авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Расчет и рациональное проектирование сейсмоизоляции существующих и строящихся зданий (в условиях республики тыва)

-- [ Страница 2 ] --

Следующее ограничение должно ограничивать повреждаемость сейсмоизолированной части сооружения. Для обычных несейсмоизолированных зданий абсолютные максимальные ускорения оценивается величиной , где величина коэффициента динамичности для обычных типовых зданий > 1. Таким образом, можно рассматривать сейсмоизолированную часть сооружения как обычное несейсмоизолированное здание и ограничить его ускорение величиной []. Это будет гарантировать ограничение повреждаемости сейсмоизолированной части сооружения.

Далее в главе исследована точность применения одностепенной расчетной схемы сейсмоизолированного сооружения. Для расчета эффективности применения ССИ предложена следующая расчетная схема – рис. 4, в которой ЗО – здание, моделируемое как абсолютно твердое тело, смещается относительно движущегося фундамента во время сейсмического воздействия за счет работы ССИ, как параллелограммных механизмов. В параллелограммном механизме (рис. 4) горизонтальные ускорения массы, зависят не только от переносных инерционных сил, обусловленных движением основания, но и от действия вертикальной силы, т.е. от веса и вертикальной инерционной нагрузки. Если пренебречь влиянием вертикальных сил на движение одностепенной системы на рис. 4, то придем к одностепенной системе на рис. 5.

Для сравнительного анализа расчетной схемы с учетом особенности работы кинематических связей как параллелограммных механизмов (рис. 4), одностепенной расчетной схемы на (рис. 5), а также расчетов здания по КЭ модели был выполнен анализ результатов по всем вышеперечисленным схемам для девятиэтажного сейсмоизолированного здания при различных сейсмических воздействиях. Исходными данными в качестве сейсмических воздействий являлись акселлерограммы исследовательского центра Калифорнии (Эль Центро). После оцифровки для дальнейших расчетов были выбраны воздействия соответствующие по шкале балльности от 7 до 9 баллов. Сопоставление результатов расчетов представлено в виде таблиц 3 и 4, в которых значком «п» обозначены решения, соответствующие параллелограммной схеме.

Анализ таблиц 3 и 4 показывает, что в условиях динамической устойчивости параллелограммную модель можно не рассматривать, однако, более подробные исследования показали, что эта модель нужна для выявления областей динамической неустойчивости одностепенной модели.

На рис. 6 показаны результаты расчета по одностепенной модели, на рис. 7 показаны относительные перемещения и абсолютные ускорения, полученные в результате прямого динамического конечно-элементного расчета. Расчет проводился для 9 этажного здания при воздействии № 3 (с максимальным ускорением грунта 3,46 м/с2). Графики на рисунке 7 соответствует нижним точкам здания.

Для сравнительного анализа движения девятиэтажного здания с применением и без применения ССИ был выполнен прямой динамический конечно-элементный расчет, а также были построены спектральные кривые для системы с одной степенью свободы. Спектральная кривая для воздействия № 3 представлен в виде зависимости максимальных значений абсолютных ускорений от частоты на рис. 8.

Сравнение результатов расчета сейсмоизолированного здания и здания без ССИ (табл. 5) подтверждает эффективность сейсмоизоляции здания, т.к при установке под фундаментом здания ССИ горизонтальные ускорения на верхней отметке конструкции снижаются в 5 – 10 раз по сравнению с несейсмоизолированным зданием.

 Спектральная кривая воздействия № 3-26

Рис. 8. Спектральная кривая воздействия № 3

Результаты расчета КЭ модели позволило определить, что значение перемещения в верхней и нижней точках сейсмоизолированного здания близки по амплитуде. Таким образом, строительная конструкция расположенная выше сейсмоизолированного фундамента совершает колебания как твердое тело, что подтверждает оправданность применения упрощенных расчетных схем для усредненных оценок поведения системы «ЗО – ССИ» и эффективности сейсмозащиты для зданий средней этажности.

Была исследована реакция сейсмоизолированного здания при низкочастотном воздействии. Результаты расчета сейсмоизолированного здания при низкочастотном Карпатском воздействии в зависимости от количества принятых опор приведена в табл. 6.

Как видно из табл. 6 снижение относительных перемещений при низкочастотном воздействии можно достичь, увеличив количество опор. Но для РМО, чтобы снизить до требуемого уровня относительных перемещений потребуется значительное количество опор, тем самым удорожается стоимость работ. Более эффективным при низкочастотном воздействии является ПД за счет своей силовой характеристики (т.е. высокой «ступеньки» силы срабатывания fТ ) и незначительной упругой составляющей. На основании расчетов предложен алгоритм подбора параметров ССИ при низкочастотном воздействии.

В дальнейшем оценивается влияние высших собственных форм колебаний (n>1) сейсмоизолированного здания в динамическом процессе, происходящем при землетрясении. Рассматривается линейная модель сейсмоизолированного здания (рис. 10).

На рис. 10 балка моделирует здание, а упругий элемент с жесткостью с – сейсмоизоляцию. Параметры балки: m0 – погонная масса, EI – изгибная жесткость.

Рассчитаем эту модель, используя линейно-спектральный метод, для чего найдем собственные формы и частоты. Учитывая очень высокую жесткость сейсмоизоляционных опор в вертикальном направлении граничные условия можно записать следующим образом:

(1)

где – поперечные перемещения балки, – координаты центров сечений.

Применив стандартные процедуры для отыскания собственных форм получим характеристические уравения:

(2)

где , - 1-ая частота консольной балки (рис. 11), - частота абсолютно жесткой балки с упругой жесткостью с (рис. 10).

Обычно fT=2T 0,5 Гц,

fб=2б 3 Гц, таким образом t23.

Дальнейшие выкладки проводим для t2=3. Если t2>3, то эффект упругих балочных колебаний будет еще меньше, чем показано ниже.

При t2=3 получаем:

(3)

Соответствующие этим характеристическим числам собственные формы колебаний равны:

(4)

Где

Используя СНиП II-7-81* определим модальные инерционные сейсмические нагрузки:

(5)

где

Первый тон колебаний балки практически соответствует ее перемещению как твердого тела. Второй тон описывает основную часть ее упругих колебаний.

Разница между уровнями ускорений, соответствующих различным собственным формам определяется для отношением:

(6)

Предположим, что система «резонирует» по второму тону, т.е. 2 принимает максимальное значение 2=2,5. А по первому тону (движение как твердого тела), исходя из результатов, полученных в главе 4, можем принять 1=0,5, тогда

Таким образом, вклад второго тона собственных колебаний при сейсмическом воздействии для сейсмоизолированного здания составляет около 35%, если ССИ снижают сейсмические нагрузки в два раза. При большем снижении уровня нагрузок влияние второго тона может увеличиться. На расчет прочности этот эффект сказывается незначительно. Совсем иное дело, когда в сейсмоизолируемом здании устанавливается высокоточное оборудование, для него выявленное пиковое ускорение может иметь принципиальное значение.

Четвертая глава посвящена оценке прочности сейсмоизолированных зданий.

В настоящее время анализ прочности сооружений при сейсмическом воздействии производится на базе линейно-спектральной теории сейсмостойкости. В соответствии с ним можно оценить сейсмические нагрузки и усилия в элементах линейной системы. Исходными данными для расчета являются уровень сейсмического воздействия А (зависящий от балльности землетрясения) и спектр отклика ускорений, т.е. зависимость коэффициентов динамичности сейсмовоздействий от собственных частот сооружения. Если сооружение поставлено на систему сейсмоизоляции (ССИ), то вышеуказанный подход неприемлем. Действительно, силовая характеристика сейсмоизоляционных опор нелинейна.

Для сооружения, расположенного на таких сейсмоопорах принцип суперпозиции нагрузок неприменим, что делает невозможным прямое применение СНиП II-7-81*. Если в некоторых случаях характеристики сейсмоизоляторов все же удается линеаризовать, то период Т основного тона собственных колебаний сооружения оказывается больше 23 с (иначе сейсмоизоляция неэффективна). Согласно СНиП II-7-81*, значения спектра отклика ускорений для Т 2с принимаются постоянными: =0,8. Таким образом, установить реальный эффект сейсмоизоляции с помощью нормативных спектров не удается. Поэтому анализ эффективности ССИ проводят, выполняя так называемый прямой динамический расчет, т.е. пошаговое интегрирование нелинейной системы «сооружение - ССИ». Расчет должен проводиться для представительной выборки сейсмовоздействий. Таким образом, в результате проведенных расчетов исследователь имеет дело с огромным информационным массивом (значениями внутренних усилий в узлах конечно-элементной модели в различные моменты времени и для различных воздействий), малопригодным для проектного анализа. Ниже предложена методика оценки сейсмопрочности сейсмоизолированных сооружений, позволяющая существенно уменьшить объем анализируемой информации и в то же время, использовать основные рекомендации СНиП II-7-81* по оценке сейсмостойкости конструкций. Последнее обстоятельство важно тем, что в СНиП II-7-81* аккумулирован огромный проектный и экспериментальный опыт сейсмостойкого строительства, в частности, позволяющий надежно учесть неупругое поведение сооружения (появление трещин и т.д.).

Существо предлагаемой методики в следующем. В качестве исходных данных для расчета используются параметры, полученные при обработке законов движения кинематического фундамента (КФ). Расчет движения КФ может быть выполнен с помощью программ, учитывающих нелинейности в ССИ, таких как ING+. Анализ напряженно-деформированного состояния при этом не проводится.

Для перехода от закона движения КФ к нагрузкам на здание используется идея поэтажных спектров, т.е. исходя из параметров движения КФ, определяются эквивалентные статические нагрузки, а потом проводится прочностной расчет. Такой подход позволяет в дальнейшем ввести понижающий нагрузку коэффициент К1.

Таким образом, методика предполагает следующий порядок расчета:

1) выполняется прямой динамический расчет системы «сооружение – ССИ». Расчет производится для представительной выборки воздействий, сгруппированных по балльности. В результате расчета находятся законы движения КФ сооружения;

2) для каждого закона движения КФ находится нормированный спектр отклика ускорений на MathCAD.

3) производится статистическая обработка спектров отклика и максимальных (по времени) значений абсолютных ускорений КФ. В результате обработки находятся:

а) усредненный спектр отклика ускорений (усреднение производится по всем спектрам независимо от балльности);

б) средние значения абсолютных ускорений КФ (Акфмах), соответствующие различным балльностям землетрясений (при статистической обработке спектр отклика находится как оценка математических ожиданий плюс оценка стандартного отклонения, а пиковые значений ускорений КФ (Акфмах) как оценка математических ожиданий;

4) указанные средние значения используются как исходные данные для расчета в соответствии с рекомендациями СНиП II-7-81*.

В качестве примера применения этой методики приведен анализ сейсмостойкости девятиэтажного панельного здания, расположенного на РМО. Вес здания 6000 т, здание расположено на 37 РМО, каждая грузоподъемностью 280 т. В качестве исходных данных для проведения динамических расчетов были использованы акселлерограммы Холистера, Броули, Кишиневского, Спитакского, Ташкентского, Карпатского землетрясения, а также акселерограммы исследовательского центра в Калифорнии (Эль Центро), захватывающие высоко-, средне- и низкочастотные составляющие. Ускорения грунта были разбиты на три группы, соответствующие интенсивности землетрясений 7, 8 и 9 баллов. Каждая группа воздействий состояла из 10 акселерограмм.

Для каждой акселерограммы был построен нормированный спектр отклика ускорений на MathCAD. Использовалась обычная процедура построения спектров ускорений. Спектры ускорений находились при значении относительного затухания =0,05.

Спектральный коэффициент динамичности находился по формуле:

После того, как были получены спектры отклика для всех акселерограмм, была произведена их статистическая обработка.

Сравнение спектра, полученного после статистической обработки, с нормативными показано на рис. 13. Полученные результаты показывают, что выбранные акселерограммы, имеют такой же характер, как нормативный спектр отклика. Поэтому ансамбль внешних воздействий можно считать представительным.

Рис. 13. Сравнение полученного спектра с нормативными

Каждая акселерограмма, описывающая ускорение грунта, подавалась на вход математической модели «сооружение – ССИ». Расчет проводился с помощью ПК «MicroFe» (опция «нелинейный анализ»). Из полученных решений были установлены законы движения КФ здания.

Следующим этапом расчета было определение спектров отклика, соответствующих абсолютным ускорениям КФ. Результаты статистической обработки этих спектров показан на рис. 15.

Рис. 15. Усредненный спектр отклика, соответствующий движению КФ

Статистическая обработка Акфмах приведена в таблице 7.

Если считать, что внешними воздействиями на здание являются движения КФ, то в соответствии СНиП II-7-81*, для расчета сейсмостойкости нужно определить частоты здания, считая его жесткозащемленным в КФ. Эти частоты, определенные с помощью ПК «MicroFe» даны в таблице 8.

Сравнивая данные таблицы 8 и спектры, показанные на рис. 15, видим, что сейсмоизоляция позволила «отстроиться» от резонансных частот f 3,8 Гц.

Эффект ССИ виден из таблицы 9, в которой для разных собственных частот приведены произведения А, определяющие уровень эквивалентной статической нагрузки для каждой собственной формы.

В рассматриваемом случае сейсмоизоляция снизила нагрузки по всем формам более чем в 3 раза.

Предлагаемая методика позволяет: уменьшить объем выходной информации и упростить анализ результатов расчета по сравнению с прямым динамическим расчетом; использовать коэффициенты понижения нагрузки К1, учитывая тем самым возможность частичного разрушения сооружения.

основные выводы и результаты

Основные результаты настоящей работы в следующем:

  1. Выполнен теоретический и численный анализ динамики зданий средней этажности, расположенных на нелинейной ССИ;
  2. Разработан алгоритм выбора рациональных параметров ССИ с учетом ветровой нагрузки
  3. Обосновано применение упрощенных расчетных схем сейсмоизолированного здания;
  4. Исследована точность применения одностепенной расчетной схемы для анализа динамики сейсмоизолированного здания средней этажности;
  5. Теоретически и численно выполнена оценка влияния высших собственных форм сейсмоизолированного здания;
  6. Предложена проектная методика оценки сейсмопрочности сейсмоизолированных зданий.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Чылбак, А.А. Обоснование необходимости повышения сейсмостойкости зданий в условиях Республики Тыва / А.А. Чылбак. // Актуальные проблемы современного строительства: 59-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых : сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. – СПб, 2006. – Ч.1. – С. 74-76.
  2. Чылбак, А.А. Рациональное проектирование сейсмозащиты с учетом нелинейности опор / А.А. Чылбак. // Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов: труды XXII Междунар. конф.: сб. трудов. / СПб: 24-27 сентября 2007 г. – Том 2. – С. 387-392.
  3. Чылбак А. А. Оценка сейсмической опасности Республики Тыва / А.А. Чылбак. // Научные труды Тывинского государственного университета. Вып. V Том. I. – Кызыл: Изд-во ТывГУ, 2008. – С. 31-33.
  4. Чылбак, А. А. Исследование НДС крупнопанельного здания на сейсмическое воздействие / А.А. Чылбак. // Актуальные проблемы современного строительства : 61-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых : сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. – СПб, 2008. – Ч. 1. – С. 108-111.
  5. Рутман, Ю.Л. Оценка сейсмопрочности здания, расположенного на системе сейсмоизоляции / Ю.Л. Рутман, А.А. Чылбак. // Вестник гражданских инженеров. – 2009. – №1 (18). – С. 30-33. (по списку ВАК)
  6. Чылбак, А.А. Оценка влияния высших собственных форм сейсмоизолированных зданий / А.А. Чылбак. // Промышленное и гражданское строительство. – 2009. – № 4. – С. 41. (по списку ВАК)


Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.