Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления

Поделиться:
Статья опубликована в №26 (октябрь) 2015
Разделы: Строительство
Размещена 06.10.2015. Последняя правка: 05.10.2015.
Просмотров - 2817

Оценка влияния этажности зданий на эффективность использования систем сейсмоизоляции со скользящим поясом

Зайнулабидова Ханзада Рауповна

кандидат технических наук

Дагестанский государственный технический университет

доцент

Аннотация:
Проведены исследования эффективности применения сейсмоизолирующего скользящего пояса в зданиях разной этажности. Оценены рациональные параметры скользящих опор из условия максимума надёжности рассматриваемых систем в широком диапазоне изменения преобладающего периода сейсмического воздействия


Abstract:
studies the optimality of application sejsmoizoliruûŝego the moving belt in buildings with a various number of storeys. Appreciated the rational parameters of sliding bearings of the maximum reliability of the considered systems


Ключевые слова:
сейсмозащита; скользящий пояс; вероятность не превышения; сейсмические нагрузки.

Keywords:
seismic protection; sliding sash; the probability of not exceeding; seismic loads.


УДК 699 841 

В настоящее время в значительной степени Сейсмостойкость зданий и сооружений обеспечивается путём увеличения прочностных характеристик конструкций и связей между ними. Практика показала, что такой подход проектирования вызывает определённые проблемы, связанные с тем, что увеличение сейсмостойкости посредством увеличения размеров сечения конструкций ведёт к увеличению материалоемкости конструкций, их жесткости и веса.

Существуют другие способы позволяющие избежать эти недостатки, например, использование податливых опор-фундаментов, снижающих горизонтальные связи здания с основанием. Основное  преимущество таких опор -  снижение сейсмических нагрузок на здание и сооружения. Один из вариантов такой сейсмоизоляции это использование сейсмоизолирующего скользящего пояса. В технологии скользящего пояса основным моментом является устройство системы скольжения, включающий в себя компонент минимализации трения и компонент ограничения горизонтальных перемещений. Для скользящих элементов необходим не только низкий коэффициент трения, обеспечивающий эффект сейсмоизоляции, но и несущая способность для восприятия вертикальной нагрузки. Ограничители горизонтальных перемещений не воспринимают вертикальные нагрузки, а только ограничивают перемещения, вызываемые горизонтальными нагрузками.  Существенное влияние на эффективность использования сейсмоизолирующего  скользящего пояса оказывает этажность и высота здания.

Целью данной работы является оценка эффективности и оптимизация параметров сейсмоизолирующего скользящего пояса в зависимости от этажности здания.

Конструкция скользящего пояса принята в соответствии с рекомендациями работы [3]. Сейсмоизолирующий пояс выполняется в виде ряда опор, расположенных между фундаментом здания и надземными конструкциями в местах пересечения стен. Каждая опора имеет, две пластины из нержавеющей стали и фторопласта. Для ограничения перемещений здания предусмотрены упругие и жёсткие ограничители горизонтальных и вертикальных перемещений. Расчётная схема здания с системой сейсмоизоляции приведена на рис. 1 

Рис. 1 Расчётная модель здания с сейсмоизолирующим сколь­зящим поясом

Основными параметрами системы сейсмоизоляции со скользящим поясом являются: коэффициент трения-скольжения пластин, который зависит от  их материала; величины жёсткостей упругого и жёсткого ограничителей перемещений; задаваемые величины зазоров упругого и жёсткого ограничителей перемещений, которые по техническим требованиям не могут быть больше определённых значений.

       В качестве критерия оптимальности в работе приняты следующие параметры:

  • вероятности Р0 не превышения предельного перемещения [y0] в уровне массы m0,
Р0=1-N0*/N,

 где N0* - число испытаний, при которых перемещение нулевого уровня у0maxбольше допустимого [y0], N – количество испытаний;

  • вероятности Рi не превышения перекосов этажей в уровнях всех масс:
Pi=1-Ni* /N                                                                                    (1)

где Ni*-число испытаний, при которых для i-го этажа выполняется условие;

 θi= (Yi - Yi-1)/ Hi >[θ], где [θ] – допускаемый перекос этажа, θi– расчётный перекос i-го этажа,   i=1, 2, …..n,             yi -    yi-1 -  скорости i-той масс  Hi -высота этажа

  • Надёжность здания:  
     РТ=Пni=1 Рi, 

где  Рi определяется по формуле (1)

Исследование системы сейсмоизоляции проводилось численными методами по алгоритму приведённой в работе [2] при сейсмических воздействиях, представленных в виде нестационарных случайных процессов. Параметры скользящего пояса приняты следующие: жёсткость упругих ограничителей перемещений r1=40÷150 кН/см, жёсткость жёстких упоров – ограничителей r2=0,6·107÷0,6·109 кН/см, зазоры ограничителей- Δ1=3÷7см,  Δ2=12÷20см.

На первом этапе работы оценено влияние коэффициента трения скользящих пластин на величины сейсмических нагрузок и перемещений рассматриваемой систем. Коэффициенты трения пластин приняты следующими:  fтр=0,12; 0,15; 0,20.

В расчётах для каждого преобладающего периода сейсмического воздействия определялось время, при котором каждый этаж испытывает максимальное перемещение, и соответственно определялись перемещения при этом времени и на других этажах.

Число испытаний при этом принято равным N=100. Некоторые данные по этим испытаниям приведены на рис.2

 

Рис.2 Графики вероятностей Р0 не превышения уровня перемещения [y0]=12см в уровне верха фундаментов в зданиях разной этажности с жёсткой конструктивной схемой со скользящим фундаментным поясом с параметрами fтр=0,12,  ∆1=3 см, ∆2=12 см    при сейсмическом воздействии с параметрами аmax=200 см/с², Тj=0,1÷0,9 сек  

1-    5 - ти этажное здание, 2 - 9-ти этажное здание,  3 – 12 - этажное здание. 

В таблице 1 приведены вероятности Рt – Надёжность здания, P0 - Вероятность не превышения массой m0 заданного предельного уровня,  P - Вероятность не превышения массой m0 заданного предельного уровня. 

Таблица 1. Вероятность безотказной работы систем

Макси

мальное ускорение

аmaxсм/с²,

Коэфф. трения-скольжения

fтр

 

     [θ]

зазор

Δ2см

Число уровней n

Вероятности не превышения Рт, Р0, Р  при  различных значениях преобладающего периода колебаний  грунта Тj сек

0,1

0,3

0,4

0,6

0,7

0,9

Рt

Р0

Р

Рt

Р0

Р

Рt

Р0

Р

Рt

Р0

Р

Рt

Р0

Р

Рt

Р0

Р

100

0,12

 

0,001

12

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

12

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

17

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

 

0,006

17

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

25

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,96

1

1

0,96

1

1

0,96

 

 

 

 

 

200

0,12

 

0,001

12

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,92

0,96

1

0,9

0,96

1

0,88

0,98

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,96

1

1

0,68

0,92

12

1

1

0,8

1

1

0,68

1

1

0,66

1

 

0,55

1

0,92

0,47

 

0,56

0,42

17

1

1

1

1

0,4

0,6

1

0,3

0,5

1

0,25

0,3

1

0,2

0

1

0,1

0

0,006

17

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,12

 

0,001

20

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,95

1

1

0,92

0,98

12

1

1

0,56

1

1

0,53

1

1

0,50

1

1

0,43

1

0,96

0,40

1

0,92

0,36

0,15

 

0,001

12

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0.96

1

12

1

1

0,72

1

1

0.60

1

1

0,58

1

1

0.47

1

1

0,44

1

0,84

0,41

0,20

 

0,001

12

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

12

1

1

0,72

1

1

0,66

1

1

0,65

1

1

0,58

1

1

0,55

1

0,84

0,44

400

0,12

 

0,001

12

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,88

0,92

1

0,80

0,9

1

0,72

0,82

9

1

1

0,4

1

1

0,4

1

0,88

0,4

1

0,72

0,4

1

0,68

0,4

1

0,48

0,51

12

1

1

0,4

1

1

0,39

1

0,88

0,3

1

0,78

0,29

1

0,83

0,27

1

0,58

0,18

0,20

 

0,001

20

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,83

0,87

1

0,76

0,76

0,8

0,48

0,72

9

1

1

0,88

1

1

0,92

1

0,96

0,88

0,98

0,90

0,90

0,85

0,76

0,89

0,79

0,32

0,75

12

1

1

1

1

1

1

1

1

0,12

1

0,70

0,14

1

0,52

0,36

0,55

0,2

0,24

 

0,006

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

12

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,88

1

1

0,87

1

1

0,7
                                                 

Исследования показали, что существенное значение на эффективность использования сейсмоизолирующего скользящего пояса  имеет конструктивная схема здания, а именно допустимые перекосы этажей. В зданиях с жёсткой конструктивной схемой этот показатель принят равным 0,001, а с гибкой - 0,006. Таким образом, надёжность зданий с жёсткой конструктивной схемой при использовании скользящего пояса обеспечивается в следующих случаях:

  • на территориях с преобладающими колебаниями грунта в диапазоне Тj=0,1÷0,9 и расчётной сейсмичностью 7 баллов, что соответствует ускорениям колебаний грунтов 100 см/с2 при строительстве зданий до 12 этажей включительно с параметрами скользящего пояса  fтр=0,12, Δ2=12 см.
  • при расчётной сейсмичности 8 баллов (200 см/с2) и преобладающих периодах колебаний грунта в диапазоне Тj=0,1÷0,9  здания высотой до 10 этажей с параметрами скользящего пояса  fтр=0,12, Δ2=12 см
  • при расчётной сейсмичности 9 баллов (400 см/с2) и преобладающих периодах колебаний грунта в диапазоне Тj=0,1÷0,4 сек  здания высотой до 6 этажей с параметрами скользящего пояса  fтр=0,12, Δ2=12 см 

Строительство зданий с гибкой конструктивной схемой возможно в следующих случаях:

  • при расчётной сейсмичностью 7 баллов (100 см/с2) и преобладающих периодах колебаний грунта в диапазоне Тj=0,1÷0,9 сек здания высотой до 18 этажей с параметрами скользящего пояса  fтр=0,12, Δ2=12 см. При большей этажности (25 этажей) на территориях с  Тj=0,1÷0,4  сек
  • при расчётной сейсмичности 8 баллов (200 см/с2) и преобладающих периодах колебаний грунта в диапазоне Тj=0,1÷0,9 сек здания высотой до 18 этажей с параметрами скользящего пояса  fтр=0,12, Δ2=12 см
  • при расчётной сейсмичности 9 баллов (400 см/с2) и преобладающих периодах колебаний грунта в диапазоне Тj=0,1÷0,9 сек здания высотой до 10 этажей с параметрами скользящего пояса  fтр=0,20, Δ2=20 см, при большей этажности (25 этажей) здания можно строить на территориях с  Тj=0,1÷0,4 сек 

На втором этапе эффективность сейсмоизоляции оценивалась сравнительными характеристиками сейсмических нагрузок действующих на уровни систем с сейсмоизоляцией и без сейсмоизоляции. Некоторые данные исследований по оценке сейсмических нагрузок приведены в таблице 2, 3 и на рисунках 2, 3. 

Таблица 2. Сдвигающие силы, действующие на уровни пятиэтажного здания             

N п/п

Ускорение колебание грунта

а max см/с2

 

 

 Тj сек

сдвигающие силы R0 в кН, в нулевом уровне в зависимости от коэффициента трения-скольжения пластин  

сдвигающие силы R5 в кН, в уровне верха в зависимости от коэффициента трения-скольжения пластин  

сдвигающие силы в здания без сейсмоизоляции

R5, кН

fтр =0,12

fтр =0,15

fтр =0,20

fтр =0,25

fтр =0,12

fтр =0,15

fтр =0,20

fтр =0,25

R0

R5

1

 

100

0,1

961,80

1101,94

1462,36

1837,54

25,23

27,36

30,82

7,85

6757,9

1841

2

0,3

937,33

1107,85

1442,32

1820,12

60,69

59,41

78,77

47,85

6851,15

1786,66

3

0,5

888.15

1084,84

1455,44

1821,59

51,83

63,51

68,34

63,33

4226,68

1069,47

4

0,7

881,40

1087,18

1455,59

1826,97

79,90

72,60

83,53

87,77

3585,6

885,68

5

0,9

867,14

1071,48

1456,00

1828,22

62,89

79,82

51,65

114,47

3052,02

732,28

 

Таблица 3. Горизонтальные сдвигающие силы, действующие на уровни девятиэтажного здания             

№ п/п

Ускорение колебания грунта

а max см/с2

 

Тj сек

Параметры скользящего пояса

 

сдвигающие силы R,  кН в зданиях с жёсткой конструктивной схемой

сдвигающие силы R,  кН в зданиях с гибкой конструктивной схемой

сдвигающие силы R в зданиях без сейсмоизоляции с жёсткой конструктивной схемой

массы m0

массы m9

массы m0

массы m9

массы m0

массы m9

1

 

 

400

0,1

 

fтр =0,12,

Δ2=12 см

5271,71

1128,05

5133,96

1507,89

24685,78

4635,79

2

0,2

7363,25

1206,44

7665,37

1144,32

38790,63

8900,92

3

0,3

8651,44

1433,18

12281,43

1230,37

45322,93

10392,83

4

0,4

16819,16

2230,64

16372,28

1773,45

50537,17

8889,4

 

 

Рис. 3 Диаграмма зависимости сдвигающие силы действующих на нулевой и пятый уровни 5-ти этажного здания с жёсткой конструктивной схемой при сейсмическом воздействии с параметрами  амах=100 см/с2 и Тj=0,1 сек в зависимости от коэффициента трения  fтр фторопластовых пластин

1 - fтр=0,12,  2-  fтр=0,15, 3 - fтр=0,20,  4 - fтр=0,25, 5 – без сейсмоизоляции

Ряд 1 – перерезывающие усилия, действующие на нулевой уровень здания.

Ряд 2 – перерезывающие усилия, действующие на пятый уровень здания. 

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

  1. Величина коэффициента трения пластин fтр существенно влияет на сейсмическую реакцию, так если уменьшить коэффициент трения на 0,03 единицы, то это приводит к увеличению максимальных перемещений уровней системы в среднем на 10%, независимо от значения преобладающего периода колебаний грунта Тj.
  2. Данные таблиц 2 и 3 показывают, что значения горизонтальных сдвигающие сдвигающих сейсмических сил при использовании в качестве сейсмозащиты скользящего пояса зависят как от этажности зданий, так и от интенсивности сейсмического воздействия и значения преобладающего периода колебания грунта.
  3. С увеличением этажности зданий  поперечные нагрузки на уровни здания возрастают
  4. Нагрузки,  действующие на здания без активной сейсмоизоляции в 5-6 раз больше, чем в зданиях на сейсмоизолирующем скользящем поясе

Библиографический список:

1. Зайнулабидова Х.Р. Разработка региональной модели сейсмических воздействий для г. Махачкалы и выбор рациональных параметров сооружений, в том числе и с системами сейсмоизоляции: дис. …канд. техн. наук/ Х.Р. Зайнулабидова. – Санкт-Петербург,2005. – 171 с.
2. Отчёт о научно-исследовательской работе. Казахский ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ. - Алма-Ата: 1985. 244 с.
3. Поляков В.С. Современные методы сейсмозащиты зданий / В.С. Поляков, Н.Ш. Килимник, А.В. Черкашин - М.: Стройиздат, 1989.- 320 с.




Рецензии:

23.10.2015, 10:04 Пайзулаев Магомед Муртазалиевич
Рецензия: Статья посвящена актуальной проблеме оценке повреждаемости зданий и сооружений. Наибольшее распространение для сейсмоизоляции зданий в настоящее время получили активные методы сейсмоизоляции. Менее исследованными среди них остаются системы со скользящим с, обладающие большой способностью рассеивать сейсмическую энергию и применяемые для сейсмоизоляции таких высокоответственных объектов, как атомные электростанции. В работе проведены исследования эффективности применения сейсмоизолирующего скользящего пояса в зданиях разной этажности. Оценены рациональные параметры скользящих опор из условия максимума надёжности рассматриваемых систем в широком диапазоне изменения преобладающего периода сейсмического воздействия с учётом региональных параметров колебаний грунтов. Данные исследования имеют теоретическое и практическое значения и заслуживают быть опубликованными.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 
▲
Вверх