CC BY
198
УДК 699.841: 624.042.7
О.В. Мкртычев, А.А. Бунов
ФГБОУВПО «МГСУ»
ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЯ С СЕЙСМОЗАЩИТОЙ В ВИДЕ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОР
Освещены вопросы применения различных систем активной сейсмозащиты, в т.ч. резинометаллические опоры (РМО), для защиты от землетрясений зданий и сооружений, расположенных в сейсмически опасных районах.
Рассмотрен линейно-спектральный расчет железобетонного здания с применением системы активной сейсмоизоляции в виде РМО и без нее в программном комплексе «Лира». Произведен сравнительный анализ результатов расчета.
Ключевые слова: линейно-спектральный метод, резинометаллическая опора (РМО), сейсмозащита, сейсмоизоляция, сейсмическое воздействие, железобетон.
Для защиты от землетрясений зданий и сооружений, расположенных в сейсмически опасных районах, применяются различные системы активной сейсмозащиты, в т.ч. резинометаллические опоры (РМО) [1].
В данной работе исследуется эффективность применения сейсмоизолиру-ющих РМО. Производится расчет и сравнительный анализ результатов расчета высотного монолитного здания на сейсмическое воздействие.
Расчет здания производился линейно-спектральным методом в двух постановках:
здание без системы активной сейсмозащиты; здание с активной сейсмозащитой в виде РМО.
Исследуемый объект — учебно-административный корпус Российского международного олимпийского университета в г. Сочи представляет собой здание прямоугольного очертания и размерами в плане — 53,25^22,50 м. Высота здания от верха плиты фундамента до верха плиты покрытия — 74,15 м. На рис. 1 приведена расчетная схема здания.
Рис. 1. Расчетная схема здания (КЭ-модель и план первого этажа)
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
Конструктивная схема здания — каркасно-стеновая. Основными несущими элементами конструкции являются стены, колонны и плиты перекрытий, выполненные из монолитного железобетона. Фундаменты — свайно-роствер-ковые.
Особые воздействия: сейсмическое воздействие интенсивностью в 9 баллов.
В рамках задачи сравним максимальные относительные перемещения верхней части здания в горизонтальном направлении для рассмотренных вариантов, а также произведем сравнение усилий в основании здания для элементов стен и колонн.
Рассмотрим первый вариант расчета (без сейсмоизоляции). На рис. 2 приведены изополя перемещений конструкции в результате воздействия.
а б
Рис. 2. Изополя перемещений конструкций здания по направлению: а — X; б — У
На рис. 3 показаны изополя усилийМ в основании колонн и усилия N, N
г •'г ^ X у
в основании стен здания от сейсмического воздействия по направлению У.
Рис. 3. Изополя усилий в основании стен и колонн здания: а — усилия в стенах N
а
Рис. 3. Изополя усилий в основании стен и колонн здания: б — усилия в стенах Nx; в — усилия в колоннах Mz
Второй вариант расчета (с сейсмоизоляцией). Для сейсмоизоляции здания были выбраны резинометаллические опоры SI-H 550/154 из высокодемпфиру-ющей резины (HDRB, High Damping Rubber Bearing), произведенные фирмой FIP Industriale S.P.A.
Диаграмма работы РМО (диаграмма Р—u) принята согласно [2] и приведена на рис. 4.
Kim 7IMI ■ -
-ч зд мэ о •<• м m 120 1*0 im :io :ш 270 im но
IliptfWraefflW W. MM
Рис. 4. Диаграмма P — u
б
в
ВЕСТНИК 8/2013
8/2013
При расчете линейно-спектральным методом для РМО была принята эквивалентная сдвиговая жесткость Кк [3—5]. В соответствии с [6, 7] данная сдвиговая жесткость К,, кН/мм, определялась как наклонная секущая до пика петли, соответствующего максимальным перемещениям РМО.
к, = Р=648=2,1б.
и 300
В соответствии с несущей способностью сейсмоизоляторов под зданием было принято 66 резинометаллических опор. Схема расположения сейсмоизо-лирующих опор на фундаментной плите показана на рис. 5.
Рис. 5. Схема расположения сейсмоизолирующих опор на фундаментной плите
В результате расчета были получены необходимые данные для сравнительного анализа конструкций. На рис. 6 приведены изополя перемещений конструкции в результате воздействия.
а б
Рис. 6. Изополя перемещений конструкций здания по направлению: а — X; б — У
Изополя усилий М в основании колонн и усилия N, N в основании стен
г X у
здания от сейсмического воздействия по направлению У показаны на рис. 7.
Рис. 7. Изополя усилий в основании стен и колонн здания: а — усилия в стенах N; б — усилия в стенах N; в — усилия в колоннах М
Произведем сравнительный анализ результатов, полученных по двум вариантам расчета (табл.).
Сравнение результатов расчета
Сравнительные величины Первый вариант (без устройства сейсмоизоляции) Второй вариант (с применением РМО) Сравнение по вариантам,%
Отно стельные по X 10,67 5,87 45,0
перемещения, см по Y 0,54 0,51 5,56
Усилия в колон- + Mz +841,9 +833,6 1,05
нах, кНм - Mz -1056,9 -460,2 56,5
а
в
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
Окончание табл.
Сравнительные величины Первый вариант (без устройства сейсмоизоляции) Второй вариант (с применением РМО) Сравнение по вариантам, %
+ Nx +8,3 +5,9 28,9
Усилия в стенах, - Nx -7,7 -5,2 32,5
МПа + Ny +7,6 +4,7 38,1
- Ny -17,6 -16,6 5,70
Как видно из табл., максимальные относительные горизонтальные перемещения верха здания, а также усилия в элементах в основании конструкции по первому варианту расчета (без РМО) больше, чем соответствующие перемещения и усилия по второму варианту (с РМО). Сравнительный анализ результатов, выполненных линейно-спектральным методом, показывает, что для рассмотренного здания эффективно применение резинометаллических опор.
Снижение усилий в элементах конструкции составили:
для колонн от 1,05 до 56,5 %;
стен от 5,7 до 38,1 %.
Снижение относительных перемещений верха здания составили от 5,56 до 45 %.
Эффективность применения систем активной сейсмозащиты, в частности резинометаллических опор, в каждом конкретном случае должна подтверждаться всесторонним расчетным обоснованием [8, 9]. Расчеты должны производиться, в т.ч. во временной области с учетом геометрической, физической и конструктивной нелинейностей. При этом необходимо учитывать совместную работу конструкций здания с грунтами основания.
Библиографический список
1. Применение тонкослойных резинометаллических опор для сейсмозащиты зданий в условиях территории Кыргызской Республики / Т.О. Ормонбеков, УТ. Бегалиев, А.В. Деров, Г.А. Максимов, С.Г. Поздняков. Бишкек : Учкун, 2005. 215 с.
2. Catalogue on Elastomeric Isolators Series SI-H 550/154. «FIP Industríale S.P.A.».
3. Kircher Charles A. FEMA P-751, 2012. NEHRP Recommended Provisions: Design Examples // Chapter 12: Seismically isolated structures. Federal Emergency Management Agency. Washington, D.C.
4. FEMA, 2000. Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings (FEMA 356) // Chapter 9.2: Seismic Isolation System. Federal Emergency Management Agency. Washington, D.C.
5. Constsntinou M.C., Kalpakidis I., Filiatrault A., Ecker Lay R.A. LRFD-Based analysis and design procedures for bridge bearings and seismic isolators. Technical Report MCEER-11-0004. Buffalo, New York. September 26, 2011. 204 p.
6. Айзенберг Я.М., Смирнов В.И., Акбиев Р. Т. Методические рекомендации по проектированию сейсмоизоляции с применением резинометаллических опор. М. : РАСС, 2008. 46 с.
7. Naeim Farzad, Kelly James M. Design of seismic isolated structures: from theory to practice. New York : John Wiley, 1999. 289 p.
8. Мкртычев О.В., Мкртычев А.Э. Анализ эффективности резинометаллических опор при строительстве высотных зданий в сейсмических районах // Вестник НИЦ «Строительство». 2010. № 2 (XXVII). С. 126—137.
9. Мкртычев О.В., Джинчвелашвили Г.А. Проблемы учета нелинейностей в теории сейсмостойкости (гипотезы и заблуждения) : монография. М. : МГСУ 2012. 192 с.
Поступила в редакцию в июне 2013 г.
Об авторах: Мкртычев Олег Вартанович — доктор технических наук, профессор кафедры сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, mkrtychev@yandex.ru;
Бунов Артем Анатольевич — аспирант кафедры сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26. a_bunov@mail.ru.
Для цитирования: Мкртычев О.В., Бунов А.А. Оценка сейсмостойкости здания с сейсмозащитой в виде резинометаллических опор // Вестник МГСУ 2013. № 8. С. 21—28.
O.V. Mkrtychev, A.A. Bunov
ASSESSMENT OF SEISMIC STABILITY OF BUILDINGS THAT HAVE SEISMIC PROTECTION IN THE FORM OF ELASTOMERIC ISOLATORS
Nowadays, various systems of seismic protection are applied to assure seismic protection of buildings and structures, located in earthquake areas. The greatest prevalence and popularity has been attained by the systems of active seismic protection.
In this article, the authors study the efficiency of application of an active seismic protection system by taking high-damping rubber elastomeric isolators as an example. Calculations and their comparative analysis were made for a high-rise reinforced concrete building, and their exposure to the seismic impact was examined. Those calculations were made both with and without the application of the active seismic isolation system. Calculations were carried out by means of the linearly-spectral method using Lira software. Maximum relative horizontal moments arising on the top of the building and forces applied to the elements of walls and columns were compared. On the basis of the results of the calculations and their comparative analysis, the conclusion is drawn that elastomeric isolators may be efficiently applied as an active seismic protection system.
Key words: linear-spectral method, elastomeric isolators, seismic protection, seismic isolation, seismic influence, reinforced concrete.
References
1. Ormonbekov T.O., Begaliev Yu.T., Derov A.V., Maksimov G.A., Pozdnyakov S.G. Prim-enenie tonkosloynykh rezinometallicheskikh opor dlya seysmozashchity zdaniy v usloviyakh territorii Kyrgyzskoy Respubliki [Application of Thin-layered Rubber-metal Bearings to Assure Seismic Protection of Buildings in the Environment of the Republic of Kirghizia]. Bishkek, Uchkun Publ., 2005, 215 p.
2. Catalogue on Elastomeric Isolators Series SI-H 550/154. FIP Industriale S.P.A.
3. Kircher Ch.A. NEHRP Recommended Provisions: Design Examples. Chapter 12: Seismically Isolated Structures. Federal Emergency Management Agency. FEMA P-751, Washington, D.C., 2012.
4. Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings (FEMA 356). Chapter 9.2: Seismic Isolation System. Federal Emergency Management Agency. Washington, D.C, 2000.
5. Constsntinou M.C., Kalpakidis I., Filiatrault A., Ecker Lay R.A. LRFD-Based Analysis and Design Procedures for Bridge Bearings and Seismic Isolators. Technical Report MCEER-11-0004. New York, Buffalo, September 26, 2011, p. 204.
ВЕСТНИК 8/2013
8/2013
6. Ayzenberg Ya.M., Smirnov V.I., Akbiev R.T. Metodicheskie rekomendatsii po proektirovaniyu seysmoizolyatsii s primeneniem rezinometallicheskikh opor [Methodological Recommendations on Seismic Isolation Design with the Application of Rubber-metal Bearings]. Moscow, RASS Publ., 2008, 46 p.
7. Naeim F., Kelly J.M. Design of Seismic Isolated Structures: from Theory to Practice. New York, John Wiley, 1999, 289 p.
8. Mkrtychev O.V., Mkrtychev A.E. Analiz effektivnosti rezinometallicheskikh opor pri stroitel'stve vysotnykh zdaniy v seysmicheskikh rayonakh [Efficiency Analysis of Rubber-metal Bearings in the Course of Construction of High-rise Buildings in Earthquake Areas]. Vestnik NITs "Stroitel'stvo" [Proceedings of Research Centre for Construction]. 2010, no. 2 (XXVII), pp. 126—137.
9. Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A. Problemy ucheta nelineynostey v teorii seysmostoykosti (gipotezy i zabluzhdeniya) [Problems of Nonlinearities Consideration in the Seismic Stability Theory (Hypotheses and Delusions)]. Moscow, MGSU Publ., 2012, 192 p.
About the authors: Mkrtychev Oleg Vartanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Strength of Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mkrtychev@ yandex.ru;
Bunov Artem Anatol'evich — postgraduate student, Department of Strength of Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; a_bunov@mail.ru.
For citation: Mkrtychev O.V., Bunov A.A. Otsenka seysmostoykosti zdaniya s seysmoza-shchitoy v vide rezinometallicheskikh opor [Assessment of Seismic Stability of Buildings That Have Seismic Protection in the Form of Elastomeric Isolators]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 21—28.
