Моделирование сейсмических воздействий и применение сейсмозащиты. Часть 3.

Страницы:   1   2   3   4   5

---

2.2.1.3.Системы с элементами повышенной пластической деформации

 

При пластическом деформировании некоторых металлов и сплавов (малоуглеродистая и низколегированная сталь, свинец и др.) происходит весьма интенсивное поглощение части механической энергии с превращением ее в тепло. На основании этого свойства созданы активные сейсмозащитные устройства, называемые энергопоглотителями.

Имеется целый ряд конструкций, реализующих принцип энергопоглощения за счет деформирования различных вязкоупругих материалов [28]. Одной из наиболее удачных конструкций САС данного класса является энергопоглотитель экструзионного типа [29, 59, 118] (см. рис. 2.5). Он состоит из цилиндра с ровными стенками и поршня с утолщенной средней частью. Пространство цилиндра заполнено свинцом. При колебаниях конструкции, к которой присоединен поглотитель, происходит перемещение поршня, сопровождаемое деформированием свинца. Демпфер имеет высокую энергопоглощающую способность и при этом гарантирует надежную работу в течение нескольких землетрясений. Экструзионные поглотители данной конструкции были использованы при строительстве автодорожного моста в Веллингтоне (Новая Зеландия).

 

2.3.Использование упругопластической работы стали для повышения сейсмостойкости каркасных зданий

 

Инструментальные данные о характере работы сооружений и результаты анализа последствий сильных землетрясений указывают на то, что действительные сейсмические нагрузки часто превышают нормативные значения [43, 13, 4]. Очевидно, что такие перегрузки вызывают развитие неупругих деформаций, приводящих к существенной нелинейности работы конструкций.

Вопросам изучения сейсмостойкости упругопластических систем посвящены работы Я.М. Айзенберга [2], И.Л. Корчинского [27], Л.Ш. Килимника, В.А. Ржевского, С.Т. Узлова [81], С.В. Полякова, H.H. Окладнева, Г.Н. Карцевадзе, И.П. Гольденблата, И.А. Николаенко, JI.А. Бородина [9, 10], Г.М. Острикова, Ю.С. Максимова [50], A.A. Опланчука, М.С. Дуэинкевича [15], Москвитина В.В. [36, 37] и других авторов.

За рубежом этими вопросами занимались Хаузнер Д., Блюм Д., Берг Г., Томайдео С., Ньюмарк Н. [40], Ивен В., Поцески А., Клаф Р., Пензиен Дж. []25, Танабаши Р., Попов Е., Окамото Ш. [41].

Одним из распространенных подходов исследования работы металлических конструкций за пределом упругой стадии является энергетический подход. Он достаточно конкретно определяет критерии несущей способности конструкций при сейсмическом воздействии. Начало данного подхода положено И.Л. Корчинским в статье [27].

Суть подхода заключается в следующем. Внешняя энергия, полученная каркасом во время землетрясения, должна быть поглощена его элементами, в которых при этом не должны возникнуть опасные повреждения. Чем больше энергии могут поглотить элементы, тем быстрее затухнут колебания здания, тем надежнее будет работать каркас на сейсмическую нагрузку.

Энергетический подход позволяет в довольно наглядной форме определить степень снижения сейсмической нагрузки, учитывая энергопоглощающую способность конструкции, и послужил основой для исследования упругопластической работы элементов зданий при сейсмических нагрузках.

 

2.4.Эффективность использования неупругой работы конструктивных элементов каркасов для повышения сейсмостойкости

 

Наличие высоких пластических свойств является одним из наиболее благоприятных факторов, отличающих металл от других строительных материалов, так как развитие пластических деформаций ограничивает рост внутренних усилий и приводит к поглощению части энергии. В связи с этим металлические конструкции должны обладать значительными резервами несущей способности и сейсмостойкости, что и подтверждается практикой [26, 35, 59]. Однако, при проектировании сейсмостойких зданий использование этих резервов не может быть осуществлено в полной мере без конструктивных мероприятий, которые позволили бы развиваться неупругим деформациям в местах безопасных с точки зрения потери устойчивости или хрупкого разрушения. С другой стороны, основным критерием эффективности использования пластических свойств той или иной конструкции служит ее энергоемкость. Таким образом, эти два фактора – обеспечение несущей способности и повышение энергоемкости – являются теми условиями, которые определяют эффективность и безопасность использования пластических резервов каждой конструкции.

Экспериментальные исследования моделей стоек на однократные и циклические изгибные нагрузки [11, 49] показали, что развитие пластических деформаций в сжато-изогнутых колоннах не допустимо. Было выявлено, что рост вертикальных нагрузок сильно снижает предельное значение несущей способности от поперечной нагрузки. При знакопеременных циклических поперечных нагрузках, прилагаемых к работающим стойкам, в сечении, примыкающем к заделке, происходит накопление пластических деформаций, приводящих к снижению прочности и долговечности. Поэтому развитие пластических шарниров в колоннах недопустимо и, в случае решения каркаса по рамной схеме, энергия колебаний должна поглощаться упругопластической работой ригелей и узлов [53]. Для исключения возможности развития пластических деформаций в колоннах, в работе [48] их базы предлагается выполнять с развитыми траверсами, работающими на изгиб. При этом в траверсах должны концентрироваться неупругие деформации, что одновременно повысит энергоемкость и обеспечит надежную работу колонн.

Ригели обладают достаточно высокой энергоемкостью, но на их работу при циклических нагрузках большой интенсивности, значительное влияние оказывают два фактора: гибкость стенок и конструктивные особенности сопряжения с колоннами [49, 50]. Для повышения энергоемкости при обеспечении местной устойчивости стенки и исключении развития хрупких трещин в местах ступенчатого изменения поясов, необходимо:

• ограничивать гибкость стенки увеличением ее сечения, либо приданием ей гофрированного профиля [48, 49];
• выполнить плавный переход в месте изменения ширины пояса [49, 15];
• создавать вблизи приопорных участков зоны развития пластических деформаций [49, 59].

Важным является вопрос об энергопоглощающей способности узлов рамных каркасов. Будучи выполненными жестко, они концентрируют в себе основную долю пластических деформаций. При этом большая часть энергии поглощается за счет неупругой работы материала стенки колонны, находящейся в пределах узла. При сейсмических воздействиях стенка работает на знакопеременный циклический сдвиг. Согласно результатам экспериментальных исследований [49] максимальной долговечностью и энергоемкостью обладают узловые соединения с минимальной гибкостью стенки (λ < 30). Стенки же большой гибкости (λ = 50..75) быстро теряют устойчивость и при 20 — 50 циклах в них образуются крестообразные трещины. Полуцикловая энергоемкость узлов зависит от механических характеристик стали, объема, металла, работающего в пластической стадии и уровня пластического деформирования.

Одной из причин значительных повреждений зданий с металлическими каркасами связевой схемы во время землетрясений является то, что вертикальные связи не обладают достаточными энергопоглощающими свойствами и слабо сопротивляются знакопеременным горизонтальным нагрузкам большой интенсивности. Так в ходе испытаний, проводившихся в Казахском отделении ЦНИИПСК на моделях рам с вертикальными связями, выполненных в масштабе 1:3, выявлено [12], что при небольшом уровне деформаций Δ=1.5Δу (Δу – предельные упругие деформации), крестовые связи сохраняли свою работоспособность в течении 100 циклов. Но по мере роста деформаций работоспособность таких связей резко падала. При сжатии раскосы теряли устойчивость, а при растяжении в них возникали необратимые остаточные удлинения. Разрушения имели характер либо поперечных разрывов по основному металлу, либо трещин в зоне сварных швов, соединяющих раскосы с фасонками внешней рамы. При перекосах в 6 раз превышающих предельные упругие модель выдержат всего 1.5 цикла. Тем не менее, в результате испытаний было установлено, что энергоемкость крестовой связи более чем в 1.5 раза превосходит энергоемкость монолитной железобетонной диафрагмы, потерявшей несущую способность после первого цикла знакопеременного нагружения той же интенсивности.

Таким образом, использование упругопластических резервов работы стали может значительно повысить сейсмостойкость каркасов, при этом наиболее эффективным и надежным является развитие пластических деформаций в ригелях и узловых соединениях. Для других конструкций упругопластическая работа должна быть либо ограничена, как для вертикальных связей, либо, как в случае со стойками, полностью исключена.

Учитывая все вышеизложенное, рациональным является решение, при котором основная масса неупругих деформаций сооружения концентрировалась бы в специальных элементах – энергопоглотителях [49].

 

2.5. Энергопоглотители

 

В России впервые конструкция энергопоглотителя была предложена Л.А. Бородиным [7, 8]. Она представляла собой прямоугольную раму, выполненную из стальных стержней двутаврового или круглого сечения и установленную в месте пересечения раскосов крестовых связей. Хотя такие энергопоглотители и не отличались высокой долговечностью, их применение позволило существенно повысить энергопоглощающую способность вертикальных связей [12, 49].

К настоящему времени имеется большое число конструкций энергопоглотителей, реализующих различные виды напряженно-деформированного состояния стали.

Стержневые энергопоглотители, предложенные в работах [44, 88], выполняются из круглых стержней или пластин. Для увеличения объема материала, работающего за пределом упругости, стержни имеют зоны равного сопротивления, созданные путем изменения диаметра или ширины. Стержни могут работать на растяжение и на изгиб.

Стержневые энергопоглотители подлежат использованию главным образом в зданиях с жесткими диафрагмами и полураскосными связями [38. 88]. Они обладают высокой малоцикловой выносливостью, но их недостатком является относительно низкая удельная энергоемкость.

Кольцевые энергопоглотители просты в изготовлении и хорошо работают в пластической стадии на знакопеременные малоцикловые нагрузки [27, 49]. Энергопоглощающий элемент представляет собой кольцо двутаврового сечения, устанавливаемое в крестовых, связях, (см. рис. 2.6). Для повышения поглощающей способности, стенку кольца делают гофрированной, а полки разного сечения, что обеспечивает одновременное развитие в них пластических деформаций.

При большой длине раскосов крестовых связей целесообразно устанавливать бикольцевой энергопоглотитель, выполненный из обрезков круглых труб [28, 45]. Конструкция его узловых креплений обеспечивает работу раскосов только на растяжение. Изменяя параметры колец можно варьировать порядок их вступления в пластическую работу.

Кольцевые энергопоглотители обладают достаточно высокими энергопоглощающими свойствами, но для обеспечения достаточной малоцикловой выносливости уровень их деформаций должен быть ограничен величиной 6Δу (Δу –предельные упругие деформации) [47].

 

Трубчатые энергопоглотители предназначены для установки в полураскосных и портальных связях [47, 49]. Их основными элементами являйся отрезки толстых круглых труб в форме полуколец (см. рис. 2.7). Для максимального вовлечения материала в пластическую работу ширина полуколец назначается по эпюре моментов, что повышает энергоемкость.

Трубчатые энергопоглотители имеют высокую энергопоглощающую способность, но из-за того, что они работают на изгиб поперек прокатки, а также наличия концентраторов напряжений, не обладают высокой малоцикловой выносливостью (в 5-6 раз ниже теоретической) [45].

 

Балочные энергопоглотители осуществляют энергопоглощение за счет пластической работы изгибаемого элемента [46]. К данному типу относится наибольшее число конструкций различных энергопоглотителей [9]. Одной из самых известных является система Попова, предполагающая введение балочного поглотителя в состав эксцентричных связей [61, 64]. При этом пластические деформации концентрируются в участках изгибаемых элементов, расположенных между подкосами или между подкосом и колонной.

В работах [70, 71] приведен целый ряд энергопоглотителей, использующих балочный принцип (см. рис. 2.8). Их рекомендуется устанавливать в вертикальных связях и в местах крепления колонн к фундаменту. Энергопоглотитель помимо изгиба испытывает свободное кручение. Испытания трехэтажной модели однопролетного стального каркаса, проводившиеся на виброплатформе с ускорениями 0.1 — 0.75g, показали, что установка такого энергопоглотителя в местах заделки колонны в фундамент привела к снижению относительного сдвига этажей, перерезывающих сил и опрокидывающих моментов.

Недостатком балочных энергопоглотителей является их высокая металлоемкость.

 

Энергопоглотители, работающие на сдвиг, обладают наибольшей энергоемкостью [49]. Поглощение энергии осуществляется за счет пластических деформаций, возникающих при перекосе пластинчатого элемента, который по периметру ограничен ребрами (см. рис. 2.9). Такой элемент является достаточно жестким, что важно при его использовании в зданиях повышенной этажности. В работах [54, 52] предложено оснащать сдвиговыми энергопоглотителями крестовые, а так же полураскосные связи. Необходимо отметить, что при небольшой величине расцентровки в балочных энергопоглотителях (2 — 3 высоты ригеля) пластическая работа возникает из-за сдвигов участка стенки, а полки при этом работают упруго. Таким образом, балочные системы при определенных условиях могут реализовывать сдвиговую схему поглощения энергии.

Степень развития пластических деформаций при использовании сдвиговой схемы энергопоглощения посредством концентрации касательных напряжений в пластинчатых элементах ограничивается устойчивостью стенки. Кроме этого, такая конструкция не позволяет оперативно производить замену энергопоглотителя в случае возникновения в нем сильных повреждений.

 

Энергопоглотители торсионного (ЭПТ) типа также реализуют сдвиговую схему энергопоглощения, которая в данном случае принимает вид упругопластического кручения. Основным поглощающим элементом является цилиндрический образец – торсионный вал (см. рис. 2.10), выполненный из малоуглеродистой или другой пластичной стали. Центральная часть торсиона назначается меньшего диаметра, чем концевые части. Один из торцов торсиона жестко защемлен от поворота, а второй соединен с рычажным поводком. При приложении к поводку горизонтального усилия в торсионе возникает кручение.

Конструкция энергопоглотителей торсионного (ЭПТ) типа была предложена Г.В. Мальцевым и В.А. Зениным [32]. Она предполагает размещение ЭПТ в узле соединения подкосов треугольных связей и ригеля.

Энергопоглотители торсионного типа обладают достаточно высокой энергопоглощающей способностью, что связано с максимальным вовлечением материала в неупругую работу [86, 87] и высокой удельной энергоемкостью стали при работе на сдвиг [49]. Значительная малоцикловая выносливость ЭПТ позволяет допускать существенный уровень упругопластической работы. Даже при деформациях тридцатикратно превышающих предельные упругие энергопоглотители выдерживают более 100 циклов знакопеременного нагружения [47]. Такой уровень развития пластической деформации способствует раскрытию достаточно широкой петли гистерезиса. Следствием этого должно явиться изменение динамических параметров (затухания и собственной частоты) системы в целом, что подтверждают предварительные расчеты, проводившиеся для реального здания [79].

Последнее обстоятельство предполагает наличие у системы с энергопоглотителем торсионного типа адаптационных свойств – способности к самонастройке динамических характеристик в процессе сейсмического воздействия.

 

В Казахском отделении ЦНИИПСК проводились экспериментальные и теоретические исследования работы энергопоглотителей различных конструкций. В результате исследований установлено, что для теоретической оценки долговечности энергопоглотителей с достаточной достоверность может быть применен критерий Мэнсона-Коффина, дающий удовлетворительную сходимость с результатами экспериментальных исследований [49]. Также изучалось влияние кольцевых энергопоглотителей на динамические характеристики каркаса здания. В результате модельного эксперимента, установлено, что при ограниченном развитии неупругой работы (Δ = 1.8..2.7Δу) собственная частота каркаса практически не меняется, а коэффициент диссипации увеличивается в 2-3 раза [80]. Здесь необходимо отметить, что эксперимент проводился при небольшом уровне пластических деформаций, что и не позволило выявить их существенного влияния на собственную частоту колебаний.

 

ГЛАВА III. ОЦЕНКА ПОВЕДЕНИЯ ЗДАНИЯ В УСЛОВИЯХ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

3.1.Описание площадки строительства

 

Площадки строительства установок производства полимеров комплекса нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств ЗАО «Восточная нефтехимическая компания» (комплекса ВНХК) расположены на юге Приморского края, в 5 км к северо-западу от г. Находки, в районе мыса Елизарова залива Восток, территории Партизанского муниципального района (центр – с. Владимиро-Александровское).

Площадка предполагаемого строительства приурочена к поверхности со сглаженным холмисто-увалистым типом рельефа, который представлен в виде отдельных сопок, увалов и межувальных распадков (долин) пади Широкой и пади Глубокой, с хорошо развитой системой небольших поверхностных, в основном временных, водотоков (ручьев). Абсолютные отметки поверхности земли изменяются от 22,0 м (район Товарного парка вакуумного газойля) до 112,0 м (район КУ-2). Большая часть распадков приурочена к долине ручья, ограничивающего площадку с южной стороны.

По климатическому районированию площадка строительства расположена во II-Г климатической зоне, с районом по весу снегового покрова – II и V районом по скоростному напору ветра.

В геологическом строении участка строительства до глубины 72 м принимают участие четвертичные и осадочные отложения. Четвертичные отложения представлены насыпным не слежавшимся грунтом, перемешавшимся с почвенно-растительным слоем и имеющим локальное распространение мощностью до 1 м. Осадочные породы представлены элювиальными отложениями, в верхней части которых распространены элювиально-делювиальные отложения, представленные, в основном, суглинками полутвердой и твердой консистенции, с редким щебнем и дресвой, мощностью 0,6-11,9 м, а также щебенистыми грунтами осадочных пород (песчаника, алевролита, реже аргиллита) с суглинистым или супесчаным заполнителем до 30-40%, мощностью 0,8-12,5 м. Ниже залегают элювиальные отложения обломочной зоны коры выветривания скальных осадочных пород песчаника средней прочности, сильновыветрелого местами до щебня, сильнотрещиноватого и алевролита малопрочного сильновыветрелого, сильнотрещиноватого мощностью 5-10 м. Под элювиальными отложениями залегают верхнеюрские нижнемеловые отложения, представленные песчаниками, алевролитами, аргиллитами, углистыми и глинистыми сланцами вскрытой мощностью 2,1-70,5 м. Осадочные породы в верхней части разреза выветрены, ослаблены и изменены процессами физического и химического выветривания. По степени трещиноватости осадочные породы характеризуются как трещиноватые и сильнотрещиноватые, по прочности изменяются от очень низкой прочности до прочных.

Грунтовые воды на участке строительства, вскрытые на глубине 0-1,5 м и 5-10 м, носят локальный характер. Водовмещающими породами служат щебенистые грунты. Грунтовые воды, вскрытые на глубине 60-70 м, относятся к осадочным трещиноватым породами являются как напорными, так и безнапорными.

Фоновая сейсмичность района строительства зданий объекта составляет 8 баллов по шкале MSK-64 по карте ОСР-2015.

Категория грунтов по сейсмическим свойствам вторая и третья.

Расчетная сейсмичность для площадки строительства здания 3080.1 объекта принята равной 9 баллам по шкале MSK-64;

В соответствии с приложением Б СП 11-105-97, площадка строительства относится к III (сложной) категории сложности инженерно-геологических условий.

 

3.2.Краткое описание здания

 

Рассматриваемое здание (объект) сблокировано из нескольких объемов различных габаритов. В расчетах данная конструкция принимается за единое целое. Общие габариты в плане по осям 52,0×92,0 м, высота 74,8 м (см. рис. 3.1 общий вид здания).

 

Каркас металлический, состоит из, колонн, ригелей и металлических связей по колоннам и ж/б перекрытий. Стены и кровля из сэндвич-панелей.

Пространственная неизменяемость здания обеспечивается жёсткими дисками перекрытия и покрытия.

Сооружение относится к повышенному уровню ответственности и соответствует классу КС-3 по ГОСТ 27751-2014.

 

3.3.Нагрузки и воздействия

 

Нормативные значения постоянных нагрузок от собственного веса конструкций и грунтов определялись в соответствии с требованиями СП 20.13330.2011, СП 22.13330.2011. Равномерно распределенные и сосредоточенные временные нагрузки на перекрытия, лестницы от веса людей и оборудования в помещении высотного здания приняты в соответствии с СП 20.13330.2011, техническим заданием на проектирование архитектурно-строительной части и СТУ.

Сводная таблица нагрузок и воздействий приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Таблица нагрузок на здание основного блока.

 

---

Страницы:   1   2   3   4   5