Расчетные схемы каркасов зданий: а) вариант 1; б) вариант 2

Таблица 1

__Размеры двутавровых сечений ЭПК _

верхний пояс стенка нижний пояс

обозначение ширина, толщина, высота, толщина, ширина, толщина,

мм мм мм мм мм мм

Вариант 1,11=1 м 100(90)* 5 110 5 100(90) 5

Вариант 2, Я=1 м 50(40) 2 50 1 50(40) 2

* В скобках указана переменная ширина пояса

При описании нелинейных свойств материала кольца использовался закон билинейного кинематического упрочнения, который описывает простую модель материала с постоянным наклоном пластического участка диаграммы деформирования.

Билинейное кинематическое упрочнение предполагает, что материал циклически идеален и учитывает эффект Баушингера. Переход изотропных материалов из упругого состояния в пластическое определяется критерием Мизеса. Экспериментально установлено, что модель удовлетворительно описывает деформации большинства металлов [3].

Поведение материала описывается билинейной кривой деформирования, начинающейся в начале координат с положительными значениями деформаций и напряжений. Наклон первого участка кривой определяется исходя из упругих характеристик материала (модуля упругости и коэффициента Пуассона) (рис. 2).

4000 3500 3200 2300

С .3 1.3 2.4 3.2 4

.4 1.2 2 2.3 3.?

1Р5

Рис. 2. Билинейный кинематический закон упрочнения материала ЭПК

При расчете было принято ряд упрощений, касающихся характера внешнего воздействия. Воздействие основания моделировалось последовательностью из трех циклов гармонического воздействия (синусоида). Согласно [4] нет большого различия между параметрами реакции упругопластических систем при трех циклах гармонического нагружения, и реальных сейсмических воздействиях. Кроме этого, при таком простом режиме движения основания, адаптационные процессы в системах с ЭПК имеют наиболее наглядный характер.

Амплитуды ускорений гармонических колебаний основания выбирались исходя из следующего условия:

У = У

± \Т - ^ С

(1)

■ N - '

где Гдг - реакция эталонной системы, определенная по [5];

Уя - реакция той же системы при гармонических колебаниях основания заданной продолжительности.

Для определения амплитуды гармонических колебаний основания необходимо по методике [5] определить сейсмическую нагрузку Б, по которой определяется максимальная деформация эталонной системы:

5

(2)

Ук =

С

(Е)

Далее, воздействие основания моделируется синусоидой или косинусоидой с

единичным ускорением Уес!. Частота вынуждающих колебаний устанавливается равной

собственной частоте эталонной системы С0^Е\

После нахождения максимальной реакции эталонной системы определяется значение амплитуды эквивалентного ускорения колебаний основания:

•• у ••

Уо=^-Уеа (3)

У

Расчет выполнялся по 2-м случаям. В первом случае здание рассчитывалось без ЭПК, а во втором каркас здания оснащался энергопоглотителями кольцевого типа, работающие в упругопластической стадии. Для оценки влияния перегрузок, 2-й вариант здания рассчитывался также и на ускорение, завышенное в 1,5 раза.

Возможности программы позволяют получать параметры реакции здания для любого заданного момента времени, а также определять максимальные значения этих параметров по каждой конкретной частоте. Результаты расчетов сведены в таблицу 2, а характер реакции зданий 1-го и 2-го вариантов также проиллюстрирован графически (см. рис. 3 -рис. 7).

Рис. 3. Расчетная зависимость у(1:) (вариант №1)

0, с1

0 12 3 4

Рис. 4. Спектр сейсмических нагрузок (вариант №1)

\Г 14

Рис. 5. Расчетная зависимость у(1:) (вариант №2)

Рис. 6. Расчетная зависимость у(1:) (вариант №2, перегрузка 1.5 раза)

На рисунках 3, 5, 6 приведены развертки колебаний зданий без ЭПК (упругая система) и оснащенных кольцевым энергопоглотителем (упругопластическая система). При этом частоты вынуждающих колебаний соответствуют максимумам реакции упругих систем.

Анализ колебаний упругих систем показывает, что при совпадении частоты вынуждающих колебаний с собственными, происходит «разгон» системы - постоянный (от цикла к циклу) рост деформаций, скоростей и ускорений. Для систем с кольцевыми сейсмопоглотителями, работающими упругопластически, колебания имеют другой характер. На начальном этапе зависимость у(1:) полностью повторяет аналогичную зависимость для упругой системы, что связано с тем, что материал колец еще не достиг предела текучести.

Далее, начавшийся с крайних фибр переход стали в неупругую стадию работы, приводит к увеличению деформаций системы (ее плавному «срыву»), сопровождающемуся перестройкой динамических характеристик и некоторым запаздыванием по сравнению с колебаниями упругого аналога. В последующих циклах система выходит на стационарный (установившийся) режим колебаний с меньшими, чем в момент «срыва» амплитудами.

На рисунках 4, 7 представлены спектры восстанавливающих сил (сейсмических нагрузок) для систем с ЭПК. При частотах значительно отличающихся от собственных частот рассматриваемых систем спектральные зависимости при упругой и упругопластической работе ЭПК совпадают, а существенные расхождения имеют место в резонансной зоне. В отличие от упругих аналогов, реакции упруго пластических систем в меньшей степени зависят от частоты внешнего воздействия. В результате чего спектры сил для них имеют более спокойный характер. Из рисунков видно, что частоты, при которых для упругопластической системы отмечается наибольшая реакция, снижаются в среднем на 15%-25%.

Упруго пластическая работа приводит к многократному, более чем в 2,5 раза снижению восстанавливающей силы. При этом снижение наблюдается для всего резонансного участка диапазона, а для удаленных от резонанса частот внешнего воздействия реакции упругих и упругопластических систем совпадают. Увеличение амплитуды ускорений колебаний основания оказывается более опасным для упругой системы (рис.7), вызывая пропорциональное возрастание восстанавливающей силы. В то время как сейсмическая нагрузка на упругопластическую систему увеличилась всего на 12%.

шляние ^ШС (перегрузкя 1 5 рячя)

здание с ЭПК (перегрузка 1,5 раза)

здание без ЭПК

0 1 2 3 4 5 6

Рис. 7. Спектр сейсмических нагрузок (вариант №2)

Анализ параметров максимальной реакции зданий с ЭПК, приведенных в таблице 2 показывает, что упругопластическая работа кольцевых энергопоглотителей приводит к существенному уменьшению абсолютных ускорений, сейсмических нагрузок (2-3,5 раза) и деформаций (в 1,6 и более раз).

Таблица 2

Максимальные параметры реакции здания при колебаниях основания_

Характеристики каркаса Ускорение колеб. основания а0, м/с2 Параметры максимальной реакции

Инерционная масса, Т Жесткость Ск, кН/м абсолюта, ускорение м/с2 деформация системы, Y, мм коэф-фиц. податливости On коэф-фиц. диссипации восс-танавл. сила, Fk,KH

Ва эиант 1

1131 6659 0,39 5,49" 450 1 0,15 6200

2,4 210 8,1 2,85 2700

Вариант 2

776 14340 0,41 4,38 200 1 0,15 3400

1,75 110 9,7 3,05 1360

Вариант 2 (перегрузка 1.5 эаза)

-II- -II- 0,615 6,6 401 1 0,15 5100

1,88 220 10,4 3,40 1458

* Над чертой приведены данные работы здания не оснащенного ЭПК;

При этом наблюдается снижение значений пиковых частот и многократное увеличение коэффициента диссипации. За счет изменения жесткостных характеристик происходит перераспределение деформаций внутри зданий и основная их доля концентрируется в энергопоглотителях. Наибольшая степень снижения реакций наблюдалась для 2-го варианта и в том случае, когда ускорение увеличивалось в 1,5 раза.

Выводы

1. Для повышения сейсмостойкости стальных каркасов многоэтажных зданий необходимо предусматривать в системах связей специальные элементы, работающие в упругопластической стадии, например энергопоглотители кольцевого типа.

2. В результате численных исследований каркасов многоэтажных зданий установлено, что упруго пластическая работа ЭПК интенсивностью ап=6-10 позволяет снизить резонансные частоты на 15%-25%, максимальные перемещения в 1,6 раза, инерционную (восстанавливающую) силу в 2-3,5 раза.

список литературы

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

2. B.C. Поляков и др. Современные методы сейсмозащиты зданий. - М.: Стройиздат, 1989.-320 с.

3. Ray Browell. The Power of Nonlinear Materials Capabilities. Part 1 of 2 on modeling materials with nonlinear characteristics / Ray Browell, Guoyo Lin // ANSYS Solutions. - 2000. -Volume 2. - Number 1. - P. 22-28.

4. Окамото Ш. Сейсмостойкость инженерных сооружений / Ш. Окамото; пер. с англ. Л. Ш. Килимника. -М.: Стройиздат, 1980. - 342 с.

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