CC BY
1УДК 699.841
Оразов Н.Б.
магистрант 1 курса ОП «Строительство» Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан)
СИСТЕМЫ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ЗДАНИЙ ПРИ СИЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Аннотация: статья исследует важные аспекты сейсмоизоляции зданий в условиях сильных сейсмических воздействий с преобладанием длительных периодов. Особое внимание уделяется системам сейсмоизоляции и их способности обеспечить эффективную защиту строений во время землетрясений с характеристиками, характерными для данного типа воздействия. В статье анализируются особенности выбора, проектирования и эксплуатации систем сейсмоизоляции, учитывая их эффективность при сейсмических воздействиях с длительными периодами колебаний. Результаты исследования могут быть полезны для инженеров и проектировщиков, стремящихся повысить устойчивость зданий к сильным сейсмическим воздействиям.
Ключевые слова: сейсмоизоляция, защита зданий, проектирование систем сейсмоизоляции, устойчивость зданий, анализ сейсмических параметров, эксплуатация систем сейсмоизоляции.
В условиях современной градостроительной деятельности, особенно в регионах с высокой сейсмической активностью, эффективные методы защиты зданий от разрушительных последствий землетрясений играют ключевую роль в обеспечении безопасности и устойчивости инфраструктуры. Системы сейсмоизоляции представляют собой одно из наиболее перспективных направлений в области сейсмостойкого строительства, обеспечивая значительное снижение сейсмических нагрузок на здания и сооружения.
Однако, реальные землетрясения различаются по ряду спектральных параметров, в том числе и преобладающему периоду колебаний. Этот параметр может изменяться в широком диапазоне и оказывать значительное влияние на динамику сейсмической реакции зданий. В связи с этим возникает необходимость более глубокого понимания особенностей функционирования сейсмоизолирующих систем в условиях сильных сейсмических воздействий с преобладанием длительных периодов.
Настоящая статья посвящена исследованию чувствительности систем сейсмоизоляции зданий с подвижным фундаментным поясом [1, 2, 4], кинематическими опорами [6, 7] и резинометаллическими опорами [1, 2, 8] к преобладающему периоду сильного сейсмического воздействия. Используя модель 5-этажного здания с жестким структурным решением, оборудованного сейсмоизоляцией в фундаментной части, в статье проводится анализ динамической реакции этих систем на синтезированные акселерограммы землетрясений.
В статье описаны результаты исследования воздействия долгосрочных сейсмических событий на здания с различными видами систем сейсмоизоляции. Эти системы включают подвижные фундаментные пояса, кинематические фундаменты и резинометаллические опоры. Исследование проведено на примере пятиэтажного здания с жесткой конструкцией и близким к 0,2 секундам периодом собственных колебаний, поскольку системы сейсмоизоляции проявляют более высокую эффективность в жестких зданиях.
Для моделирования динамической реакции здания использована консольная модель с шестью массами, где верхняя масса (то) сосредоточена на верхней части сейсмоизолирующих опор. Значения масс следующие: т0=3,4 кН-с2/см, отношение массы т0 к т4 равно 3,75 кН-с2/см, т5=4,31 кН-с2/см. Жесткости пола определены следующим образом: к 1^к5=1,71-105 кН/см. Коэффициенты вязкого трения составляют: в 1 =80,8 кН-с/см.
Для оценки эффектов сейсмической нагрузки использовались синтезированные акселерограммы, полученные с использованием параметров и
алгоритмов моделирования, представленных в литературных источниках [9, 10]. Продолжительность экспозиции составила 30 секунд, а максимальное ускорение соответствовало 9-балльной интенсивности землетрясения.
Для анализа сейсмической реакции системы в программе расчёта представлены максимальные перемещения массы m0, максимальные деформации перекрытий, силы инерции перекрытий и силы поперечного сдвига. Вероятностные характеристики сейсмической реакции определялись методом статистических тестов при количестве реализаций входных воздействий, равном 30.
Здания с системой сейсмоизоляции со скользящим поясом фундамента и эластичными и жесткими ограничителями.
Расчетными характеристиками элементов системы сейсмоизоляции являются: коэффициент трения - скольжения fFR = 0,12, жесткость двусторонних упругих ограничителей гг = 60 кн/см , жесткость жестких ограничителей г2 = 0,6 • 107кН/см . Зазоры между эластичными ограничителямисоставляют А± = 3 cm and the hard restraints are = 12 см. Коэффициент затухания равен = 0. Зависимость сейсмического отклика системы от преобладающего периода воздействия 7} при максимальном ускорении воздействия, равном 400 с2, показана на рисунке 1.
Уровни концентрированной массы
Рисунок 1. Значения коэффициента у для 5 -этажного здания с различными преобладающими Т: периодами сейсмических колебаний грунтов.
о 1
2 3 4
5
Коэффициент у отражает максимальное отношение упругой реакции на уровне массовой концентрации без сейсмической изоляции к максимальной упругой реакции с использованием сейсмоизоляции. Из рисунка видно, что при увеличении периода 7} коэффициент у уменьшается, особенно при значениях 7) > 0,6 секунды.
В таких ситуациях система подвергается колебаниям с остановками на жестких ограничителях перемещений, что приводит к резкому возрастанию инерционных сил. Удаление строительных ограничителей на уровне верха раздвижного фундамента приводит к достижению перемещений на несколько десятков сантиметров, что является неприемлемым.
Кроме того, упругие реакции на верхних этажах в здании с сейсмоизоляцией снижаются в меньшей степени по сравнению с упругими реакциями на нижних этажах из-за воздействия упругих ограничителей движения, что приводит к реализации вторичной формы колебаний здания.
О 12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [Ус], Смещение жесткого удерживающего устройства, см
Рис. 2. Графики функции распределения максимального смещения на уровне пояса скольжения 5-этажного здания с различными преобладающими периодами Т сейсмических колебаний грунта.
На рисунке 2 представлены графики вероятностей, не превышающих заданные зазоры жестких ограничителей смещения при воздействии различных периодов Т, определенные с использованием статистического тестирования. Из
графика следует, что с увеличением значения Т вероятность остановки системы при наличии жестких ограничителей возрастает. При значениях Т > 1,0 секунды эта вероятность приближается к 1. Например, при Т = 0,6 секунды система в 4 случаях из 30 работала с жесткими ограничителями остановок, а при Т = 1,4 секунды - в 29 случаях из 30.
Уменьшение максимального ускорения сейсмических воздействий приводит к соответствующему уменьшению максимального смещения здания в верхней части скользящего пояса. Например, при максимальном ускорении 200 см/с2 и изменении интервала преобладающего периода Т от 0,2 до 2,0 секунды, максимальное смещение системы на рассматриваемом уровне составило 9,0 см. Это означает, что система работала без каких-либо проблем с опасными жесткими ограничителями перемещения, и смещения оставались в пределах допустимых. Однако здесь эффективность системы сейсмоизоляции проявляется лишь при значениях периода Т < 1,0 секунды. При более высоких значениях преобладающего периода сейсмический отклик здания без сейсмоизоляции оказывается даже ниже, чем у зданий с сейсмоизоляцией, из-за большего удаления периодов жестких собственных колебаний здания от преобладающих длительных периодов воздействия.
Рассмотрим теперь то же самое здание, но уже с применением системы сейсмоизоляции в виде кинематических фундаментов, которые представляют собой части сферы, свободно поддерживаемые фундаментными плитами [3, 6]. В данном случае зависимость "Я0-У0" соответствует кривой мягкой нелинейности [6], а коэффициент затухания в 0=1,6 кН-с/см.
На рисунке 3 показана зависимость максимального смещения здания в верхней части кинематических фундаментов ^0тах) от преобладающего периода Т сейсмического воздействия с интенсивностью 9 баллов. Из рисунка видно, что при значениях Т > 0,6 секунды колебания системы становятся неприемлемо большими.
На рисунке 4 представлены графики максимальной упругой реакции рассматриваемого здания без системы сейсмоизоляции и с кинематическими
фундаментами. Из них также видно, что при значениях Т > 0,6 секунды эффективность сейсмоизоляции здания снижается. Сравнение рисунков 3 и 4 показывает, что при значениях Т , равных или близких к 1,0 секунде, система сейсмоизоляции демонстрирует резонансные или близкие к резонансным колебаниям.
Также были изучены кинематические опоры немного другого типа [5, 11], но их работа при длительных воздействиях оказалась аналогичной рассмотренным выше.
У0тш, см
о 0.2 а4 аб аз ю I: 14 1.5
Ъ, с
Рисунок 3. Графики максимального смещения по Уо 5-этажного здания с кинематическими фундаментами.
Нт% тыс. кН
I 1
! ■ ---,-,-.-------1-
о 0.2 о.4 о.б ав :: и 1,4 *.:
Ту, с
Рисунок 4. Графики максимальной упругой реакции 5-этажного здания: 1 - без сейсмоизоляции, 2 - с кинематическим фундаментом.
Системы с резинометаллическими сейсмоизолирующими опорами (РМСИ) возвышаются благодаря их высокой горизонтальной податливости при значительных вертикальных нагрузках, способности к энергопоглощению за счет свинцовых сердечников, а также компактности и простоте в использовании. Они находят широкое применение в мировой практике [1,8,12,13]. Для оценки их эффективности в условиях длительных сейсмических воздействий были выбраны опоры компании "FIP INDUSTRIALE" с техническими характеристиками, соответствующими маркировкам LRB-SN 500/100-110 (с свинцовым сердечником) и SI-H 300/100 (без свинцового сердечника) [14]. В зависимости от эффективной жесткости (E s), опоры делятся на гибкие, полужесткие и жесткие. Для гибких РМСИ с свинцовым сердечником Es = 35,3 кН/см, для полужестких Es = 44,2 кН/см, для жестких E s = 58,5 кН/см. Для РМСИ без свинцового сердечника эффективная жесткость для гибких составляет Es = 76,1 кН/см, для полужестких Es = 144 кН/см, для жестких Es = 197,7 кН/см. Экспериментальные зависимости "R0-Y0" для этих опор аппроксимируются математическими выражениями, позволяющими получить линейную зависимость для РМСИ со свинцовым сердечником [15]. Коэффициент ослабления равен в о = 12,2 кН-с/см.
Одним из критериев эффективности резинометаллических креплений при сейсмическом воздействии является максимальное их перемещение на верхнем уровне. На рисунке 5 показаны графики максимальных смещений РМСИ с свинцовыми сердечниками, установленных под рассматриваемым 5-этажным зданием при сейсмическом воздействии силой 9 баллов при различных значениях Tj.
Рисунок 5. Графики максимальных перемещений РМСИ с использованием свинцовых стержней, установленных под 5-этажным зданием с 9-балльным сейсмическим воздействием при различных Т
Те же графики для РМСИ без ведущего сердечника показаны на рис. 6.
Рис. 6. Графики максимальных перемещений РМСИ без свинцовых стержней, установленных под 5-этажным зданием с 9-балльным сейсмическим воздействием при различных Т
Увеличение смещений по Y0 при увеличении Т наблюдается, однако в меньшей степени по сравнению с эффектом, наблюдаемым при использовании скользящего пояса и кинематических оснований. Также из графиков видно, что наличие или отсутствие свинцового сердечника существенно не влияет на максимальное перемещение опор.
Важно отметить, что во всех вышеупомянутых случаях сейсмоизолирующих опор также наблюдается увеличение сейсмической реакции здания при длительных воздействиях по сравнению с зданием без сейсмоизоляции.
В заключение моего исследования следует отметить, что длительные периоды сейсмических воздействий имеют значительное воздействие на работу систем сейсмоизоляции зданий. На примере исследования 5-этажного здания с различными типами сейсмоизоляционных систем - скользящим поясом основания, кинематическими опорами и резинометаллическими опорами - было показано, что с увеличением преобладающего периода сейсмического воздействия у систем сейсмоизоляции происходит снижение их эффективности.
Системы сейсмоизоляции с длительными периодами сейсмических воздействий, такие как скользящий пояс основания и кинематические опоры, становятся менее эффективными при превышении преобладающего периода сейсмического воздействия более 0,6 секунды. В этих случаях возможно возникновение неприемлемо больших перемещений зданий, что ограничивает их применение.
Резинометаллические опоры показали более устойчивую работу при длительных сейсмических воздействиях, однако также наблюдалось увеличение сейсмической реакции зданий при увеличении периода сейсмического воздействия.
Наиболее эффективны системы сейсмоизоляции в условиях высокочастотных сейсмических воздействий. Поэтому при ожидании сейсмических воздействий с преобладанием как высоких, так и низких частот,
рациональным является введение элементов ограничения для предотвращения чрезмерных перемещений зданий.
Таким образом, понимание влияния длительных периодов сейсмических воздействий на работу систем сейсмоизоляции позволяет более эффективно проектировать и строить здания в сейсмически активных зонах, обеспечивая их безопасность и устойчивость. Дальнейшие исследования в этой области могут способствовать разработке более совершенных технологий сейсмоизоляции и повышению уровня защиты зданий от сейсмических угроз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Казина Г.А. 1987. Современные методы сейсмозащиты зданий и сооружений. Москва: ВНИИС. 65 с;
2. Поляков Б.С., Килимник Л.Д., Черкашин А.Л. 1989. Современные методы сейсмозащиты зданий. Москва: Стройиздат. 320 с;
3. Эйзенберг Я.М., Деглина М.М., Мажиев Х.Н. и др. 1983. Сейсмоизоляция и адаптивные системы сейсмозащиты. Москва: Наука. 141 с;
4. Чуденцов В.П. 1979. Сейсмостойкость сооружений. 14 (5) 1-3;
5. Абакаров А.Д. 1993. Надежность и сейсмостойкость конструкций с резервированием. Аннотация диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва: ЦНИИСК им. Кучеренко. 39 с;
6. Черепинский Ю.Д. 2009. Сейсмоизоляция зданий (сборник статей). Москва: Голубое Яблоко. 46 с;
7. Юсупов А.К. 2006. Проектирование зданий, устойчивых к землетрясениям, на кинематических опорах. Махачкала: ЛОТОС. 423 с;
8. Айзенберг Я.М., Смирнов В.И., Акбиев Р.Т. 2008. Методические рекомендации по проектированию сейсмоизоляции с использованием резинометаллических опор. Москва: Российская академия спортивных сооружений. 46 с;
9. Эйзенберг Я.М. 1979. Конструкции с разъединительными соединениями для сейсмических районов. Москва: Стройиздат. 229 с;
10. Болотин В.В. 1978. Колебания в технике: справочник в 6 томах. Том 1. Колебания линейных систем. Москва: Машиностроение. 352 с;
11. Абакаров А.Д., Зайнулабидова Х.Р. 2003. Землетрясоустойчивое строительство. Безопасность конструкций. 6. С. 35-38;
12. Пономарев О.Н. 1982. Инженерное землетрясоведение. Сб. 14 (3). Москва: ВНИИС. С. 8-10;
13. Базилевский С.В. 1983. Резинометаллические сейсмоизолирующие опоры. Москва: ВНИИС. 14 (4). С. 6-9;
14. Каталог на свинцовых резиновых опор серии LRB. "FIP Industriale S.P.A".
15. Абакаров А.Д., Омаров Х.М. 2012. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 4 (27). С. 61-70.
Orazov N.B.
Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)
SEISMIC INSULATION SYSTEMS FOR BUILDINGS UNDER STRONG SEISMIC INFLUENCES
Abstract: the article explores important aspects of seismic insulation of buildings in conditions of strong seismic impacts with a predominance of long periods. Special attention is paid to seismic insulation systems and their ability to provide effective protection of buildings during earthquakes with characteristics characteristic of this type of impact. The article analyzes the features of the selection, design and operation of seismic insulation systems, taking into account their effectiveness in seismic impacts with long periods of fluctuations. The results of the study can be useful for engineers and designers seeking to increase the resistance of buildings to strong seismic impacts.
Keywords: seismic isolation, protection of buildings, design of seismic insulation systems, stability of buildings, analysis of seismic parameters, operation of seismic insulation systems.
