CC BY
19
УДК 624.21: 625.745.12
В. М. КОСЯК (ДПТ)
РОЗВИТОК КОНСТРУКТИВНИХ ФОРМ ЕЛЕМЕНТ1В МОСТ1В ДЛЯ РОБОТИ В УМОВАХ СЕЙСМ1ЧНИХ ВПЛИВ1В
Розглянуто напрямки розробки структурних форм iнженерного забезпечення безпеки проектованих i екс-плуатованих з^зничних мостiв i зменшення витрат на ïx ввдновлення пiсля сейсмiчного впливу, виклика-ного природними причинами або дiяльнiстю людини.
Рассмотрены направления разработки структурных форм инженерного обеспечения безопасности проектируемых и эксплуатируемых железнодорожных мостов и уменьшение расходов на их восстановление после сейсмических воздействий, вызванных естественными причинами или деятельностью человека.
The article considers directions of development of structural forms of engineering provision of safety of railway bridges being designed and operated and reduction of their renewal costs after seismic impacts, resulting from natural causes or human activity.
Вступ
Зростання сейсмiчноi активносп на планет^ яке стсгертаеться в останш 25 роив, потребуе нового етапу розробки шженерних ршень, спря-мованих на забезпечення збереженостi i нормаль-ноi експлуатацii штучних споруд при землетру-сах. У багатьох крашах свiту iснують спецiальнi програми дослщження роботи штучних споруд яю зазнають сейсмiчних впливiв. Основна увага придiляеться новому бущвництву iз застосуван-ням заходiв, якi зменшують сили iнерцii сейсмiч-ного навантаження, i вщновленню робочого стану споруд, яю зазнали дii землетрусiв. Сьогоднi роз-робляються новi норми сейсмiчного бущвницгва кра1'н Свропи (ЕС8), Нiмеччини (ББЕЧ 4149-02), Росii (Федеральна цiльова програма «Сейсмь чна безпека територii Росп») i Укра'ни (проект ДБН В. 1.1-...-2004 «Бущвництво в сейсмiчних районах Укра'ни») з рекомендацiями щодо ви-бору техшчних заходiв при розробцi проектов пiдвищення сейсмостiйкостi будiвель i споруд.
Сейсмостшюсть транспортних споруд зале-жить вiд правильного вибору будiвельного май-данчика з урахуванням геологiчних умов, яюсно-го виконання загальнотехнiчних i сейсмiчних розрахункiв на основi вихщно' сейсмологiчноi iнформацii. Важливе значення мае обгрунтова-ний вибiр конструктивно!' схеми споруди, компоновки 11 елементов, призначення властивостей матерiалiв для виготовлення елементiв споруди, а також яюсть виконання будiвельних робiт.
Вибiр ршення щодо захисту конструкцiй вiд руйнування при землетрусах залежить вiд сейсмiчностi району i здiйснюеться за одним з трьох основних напрямкiв:
- при рщких руйнiвних землетрусах пер-шочерговою задачею е збереження життя людей i цiнного обладнання;
- при землетрусах середньо' сили - об-меження пошкоджуваностi конструкцiй;
- при вщносно слабких, але часто повто-рюваних землетрусах головне призначення ан-тисейсмiчних заходiв полягае у забезпеченш нормальноi експлуатацii споруд.
В останш 15-20 роюв в багатьох крашах свтоу реалiзованi на практищ принципово новi технiчнi рiшення щодо спещального сейсмоза-хисту будiвель та iнженерних споруд.
Систематизацiя способiв сейсмозахисту штучних споруд
Ращональшсть типу сейсмозахисту штучних споруд залежить вщ величини зовшшшх сил i власних динамiчних властивостей елементiв конструкцiй.
Способи сейсмозахисту можна розжшити за принципом роботи на групи, яю поданi у ви-глядi структурно' дiаграми на рис. 1.
Рис. 1. Структурна дiаграма способiв сейсмозахисту штучних споруд
У крашах з високим рiвнем сейсмiчноl не-безпеки (Японiя, США, Нова Зелацщя) найпо-ширенiшими е традицшш методи сейсмозахис-ту споруд вщ сейсмiчних впливiв. Перевага при виборi технiчних рiшень надаеться спорудам з просторово-планувальними схемами, форма яких запоб^ае виникненню крутильних коли-вань (квадрат, круг, правильний багатокутник) i чггко визначеними властивостями будiвельних матерiалiв - iз зниженою власною вагою, виго-товлених в заводських умовах з застосуванням вiбрацil, розчинiв з вмiстом спецiальних дом> шок, якi збiльшують зчеплення з основним ма-терiалом. Особлива увага прид^еться питан-ням забезпечення просторово! жорсткостi спо-руди, а також уникненню мiсць рiзкоl змши жорсткостi елементiв.
Активний спосiб спещального сейсмозахис-ту е доцiльним для захисту ушкальних споруд в регюнах з можливiстю виникнення руйнiвних землетрушв. Використання такого способу пе-редбачае включення додаткових джерел енерги i елементiв, якi регулюють роботу таких джерел, що потребуе значних матерiальних затрат на улаштування i експлуатацiю споруд.
Альтернативним варiантом до активного сейсмозахисту е застосування пасивних мето-дiв: сейсмогасiння та сейсмоiзоляцil. Такi мето-ди е оптимальними для штучних споруд, екс-плуатацiя яких передбачаеться в районах з оч> куваними землетрусами середньо1 сили.
Значного ефекту гасшня сейсмiчних коли-вань можна досягти шляхом використання спе-цiальних демпферiв з пiдвищеними дисипатив-ними параметрами, яю сприяють розсiюванню енерги за рахунок роботи в'язкого або сухого тертя, сил пластичного деформування. Одним з широко застосовуваних засобiв сейсмозахисту штучних споруд е динамiчнi гасителi коливань (ДГК) велико1 та мало1 маси, якi забезпечують перехiд мехашчно1 енерги коливань конструк-ци до спещального гасника. ДГК детально до-слщжеш, в спецiалiзованiй лiтературi [1-5] об-грунтована ефективнiсть !х застосування для захисту значно1 кiлькостi споруд i широкого спектра навантажень. Вщкритим залишаеться напрямок вдосконалення ДКГ мало1 маси (не бiльше 5% ваги споруди). Проблема точно1 настройки параметрiв таких ДКГ полягае в тому, що частота i демпфiрування коливань змшю-еться при експлуатацп i при виникненнi по-шкоджень споруди при землетрусах. Досягти ефективно1 роботи ДГК можливо за рахунок збшьшення маси гасника, до складу якого введена частина споруди [6-8].
Суть сейсмоiзоляцil полягае у використанш спещальних конструктивних елементiв, яю зни-жують iнерцiйнi сейсмiчнi навантаження шляхом зниження основного тона коливань спору-ди. Способи сейсмоiзоляцil штучних споруд роздшяються на стацiонарнi (за наявносп або вiдсутностi повертаючо1 сили), в яких динамiч-нi характеристики не змшюються пiд час зем-летрусу, i адаптивнi, характеристики яких «пристосовуються» до сейсмiчного впливу. И-зновидом адаптивних систем е «системи з в'язями, що виключаються», якi мiстять спеща-льно передбаченi «зайвЬ> елементи, першочер-гове руйнування яких при сейсмiчних впливах зменшуе жорстюсть i власнi частоти коливань конструкцш, чим забезпечуе !х збереженiсть. Другим напрямком адаптивних систем е «системи з в'язями, що включаються», яю мютять елементи, включення жорсткосп яких в момент сейсмiчного впливу призводить до рiзкого збi-льшення частоти коливань конструкцiй. Мета застосування обох титв адаптивного захисту -виведення частот автоколивань конструкцiй з частотного спектру сейсмiчних коливань грунту основи. Загальш принципи розрахунку i конструювання споруд з адаптивними системами сейсмiчного захисту сформульоваш д-ром техн. наук, проф. Я. М. Айзенбергом у [9] i роз-винутi Л. Ш. Килимником у роботах [10; 11]. До адаптивних систем сейсмозахисту можуть бути вщнесеш системи з сейсмоiзолюючим ко-взним поясом, де граничним станом е вщносне посування iзольованих частин споруди, яке тд-лягае поверненню до вихщного положення пiс-ля землетрусу. Типовим прикладом тако1 конс-трукцil е зсувна опорна частина мосту на фрик-цiйно-рухомих болтових з'еднаннях.
Розробка техшчних р1шень для захисту конструкцш мос^в вiд сейсмiчних вплив1в
Прикладом активно1 системи сейсмозахисту може бути авторська конструкщя сейсмостшко1 опори, захищена патентом Укра1ни на корисну модель [12], схема яко! для випадкiв вiдсутнос-тi i наявностi сейсмiпливiв зображена на рис. 2. Суть техшчного рiшення полягае в тому, що сейсмостшка опора мютить два металевих лис-ти, один з яких закршлений нерухомо до буд> вельно1 конструкцil, а другий виконаний у ви-гщщ пiддону, кожен з двох металевих лиспв обладнаний електромагнiтними пристроями, яю з'еднанi з керiвним комп'ютером, датчиками положення опори та сейсмодатчиками, роз-мщеними в глибинi грунту, яю передають сиг-нали на комп'ютер.
Сейсмостшка опора моста працюе таким чином: при вщсутност сейсмоколивань будь вельна конструкщя 1 обпираеться на метале-вий лист будiвельноl конструкцп 2 i пiддон 3; пiд час виникнення сейсмоколивань вони фь ксуються сейсмодатчиками 6 i передаються на комп'ютер 7, який подае сигнал на силову електрошдстанщю 8 для вмикання електро-магнiтних пристро1в 4. Пщ дiею магнiтних полiв, вздовж магштних силових лiнiй 10 бу-дiвельна конструкцiя 1 з листом 2 тдшмаеть-ся над тддоном 3 та контролюеться датчиками положення опори 5, яю подають сигнали вiдхилення опори вiд середини площини тд-
дону та вщ вертикального положення. Сигнали поступають до комп'ютера, який вирiшуе завдання демпфiрування сейсмоколивань, пе-редае ршення через силову пiдстанцiю 8 на вщповщт електромагнiтнi пристро! 4, яю ко-регують положення будiвельноl конструкцп 1. Пiсля зникнення сейсмоколивань будiвель-на конструкцiя плавно знижуеться i встанов-люеться на пiддон. Сейсмодатчики 6 розта-шованi в грунт на розрахунковiй глибинi по периметру будiвельноl конструкцп та на зна-чнiй вiдстанi вiд не1 - залежно вщ структури грунту та жорстюсних характеристик будiве-льно! конструкцп.
Рис. 2. Сейсмостшка опора:
а - випадок ввдсутносп сейсмшлив1в; б - випадок наявносп сейсмшливш
Результатом застосування тако1 конструкцп е забезпечення сейсмостiйкостi будiвельних конструкцiй завдяки використанню керованого електромагнiтного демпфiрування пiд час сей-смiчних коливань.
У напрямку адаптивних систем сейсмоiзо-ляцп автором статп розробленi кiлька техшч-них ршень [13-15], спрямованих на забезпечення збереженосп основних елементiв моспв при руйнiвному впливi сейсмiчних наванта-жень, а також на пщвищення ефективностi ре-монтно-вiдновлювальних робiт.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Коренев Б. Г. Справочник по динамике сооружений / Б. Г. Коренев и др. - М.: Стройиздат, 1972.
2. Б. Г. Коренев. Оптимальные параметры динамического гасителя колебаний при воздействии типа сейсмического / Б. Г. Коренев, В. С. Поляков // Сейсмостойкое строительство. -1977. -№ 3. - С. 37-42.
3.
4.
5.
6.
7.
В. С. Поляков. К вопросу об эффективности динамического гасителя колебаний при сейсмических воздействиях // Строительная механика и расчет сооружений. - 1980. - № 5. - С. 49-53. Резников Л. М. Эффективность динамических гасителей колебаний при нестационарных случайных воздействиях / Л. М. Резников, Г. М. Фишман // Строительная механика и расчет сооружений. - 1981. - № 1. - С. 56-59. Савинов О. А. О применении динамического гасителя колебаний // Труды НИС ЛО Треста глубинных работ. - Л.-М.: Госиздат строит. литературы. - 1940. - Вып. 2. - С. 30-35. Савинов О. А. К анализу сейсмозащитных свойств воздушной завесы / О. А. Савинов, С. И. Шейнина // Известия ВНИГ им. Б. Е. Веденеева. - 1980. т. 140. - С. 84-89. Сахарова В. В. Использование пролетного строения для гашения сейсмических колебаний опор мостов / В. В. Сахарова, А. А. Симкин, А. А. Никитин, А. М. Уздин // Экспресс-информация ВНИИИС, сер. 14. Сейсмостойкое строительство. 1982. - Вып. 4. - С. 14-18.
8. Сахарова В. В. Динамический гаситель колебаний опор мостов // ВНИИС, сер. 14. Сейсмостойкое строительство. - 1979. - Вып. 6. - С. 6-8.
9. Рекомендации по проектированию зданий с выключающимися связями // ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: 1988.
10. Килимник Л. Ш. Методы целенаправленого проектирования в сейсмостойком строительстве. - М.: Наука, 1985.
11. Килимник Л. Ш. О проектировании сейсмостойких зданий и сооружений с заданными параметрами предельных состояний// Строительная механика и расчет сооружений. - 1975. - Вып. 2. - С. 40-44.
12. Косяк В. М. Декларащйний патент Украши на ко-рисну модель / В. М. Косяк, Б. М. Бондаренко, О. Б.
Бондаренко, В. В. Белков. // «Сейсмостшка опора». Опубл. бюл. № 12 вад. 15.12.2004
13. Казакевич М. И. Декларащйний патент Украши на винахщ / М. И. Казакевич, В. Н. Косяк // № 69109 «Сейсмостшкий фундамент». Опубл. бюл. № 8 вад 16.08.2004.
14. Косяк В. Н. Декларащйний патент Украши на винахщ № 69110 «Сейсмостшка опора». Опубл. бюл. № 8 вад 16.08.2004.
15. Бондаренко Б. М. Декларащйний патент Украши на винахвд № 70627 / Б. М. Бондаренко, В. Н. Косяк, Н. Б. Бондаренко // «Сейсмостшка опора». Опубл. бюл. № 10 вщ 15.10.2004.
Надшшла до редколегп 23.06.2005.
