CC BY
26
УДК 624.04+699.842
ЗИНАТУЛЛИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ, аспирант, alexzin1988@yandex. ru
КОВАЛЬЧУК ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, oko44@mail. ru
Московский государственный строительный университет,
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26
ОСОБЕННОСТЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ОТКЛИКОВ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ
Статья посвящена результатам исследования собственных колебаний здания повышенной этажности при воздействии вибраций техногенного характера. Выявлен и теоретически обоснован эффект, когда на частотах собственных горизонтальных колебаний здания выше 30 Гц на такой спектр воздействия реагируют перекрытия именно верхних этажей.
Ключевые слова: колебания; собственные колебания; вынужденные колебания; частота собственных колебаний; вибрационное воздействие.
ZINATULLIN, ALEKSANDER VLADIMIROVICH, P.G., alexzin1988@yandex. ru
KOVALCHUK, OLEG ALEKSANDROVICH, Ph.D., Assoc. Prof., oko44@mail. ru
Moscow State University of Civil Engineering,
26 Yaroslavskoye Chaussee, 129337, Moscow, Russia
SPECIAL FEATURE OF DYNAMIC RESPONSES OF STRUCTURAL ELEMENTS IN HIGH-RISE BUILDINGS
The article describes the studies of vibrations in a high-rise building under the influence of technogenic vibrations. The authors revealed and substantiated (both theoretically and experimentally) the effect, when at the frequency values of natural horizontal oscillations of the building more than 30 GHz the upper floors of the building react to this vibration spectrum.
Key words: vibrations (oscillations); natural oscillations; forced oscillations; frequency of own oscillations; vibration influence.
Произведен расчет собственных колебаний типового крупнопанельного здания повышенной этажности серии КТЖС-9-18 с использованием программного комплекса на основе метода конечных элементов. Расчетная модель здания создана в пространственной системе координат в соответствии с проектом, разработанным мастерской № 20 АО «Моспроект». В расчете использовались альбомы указанного типового проекта.
Выполнен расчет собственных частот и форм колебаний здания как пространственной конструкции по методу Ланцоша (Lanczos) с уравнениями циклической симметрии и использованием элементно-независимой матрицы
© А.В. Зинатуллин, О.А. Ковальчук, 2013
масс. Расчет выполнялся с использованием различной конечно-элементной сетки. В результате выбрана конечно-элементная сетка таким образом, чтобы она совпадала с шагом стеновых панелей и плит перекрытий этажей, т. е. плоскости разбиения на конечные элементы совпадают с осями чертежей здания. Размеры конечных элементов - не более бхб м. Общая характеристика расчетной принятой схемы имеет следующие параметры: число узлов - 3 258, число конечных элементов плиты-оболочки - 4 067, число конечных элементов-балок - 1 000. Порядок разрешающей системы уравнений - 19 548. Число степеней свободы - 16 896. С целью согласования направления осей локальной и глобальной систем координат для некоторых конечных элементов в расчетную схему введены дополнительные узлы ориентации. В результате получены формы колебаний для собственных частот в диапазоне 0-70 Гц. Первые три основные формы колебаний здания при собственных частотах 1,113; 1,291; 1,927 Гц показаны на рис. 1-3.
Рис. 1. Форма колебаний при собственной Рис. 2. Форма колебаний при собственной частоте 1,113 Гц частоте 1,291 Гц
Необходимо отметить, что примерно до 14 Гц формы колебаний представляют собой колебания здания в целом. Потом на каждые последующие 10 Гц приходится около 500 различных форм колебаний, в том числе колебаний отдельных элементов. Выполненный анализ полученных частот и форм колебаний позволил выявить собственные частоты и формы колебаний здания
как упругого целого, а также интересную особенность поведения перекрытий этажей здания при частотах в диапазоне 30-50 Гц. Особенность заключается в том, что в указанном диапазоне собственных частот происходят значительные колебания перекрытий именно верхних этажей, а перекрытия нижних этажей реагируют на этот спектр частот незначительными колебаниями [1, с. 24], [2, с. 40, 41]. Этот эффект имеет распределение по высоте примерно в верхней трети здания. Характерный пример такого рода колебаний показан на рис. 4. Приведенная форма колебаний здания соответствует собственной частоте здания 38,62 Гц. Причиной такого явления может стать наличие внешнего источника колебаний с частотами, близкими к собственным частотам здания и его элементов.
Рис. 3. Форма колебаний при собственной часто- Рис. 4. Пример полученного эффекта те 1,927 Гц (собственная частота 38,62 Гц)
Также были проведены экспериментальные измерения параметров волн вибрации (от движения поездов метрополитена) на поверхности свободного грунта, а также в подвале на фундаменте виброизолированного здания серии КТЖС-9-18 при равноудаленном расположении точек измерений от границы
технической зоны метро и изучение воздействия вибрации от движения поездов метрополитена на выбранное для исследований аналогичное здание серии КТЖС-9-18, фундамент которого не имеет виброизоляции [3, с. 57-59], [4, с. 206-212], [5, с. 39].
На каждом этапе экспериментальные данные сравнивались с выполненными расчетами. Все полученные расчетные и экспериментальные данные занесены в табл. 1.
Таблица 1
Вид колебаний Экспериментальные измерения № 1 (18-й этаж) Результаты расчета
Крутильная форма - 1,11329
Вдоль оси У 1,28 1,29122
Вдоль оси Х 2,16 1,92711
Максимальная погрешность численного расчета и натурных измерений составляет 11 %, что в исследованиях такой сложной конструкции можно считать допустимым результатом.
В построенном здании при неблагоприятном стечении обстоятельств (дополнительный износ верхнего строения пути, резонансные явления в элементах конструкции здания, появление волноводов в грунте и т. д.) могут быть нарушены допустимые нормы вибраций, т. к. исследуемое здание построено фактически на границе допустимых норм. Этот факт и полученный при численном расчете эффект колебаний перекрытий в верхней части здания стал дополнительной причиной дальнейшего изучения динамических характеристик указанного здания экспериментальными методами.
Анализ смещений (прогибов) перекрытий при колебаниях от воздействия поезда метрополитена также показал максимальные колебания перекрытия именно на 18-м этаже здания (табл. 2).
Таблица 2
Исследуемые этажи Прогибы (колебания) перекрытия, мм
18-й этаж 11,510-4
12-й этаж 7,36-10-4
5-й этаж 3,84-10-4
Значения прогибов колебаний перекрытий на 5-м и 18-м этажах отличаются почти в три раза. Это еще раз подтверждает полученный ранее эффект
образования максимальной амплитуды колебаний перекрытий именно на верхних этажах здания.
Выводы
Экспериментальные исследования подтвердили правильность методики проведенного численного анализа динамических характеристик здания.
Собственные формы колебаний здания на высших частотах от воздействия поездов линии метрополитена имеют максимальные амплитудные координаты на верхних этажах, на которые откликаются колебаниями перекрытия именно верхних этажей.
Перекрытия нижних этажей здания не имеют значимого по энергии спектра отклика на частоты в диапазоне выше 20 Гц.
Перекрытия верхних этажей здания реагируют на высокочастотный спектр воздействия 35-45 Гц и, возможно, могут даже резонировать.
Таким образом, при динамическом воздействии от движения поезда метрополитена существует близость собственных частот высоких форм изгибных колебаний зданий повышенной этажности и собственных частот вертикальных колебаний перекрытий верхних этажей. Эту особенность динамических откликов элементов конструкции зданий повышенной этажности необходимо учитывать до начала строительства объекта и при проведении контрольных измерений динамических характеристик уже возведенного здания.
Библиографический список
1. Ковальчук, О.А. Особенности динамической реакции здания повышенной этажности на вибрации, возбуждаемые движением поездов метрополитена / О.А. Ковальчук, М.А. Да-шевский // Промышленное и гражданское строительство. - 2004. - № 4. - C. 24, 25.
2. Ковальчук, О.А. Влияние поездного состава метрополитена на поведение крупнопанельных зданий / О.А. Ковальчук, М.А. Дашевский, В.Л. Мондрус // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2004. - № 3. - С. 40-43.
3. Ковальчук, О.А. Расчетные и экспериментальные исследования воздействия физических факторов производственной среды на жилые здания повышенной этажности / О.А. Ковальчук, Д.А. Зубков, М.А. Дашевский // Железобетонные конструкции зданий большой этажности: сборник науч. тр., МГСУ. - 2004. - С. 56-60.
4. Шаблинский, Г.Э. Натурные динамические исследования строительных конструкций / Г.Э. Шаблинский, Д.А. Зубков. - М. : Изд-во АСВ, 2009. - 216 с.
5. Шаблинский, Г.Э. Экспериментальные исследования динамических характеристик строительных конструкций АЭС в натурных условиях / Г.Э. Шаблинский, А.С. Исайкин, Д.А. Зубков // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2005. - № 6. -C. 38-41.
References
1. Koval'chuk O.A., Dashevskiy M.A. Osobennosti dinamicheskoy reaktsii zdaniya povyshennoy et-azhnosti na vibratsii, vozbuzhdaemye dvizheniem poezdov metropolitena [Features of dynamic response of high-rise building to vibrations generated by Metro Trains] // Promyshlennoe i gra-zhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Construction]. - 2004. - No. 4. - P. 24, 25.
2. Koval'chuk O.A., Dashevskiy M.A., Mondrus V.L. Vliyanie poezdnogo sostava metropolitena na povedenie krupnopanel'nykh zdaniy [The influence of underground trains on the behavior
64
A.B. 3uHamynnuH, O.A. KoeanbnyK
of large-panel buildings] // Seysmostoykoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzheniy [Earthquake engineering. Safety of structures]. - 2004. - No. 3. - P. 40-43.
3. Koval'chuk O.A., Zubkov D.A., Dashevskiy M.A. Raschetnye i eksperimental'nye issledovaniya vozdeystviya fizicheskikh faktorov proizvodstvennoy sredy na zhilye zdaniya povyshennoy etazhnosti [Calculated and experimental studies of effect of physical environment factors on high-rise residential buildings] // Zhelezobetonnye konstruktsii zdaniy bol'shoy etazhnosti [Reinforced concrete high-level building structures]: sbornik nauch. tr., MGSU [Proceedngs of Moscow State Uniersity of Civil Engineering]. - 2004. - P. 56-60.
4. Shablinskiy G.E., Zubkov D.A. Naturnye dinamicheskie issledovaniya stroitel'nykh konstruktsiy [Full-scale dynamic studies of building structures]. - Moscow : ASV Publ., 2009. - 216 p.
5. Shablinskiy G.E., Isaykin A.S., Zubkov D.A. Eksperimental'nye issledovaniya dinamicheskikh kharakteristik stroitel'nykh konstruktsiy AES v naturnykh usloviyakh [Experimental study of dynamic characteristics of building nuclear power plant designs in natural conditions] // Sey-smostoykoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzheniy [Earthquake engineering. Safety of constructions]. - 2005. - No. 6. - P. 38-41.
