ЗАКОНОМЕРНОСТИ В РЕАЛЬНОЙ РАБОТЕ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Закономерности в реальной работе конструкций при динамических воздействиях

Сойту Наталья Юрьевна,

к.т.н., доцент кафедры «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, [email protected]

Алейникова Маргарита Анатольевна,

к.т.н., доцент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, [email protected]

В последние годы все чаще появляется информация о катастрофических разрушениях зданий и сооружений, которые являются следствием не только ошибок, возникших в процессе строительства объектов, но и вследствие сейсмических воздействий на сооружения, которые значительно превышают расчетные нагрузки, установленные нормативными документами. В зависимости от вида нагрузки динамическое влияние на строительную конструкцию может существенно отличаться даже при различных вариантах отказа одного и того же конструктивного элемента. С учетом вышеизложенного статья посвящена изучению и выявлению закономерности в реальной работе конструкций при динамических воздействиях. В процессе исследования предложен новый методологический подход к численному моделированию, который опирается на перспективные методы расчета динамических воздействий, таких как учет нелинейных свойств, учет спектра сейсмических сдвигов и частоты собственных колебаний здания, что позволяет провести разнообразные эксперименты и обосновать комплекс конструктивных мер, касающихся повышения устойчивости конструкции к сейсмическим воздействиям. По результатам практических экспериментов было выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций каркаса здания при действии сейсмических нагрузок в зависимости от места расположения связевых панелей жесткости относительно центра тяжести здания. Ключевые слова: динамические нагрузки, сейсмоустойчи-вость, здания, связевые панели, деформированное состояние, т- центр тяжести, модель. сч о сч

о

О!

^

I-О ш т х

<

т о х

X

В последние годы все больше внимания уделяется проблеме безопасности зданий и сооружений. Связано это с тем, что аварии объектов строительства приводят к существенным экономическим и человеческим жертвам. Очень часто причинами аварий становятся взрывы, пожары, землетрясения, неожиданные разрушения опор в результате каких-то не предусмотренных нормативными документами воздействий [1]. В этой ситуации конструкции, спроектированные без учета подобных нагрузок и воздействий, оказываются не способными противостоять возможному лавинообразному (прогрессирующему) обрушению.

С учетом вышеизложенного, в современных условиях проектирование зданий, сооружений и их элементов невозможно без учета динамических воздействий. Например, в производственном процессе всегда используется разнообразное технологическое оборудование, которое становится источником вибраций, ударов, взрывов. Особое место занимают динамические расчеты зданий и сооружений, которые включают движущееся действие приближающихся внешних сил, таких как силы ветра, сейсмические влияния, гидростатическое давление и прочее [2].

Таким образом, растущий спрос на экономичное и рациональное строительство привели к интенсификации теоретических и экспериментальных исследований, направленных на достижение следующих целей:

- лучшее описание предельных сил, которым может быть подвержена конструкция и лучшее определение поведения конструкции, отражающее истинную ситуацию как можно более точно и с учетом именно тех обстоятельств, которые раньше относились к «запасу прочности» или покрывались «фактором незнания»;

- разработка конструктивных форм, методов расчета и строительных технологий, которые способные улучшить функциональные качества и полезность конструкции;

- достижение необходимого равновесия между требованиями безопасности и экономичности используя современные концепции, основанные на вероятности разрушения, с точки зрения научной оценки рисков.

В контексте вышеизложенного, особого внимания на сегодняшний день заслуживают наработки,

которые касаются учета влияния динамического эффекта в процессе прогрессирующего разрушения и данные о коэффициентах динамичности. Обозначенные обстоятельства предопределяют широкий интерес к рассматриваемой проблематике со стороны научного и экспертного сообщества, а проводимое исследование является логичным продолжением уже имеющихся достижений и наработок.

Вопросам динамических испытаний зданий и сооружений посвящены многочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов. Следует отметить, что значительный вклад в развитие методов динамического моделирования стойкости конструкций внесли такие ученые как: Доронин Ф.Л., Шарков В.П., Федоров И.В., Устарханов О.М. Муселемов Х.М., Abu-El-Yazied, T. G. Sivaloganathan, S.; Shahin, T. M., Didelon, P. Szalay, A. S.

Решению проблем, связанных с моделированием динамических воздействий, в том числе и на деформированные здания и сооружения, посвящен ряд публикаций Однокопылова Г.И., Кумпяка О.Г., Грановского А.В., Смирнова В.А., Федорова М.В., Didelon, P.; Szalay, A. S., Luber, W.; Becker, J. и др.

Однако, несмотря на имеющиеся наработки, проблема учета состояния сооружения иди сооружения в целом и его конструктивных элементов в отдельности при динамических воздействиях полностью еще не решена. В частности, открытым остается вопрос разработки методики оценки технического состояния зданий на основе динамических критериев, что позволит повысить объективность и достоверность полученных результатов, сократить сроки проведения технического обследования. Отдельного внимания заслуживает изучение закономерностей деформирования геотехнических систем в зоне действия динамических нагрузок и закономерностей изменения напряженно деформированного состояния конструкций каркаса здания при действии сейсмических нагрузок.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, цель статьи заключается в более детальном рассмотрении и выявлении закономерностей в реальной работе конструкций зданий и сооружений при динамических воздействиях.

На первом этапе исследования представляется целесообразным формализовать методологический подход к расчету динамических нагрузок.

Итак, для дискретных систем со многими степенями свободы для метода конечных элементов с учетом затухания необходимо решить систему дифференциальных уравнений:

[М] ^¿{U} + [С] + [КШ = {Q(t)}

где [M] - матрица масс,

[C] - матрица демпфирования,

[К] - матрица жесткости,

{и ©} - вектор перемещений,

^ ©} - вектор нагрузок, как функции времени.

Для описания процессов угасания при заполнении матрицы [С] следует использовать зависимости, полученные на базе экспериментальных данных для соответствующих сред. Однако учитывая сложность и высокую стоимость, а в отдельных случаях и невозможность проведения экспериментов, можно воспользоваться нормативными данными о затухании колебаний.

Известно [3,4,5], что в реальных конструкциях затухания колебаний зависят от скорости деформации материала и возрастают с увеличением частоты колебаний. Для случая упругого распространения волн, описание такого поведения можно осуществить с использованием модели Фойгта.

Использование модели вязко упругой среды позволяет проводить качественную и количественную оценку формирования характерных зон распределения напряжений, оценить влияние конкретной сейсмической нагрузки в каждый момент времени, а также спрогнозировать наиболее опасные спектры вынужденных колебаний здания.

Согласно модели Фойгта параметр затухания находится в линейной зависимости от частоты и определяется с учетом выбранной частоты следующим образом:

Ск = 2-^

где о)0 - круговая частота (первая или другая) здания;

^ - коэффициент демпфирования.

Тогда матрица демпфирования будет определяться следующим образом:

[С] = Ск[К]

Особенность этой модели заключается в росте интенсивности затухания вместе с частотой колебаний. Использование различных параметров затухания для почвы и конструкций позволяет получить различную реакцию соответствующих сред при сейсмических нагрузках, которые соответствуют реальным условиям.

Сейсмические спектры скоростей и ускорений могут быть выражены через спектр сдвигов:

где, су0 - так называемый спектр сейсмических сдвигов;

и/,- - частота собственных колебаний здания.

На следующем этапе рассмотрим более подробно результаты практического эксперимента.

Для повышения сейсмостойкости здания из монолитного железобетонного каркаса в качестве дополнительных элементов жесткости, использовались связевые панели. Связевые панели выполнены из квадратной трубы 100х8 мм по ГОСТ 863982 [6] и жестко связаны с элементами каркаса при-

х

X

о го А с.

X

го m

о

м о м

варкой тяготел к стальным траверсам, которые закреплены на колоннах. Дополнительные в связе-вые панели были установлены непрерывно по всей высоте здания между смежными колоннами и расположены симметрично от его центра тяжести.

В цело в процессе проведения эксперимента проанализировано 52 расчетных модели здания, отдельные варианты которых приведены на рис. 1.

Рис. 1 Расположение связевых панелей:

а - по осям А, В и Г в нерегулярной схеме; б - в продольном и поперечном направлениях в нерегулярной схеме; в - по осям А и Г в регулярной схеме

см о см

о

О!

О Ш

т

X

<

т О X X

Для выявления закономерностей в реальной работе конструкций зданий и сооружений при динамических воздействиях будет использовать динамический коэффициент, который представляет собой отношение максимального динамического прогиба индикативной точки конструкции к ее статическому прогибу после полного затухания колебаний, возмущенных изменением схемы конструкции.

Для определения возможного диапазона значений динамического коэффициента при различных видах отказов выберем две схемы отказа конструкции:

1) первый вариант отказа - «мягкий». Отказ дополнительного конструктивного элемента вызывается потерей его устойчивости, он инициируется внезапно приложенной дополнительной нагрузкой. При этом дополнительный конструктивный элемент (в данном случае - связевые панели жесткости) не исключается из работы полностью, а лишь меняет ее характер, переходя от равновесного состояния первого рода к равновесному состоянию второго рода.

2) второй вариант отказа - «жесткий» - почти мгновенное (время отключения в несколько раз меньше периода собственных колебаний конструкции, полученной в результате отказа) и полное исключение дополнительного конструктивного элемента работы при постоянном уровне нагрузки. При таком варианте отказа меняется только жесткость системы.

Общий эффект и эффективность вариантов расположения связевых панелей одновременно в продольном и поперечном направлениях осей здания приведены в табл. 1.

Таблица 1

Анализ общего эффекта и эффективности для различных ва-

Раз-ме-ще-ние панелей

Чт

Состоя- Колонны Балки Перекрытия

тз, кг тш, кг тз, кг тш, кг т, кг Всего

ние

Исхо- 3936 638 7138 3413 12958 28083

дя-

щий

Ре- 1600 248 4310 1934 8053 16145

кон-

стр-я

Раз- 2336 390 2828 1479 4905 11938

ница

Эф- 59,3% 61,2% 39,6% 43,3%

фект (Е) 59,6% 40,8% 37,9% 42,5%

Исхо- 3936 638 7138 3413 12958 28083

дя-

щий

Ре- 1892 267 4454 1779 8124 16516

кон-

стр-я

Раз- 2045 3 1 2684 1634 4834 11567

ница

Эф- 51,9% 58,1% 37,6% 47,9%

фект (Е) 52,8% 40,9% 37,3% 41,2%

Исхо- 3936 638 7138 3413 12958 28083

дя-

щий

Ре- 2110 303 4777 1963 8988 18142

кон-

стр-я

Раз- 1826 335 2361 1450 3870 9941

ница

Эф- 46,4% 52,5% 33,1% 42,5%

фект (Е) 47,2% 36,1% 30,6% 35,4%

Исхо- 3936 638 7138 3413 12958 28083

дя-

щий

Ре- 2127 328 5206 2509 10408 20579

кон-

стр-я

Раз- 1809 310 1931 904 2549 7503

ница

Эф- 46,0% 48,6% 27,1% 26,5%

фект (Е) 46,3% 26,9% 19,7% 26,7%

те - масса стали, необходимая для продольного армирования конструкции; тщ - масса стали, необходимая для поперечного армирования конструкции; т - масса стали, необходи-

мая для армирования перекрытия; Е1 - теоретический эффект от расположения панелей; Бг - погрешность, то- масса панелей; Ef - эффективность.

Для рассмотренных вариантов повышения сейсмостойкости здания выполнен анализ напряженно деформированного состояния сечений элементов каркаса здания, определено необходимое армирование конструкций каркаса для обеспечения нормативных требований сейсмозащиты здания и выполнен анализ эффективности вариантов по сравнению с исходной расчетной моделью здания.

В процессе проведения экспериментов сейсмическая нагрузка рассматривалась как сумма сей-

смических воздействий в продольном и поперечном направлении здания, поэтому логично предположить, что эффект применения определенной комбинации размещения связевых панелей в плане здания будет зависеть от эффективности их расположения для каждого отдельно взятого направления.

По полученным значениям построены графики, показывающие как образом связана величина эффекта повышения сейсмостойкости здания в результате использования связевых панелей в зависимости от их местоположения в плане относительно центра тяжести здания (рис. 2, 3).

40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5%

■)

<- -♦-- 34.1%

28.1%

24.8% 24.0% 20.5%

—15.7%—

10.0% 8.1% 9.3%

. 2.8%

60%

8-9 (2м) 7-8,9-10 [6м] 6-7,10-11 (Юм) 6-7,10-11 {Им)

РЯ1ЧГШГННГ панглг! Ч(ЖЛ> осями (ркстояшм от пгн гря линия)

•х V 50%

41

ее 40%

х

■АД! | 30%

с

■А,1 ; о. 20%

И £ 10%

■е- т

0%

б)

49.7%

46.4% 37.7%, 44.0%

31.9^1-_ 28,5% 28.2%

269%^%

25.5% 25.3%

12.6%

8-9 (2м) 7-8,9-10 (6м) 6-7,10-11 (Юм] 6-7,10-11 (Им)

Р[ПМС ЩСНИС ПММЙ К Я 411 (р|ГПОКН1|[ от 1Кщра ^ИИЯН)

Рис. 2 Графики эффективности устройства связевых панелей в продольном направлении по одной, двум и трем осям: а -для регулярной схемы колонн в плане здания; б - для нерегулярной схемы колонн в плане здания

Р.» (Мгкц-иис иннглгй по осям

-8-9 (2м)

-7-8,9-10 (6м) -6-7,10-11 (10м) •6-7,10-11 (Мм)

А,В,Г

А,В,Г

Ра 1МНЦСНГ П1ВС li. ll 110 осям

Рис. 3 Графики эффективности устройства связевых панелей, зависящие от их количества в поперечном сечении здания: а - для регулярной схемы колонн в плане здания; б - для нерегулярной схемы

Повышение сейсмостойкости здания в целом обеспечивается устройством дополнительных элементов жесткости в продольном и поперечном направлениях одновременно, что усложняет задачу выбора рационального варианта размещения элементов повышения сейсмостойкости в плане здания, поскольку нужно учесть неравномерность распределения жесткостей сразу в двух направлениях одновременно.

Полученные результаты свидетельствуют о том, для рассматриваемых вариантов наблюдается тенденция уменьшения эффективности от

устройства связевых панелей по мере их удаления от центра тяжести здания. При этом разница эффекта между крайними положениями связевых панелей для здания с регулярной схемой колонн значительно больше (в среднем 8,3%), чем для здания с нерегулярной схемой (в среднем 3%) за исключением варианта расположения связевых панелей по крайним продольным осям (оси А и Г) на расстоянии 6 м от центра тяжести здания (между осями 7-8 и 9-10). Снижение эффекта составляет 14,3%, при коэффициенте дефективности (-0,532),

что обусловлено неравномерным распределением жесткостей в плане здания.

Подводя итоги отметим, что в процессе исследования были выявлены закономерности изменения напряженно деформированного состояния конструкций каркаса здания при действии сейсмических нагрузок в зависимости от места расположения связевых панелей жесткости в плане относительно центра тяжести.

Литература

1. Доронин Ф.Л. Динамическая прочность строительных конструкций при взрывном воздействии внутри помещения // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2019. № 1 (1013). С. 53-54.

1. Лалин В.В. Способ статического учета высших форм колебаний в задачах динамики конструкций // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2020. № 3 (46). С. 39-42.

2. Gounni, Ayoub Dynamic behavior and economic analysis of sustainable building integrating cob and phase change materials // Construction & building materials. 2021. Volume 262; pp 14-21.

3. Yang, Rongzhou Experimental study on dynamic mechanics and energy evolution of rubber concrete under cyclic impact loading and dynamic splitting tension // Construction & building materials. 2021. Volume 262; pp 45-53.

4. Xu, Shenchun Dynamic behaviors of reinforced NSC and UHPC columns protected by aluminum foam layer against low-velocity impact // Journal of building engineering. 2021. Volume 34; pp 111-116.

5. ГОСТ 8639-82 Трубы стальные квадратные. Сортамент. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004717

Regularities in the real operation of constructions under dynamic impacts

Soytu N.Yu., Aleynikova M.A.

Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

In recent years, more and more information appears about the catastrophic destruction of buildings and structures, which are the result not only of errors that occurred during the construction of facilities, but also due to seismic loads on structures, which significantly exceed the design loads established by regulatory documents. Depending on the type of load, the dynamic effect on the building structure can differ significantly even with different failure scenarios of the same structural element. In view of the above, the article is devoted to the study and identification of patterns in the real work of structures under dynamic influences. In the course of the study, a new methodological approach to numerical modeling was proposed, which is based on promising methods for calculating dynamic effects, such as taking into account nonlinear properties, taking into account the spectrum of seismic shifts and the frequency of natural vibrations of buildings, which makes it possible to conduct a variety of experiments and justify a set of constructive measures related to increasing stability. in the seismic vibrations of buildings. Based on the results of practical experiments, regularities of the change in the stressstrain state of the building frame structures under the action of seismic loads were revealed, depending on the location of the tie stiffening panels in terms of relative to the center of gravity of the building.

Keywords: dynamic loads, seismic resistance, buildings, tie panels, deformed state, center of gravity, model.

References

1. Doronin F.L. Dynamic strength of building structures under explosive

impact inside the building // BST: Bulletin of building technology. 2019. No. 1 (1013). S. 53-54.

2. Lalin V.V. Method of static accounting of higher vibration modes in

problems of structural dynamics // Natural and technogenic risks. Safety of structures. 2020. No. 3 (46). S. 39-42.

3. Gounni, Ayoub Dynamic behavior and economic analysis of sustainable

building integrating cob and phase change materials // Construction & building materials. 2021. Volume 262; pp 14-21.

4. Yang, Rongzhou Experimental study on dynamic mechanics and energy

evolution of rubber concrete under cyclic impact loading and dynamic splitting tension // Construction & building materials. 2021. Volume 262; pp 45-53.

5. Xu, Shenchun Dynamic behaviors of reinforced NSC and UHPC columns

protected by aluminum foam layer against low-velocity impact // Journal of building engineering. 2021. Volume 34; pp 111-116.

6. GOST 8639-82 Square steel pipes. Range. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004717

CN О СЧ

0

01

О Ш

m

X

<

m о x

X