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

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 m_0,

Р₀=1-N₀^*/N,

 где N₀^* — число испытаний, при которых перемещение нулевого уровня у₀^maxбольше допустимого [y₀], N – количество испытаний;

• вероятности Р_i не превышения перекосов этажей в уровнях всех масс:

P_i=1-N_i* /N                                                                                    (1)
где N_i*-число испытаний, при которых для i-го этажа выполняется условие;

θ_i= (Y_i — Y_i-1)/ H_i >[θ], где [θ] – допускаемый перекос этажа, θ_i– расчётный перекос i-го этажа,   i=1, 2, …..n,             y_i —    y_i-1 —  скорости i-той масс  H_i -высота этажа

• Надёжность здания:

Р_Т=Пⁿ_i=1 Р_i,
где  Р_i 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:  f_тр=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 f_тр=0,12,  ∆₁=3 см, ∆₂=12 см    при сейсмическом воздействии с параметрами а_max=200 см/с², Т_j=0,1÷0,9 сек

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

В таблице 1 приведены вероятности Р_t – 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

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: