CC BY
24
Вестник ТГАСУ № 2, 2008
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 699.841 (571.53)
Л. С. ЧИГРИНСКАЯ,
АГТА, Ангарск,
Ю.А. БЕРЖИНСКИЙ, канд. г.-м. наук,
А.П. ОРДЫНСКАЯ, научный сотрудник,
Л.И. ИВАНЬКИНА, главный специалист,
Институт земной коры, Иркутск
УСТРОЙСТВО УПРУГИХ ДЕМПФЕРОВ
В АНТИСЕЙСМИЧЕСКОМ ШВЕ
МЕЖДУ БЛОК-СЕКЦИЯМИ ЖИЛОГО ДОМА
В статье описано техническое решение по устройству упругих демпферов в антисейсмическом шве (АС-шве) между соседними блок-секциями, позволившее устранить допущенные производственные дефекты без демонтажа конструкций в зоне АС-шва при соблюдении нормативных требований СНиП ІІ-7-81*. Данное техническое решение по своему характеру соответствует устройству в зданиях систем активной сейсмозащиты (упруго-фрикционные системы).
Результаты прочностных испытаний образцов демпферов и проведенный численный эксперимент с использованием динамической модели дискретного типа и инструментальных акселерограмм показали, что устройство демпферов позволило избежать соударения отсеков здания за счет гашения колебаний и уменьшить их амплитуды.
При возведении 9-10-этажного крупнопанельного жилого дома проектная ширина антисейсмического шва между блок-секциями при монтаже трех верхних этажей не была соблюдена (табл. 1). Нормируемая величина 130 мм принята в соответствии с требованиями [1]. Согласно этим требованиям при высоте здания до 5 м ширина антисейсмического шва должна быть не менее 30 мм, а при большей высоте ширину шва следует увеличивать на 20 мм на каждые 5 м высоты. Фактическая ширина шва между указанными блок-секциями на отметках 22,4; 25,20 и 28,0 м составила от 80 до 85 мм по сравнению с нормируемыми значениями, что могло привести к соударению соседних отсеков.
В связи со сложившейся ситуацией было предложено техническое решение, которое предотвращало бы соударение соседних блок-секций.
Основная идея предложенного технического решения заключается в амортизации соударений 9- и 10-этажных блок-секций при колебаниях их в противофазе за счет установки в шов между ними упругих демпферов.
© Л.С. Чигринская, Ю.А. Бержинский, А.П. Ордынская, Л.И. Иванькина, 2008
Таблица 1
Ширина антисейсмического шва между блок-секциями, мм
Ширина АС-шва 1 эт. 2,80 м 2 эт. 5,60 м 3 эт. 8,40 м 4 эт. 11,20 м 5 эт. 14,00 м 6 эт. 16,80 м 7 эт. 19,60 м 8 эт. 22,40 м 9 эт. 25,20 м 10 эт. 28,00 м
Нормы 30 50 50 70 70 90 90 110 130 130
Факт. 150 140 120 120 100 95 90 85 80 80
При этом демпферы выполняют две функции:
- служат амортизаторами при соударении соседних блок-секций;
- обеспечивают повышенное рассеяние энергии колебаний за счет сухого трения в самих демпферах.
Демпфер представляет собой У-образную металлическую пружину, выполненную из листовой конструкционной стали (рис. 1). Толщина листа, из которого изготавливается демпфер, составляет 2,5-3 мм из стали марки 65Г (ГОСТ 14959-79). Общее количество установленных демпферов в шве 15 штук. Демпфер работает как пружина, зажатая между двумя металлическими пластинами, одна из которых имеет шлифованную поверхность. Жесткость одного демпфера в вертикальном направлении около 500 кН/м. Общая жесткость всех демпферов 15 шт. • 500 кН/м = 7500 кН/м.
3 1 7 4
Рис. 1. Схема устройства демпферов между блок-секциями:
1 - блок-секция 9-этажная; 2 - блок-секция 10-этажная; 3 - антисейсмический шов; 4 - демпфер; 5 - шлифованная металлическая пластина; 6- уголок размером 8х 100х 100, длиной 300 мм; 7 - болт диаметром 6 мм
При разработке данного технического решения приняты во внимание ряд благоприятных факторов: устройство фундаментов на полускальном основании; большая жесткость панельного здания и, следовательно, малые величины горизонтальных перемещений; умеренная расчетная сейсмичность площадки, равная 7 баллам. Конструкция демпфера обеспечивает независи-
мость колебаний двух отсеков здания, не препятствуя их взаимным перемещениям как в продольном, так и в поперечном направлениях (рис. 2). Предложенное техническое решение позволило избежать демонтажа конструкций верхних этажей и в то же время соответствовать нормативным требованиям.
Рис. 2. Установленные демпферы в антисейсмическом шве
Подобные упругие демпферы были использованы при строительстве каркасных зданий с ядром жесткости в Армении [2]. В таких зданиях между перекрытиями и ядром жесткости предусматриваются зазоры, в которые затем устанавливались специальные стальные демпферы У-образной формы.
Программой исследований предусматривалось изучение работы демпфера под действием статической и динамической нагрузок. Результаты испытаний показали, что применение демпферов снижает жесткость системы, увеличивая коэффициент поглощения энергии колебаний, который возрастает с увеличением предварительного обжатия демпфера. Уменьшаются также амплитуды резонансных колебаний по сравнению с жестким соединением ядра с каркасом. На общую эффективность системы влияет количество демпферов и величина силы сухого трения.
Нами были проведены исследования упругогистерезисных характеристик одиночных У-образных демпферов под действием статической нагрузки.
Испытания проводились на прессе типа Б М-100 с динамометром, настроенным на шкалу с ценой деления 0,05(5) кН (кгс). Демпферы испытывались под максимальную нагрузку: образец № 1 - до 6 кН; образец № 2 - до 7 кН со ступенями 1 кН при наличии трения по контакту.
При каждой ступени загрузки (разгрузки) с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 10 мк измерялись вертикальные деформации демпфера А.
По полученным результатам были построены графики «сила - перемещение» (рис. 3).
а
Перемещения, мм
б
Перемещения, мм
Рис. 3. Зависимость типа «сила - перемещение» при статических испытаниях: а - образец № 1; б - образец № 2
Испытания позволили сделать следующие выводы: зависимость между внешней нагрузкой и деформациями демпферов при наличии трения нелинейная; при увеличении угла раскрытия демпфера а уменьшаются жесткость демпферов и коэффициент поглощения энергии колебаний у.
При расчете на сейсмические воздействия задача состоит в определении усилий в демпферном устройстве, установленном в антисейсмическом шве между блок-секциями на отметке 28,0 м при сейсмическом воздействии интенсивностью 7 баллов. Масса 9-этажной угловой блок-секции 5800 т, а масса 10-этажного отсека 10500 т.
Расчетная динамическая модель блок-секций представлена двумя консольными стержнями (рис. 4), при этом 9-этажному зданию соответствует 4-массовый консольный стержень (правая ветвь), а 10-этажному зданию - 5-массовый консольный стержень (левая ветвь). На отметке 28,0 м между узлами 5 и 11 расчетной схемы введена горизонтальная упругая связь, жесткость которой равна суммарной жесткости 15 демпферов, т. е. 7500 кН/м. На отметке 2,80 м расчетной модели между двумя её ветвями (узлы 2 и 5) введена горизонтальная упругая связь большой жесткости - 109 кН/м. Жесткость консольных стержней подобрана так, чтобы начальный период расчетной модели был равен 0,3 с, что соответствует результатам инструментальных измерений периода колебаний блок-секций, выполненных Институтом земной коры СО РАН.
6
X этаж 5І_ ^ м
Иэтвж________ВОмаЗ]___________
■Uv L 10 22,4 м
VIII этаж —
v [; этаж-— “J—---------1-------
VI этаж------f-----------1------
V этаж
----------Ч/v—*
Рис. 4. Расчетная динамическая модель для определения усилий в упругой связи D при воздействии акселерограмм землетрясений
Определение усилий в упругой связи на уровне установки демпферов между блок-секциями (отметка 28,0 м) на действие инструментальных акселерограмм реальных землетрясений проводилось с использованием вычислительного комплекса SCAD.
Так как записи сильных движений для территории г. Иркутска отсутствуют, то в качестве внешних воздействий были использованы масштабированные по максимуму амплитуды ускорений на 100 см/с акселерограммы реальных землетрясений: Газли-1976, Бухареста-1977, Северной Калифорнии-1983, Лома-Приета-1989 и Японии-1999 (табл. 2).
Таблица 2
Акселерограммы землетрясений, нормированные на 7 баллов
Название Магнитуда
1. Газли-1976 6,0
2. Бухарест-1977 7,2
3. Япония-1999 5,1
4. Лома-Приета-1989 7,1
5. Северная Калифорния-1983 6,5
Две первые акселерограммы могут рассматриваться как типичные модели землетрясений с близким и удаленным эпицентрами. Они позволяют перекрыть так называемый «инженерный» диапазон частот для большинства зданий и сооружений 1-10 Гц. Три последние акселерограммы были выбраны из банка записей сильных движений с учетом зон возможных очагов землетрясения (ВОЗ) для г. Иркутска.
Результатами численного моделирования с использованием программы SCAD являются: модальный анализ (периоды, формы собственных колебаний и инерционные нагрузки) и максимальные усилия в упругой связи в уровне установки демпферов при сейсмическом воздействии, заданном инструментальными акселерограммами.
Опыт проведения вибрационных испытаний жилых зданий подобной конструкции показал, что на объектах испытаний, запроектированных в соответствии со строительными нормами, повреждения в несущих элементах в диапазоне резонансных периодов не проявляются.
Т = 1,5 Тн (Тн - начальный резонансный период здания при испытаниях) при увеличении инерционной нагрузки на здание в 1,5-2 раза по сравнению с расчетной сейсмической нагрузкой. Такие здания считаются надежными при сейсмических воздействиях [3].
Учитывая это, построение спектров усилий в упругой связи (рис. 5) проведено на интервале периодов 0,3-0,45 с при сейсмическом воздействии, заданном в виде инструментальных акселерограмм реальных землетрясений.
Таким образом, эффективность предложенного технического решения, относящегося к классу систем активной сейсмозащиты (упруго-фрикционные системы), была проверена методами математического моделирования с использованием инструментальных записей (акселерограмм) реальных землетрясений. С учетом умеренной сейсмичности площадки строительства, равной 7 баллам, динамическая модель была выбрана в виде линейно-упругой системы, что оправданно для крупнопанельного жилого дома на полускальном основании, относящегося по классификации к жестким конструктивным системам.
Результаты воздействия представлены в табл. 3.
X
w
tu
Он
tu
-Є
В
S
tu
о
к
«
о
и
«
К
ч
К
о
Периоды, с
Рис. 5. Спектры усилий в одном демпфере
Таблица 3
Максимальные перемещения и усилия в одном демпфере на отм. 28,0 м
№ п/п Резонансные периоды колебаний
Т = 0,3 с Т = 0,35 с Т = 0,4 с Т = 0,45 с
А, мм F, кН А, мм F, кН А, мм F, кН А, мм F, кН
1 1,33 0,49 1,55 0,68 1,72 0,75 1,49 0,85
2 0,99 0,30 1,14 0,43 2,23 0,67 2,89 0,83
3 0,70 0,21 1,26 0,37 2,46 0,76 2,80 1,16
4 1,39 0,42 1,84 0,56 1,77 0,74 2,45 0,82
5 1,60 0,61 2,24 0,99 2,49 0,96 5,34 1,94
Примечание. Номера акселерограмм соответствуют табл. 2
Максимальное усилие, возникающее в демпфере, по расчету равно 1,94 кН. Предложенная конструкция демпфера, по результатам статических испытаний, обеспечивает его жесткость и прочность. Максимальное перемещение блок-секции равно 5 мм при ширине антисейсмического шва в этом уровне 80 мм, т. е. на эту величину демпфер будет работать в «поступательновозвратном» режиме (так называемый свободный ход демпфера).
Библиографический список
1. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах / Госстрой России. - М. : ГУП ЦПП, 2000. - 44 с.
2. Шахназарян, С.Х. Возведение зданий методом подъема этажей и перекрытий. Исследования, проектирование, строительство / С.Х. Шахназарян, Р.О. Саакян, А.О. Саакян. -М. : Стройиздат, 1974. - 368 с.
3. Разработка руководства по проведению экспериментальных исследований зданий с помощью вибрационных машин инерционного действия, направленных на определение резервов несущей способности сооружений: научно-технический отчет / Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко; Н.Н. Складнев, И.Н. Бургман, А.М. Курзанов. - М., 1985. - 363 с.
Вестник ТГАСУ № 2, 2008
92
L.S. CHIGRINSKAY, Yu.A. BERZHINSKY, A.P. ORDYNSKAYA,
LI. IVANKINA
CONSTRUCTION OF ELASTIC DAMPERS IN ANTISEISMIC JOINT BETWEEN THE SECTIONS OF BLOCK OF FLATS
The article presents technical decision on construction of an elastic damper in an antiseismic joint (AS-joint) between adjacent block sections that enabled one to correct structural defects without dismantling of structures in the antiseismic joint zone under SNiP II-7-81* standards. The technical decision corresponds in character to an active earthquake protection system (elastic friction system) construction.
The damper strength tests and numerical experiment carried out with the discrete dynamic model and instrumental accelerograms have shown that damper construction allowed the parts of a building to avoid impact damage due to vibration damping and to damp vibrations.
УДК 692.2:699.86+728.6:69.0575
А.И. ГНЫРЯ, докт. техн. наук,
С. В. КОРОБКОВ, канд. техн. наук, доцент,
Р.А. ЖАРКОЙ, аспирант,
ТГАСУ, Томск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НАРУЖНОГО ОГРАЖДЕНИЯ МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ В НЕСЪЕМНОЙ ОПАЛУБКЕ
Статья посвящена исследованиям наружных ограждающих конструкций домов малоэтажной застройки. Цель исследования: получение экспериментальных данных о тепловых потерях через наружные ограждения зданий, выполненных с применением несъемной опалубки.
С увеличением объемов малоэтажного строительства повышаются требования к качеству, комфортности и энергоэффективности зданий. Предъявляемые требования направлены на поиск технических решений, позволяющих повысить уровень тепловой защиты зданий и уменьшить расходы на их отопление, горячее водоснабжение и электричество. Однако независимо от того, насколько современна та или иная выбранная технология строительства, насколько выбранное техническое решение соответствует необходимой теплозащите здания, оно не будет энергоэффективным в случае, если качество строительных работ не будет соответствовать строительным нормам и правилам. Обеспечение высокого качества работ заключается в проведении проверки состояния всех элементов и конструкций строящегося здания. Очевидно, что данный контроль повысит ответственность исполнителей на всех этапах строительства, и, соответственно, повысится качество работ.
© А.И. Гныря, С.В. Коробков, Р.А. Жаркой, 2008
