Применение динамических гасителей колебаний с демпферами сухого трения в системах сейсмозащиты эксплуатируемых зданий

Разрушительные землетрясения, прошедшие за последние десять лет на территории России и многих зарубежных стран внесли коррективы в оценку ожидаемой величины сейсмической интенсивности, в результате чего произошли существенные изменения в картах сейсмического районирования, расчетная сейсмичность многих регионов увеличилась на 1, 2 и даже на 3 балла. Вместо одной карты сейсморайонирования ОСР-78 (СНиП-П-7−81) создан комплект из трех карт ОСР-97 (А, В, С), предназначенных для оценки сейсмической опасности на трех уровнях вероятности превышения значений интенсивности (10% - карта ОСР-97-А, 5% - ОСР-97-В и 1% - ОСР-97-С) для строительных объектов разных сроков службы и ответственности. Предполагается, что, например, карта ОСР-97-А будет предназначена для массового строительства. Согласно новой карте сейсмического районирования России к двум наиболее опасным зонам Восточной Сибири и Дальнего Востока присоединилась третья, составляющая значительную часть Северного Кавказа с густо населенными территориями, развитой сетью промышленных и гражданских сооружений Соотношение площадей сейсмических зон на картах ОСР-78 и ОСР-97 (А, В, С) приведено на диаграмме.

В этой связи вопросы обеспечения сейсмостойкости сооружений различного назначения приобретают весьма актуальное значение. В сложившихся условиях особенно важно проводить комплекс конструктивных антисейсмических мероприятий в эксплуатируемых зданиях, в которых первоначально они не предусматривались или предусматривались, но не в полном объеме. При этом необходимо довести сейсмостойкость здания до степени, отвечающей современным нормам сейсмостойкого строительства. Решение этой проблемы представляется достаточно сложным и требует комплексного подхода. Следует также отметить, что эксплуатируемые много лет здания выпадают из рассмотрения действующих нормативных документов, что может сказаться в будущем на размерах бедствий и ущерба во время землетрясения.

Размеры площадей зон интенсивности сотрясений в 6, 7, 8 и ! 9 баллов по шкале МЗК-64 в % по отношению ко всей площади Российской Федерации.

Баллы по шкале МБК-64.

VI «VII? VIII В IX.

Карты общего сейсморайонирования.

Об актуальности проблемы сейсмоусиления эксплуатируемых зданий говорят и данные приведенные Министерством обороны РФ. В период с 1989 по 1991 гг. с целью выявления сейсмобезопасности жилого фонда МО РФ были проведены обследования и паспортизация всех существующих в гарнизонах зданий и сооружений с последующим принятием решений по их реконструкции.

70 60.

ОСР-78 ОСР-97-А ОСР-97-В ОСР-97-С и усилению. Некоторые результаты этих обследований, по материалам опубликованным в [23], приведены ниже в таблице.

Таблица.

Результаты обследования.

Обследовано Из обследованных признаны.

Регионы зданий и сейсмостойтребующими подлежащими сооружении кими усиления сносу.

Дальний 1875 200 857 818 Восток (10,7%) (45,7%) (43,6%).

Забайкалье 57 46 11 —.

81%) (19%) (0%).

Сибирь 60 31 21 8.

51,6%) (35%) (13,4%).

Кавказ 471 230 239 2.

48,8%) (50,8%) (0,4%).

ИТОГО 2463 507 1128 828.

20,6%) (45,8%) (33,6%).

Анализ полученных данных показывает, что только 20,6% зданий и сооружений соответствует современных требованиям сейсмостойкости, 33,6% подлежит сносу, а 45,8%) должны быть усилены. И хотя данных об аналогичных обследований гражданских зданий в печати не приводится, приведенные в таблице данные уже характеризуют масштабы проблемы сейсмоусиления существующих объектов.

Таким образом, задача повышения сейсмостойкости эксплуатируемых зданий является весьма актуальной и в настоящее время, не менее важной, чем новое сейсмостойкое строительство.

Повышение сейсмостойкости может достигаться различными путями. Одним из возможных вариантов является применение динамических гасителей колебаний (ДГК). К основным достоинствам применения систем с ДГК для повышения сейсмостойкости эксплуатируемых зданий можно отнести следующие:

— значительное снижение (более 30%) сейсмических нагрузок и амплитуд колебанийа также возможность использования для повышения эффекта сейс-могашения колебаний ДГК совместно с другими средствами сейсмозащиты (демпферами, сейсмоизолирующими скользящими поясами и т. п.);

— затраты на устройство ДГК значительно ниже расходов, которые необходимо предусмотреть на обычное антисейсмическое усиление сооружений;

— возможность проведения работ по устройству ДГК без выселения жильцов, а при устройстве ДГК в виде гибкого надстраиваемого этажа необходимо расселение только жильцов верхнего этажа;

— возможность устройства ДГК в виде надстраиваемого жилого этажа, т. е. решения одновременно с задачей сейсмоусиления и задачи увеличения жилого фонда.

К дополнительным достоинствам систем с ДГК следует отнести то обстоятельство, что одни и те же гасители могут уменьшать колебания сооружений, вызванные не только достаточно редко возникающими сейсмическими нагрузками, но и пульсациями скоростного напора ветра, ветровым резонансом и другими динамическими воздействиями.

Существенный вклад в развитие теории ДГК внесли Дж.П. Ден-Гартог, С. П. Тимошенко, А. М. Алексеев, И. В. Ананьев, Ю. А. Гопп, В. В. Карамышкин,.

A.Ф.Потехин, А. К. Сборовский, В. Ф. Сегаль, В. П. Терских, ГЕ. Вгоск, Р.М.Ьеш1з, Р. Е. Леес!, ГС. Эпошёоп, О. У^агЬиЛоп и др. На основе работ Б. Г. Коренева,.

B.С.Полякова, Н. А. Пикулева, Л. М. Резникова, М. Я. Волоцкого и др. были созданы различные системы гасителей и практические методы их расчета, которые обеспечили достаточно широкое применение ДГК как эффективного способа снижения уровня колебаний промышленных и гражданских сооружений при динамических воздействиях от технологического оборудования и ветра.

Так как для обеспечения эффективной работы ДГК требуется существенное увеличение массы гасителя, что может быть реализовано при использовании в качестве гасящей массы части самого защищаемого сооружения. Это направление получило развитие в работах О. А. Савинова и С. И. Шейниной, А. И. Цейтлина, Э. Е. Хачияна и М. Г. Мелкумяна, Т. А. Киселевой, А. М. Уздина и А. А. Никитина и др.

Однако, несмотря на значительное количество публикаций, посвященных ДГК различных конструктивных типов и форм, данные по выбору рациональных настройки параметров ДГК в технической литературе противоречивы. Причинами этого являются применение упрощенных (одномассовых) моделей рассматриваемых зданий (такое упрощение недопустимо для систем, имеющих достаточно густой спектр собственных частот), недостаточность информации о начальных динамических параметрах зданий и, особенно, об их изменениях в процессе эксплуатации и в результате сейсмического воздействия, специфический случайный нестационарный характер самого сейсмического воздействия, различия в определении параметров оценки гашения колебаний и др. Практически не решались задачи по выбору параметров ДГК с дополнительными демпферными устройствами.

Требуется дополнительное уточнение и вопроса р выборе параметров настройки и демпфирования динамического гасителя колебаний «средней» массы (в пределах от 3−5 до 15% от массы защищаемого сооружения), с одной стороны, являющихся наиболее рациональными при сейсмозащите эксплуатируемых зданий, а, с другой стороны, практически выпавших из исследований других авторов. Одним из наиболее важных вопросов остается вопрос об отстройке ДГК вследствие накопления повреждений в конструкциях во время землетрясения и изменениях динамических параметров здания в процессе его эксплуатации.

Анализ конструктивных решений ДГК показывает, что наиболее перспективными являются пружинные гасители и гасители, роль которых выполняют дополнительные «гибкие» этажи. В качестве демпферов, используемых в гасителях, более целесообразно использовать относительно недорогие, простые в эксплуатации и надежные демпферы сухого трения (ДСТ). Демпферы вязкого трения являются более дорогостоящими и требуют тщательных условий эксплуатации, в том числе подержания определенного температурного режима. Исследования нелинейных ДГК с демпферами сухого трения для задач сейсмостойкого строительства весьма ограничены.

Все вышеизложенное и определило цель данной работы: расчетно-теоре-тическое обоснование возможности повышения сейсмостойкости эксплуатируемых зданий при помощи ДГК в сочетании с демпферами сухого трения, разработка новых конструктивных решений динамических гасителей и практических рекомендаций по их применению.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались: математический аппарат динамики сооружений, метод математического моделирования с помощью ЭВМ и метод конечных элементов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Комплекс выполненных исследований отражает вопросы, связанные с дальнейшим изучением эффективности динамических гасителей колебаний по уровню снижения сейсмических нагрузок и амплитуд колебаний в системах сейсмозащиты эксплуатируемых зданий. На основе этих исследований установлено, что эффективность использования динамических гасителей колебания в системах сейсмозащиты эксплуатируемых зданий возможна только в сочетании с дополнительными демпферными устройствами, роль которых, исходя из условий реализации энергопо-глощающих устройств, простоты их изготовления и относительно невысокой стоимости, выполняют демпферы сухого трения.

2. Разработана и реализована методика расчетно-теоретической оценки эффективности применения ДГК с демпферами сухого трения в системах сейсмозащиты эксплуатируемых зданий.

3. Доказано, что при выборе рациональных параметров предлагаемой системы сейсмозащиты необходимо проводить полный пространственный анализ напряженно-деформированного состояния системы «основаниефундамент — здание — ДГК» с учетом реального характера сейсмических воздействий.

4. Показано, что степень снижения сейсмических нагрузок является функцией, зависящей от ряда параметров, к числу которых относятся параметры: самого эксплуатируемого здания (в первую очередь собственная частота колебаний первого тона), параметры настройки динамического гасителя (его масса и парциальная частота) и интенсивность сил трения, создаваемых демпфирующим элементом в ДСТ, вводимым в конструкцию сейсмозащиты эксплуатируемого здания. Степень снижения инерционных нагрузок по этажам здания не является одинаковой и возрастает по мере увеличения номера этажа. В ряде случаев на нижних этажах здания наблюдается некоторое увеличение инерционных нагрузок, что может потребовать усиления несущих элементов здания на этих этажах.

5. Установлены следующие рациональные параметры ДГК с ДСТ:

— масса ДГК должна составлять от 3 до 5% от массы защищаемого эксплуатируемого здания для гасителей пружинного типа и до 15% - для гасителей, роль которых выполняют надстраиваемые «гибкие» этажи;

— параметр настройки гасителя следует принимать: для гасителей пружинного типа (массой до 5% от массы защищаемого эксплуатируемого здания) равным 0,90.0,95, а для гасителей в виде надстраиваемого «гибкого» этажа (массой до 15% от массы защищаемого сооружения) — 0,70. .0,80;

— интенсивность сил неупругого сопротивления, развиваемого демпфером трения, включенным в конструкцию подвески гасителя (параметр трения в подвеске) должна составлять не менее 0,10, т. е. при массе ДГК порядка 85 т максимальная сила трения, развиваемая в демпфере ДГК, должна составлять около 85 кН.

6. Показано, что существенное влияние на напряжено-деформированное состояние эксплуатируемого здания оказывает форма колебаний ДГК, приводя в некоторых случаях к перенапряжению материала элементов конструкции. Поэтому при проектировании конструкции ДГК необходимо, предусмотреть чтобы, как минимум, первые две формы собственных колебаний гасителя и защищаемого эксплуатируемого здания совпадали.

7. Исследована возможность использования предлагаемой системы сейсмо-защиты (динамический гаситель колебаний с демпфером сухого трения) в эксплуатируемых зданиях, имеющих различные жесткостные параметры (период кол’ебаний основного тона зданий от Тзд = 0,1 с до 2 с).

8. Доказано, что наибольший эффект сейсмогашения удается достичь в системах сейсмозащиты для гибких эксплуатируемых зданий. Однако в.