Усиливающие стержни устойчивые к продольному изгибу (BRBF) c неприлипаемыми связями, применяемые для защиты зданий при сейсмическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.04

УСИЛИВАЮЩИЕ СТЕРЖНИ УСТОЙЧИВЫЕ К ПРОДОЛЬНОМУ ИЗГИБУ (BRBF) C НЕПРИЛИПАЕМЫМИ СВЯЗЯМИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ ПРИ

СЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ.

Иванова П.В.

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» Адрес: г. Ростов-на-Дону, Социалистическая, 162 E-mail: iva.polli@yandex.ru

Аннотация. В работе приводятся данные о сейсмической активности в мире и России в частности, с целью обоснования актуальности исследуемой темы. Анализируются основные публикации, в которых имеются данные о устойчивых к продольному изгибу усиливающих стержнях (BRBF), применяемых как элементы гистерезисного демпфирования при землетрясении. В основной исследовательской части подробно рассмотрено сравнение обычных укрепленных каркасов (CBF) с каркасами укрепленными стержнями (BRBF), с доказательством наибольшей эффективности второго варианта. Описывается конструкция и основные составные части BRBF опоры, а также варианты присоединения к системе колонн и балок с помощью узловых накладок, посредством шарнирно-штифтового, сварного или болтового соединения. В заключении статьи обсуждаются результаты испытания, проводимого для применения данного вида опор при строительстве здания и перечислены технологические и экономические преимущества систем BRBF.

Ключевые слова: демпфирующее устройство, усиливающие стержни (BRBF), антисейсмическая защита, гистерезисное демпфирование, обычные укрепленные каркасы (CBF), малоцикловая усталость, продольный изгиб.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день сейсмологи отмечают, что во всем мире происходит усиление глобальной сейсмической активности. В последнее десятилетие произошли землетрясения: в Китае, Турции, Италии, Иране, Японии, так же России. Постоянное увеличение урбанизации территорий повышает риск проживания людей в сейсмических районах и предъявляет новые требования к обеспечению надежности зданий и сооружений.

В России более 30 % территории находится в сейсмических районах и подвергается землетрясениям с высокой сейсмической интенсивностью. Около 80 % сейсмически опасных районов приходятся на крупные и средние города. Такие сейсмические районы, как Курильские острова, о. Сахалин, Камчатка, Прибайкалье и Забайкалье, Алтай, Северный Кавказ постоянно подвергаются воздействию землетрясений различной интенсивности [3].

Во всем мире наблюдается всплеск проектирования и строительства высотных зданий и небоскребов. Их проектирование сильно отличается для различных сейсмически активных районов. Каждое высотное здание разрабатывается по индивидуальному проекту, а при высоте более 100 м Градостроительный кодекс РФ относит к уникальным [5]. Как правило, для таких зданий неприменимы традиционные методы

антисейсмической защиты, хотя российские инженеры всё еще используют при проектировании опробованные конструктивные решения

многоэтажных зданий.

Системы защиты зданий и сооружений от разрушающего сейсмического воздействия

постоянно модернизируются и находят распространение в районах подверженных землетрясениям более 6 баллов по шкале Рихтера.

Одним из эффективных способов обеспечения надёжности высотных, уникальных и повышенной ответственности зданий и сооружений является применение сейсмоизоляции и демпфирующих устройств. Применение инновационных систем самозащиты позволяет в 2-3 раза снизить сейсмическую нагрузку на здание, и является компенсирующим мероприятием. Демпфирующие стержни устойчивые к продольному изгибу с неприлипаемой связью - BRBF каркасы (Buckling Restrained Braced Frame) являются модернизацией обычных укрепленных каркасов (CBF - Conventional Braced Frames) и показывают большую надежность при испытаниях и во время эксплуатации.

Изобретение BRB опор приходится на начало 80-х годов и его испытания прошли в середине 80-х. Впервые были применены в Японии в 90-х годах, и хорошо себя зарекомендовали. Из-за хорошей реакции при сейсмическом воздействии, эта технология была опробована в США в 1998 году, где состоялись испытания, а затем смело стала применяется при строительстве значимых проектов после 2000 года.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

Публикации, посвященные исследованию устойчивых к продольному изгибу усиливающих стержней (BRBF), применяемых как элементы гистерезисного демпфирования при сейсмических воздействиях имеются только в иностранных изданиях [11,12]. В публикациях российских авторов данный вид сейсмоизолирующей конструкции подробно не рассматривается. Упоминается только как элемент работающий в

комплексе с другими методами сейсмозащиты, как демпфирующее устройство [5].

Специалистами России и зарубежных стран предлагаются разнообразные устройства систем сейсмоизоляции и гасители энергии колебаний сооружений, а также системы с использованием сплавов, запоминающих объемное состояние, и другие «интеллектуальные» системы. В мире наблюдаются следующие тенденции: первая — это применение в чистом виде сейсмоизоляции зданий, которая устраивается, как правило, в нижних этажах: резинометаллические опоры самой различной модификации с низким и высоким демпфированием, с сердечником из свинца и без него, с применением различных материалов. Есть также фрикционные скользящие опоры маятникового типа [9]. И те, и другие опоры применяются в мире довольно часто. Второе направление применения демпфирования (гашения колебаний), которое известно очень давно и постоянно совершенствуется. Для высотного строительства, как правило, используется сочетание: сейсмоизоляцию располагают в нижнем этаже, а по высоте здания устанавливают демпфирование. Сейчас производители предлагают самые различные демпферы: металлические, жидкостные, есть специальные сплавы с памятью, специальные демпфирующие стены. К демпфирующему устройству относятся и стальные диссипативные опоры с неприлипаемой связью (BRBF).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ЕЕ РЕШЕНИЯ

В данном исследовании ставится задача выявить преимущества устойчивых к продольному изгибу усиливающих стержней с неприлипаемой связью -BRBF перед обычными укрепленными каркасами (CBF - Conventional Braced Frames. Оценить полезность, технологическую и экономическую выгоду от применения данного вида демпфирующего устройства используя

экспериментальные данные, а также опыт применения.

Методом исследования является анализ нормативной документации, существующих публикаций в сфере защиты зданий и сооружений от сейсмического воздействия.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Как известно, опоры стальных рамных конструкций отличает малый собственный вес. Именно поэтому рамы с использованием стальных конструкций весьма широко применяются в многоэтажном строительстве. Традиционные стальные рамные колонны подвержены потере устойчивости, это приводит к тому, что жесткость и несущая способность сооружения при динамических воздействиях среднего и высокого уровня резко снижаются. Отсюда явно становится ниже податливость и диссипативность конструкции, что

влияет также на ее сейсмостойкость. Некоторые ученые предпринимали попытки защитить стальные колонны от потери устойчивости путем их сдерживания извне, повышая при этом малоцикловую усталостную прочность стальных опор. Для внешнего сдерживания чаще всего используется бетон в стальных трубах.

Японские ученые усовершенствовали конструкцию обычной BRB, добавив между внешней сдерживающей связью и основной стальной опорой неприлипаемый материал, назвав это неприлипаемой связью (Unbonded brace, сокращенно UBB) [2]. Данное улучшение повысило показатели BRB по малоцикловой усталости при изгибе. При этом, такая связь представляет собой демпфер, допускающий для изготовления основной опоры применять малопластичную, высокопрочную сталь. А опора данного типа называется стальной диссипативной опорой, защищенной от потери устойчивости односторонними связями (BRBF). На рисунке 1 показано сопоставление по несущей способности опоры данного типа с обычными опорами.

1

г 1 1 1 \ 1 1 1

/ / {

у / 1

» -4— 1 V / / V

\ / ^ся

Pv

-BRBF--CBF

Рис.1. Сравнение обычных укрепленных каркасов (CBF - Conventional Braced Frames) с каркасами, укрепленными устойчивыми к продольному изгибу усиливающими стержнями (BRBF - Buckling Restrained Braced Frame - BRBF каркасы).

Основная идея устойчивых к продольному изгибу усиливающих стержней состоит в следующем:

В сечении различаем три основные составные части:

- Стальной сердечник;

- Слой, предотвращающий соединение (неприлипаемый материал);

- Кожух - бетон в стальной трубе квадратного или круглого сечения.

Слой, предотвращающий соединение, отделяет кожух от сердечника. Согласно этому, осевая сила, возникающая в усиливающем элементе, полностью

Упругая часть Выпуск ядра Переходный

сегмент

Пластичная часть

Стальной сердечник

| Упругая часть I Переходный

сегмент

Выпуск ядра

• ф • •

Выпуск ядра

Ребро

Стальной сердечник Переходный (покрытый исключающим

сегмент сцепление неприлипаемым

стальная материалом)

труба ^

Неприлипземы материал

Ядро сборки модуля ВЯВ

Усиленная секция сердечника (жесткая часть характеризуется упругим ответом)

Рис.2. Основные составные части ВИВБ стержня и их сечения.

Уменьшение поперечного сечения, (податливость при растяжении и сжатии)

воспринимается стальным сердечником, а кожух благодаря жесткости при изгибе - обеспечивает поперечный подпор сердечника против продольного изгиба [10].

Полную осевую силу, возникающую в усиливающем стержне, несет стальной сердечник. На несущую способность продольный изгиб не влияет, поэтому площадь поперечного сечения может быть значительно снижена по сравнению с обычными усиливающими стержнями. Сердечник по длине можно разделить на три части: на среднюю часть, называемую участком ползучести (пластичная часть), и на две крайние жесткие части (упругие части), которые не входят в состояние ползучести. Жесткость и увеличенная площадь поперечного сечения жесткой части обеспечивают упругое поведение не ползучих частей, в то время как пластичное изменение формы сосредоточено в центральной части стального сердечника. Этот вид конструкции обеспечивает высокую степень предсказуемости при прогнозировании поведения элемента и его ожидаемого выхода из строя.

Каркасы, укрепленные ВКВБ, являются альтернативой обычным укрепленным каркасам. Они обладают большей энергопоглощающей

способностью и, следовательно, экономически более эффективны. Обычные стальные усиливающие стержни под влиянием циклической нагрузки показывают асимметричное поведение: с одной стороны, в результате растяжения имеют высокую растяжимость, что является следствием пластичности - характеристики ползучести стального материала, а с другой стороны, их работоспособность ограничивается потерей устойчивости при сжатии.

Явление потери устойчивости при продольном изгибе влияет на циклическую ответную реакцию элемента, которая проявляется в циклической

деградации несущей способности [13]. Если предотвратить продольный изгиб, что является основной идеей ВИВ стержней, - то получим сбалансированное поведение, характеризующееся очень большой растяжимостью и высоким уровнем поглощения энергии, как это показано на рис.3.

деформация стержня

стержни устойчивые .„■■-""/присжатии и г , продольном изгибе

Обычные укреплённые каркасы (СВР)

Каркасы укреплённые устойчивыми к продольному изгибу усиливающими стержнями (ВПВР)

Рис.3. Сравнение СВБ и ВИВБ каркасов.

Усиливающие стержни присоединяются к системе колонн и балок с помощью узловых накладок. В основном предлагается два вида соединений: ВИВ

стержни, имеющие шарнирные штифтовые крепления, и стержни со сварным способом соединения. (Рис.4) Преимуществом первой системы является возможность избежать крутящих моментов второго порядка, вызванных перемещением уровней, а также возможность увеличить длину участка ползучести стального сердечника. Но монтаж каркасов такого типа усложняют маленькие допуски в размерах.

А использование сварных соединений наоборот упрощает производству работ, но в этом случае нужно ожидать моменты второго порядка в соединениях и усиливающих стержнях. (Рис.5)

Также опоры такого типа могут поставляться с соединительными накладками, с помощью которых усиливающие стержни крепятся к конструкции болтовыми соединениями, и тогда сварка на месте не требуется. (Рис.6)

демпфирующего устройства пока не нашёл должного распространения.

Рис.4. Шарнирное, штифтовое соединение.

Рис.5. Сварное соединение.

Сегодня колонны BRB широко применяются в Японии и США. Соответственно в этих странах их использование регламентировано, в проектно-конструкторских нормах и правилах. Наиболее крупным производителем устойчивых к продольному изгибу усиливающих стержней (BRB) на мировом рынке является компания «Star Seismic» (США). В Российской практике строительства данный вид

Рис.6. Соединение на болтах.

В Китае ВЯБ нашли применение. И с целью обеспечения надежности ВЯВ при строительстве высотного здания «Тунъюншидай» в Пекине в 2003 году, китайскими учёными были проведены экспериментальные исследования [2]. По результатам исследований было сделано заключение о влиянии проектных параметров ВЯВ на механизм разрушения, о гистерезисных характеристиках и несущей способности, что стало основанием для проектирования и инженерного применения ВЯВ.

Проведённые экспериментальные исследования показали, что колонна ВЯВ работает и на растяжение, и на сжатие, но основным отличием ВЯВ от других колонн является то, что она защищена от потери устойчивости при сжатии. Испытания велись на многоцикловое сжатие, иногда при испытаниях прилагалась нагрузка многоциклового растяжения и сжатия.

Для обеспечения пластической деформации стержневой опоры после достижения предела текучести, следует по мере возможности исключить передачу напряжений между стержневой колонной и внешним армированным бетоном за счет сцепления. Иными словами, внешний бетон должен использоваться лишь для сдерживания стержневой стальной колонны. В проведенных экспериментальных исследованиях в образцах ВЯВ в качестве неприлипаемой поверхности соединения была применена полиэтиленовая пленка толщиной 0.2 мм. Исходя из соотношения деформаций стержневой колонны и внешнего бетона в одном и том же сечении колонны ВЯВ выяснилось, что деформация стальной колонны намного больше деформации внешнего бетона, а значит, желаемый эффект можно получить с помощью неприлипаемого изоляционного слоя.

По результатам данных экспериментальных исследований были сделаны следующие выводы:

1.Запроектированная колонна BRB может существенно повысить прочность материала стержневой колонны, поскольку она не теряет устойчивость до достижения нагрузкой величины, вызывающей в сечении колонны текучесть. Таким образом, цель проекта по защите колонн от изгиба была достигнута. В результате многоцикловых испытаний на растяжение и сжатие было доказано, что запроектированная колонна BRB удовлетворяет требованиям к объекту по условиям малоцикловой усталости.

2.Неприлипаемый слой между стержневой сталью и внешним бетоном запроектированной колонны BRB может эффективно защищать их от взаимного сцепления.

3.Усиливающая часть на торцах колонн должна быть установлена вне армированного бетона с сохранением определенного промежутка, во избежание возникновения частичной потери устойчивости при растрескивании бетона. На двух торцах колонны BRB рекомендуется устанавливать стальные втулки для крепления внешнего армированного бетона.

4.Продольная арматура и хомуты во внешнем армированном бетоне должны отвечать соответствующим требованиям по трещиностойкости и несущей способности при изгибе, чтобы повысить малоцикловую усталостную прочность стержневой опоры.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.

Системы BRBF в настоящее время в основном используются в качестве горизонтальных несущих конструкций как в случае новых зданий, так и в случае усиления существующих конструкций, но также можно их применить и как дополнительные элементы гистерезисного демпфирования при сейсмических воздействиях. Демпферные системы, в частности гистерезисный демпфер (Hysteretic damper) предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт диссипации сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения.

Усиливающие стержни BRB могут быть использованы не только в случае стальных, но и в случае железобетонных конструкций. Что даёт преимущества применения систем BRB при реконструкции в зданиях имеющих большую историю, памятниках архитектуры.

Следующим преимуществом систем BRBF является то, что они могут использоваться и как раскосы благодаря их одинаковому поведению в качестве элемента растяжения и сжатия. (Рис. 7) Таким образом, благодаря большей свободе проектировщика, связанной с распределением усиливающих стержней, проще могут быть удовлетворены архитектурные потребности.

Рис.7. Усиливающие стержни в качестве раскосов. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Преимущества систем ВИВБ подтверждаются сравнительными исследованиями и уже завершенными проектами. Системы ВКВБ, из-за их нижеследующих свойств, могут быть более выгодными, чем другие, обычно используемые диссипативные конструкции, особенно с точки зрения экономической эффективности:

• отличная растяжимость и поглощение энергии,

• низкие сейсмические нагрузки (вследствие высокого коэффициента поведения и в целом более высокого периода времени, относящегося к собственному резонансу),

• легко контролируемое поведение конструкции,

• меньшие размеры элементов (колонн, балок),

• меньшие и более простые соединения,

• можно увеличить полезную площадь здания, тем самым увеличивается рыночная стоимость недвижимости,

• необходим фундамент меньших размеров, из-за значительного уменьшения возникающих растягивающих нагрузок,

• простое и быстрое строительство, что дает экономию времени,

• легко использовать в случае повышения сейсмостойкости,

• простая проверка после землетрясений и замена элементов в случае необходимости.

ВЫВОДЫ

В недавнее время за рубежом в качестве ВИВ с эффектом внешнего сдерживания применяли, главным образом, армированный бетон в стальных

трубах, что требует относительно большего расхода стали, приводит к усложненной структуре и низкой экономичности.

По сравнению с обычными усиленными каркасами усиливающие стержни ВИВ являются, менее жесткими, благодаря меньшему поперечному сечению стального сердечника, и меньшим воспринимаемым нагрузкам. Это может привести к большей деформации. Для поддержания деформации на соответствующем уровне, а также в целях содействия пластическому перераспределению нагрузок, системы ВИВБ часто проектируются как системы, работающие вместе с гибкими каркасами, выдерживающими крутящие моменты. Каркасы, выдерживающие крутящие моменты, улучшают восстанавливающую способность комбинированных систем. Может быть построена также и двойная система, в которой благодаря подвижности шарниров также используется способность поглощать энергию усиливающих стержней ВИВ и каркасов, выдерживающих крутящие моменты. В этом случае одновременно использующая преимущества обоих решений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция. СНиП 11-7-81. Издание официальное. Москва: ОАО «ЦПП», 2014. 125 с.

2. Ван Веймин, Бу Цзюньхуй и др. Особенности проектирования и возведения. Высотные здания и другие уникальные сооружения Китая.: перевод с китайского языка. / науч. ред.: Акимов П. А., Сидоров

B. Н., Турсин А. Р. - М.: Издательство АСВ - 2013. -808 с.

3.Смирнов В. И. Сейсмоизоляция - современная антисейсмическая защита Зданий в России. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2013. - №4. - С.41-54.

4. Айзенберг Я. М., Смирнов В. И. Защита от

экстремальных сейсмических воздействий.

Инновационные системы. Архитектура и градостроительство в условиях экстремальных природных и техногенных воздействий. // Сборник научных трудов. СПб.: Нестор-История. - 2012. -

C.38-51.

5. Федеральный закон Российской Федерации от 29 декабря 2004 года № 190-ФЗ «Градостроительный кодекс Российской Федерации». (ред. от 29.07.2017) (с изм. и доп., вступ. в силу с 30.09.2017)

6. Смирнов В. И. Сейсмоизоляция -инновационная технология защиты высотных зданий от землетрясений в России и за рубежом. / Сб. 80 лет ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: 2007. - С.24-32.

7. Смирнов В. И. Современная защита от землетрясений. // Высотные здания. -2008. - Вып.4. -С.110-115.

8. Кудлай Д.А. Оценка сейсмического воздействия на здание с сейсмоизоляцией. // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. Крымский федеральный

университет им. В.И. Вернадского - 2016. -№3(55). - С. 24-27

9. Ордобаев Б.С. Инженерные методы по снижению сейсмического риска зданий и сооружений. // Технологии гражданской безопасности, том 10. -2013. - № 4 (38) - С.62-66

10. Экономичное проектирование с BRBF каркасами. Режим доступа: http://www.starseismic.eu/ru/BRBF_system (дата обращения 15.10.2017).

11. Bradly B. Coy Buckling-Restrained Braced Frame. Connection Design and Testing // Brigham Young University BYU ScholarsArchive. Thesis submitted -2007. - 144 c.

12. Nayana Surendran, Asha Varma P. Buckling Restrained Braces (BRB) - A Review // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) - 2017. - Volume: 04 Issue: 03 - С. 20-24.

REFERENCES

1. SP 14.13330.2014. Construction in seismic areas. Revised edition. SNiP II-7-81. Edition official. Moscow: OAO "tspp", 2014. 125 C.

2. Wang Weiming, BU Tsoungui etc. the features of design and construction. High-rise buildings and other unique structures of China.: translated from the Chinese language. / ]. edited by: Akimov P. A., Sidorov V. N., Torsin A. R. - M.: Publishing house of the DIA - 2013. -808 p.

3.Smirnov, V. I., seismic isolation - modern seismic protection of Buildings in Russia. // Earthquake-resistant construction. Safety of structures. - 2013. - No. 4. - P. 41-54.

4. Eisenberg J. M., Smirnov V. I. Protection

extreme seismic loads. The innovation system.

Architecture and urban planning in conditions of extreme natural and anthropogenic impacts. // Collection of scientific works. SPb.: Nestor-History. - 2012. - S. 3851.

5. Federal law of the Russian Federation from December 29, 2004 № 190-FZ "Urban planning code of the Russian Federation". (edited on 29.07.2017) (Rev. and EXT., joined. in force 30.09.2017)

6. Smirnov, V. I., seismic isolation technology to protect high-rise buildings from earthquakes in Russia and abroad. / SB. 80 years tsniisk im. V. A. Kucherenko. -M.: 2007. - S. 24-32.

7. Smirnov, V. I., advanced protection against earthquakes. // A high-rise building. -2008. - Vol.4. - P. 110-115.

8. Kudlay D. A. Assessment of seismic impact on the building with seismic isolation. // Construction and technogenic safety. Collection of scientific works. Of the Crimean Federal

University. V. I. Vernadsky- 2016. - №3(55). - S. 2427

9. Ordabaev B. S. Engineering methods for reducing the seismic risk of buildings and structures. // Civil security technologies, volume 10. - 2013. - № 4 (38) - p. 62-66

10. Economical design with BRBF frames. Mode of access: http://www.starseismic.eu/ru/BRBF_system (accessed 15.10.2017).

11. Bradly B. Coy Buckling-Restrained Braced Frame. Connection Design and Testing // Brigham Young

University BYU ScholarsArchive. Thesis submitted -2007. - 144 c.

12. Nayana Surendran, Asha Varma P. Buckling Restrained Braces (BRB) - A Review // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) - 2017. - Volume: 04 Issue: 03 - Pp. 20-24.

BUCKLING RESTRAINED BRACED FRAME (BRBF) C EXCLUDING COUPLING COMMUNICATIONS, APPLIED TO PROTECTION OF BUILDINGS AT SEISMIC

INFLUENCE.

Ivanova P.V.

Summary. In work data on seismic activity are provided in the world and Russia in particular, for the purpose of justification of relevance of the studied subject. The main publications in which there are data on the steady against a longitudinal bend strengthening cores (BRBF) applied as elements of hysteresis damping at seismic influences are analyzed. In the main research part comparison of the usual strengthened frameworks (CBF) with frameworks by the strengthened cores (BRBF), with the proof of the greatest efficiency of the second option is shown. The design and the main components of BRBF of a core and also options of accession to the system of columns and beams by means of nodal slips, by means of pivotally - the bayonet, welded or bolt connection is described. In the conclusion of article results of the test which is carried out for application of this type of support at construction of the building are discussed and technological and economic advantages of the BRBF systems are listed. Key words: the damping device, the strengthening cores (BRBF), aseismic protection, hysteresis damping, conventional braced frames (CBF), low-cyclic fatigue, buckling.