Методы антисейсмического усиления сооружений

Сейсмические силы не являются внешними, а генерируются самой конструкцией в процессе колебаний. Поэтому существуют два пути повышения сейсмостойкости сооружений – традиционный, когда сейсмические нагрузки воспринимаются за счет развития сечения конструкций, и специальный, основанный па снижении сейсмических нагрузок за счёт целенаправленного изменения динамической схемы работы сооружения.

Традиционные методы давно используют в практике строительства, но специальные методы позволяют существенно снизить затраты и повысить надёжность возводимых сооружений.

СЕЙСМОЗАЩИТА

Традиционная

Специальная

Активная

Пассивная

Сейсмоизоляция

Сейсмогашение

Стационарная

Адаптивная

Динамические гасители колебаний

Демпфирование

При наличии возвращающей силы

При отсутствии возвращающей силы (сейсмопояс)

Большой массы

Малой массы

На упругих элементах

Гравитационная (на кинематических опорах)

 

 

 

 

Разделяем специальную сейсмозащиту на активную, имеющую дополнительный источник энергии, и пассивную. Есть работы по активной сейсмозащите, но ее реализация требует значительных затрат на устройство и эксплуатацию, поэтому она не нашла широкого применения для строительных конструкций. В системах сейсмогашения включаются демпферы и динамические гасители, механическая энергия колеблющейся конструкции переходит в другие виды энергии, что приводит к демпфированию колебаний. В системах сейсмоизоляции обеспечивается снижение механической энергии, полученной конструкцией от основания, путем отстройки частот колебаний сооружения от преобладающих частот воздействия.

Различают адаптивные и стационарные системы сейсмоизоляции. В адаптивных системах динамические характеристики сооружения необратимо меняются в процессе землетрясения, приспосабливаясь к сейсмическому воздействию. В стационарных системах динамические характеристики сохраняются в процессе землетрясения.

Наибольшее распространение среди систем стационарной сейсмоизоляции получили сейсмоизолирующие фундаменты (СФ), часто применяемые у нас и за рубежом. Они разделяются на две группы в зависимости от того, возникает или нет возвращающая сила при взаимном смещении частей сооружения. Сейсмоизоляция, не обеспечивающая возвращающей силы, действующей на сейсмоизолируемые части конструкций, реализуются путем устройства скользящего пояса. Конструкции, в которых возникает возвращающая сила между сейсмоизолируемыми частями сооружения, разделяются на две группы: с упругими опорами и кинематическими опорами гравитационного типа.

 

 

1. Традиционные методы и средства защиты зданий и сооружений от землетрясений.

 

Эти методы являются основными в практике строительства и включают большой комплекс мероприятий, направленных на повышение несущей способности строительных конструкций.

Основные принципы сейсмостойкого строительства:

· Все строительные материалы, конструкции и конструктивные схемы должны обеспечивать наименьшее значение сейсмических нагрузок.

· Рекомендуется при проектировании принимать симметричные конструктивные схемы и добиваться равномерного распределения жесткостей конструкций и масс.

· Следует соблюдать требование равнопрочности элементов несущих конструкций, не допускать слабые узлы и элементы, которые могут привести к разрушению сооружения до исчерпания его несущей способности.

· В зданиях из сборных элементов рекомендуется устраивать стыки вне зоны максимальных усилий, обеспечивать однородность и монолитность конструкций за счет применения укрепленных сборных элементов.

· Существенное влияние на сейсмостойкость зданий оказывает выбор объемно-планировочных схем, их формы и габаритов. Анализ последствий сильных землетрясений показывает, что лучшие формы сооружения в плане – круг, прямоугольник, квадрат и близкие им по формам очертания. В таких зданиях практически исключаются крутильные колебания. Если необходимо создание сложных форм в плане здания, то его следует разрезать по всей высоте на отдельные замкнутые отсеки простой формы, чтобы обеспечить независимую работу каждого из них во время землетрясения. Достигается это устройством антисейсмических швов, которые можно совместить с температурными или осадочными.

· В многоэтажных зданиях необходимо обеспечить монолитность перекрытий и покрытий – в сборных – путем замоноличивания стыков между плитами. Также устраивают стыки между стеновыми панелями путем устройства шпоночной поверхности боковых граней.

· Большое влияние на величину сейсмических нагрузок оказывает масса сооружения. Поэтому необходимо стремиться к максимальному снижению веса конструкций, и, соответственно, сейсмических сил. Это достигается применением облегченных конструкций, перенесением тяжелого оборудования, складирование материалов в нижние этажи.

· Существуют различные конструкции монолитных железобетонных антисейсмических поясов, систем сопряжения стен и перекрытий.

· При устройстве блочных и панельных стен усиливают стыки наружных и внутренних стеновых панелей, закладные детали на сварке стыков стеновых панелей и перекрытий. Отметим болтовые соединения стен и перекрытий японских зданий.

· Каркасные здания имеют значительно больший период собственных колебаний, чем бескаркасные, поэтому динамический эффект воздействия на здание существенно снижается. Недостаток – неравномерное распределение усилий в элементах каркаса от горизонтальных нагрузок по этажам, также отличаются повышенной деформативностью.

· Наличие в каркасах различных связей, диафрагм жесткости способствует ограничению перемещений, к увеличению жесткости здания, приводит к частичному поглощению энергии, передаваемой колеблющимся основанием к надземной части здания. Диафрагмы, связи и ядра жесткости устанавливаются непрерывными по всей высоте здания и располагаются в обоих направлениях равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания.

· В сборных каркасах желательно разрезку каркаса делать по точкам нулевых моментов на стойках, а на ригелях – в четвертях или середине пролетов. Стыки колонн центруют, применяя ванную сварку рабочей арматуры и тщательно замоноличивают.

 

2. Сейсмоизоляция зданий и сооружений.

 

Еще в средние века при строительстве среднеазиатских минаретов в фундаменты укладывали специальные «камышовые пояса» или подушки из сыпучего материала.

Первые работы были направлены на снижение периода основного тона колебаний. Вспомним график коэффициента динамичности: амплитуда спектральных кривых по мере увеличения периода собственных колебаний убывает.

Системы сейсмоизоляции подразделяются на две группы: адаптивные и стационарные, причем стационарные системы могут иметь или не иметь возвращающую силу, действующую на сейсмоизолированные части сооружения. Рассмотрим сначала стационарные системы сейсмоизоляции.

 

1. Здания с гибким нижним этажом.

Наиболее типичный прием устройства сейсмоизоляции при наличии возвращающей силы. Гибкий этаж может быть выполнен в виде:

Здание с гибким нижним этажом 1- надземная часть здания; 2 - гибкие опорные элементы; 3 - подземная часть здания.

- каркасных стоек, - упругих опор, - свай, - пакета упругих стержней небольшого диаметра, размещенного между надземной и подземной частями здания.

Упругие стойки в нижних этажах зданий – «гибкий этаж» начали использовать как сейсмоизолирующее устройство еще в 30-е годы прошлого века в США. Положительная роль «гибкого этажа» была отмечена при землетрясениях невысокой интенсивности, когда деформации стоек не превышает линейно-упругую стадию. При пластических деформациях узловые усилия не перераспределяются на другие конструкции. Поэтому при высокой интенсивности землетрясения в здании в первую очередь разрушаются стойки «гибкого этажа», что приводит к обрушению всего здания. В последнее время появились предложения по использованию стальных колонн в первом этаже при расчетном ограничении горизонтального смещения.

 

2. Здания на резинометаллических опорных частях.

Получили широкое распространение за рубежом – в Японии, США, Китае. Представляют собой многослойные столбы из листов резины (каучука) и металла со свинцовым сердечником. Исследования сооружений на резинометаллических опорах показали их высокую надежность, однако стоимость самих фундаментов высока, до 30% от стоимости здания. Кроме того, существуют проблемы с их ремонтом и заменой, т.к. гарантированный срок эксплуатации составляет 40- 50 лет в связи с потерей упругих свойств резины.

 

Основной проблемой при проектировании сооружений на упругих опорах явилась сложность обеспечения их прочности при значительных взаимных смещениях сейсмоизолированных частей фундамента.

 

 

3. Гравитационные кинематические опоры.

Конструкция включает опорные части в виде эллипсоидов вращения между надземной частью и фундаментом. Во время землетрясения центр тяжести опор поднимается и образуется гравитационная восстанавливающая сила.

 

4. Кинематические опоры фундаментов Ю.Д. Черепинского.

Рассмотрим принцип работы кинематического фундамента (КФ), по схеме которого построено много зданий в Казахстане, Узбекистане и России:

 

Для построения силовой характеристики используется условие равновесия опрокидывающего и удерживающего моментов:

Из равенства которых, при , следует

, (1)

Где – силовая характеристика в уровне опор,

H – высота опоры, Δ H – высота подъема, t – плечо вертикальной силы, создающей удерживающий момент, – реактивные моменты в шарнире и на опорном основании.

Если плечо силы, создающей возвращающий момент, выразить через смещение Δ при заданном радиусе кривизны R и высоте H, а также пренебречь некоторыми величинами второго порядка малости, получим

(2)

Первая часть формулы отражает линейную зависимость без учета физических свойств элементов опоры и узлов их сопряжения. Ее график представлен диаграммой перемещений ДП₁ на рисунке

 

Угол наклона ДП_1, или жесткость на линейном участке, подобно математическому маятнику, не зависит от массы М здания, поэтому при абсолютной твердости материала опоры и идеальном шарнире, круговая частота колебаний ω такой системы с грузом Р зависит только от геометрических параметров R и H:

, где g – ускорение свободного падения.

Соответственно, период свободных колебаний равен

. (3)

При R→ H, T→ ∞, что приводит к отсутствию устойчивого равновесия (безразличное равновесие), при котором будут накапливаться остаточные смещения. Рассматривая такие смещения как нежелательные, для КФ, всегда принимается R> H, создающие подъем Δ H и М_удерж.

Вторая часть формулы (2) учитывает влияние реактивных моментов m₁ и m₂ с локальными деформациями в элементах опоры, включая тело опоры, опорное основание, надопорные конструкции и конструкцию шарнирного соединения. Если деформации не нарушают несущую способность опоры в целом, то они оказывают положительное влияние на динамику здания, играя роль энергопоглотителей.

С учетом моментов m₁ и m₂ начало движения теоретически становится возможным при начальной силе , а силовая характеристика должна иметь вид ДП₂. Но в результате отмеченных деформаций под действием накапливаются нелинейные перемещения Δ _н, и диаграмма принимает вид ДП₃. По результатам многих испытаний натурных зданий нелинейный участок с повышенной жесткостью отмечается в пределах Δ _н=2, 3-3см. Если жесткость на этом участке оценивать по частоте свободных колебаний, то при амплитуде 0, 4см она равна 3 – 2гц, а при амплитуде 2см уже достигает 1гц. Без учета нелинейного участка для принятых R =1, 5м, H= 1м, частота, согласно (3), равна 0, 36гц. Такой характер изменения жесткости делает опору малочувствительной к слабым воздействиям, что соответствует ее назначению снижать сейсмические толчки только повышенной интенсивности. Рекомендуется посмотреть испытания модели на сайте http: //www.youtube.com/watch? v=FHf2zVng1SQ

Там же показано множество видеосюжетов последнего японского землетрясения и других материалов, интересных для будущего инженера.

 

5. Сейсмоизолирующие опоры Spie Batignolle, Франция.

Система, не обеспечивающая возвращающей силы, реализуется путем устройства скользящего пояса.

 

Сейсмоизолирующая опора фирмы Spie Batignolle

1- бетонная опора; 2 - железобетонный оголовок; 3 - фрикционные пластины; 4 - верхняя фундаментная плита; 5 – плоскость трения; 6 - неопреновая прокладка.

 

 

Устраивается неопреновая прокладка (эластомер) между верхней фундаментной плитой и бетонной опорой, установленной на нижнюю фундаментную плиту. При слабых воздействиях, когда горизонтальная нагрузка на опорную часть не превосходит сил трения, система работает в линейной области. При увеличении нагрузки сила трения преодолевается и происходит проскальзывание верхней фундаментной плиты относительно нижней. При этом в несколько раз уменьшаются нагрузки на здание и оборудование.

Несмотря на многие достоинства, имеются и недостатки: теоретические расчеты фундаментов проводили на высокочастотные воздействия, и взаимные смещения фундаментных плит не превосходило 20 см. Однако при длиннопериодных воздействиях, задаваемых акселерограммами землетрясений в Бухаресте (1978 г.), Мехико (1985 г.), нормированных на ускорение 0, 4 g, т.е. интенсивностью 9 баллов, взаимные смещения фундаментных плит достигают 1 метра. Для снижения смещений надо увеличивать силы трения, а это ведет к увеличению ускорений и снижению эффективности работы фундамента.

 

6. Адаптивные системы сейсмоизоляции.

В этих системах динамические характеристики сооружения необратимо меняются в процессе землетрясения, «приспосабливаясь» к сейсмическому воздействию.

Пример 1. В нижней части здания между несущими стойками нижнего этажа устанавливаются связевые панели, отключающиеся при при интенсивном сейсмическом воздействии, когда в спектре воздействия преобладают периоды, равные или близкие к периоду собственных колебаний сооружения. После отключения панелей частота свободных колебаний падает, период колебаний увеличивается, происходит снижение сейсмической нагрузки. При низкочастотных воздействиях период собственных колебаний здания со связевыми панелями значительно ниже периодов колебаний грунта, поэтому резонансные явления проявляются слабо и связевые панели не разрушаются.

Недостатки: после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо их восстановление, что не всегда практически осуществимо.

Пример 2. Сдвигающаяся опорная часть моста, выполненная на фрикционно-подвижных болтовых соединениях.

 

7. Конструкции демпферов для гашения сейсмических колебаний.

Значительный эффект гашения колебаний можно достигнуть путем использования специальных поглотителей энергии (демпферов), обладающими повышенными диссипативными свойствами. Рассеяние энергии в них происходит за счет работы сил пластического деформирования, сухого или вязкого трения.

А) Свинцовый демпфер, разработанный в Новой Зеландии, представляет собой цилиндр и два поршня, соединенные стержнем, причем конец поршня крепится к подземной части здания. В пространстве между стенками цилиндра и поршнями размещается свинец, который при колебаниях здания протягивается через экструзионное отверстие, образованное стенками цилиндра в его суженном сечении и стержнем. Возникающие при движении поршня в цилиндре силы сухого трения позволяют значительно снизить сейсмические колебания при землетрясении.

Б) Система сейсмозащиты, предложенная японскими специалистами, представляет собой гидравлический демпфер, установленный в конструкции сейсмоизолирующего фундамента, в сочетании с гибкими опорными элементами обеспечивает высокую сейсмостойкость сооружения.

В) Демпферы сухого трения наиболее удобны с точки зрения практической реализации. Для создания демпферов сухого трения чаще всего предлагается использовать выполненные из различных материалов трущиеся пары: металл по металлу, бетон по бетону, полимерные прокладки различного типа по металлу или друг по другу. Для создания необходимых сил трения нужно обеспечить либо высокий коэффициент сухого трения, либо значительное обжатие трущихся пар. Идея принципа заключается в целенаправленном проектировании ослабленных элементов сооружения, которые будут в первую очередь повреждаться при землетрясениях. Повреждение указанных элементов должно обеспечить сохранность основных несущих конструкций сооружения в целом и эффективность ремонтно-восстановительных работ.