Результаты исследования методом стоячих волн сейсмоизолированного здания (национальный университет Тайвани, корпус гражданского строительства, г. Тайбэй)

Лисейкин Алексей Владимирович; Селезнев Виктор Сергеевич; Брыксин Алексей Александрович

УДК 550.34

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН СЕЙСМОИЗОЛИРОВАННОГО ЗДАНИЯ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТАЙВАНИ, КОРПУС ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА, г. ТАЙБЭЙ)

Алексей Владимирович Лисейкин

Сейсмологический филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий инженер-геофизик, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

Виктор Сергеевич Селезнев

Сейсмологический филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, директор, тел. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]

Алексей Александрович Брыксин

Сейсмологический филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, заместитель директора, тел. (383)330-39-14, e-mail: [email protected]

Методом стоячих волн исследовано здание Гражданского строительства Национального университета Тайвани в г. Тайбэй, оснащенное системой сейсмоизоляции на резинометал-лических опорах. Предложен способ оценки эффективности сейсмоизоляции, основанный на сравнении зарегистрированных колебаний от землетрясений различной интенсивности с теоретическими сейсмограммами, построенными с учетом результатов обследования здания методом стоячих волн.

Ключевые слова: сейсмоизоляция, сейсмоустойчивость, метод стоячих волн, теоретические акселерограммы.

RESULTS OF INVESTIGATION OF SEISMIC ISOLATED BUILDING BY THE STANDING WAVES METHOD (NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY CIVIL ENGINEERING BUILDING, TAIPEI)

Alexey V. Liseikin

Seismological Branch of Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences (SB GS RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Leading Geophysicist, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

Victor S. Seleznev

Seismological Branch of Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences (SB GS RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, D. Sc., Director, tel. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]

Alexey A. Briksin

Seismological Branch of Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences (SB GS RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Deputy director, tel. (383)330-39-14, e-mail: [email protected]

We studied the Civil Engineering Building at National Taiwan University in Taipei that equipped with seismic isolation system on rubber-metal bearings by method of standing waves. We proposed a method for evaluating the effectiveness of seismic isolation, based on a comparison of the registered vibrations from earthquakes of various intensities with the theoretical seismograms that calculated based on the results of the survey of the building by standing waves.

Key words: seismic isolation, seismic resistance, a method of standing waves, theoretical accelerograms.

Для защиты зданий и сооружений от разрушений во время землетрясений применяются различные виды сейсмоизоляций. Из них широко распространены в России и за рубежом сейсмозащиты на основе резинометаллических опор. Как показывает анализ опубликованной литературы, подавляющее большинство исследователей дает оценку сейсмостойкости зданий на основе теоретических расчетов. Вместе с тем имеющаяся у специалистов ФИЦ ЕГС РАН практика экспериментального исследования собственных колебаний различных объектов (обследовано более 100 сооружений) показывает, что без привлечения данных о реальных колебаниях практически невозможно построить адекватную математическую модель здания или сооружения. А значит, расчеты сейсмостойкости таких объектов будут недостаточно точными. В работе [1] на примере исследования двух зданий с разными типами сейсмозащиты («гибкий» этаж и резинометаллические опоры) показано, что метод стоячих волн можно применять для изучения собственных колебаний сейсмоизолированных зданий и делать качественные выводы об эффективности выполненной сейсмозащиты. Недостатком данных исследований является то, что нет анализа реакции здания на реальное сейсмическое воздействие. Настоящая работа продолжает эти исследования на примере другого сейсмоизолированного здания, оснащенного сейсмометрической системой, фиксирующей сейсмические воздействия.

В 2015 году специалистами ФИЦ ЕГС РАН выполнено детальное обследование здания гражданского строительства национального университета Тайва-ни (NTU Civil Engineering Building, далее - NTU CEB (рис.1а). Между первым и вторым этажами расположен сейсмоизоляционный уровень, включающий набор резинометаллических опор и вязкостных демпферов. На здании установлена сейсмометрическая система, регистрирующая крупные сейсмические воздействия акселерометрами, установленными в ряде точек на сооружении. Исследование здания выполнялось по методике, описанной в работах [2-5]. Регистрация микросейсмических колебаний выполнялась при помощи автономных трехкомпонентных регистраторов «Байкал-АСН», разработанных в ФИЦ ЕГС РАН, всего было выполнено измерений в 244 различных точках (рис. 1, б). После проведения регистрации была выполнена цифровая обработка данных для пересчета разновременных колебаний в одновременные согласно методике [5]. На рис. 1, в и г представлены карты амплитуд колебаний, распределенные по вертикальной плоскости, для каждой из форм собственных колебаний в поперечном и продольном направлении соответственно.

Координата вдоль здания Координата вдоль здания

Рис. 1. Здание КТО СЕВ (а), схема регистрации (б) и карты колебаний первых четырех форм в поперечном (в) и продольном (г) направлениях. 1 - положение пунктов регистрации и опорных точек соответственно; 2 - направления осей сейсмоприемников; 3 - место сейсмоизоляционного уровня

Из рис. 1, в видно, что для первых четырех форм собственных поперечных колебаний здания амплитуды на уровне сейсмоизоляции отличны от нуля и увеличиваются с высотой сооружения. Из рис. 1, г, где показаны карты амплитуд собственных продольных колебаний, видно, что только для первой формы, с частотой 1,71 Гц, амплитуды колебаний на уровнях ниже сейсмоизо-ляции близки к нулю и монотонно увеличиваются с высотой здания. Судя по остальным формам собственных продольных колебаний здания, этаж под сей-смоизоляцией колеблется в фазе с колебаниями вышестоящих этажей. Таким образом, в представленных результатах не отмечается скачкообразного изменения амплитуд колебаний при переходе через сейсмоизоляцию снизу вверх.

Для того чтобы проверить экспериментально, как ведет себя здание при воздействии от землетрясений различной интенсивности, мы проанализировали

записи с имеющейся системы сейсмического мониторинга. Были выбраны два землетрясения, с магнитудой 6,0 на расстоянии 140 км от здания и 6,4 на расстоянии 120 км соответственно (рис. 2, а). Первое из них мы условно назвали «слабым», а второе - «сильным». По шкале МСК-64 величины этих воздействий на уровне основания здания составляли 3 и 4 балла соответственно.

В первую очередь мы рассчитали, как колебалось бы здание в линейном режиме. Для этого, в соответствии с методикой [2], мы рассчитали частотные характеристики фильтров Винера И1 и Н2, обеспечивающих пересчет колебаний из точки 2 в точку 3 и из точки 3 в точку 4 (рис. 2, б) по следующей формуле:

Кш)= ry.JF.Ml2 , (1)

где fr(w) - частотная характеристика фильтра Винера для пересчета колебаний между двумя точками; and F0(w) - преобразования Фурье фрагментов одновременных записей в каждой из двух точек; n - количество таких фрагментов.

Следующим шагом мы рассчитали последовательно две свертки между записью землетрясения и функциями h1 и h2. В качестве входного сигнала использовали запись землетрясения, полученную в точке 1 сейсмометрической системы, предполагая, что записи в точках 1 и 2 идентичны. К получившейся записи прибавили исходную запись землетрясения, моделируя таким образом «бегущие» волны в здании. В результате мы получили теоретическую акселерограмму в точке 4, описывающую колебания верхней части здания в результате воздействия от указанного землетрясения. На заключительном этапе мы сравнили теоретическую акселерограмму с реальной записью землетрясения в верхней части здания (рис. 2, в).

Из рис. 2, в видно, что в случае «слабого» воздействия теоретическая и реальная акселерограммы практически идентичны. Однако при «сильном» воздействии реальная акселерограмма примерно в 3-4 раза меньше по амплитуде, чем теоретическая. Это объясняется следующим образом. Теоретическая акселерограмма от землетрясения в верхней части здания была получена при использовании фильтров Винера, которые были рассчитаны по данным микросейсмических колебаний. Амплитуды этих колебаний крайне малы, и мы можем полагать, что в этом случае зависимость между колебаниями в основании здания и в верхней его части практически линейная. Когда было зафиксировано «слабое» землетрясение, сейсмоизоляция не проявила себя и зависимость между колебаниями осталась практически линейная. И только начиная с некоторой амплитуды (в нашем случае это землетрясение с амплитудой у основания здания около 12 см/с2, что соответствует 4-м баллам) зависимость становится нелинейной и наблюдается ослабление колебаний относительно предсказанных моделью.

Рис. 2. Результаты оценки сейсмического воздействия на здание от землетрясений: (а) - схема положения здания и эпицентров землетрясений; (б) - схема теоретического расчета акселерограмм; (в) - сравнение расчетных и реальных акселерограмм от землетрясений. 1 - точки сейсмометрической

2Л " "

- опорные точки; 3 - направления осей сейсмоприемника

В заключение подведем итоги.

1. Предложен способ оценки эффективности сейсмоизоляции зданий на основе сравнения сейсмограмм от реальных землетрясений и теоретических сейсмограмм, рассчитанных на основе результатов обследования здания методом стоячих волн.

2. Экспериментально установлено, что при малых амплитудах колебаний (до 3-х баллов по шкале МСК-64) система сейсмоизоляции здания гражданского строительства национального университета Тайвани практически не проявляет себя. При более интенсивном воздействии (4 балла) амплитуды колебаний верхней части здания в 3-4 раза ниже предсказанных линейной моделью. Предполагается, что в этом случае начинают проявляться эффекты, связанные с нелинейной реакцией резинометаллических опор на сейсмические воздействия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Еманов А.Ф., Красников А.А. Применение метода стоячих волн для исследования сейсмоизолированных зданий // Вопросы инженерной сейсмологии. - 2015. - Т.42, № 4. -С.37-64.

2. Пересчет стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях / А.Ф. Еманов, В.С. Селезнев, А.А. Бах и др. // Геология и геофизика. - 2002. - № 2. -С.192-206.

3. Еманов А.Ф., Селезнев В.С., Бах А.А. Когерентное восстановление полей стоячих волн как основа детального сейсмологического обследования инженерных сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2007. - № 3. - С. 20-24.

4. Способ определения физического состояния зданий и сооружений: пат. РФ № 2140625 / В.С. Селезнев, А.Ф. Еманов, В.Г. Барышев, А.П. Кузьменко. - МПК: G01M7/00, 17.02.1998.

5. Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений: пат. на изобретение РФ №2150684 / В.С. Селезнев, А.Ф. Еманов, А.П. Кузьменко, В.Г. Барышев, В.С. Сабуров. - МПК: G01M7/00; G01V1/00 Бюл. №16, 10.06.2000.