CC BY
28УДК 550.34+624.04
ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗДАНИЕ С СЕЙСМОИЗОЛЯЦИЕЙ
Кудлай Д. А.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: kudlay.dm@gmail.ru
Аннотация: Цель данного исследования состоит в разработке методики расчета здания на сейсмическую нагрузку, позволяющей учесть наличие в нем конструктивных особенностей фундамента, влияющих на снижение динамического воздействия, а также раскрыть основные проблемы, связанные с созданием сейсмоизолированных объектов.
Ключевые слова: кинематические опоры, сейсмоизоляция, выключающиеся связи, сейсмостойкая опора, сейсмостойкость, спектральный анализ.
Введение
Сейсмическая опасность является постоянно действующим фактором, влияющим на экономическое развитие в целом и на развитие строительной отрасли в частности, для многих территорий нашей планеты. В ходе заселения, люди старались по возможности обходить места, где наблюдались разрушительные природные явления, но численность населения растет и приходится возводить строительные объекты даже в местах высокой сейсмической опасности, где интенсивность воздействия по шкале МЕК-64 превышает 9 баллов. В том числе, это касается и строительства объектов, разрушение или повреждение которых несет в себе опасность не только для конкретного региона или страны [8, 9], а для всей планеты в целом. Примером тому может служить авария на АЭС Фукусима I в Японии, которая произошла в результате сильного землетрясения 11 марта 2011 года. [1-2]
Все это делает актуальным вопросы, касающиеся развития и совершенствования современных систем активной сейсмозащиты, прежде всего сейсмоизоляции. Сейсмоизоляцией называется существенное снижение сейсмического воздействия на часть сооружения, расположенную выше фундамента, путем установки каких-либо систем или элементов между этой частью сооружения и фундаментом.[3]
На современном этапе развития способов сейсмозащиты существует достаточно большое количество конструктивных решений, позволяющих уменьшить усилия, вызванные смещением грунта. К сожалению, ни одно конструктивное решение само по себе не гарантирует полноценную защиту объекта от воздействия сейсмических волн, они лишь способны в той или иной мере уменьшить динамическое воздействие. Только грамотный расчет и конструирование элементов здания с учетом всех особенностей конструктивных решений позволит свести ущерб к минимуму.
Сам по себе расчет на сейсмические воздействия, по современным строительным нормам, представляется довольно сложным и практически непригодным для ручного счета процессом. [4] О том, как влияет на этот алгоритм наличие сейсмоизолирующих систем, практически нет никаких упоминаний. Очень часто именно отсутствие четкого алгоритма расчета и проектирования ограничивает более широкое распространение систем сейсмозащиты задний, и, как следствие, тормозит развитие этого направления инженерной мысли.
Анализ материалов
В виду большого разнообразия способов сейсмозащиты не существует единого подхода к проектированию зданий и сооружений, обладающих конструктивными особенностями, снижающими динамическое воздействие. Кроме того, эффективная сейсмозащита должна сочетать в себе несколько решений одновременно, для повышения надежности системы.
Для достижения поставленной цели сузим область исследования до категории самой распространенной системы сейсмоизоляции -фундамента с кинематическими опорами. Однако и тут мы сталкиваемся с большим разнообразием конструктивных решений [10], но в чистом виде можно выделить всего три основных конструкции: резинометаллические опоры, опоры на подвесах и опоры в виде элементов качения [3, 12,].
Резинометаллические опоры наиболее часто встречаются в сейсмостойком строительстве, они не сложны в производстве и эксплуатации, хотя имеют не очень долгий срок службы, после чего требуют замены. Сопротивление таких опор смещению грунта имеет нелинейный вид и отличается в зависимости от производителя. Обычно компания, изготавливающая такие опоры, гарантирует снижение интенсивности воздействия на 1-2 балла, на этом и основывается расчет основных несущих конструкций здания.
Что касается опор на подвесах, то их использование ограничено целым рядом трудностей, связанных с их изготовлением и эксплуатацией. Наиболее простые варианты малоэффективны, а более совершенные очень сложны и дорогостоящи. Наиболее совершенный вид они приобрели в работах Фридхейма [7], который также разработал основные положения по их расчету и проектированию объектов с их использованием.
Последний класс, а именно, сейсмоизоляция с элементами качения, наиболее многочисленный с точки зрения различных форм конструктивных решений, реализующих один и тот же принцип. Они просты и дешевы в производстве, не требуют больших затрат на эксплуатацию, при грамотном проектировании могут с успехом выполнять свои функции в течение всего периода эксплуатации сооружения, и немаловажным фактором является то, что их можно достаточно просто сочетать с прочими системами сейсмозащиты. Они представляют, по мнению автора, наибольший интерес в качестве объекта исследования в данной работе.
Цель и постановка задачи исследования
Для дальнейшего развития современных систем сейсмозащиты требуется больше опыта создания реальных объектов и изучения их поведения в сейсмических волнах, но на сегодняшний день такие исследования носят зачастую теоретический характер. Причиной этому служит непонимание инженерами принципов проектирования и использования систем сейсмозащиты. Необходимо выработать системный подход и рассматривать здание как физическое тело, находящееся в подвижной системе координат. Это позволит расширить опыт сейсмостойкого проектирования.
Данная работа посвящена основным принципам проектирования зданий с сейсмоизоляциями в виде опор качения, как наиболее неизученным и перспективным в этой области постановки задачи.
При воздействии сейсмической нагрузки здание может быть разрушено в результате двух факторов: в результате резкого толчка, вызванного смещением грунта при вступлении продольной или поперечной волны или в результате стремительно нарастающего увеличения амплитуды колебательного движения, вызванного явлением резонанса. Если первый фактор в некоторой степени нивелируется использованием кинематических опор, то для исключения явления резонанса обычно
ф2 (( + Я2) + е
требуется использование дополнительных
конструктивных мер, например установка включающихся или выключающихся связей. [3, 5] Использование выключающихся связей в сочетании с кинематическими опорами более предпочтительно, поскольку в этом случае кинематические опоры разгружены, имеют более долгий срок службы и не нарушают режим нормальной эксплуатации здания в отсутствие динамического воздействия.
Таким образом, задача оценки сейсмического воздействия на объект, изолированный кинематическим фундаментом с опорами качения, усложняется одновременным использованием системы
выключающихся связей, однако, без совместного использования этих двух систем сейсмозащиты невозможна полноценная и эффективная защита здания от динамических нагрузок.
Основные результаты и их анализ
Расчет здания на сейсмические воздействия будет проходить в 2 этапа, для режима нормальной эксплуатации объекта или при незначительном динамическом воздействии, и при наличии сильных толчков, когда в работу включаются кинематические опоры.
Эффективность работы кинематических опор определяется соотношением частоты собственных колебаний системы на этих опорах и частоты внешнего воздействия, чем больше разница между ними, тем больший эффект оказывает сейсмоизоляция. Также каждая такая система имеет свои ограничения в работе, обычно они связаны с максимально возможным смещением, которое может воспринять опора.
При определенном ускорении грунта, которое обусловлено максимальной балльностью частота и амплитуда связаны между собой, чем ниже частота тем больше амплитуда колебания. Таким образом для систем с кинематическими опорами самыми неблагоприятными являются низкие частоты, в области которых находится и их собственная частота колебаний.
Первым этапом в определении сейсмической нагрузки на элементы здания с сейсмоизоляцией является определение собственной частоты колебаний полученной системы. Для примера приведем формулу для частоты колебания катковой сейсмоизоляции с одной степенью свободы, описанной в работе В.В. Назина [6] :
к =
(( + ^2 )2 - 2(( + ^2 )( + ^2 )с08ф + ( + С2 )
\С1 + С2 )>
(1)
Где
Я1 - верхний радиус кривизны зерна.(рис.1)
Я2 - нижний радиус кривизны зерна.
О1 и О2 - соответственно центры кривизны.
с1 и с2 - расстояния от центров кривизны до центра масс соответственно. ф - угол наклона оси симметрии зерна изоляции, который принят координаты.
g - ускорение свободного падения.
в качестве обобщенной
1 1 ось У ср^ У у
А22 ////////А А,
1 Ф С2 V4- 02
С1 с О1
А1 / Аи /ось х
Рис. 1. Схема элемента сейсмоизоляции при смещении
Эту формулу можно получить, используя уравнение Лагранжа II рода, взяв за основу движение точки центра масс здания на таких опорах по укороченной циклоиде [11]. Вычислив частоту собственных колебаний системы можно ввести граничные условия для расчета, т. е. выявить частотные зоны, для которых изоляция окажется не эффективной и постараться нивелировать этот недостаток за счет использования выключающихся связей.
Для наглядной демонстрации
эффективности работы катковой изоляции в разных диапазонах частот был поставлен эксперимент с
использованием лабораторной модели. Элементы изоляции были выполнены из полимерного материала, а в качестве изолированного объекта использовался сейсмоприемник СМ-3КВ. Модель прокачивалась на разных частотах при помощи стенда для калибровки сейсмометрических каналов. Колебательный процесс записывался при помощи АЦП в цифровом виде и обрабатывался в программе МаШСАО. (рис.2)
Рис. 2. Лабораторная модель
На следующем рисунке показана кривая, которая описывает отношение максимумов спектров (максимальной амплитуды в вольтах) внешнего воздействия и максимумов спектров сигнала, записанного на сейсмоизоляции при различных частотах входного сигнала (рис.3). Это экспериментальная кривая, которая демонстрирует уменьшение амплитуды, следовательно, и сейсмической силы, при использовании сейсмоизоляции, но такую кривую можно построить и аналитически.
Рис. 3. График эффективности сейсмоизоляции на различных частотах воздействия
На предложенном графике видно, что в диапазоне от 0 до 3,5 Гц изоляция не только не эффективна, но и может усилить амплитуды колебаний вследствие резонанса. Однако после 4,5 Гц изоляция
способна снизить сейсмическое воздействие на 1-3 балла по шкале М5К-64. Таким образом, необходимо проектировать выключающиеся связи на восприятие сейсмических сил в диапазоне частот до 4,5 Гц. Этот
расчет не будет сильно отличаться от описанного в СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах», так как выключающиеся связи могут быть выполнены как обычные колонны.
Второй этап расчета будет вестись только для конструкций, расположенных выше
сейсмоизолирующих опор, но для заниженного уровня балльности в зависимости от преимущественных частот колебаний местных землетрясений. Такой подход позволит экономично проектировать конструкции в сейсмически опасных районах и не отходить от требований действующих норм.
Соответственно, подбор сечений и арматуры для основных конструкций здания назначается исходя из максимальных значений, полученных по одному из двух этапов.
Выводы
1. Системы с кинематическими опорами при проектировании наиболее выгодно сочетать с системами выключающихся связей.
2. При правильном расчете, возможно, свести к минимуму опасность возникновения резонансных явлений и снизить сейсмическое воздействие на 1-3 балла.
3. Проектирование зданий с системами сейсмоизоляции требует детального изучения и обязательного научного сопровождения со стороны ведущих строительных вузов, а также научно-исследовательских институтов.
4. Расчет усилий для несущих элементов здания определяется по результатам вариативного расчета отдельно для выключающихся связей и отдельно для работы здания на кинематических опорах.
5. При проектировании необходимо учитывать не только максимальное ускорение грунта в сейсмической волне, но и частотный состав сейсмического сигнала.
Список литературы
1. Землетрясение в Японии (2011) [Электронный ресурс]: электронная энциклопедия «Википедия»/ американская некоммерческая организация «Фонд Викимедиа». - Электронный журнал. - Режим доступа к журналу: http://ru/wikipedia.org, свободный.
2. Earthquake Information. [Электронный ресурс]/ Japan Meteorological Agency - Электрон. Текстовые дан. -Режим доступа: http://www.jma.go.jp/en/quake/, свободный.
3. Поляков В. С. Современные методы сейсмозащиты зданий[Текст]/ В.С. Поляков, ЛШ. Килимник, А.В. Черкашин. - M.: Стройиздат, 1989. -320с.
4. Свод правил: СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах СНиП II-7-81* [Текст]: нормативно-технический материал. - М.: [б.и.], 2014. -126с.
5. Айзенберг Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов [Текст]/ Я.М. Айзенберг. - М.: Стройиздат, 1976. - 232с.
6. Назин, В.В. Некоторые конструктивные мероприятия, уменьшающие сейсмическое воздействие на здания [Текст]/В.В. Назин// Сейсмичность, сейсмическая опасность Крыма и сейсмостойкость строительства. Материалы Всесоюзной конференции. Академия наук УССР: сб. статей/Институт геофизики. -Киев: Наукова думка, 1972. - С. 147-159.
7. Пат. 70923 Украина, МПК Е04Н 9/02 E02D 27/34. Споаб захисту вщ землетрус1в шляхом розв'язаного вщ коливань встановлення будвель i об'екпв на опори через вiртуальнi маятники з великим перюдом коливання [Текст]/Бирвирт Фридхейм.; заявитель и правообладатель Бирвирт Фридхейм; опубл. 15.11.2004, Бюл. №11. - 10с.
8. Бугаевский Г.Н. Основы сейсмологии и динамической теории сейсмостойкости [Текст]/ Г.Н. Бугаевский. - Симферополь: ИТ «Ариал», 2010. -256 с.
9. Бугаевский Г.Н. Проблема сейсмической опасности для путепровода Керчь-Кубань [Текст]/ Г.Н. Бугаевский// Строительство и техногенная безопасность: сб. науч. тр./Крымская академия природоохранного и курортного строительства. -Симферополь, 2001. - Вып. 4. - С. 208-216.
10. Мартынов Н.В. Классификация как средство компактного представления особенностей и возможностей систем и элементов сейсмозащиты [Текст]/ Н.В. Мартынов// Строительство и техногенная безопасность: сб. науч. тр./Крымская академия природоохранного и курортного строительства. -Симферополь, 2003. - Вып. 8. - С. 78-85.
11. Ландау Л. Д. Теоретическая физика. Механика. Т.1 [Текст]/ Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Наука, 1988. - 215с.
12. Казина Г. А. Современные методы сеймозащиты зданий и сооружений. Обзор [Текст]/ Г.А. Казина, Л.Ш. Килимник. - М.: ВНИИИС, 1987. - 65с.
Kudlay D. A.
ASSESSMENT OF SEISMIC EFFECTS ON BUILDINGS WITH SEISMIC ISOLATION
Summary: Research objective - creation of a technique of designing of elements of building under seismic load, which allows to taking into account of foundation elements that reduce seismic action and identify key issues associated with the creation of seismic isolated objects.
Keywords: Kinematic supports, seismic isolation, collapsing support, earthquake support, earthquake resistance, spectral analysis
