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 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:

РТni=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 уровнейn 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

 

 

Тjсек

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

 

Тjсек

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
Рейтинг: 0

Автор публикации

0
не в сети 3 года

Kacenelenbaum

Комментарии: 0Публикации: 10Регистрация: 11-02-2016

Оставьте комментарий


Яндекс.Метрика
Авторизация
*
*


Регистрация
*
*
*

Генерация пароля