Сравнительный анализ результатов расчета несущих конструкций промышленной дымовой железобетонной трубы на сейсмическое воздействие
Каландадзе Илья Кахаевич
ассистент, аспирант, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», [email protected]
Фомин Никита Игоревич
директор института, заведующий кафедрой, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», [email protected]
Шлыков Константин Олегович
ассистент, аспирант ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», [email protected]
Никагосов Дмитрий Вадимович
ассистент, аспирант ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», [email protected]
Цель статьи - оценка эффективности применения современных систем сейсмоизоляции промышленных дымовых труб. В результате исследования был произведен сравнительный анализ результатов расчета несущей способности существующей промышленной дымовой железобетонной трубы: без сейсмозащиты и с применением метода пассивной сейсмоизоизоляции. На основании результатов расчета трубы с системой сейсмоизоляторов было отмечено уменьшение ее горизонтальных перемещений и продольных напряжений от сейсмического воздействия в конструкциях ствола, а также значительное снижение поперечных усилий и изгибающих моментов в уровне свайного фундамента.
Ключевые слова: сейсмическое воздействие; железобетонная дымовая труба; сейсмоизоляция; резинометаллические опоры; ЛИРА-САПР.
со см о см
Введение
Ежегодно на планете происходит множество землетрясений и, как показывает практика, многие здания и сооружения разрушаются, не выдерживая сейсмической нагрузки.
Проблема обеспечения сейсмической стойкости зданий и сооружений, поиск рациональных, надежных и экономичных методов сейсмозащиты сохраняет свою актуальность.
В современном проектировании сейсмостойких зданий и сооружений используются два основных, принципиально отличных друг от друга, подхода. Наиболее апробированным из них является тип «традиционная сейсмозащита», а наиболее используемым на данный момент - «специальная сейсмоза-щита», который не изучен до конца и оставляет много вопросов открытыми. В опубликованных исследованиях нам не удалось обнаружить обстоятельных сведений по «расчетной» эффективности различных методов сейсмоизоляции, в том числе с привязкой результатов к конкретным конструктивным особенностям зданий и сооружений. Поэтому в данной работе выполнена оценка эффективности применения систем сейсмо-изоляции и представлен сравнительный анализ результатов двух вариантов расчета несущей способности конструкций промышленной железобетонной дымовой трубы: без сейсмо-изоляции и с применением метода пассивной сейсмоизоизо-ляции.
Моделирование системы сейсмоизоляции
Один из главных эффектов сейсмоизоляции является увеличение периода собственных колебаний зданий и сооружений.
Увеличение периода колебаний приводит к уменьшению значений спектральных ускорений, а значит и к снижению сейсмической инерционной нагрузки.
Однако, рост периода собственных колебаний сейсмоза-щищенного сооружения приводит к увеличению спектральных перемещений, что может стать существенной проблемой для надежности сооружения. [2]
График зависимости спектральных ускорений и перемещений от величины периода собственных колебаний представлен на рис. 1.
О ш т х
<
т о х
X
5 &
Изменение периода
>'|- у* К=10%
...... г
Рисунок 1 - Зависимость спектральных ускорений (слева) и спектральных перемещений (справа) от собственного периода колебаний системы
Можно сделать вывод, что эффективность системы сей-смоизоляции определяется способностью системы одновременно увеличивать податливость зданий и сооружений и его способность к демпфированию, т. е. к рассеиванию энергии.
В процессе землетрясения основные перемещения в сей-смоизолированной системе происходят в уровне изоляционной системы, а перемещения сооружения остаются ограниченными. Часть здания или сооружения над системой сейсмоизо-ляции ведет себя практически как деформируемое твердое тело.
В соответствии с п. 11.3.9 [1], работу сейсмоизолирующей системы следует рассматривать как эквивалентную линейной работе при соблюдении условий, перечисленных в этом же пункте.
Если работа сейсмоизоляции считается эквивалентно линейной, то согласно п. 11.3.10 [1], коррекция демпфирования графика упругого спектра отклика (или коэффициента динамичности) ^ должна корректироваться умножением на поправочный коэффициент затухания п.
При соблюдении условий п. 11.3.9 и п.11.3.10 [1], систему сейсмоизоляции допускается моделировать с учетом линейной вязкоупругой зависимости «сила-деформация», если она состоит из устройств типа слоистых резинометаллических опор с низким демпфированием. В таком случае допускается применять линейный спектральный метод (ЛСМ) расчета сейсмической нагрузки, где используются действительные значения жесткости и демпфирования системы сейсмоизоляции.
На рис. 2 представлена диаграмма гистерезисной работы резинометаллической сейсмоизолирующей опоры (РМО) при знакопеременном нагружении:
Р, кН
К2 - жесткость за пределом текучести при действии горизонтальной силы:
/7, мм
т/ _ ^тах _ 1/ , Р„ _ Ртлх Ру
- —- - К-) + — — ■
.А.
где К1 - начальная упругая жесткость при монотонно возрастающей
горизонтальной силе, а также жесткость при разгрузке:
(2)
^ - горизонтальная сила, характеризующая предел текучести;
йу - перемещение при силе, соответствующей пределу текучести;
К7=-
(3)
Ртах - максимальная горизонтальная сила; йаь. - полное расчетное перемещение РМО; ^ - горизонтальная сила, соответствующая нулевому перемещению при
циклической нагрузке.
Энергия W, выделяемая за один цикл «нагрузки-разгрузки», соответствующий расчетному перемещению, равен общей площади петли гистерезиса (см. рисунок 2):
Ш = -йу), (4)
В соответствии с п. 11.3.5 [1], при использовании линейного спектрального метода расчета рассеивание энергии сей-смоизолирующей системы должно выражаться в виде эквивалентного вязкого демпфирования - «эффективного демпфирования» %eff. Согласно п. 11.3.6 [1], значение эффективного вязкого демпфирования для РМО определяется по формуле:
2Р0(_аль-ау),
- -
(5)
Краткая характеристика промышленной дымовой трубы, принятой для исследования
Объектом исследования являются конструкции промышленной дымовой железобетонной трубы высотой 100,0 м коксовой батареи. Основные характеристики сооружения приведены в табл. 1.
Фундамент трубы - железобетонный из бетона марки М150 (В12,5) кольцевого сечения. Глубина заложения от отметки 0,000 м - 7,0 м. Диаметр фундаментной плиты составляет 15,0 м. Фундамент имеет свайное основание из забивных железобетонных свай, сечением 350*350 мм, длиной - 12 м. Количество свай - 88 шт. Несущая способность свай составляет 100 т. Острие свай опирается на томский галечник. Арматура фундамента - сталь марки Ст5 горячекатаная, периодического профиля и сталь марки Ст3 круглого профиля. Плита армируется сварными сетками. Сетки уложены в два ряда.
Таблица 1
Рисунок 2 - Идеализированная зависимость «сила-деформация» (Р-й) для сейсмоизолирующих опор со свинцовыми сердечниками с высокой способностью к диссипации энергии
Согласно п. 11.3.2 [1], при использовании эквивалентной линейной модели расчета принимается эффективная жесткость каждого сейсмоизолирующего элемента, т.е. значение секущей жесткости при полном перемещении ййЬ.
В соответствии с п. 11.3.3 [1], эффективные жесткости РМО с высокой способностью к диссипации энергии определяются по формуле:
" " (1)
№ п.п Наименование показателей, ед., изм. Значение показателей
1. Общие сведения
1.1 Назначение Удаление продуктов сгорания от коксовой батареи
1.2 Год ввода в эксплуатацию 1967 г.
2. Ствол
2.1 Материал (по проекту) Отм.: от 0,000 до +100,000 м Бетон марки М250 (В20)
2.2 Высота от отм. 0,000 м 100,0
2.3 Верхний внутренний диаметр по футеровке, м 3,75
2.4 Наружный диаметр на отм. 0,350, м 8,39
2.5 Толщина стенки ствола, мм Отм.: от 0,350 до +2,500 м от +2,500 до +10,000 от +10,000 до +20,000 от +20,000 до +30,000 от +30,000 до +40,000 от +40,000 до +50,000 от +50,000 до +60,000 от +60,000 до +70,000 от +70,000 до +80,000 от +80,000 до +90,000 от +90,000 до +100,000 400-300 300 280 260 240 220 210 200 190 180 160-300
2.6 Оголовок Защитный чугунный колпак
3. Фундамент
3.1 Отметка подошвы плиты, м Минус 7,0
3.2 Размер плиты, м
X X
о
го
>
.с
X
го гп
о
ю
2 О ГО
со
fO CS
0
CS
01
о ш m
X
3
<
m О X X
- диаметр наружный - диаметр внутренний - толщина средней части (под стаканом) - толщина узкой части (с торца плиты) - класс (марка) бетона (по проекту) 15,0 1,84 1,6 0,9 В12,5 (М150)
3.3 Размеры стакана, м
- высота 5,55
- наружный диаметр 8,39...10,0
- толщина стенки 1,5...0,84
- класс (марка) бетона (по проекту) В12,5 (М150)
3.4 Основание Железобетонные сваи сечением 350*350 мм в количестве 88 шт., длиной 12 м, несущей способностью 100 т.
Характеристики резинометаллической опоры
Перед расчетом дымовой трубы на сейсмическое воздействие с системой сейсмоизоляции, необходимо определиться с типом и местом установки резинометаллических опор с учетом фактических объемно-планировочных и конструктивных параметров дымовой трубы, а также действующих нагрузок.
Согласно п. 4.2 [1], сейсмически изолирующий слой разделяет конструктивную систему трубы на две части: субструктуру и суперструктуру. Субструктура располагается ниже сейсмо-изолирующего слоя и включает в себя конструкции фундамента, контактирующие с грунтом, а суперструктура, расположенная выше сейсмически изолирующего слоя, включает в себя часть сооружения, на которую сейсмические воздействия передаются через сейсмоизолирующий слой.
Согласно проектным сведениям и отчетам о техническом обследовании сооружения, изученным в процессе подготовки к расчету, фундамент трубы выполнен в виде железобетонного кольца с основанием из забивных железобетонных свай, сечением 350*350 мм, длиной 12 м.
Учитывая конструктивные особенности фундамента дымовой трубы, было принято решение разместить РМО между оголовком сваи и фундаментной кольцевой плитой. Крепление нижней и верхней пластин резинометаллической опоры предусмотрено через анкерные или фундаментные болты. Соответственно, резинометаллическая опора вместе с обеими пластинами должны быть соразмерны с сечением сваи 350*350 мм для обеспечения необходимого опирания опоры к конструкциям свай. В качестве резинометаллической опоры принимаем модель СВ ДШР-РСИ СО 200*200*84, производителя ООО «Деформационные швы и опорные части».
Узел сопряжения резинометаллической опоры СВ ДШР-РСИ СО 200х200х84 с конструкциями железобетонной сваи и фундаментной плиты дымовой трубы представлен на рис. 4.
Исходные расчетные характеристики опоры СВ ДШР-РСИ СО 200*200*84, согласно рабочему чертежу производителя [5], представлены в табл. 2.
Фцндаяен!tihûù m M20xts0( 4 шл cm 09Г2С, ГОСТ H179J-2012
m te A-ru
Рисунок 4 - Узел сопряжения резинометаллической опоры СВ ДШР-РСИ СО 200*200*84 с конструкциями железобетонной сваи и фундаментной плиты
Таблица 2
Наименование показателя Условное обозначение Ед. изм. Значение
Допустимая вертикальная нагрузка N кН 841,0
Максимальная горизонтальная сила F кН 39,0
Полное расчетное перемещение dab мм 40,0
Эффективная динамическая жесткость изолятора (при ппп) Keff кН/мм 0,98
Начальная упругая жесткость К, кН/мм 8,93
Горизонтальная сила, характеризующая предел текучести Ру кН 3,75
Перемещение при пп dy мм 0,42
Жесткость за пределом текучести к7 кН/мм 0,89
Горизонтальная сила, при перемещении, равном нулю F» кН 3,6
Кол-во энергии, рассеиваемой за цикл перемещений W кНмм 570,0
Эффективное демпфирование &ГГ % 5,8
Перемещение й.у при силе, соответствующей пределу текучести, рассчитываем исходя из формулы (2):
¿V 3,75
= =0,42 мм. у Кг 8,93
Энергия W, выделяемая за один цикл «нагрузки-разгрузки», соответствующий расчетному перемещению рассчитываем по формуле (4):
Ж = 4¿'оКь = 4^36 (40 - 0,42) = 570 кН • мм. Эффективное вязкое демпфирование определяем по формуле (5):
Seff
2Fo(ddb-dy), 2-3,6^(40 - 0,42),
K^effd-db
Tf 0,98 • 402
= 0,0579 = 5,8
Особенности моделирования РМО в ПК «ЛИРА-САПР 2020 R2»
Как утверждают разработчики алгоритмов программных комплексов [2], работа сейсмоизолирующей резинометалли-ческой опоры является существенно нелинейной. Соответственно расчет сейсмоизолированных систем следует выполнять методами прямого интегрирования во времени системы уравнений:
MÜ(t) + C0(t) + tff/(t) = -MRüg(t), (6)
Однако, при соблюдении условий п. 11.3.9 и п.11.3.10 [1], для расчета системы сейсмоизоляции допускается применять линейный спектральный метод (ЛСМ) расчета сейсмической нагрузки, где используются действительные значения жесткости и демпфирования системы сейсмоизоляции.
В зависимости от принятого метода расчета необходимо выбрать конечные элементы (КЭ), которыми будет моделироваться сейсмоизолятор в ПК «ЛИРА-САПР 2020 R2». В версии 20-го года программного комплекса допускается моделировать нелинейную работу РМО при помощи комбинации двух параллельных конечных элементов - КЭ 55 и КЭ 255.
Согласно рекомендациям разработчиков [3], требуемые параметры конечных элементов КЭ 55 и КЭ 255 задаются в соответствии с рис. 5.
%Э55) = ^2 = 0,89 кН/мм = 90,75 тс/м,
(7)
%Э255) = ~К2 = 8,93 - 0,89 = 8,04 кН/мм = 819,85 тс/м (8)
Конечные элементы типа 55 и 255 работают совместно по схеме параллельного соединения пружин. Предельное значения усилия для КЭ 255 рекомендуется определять с учетом жесткости КЭ 55:
Л/ = +£, •( 1 -^ = +3,75 • (1 = +3,38 кН =
пред - У V. К2/ V 8,93/ _
±0,344 тс (9)
Заданные параметры конечных элементов представлены на рис. 6.
Численное описание для КЭ 55 ftl
Ry
Rz Ruï Ruy Ru;
90.75
50.75
Цзет
Комментарий
КЗ 55 сейсмоизолятора С В ШР-РСИ 20Ъ2«Ь£4|
Ш ffiffi
Численное списание КЗ 255,256
R (т/м] rj+Й N- (т)
X 319.85 0.344 ■0.344
Y 0.344 ■0.344
Z G 0 ■0
Ux 0 0 ■0
Uy G 0 ■0
Uz 0 0 -0
гр\ Разгрузка с начальной — жесткостью
Комментарий
Цвет
КЭ 255 СВ ДШР-РСИ 2Mbt2WltS4|
И Ж ш
Рисунок 6 - Параметры конечных элементов КЭ 55 и КЭ 255
Таким образом, задаем параллельно КЭ 55 и КЭ 255 в количестве 88 шт. между оголовками свай и фундаментной плитой (см. рис. 7).
К1.Цс1/Д1; К2.0*/есМЗД/(Д2-Д1)
К(КЭ55/56)=Кг; К(КЭ255/256)= К1-К2 Цс1(КЭ255/256)= Цс1*В(Ю255/256)/К1
Рисунок 5 - Параметры конечных элементов КЭ 55 и КЭ 255
Согласно справке ПК «ЛИРА-САПР 2020 R2», конечный элемент типа 55 - двухузловой КЭ упругих связей между узлами, предназначенный для учета податливости связей между узлами, а конечный элемент типа 255 - аналог КЭ 55 с учетом предельных усилий, применяется для односторонних связей между двумя узлами и позволяет учесть неравные пределы податливости связи по прямому и противоположному направлениям.
Таким образом, сейсмоизолятор в виде резинометалличе-ской опоры задается в виде двух параллельно соединенных пружин: упругой (КЭ 55) и упругопластической (КЭ 255).
В этом случае:
Рисунок 7 - Конечные элементы КЭ 55 и КЭ 255
Перед тем, как перейти к анализу результатов расчета конструкций ствола, основания и фундамента рассматриваемой дымовой трубы на основные и особые сочетания нагрузок, необходимо оценить величины усилий, возникающих во введенных в систему сооружения сейсмоизоляторов. Поскольку конечный элемент КЭ 55 может на программном уровне воспринимать неограниченные усилия и перемещения, следует убедиться, что величина усилия в нем, а также горизонтальное перемещение не превышает предельные значения горизонтальной и вертикальной нагрузки, а также полное расчетное горизонтальное перемещение, указанные в характеристиках самого изолятора (см. табл. 2). Согласно сведениям из таблицы:
йтах = 40,0 мм, Ртах = 39,0 кН = 3,977 тс,
N„
= 841,0 кН = 85,758 тс
По результатам повторного расчета, максимальные горизонтальные усилия и перемещения, возникающие в конечных элементах типа 55 и 255 равны:
X X
О
го >
п.
X
го m
о
ю
О № w
Мг
= 1,35 тс < Fmax = 3,977 тс;
РСНКСП 20и330-2016_1)
РСЖ(СП:».15!30.М16_1)
со см
0 см
01
о ш т
X
3
<
т
о
X X
Максимальные вертикальные усилия в конечных элементах равны:
^,та* = 69,0 тс< Мтях = 85,758 тс Максимальные горизонтальные перемещения в конечных элементах равны:
= 4,21 мм < аь =40 мм;
Таким образом, можно сделать вывод, что расчетных характеристик выбранной РМО достаточно для восприятия полученных в результате расчета усилий и перемещений.
Расчет и анализ полученных результатов
После выполнения статического расчёта следует выполнить анализ результатов, в ходе которого реализуется следующий алгоритм: анализ форм колебаний ^ анализ периодов колебаний высших форм ^ определение модальных масс, набирающих высшие формы колебаний.
Частоты и периоды собственных колебаний дымовой трубы от динамических загружений с использованием сейсмо-изоляторов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Частоты и периоды колебаний системы с учетом сейсмоизоляции
№ за-груж. № фор мы Собств. значения Частоты Период, с Коэф. рас-пред. Модальная масса, % Сумма мо-даль-ных масс, %
Кругов. частота, Гц Частота, Гц
7 1 0,893 1,120 0,178 5,611 0,000 0,000 0,000
7 2 0,893 1,120 0,178 5,611 0,000 0,000 0,000
7 3 0,216 4,628 0,736 1,358 0,000 0,000 0,000
8 1 0,838 1,194 0,190 5,263 1,763 18,378 18,378
8 2 0,838 1,194 0,190 5,263 -0,389 0,896 19,274
8 3 0,203 4,921 0,783 1,277 -1,715 14,171 33,445
8 4 0,203 4,921 0,783 1,277 -0,046 0,010 33,455
8 5 0,099 10,098 1,607 0,622 0,117 0,128 33,583
8 6 0,099 10,114 1,610 0,621 -2,116 45,226 78,810
8 7 0,097 10,343 1,646 0,607 0,015 0,007 78,816
8 8 0,075 13,279 2,113 0,473 -1,426 13,591 92,407
8 9 0,075 13,279 2,113 0,473 0,298 0,588 92,995
^Ц1
*,1/
Согласно п. 5.9 [4], необходимо учитывать те формы собственных колебаний, которые вносят максимальный вклад в динамическую реакцию расчетной динамической модели (РДМ) дымовой трубы, т. е. формы колебаний №№ 1, 3, 6, 8 (см. табл. 3).
Схемы распределения результирующих усилий (изополя перемещений по X, значения продольных и кольцевых напряжений N и Ыу), возникающие в конструкциях трубы от расчетного сочетания нагрузок в соответствии с [2] при сейсмическом загружении, с учетом работы смоделированных резинометал-лических сейсмоизолирующих опор, представлены на рис. 8.
Таким образом, исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что заданные сейсмоизоляторы уменьшают величины усилий на элементы и узлы конструкций дымовой трубы, возникающие от сейсмического воздействия, и снижают перемещения несущих конструкций дымовой трубы.
Рисунок 8 - Изополя перемещений по X, напряжений Ых и Ыу (слева направо), возникающие при расчетном сочетании нагрузок
Сравнительный анализ результатов расчета на сейсмическое воздействие полученных расчетных схем
Оценка эффективности использования сейсмоизоляции способом введения в расчетную схему резинометаллических опор выполнялась на основе сравнительного анализа динамических характеристик и напряженно-деформированного состояния несущих строительных конструкций дымовой трубы методом численного эксперимента с применением программного комплекса «ЛИРА-САПР». Для сравнения результатов расчета на сейсмическое воздействие двух полученных расчетных схем - без сейсмоизоляции и с применением резиноме-таллических опор сведем сопоставляемые данные в табл. 4. Контролируемые параметры - продольные и поперечные напряжения Ых, Ыу, горизонтальные перемещения по Х, а также другие усилия, возникающие в стволе, фундаменте и основании дымовой трубы.
Таблица 4
Сравнение результатов расчета двух полученных расчетных схем: без сейсмозащиты и с применением резинометаллических опор РМО)
Параметры Модель без РМО Мах (МП) Модель с РМО Мах (МП) Величина изменения параметров, %
Перемещения по X от расчетного сочетания нагрузок 316 мм (1,72 мм) 240 мм (2,56 мм) 24
Кольцевые напряжения N от расчетного сочетания нагрузок 40,1 тс/м2 (-64,3 тс/м2) 40,5 тс/м2 (-63,9 тс/м2) < 1
Продольные напряжения N от расчетного сочетания нагрузок 42,3 тс/м2 (-283 тс/м2) 42,2 тс/м2 (-263 тс/м2) 7
Усилия в стержнях
Продольные усилия N от расчетного сочетания нагрузок -0,376 тс (-55,1 тс) -0,402 тс (-53,2 тс) 3,5
Поперечные усилия <3у от расчетного сочетания нагрузок 0,316 тс (-1,51 тс) 0,141 тс (-0,809 тс) 46
Поперечные усилия <Зг от расчетного сочетания нагрузок 0,003 тс (-1,71 тс) 0,003 тс (-0,906 тс) 47
Изгибающие моменты Му от расчетного сочетания нагрузок 0,617 там (-2,31 там) 0,545 там (-0,61 там) 74
Изгибающие моменты Mz от расчетного сочетания нагрузок 2,19 там (-0,635 там) 0,544 там (-0,495 там) 75
Усилия в фундаментной плите
Усилия по Mx от расчетного сочетания нагрузок 47,5 (там)/м (-6,01 (там)/м) 46,4 (там)/м (-5,74 (там)/м) 2
Усилия Му от расчетного сочетания нагрузок 36,1 (там)/м (-6,31 (там)/м) 36,9 (там)/м (-6,21 (там)/м) -2
Усилия Mxy от расчетного сочетания нагрузок 16,2 (там)/м (-16,3 (там)/м) 15,9 (там)/м (-15,8 (там)/м) < 1
Усилия Qx от расчетного сочетания нагрузок 183 тс/м (-131 тс/м) 181 тс/м (-138 тс/м) < 1
Усилия <Зу от расчетного сочетания нагрузок 184 тс/м (-182 тс/м) 162 тс/м (-162 тс/м) 12
Помимо сравнения возникающих усилий в конструкциях промышленной дымовой трубы, следует оценить изменения периодов и частот собственных колебаний дымовой трубы. Значения частот и периодов собственных колебаний дымовой трубы, учтенных в расчете на сейсмическое воздействие двух полученных схем: без сейсмоизоляции и с применением РМО с представлены в табл. 5.
Вследствие того, что сумма эффективных модальных масс в обеих расчетных схемах составляет более 90 % уже на девятой форме колебаний целесообразно сравнивать только первые 9 учтенных форм колебания от сейсмического воздействия.
Таблица 5
Сравнение частот и периодов собственных колебаний полученных
№ Модель без РМО Модель с РМО Вели-
фо Соб- Ча- Пе- Мо- Сумм Соб- Ча- Пе- Мо- Сумм чина
рм ствен- стот рио даль- а мо- ствен- стот рио даль- а мо- изме-
ы ные а, Гц Д, с ная даль- ные а, Гц д, с ная даль- нения
значе- масса ных значе- масса ных пара-
ния , % масс, % ния , % масс, % метров, %
1 0,837 0,19 0 5,25 6 17,981 17,981 0,838 0,19 0 5,26 3 18,378 18,378 < 1
2 0,837 0,19 0 5,25 6 1,011 18,992 0,838 0,19 0 5,26 3 0,896 19,274 < 1
3 0,201 0,79 1 1,26 4 11,295 30,288 0,203 0,78 3 1,27 7 14,171 33,445 1
4 0,201 0,79 1 1,26 3 0,049 30,337 0,203 0,78 3 1,27 7 0,010 33,455 1
5 0,088 1,80 8 0,55 3 1,313 31,649 0,099 1,60 7 0,62 2 0,128 33,583 11
6 0,088 1,80 8 0,55 3 17,026 48,676 0,099 1,61 0 0,62 1 45,226 78,810 11
7 0,077 2,07 3 0,48 2 0,000 48,676 0,097 1,64 6 0,60 7 0,007 78,816 21
8 0,063 2,52 1 0,39 7 3,954 52,630 0,075 2,11 3 0,47 3 13,591 92,407 16
9 0,063 2,52 1 0,39 7 38,977 91,607 0,075 2,11 3 0,47 3 0,588 92,995 16
Из таблицы видно, что изменение периодов и частот колебаний по первым четырем формам незначительны вследствие того, что первый четыре формы вносят не такой большой вклад в сумму эффективных модальных масс (сумма модальных масс на четвертую форму колебаний составляет 30-33 %),
Однако, с пятой по девятую форму колебаний наблюдается повышение периодов, и, соответственно, снижение частот собственных колебаний дымовой трубы на величину до 21 %,
Результаты
Применение резинометаллических сейсмоизолирующих опор привело к снижению возникающих усилий и перемещений в строительных конструкциях трубы от расчетного сочетания нагрузок:
1) Снижение перемещений по оси X в конструкциях ствола трубы на 24 %;
2) Снижение продольных напряжений Ыу в конструкциях ствола дымовой трубы на 7 %;
3) Снижение продольных усилий N в сваях на 3,5 %;
4) Снижение поперечных усилий Оуи Ог в сваях на 46 % и 47 % соответственно;
5) Снижение изгибающих моментов My и Mz в сваях на 74 % и 75 % соответственно;
6) Снижение усилий Оyв фундаментной плите на 12 %;
7) Наблюдается изменение собственных форм колебания конструкций дымовой трубы в расчетной схеме с сейсмоизо-ляторами;
8) Изменение периодов и частот при первых четырех формах колебаний незначительно, однако наблюдается увеличение периодов, и, соответственно, уменьшение частот собственных колебаний дымовой трубы в 5-9 формах колебаний до 21%,
Полученные результаты объясняются тем, что при сейсмическом воздействии на сейсмоизолированную систему основные перемещения происходят в уровне изоляционной системы, а перемещения сооружения остаются ограниченными,
Размещение системы сейсмоизоляторов в уровне фундаментов промышленной дымовой трубы также привело к значительному снижению поперечных усилий и изгибающих моментов в сваях вследствие того, что полученные в результате сейсмического воздействия нагрузки на сваи частично были восприняты резинометаллическими опорами.
Заключение
В представленном исследовании было выполнено моделирование сейсмоизолирующих резинометаллических опор в расчетной схеме конструкций железобетонной дымовой трубы с последующим расчетом на сейсмическое воздействие,
Эффективность резинометаллических опор обусловлена высокой диссипацией энергии свинцовым стержнем. Такая опора ведёт себя как упругопластический элемент: обеспечивает сейсмоизоляцию и ограничивает воздействие сейсмической нагрузки на сооружение,
В последние десятилетия использование резинометалли-ческих опор получило широкое распространение в мостостроении, строительстве фундаментов промышленных зданий и сооружений, а также жилой застройки.
На основании сравнительного анализа, проводимого в исследовании, обоснована применимость варианта эффективной системы сейсмозащиты путем установки в конструкции фундамента существующей промышленной дымовой трубы резинометаллических сейсмоизолирующих опор.
Следует отметить, что полученных результатов недостаточно для составления апробированных рекомендаций по проектированию систем сейсмозащиты промышленных труб рези-нометаллическими опорами из-за влияния различных конструктивных особенностей промышленных труб. Для получения надежных алгоритмов проектирования и масштабного применения сейсмоизолирующих резинометаллических опор для различных промышленных труб в сейсмически опасных районах необходимо продолжить исследования.
Литература
1. Свод правил «Здания сейсмостойкие сейсмоизолиро-ванные. Правила проектирования» (разделы 1-11) // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2014. - № 5. - С. 45-61. - EDN SNKQVV, [Электронный ресурс], - Режим доступа:(дата обращения: 01.06.23),
2. Моделирование системы сейсмоизоляции на примере резинометаллических опор в программном комплексе ЛИРА-САПР [Электронный ресурс], - Режим доступа: https://rflira.ru/files/ (дата обращения: 01.06.23).
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м «
3. Опыт применения ПК ЛИРА-САПР при расчете на сейсмическое воздействие, Вопросы к нормативным документам [Электронный ресурс], - Режим доступа: https://rflira.ru/files/ (дата обращения: 02.06.23).
4. СП 14.13330.2018, Строительство в сейсмических районах, Актуализированная редакция СНиП 11-7-81* (с Изменениями № 2, 3), свод правил: утвержден и введен в действие Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 24 мая 2018 г. № 309/пр : дата введения 2018-11-25 / подготовлен Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации // Техэксперт : [сайт]. - URL: https://docs.cntd.ru/document/550565571?section=text (дата обращения 09.06.23).
5. Каталог «Резинометаллические сейсмоизоляторы со свинцовым сердечником СВ ДШР-РСИ», ООО «Деформационные швы и опорные части» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dshoch.ru/ (дата обращения: 01.06.23).
Comparative analysis of the results of calculation of load-bearing structures of
industrial concrete chimney seismic impact. Kalandadze I.K., Fomin N.I., Shlykov K.O., Nikagosov D.V.
Ural Federal University
JEL classification: L61, L74, R53_
The purpose of this article is to evaluate the effectiveness of modern seismic isolation systems for industrial chimneys. As a result of the study, a comparative analysis of the results of the calculation of the load-bearing capacity of the existing industrial reinforced concrete chimney: without seismic protection and with the use of passive seismic isolation. Based on the results of calculation of the chimney with the system of seismic isolators it was noted the reduction of its horizontal displacements and longitudinal stresses from the seismic impact in the shaft structures, as well as a significant reduction of transverse forces and bending moments at the level of the pile foundation.
Keywords: seismic action; reinforced concrete chimney; seismic isolation; rubber-metal bases; LIRA-SAPR.
References
1. Set of rules « Earthquake-resistant earthquake-insulated buildings. Design rules (sections 1-11) // Earthquake-resistant construction. Safety of constructions. -2014. - № 5. - p. 45-61, - EDN SNKQVV, [Electronic resource]. Access mode: https://www.elibrary.ru/ (date of reference: 01.06.23).
2. Modeling of seismic isolation system on the example of rubber-metal supports in the program complex LIRA-SAPR [Electronic resource], Access mode: https://rflira.ru/files/ (date of reference: 01.06.23).
3. Experience of application of the program complex LIRA-SAPR in seismic impact calculation, Questions to normative documents [Electronic resource], Access mode: https://rflira.ru/files/ (date of reference: 02.06.23).
4. SP 14.13330.2018, Seismic building design code, Actualized version SNiP II-7-81* (modified N 2,3), set of rules: approved and put into effect by the Order of the Ministry of Construction and Public Utilities of the Russian Federation dated May 24, 2018 No. 309 / pr: introduction date 2018-11-25 / prepared by the Department of Urban Development and Architecture of the Ministry of Construction and housing and communal services of the Russian Federation // Techexpert: [website], - URL:https://docs,cntd,ru/document/550565571?section=text (accessed 09.06.23).
5. Catalog «Rubber-metal seismic isolators with lead core SV DSHR-RSI » LLC «Expansion joints and support parts» [Electronic resource]. Access mode: http://www.dshoch.ru/ (date of reference: 02.06.23).
fO CS
о
CS
о ш m
X
3
<
m О X X