1.3.3.Расчет искусственных акселерограмм
Для инженерных расчетов в рамках СМР, т.е. для анализа влияния локальных условий на сейсмические воздействия, необходимы записи движений грунта. В некоторых случаях исследователи располагают реальными экспериментальными записями сильных движений на рассматриваемой площадке либо в других местах, где локальные и региональные геологические и тектонические условия схожи. Однако, в подавляющем большинстве случаев это не так, и поэтому возникает необходимость в расчете искусственных акселерограмм.
В настоящее время существует множество различных подходов к расчетам временных рядов движений грунта. Пожалуй, самый простой из них представляет собой модификацию реальной записи землетрясения посредством умножения на определенный коэффициент, равный отношению пиковых значений моделируемого временного ряда и реальной записи. Из-за существенных различий в спектре и длительности записей землетрясений разной магнитуды устанавливаются определенные ограничения на величину коэффициента [103, 111].
Еще одно семейство алгоритмов является стохастическим и оперирует только во временном представлении сигнала. Упрощенно синтез акселерограммы представляет собой перемножение стационарного сигнала (например, белый шум) и нестационарного сигнала (например, огибающая) [118, 111].
Следующее семейство алгоритмов, являющееся стохастическим, представляет спектрально-временная модель, предложенная Я. М. Айзенбергом [2]. Данная модель сейсмических колебаний грунта, учитывает возможное разнообразие спектрального состава различных землетрясений и позволяет прогнозировать спектры вероятных, но незарегистрированных землетрясений. Особенностью модели является то, что в расчетах учитывается набор акселерограмм (или спектров реакции). Каждой акселерограмме из набора или спектру реакции соответствует определенная доминантная (несущая) частота. Доминантные частоты заполняют определенный диапазон, область, задаваемую на основании имеющихся эмпирических данных. Такой способ описания расчетного воздействия учитывает неполноту исходной информации о доминантных частотах ожидаемых землетрясений. Эта неполнота информации определяется как отсутствием сейсмологических данных, так и физическим разнообразием движений.
Дальнейшее развитие спектрально-временная модель получила в работах учеников Я.М. Айзенбрега: В.И. Смирнова, К.Ю. Залилова, С.Н. Урановой и других [2 и др.].
Другое семейство алгоритмов также являются стохастическими, однако действует в частотном представлении сигнала, комбинируя амплитудный и фазовый спектр Фурье. При этом амплитудный спектр моделируемого события может рассчитываться как из спектров реальных записей [117], так и исходя из неких теоретических оценок [98, 99, 56].
В отдельной, довольно обширной группе алгоритмов для расчета используются функции Грина. Причем, в одних случаях в качестве функции Грина принимается некая теоретическая оценка, например, с использованием дискретных волновых чисел [100, 101] или техники матричного импеданса [14], а в других используются реальные записи слабых сейсмических событий (эмпирическая функция Грина) [107, 113].
Активное развитие синтеза сейсмограмм с использованием записей более слабых землетрясений началось с публикации С. Хартзелла в 1978 году [105]. В этой работе сейсмограмма главного толчка рассчитывается с использованием его нескольких афтершоков.
Затем этот подход лег в основу более развитого алгоритма К. Ирикуры [108]. В этой работе рассматривается классическая модель очага Хаскелла [106], где очаг представляется в прямоугольном виде, сдвиговая дислокация возникает посредством распространения прямолинейного фронта вспарывания вдоль длинной стороны прямоугольника. В качестве исходной эмпирической функции Грина используется лишь один афтершок, в отличие от работы [105].
Метод Ирикуры развивался в течение долгого времени как самим автором с несколькими соавторами [109, 110], так и другими исследователями. Некоторые алгоритмы, основывающиеся на методе Ирикуры, используют так называемую гибридную функцию Грина, когда вместо реальной записи слабого события берется комбинация искусственных волновых форм, найденных различными методами [110], либо комбинация искусственных и реальных записей [116]. Кроме того, во многих работах вместо упрощенной модели очага Хартзелла берется фрактальная модель распределения субочагов [109, 95, 116].
Методика формирования набора акселерограмм, предназначенного для применения в прямых динамических расчетах зданий и сооружений предложена в работах И. Е. Ицкова. В работах рассматривается способ формирования расчетного набора синтезированных акселерограмм. Этот набор предлагается формировать в виде группы синтезированных акселерограмм, согласующихся с заданными спектрами реакций (ускорений) и некоторыми другими характеристиками сейсмического процесса, в качестве которых рассматриваются длительность, частотный состав и форма огибающей.
ГЛАВА II. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
2.1.Анализ повреждений многоэтажных каркасных зданий при землетрясениях
Колебания поверхности земли при сейсмическом воздействии по частоте, направлению и амплитуде носят случайный и нестационарный характер, зависящий от магнитуды, глубины фокуса, геологического строения и ряда других факторов. Однако для многих землетрясений по записям акселлерограмм можно построить спектральные кривые – зависимости между ускорением поверхности земли и периодом колебаний. Анализ спектральных кривых позволяет разделить землетрясения на несколько типов.
- Землетрясения типа толчок (Агадир 1960, Джамбул 1971). Они происходят только на небольших расстояниях от эпицентра, только на твердых грунтах и только при неглубоком фокусе. Преобладающими являются колебания с короткими периодами (Т<0.2 сек).
- Крайне нерегулярные движения умеренной интенсивности (Эль-Центро 1940). Для землетрясений такого типа характерны небольшое расстояние от фокуса и обязательно наличие твердых грунтов. Распределение энергии между широким диапазоном периодов колебаний (от 0.05 до 6 сек) в среднем равномерное.
- Движение грунта большой продолжительности с резко выраженным преобладанием определенных, как правило, длинных, периодов колебаний (Мехико 1964 и 1985, Баканао 1979), возникающее вследствие прохождения колебаний через пласты слабого грунта.
- Землетрясения, записи которых характеризуются большими ускорениями, как в области коротких (0.2 — 0.4 сек), так и в области длинных периодов.
- Движение, сопровождающееся значительными остаточными деформациями грунтов основания (Вальдивия и Пуэрто-Монт 1960, Анкоридж 1964, Ниигата 1964), что делает невозможным выделение каких-либо преобладающих периодов колебаний.
Анализ последствий сильных землетрясений, относящихся к первым четырем группам, указывает на то, что реакции зданий и сооружений и их повреждения связаны с резонансными явлениями. Наступление резонанса зависит от соотношения частот преобладающих сейсмических колебаний и собственных частот сооружения [42, 20].
Наглядным примером резонансных явлений служат повреждения 3-этажного здания инженерной школы Университета в г. Консепсьоне (Чили), полученные при землетрясении 1960 года интенсивностью 8 — 10 баллов [60]. Во время первого сейсмического толчка 21 мая были разрушены все вертикальные связи, находившиеся в уровне первого этажа, из-за чего собственная частота по основному тону снизилась с 1.25 до 0.94 Гц. Второе землетрясение 22 мая здание встретило без связей и в результате того, что имело собственную частоту ниже доминантной частоты сейсмических колебаний, не получило серьезных повреждений. Хотя амплитуда колебаний первого этажа относительно фундамента составила около 6 см.
Землетрясение в Анкоридже (Аляска) 1964 года (магнитуда 8.2 — 8.6) [59] характеризовалось длинными периодами (более 0.5 сек) и большой продолжительностью. Поэтому многие гибкие, в том числе высотные, здания оказались в режиме резонансных колебаний. Тем не менее, здания со стальными каркасами, построенные в соответствии с сейсмозащитными нормами, удовлетворительно перенесли землетрясение. Например, 8-этажный жилой дом «Хил Билдинг» со стальным каркасом, центральным железобетонным ядром жесткости и монолитными перекрытиями получил умеренные повреждения, которые в основном концентрировались в уровне первого этажа: в стенах лестничной клетки образовались волосяные и крупные X-образные трещины со сдвигами. В отличие от стальных, железобетонные здания в Анкоридже пострадали особенно сильно, что было связано с расстройством стыков, не обладавших достаточной пластичностью и ударной вязкостью.
Во время землетрясения в Ниигате (Япония) в 1954 году силой 7.5 баллов основные повреждения зданий и сооружений были связаны с грунтовыми условиями площадки строительства. Среди зданий со стальными каркасами наиболее сильными были повреждения объектов, решенных по рамной схеме, возведенных на рыхлых грунтах. Здания же на плотных грунтах почти не пострадали.
Во время Мексиканского землетрясения 1985 года, магнитудой 8.1 — 7.5 [119], в Мехико разрушилось большое число современных многоэтажных каркасно-панельных зданий (в то время как рядом расположенные кирпичные здания старой постройки имели незначительные повреждения). Причиной этого являются гидро-геологические условия территории Мехико, в связи с чем в сейсмическом спектре преобладали длиннопериодные (1.5 — 3 сек) колебания, а продолжительность активной фазы землетрясения составила около 3 минут. Эти обстоятельства привели к тому, что в резонанс попали здания с гибкими рамными каркасами и гибкими нижними этажами.
Наиболее масштабными были обрушения и сильные повреждения железобетонных каркасных зданий, а здания со стальными каркасами значительно лучше перенесли это землетрясение. Например, стальные конструкции здания «Латино Американа» без существенных повреждений выдержали не только это, но и предшествующие землетрясения 1957, 1978 и 1979 годов. Основными видами повреждений, зафиксированными при обследовании стальных каркасов были местное выпучивание элементов, развитие пластических деформаций и разрывы в узлах соединений ригелей с колоннами. Необходимо отметить, что стальные связевые каркасы пострадали сравнительно мало, поскольку имея более высокие собственные частоты, они попали в резонанс в меньшей степени нежели здания с гибкими рамными каркасами.
Существенные повреждения получили железобетонные каркасно-панельные здания рамной схемы во время Курильского землетрясения 4 октября 1994 года (интенсивность 8-9 баллов). Часть зданий такого типа разрушилась полностью (2-этажный комбинат бытового обслуживания в пос. Горячие Ключи на острове Итуруп) или частично (3-х этажный госпиталь — там же) поскольку они располагались в зоне неотектонических нарушений. Наиболее характерными повреждениями элементов каркасов явились разрушения приопорных участков колонн по наклонным сечениям, которые иногда сопровождались хрупким разрушением бетона, обрывом поперечной и выпучиванием продольной арматуры; полное или частичное обрушение самонесущих стен. На основании анализа последствий Курильского землетрясения [22] сделан вывод о том, что конструктивное решение железобетонных каркасных зданий по рамной схеме, при отсутствии вертикальных элементов жесткости (диафрагм, связей) не обеспечивает требуемого уровня сейсмостойкости.
Аналогичный вывод был сделан по результатам Чилийского землетрясения 1985 года интенсивностью 7 — 8 баллов и доминантными частотами 1 — 2 Гц. Обследование зданий электростанции и шестипролетного павильона в г. Вальпараисо, выполненных в железобетоне, показало, что основные повреждения концентрируются в концевых участках колонн с расслоением бетона и оголением арматуры. Причем, повреждения угловых колонн в здании электростанции были особенно сильными, что говорит о значительном влиянии крутильных колебаний.
Основная причина повреждений железобетонных каркасных зданий во время землетрясения силой 9 — 11 баллов в Кобе (Япония) в 1995 году связана с потерей несущей способности колонн при сдвиге из-за недостаточного поперечного армирования и слабой связи арматуры и бетона. Наиболее массовыми были повреждения первых этажей зданий, но многие 8 — 10 этажные дома получили повреждения по типу «слоеного пирога», что может быть связано с комбинацией вертикальных и горизонтальных нагрузок на слабые каркасы и узкие простенки при 2-й форме колебаний (например, здание Кобе Сити Холла обрушилось на уровне 6-го этажа). В отличие от железобетонных, ни одно из зданий со стальными каркасами не обрушилось, но из-за больших перемещений в их стеновом ограждении образовались значительные трещины.
Как следует из приведенных примеров, наличие вертикальных связей во многих случаях обеспечивает большую сохранность зданий, а их отсутствие влечет за собой существенные перемещения и опасность опрокидывания, особенно при длиннопериодных землетрясениях. Тем не менее, имеется достаточный опыт, свидетельствующий о том, что здания, оснащенные вертикальными связями, также оказываются уязвимыми. Например, при землетрясении в Мияджикен-Оки (Япония) 12 июня 1978 года типичными для зданий со стальными каркасами были разрушения диагональных связей между колоннами и, как следствие этого, разрушение стенового ограждения. Причем повреждения в некоторых зданиях были настолько большими, что их восстановление было признано нецелесообразным. Аналогичный характер повреждений зданий с связевыми каркасами (разрушение связей и обрушение керамзитобетонных навесных панелей) наблюдался после 9-балльного Газлийского землетрясения 19(20) марта 1984 года.
Приведенный анализ последствий землетрясений для каркасных зданий позволяет сделать следующие выводы:
- Выбор той или иной конструктивной схемы должен производиться на основании учета сейсмо-тектонических и гидро-геологических особенностей площадки строительства, обуславливающих повторяемость землетрясений, их интенсивность, преобладающий частотный спектр и продолжительность активной фазы сейсмических колебаний.
- Основные повреждения зданий с железобетонными каркасами связаны с разрушениями при изгибе и внецентренном сжатии (колонны, ригели, узловые сопряжения), проявляющимися в виде трещин, отслоения и выкрашивания бетона, выпучивания продольных стержней, отрыва поперечной арматуры. Кроме этого, короткие или широкие колонны разрушаются от преобладающих сдвигающих сил при изгибе, в результате чего появляются и раскрываются наклонные трещины, выкрашивается и раздробляется бетон. Повреждения от кручения зданий в плане могут наблюдаться в угловых колоннах, диафрагмах, ядрах жесткости в виде сетки произвольно ориентированных наклонных трещин.
- Стальные каркасы в большей мере отвечают требованиям сейомостойкости, поскольку они имеют меньшую массу, и, кроме этого, сталь обладает более высокими пластическими свойствами, нежели железобетон. Характерными видами повреждений являются интенсивные остаточные деформации; потеря местной устойчивости колонн, элементов ферм, связей; разрушение конструкций и их соединений от малоцикловой усталости; обрушение заполнений каркасов и падение ограждающих конструкций; разрушение сопряжений несущих конструкций и ограждения.
Анализируя приведенные выше типы повреждений каркасных зданий, можно констатировать, что проблема повышения сейсмостойкости является комплексной. Ее решение может быть связано с:
- выполнением ряда требований объемно-планировочного и конструктивного характера, обеспечивающих равномерное распределение масс и жесткостей;
- снижением массы надфундаментной части здания;
- обеспечением возможности безопасного развития пластических деформаций;
- обеспечением сохранности стенового ограждения и узлов его крепления к каркасу здания.
Выполнение перечисленных требований гарантирует необходимый уровень сейсмостойкости только в том случае, если несущие и ограждающие конструкции, а также узлы соединений, будут иметь несущую способность, достаточную для восприятия сейсмических нагрузок заданной интенсивности.
Обеспечение несущей способности может быть достигнуто за счет увеличения сечений, повышения процента армирования, использования более высокопрочных материалов. Опыт проектирования показывает, что такие мероприятия приводят к удорожанию стоимости строительства примерно на 4% от сметы на каждый расчетный балл. Поэтому данный подход к сейсмозащите зданий и сооружений получил название пассивного. Вместе с тем, поскольку основной причиной повреждений зданий при землетрясениях является резонанс, то сейсмические нагрузки на них зависят не только от интенсивности колебаний грунта основания, но и от динамических характеристик самих зданий. Из этого следует, что если проектировать здания и сооружения с изменяемыми или регулируемыми динамическими характеристиками, то можно снижать динамические реакции и тем самым уменьшать величины сейсмических нагрузок. Этот подход называют активным, а для его реализации используют методы активной сейсмозащиты.
Использование методов активной сейсмозащиты позволяет [59]:
- уменьшить объем антисейсмических мероприятий;
- повысить этажность здания;
- снизить требования к их конфигурации (возможность асимметрии надфундаментной части);
- использовать типовые решения зданий и сооружений, а также повысить надежность системы в целом.
2.2.Обзор активных способов сейсмической защиты
Существует целый ряд классификаций систем активной сейсмозащиты (САС), предложенных в работах [19, 59, 18, 94, 23]. Наиболее четкой и простой представляется классификация, приведенная B.C. Поляковым в [59]. В соответствии с ней большинство существующих систем активной сейсмозащиты могут быть отнесены к следующим основным группам (см. рисунок 2.1):
- системы, реализующие принцип сейсмоизоляции;
- адаптивные системы с изменяющимися характеристиками;
- системы с повышенным демпфированием;
- системы с гасителями колебаний.
Каждая из этих групп может быть разделена на несколько подгрупп, объединяющих САС по принципам конструктивной реализации или характеру динамического взаимодействия с защищаемой конструкцией. Возможно применение комбинированных систем сейсмозащиты, объединяющих две или более из приведенных на рисунке систем, что позволяет более полно использовать положительные качества каждой из них и уменьшить влияние отрицательных свойств.
зданий по B.C. Полякову [59]
2.2.1.Предварительно напряженные металлические конструкции
К одной из разновидностей, нелинейных динамических систем относятся предварительно напряженные металлические конструкции (ПНМК), использование которых позволяет в нужных пределах регулировать динамические характеристики и усилия в наиболее ответственных элементах сооружений [63]. ПНМК включают в себя как плоские конструктивные элементы (балки, фермы, арки) [24], так и пространственные конструкции (пространственные блоки покрытия, одноэтажные производственные и многоэтажные здания с преднапряженными элементами стенового ограждения [73, 78], башни, градирни, висячие и вантовые системы, вертикальные цилиндрические резервуары [33], трубопроводы и т.д.).
По сравнению с обычными, преднапряженные металлические конструкции обладают повышенными диссипативными свойствами. Кроме этого, предварительное напряжение приводит к снижению значений динамических прогибов и динамических напряжений в упругой стадии работы, а учет упругопластической стадии деформирования позволяет повысить резервы несущей способности конструктивных элементов и сооружения в целом за счет повышения энергопоглощения.
2.2.1.1.Системы с гасителями колебаний
Принципиально гаситель колебаний представляет собой дополнительную массу, которая, взаимодействуя с основной конструкцией, колеблется с повышенной амплитудой, снижая при этом уровень колебаний защищаемой конструкции. По характеру взаимодействия с защищаемой системой различают ударные и динамические гасители колебаний [65, 77].
Теория применения ударных гасителей разработана достаточно полно [39], и, благодаря простоте устройства и надежности эксплуатации, они давно нашли применение в строительной практике [77].
Динамические гасители колебаний в простейшем исполнении представляют собой массу на пружине, с помощью которой она крепится к защищаемому объекту. Динамические гасители наиболее эффективны для гашения колебаний, которые носят резонансный характер и возникают в конструкциях, обладающих малым затуханием.
В качестве иллюстрации использования данной системы в строительной практике можно привести здание Ситикорп-Центра в Нью-Йорке [18]. На 65 этаже размещен настроенный динамический гаситель. Он представляет собой бетонный блок массой 400 тонн, размещенный в корытообразном поддоне на 12 гидравлических опорах и связанный с двумя гидравлическими домкратами, шарнирно соединенными с перекрытием здания. Если горизонтальные колебания здания имеют ускорения равные 0.001 сек (1 Гал), включается мотор, увеличивающий давление в 12 гидравлических опорах, и убирается специальная фрикционная прокладка между опорами маятника и поддоном. Это приводит к снижению коэффициента трения до 0.01, в следствии чего маятник включается в работу и, двигаясь, оказывает через гидравлические домкраты тормозящее давление на здание. Система снабжена электронно-вычислительным комплексом.
Применение динамических гасителей колебаний в зданиях повышенной этажности с металлическим каркасом позволяет снизить сейсмическую нагрузку на балл, а для зданий с железобетонным каркасом – на половину балла [59].
К недостаткам сейсмозащиты зданий с помощью динамических гасителей следует отнести сложность конструкции и невозможность их применения для массового строительства из-за необходимости сложной индивидуальной настройки гасителя для каждого конкретного здания.
2.2.1.2.Системы с повышенным демпфированием
К данным системам относятся элементы с вязкими демпферами, с демпферами сухого трения, и с элементами повышенной пластической деформации. Их использование позволяет повышать затухание колебаний сооружений и тем самым снижать их реакции на сейсмические воздействия.
2.2.1.2.1.Системы с вязкими демпферами
В качестве примера CAС с вязким демпфированием можно привести систему, разработанную ЦНИИСКом им. В.А. Кучеренко [59]. Демпфер состоит из цилиндрического корпуса, в который с определенным зазором помещен поршень (см. рис. 2.2). Демпфирующая жидкость состоит из двух компонентов, один из которых имеет большую вязкость и малый удельный вес, а другой большую вязкость и большой удельный вес. Рассеивание энергии осуществляется при движении поршня как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
За рубежом вязкие демпферы нашли применение в системе сейсмоизоляции, применяемой фирмой GERB (Германия) для реакторов атомных электростанций [59].
Чаще всего вязкие демпферы используют в качестве так называемых корректирующих элементов к другим системам сейсмозащиты, например, к динамическим гасителям колебаний. Применение же их в качестве самостоятельных сейсмозащитных устройств представляется малооправданным, так как они довольно дороги и требуют периодической проверки в процессе эксплуатации. Кроме этого, из-за сложности их устройства, всегда имеется риск, что они могут оказаться неготовыми к работе в момент прохождения землетрясения.
б, в) фирмы Gerb стандартный и с телескопическими дисками
2.2.1.2.2.Системы с демпферами сухого трения
Для повышения рассеивающей способности, данные системы реализуют принцип создания зон, в которых возможно взаимное смещение элементов, сопровождающееся сухим (кулоновским) трением. В большинстве систем [5, 90] кулоновское трение создается во фрикционных узлах при помощи высокопрочных болтов.
Например, в каркасных связевых зданиях данная система может быть реализована путем устройства фрикционных узлов в вертикальных диафрагмах [89]. Железобетонные диафрагмы выполняются составными из двух панелей, одна из которых крепится к ригелю верхнего этажа, а другая – к ригелю нижнего этажа. Между диафрагмами проложен фрикционный материал и образованный трехслойный пакет обжимается болтами, число которых назначается по расчету. В остальных вертикальных связях, решенных по крестовой, треугольной или подкосной схемам, узлы соединения стержневых элементов между собой или с колоннами выполняются на высокопрочных болтах как фрикционные [21].
В панельных зданиях аналогичные фрикционные узлы могут быть созданы за счет использования составных перемычек [5] (см. рис. 2.3).
Имеются так же предложения по использованию песка в качестве демпфирующего материала [30] (см. рис. 2.4). Энергопоглощение в данном случае происходит за счет перемещения поршня внутри цилиндра, заполненного песком.
Работа систем с демпферами сухого трения характеризуется двумя этапами. При небольшом уровне сейсмического воздействия система ведет себя упруго, когда же внутренние усилия в примыкающих к демпферам конструкциях превзойдут определенный рубеж, происходит взаимное смещение трущихся поверхностей, сопровождаемое поглощением энергии.
Экспериментальные и теоретические исследования [6] показали, что использование демпферов сухого трения в качестве системы сейсмозащиты позволяет значительно увеличить коэффициент затухания, снизить внутренние усилия в элементах конструкций.
Недостатком систем с использованием кулоновокого трения является нестабильность демпфирующих характеристик и возможность их изменения в процессе эксплуатации здания, но данный вид CAС удачно может применяться в качестве корректирующих элементов совместно с системами сейсмоизоляции.
