Совершенствование методов расчета, сейсмоизолирующих конструкций и специальных мелкозернистых бетонов сейсмостойких зданий и сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат наук Мажиева Амина Хасановна

• Мажиева Амина Хасановна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мажиева Амина Хасановна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Степень изученности проблемы

1.2 Сейсмически опасные районы России и сопредельных стран

1.3 Комбинированные системы сейсмозащиты, регулирующие динамические ха-

рактеристики многоэтажных зданий

1.4 Преобладающие частоты сейсмических колебаний грунта и пульсаций ветра

и их воздействие на многоэтажные здания

1.5 О статистическом сочетании ветровой и сейсмической нагрузки при расчете

многоэтажных зданий

1.6 Исследование динамического поведения многоэтажных зданий с регулируе-

мыми связями

1.7 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ СОЧЕТАНИЯ ВЕТРОВЫХ И СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА МНОГОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ С СЕЙСМО-ИЗОЛИРУЮЩИМИ ФУНДАМЕНТАМИ И РЕГУЛИРУЕМЫМИ СВЯЗЯМИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНОГО УЧЕТА ИХ СОВМЕСТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

2.1 Общая постановка задачи

2.2 Вероятностные данные о повторяемости землетрясений и уточнение их верх-

ней расчетной оценки

2.3 Вероятностные данные о распределении ветровых воздействий

2.4 Система вероятностных комбинаций сейсмических и ветровых воздействий

при расчете многоэтажных зданий обычной конструктивной схемы

2.5 Рекомендации по учету вероятностного сочетания ветровых и сейсмических воздействий при расчете многоэтажных зданий с комбинированной системой сейсмозащиты из сейсмоизолирующего фундамента и регулируемых выключающихся связей

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ДИНАМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ С СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИМИ ФУНДАМЕНТАМИ И РЕГУЛИРУЕМЫМИ СВЯЗЯМИ И ЕЕ РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА

3.1 Общая постановка задачи

3.2 Методика проведения исследований

3.2.1 Принятые расчетные динамические модели многоэтажных зданий

3.2.2 Выбор базовых моделей динамических воздействий

3.3 Компьютерное моделирование динамической системы

3.3.1 Выявление рациональной области размещения регулируемых выключающихся связей в многоэтажных зданиях

3.3.2 Анализ колебаний систем с сейсмоизолирующими фундаментами и регулируемыми связями в состояниях частичного или полного выключения связей

3.3.3 Динамическая реакция зданий с сейсмоизолирующими фундаментами и регулируемыми связями, размещенными в нижнем ярусе

3.3.4 Динамическая реакция зданий с сейсмоизолирующими фундаментами и регулируемыми связями в среднем ярусе

3.3.5 Оценка реакции многоэтажных зданий с сейсмоизолирующими фундаментами и регулируемыми связями на динамические воздействия ветра

3.4 Регламент и программные средства расчета на ветровые воздействия много-

этажных зданий

3.5 Результаты расчетов многоэтажного здания с сейсмоизолирующим кинема-

тическим фундаментом на реальные акселерограммы

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ С КОМБИНИРОВАННОЙ СЕЙСМОЗАЩИТОЙ С УЧЕТОМ ВЕТРОВЫХ И СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

4.1 Общая постановка задачи

4.2 Исследование взаимосвязи динамических параметров многоэтажных зданий

и величин ветровых и сейсмических нагрузок

4.3 Определение рациональных динамических параметров многоэтажных зданий

с регулируемыми связями и сейсмоизолирующими фундаментами в условиях ветровых и сейсмических воздействий

4.4 Расчетный анализ поведения многоэтажного здания при ветровых воздей-

ствиях

4.5 Оценка влияния на динамические характеристики многоэтажного здания

характеристик мелкозернистого бетона элементов каркаса

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЫЧНЫХ

И СПЕЦИАЛЬНЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ СЕЙСМОСТОЙКИХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1 Общая постановка задачи

5.1.1 Исследование динамических свойств обычных мелкозернистых бетонов

при импульсных однократных воздействиях

5.2 Сопротивление обычных мелкозернистых бетонов немногократным повтор-

ным нагрузкам типа сейсмических

5.2.1 Влияние свойств обычного мелкозернистого бетона на его сопротивление непродолжительным динамическим нагрузкам

5.2.2 Диаграммы «растяжение - разгрузка - сжатие» при деформировании обычного мелкозернистого бетона

5.2.3 Влияние повторных немногократных нагружений на изменение свойств обычного мелкозернистого бетона

5.3 Специфика сопротивления специальных мелкозернистых бетонов с супер-

пластификаторами

5.4 Влияние различных добавок на структурообразование специальных мелко-

зернистых бетонов

5.5 Специальные мелкозернистые бетоны на расширяющихся и безусадочных

добавках

5.6 Специальные мелкозернистые дисперсно-армированные бетоны

5.7 Специальные полимеркомпозиционные бетоны

5.8 Выводы по главе

ГЛАВА 6. РЕАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЕЙСМОСТОЙКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

6.1 Наружная стеновая панель из мелкозернистого конструктивного и теплоизо-

ляционного ячеистого бетона для сейсмических районов

6.2 Грузоподъемное устройство для сейсмостойкого строительства

6.3 Внедрение результатов работы в практическое строительство, проектирова-

ние и учебный процесс

6.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

226

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов расчета, сейсмоизолирующих конструкций и специальных мелкозернистых бетонов сейсмостойких зданий и сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Интенсивно возрастающие объемы строительства в сейсмически активных районах нашей страны и других государств, сопряжены с актуальной задачей обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений. Это решается путем использования методов конструктивной защиты и применения специальных сейсмоизолирующих конструкций из доступных строительных материалов. Развитие данного направления, связанного с повышением сейсмостойкости зданий и сооружений за счет свойств сейсмоизолирующих конструкций, изготовляемых с применением специальных мелкозернистых бетонов, является важной проблемой, имеющей большое научно-техническое значение.

Наряду с конструктивными приемами сейсмоизоляции, направленными на выбор рациональных динамических характеристик, обеспечивающих надежность многоэтажных зданий при сейсмических и ветровых воздействиях, важное значение для науки и практики имеют свойства используемых мелкозернистых бетонов: динамическая прочность, выносливость и сопротивляемость при однократных и немногократных повторных воздействиях типа сейсмических, характер его деформирования при растяжении-разгрузке-сжатии и влияние различных добавок на структурообразование и формирование заданных свойств мелкозернистых бетонов на безусадочных и расширяющихся добавках, дисперсно-армированных и полимеркомпозиционных мелкозернистых бетонов.

Степень разработанности темы. При проектировании многоэтажных зданий для строительства в сейсмических районах, часто встречается ситуация, когда исходная сейсмологическая информация задана неточно. Это связано не только с малой изученностью района, но и с другими причинами, например, очаговыми зонами, механизмами и глубинами очагов, эпицентральными расстояниями. В отсутствии конкретных сведений о параметрах ожидаемых сейсмических воздействий, эффективными признаются адаптивные системы сей-смоизоляции, выполненные из материалов повышенной сейсмостойкости. К та-

ким системам относятся комбинированные системы сейсмозащиты (КСС) с сейсмоизолирующими фундаментами (СФ) и регулируемыми связями (РС).

Исследованиями адаптивных систем сейсмозащиты и их внедрением занимались в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко [4-10, 133, 167]. В ряде городов Российской Федерации, в том числе в районе Байкало-Амурской магистрали, уже построены здания с такой системой сейсмозащиты. Но многие вопросы работоспособности таких систем во время землетрясений и выбора оптимальных параметров изучены недостаточно. А реакция зданий с комбинированной сейсмо-защитной системой, состоящей из СФ и РС, в комплексе с материалами повышенной сейсмостойкости, практически не изучалась.

При строительстве многоэтажных зданий в районах, подверженных наряду с интенсивными сейсмическими воздействиями и высоким ветровым нагрузкам, возникает необходимость статистического сочетания воздействий, отличающихся спектральными характеристиками. Различие спектров ветровых флуктуаций и сейсмических колебаний грунта делает эффективным использование комбинированной системы сейсмозащиты, состоящей из сейсмоизоли-рующих фундаментов (СФ) и регулируемых связей (РС).

Поэтому одной задач исследования являлась задача выбора рациональных динамических параметров зданий с сейсмоизолирующими фундаментами и регулируемыми связями для сейсмоактивных районов, где возможны интенсивные ветровые воздействия, и исследование статистического сочетания ветровой и сейсмической нагрузок при расчете зданий с СФ и РС.

К решению сформулированных задач относится и изучение динамической реакции многоэтажных зданий с СФ и РС. В данных исследованиях применялась многомассовая модель сооружения с СФ и РС в нижнем этаже и РС, расположенными по высоте здания. При этом рассматривались ветровые и сейсмические воздействия.

Работа выполнялась в соответствии с федеральными целевыми программами «Сейсмобезопасность территории России», «Восстановление экономики и

социальной сферы Чеченской Республики», Социально-экономическое развитие Чеченской Республики», «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», республиканской целевой программой «Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения на территории Чеченской Республики на период 2009-2018 годов».

Цели и задачи. Целью диссертационной работы является разработка и исследование конструкций и материалов для комбинированной системы сей-смозащиты многоэтажных зданий из сейсмоизолирующих фундаментов и регулируемых связей при одновременном воздействии сейсмических и ветровых нагрузок.

В диссертации рассмотрены и решены задачи:

- комплексное изучение физико-механических свойств и конструктивных характеристик бетонов на мелкозернистых заполнителях для использования в сейсмоизолирующих конструкциях многоэтажных зданий;

- разработка и исследование специальных расширяющихся, безусадочных и дисперсно армированных мелкозернистых бетонов;

- разработка расчетных моделей для оценки динамической реакции многоэтажных зданий с СФ и РС, в том числе при размещении СФ и РС в уровне первого этажа;

- оценка динамической реакции многоэтажных зданий с СФ и РС при действии ветровой и сейсмической нагрузок;

- определение оптимального статистического сочетания ветровой и сейсмической нагрузок на многоэтажные здания с СФ и РС;

- выбор для многоэтажных зданий с СФ и РС рациональных динамических параметров, с учетом их конструктивных решений, габаритов, интенсивности сейсмической и ветровой нагрузок и составление рекомендаций для практического использования.

Научная новизна работы:

- разработаны научные положения, позволяющие обеспечивать сейсмостойкость многоэтажных зданий путем применения конструкций комбинированной системы сейсмозащиты из мелкозернистых безусадочных, расширяющихся бетонов и фибробетонов, полученных в результате комплексного использования техногенного сырья и обладающих повышенной сейсмостойкостью;

- разработаны теоретические основы, позволяющие получить мелкозернистые бетоны повышенной сейсмостойкости;

- разработана конструкция наружной стеновой панели из мелкозернистого конструктивного и теплоизоляционного ячеистого бетона для сейсмических районов;

- предложены динамические модели и исследована сейсмическая реакция многоэтажных зданий с регулируемыми связями;

- выполнен теоретический анализ динамического реагирования многоэтажных зданий, снабженных СФ и РС на ветровые и сейсмические воздействия;

- предложен алгоритм динамического расчета на сейсмические воздействия многоэтажных зданий с регулируемыми связями, размещенными в уровне первого этажа и на разных вышележащих этажах;

- выполнен анализ статистического сочетания ветровой и сейсмической нагрузок на многоэтажные здания с СФ и РС;

- разработана методика по расчету многоэтажного здания с регулируемыми связями на ветровые и сейсмические воздействия.

Практическая значимость работы:

- получены безусадочные, расширяющиеся и фибро- мелкозернистые бетоны повышенной сейсмостойкости;

- усовершенствованы конструкции СФ и РС для повышения сейсмостойкости многоэтажных зданий;

- разработаны технические условия ТУ 5745-001-45267841-15 «Мелкозернистый ремонтный бетон класса В20 на основе портландцемента, кварцевого песка и органической добавки» и ТУ 5711-001-02066501-15 «Мелкозернистый бетон класса по прочности до В30-В45 на золошлаковых смесях, портландцементе и органоминеральной добавке»;

- разработан нормативный документ РДС РК-01-07-15 «Инструкция по проектированию зданий с использованием сейсмоизолирующих кинематических фундаментов»;

- разработаны конструкция наружной стеновой панели (патент 2593516 С1 РФ) и грузоподъемного устройства - элемента регулирующих выключающихся связей (патент 2588414 С1 РФ).

Методология и методы исследования. В работе использованы традиционные и разработанные автором экспериментальные и теоретические методы исследования конструкций, элементов и материалов комбинированной системы сейсмозащиты с применение сертифицированного и аттестованного оборудования для физико-механических испытаний и специально разработанных испытательных стендов и устройств.

Положения, выносимые на защиту:

- научные принципы, позволяющие обеспечивать сейсмостойкость многоэтажных зданий путем применения конструкций комбинированной системы сейсмозащиты из мелкозернистых безусадочных, расширяющихся бетонов и фибробетонов, полученных в результате комплексного использования техногенного сырья и обладающих повышенной сейсмостойкостью;

- конструкции и материалы комбинированной системы сейсмозащиты, состоящей из сейсмоизолирующих фундаментов (СФ) и регулируемых связей

(РС);

- научные подходы, позволяющие обеспечивать сейсмостойкость конструкций многоэтажных зданий путем применения мелкозернистых безусадоч-

ных, расширяющихся бетонов и фибробетонов, полученных в результате комплексного использования техногенного сырья;

- теоретические положения, позволяющие получить мелкозернистые бетоны повышенной сейсмостойкости;

- динамические модели и результаты исследования сейсмической реакции многоэтажных зданий с регулируемыми связями;

- результаты теоретического анализа динамического реагирования многоэтажных зданий с СФ и РС на ветровые и сейсмические воздействия;

- алгоритм динамического расчета на сейсмические воздействия многоэтажных зданий с регулируемыми связями, размещенными в уровне первого этажа и на различных вышележащих этажах;

- результаты анализа статистического сочетания ветровой и сейсмической нагрузок на многоэтажные здания с СФ и РС;

- методика по расчету многоэтажного здания с регулируемыми связями на ветровые и сейсмические воздействия.

- конструкция грузоподъемного устройства, используемая в качестве регулирующих выключающихся связей в комбинированной системе сейсмозащи-ты многоэтажных зданий.

Степень достоверности. Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений и сопоставлением с данными других авторов.

Достоверность результатов работы подтверждена также патентами РФ и положительным внедрением на ряде предприятий строительного комплекса.

Апробация результатов. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2007 по 2020 гг., на научно-технических симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах по проблемам сейсмостойкого строительства и строительных материалов:

- международных: конференции им. Л. да Винчи (Германия, Мюльхау-зен-2014); XVII межвузовской конференции молодых учёных «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (Москва-2014); Академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск-2014,2017); конференции «Современные бетоны и технологии: проблемы, решения, перспективы» (Краснодар-2016), VIII и Х конференциях по сей-смобезопасности сооружений и городов и сейсморайонированию (Сочи-2009, 2013); конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты», посвященных 90- и 100-летию ГГНТУ им. акад. М.Д. Мил-лионщикова (Грозный-2007,2017); III, IV и V Кавказских школах-семинарах молодых ученых «Сейсмическая опасность и управление сейсмическим риском на Кавказе» (Владикавказ-2009,2011,2013); I и II конференциях «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании» (Грозный-2010,2012); VII и VIII конференциях «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений» (Владикавказ-2010,2015); II конференции «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании» (Грозный-2012), симпозиуме «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», посвященном 20-летию Кабардино-Балкарского центра РАН (Нальчик-2013); конференции «Факторы окружающей среды и здоровье населения. Современные аспекты», посвященной 90-летию ВООП (Владикавказ-2014); конференциях «Актуальные проблемы защиты окружающей среды и техносферной безопасности в меняющихся антропогенных условиях», «Современные строительные материалы, технологии и конструкции», «GEOENERGY» (Грозный-2014,15) и др.;

- всероссийских: конференции «45 лет отрасли легких металлоконструкций: от модуля Кисловодск до модуля Пятигорск» (Пятигорск-2017); III Региональной научной школе инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства (Владикавказ-2014); конференциях «Вопросы проектирования и расчета зданий и сооружений», «Компьютерные технологии в строительстве», «Качество строительных материалов, изделий и конструкций», «Теория сооружений:

достижения и проблемы», «Высокотехнологичные и энергоэффективные технологии и материалы в современном строительстве» (Махачкала-2010...2014); Межрегиональном Пагуошском симпозиуме «Наука и высшая школа ЧР», конференциях «Наука и образование в ЧР: состояние и перспективы развития», посвященной 10-летию КНИИ РАН, «Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа» в честь 100-летия акад. М.Д. Миллион-щикова; II, III и VI конференциях «Молодежь, наука, инновации», «Актуальные проблемы современной науки: взгляд молодых ученых», «Актуальные проблемы современного материаловедения» в честь 80-летия проф. Х.И. Ибрагимова», VII выставке «ЧеченСтройЭкспо-2018» (Грозный-2010...2019) и др.

Разработанные конструкции, бетоны, составы, технологии и технические средства внедрены при проектировании, ремонте, восстановлении и реконструкции зданий и сооружений в ООО «ЦНИИСК» (Москва), «РОТАС», «СМУ-5» (Сочи), КНИИ РАН, ГУП «Чеченское управление строительства», «Чеченгражданстрой», «Чеченгражданпроект», ЗАО «Внешторгсервис», ООО «ИНЭ-Интерсервис», «Модернпроект», «Лам», «Комплекс», (Грозный).

Результаты исследований отмечены 2 золотыми и 2 серебряными медалями международных выставок «Архимед-2009...2012»; дипломами республиканских выставок «Научно-техническое творчество молодежи Чеченской Рес-публики-2013,2014,2015,2016,2017», дипломом сессии «Start Up Поиск-2014».

Внедрение результатов. Разработанные конструкции, бетоны, технологии и технические средства внедрены при проектировании, ремонте, восстановлении и реконструкции зданий и сооружений в ООО «ЦНИИСК» (Москва), «РОТАС», «СМУ-5» (Сочи), КНИИ РАН, ГУП «Чеченское управление строительства», «Чеченгражданстрой», «Чеченгражданпроект», ЗАО «Внешторгсер-вис», ООО «ИНЭ-Интерсервис», «Модернпроект», «Лам», «Комплекс» (Грозный) с реальным экономическим эффектом 10,5 млн. руб.

Расчетный экономический эффект от внедрения составил 90100 млн.руб. за 10 лет. Получен также социальный эффект - снижение вредных

воздействий на окружающую среду за счет утилизации золошлаковых отходов использованием их в качестве добавки при производстве мелкозернистых бетонов для сейсмостойкого строительства.

Результаты работы внедрены также в учебный процесс в 3 вузах Южного и Северо-Кавказского федеральных округов.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 27 работах, в том числе 5 - в изданиях, входящих в перечень ВАК, 6 - в изданиях, входящих в международные базы данных Web of Science и Scopus, 2 - в изданиях, входящих в международную базу цитирования, в 3 монографиях, в 2 патентах на изобретения и 9 - в других изданиях.

Общий объем публикаций 8,1 п. л., лично автором выполнено 3,1 п. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 189 наименований, приложений и изложена на 230 страницах машинописного текста, включая 84 рисунка и 57 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ 1.1 Степень изученности проблемы

Интенсивно возрастающие объемы строительства в сейсмически активных районах нашей страны и других государств сопряжены с актуальной задачей обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений. Эта задача решается путем использования методов конструктивной защиты и применения специальных сейсмоизолирующих конструкций из доступных строительных материалов. Развитие данного направления, связанного с повышением сейсмостойкости зданий и сооружений за счет свойств сейсмоизолирующих конструкций, изготовляемых с применением специальных мелкозернистых бетонов, является важной проблемой, имеющей большое научно-техническое значение.

Наряду с конструктивными приемами сейсмоизоляции, направленными на выбор рациональных динамических характеристик, обеспечивающих надежность многоэтажных зданий при сейсмических и ветровых воздействиях, важное значение для науки и практики имеют свойства используемых мелкозернистых бетонов: динамическая прочность, выносливость и сопротивляемость при однократных и немногократных повторных воздействиях типа сейсмических, характер деформирования мелкозернистого бетона при растяжении-разгрузке-сжатии и влияние различных добавок на структурообразование и формирование заданных свойств мелкозернистых бетонов на безусадочных и расширяющихся добавках, дисперсно-армированных и полимеркомпозиционных мелкозернистых бетонов.

При проектировании многоэтажных зданий для строительства в сейсмических районах, часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда исходная сейсмологическая информация задана неточно. Это связано не только с малой изученностью района, но и с другими причинами, например, очаговыми зонами, механизмами и глубинами очагов, эпицентральными расстояниями. В отсутствии конкретных сведений о параметрах ожидаемых сейсмических воздействий эффективными признаются адаптивные системы сейсмоизоляции, вы-

полненные из материалов повышенной сейсмостойкости. К таким системам относятся комбинированные системы сейсмозащиты (КСС) с сейсмоизолирую-щими фундаментами (СФ) и регулируемыми связями (РС).

Исследованиями адаптивных систем сейсмозащиты и их внедрением в практику занимались в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко [4-10, 50, 51, 133, 167]. В ряде городов Российской Федерации, в том числе в районе Байкало-Амурской магистрали, уже построены здания с такой системой сейсмозащиты. Многие вопросы работоспособности таких систем во время землетрясений и выбора оптимальных параметров изучены недостаточно. А реакция зданий с комбинированной сейсмозащитной системой, состоящей из СФ и РС, в комплексе с материалами повышенной сейсмостойкости практически не изучалась.

При строительстве многоэтажных зданий в районах, подверженных наряду с интенсивными сейсмическими воздействиями и высоким ветровым нагрузкам, возникает необходимость статистического сочетания воздействий, отличающихся спектральными характеристиками. Различие спектров ветровых флуктуаций и сейсмических колебаний грунта делает эффективным использование комбинированной системы сейсмозащиты, состоящей из сейсмоизоли-рующих фундаментов (СФ) и регулируемых связей (РС).

Поэтому одной задач исследования являлась задача выбора рациональных динамических параметров зданий с сейсмоизолирующими фундаментами и регулируемыми связями для сейсмоактивных районов, где возможны интенсивные ветровые воздействия, и исследование статистического сочетания ветровой и сейсмической нагрузок при расчете зданий с СФ и РС.

1.2 Сейсмически опасные районы России и сопредельных стран

Землетрясения возникают внезапно, длятся достаточно короткое время и, при этом, сопровождаются различными явлениями, наводящими панический страх на людей и животных.

Природа землетрясений носит различный характер. Основная причина, приводящая к землетрясениям - высвобождение колоссальной энергии при раз-

рядке накопившихся внутренних напряжений в очаговых зонах. Проявляются землетрясения чаще всего в районах разломов сейсмических поясов при тектонических движениях земной коры [77, 100-103, 106, 124, 125, 143, 159 и др.] Сейсмические пояса земного шара совпадают со складчатыми горными областями, вулканически активными поясами, океаническими срединными хребтами. В этих районах ежедневно приборы фиксируют большое количество землетрясений различной интенсивности. К счастью, разрушительные землетрясения случаются реже. Сильные землетрясения приводят к тяжелым последствиям -обрушаются здания и сооружения, гибнут люди, причиняется огромный материальный ущерб народному хозяйству. На территории СНГ наиболее часто землетрясения случаются на Кавказе, в Южном Крыму, Прикарпатье, Южной Туркмении, Таджикистане, Узбекистане, Казахстане, на Алтае, Камчатке, Корякском нагорье, Курильских островах, Приморье, Чукотке.

Сейсмические районы, где ожидаются землетрясения 7 баллов и выше, составляют 13%, или 2,9 млн. км2, территории бывшего Советского Союза [3, 47, 48, 54, 55, 62, 96, 153 и др.].

Землетрясения силой 10 баллов возможны на Кавказе, в Прибайкалье, где наиболее сильные землетрясения произошли в середине прошлого столетия. К одному из мощных землетрясений относят Итурупское, которое произошло в 1958 г. на Курильских островах. Очаг землетрясения, магнитуда которого составила 8,25, находился на глубине 90 км в Тихом океане. Изредка проявляет сейсмическую активность Верхоянский хребет. [47, 55, 124, 153 и др.].

1.3 Комбинированные системы сейсмозащиты, регулирующие динамические характеристики многоэтажных зданий Разработка приемлемых конструктивных решений многоэтажных зданий для районов, подверженных сейсмическим и ветровым воздействиям, базируется на данных инженерно-геологических и инженерно-сейсмологических исследований, которые содержат сведения о сейсмологической и климатологической ситуации. То обстоятельство, что спектры потенциальных природных воздей-

ствий имеют разный частотный состав, привело к необходимости разработки таких систем, которые обладали бы универсальными свойствами в вопросах адаптации к воздействиям различного спектрального состава. В последние годы в практике сейсмостойкого строительства стали появляться такие системы, наиболее распространенными среди которых являются адаптивные системы сейсмозащиты (АСС) [3, 32, 42, 45, 63, 163, 164 и др.].

В исследованиях сейсмостойкости зданий и сооружений общепризнанными являются работы Т.А. Абаканова, А.Д. Абакарова, К.С. Абдурашидова, Я.М. Айзенберга, Р.Т. Акбиева, Ф.Ф. Аптикаева, М.У. Ашимбаева, В.А. Бабешко, Т.А. Белаш, В.С. Беляева, М. Био, В.А. Быховского, И.И. Гольденблата, А.С. Городецкого, М.М. Деглиной, Г.А. Джинчвелашвили, К.В. Егупова, А.М. Жарова, Т.Ж. Жунусова, А.А. Журавлева, В.Б. Заалишвили, К.С. Завриева, Ю.В. Измайлова, В.А. Ильичева, И.Е. Ицкова, Б.К. Карапетяна, Д. Келли, Л.Ш. Килимника, Б.А. Кирикова, М.А. Клячко, В.И. Колчунова, П.А. Коновалова, И.Л. Корчинского, Г.Л. Коффа, Е.Н. Курбацкого,

A.М. Курзанова, Х.Н. Мажиева, Г.В. Мамаевой, А.М. Мелентьева,

B.Л. Мондруса, А.Г. Назарова, Ю.П. Назарова, Ш.Г. Напетваридзе, Ю.И. Немчинова, С.Х. Нигматуллаева, Н.А. Николаенко, Т. Нишики, Л.Н. Панасюка, А.В. Перельмутера, Д. Полэй, С.В. Полякова, В.Д. Райзера, В.Т. Рассказовского, Т.Р. Рашидова, В.А. Ржевского, В.И. Римшина, В. Робинсона, О.О. Савинова, А.П. Синицина, Р. Скиннера, В.И. Смирнова, Л.Р. Ставницера, А.Г. Тамразяна, А.Г. Тяпина, А.М. Уздина, В.И. Уломова, В.С. Федорова, Ш.А. Хакимова, Э.Е. Хачияна, Ю.Д. Черепинского, А.В. Черкашина, К.Ш. Шадунца, Л. Эстева, А.К. Юсупова и др.

Разработкой сейсмостойких конструкций и мелкозернистых бетонов занимались А.В. Александров, М.Г. Алишаев, В.О. Алмазов, М.А. Ахматов, Ю.М. Баженов, С.Х. Байрамуков, Д.К-С. Батаев, М.М. Батдалов, М.Ю. Беккиев, А.Н. Бескопыльный, В.В. Болотин, В.М. Бондаренко, Г.В. Васильков, Г.А. Гениев, И.А. Иванов, В.А. Ивович, С.С. Каприелов, Н.И. Карпенко,

М.Н. Кокоев, Б.А. Крылов, П.Н. Курочка, Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, С.И. Меркулов, Л.В. Моргун, С-А.Ю. Муртазаев, Г.В. Несветаев, Е.Н. Пересыпкин, В.Т. Перцев, Б.Г. Печеный, С.И. Полтавцев, В.А. Пшеничкина, И.Е. Путляев, Б.С. Расторгуев, Ш.М. Рахимбаев, П.А. Реквава, В.В. Ремнев, М.З. Симонов, Н.Н. Складнев, А.Ф. Смирнов, Н.Н. Стрелецкий, В.И. Травуш, Е.В. Углова, О.М. Устарханов, С.В. Федосов, Г.Н. Хаджишалапов, В.Л. Харланов, Т.А. Хежев, А.И. Цейтлин, В.П. Чирков,

B.Е. Чубаров, Г.И. Шапиро, Б.М. Языев и др.

Эти работы открыли многие возможности расчета и проектирования зданий и сооружений при сейсмических воздействиях, но оставили многие вопросы неизученными или изученными не полностью.

Большие экспериментальные и теоретические исследования различных видов сейсмоизоляции были выполнены В.В. Назиным, Ю.Д. Черепинским,

C.В. Поляковым, В.С. Беляевым, Л.Ш. Килимником, Л.А. Солдатовой, А.Г. Яременко, А.М. Курзановым, В.И. Смирновым С.Ю. Семеновым и др.

В большинстве работ рассматривают две системы сейсмической защиты: нестационарные и нелинейные. К ним относятся системы, обладающие способностью перестраиваться при определенных типах сейсмических воздействий. Изменение жесткости и периодов собственных колебаний в этом случае носит необратимый характер [8, 9, 31, 133, 183]. В нелинейных системах, например в системах с включающимися связями, упорами ограничителями перестройка динамической структуры происходит за счет включения в работу специальных конструкций или элементов [3, 26, 27, 130, 138, 139 и др.].

1.4 Преобладающие частоты сейсмических колебаний грунта и пульсаций ветра и их воздействие на многоэтажные здания

Сейсмические движения грунта во время землетрясений происходят в виде нестационарных колебаний, с широким диапазоном преобладающих частот. Нестационарность, нерегулярность, уровень колебаний и частотный состав

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мажиева Амина Хасановна, 2020 год

// // г/

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

в, т

Рисунок 4.1 - Нагрузка от сейсмических воздействий на многоэтажные здания коробчатой конструкции (сплошная линия) и каркасной конструкции (пунктирная линия) при у = 5 для территорий с сейсмичностью площадки 7, 8 и 9 баллов

5

На рисунке 4.1 показаны зависимости сейсмических воздействий от балльности и этажности для многоэтажных зданий каркасной и коробчатой конструктивных схем с адаптивной сейсмоизоляцией при параметре у = 5. Очевидно, что сейсмические воздействия на здания коробчатой конструкции при использовании регулируемых выключающихся связей снижаются по сравнению со зданиями каркасной конструкции (при одинаковом количестве этажей).

Для определения области рационального применения систем адаптивной сейсмоизоляции с регулируемыми выключающимися связями используем приведенные на рисунке 4.2. зависимости изменения сейсмической нагрузки на здания при различных значениях параметра у [75, 91].

5 —к /\/ л ^ ^-т-—-------о

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 в,т

Рисунок 4.2 - Нагрузка от сейсмических воздействий на многоэтажные здания коробчатой конструкции при различных значениях параметра у и сейсмичности

площадки 9 баллов Проведенный расчетный анализ позволяет сделать вывод, что рациональным является применение систем с регулируемыми выключающимися связями при строительстве зданий коробчатого типа высотой до 10-15 этажей при пара

Рисунок 4.3 - Нагрузка от сейсмических воздействий на многоэтажные здания каркасной конструкции при различных значениях параметра у и сейсмичности

площадки 7-баллов

У

10

9 8

7 6

5 4

3 2 1

N=5 N=10 N=20 N=30 N=40 N=50

N-50

N=40

3, т

0 4

8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68

Рисунок 4.4 - Нагрузка от сейсмических воздействий на многоэтажные здания с СФ и РС различной высоты в зависимости от параметра у для зданий коробчатой (сплошная) и каркасной (пунктир) конструкции

метре у < 5. У зданий большей этажности начальные периоды свободных колебаний достаточно высокие и, при значении параметра у=5, добиться увеличения периода свободных колебаний в 5 раз за счет выключения регулируемых связей технически сложно. На рисунке 4.2. показано, что применение адаптивной сей-смозащиты с регулируемыми выключающимися связями в зданиях коробчатой конструкции в 15 этажей при сейсмичности площадки 9 баллов и параметре у = 5, позволяет уменьшить сейсмические воздействия до 3 раз, по сравнению с обычными зданиями (у = 1).

На рисунке 4.3 представлена нагрузка от сейсмических воздействий на многоэтажные здания каркасной конструкции при различных значениях параметра у и сейсмичности площадки 7-баллов [75, 91].

Результаты расчетов показывают, что наиболее эффективным в данном случае является использование регулируемых выключающихся связей в зданиях, высота которых не превышает 16 этажей.

На рисунке 4.4. показана нагрузка от сейсмических воздействий на многоэтажные здания коробчатой и каркасной конструкции с СФ и РС различной высоты, в зависимости от параметра у.

Графики показывают эффективность применения систем с СФ и РС в многоэтажных зданиях путем варьирования динамическими характеристиками за счет выключения регулируемых связей. Представленные на рисунках 4.2, 4.4 зависимости позволяют выбрать оптимальные с точки зрения снижения сейсмических нагрузок динамические характеристики многоэтажных зданий, снабженных комбинированной системой сейсмозащиты в виде СФ и РС.

Величины ветровой нагрузки на здания коробчатой (рисунок 4.5) и каркасной (рисунок 4.6) системы определялись в зависимости от ветрового района. Анализ результатов, представленных на рисунках 4.5 и 4.6. показал, что нагрузки от ветровых воздействий на многоэтажные здания каркасной конструкции выше по сравнению со зданиями коробчатого типа. Объяснением этому - значение коэффициента динамичности который зависит от параметров \\ = Т

У/1200, для зданий с коробчатой системой больше, т.к. значения периодов свободных колебаний многоэтажных зданий коробчатой конструкции ниже, чем у зданий каркасной конструкции. Из этого следует, что для многоэтажных зданий с большей жесткостью значение параметра ветровых воздействий меньше.

Однако при увеличении жесткости многоэтажного здания возрастают и коэффициент динамичности в, и сейсмические нагрузки. Отсюда следует вывод, что для снижения ветровых нагрузок многоэтажные здания следует конструировать с более высокой жесткостью, а для снижения сейсмических воздействий (рисунки 4.1-4.4) их следует проектировать более гибкими, то есть возникает противоречие. В определенной мере его можно устранить, если использовать комбинированную сейсмозащиту с СФ и РС. Применение регулируемых выключающихся связей в многоэтажном здании позволяет проектировать его первоначально как достаточно жесткое. В этом случае ветровая нагрузка на рассматриваемое жесткое здание будет ниже, чем в случае проектирования гибкого здания.

Рисунок 4.5 - Нагрузка от ветровых воздействий на многоэтажные здания коробчатой конструкции для семи ветровых районов

N ,

50

40

30

20 10

II III IV

V VI

VII

Лнкарк , Т

10 20 30 40 50 60

Рисунок 4.6 - Нагрузка от ветровых воздействий на многоэтажные здания каркасной конструкции для семи ветровых районов

N ,

VI V IV VI V VII

50 40 30

20

10 5

Л пр

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Рисунок 4.7 - Нагрузка от ветровых воздействий на многоэтажные здания коробчатой конструкции с СФ и РС (пунктирная линия) и без системы с СФ и РС (сплошная линия) для семи ветровых районов

I

5

5

N ,

50

40 30

20

10 5

к 1=7 III 1=8 IV V VI 1=9 VII

/ / У У У У У У У У У У У '

/ / / / / А У У У У У У У У У

/ / / / / /■ / / У У У У У

// / / / / / ✓ ✓ г У У У У У У у '

у ✓ ✓ / / у ' У У У '

■'г / '1 ''' / ' 1 ' у у у у у у / У У

/ / / ; / V У * '' 1 ^ / / '

/ / //V А

ГУ И' - у

.8, дн

10 20 30 40 50 60

Рисунок 4.8 - Сравнение нагрузок от ветровых и сейсмических воздействий в многоэтажных зданиях коробчатой конструкции

На рисунке 4.7 представлены зависимости ветровой нагрузки на многоэтажные здания коробчатой системы с СФ и РС и без СФ и РС. Применение же регулируемых выключающихся связей приводит к снижению величины ветровых воздействий до 30-35%. На рисунке 4.8 приводится сравнение нагрузок от ветровых и сейсмических воздействий в многоэтажных зданиях коробчатой конструкции. Точки пересечения зависимостей определяют высоту здания, при которой ветровые и сейсмические воздействия становятся соизмеримыми. Например, точка пересечения кривых ветровой нагрузки для 5-го ветрового района и сейсмической нагрузки при 8-ми баллах, показывает, что значения этих нагрузок могут сравняться для тридцатиэтажного здания.

При большей этажности значения ветровой нагрузки превышают сейсмическую. Для IV ветровой зоны, совпадающей с 7-балльной зоной сейсмичности, в здании с числом этажей свыше 20, ветровые воздействия становятся больше сейсмических.

На рисунке 4.9 можно сравнить нагрузки от ветровых и сейсмических воздействий на многоэтажные здания коробчатой конструкции без СФ и РС и с системой СФ и РС. Ветровая нагрузка приводится для IV, V, VI и VII ветровых районов. Значения ветровых нагрузок получены для зданий коробчатой системы при отсутствии выключающихся связей. Сейсмические воздействия оценивались при соотношении периодов собственных колебаний у = 3.

Подобные сопоставления для многоэтажных каркасных зданий представлены на рисунке 4.10. Анализ результатов, приведенных на рисунках 4.8-4.10 показывает, что снижение сейсмической и ветровой нагрузок и, как следствие, достижение экономически более выгодного проектного решения возможно путем использования адаптивных систем сейсмоизоляции с регулируемыми выключающимися связями. На рисунке 4.11 иллюстрированы зависимости, показывающие снижение сейсмической и ветровой нагрузок в зданиях с СФ и РС.

N 50

40

30

20

10 050

!=7

!=8 !=8

!=9

!=9

т Гъ Г =3 /у= 1 /V у ♦ ^^^

/ г ' * Г • IV ^/ / VI VII

/ / / / •

/ / / / / // г г /

/ / / /1 / / // ■

/ / у Г X 1 ■

/ / 1

\у й 1 1 / ♦

1 / 4 / _ / / ^^ а - ■ ✓

qн , т

10

15 20

25 30 35 40 45 50 55

60 65

Рисунок 4.9 - Нагрузка от ветровых и сейсмических воздействий на многоэтажные здания коробчатой конструкции без СФ и РС (сплошная линия и штрихпунктирная линия) и с системой СФ и РС (пунктирная линия)

5

N 50

40

30

20

10 5

1=7 1=8 у=3 т=1 I II

1=8

7=3

1=8

7=1

V

1=9

7=3

VI

VII

^9

7=1

/ —Г ЛИу /> ^ / / ♦ / У У У

•V II/ / / / /4 У/ // г ^ У > ✓ ✓ У У

1 7 Л ' / А / У // ' / " у ✓

1 •. / ' // у х У

'/ /// ► / У х х у УУ ♦

I I V' / У // г > У У , ♦ *

/I } г у, * / 4 ✓ / У ►

/1 '/'у {* ♦ *

ж у

qн , т

10

15 20

25

30 35

40

45

50 55

60

65

Рисунок 4.10 - Нагрузка от сейсмических и ветровых воздействий на многоэтажные здания каркасной конструкции без СФ и РС (сплошная и пунктирная линии) и с системой СФ и РС (штрихпунктирная линия) Использование СФ и РС целесообразно в многоэтажных зданиях от 9 до 15 этажей, при различных параметрах у при выключенных и включенных РС.

В рассмотренных примерах нами анализировались ветровые и сейсмические воздействия на единицу массы и площади многоэтажного здания. Теперь проведем расчетный анализ на примере конкретного здания, проектируемого для района, подверженному ветровым и сейсмическим воздействиям [75, 91]. Высота здания 20 этажей, конструктивная система представляет собой сборный железобетонный связевый каркас и монолитное железобетонное ядро жесткости, которое размещается в центральной части здания.

Монолитное ядро жесткости моделируется консольным стержнем, жестко защемленным в фундаменте. Оно воспринимает действующие горизонтальные и небольшую часть вертикальных нагрузок. Колонны имеют сечение 0,4х0,4 м.

Ядро жесткости размерами в плане 6,6 х 5,4 м, со стенами толщиной 0,4 м. Класс бетона по прочности В30. Вес здания приближенно составляет около 14900 т.

5

Рисунок 4.11 - Снижение нагрузки от сейсмических воздействий в многоэтажных зданиях с СФ и РС

В рассчитываемом здании во время воздействия сейсмических волн осуществляется перестройка динамических характеристик в результате использования адаптивной системы сейсмоизоляции с регулируемыми связями. При включенных связях, период 1-го тона свободных колебаний здания находится в пределах одной секунды. При выключенных - 3 с (у = 3). Для рассматриваемого здания с выбранными динамическими параметрами изучалось влияние ветрового напора на изгибающий момент и перерезывающую силу в области заделки в фундамент. Зависимость поперечной силы от скоростного ветрового напора приведена на рисунке 4.12.

100 85

70

55 45 35 27

100 200 300 400 500 600

Рисунок 4.12 - Изменение поперечной силы в здании высотой 20 этажей с СФ и РС (сплошная линия) и без СФ и РС (пунктирная линия), в зависимости от величины ветрового напора при значении параметра у=3

Рисунок 4.13 - Изменение изгибающего момента в здании высотой 20 этажей с СФ и РС (сплошная линия) и без СФ и РС (пунктирная линия), в зависимости от величины ветрового напора при значении параметра у=3

О,

Рисунок 4.14 - Изменение изгибающего момента (а) и поперечной силы (б) при сейсмических воздействиях интенсивностью 8 баллов, в зависимости от параметра у, для здания высотой 20-ть этажей с системой СФ и РС

Приведенные на рисунках 4.12 и 4.13 зависимости позволяют сравнить нагрузки в зданиях с СФ и РС и без СФ РС при значении параметра у = 3. При других значениях у полученные зависимости будут иными. Эффективность ис-

пользования систем с выключающимися связями в здании высотой 20 этажей при 8-ми балльной расчетной сейсмичности проиллюстрирована зависимостями, представленными на рисунке 4.14. При соотношении начальных и конечных периодов собственных колебаний системы у = 3 сейсмическая нагрузка на здание уменьшается с 600 т до 370 т. При увеличении значения у сейсмические воздействия снижаются еще больше.

4.3 Определение рациональных динамических параметров многоэтажных зданий с регулируемыми связями и сейсмоизолирующими фундаментами в условиях ветровых и сейсмических воздействий

Выбор рациональных динамических параметров многоэтажных зданий в районах, подверженных интенсивным воздействиям сильных ветров и землетрясений, должен базироваться на методике учета их спектральных особенностей. Нами проведены исследования, показывающие эффективность метода снижения ветровых и сейсмических воздействий с помощью комбинированной системы сейсмоизоляции с СФ и РС. Эффективность их использования (рисунок 4.11) доказана как в случае землетрясения, так и в случае совместного сейсмического и ветрового воздействий, для зданий высотой до 9-15 этажей.

Параметры динамических характеристик многоэтажных зданий следует выбирать исходя из того, что должны обеспечиваться безопасные условия работы несущих конструкций во время воздействий, которые значительно отличаются по своим спектральным характеристикам.

Начальные и предельные периоды собственных колебаний реальных сооружений [82] существенно ограничены принятыми конструктивными решениями, которые не связаны с сейсмическими нагрузками. Увеличение интервала между Тнс и Ткс, т.е. уменьшение Тнс и увеличение Ткс, снижает сейсмическую нагрузку (рисунки 4.2-4.4). Наиболее целесообразно предусматривать соотношение Тнс / Ткс < 5.

Динамические характеристики многоэтажных зданий, позволяющие минимизировать значения всех регулируемых параметров, определяющих НДС

конструкций (ускорение, перемещение, восстанавливающая сила и т.д.) при нагрузках с разными спектральными характеристиками, являются рациональными.

Выбор периодов собственных колебаний многоэтажных зданий необходимо проводить с учетом уровня ветровой и сейсмической нагрузок, повторяемости и преобладающего периода (доминантной частоты). Также необходимо соблюдать условие неравенства значения периодов ветровых флуктуаций и периодов собственных колебаний многоэтажного здания с адаптивной системой сейсмозащиты в начальном состоянии (до выключения регулируемых связей).

Совпадение этих величин не является критическим ввиду того, что в этом случае происходит перестройка динамических параметров многоэтажного здания, вследствие выключения регулируемых связей и отстройки динамических характеристик от области квазирезонансного или резонансного состояния.

Условием рациональности этих величин служит выражение [8, 75, 91]:

5 (ТНс) = S (Ткс) (4.1)

которое для многомассовой динамической модели представляется в виде:

п п

X ЯИЛТнс ) = Е 5кгЛТКс) (4.2)

к=1 к=1

Когда, помимо сейсмической, учитывается и ветровая нагрузка, условие (4.1) дополняется выражением:

ЩТнс) < Ж(ТКС) (4.3)

Для многомассовой динамической модели это условие имеет вид:

п п

ЕЖкгЛТнс) < ЕЖкгЛТкс) (4.4)

К=1 К=1

Из (4.1) и (4.3) следуют равенства:

£(Тнс ,Т) = £(ТкС,Т) (4.5)

атж <%(ТксТм) (4.6)

Л(ТНС) = ЖТКС) (4.7)

где в - коэффициент динамичности, принимаемый в зависимости от сейсмичности площадки строительства и периода собственных колебаний многоэтажных зданий; £ - коэффициент динамичности для ветровой нагрузки; Tj, Tw - доминантные периоды сейсмических нагрузок и флуктуаций ветровых воздействий; Х- нормированный среднеквадратичный спектр вызываемой упругой реакции, особенностью которого является то, что при любых j:

max jj = 1; j(0, Tj) = 0,33 (4.8)

Я. = 0,33 - 0,67 Т/Т пРи т ^ Т (49)

j

X] = Т]/ Т при Т > Т] (4.10)

Подставляя в (4.7) выражения (4.9) и (4.10) получаем уравнение для Т]:

Т] - 0,33ТКСТУ - 0,67ТнСТкс = 0 (4.11)

решение которого [8] дает:

Т] = Ткс/6(1 + у/1 + 24/^), где у=ТК(/Тнс (4.12)

Учитывая, что х = Т] / Ткс, выражение (4.12) перепишем в виде

Х = 1/б (1 + у! 1 + 24/ у) (4.13)

Оптимальное значение Р , соответствующее условию в (Тнс, Т]) = в (Тпс, Т]), находится из выражения [8]:

Р=Р (Т] ) (4.14)

Значение в (ТО определяется по графику СП [153], принимая Т=Т], где Т] - вычисляется по (4.12).

Из (4.13) видно, что значение X зависит только от отношения у=ТК(/Тнс.

Величины в (Т]) и, следовательно, Р зависят и от у, и от абсолютных величин

периодов собственных колебаний Тнс и Ткс.

Оптимальная расчетная нагрузка для многоэтажных зданий с РС, рассматриваемых в данной главе, определяется по формуле [8]:

5 = дКфтвс (4.15)

Для системы с п - массами, величина расчетной поперечной силы, которая соответствует 1-й форме собственных колебаний, вычисляется по формуле:

X5 = (4 16)

к 1к к V • /

Условия (4.15-4.16) применимы, когда РС размещаются в нижнем этаже. Если РС размещаются по высоте здания, оптимальная нагрузка определяется из условия, приведенного в [167].

Значение коэффициента динамичности £ для ветровых воздействий [154]

вычисляется в зависимости от значений параметра &, который для многоэтажных зданий с РС определяется по формуле (4.17).

6 = ТНСУ /1200 (4.17)

При выборе коэффициента £ следует соблюдать условие (4.6), которое выполняется, если не происходит выключение регулируемых связей во время интенсивных воздействий ветра.

4.4. Расчетный анализ поведения многоэтажного здания при ветровых воздействиях

Объект - 19-ти этажное жилое здание в 3-ем ветровом районе. В подземной части техподполье и цоколь, надземная часть - 18 этажей и техчердак.

Фундаменты: свайные с плитным ростверком, из бетона класса В25. Арматура А240 и А400. Сваи сборные железобетонные, по серии 1.011.1-1, из бетона класса В25, вдавливаемые в лидерные скважины.

Основные несущие конструкции: колонно-стеновой каркас с несущими монолитными железобетонными колоннами, сечением 600х600мм до 8 этажа и 500х500мм на остальных этажах, пилонами и стенами толщиной 200мм и 300мм. Армирование стержнями, А240 и А400. Бетон тяжелый класса В25.

Перекрытия: монолитные железобетонные толщиной 220мм. Бетон тяжелый класса В25, арматура класса А240 и А400. Стены цокольного этажа: монолитные железобетонные толщиной 300мм из бетона класса В25. Стены лест-нично-лифтового блока: монолитные железобетонные толщиной до 200мм из бетона класса В25 и арматуры класса А240 и А400. Лестницы: монолитные железобетонные из бетона класса В25, арматура класса А240 и А400. Уровень ответственности зданий - 2 (нормальный). Коэффициент надежности по ответственности yn=1,00.

Рисунок 4.15 - Расчетная схема

Целью расчета является определение требуемого армирования железобетонных элементов каркаса здания при условии максимального приближения работы элементов каркаса к состоянию реальных условий и с учетом ветровых воздействий [120, 123, 169]. Расчет сделан в программном комплексе «1^+ 2009».

Расчетная схема (рис.4.15) представляет собой совокупность пространственных стержней из 3-х и 4-х оболочечных элементов. Свайное основание учтено податливостью в вертикальном направлении (756 т/м).

Основной шаг конечно-элементной сетки расчетной схемы 600х600 мм. Количество элементов - 71630. Количество узлов - 64683.

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Таблица 4.1 - Материалы 3-d балок конечно-элементного проекта

№ A As At Ir Is It E G Rho

[м2] [м2] [м2] [м4] [м4] [м4] [кН/м 21 [кН/м 21 [т/м3]

1 0.25000 0.000 00 0.000 00 0.008 79 0.005 21 0.005 21 3.25e +07 1.35e +07 2.75

2 0.36000 0.000 00 0.000 00 0.018 2 0.010 8 0.010 8 3.25e +07 1.35e +07 2.75

3 0.12250 0.000 00 0.000 00 0.002 11 0.001 25 0.001 25 3e+00 7 1.25e +07 2.75

A - площадь поперечного сечения As - сдвиговая площадь в напр.OS At - сдвиговая площадь в напр.ОТ E - модуль упругости ЯИо - плотность материала Таблица 4.2 - Прямоугольные мат

1г - момент инерции в напр.OR Ь - момент инерции в напр.OS It - момент инерции в напр.ОТ О - модуль сдвига

[ конечно-элементного проекта

№ b h E G Rho e T-fak

[м] [м] [кН/м2] [кН/м2] [т/м3] [м]

4 0.300 0.220 3e+007 1.25e+0 07 2.751 0 1

5 0.300 0.220 3e+007 1.25e+0 07 2.75 0 1

Ь - ширина поперечного сечения И - высота поперечного сечения

Е - модуль упругости О - модуль сдвига

ЯИо - плотность материала е - эксцентриситет

Т^ак - коэффициент снижения жёсткости на кручение

Таблица 4.3 - Изотропные материалы конечно-элементного проекта

№ d E Mue Rho

[м] [кН/м2] [т/м3]

6 0.22 3e+007 0.2 2.75

7 0.2 3e+007 0.2 2.75

8 0.16 3e+007 0.2 2.75

9 0.3 3e+007 0.2 2.75

10 0.2 3e+007 0.2 2.751

11 0.6 3e+007 0.2 2.751

12 0.6 3e+007 0.2 2.75

13 1.2 3e+007 0.2 2.75

d - толщина Rho - плотность материала

E - модуль упругости Mue - коэффициент Пуассона

Сбор нагрузок от ветра (по СП)

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wm в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли определяем как:

Wm = Wo k(Ze)c,

w0 = 0,38 кПа (3 ветровой район)

Воздействие ветра по оси Х выполняется условие:

при h > 2d h=62.7 м (от подошвы фундамента), z =60,4 м (высота от поверхности земли), d=16,6 м (размер здания) для z > h - d ^ ze = h; для d < z < h - d ^ ze = z; для 0 < z < d ^ ze = d. Воздействие ветра по оси Y выполняется условие:

при h < 2d h=62.7 м (от подошвы фундамента); z =60,4 м (высота от поверхности земли); d=42,6 м (размер здания) для z > h - d ^ ze = h; для 0 < z < h - d ^ ze= d;

k(ze) = kio(ze/10)2a.

Таблица 4.4 - Параметры ветрового воздействия

Параметр Тип местности

А В С

а 0,15 0,20 0,25

kl0 1,0 0,65 0,4

С10 0,76 1,06 1,78

В расчете принят тип местности В

Аэродинамические коэффициенты С

ПЛАН с!

Таблица 4.5 - Величины коэффициентов для участков стен здания

Боковые стены Наветренная стена Подветренная стена

Участки

А В С В Е

-1,0 -0,8 -0,5 0,8 -0,5

Таблица 4.6 - Расчетные нагрузки по оси Х

Отметка перекрытия Ь 7е к(7е) wm, кПа(О) wm, кПа(Е) wm, кПа(А) wm, кПа(В) wm, кПа( С)

подвал 3.87 16.6 0.80 0.34 -0.21 -0.42 -0.34 -0.21

1 этаж 7.83 16.6 0.80 0.34 -0.21 -0.42 -0.34 -0.21

2 этаж 10.68 16.6 0.80 0.34 -0.21 -0.42 -0.34 -0.21

3 этаж 13.53 16.6 0.80 0.34 -0.21 -0.42 -0.34 -0.21

4 этаж 16.38 16.6 0.80 0.34 -0.21 -0.42 -0.34 -0.21

5 этаж 19.23 19.23 0.84 0.36 -0.22 -0.45 -0.36 -0.22

6 этаж 22.08 22.08 0.89 0.38 -0.24 -0.47 -0.38 -0.24

7 этаж 24.93 24.93 0.94 0.40 -0.25 -0.50 -0.40 -0.25

8 этаж 27.78 27.78 0.98 0.42 -0.26 -0.52 -0.42 -0.26

9 этаж 30.63 30.63 1.02 0.43 -0.27 -0.54 -0.43 -0.27

10 этаж 33.48 33.48 1.05 0.45 -0.28 -0.56 -0.45 -0.28

11 этаж 36.33 36.33 1.09 0.46 -0.29 -0.58 -0.46 -0.29

12 этаж 39.18 39.18 1.12 0.48 -0.30 -0.60 -0.48 -0.30

13 этаж 42.03 42.03 1.15 0.49 -0.31 -0.61 -0.49 -0.31

14 этаж 44.88 44.88 1.19 0.50 -0.32 -0.63 -0.50 -0.32

15 этаж 47.73 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

16 этаж 50.58 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

17 этаж 53.43 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

18 этаж 56.28 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

чердак 58.45 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

перекр. 61.32 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

лиф-лест. холла

парапет 62.7 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

Таблица 4.7 - Расчетные нагрузки по оси У

Отметка перекрытия И 7е к^е) шш, кПаф) шш, кПа(Е) шш, кПа(А) шш, кПа(В) шш, кПа(С)

подвал 3.87 42.6 1.16 0.49 -0.31 -0.62 -0.49 -0.31

1 этаж 7.83 42.6 1.16 0.49 -0.31 -0.62 -0.49 -0.31

2 этаж 10.68 42.6 1.16 0.49 -0.31 -0.62 -0.49 -0.31

3 этаж 13.53 42.6 1.16 0.49 -0.31 -0.62 -0.49 -0.31

4 этаж 16.38 42.6 1.16 0.49 -0.31 -0.62 -0.49 -0.31

5 этаж 19.23 42.6 1.16 0.49 -0.31 -0.62 -0.49 -0.31

6 этаж 22.08 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

7 этаж 24.93 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

8 этаж 27.78 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

9 этаж 30.63 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

10 этаж 33.48 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

11 этаж 36.33 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

12 этаж 39.18 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

13 этаж 42.03 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

14 этаж 44.88 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

15 этаж 47.73 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

16 этаж 50.58 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

17 этаж 53.43 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

18 этаж 56.28 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

чердак 58.45 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

перекр. лиф-лест. 61.32 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

холла

парапет 62.7 62.7 1.35 0.58 -0.36 -0.72 -0.58 -0.36

Исходные данные для расчета ветровой нагрузки:

Г'азмеры сооружения (м)

а - 41.16

Ь= 16

h = 57

Вычислить

z /1 г

¡MÉ А/

0 а V '

Ветер вдоль »си ОУ Ветер вдоль оси ОХ

Значение р (Ro), м по оси X по оси Y по оси Z

41.15 Е.4 41.15

16.46 16 16

Значение X [Hi), м псссиХ по оси Y nDocnZ

57 57 16

57 57 41.15

Исходные данные для расчета пульсационной составляющей ветровой нагрузки:

Растет пульсаций ветра

Номер статического нагружения:

Значение R о по оси X 16.46

Значение И о по оси У 16

Значение И о по оси 7 16

Значение Н1 по оси X 57

Значение Ш по оси У 57

Значение Ш по оси 7: 41.15

Кол-во учитываемых н Форм колебаний (по СНиП):

Задать номера Форм

Расчет пульсаций ветра

— Тип расчёта—

Собственные колебания

С Деформированные колебания

Номер ветрового района

Г la Г I

С II S" III

Г IV f V

Г VI r vil

Дополнительные условия

ПРИМЕЧАНИЕ:

Ввааите номера учитываемых в расчете Форм через запятую, без пробелов. Например, 1, 5 ■ 12,17

— Точности для ветровых нагрузок —

Силы 0.01

Моменты 0-01

41.15

6.4

41.15

57

57

— Тип расчёта

Í* Собственные колебания

С Деформированные колебания

Номер статического нагружения:

Значение И о по оси X Значение Я о по оси У Значение И о по оси 7 Значение Н1 по оси X Значение Н1 по оси У

Значение Н1 по оси 7.:

Кол-во учитываемых г^ Форм колебаний (по СНиП]:

Задать номера Форм

ПРИМЕЧАНИЕ:

Введите номера учитываемых в расчете Форм через запятую, без пробелов. Например, 1, 5 ■ 12,17

Номер ветрового района

г 1а Г |

Г || & III

Г IV С V

Г VI Г VII

Дополнительные условия

Т очности для ветровых нагрузок

Силы 0.01

Моменты 0-01

Расчет

Отменить

Помощь

Расчет

Отменить

Помощь

Рисунок 4.17 - Конечно-элементная модель здания (форма 1): K = 300, Max: Узел=28781, Ux=0.0129614, Min: Узел=35815, Ux=-1.88184e-006

Рисунок 4.18 - Конечно-элементная модель здания (форма 2): K = 300, Max: Узел=55061, Ux=0.00438863, Min: Узел=55404, Ux=-2.59862e-005

Рисунок 4.19 - Конечно-элементная модель здания (форма 3): K = 500, Max: Узел=28781, Ux=0.00260975, Min: Узел=55061, Ux=-0.0102794

Таблица 4.8 - Собственные частоты

№ формы W f T

рад/с Гц с